电力电子课件 - 华中科技大学 - 第8章 谐振开关型变换器.ppt
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1、电力电子学电力电子变换和控制技术(第二版)第第 8 8 章章谐振开关型变换器谐振开关型变换器8 8 谐振开关型变换器谐振开关型变换器8.1 8.1 硬开关、硬开关、LCLC缓冲软开关和缓冲软开关和LCLC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性8.2 8.2 谐振开关型变换器的类型谐振开关型变换器的类型8.3 8.3 谐振开关型零电压开通(谐振开关型零电压开通(ZVSZVS)变换器变换器8.4 8.4 谐振开关型零电流关断(谐振开关型零电流关断(ZCSZCS)变换器变换器8.5 8.5 直流环节并联谐振型逆变器直流环节并联谐振型逆变器PRDCLIPRDCLI小结小结8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲
2、软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q硬开关过程硬开关过程q 开通(开通(AB C):在在vT=VD下下iT从从0Io,然后,然后在在iT=Io下下vT从从VD0,Pon=vTiT大。大。q 关断(关断(CB A):在在iT=Io下下vT从从0VD,然后,然后在在vT=VD下下iT从从Io0,Poff=vTiT大。大。图图8.1(8.1(a)a)硬开关电路硬开关电路开关轨迹开关轨迹8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q有有LCLC缓冲器的软开关过程缓冲器的软开关过程q 开通(开通(A AQ QE EC C):):L
3、 LS S使工作点从使工作点从AQAQ,在,在v vT TV VQ QVVD D下下i iT T从从0Io0Io,然后从,然后从ECEC,P Ponon P Ponon。q 关断关断(C CA AP PA A):):i iT T从从Io0Io0期间期间vT从从0V0VD D,然后在然后在i iT T=0=0下从下从APAAPA,P Poff显著减小。显著减小。开关轨迹开关轨迹图图8.1(8.1(b)b)有有LCLC复合缓冲的软开关电路复合缓冲的软开关电路8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q开关频率增加可提高变换器的功率密度,但硬开关变开
4、关频率增加可提高变换器的功率密度,但硬开关变换器的开关损耗会成比例升高。换器的开关损耗会成比例升高。qLCLC缓冲器能降低开关器件的功耗,但其自身功耗使整缓冲器能降低开关器件的功耗,但其自身功耗使整个变换器的效率不一定能提高。个变换器的效率不一定能提高。q零开关技术可消除开通关断损耗,是电力电子变换器零开关技术可消除开通关断损耗,是电力电子变换器高频化最理想的技术。高频化最理想的技术。8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q LCLC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断q t1时引发时引发Lr、Cr谐
5、振,谐振,t2时时vT 谐振至零,在谐振至零,在t3时驱动时驱动T实现零电压开通。实现零电压开通。q t6时引发时引发Lr、Cr谐振,谐振,t7时时iT谐振至零,在谐振至零,在t8时切除时切除驱动信号实现零电流关断。驱动信号实现零电流关断。开关轨迹开关轨迹图图 8.2 8.2 零电压开通、零电流关断时零电压开通、零电流关断时v vT T、i iT T、r rT Tq零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。q脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制谐振变换器和脉冲频率调制PFM谐振变换器谐振变换器。q零开关谐振变换器和零转换谐振变换器
6、。零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。q零开关谐振变换器零开关谐振变换器q零转换谐振变换器零转换谐振变换器qLC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。8.2 谐振开关型变换器的类型谐振开关型变换器的类型8.3 谐振开关型零电压开通(谐振开关型零电压开通(ZVS)变换器变换器8.3.1 8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(零电压开通脉冲宽度调制(ZVS PWMZVS PWM)变换器工作原理变换器工作原理8.3.2 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(零电压开通脉冲频率调制(ZVS PFMZVS PFM)变换器工作原理变换器工作原理8.3.1 零电压开通脉冲宽
7、度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q 工作原理工作原理q关断关断T2后引发后引发LrCr谐振,谐振,使主开关管使主开关管T1的电压的电压vT=0。q再对再对T1施加驱动信号实现施加驱动信号实现T1的零电压开通。的零电压开通。图图 8.4 8.4(a a)Buck DC/DC ZVS PWMBuck DC/DC ZVS PWM变换器电路图变换器电路图图图8.1(8.1(a)a)硬开关电路硬开关电路q主电路组成主电路组成q变换器一个周期有五种开关状态。变换器一个周期有五种开关状态。q开关状态开关状态1 1:T:T1 1关断,关断,Cr充电充电q开关状态开关状态
8、2 2:D:D0 0,D D2 2续流续流q开关状态开关状态3 3:T:T2 2关断,关断,Cr、Lr谐振谐振q开关状态开关状态4 4:T:T1 1零电压开通零电压开通q开关状态开关状态5 5:T:T2 2零电压开通零电压开通图图 8.4 8.4(a a)Buck DC/DC ZVS PWMBuck DC/DC ZVS PWM变换器电路图变换器电路图8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态1 1:t t0 0tttt1 1ttotto时时T T1 1、T T2 2通态,通态,D D0 0截止;截止;t=tt=t0 0
