第7章 软开关技术ppt [兼容模式] - 上海电力学院.pdf
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1、2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室1电力电子技术电力电子技术上海电力学院 电子教研室上海电力学院 电子教研室第第7章 软开关技术章 软开关技术2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室2概述概述 电力电子装置高频化电力电子装置高频化利用以谐振为主的辅助换流手段,解决电路利用以谐振为主的辅助换流手段,解决电路中的开关损耗和开关噪声问题,以大幅提高中的开关损耗和开关噪声问题,以大幅提高开关频率。开关频率。意义:滤波器、变压器体积和重量减小,电意义: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。力电子装置小型化、轻量化。软开关技术软开关技术:问题:开关损耗增加,电磁干扰增
2、大问题:开关损耗增加,电磁干扰增大。电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室37.1软开关的基本概念软开关的基本概念7.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关开关过程中电压、电流均不为零,导致了开关损耗开关过程中电压、电流均不为零,导致了开关损耗;且电压和电流的变化很快,导致了开关噪声。具有且电压和电流的变化很快,导致了开关噪声。具有这样开关过程的开关被称为硬开关。这样开关过程的开关被称为硬开关。硬开关:硬开关:电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室4图1-9 晶闸管
3、的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管晶闸管的的动态特性动态特性1)开开通通过程过程2)关关断断过程过程关关断时间断时间tq:tq=反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr+正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr(几百s)开开通时间通时间tgttgt=延迟时间延迟时间 td+上上升时间升时间tr0.51.5s+0.53s电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.1软开关的基本概念软开关的基本概念7.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室5在开关过程前后引入谐振,使在开关过程
4、前后引入谐振,使开关开开关开通前通前电压电压先降先降为零为零,或或关关断前断前电流电流先降先降为零为零,减小甚至消除减小甚至消除开关损耗和开关噪声开关损耗和开关噪声,具有这样开关过程的开关被称为软开关。具有这样开关过程的开关被称为软开关。软开关:软开关:电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.1软开关的基本概念软开关的基本概念7.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室6 零电压开关:零电压开关:使开关开通前其两端电压为零,使开关开通前其两端电压为零,则开关开通时就不会产生损耗则开关开通时就不会产生损耗和噪声,这种开通方式称为零和
5、噪声,这种开通方式称为零电压电压开开通通,简称零电压开关。,简称零电压开关。零电流开关:零电流开关:使开关关断前其电流为零,则开使开关关断前其电流为零,则开关关断时也不会产生损耗和噪声,关关断时也不会产生损耗和噪声,这种关断方式称为零电流这种关断方式称为零电流关关断断,简称零电流开关。简称零电流开关。电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.1软开关的基本概念软开关的基本概念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2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室7根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成:根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成:准准谐
6、振电路、谐振电路、零开关零开关PWM电路、电路、零零转转换换PWM电路。电路。根据开关元件开通和关断时电压电流状态,分根据开关元件开通和关断时电压电流状态,分为两大类:为两大类:零电压电路零电压电路、零电流电路零电流电路。电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.2 软开关电路的分类软开关电路的分类2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室8图图 7-3 基本开关单元的概念基本开关单元的概念(显示放(显示放大大图)图)a)基本开关单元)基本开关单元 b)降压斩波器中的基本开关单元降压斩波器中的基本开关单元c)升压斩波器中的基本开关单元升压斩波器中的基本开关单元d)升降压
7、斩波器中的基本开关单元升降压斩波器中的基本开关单元VDSLLSVDLSVDVDSLa)b)c)d)基本开关基本开关单元单元电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.2 软开关电路的软开关电路的分类分类2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室91 准谐振电路 准谐振电路SVDLrLCrSVDLrLCr1Cr2SLrCrVDLa)b)c)图 7-4 准谐振电路的基本开关单元(显示放大图)a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元最早出现最早出现的软开关电路,的软开关电路,可可以以分分为:为:电压电压或
8、或电流的波电流的波形形为为正弦半正弦半波,波,称称为为准准谐振。谐振。三类三类软开关电路软开关电路 零电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC);零电流开关零电流开关准准谐振电路谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC);零电压开关零电压开关多多谐振电路谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC);用用于逆于逆变器的谐振变器的谐振直直流
