007软开关技术.ppt

《007软开关技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《007软开关技术.ppt（22页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第7 7章章 软开关技术软开关技术1第第7 7章章 软开关技术软开关技术概述概述7.1 7.1 软开关的基本概念软开关的基本概念7.1.1 7.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关7.1.2 7.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关7.2 7.2 软开关电路的分类软开关电路的分类7.3 7.3 典型的软开关电路典型的软开关电路7.3.1 7.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路7.3.2 7.3.2 谐振直流环谐振直流环7.3.3 7.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWMPWM电路电路7.3.4 7.3.4 零电压转换零电压转换PWMPWM电路电

2、路本章小结本章小结2第第7 7章软开关技术章软开关技术概述概述电力电子装置高频化趋势电力电子装置高频化趋势滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术软开关技术-降低开关损耗和开关噪声降低开关损耗和开关噪声3硬开关与软开关硬开关与软开关7.1.1l硬开关：硬开关：uuiippttttuittui硬开关硬开关软开关软开关开通开通关断关断开通开通关断关断l软开关：软开关：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化

3、产生较大的开关损耗和开关噪声。产生较大的开关损耗和开关噪声。在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。软开关有时也被称为谐振开关。软开关有时也被称为谐振开关。l什么是软开关电路什么是软开关电路 在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压先降为零，或关断前电流先

4、降为零，就可以消除开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压与电流的重叠，从而大大减小甚至消除损耗和关过程中电压与电流的重叠，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声，开关噪声，4零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关7.1.2零电流开关：使开关关断前其电流为零零电流开关：使开关关断前其电流为零l软开关分类软开关分类零电压开关：使开关开通前其两端电压为零零电压开关：使开关开通前其两端电压为零l零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。l简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电简单的利用并联电容实现零电压关断

5、和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。响，因此是得不偿失的。零电压关断：与开关并联的电容能使关断后电压上升延缓零电压关断：与开关并联的电容能使关断后电压上升延缓零电流开通：与开关相串联的电感能使开通后电流上升延缓零电流开通：与开关相串联的电感能使开通后电流上升延缓5软开关电路的分类软开关电路的分类7.2l根据开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。根据开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。l根据软开关发展历程可分成准谐振电路、零开关根据

6、软开关发展历程可分成准谐振电路、零开关PWMPWM电路和零转换电路和零转换PWMPWM电路电路l每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。关单元导出具体电路。基本开关单元的概念基本开关单元的概念基本开基本开关单元关单元降压斩波中的降压斩波中的基本开关单元基本开关单元升压斩波器中的升压斩波器中的基本开关单元基本开关单元升降压斩波器中升降压斩波器中的基本开关单元的基本开关单元6软开关电路的分类软开关电路的分类7.2零电压开关准谐振零电压开关准谐振 零电流开关准谐振电路零电流开关准谐振电路(Ze

7、ro-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）；零电流开关准谐振零电流开关准谐振零电压开关多谐振电路零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC）；）；零电压开关多谐振零电压开关多谐振 用于逆变器的谐振直流环节用于逆变器的谐振直流环节(Resonant DC LinkResonant DC Link）1 1 准谐振电路准谐振电路l准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。l为最

8、早出现的软开关电路，可以分为：为最早出现的软开关电路，可以分为：零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRCConverterZVS QRC）;l特点：特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功交换，导通损耗加大；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功交换，导通损耗加大；谐谐振振周周期期随随输输入入电电压压、负负载载变变化化而而改改变

9、变，因因此此电电路路只只能能采采用用脉脉冲冲频频率调制（率调制（Pulse Frequency ModulationPFMPulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。方式来控制。7软开关电路的分类软开关电路的分类7.2零电压开关PWM电路的基本开关单元l 特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。2 2零开关零开关PWMPWM电路电路l引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后l零开关零开关PWMP

10、WM电路可以分为：电路可以分为：零零电电压压开开关关PWMPWM电电路路（Zero-Voltage-Switching PWM Converter-ZVS PWM）8软开关电路的分类软开关电路的分类7.2零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）；a）零电压转换PWM电路的基本开关单元3 3 零转换零转换PWMPWM电路电路l采采用用辅辅助助开开关关控控制制谐谐振振的的开开始始时时刻刻，但但谐谐振振电电路路是是与与主主开开关关并联的。并联的。l零转换零转换PWMPWM电路可以分为：电路可以分为：9零电流转换PWM电路（Zer

11、o-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）。b）零电流转换PWM电路的基本开关单元l 特点：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。10电路原理图电路的理想化波形电路的理想化波形7.3.1零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路t t0 0时刻时刻S S关断，关断，C Cr r使使S S关断后电压上升减缓，关断后电压上升减缓，关断损耗减小。关断损耗减小。S S关断后，关断后，VDVD未通。未通。L Lr r+L L向向C Cr r充电，充电，u uC Cr r