9、时关断时关断T T1 1,i iT1T1下降,下降,V VT1T1从从0 0上升,因上升,因CrCr,T T1 1软关断;软关断;t tt t1 1时时V VT1T1上升到上升到V VD D,D D0 0正偏导电,正偏导电,T1关断过程结束。关断过程结束。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态2 2:t t1 1tttt2 2T T1 1断态,断态,V VcrcrV VT1T1V VD D。i iL L经经D D2 2、T T2 2续续流,流,IoIo经经D D0 0续流。续流。T Toffoff=t=t2 2-t
10、-t1 1可控,可控,用以调控输出电压。用以调控输出电压。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态3:t2tt3t=t2时,关断时,关断T2,Lr、Cr谐振半谐振半个周期到个周期到t3,t=t3时时 VcrVT1VD,iL达到负最大值。达到负最大值。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态4:t3tt8如如IoZrVD,则当则当VT10时时,iT1仍为负值。此后仍为负值。此后负值负值iL经经D1向向VD回送电流,直到回送电流,直到t=t6。
11、在在t4t6期期间,间,VT10。若在。若在t5驱动驱动T1,则为零电压开通。,则为零电压开通。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态4(续):续):t3tt8tt6时,时,iL0,VcrVT10,T2早已关断,早已关断,此后此后VD经经T1、Lr建立建立iT1。t=t8时,时,iT1Io,D0截止,完成截止,完成T1开通过程。开通过程。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态5:t8tt10tt9时,开通时,开通T2,此时,此时iL=I
12、0不变不变T1已是通态,已是通态,vLvT20,T2是零电压开通。是零电压开通。t=t10时,关断时,关断T1(相当于(相当于t0时软关断时软关断T1)完)完成一个开关周期成一个开关周期Ts。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q在在fs1/Ts固定时,控制固定时,控制T2的的关断时刻关断时刻t2,即可改变,即可改变Toff,从而改变占空比,调控输出从而改变占空比,调控输出电压。电压。q零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(
13、ZVS PWM)变换器,可)变换器,可实现主开关实现主开关T1和辅助开关和辅助开关T2零电压开通和软关断。零电压开通和软关断。qT1零电压开通条件:零电压开通条件:(8-11)q最小负载电流需满足:最小负载电流需满足:qVT1、vcr最高电压:最高电压:(8-13)q开通期尽量缩短取:开通期尽量缩短取:q由(由(8-11)和()和(8-13)可确定可确定Lr、Cr:8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理图图 8.4 8.4(a a)Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图q工
14、作原理工作原理qT T1 1通态时通态时D D0 0截止,截止,v vT1T1v vcrcr0 0,切除,切除+V+VG G,T T1 1关断关断i iT1T1从从Io0Io0,并联电容,并联电容C Cr r使使v vT Tv vcrcr从从0 0逐渐上升,逐渐上升,T T1 1软关断。软关断。qv vT Tv vcrcrVVD D后后D D0 0导通,导通,L Lr r、C Cr r立即谐立即谐振,振,所以电路所以电路8.58.5无开关状态无开关状态2 2。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS PFMZVS PFM变换器变换器图图8.48.4(a a)中,)中,T T2 2导通使
15、导通使i iL L经经D D2 2、T T2 2续续流,不能形成流,不能形成L Lr r、C Cr r谐振回路,直到在谐振回路,直到在t tt t2 2时刻关断时刻关断T T2 2时,才能形成谐振。时,才能形成谐振。q主电路组成主电路组成8.3.2 零电压开通脉冲频率调制零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理变换器工作原理q无无T T2 2:不能控制不能控制L Lr r、C Cr r谐振起始谐振起始时刻开关状态时刻开关状态2 2,无,无T Toffoff时区时区2 2。q缺点:只有调频缺点:只有调频f fs s,才能调压。才能调压。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS
16、 PFMZVS PFM变换器变换器图图 8.4 8.4(a a)Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图8.3.2 零电压开通脉冲频率调制零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理变换器工作原理8.3.2 零电压开通脉冲频率调制零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理变换器工作原理q本节小结:本节小结:qZVS PWMZVS PWM:有辅助开关管有辅助开关管T T2 2及及L Lr r、C Cr r,可实现主开关可实现主开关T T1 1及辅助开关及辅助开关T T2 2零电压开通及软关断,可采用零电压开通及软关断,可
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