开关电源-软开关技术.ppt
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1、 5.1 5.1 软开关的基本概念软开关的基本概念5.2 5.2 软开关电路的分类软开关电路的分类5.3 5.3 典型的软开关电路典型的软开关电路 第第5 5章章 软开关技术软开关技术开关电源的发展趋势开关电源的发展趋势小型化、轻量化,对效率和电磁兼容性也有很高要求。小型化、轻量化,对效率和电磁兼容性也有很高要求。电力电子装置高频化电力电子装置高频化减小滤波器、变压器的体积和重量,电力电子装置小减小滤波器、变压器的体积和重量,电力电子装置小型化、轻量化。型化、轻量化。开关损耗增加,电路效率严重下降,电磁干扰增大。开关损耗增加,电路效率严重下降,电磁干扰增大。软开关技术软开关技术降低开关损耗和开
2、关噪声。降低开关损耗和开关噪声。大幅度提高开关频率。大幅度提高开关频率。引言引言v 5.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关5.1 5.1 软开关的基本概念软开关的基本概念硬开关:硬开关:开关过程中电压和电流均不为零,出现了重叠区。开关过程中电压和电流均不为零,出现了重叠区。电压和电流的变化很快,波形出现了明显的过冲和振荡,电压和电流的变化很快,波形出现了明显的过冲和振荡,导致开关噪声的产生。导致开关噪声的产生。ttiupb)ttiupa)图5-1 硬开关电路的开关过程 a)硬开关开通过程 b)硬开关关断过程硬开关过程硬开关过程:1)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;2
3、)开关损耗随着开关频率的提高而增加,使电路效率开关损耗随着开关频率的提高而增加,使电路效率下降,发热量增大,温升提高,阻碍了开关频率的下降,发热量增大,温升提高,阻碍了开关频率的提高;提高;3)开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题,影响周开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题,影响周边电子设备的正常工作。边电子设备的正常工作。软开关:软开关: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,构成辅助换相网络,在开关过程前后引入谐振过程,消除构成辅助换相网络,在开关过程前后引入谐振过程,消除开关过程中电压、电流的重叠。开关过程中电压、电流的重叠。降
4、低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。tptiua)uttipb)图5-2 软开关电路的开关过程 a)软开关开通过程 b)软开关关断过程v 5.1.2 5.1.2 零电压开关与零电压开关零电压开关与零电压开关l零电压开通零电压开通 开关开通前其两端电压为零开关开通前其两端电压为零,开通时不会产生损耗和开通时不会产生损耗和噪声。噪声。l零电流关断零电流关断 开关关断前电流为零开关关断前电流为零,关断时不会产生损耗和噪声。关断时不会产生损耗和噪声。通常简称通常简称零电压开关零电压开关和和零电流开关零电流开关。零电压开通和。零电压开通和零电流关断主要依靠电路中的零电流关断主要依靠电路中的谐振
5、谐振来实现。来实现。l零电压关断零电压关断 开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速度,开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速度,降低开关损耗。降低开关损耗。l零电流开通零电流开通 与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率,降低了开通损耗。上升的速率,降低了开通损耗。简单地在硬开关电路中给开关并联电容或简单地在硬开关电路中给开关并联电容或串联电感,不仅不会降低开关损耗,还会带串联电感,不仅不会降低开关损耗,还会带来总损耗增加、关断过电压增大等来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题负面问题。5.2 5.2 软开关电路的分类软开关电路的分类v根据
6、电路中主开关是零电压开通还是零电流关断,根据电路中主开关是零电压开通还是零电流关断,可分成可分成零电压电路零电压电路和和零电流电路零电流电路两大类。两大类。v根据软开关技术发展历程可分为根据软开关技术发展历程可分为准谐振电路准谐振电路、零零电压电压PWM电路电路和和零转换零转换PWM电路电路。v每种软开关电路都可用于降压型、升压型等不同每种软开关电路都可用于降压型、升压型等不同电路,因此可以由电路,因此可以由基本开关单元基本开关单元导出具体电路。导出具体电路。图图5-3 基本开关单元的概念基本开关单元的概念 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
7、 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SLVDa)SLVDb)d)SVDLc)LVDS5.2.1 5.2.1 准谐振电路准谐振电路 准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波,因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。这是最早出现的一类软开关电路,此称之为准谐振。这是最早出现的一类软开关电路,有些现在还在使用。有些现在还在使用。谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降,但也带来一些大大下降,但也带来一些负面问题负面问题:谐振电压峰值很高,要求器件耐压必须提
8、高;谐振电压峰值很高,要求器件耐压必须提高;谐振电流的有效值很大,电路中存在大量的无谐振电流的有效值很大,电路中存在大量的无功功率的交换,造成电路导通损耗加大;功功率的交换,造成电路导通损耗加大;谐振周期随输入电压、负载变化而改变,因此谐振周期随输入电压、负载变化而改变,因此电路只能电路只能 采用脉冲频率调制(采用脉冲频率调制(PFM)方式来)方式来控制,变频的开关频率给电路设计带来困难。控制,变频的开关频率给电路设计带来困难。准谐振电路可分为:准谐振电路可分为:q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 Conver
9、terZVS QRC)q零电流开关准谐振电路零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC)q零电压开关多谐振电路零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switch Multi-Redonant ConverterZVS MRC)SLVDa)零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路的基本开关单元SLVDb)零电流开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路的基本开关单元SLVDc)零电压开关多谐振电路的基本开关单元零电压开关多谐振电路的基本开关单元5.2.2 5.2.2 零开关零开关