12、线性上升，同时线性上升，同时u uVDVD逐渐下降，逐渐下降，直到直到t t1 1时刻，时刻，u uVDVD=0=0，VDVD导通。这一时段导通。这一时段u uC Cr r的上升率：的上升率：t t0 0t t1 1：t t0 0时刻之前，时刻之前，S S为通态，为通态，VDVD为断态，为断态，u uCrCr=0=0，i iL Lr r=I=IL Ll 工作原理工作原理t t1 1t t2 2：t t1 1时时VDVD导通，导通，L L经经VDVD续流，续流，C Cr r、L Lr r、U Ui i形成谐振回路。形成谐振回路。t t2 2时刻时刻i iL Lr r下降到零，下降到零，u uC

13、Cr r达谐振峰值。达谐振峰值。t t2 2 t t3 3：t t2 2时刻后，时刻后，C Cr r向向L Lr r放电，到放电，到t t3 3时刻，时刻，u uC Cr r=U Ui i，i iL Lr r达到反向谐振峰值达到反向谐振峰值t t3 3t t4 4：L Lr r向向C Cr r反向充电，反向充电，u uC Cr r继续下降，直到继续下降，直到t t4 4时刻时刻u uC Cr r=0=0117.3.1l 工作原理工作原理t1到t4时段电路谐振过程的方程为：（7-2）t t4 4 t t5 5时段：时段：VDVDS S导通，导通，u uC Cr r被箝位于零，被箝位于零，i iL

14、 Lr r线性衰减，直到线性衰减，直到t t5 5时刻，时刻，i iL Lr r=0=0。由于这一时段由于这一时段S S两端电压为零，所以必须在这两端电压为零，所以必须在这一时段使开关一时段使开关S S开通，才不会产生开通损耗。开通，才不会产生开通损耗。t5t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断t t4 4到到t t6 6时段电流时段电流i iL Lr r的变化率为：的变化率为：（7-37-3）t6t0时段：S为通态，VD为断态。零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路127.3.1l谐振过程定量分析求解式（7-2）可得uCr（即开关S的电压uS）的表达式：u

15、Cr的谐振峰值表达式（即开关S承受的峰值电压）：零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：缺点缺点缺点缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路13谐振直流环谐振直流环谐振直流环电路原理图谐振直流环电路原理图7.3.2谐振直流环电路应用于交流谐振直流环电路应用于交流-直流直流-交流变换电路的中间直流环节（交流变换电路的中间直流环节（DC-DC-LinkLink）。）。通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 14图图

16、7-12 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路图图 7-13 7-13 谐振直流环电谐振直流环电路的理想化波形路的理想化波形 谐振直流环谐振直流环7.3.2l 电路的工作过程：电路的工作过程：t t 0 0 t t1 1时段：时段：t t0 0时刻之前，开关时刻之前，开关S S处于通态，处于通态，i iL Lr r I IL L。t t0 0时刻时刻S S关断，关断，电路中发电路中发生谐振。生谐振。i iL Lr r对对C Cr r充电，充电，t t1 1时刻，时刻，u uC Cr r=U Ui i。t t1 1 t t2 2：t t1 1时谐振电流时谐振电流i iL L

17、r r达到峰值。达到峰值。t t1 1时刻后，时刻后，i iL Lr r继续向继续向C Cr r充电，直到充电，直到t t2 2时时刻刻i iL Lr r=I IL L，u uC Cr r达到谐振峰值。达到谐振峰值。t t2 2 t t3 3：u uC Cr r向向L Lr r和和L L放电，放电，i iL Lr r降低，到零后反向，直到降低，到零后反向，直到t t3 3时刻时刻 u uC Cr r=U Ui i。t t3 3 t t4 4：t t3 3时刻，时刻，i iL Lr r达到反向谐振峰值，开始衰减，达到反向谐振峰值，开始衰减，u uC Cr r继续下降，继续下降，t t4 4时刻，

18、时刻，u uC Cr r=0=0，VDVDS S导通，导通，u uC Cr r被箝位于零。被箝位于零。t t4 4 t t0 0时段：时段：S S导通，电流导通，电流i iL Lr r线性上升，直到线性上升，直到t t0 0时刻，时刻，S S再次关断再次关断l 缺点：缺点：电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。15移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWMPWM电路电路7.3.3l同同硬硬开开关关全全桥桥电电路路相相比比，仅仅增增加加了了一一个个谐谐振振电电感感，就就使使四四个个开开关关均均为为零零电压开通；电压开通；l移相全桥电路控制

19、方式的特点：移相全桥电路控制方式的特点：在在开开关关周周期期T TS S内内，每每个个开开关关导导通通时时间间都都略略小小于于T TS S/2/2，而而关关断断时时间间都都略大于略大于T TS S/2/2；同同一一半半桥桥中中两两个个开开关关不不同同时时处处于于通通态态，每每个个开开关关关关断断到到另另一一个个开开关关开通都要经过一定的死区时间。开通都要经过一定的死区时间。互互为为对对角角的的两两对对开开关关S S1 1-S-S4 4和和S S2 2-S-S3 3，S S1 1的的波波形形比比S S4 4超超前前00T TS S/2/2时时间间，而而S S2 2的的波波形形比比S S3 3超超