9、流环节环节(Resonant DC Link)。电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.2 软开关电路的软开关电路的分类分类2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室102 零开关 零开关PWM电路电路SLrCrVDLS1SVDLrLCrS1a)b)图图7-5 零开关零开关PWM电路的基本开关电路的基本开关单元单元a)零电压开关零电压开关PWM电路的基本开关电路的基本开关单元单元b)零电流开关零电流开关PWM电路的基本开关电路的基本开关单元单元(显示放(显示放大大图)图)v 引入引入了辅助开关了辅助开关来控制来控制谐振的开谐振的开始时刻始时刻,使使谐振谐振仅仅发生于发
10、生于开关过程开关过程前后前后。电压和电流基本上电压和电流基本上是是方方波,波,只是只是上上升升沿沿和和下下降降沿较缓沿较缓,开关,开关承受承受的电压的电压明明显降显降低低;v 分分为:为:特特点点:零电流开关零电流开关PWM电路电路(Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM)。零电压开关零电压开关PWM电路电路(Zero-Voltage-SwitchingPWM ConverterZVS PWM);电路电路可可以以采采用开关频率用开关频率固定固定的的PWM控制方式控制方式。三类三类软开关电路软开关电路电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章
11、软开关技术7.2 软开关电路的软开关电路的分类分类2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室113 零转换 零转换PWM电路电路SLrVDLS1CrVD1LrCrS1SVDVD1La)b)图 7-6 零转换PWM电路的基本开关单元a)零电压转换PWM电路的基本开关单元b)零电流转换PWM电路的基本开关单元(显示放大图)v 分分为:为:v 采采用辅助开关用辅助开关控制控制谐振的开谐振的开始时刻始时刻,但但谐振电路谐振电路是是与主开关与主开关并联并联的的。电路电路在在很很宽宽的的输输入入电压电压范围内范围内和和从从零零负载到满载都能工作负载到满载都能工作在在软开关软开关状态状态。v 特特点点:
12、零电流零电流转转换换PWM电路电路(Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM)。零电压零电压转转换换PWM电路电路(Zero-Voltage-TransitionPWM ConverterZVTPWM);电路中电路中无功功无功功率的率的交交换换被被削削减减到到最最小,小,这使这使得得电路电路效效率率有有了了进一步进一步提高。提高。三类三类软开关电路软开关电路电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.2 软开关电路的软开关电路的分类分类2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室127.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准
13、谐振电路UiCrSVDSLrVDLCAR图7-7 零电压开关准谐振电路原理图(显示放大图)SuS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形(显示放大图)7.3典典型的软开关电路型的软开关电路电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室137.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 工作原理工作原理SuS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOCrUi+uCrILA图7-9 零电压开关准谐振电路在t0t1时段等效
14、电路rrddCItuLC=t0t1时时段:段:t0时刻时刻之之前前,开关,开关S为为通态通态,二极二极管管VD为为断态断态,uCr=0,iLr=IL(7-1)电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.3典典型的软开关电路型的软开关电路UiCrSVDSLrVDLCARt0时刻时刻S关关断断,与,与其其并联并联的电的电容容Cr使使S关关断后断后电电压上压上升升减减缓缓,因此因此S的关的关断断损耗减小。损耗减小。S关关断后断后,VD尚未尚未导导通通。电。电感感Lr+L向向Cr充充电,电,uCr线线性性上上升升,同同时时VD两端两端电压电压uVD逐渐下逐渐下降降,直直到到t1时刻时
15、刻,uVD=0,VD导导通通。这这一一时时段段uCr的上的上升升率:率:2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室14CrUi+uCriLr图7-10 零电压开关准谐振电路在t1t2时段等效电路t1t2时时段:段:t1时刻时刻二极二极管管VD导导通通,电,电感感L通通过过VD续续流,流,Cr、Lr、Ui形成形成谐振谐振回回路。路。t2时刻时刻,iLr下下降降到到零,零,uCr达到达到谐振谐振峰值峰值。t2t3时时段:段:t2时刻后时刻后,Cr向向Lr放放电,电,直直到到t3时刻时刻,uCr=Ui,iLr达达到到反向反向谐振谐振峰峰值值。7.3.1 零电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路电
16、力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.3典典型的软开关电路型的软开关电路 工作原理工作原理SuS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOUiCrSVDSLrVDLCAR2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室15 t3t4时段:时段:t3时刻以后,时刻以后,Lr向向Cr反向充反向充电,电,uCr继续下降,直到继续下降,直到t4时刻时刻uCr=0。,dddd41rirrrrirrr11tttIiUuituCUutiLLttLttCLCCL=+=(7-2)t1到到t4时时段电路谐振过程的段电路谐振过程的方方程为:程为:7.3.1 零
17、电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路 工作原理工作原理电力电子技术第电力电子技术第7章 软开关技术章 软开关技术7.3典典型的软开关电路型的软开关电路SuS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOUiCrSVDSLrVDLCAR2008-5-14上海电力学院 电子技术教研室16rirddLUtiL=t6t0时时段:段:S为为通态通态,VD为为断态断态。(7-3)t4到到t6时时段电流段电流iLr的变化率为:的变化率为:t5t6时时段:段:S为为通态通态,iLr线线性性上上升升,直直到到t6时刻时刻,iLr=IL,VD关关断断。t4t5时时段:段:VDS导
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