10、PWMPWM电路电路q引入辅助开关来控制谐振的开始时刻,使谐振仅发生于开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。关过程前后。q零开关零开关PWM电路可分为电路可分为零电压开关零电压开关PWM电路电路(ZVS PWM)和)和零电流开关零电流开关PWM电路电路(ZCS PWM)。)。q特点:特点:电压和电流基本上是方波,只是上升沿和下降沿较缓,开电压和电流基本上是方波,只是上升沿和下降沿较缓,开关承受的电压明显降低,电路可以采用开关频率固定的关承受的电压明显降低,电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。控制方式。SLVDa)零零电电压压开开关关PWM电电路路的的基基本本开关
11、单元开关单元SLVDb)零零电电流流开开关关PWM电电路路的的基基本开关单元本开关单元5.2.3 5.2.3 零转换零转换PWMPWM电路电路q采用辅助开关控制谐振的开始时刻,谐振电路与主开关并联。采用辅助开关控制谐振的开始时刻,谐振电路与主开关并联。q零转换零转换PWM电路可分为电路可分为零电压转换零电压转换PWM电路电路(ZVT PWM)和和零电流转换零电流转换PWM电路电路(ZCT PWM)。)。q特点:特点:输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小,电路在输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小,电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关很宽的输入电压范围内和从零负载
12、到满载都工作在软开关状态。状态。电路中无功功率的交换被削弱到最小,这使得电路效率进电路中无功功率的交换被削弱到最小,这使得电路效率进一步提高。一步提高。SLVDa)零零电电压压转转换换PWM电电路路的的基基本本开关单元开关单元SLVDb)零零电电流流转转换换PWM电电路路的的基基本本开关单元开关单元5.3 5.3 典型的软开关电路典型的软开关电路v 5.3.1 零电压准谐振电路零电压准谐振电路v 5.3.3 有源钳位正激型电路有源钳位正激型电路v 5.3.4 零电压转换零电压转换PWM电路电路v 5.3.2 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5.3.1 5.3.1 零电压准
13、谐振电路零电压准谐振电路1.电路结构电路结构 假设电感L和电容C都很大,可以等效为电流源和电压源,并忽略电路中的损耗。SRLAVD+-C图图5-7降压型降压型零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图2.工作原理工作原理+A图图5-9 零零电电压压开开关关准准谐谐振振电电路在路在 时段等效电路时段等效电路Sttttt图图5 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐振电路的理想化波形想化波形SRLAVD+-C图图5-7降压型降压型零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路原理图电路原理图+图图5-10 零零电电压压开开关关准准谐谐振振电电路路在在 时段等效电路时段等效电路Sttttt图图5
14、 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐振电路的理想化波形想化波形SRLAVD+-C图图5-7降压型降压型零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路原理图电路原理图 时段:时段:时刻后,时刻后,向向 放电,放电,改变方向,改变方向,不断下不断下降,降,直到直到 时刻,时刻,=,达到反向谐振峰值。达到反向谐振峰值。时段:时段:时刻后,时刻后,向向 反向充电,反向充电,继续下降,直继续下降,直到到 时刻时刻 =0。Sttttt图图5 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐振电路的理想化波形想化波形SRLAVD+-C图图5-7降压型降压型零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路原理图电路原理图 时段:
15、被钳位于零,线性衰减,直到 时刻,=0。由于这一时段S两端电压为零,所以必须在这一时段使开关S开通,才不会产生开通损耗。时段:S为通态,线性上升,直到 时段,=,VD关断。时段:S为通态,VD为断态。缺点:谐振电压峰值将高于输入缺点:谐振电压峰值将高于输入电压的两倍,增加了对开关器件电压的两倍,增加了对开关器件耐压的要求,增加了电路的成本,耐压的要求,增加了电路的成本,降低了可靠性。降低了可靠性。Sttttt图图5 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐振电路的理想化波形想化波形5.3.3 5.3.3 有源钳位正激型电路有源钳位正激型电路 该电路变压器二次侧的结构与普通正激型电路一样,不该
16、电路变压器二次侧的结构与普通正激型电路一样,不同的是一次电路结构。该电路没有复位绕组,而是采用含有同的是一次电路结构。该电路没有复位绕组,而是采用含有反并联二极管的开关反并联二极管的开关S1和电容和电容C1构成复位电路。构成复位电路。图5-20 有源钳位正激型电路1.1.工作过程工作过程图5-22 有源钳位正激型电路的波形a)有源钳位正激型电路在 时段的等效电路b)有源钳位正激型电路在 时段的等效电路 时段:主开关时段:主开关S开通,二极管开通,二极管 通,通,断,电感断,电感L的电流增长,变压器的电流增长,变压器的励磁电流的励磁电流 也线性增长。也线性增长。时段:时段:S关断,二极管关断,二
17、极管 断,断,通,通,电感电感L的电流下降。变压器的励磁电流的电流下降。变压器的励磁电流 通通过过 的反并二极管向电容的反并二极管向电容 充电。充电。c)有源钳位正激型电路在 时段的等效电路d)有源钳位正激型电路在 时段的等效电路 时段:开关时段:开关 开通,由于开通,由于 开通前开通前其反并二极管处于通态,其两端电压为零,其反并二极管处于通态,其两端电压为零,因此因此 为零电压开通。在此期间,变压器为零电压开通。在此期间,变压器励磁电流励磁电流 线性下降,线性下降,时刻下降到零。时刻下降到零。时段:变压器励磁电流时段:变压器励磁电流 到零后到零后反向,反向,反过来向变压器励磁电感放电,励反过
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