20、前前00T TS S/2/2时时间间，因因此此称称S S1 1和和S S2 2为为超超前前的的桥桥臂臂，而而称称S S3 3和和S S4 4为滞后的桥臂。为滞后的桥臂。16图图 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWM电路电路图图 7-15 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路7.3.317t t1 1t t2 2阶段的等效电路图阶段的等效电路图移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路7.3.3l工作过程：（波形图参照教材）工作过程：（波形图参照教材）t t0 0 t t1 1时段：时段：S

21、S1 1与与S S4 4导通，直到导通，直到t t1 1时刻时刻S S1 1关断。关断。t t1 1 t t2 2时段：时段：t t1 1时刻开关时刻开关S S1 1关断后，电关断后，电容容C Cs s1 1、C Cs s2 2与电感与电感L Lr r、L L构成谐振回路，构成谐振回路，u uA A不断下降，直到不断下降，直到u uA A=0=0，VDVDS2S2导通，电导通，电流流i iL Lr r通过通过VDVDS2S2续流。续流。t t2 2 t t3 3时时段段：t t2 2时时刻刻开开关关S S2 2开开通通，由由于于此此时时其其反反并并联联二二极极管管VDVDS2S2正正处处于于导

22、导通通状状态，因此态，因此S S2 2为零电压开通。为零电压开通。t t3 3 t t4 4：t t3 3时时S S4 4关断后，关断后，T T二次侧二次侧VDVD1 1和和VDVD2 2同时通，同时通，T T一、二次电压均为零，相当一、二次电压均为零，相当于短路，于短路，C Cs s3 3、C Cs s4 4与与L Lr r构成谐振回路。构成谐振回路。L Lr r电流渐小，电流渐小，B B点电压渐升，直到点电压渐升，直到VDVDS3S3导通。导通。到到t t4 4时刻时刻S S3 3开通。因此开通。因此S S3 3为零电压开通。为零电压开通。t t4 4t t5 5：S S3 3开通后，开通

23、后，L Lr r的电流继续减小。的电流继续减小。i iL Lr r降到零后反向增大，降到零后反向增大，t t5 5时刻时刻i iL Lr r=I IL L/k kT T，T T二次侧二次侧VDVD1 1的电流下降到零而关断，的电流下降到零而关断，I IL L全全部转移到部转移到VDVD2 2中。中。t t3 3t t4 4阶段的等效电路阶段的等效电路18零电压转换零电压转换PWM电路电路图图7-18 7-18 升压型零电压转换升压型零电压转换PWMPWM电路的原理图电路的原理图7.3.4l零电压转换零电压转换PWMPWM电路具有电路简单、效率高等优点。电路具有电路简单、效率高等优点。19图 7

24、-20 升压型零电压转换PWM电路在t1t2时段的等效电路零电压转换零电压转换PWM电路电路7.3.4l工作过程工作过程：辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。t0t1时段：，S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长，VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。t1t2时段：Lr与Cr构成谐振回路，Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。20图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路7.3.4t t2 2 t

25、 t3 3时时段段：u uC Cr r被被箝箝位位于于零零，而而电电流流i iL Lr r保保持持不不变变，这这种种状状态态一一直直保保持持到到t t3 3时刻时刻S S开通、开通、S S1 1关断。关断。t t3 3 t t4 4时时段段：t t3 3时时刻刻S S开开通通时时，为为零零电电压压开开通通。S S开开通通的的同同时时S S1 1关关断断，L Lr r中中的的能能量量通通过过VDVD1 1向向负负载载侧侧输输送送，其其电电流流线线性性下下降降，主主开开关关S S中中的的电电流流线线性性上上升升。t t4 4时时刻刻i iLrLr=0=0，VDVD1 1关关断断，主主开开关关S S

26、中中的的电电流流i iS S=I IL L，电电路路进入正常导通状态。进入正常导通状态。t t4 4 t t5 5时时段段：t t5 5时时刻刻S S关关断断。C Cr r限限制制了了S S电电压压的的上上升升率率，降降低低了了S S的的关关断断损耗。损耗。21小结小结第7章本章的重点为：本章的重点为：1 1）软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条）软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条 件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声 问题。问题。2 2）软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。按）软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。按 照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWMPWM和和 零转换零转换PWMPWM三大类。每一类都包含基本拓扑和众多的派三大类。每一类都包含基本拓扑和众多的派 生拓扑。生拓扑。3 3）零电压开关准谐振电路、零电压开关）零电压开关准谐振电路、零电压开关PWMPWM电路和零电路和零 电压转换电压转换PWMPWM电路分别是三类软开关电路的代表；电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应 用。用。22