68411-电力电子技术第8章_软开关直流变换器.pptx

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1、0电力电子技术 Power Electronics电气精品教材丛书“十三五”江苏省高等学校重点教材工业和信息化部“十四五”规划教材第8章 软开关直流变换器2023/12/162023/12/16南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/161目录目录 8.1 软开关变换器的分类 8.2 准谐振变换器 8.3 零电压转换 PWM 变换器 8.4 全桥 LLC 谐振变换器 8.5 移相控制零电压开关全桥变换器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/162 8.1 软开关变换器的分类 8.1.1 硬开关的概念 8.1.2 软开关的概念 8.1.3 软开关直流变换器的分类南京航空航天

2、大学电力电子技术课程组2023/12/163硬开关的概念硬开关的概念硬开关时开关管的电压和电流波形n实际开关管并非理想器件，开关管的开通和关断需要时间。n开关管开通时，其电流上升很快；开关管关断时，其电压上升很快。这种开关方式为“硬开关”，会产生很大的功率损耗与电磁干扰。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/164 8.1 软开关变换器的分类 8.1.1 硬开关的概念 8.1.2 软开关的概念 8.1.3 软开关直流变换器的分类南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/165软开关的概念软开关的概念软开关时开关管的电压和电流波形n软开关的作用：为了减小开关变换器的体积和重量

3、，必须提高开关频率，但开关损耗也随之增加，这不仅降低了变换器效率，还导致散热器体积重量的增加。而软开关能够减小开关损耗。n减小开通损耗的方法：(1)开关管开通时，限制其电流上升率，使其缓慢上升，这样减小了电流和电压交叠区内电流的大小，这就是零电流开通。(2)开关管开通前，使其电压下降到零，这就是零电压开通。n减小关断损耗的方法：(1)开关管关断前，使电流减小到零，这就是零电流关断。(2)开关管关断时，限制其电压的上升率，使其缓慢上升，这就是零电压关断。(a)零电流开关(b)零电压开关南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/166软开关的概念软开关的概念软开关时开关管的电压和电流波形n

4、零电流开关(ZCS)：如果开关管是零电流开通，那么一定是零电流关断。开关管开通时，其电流慢慢增加，近似为零电流开通；关断时，需要提前将其电流减小到零，是真正的零电流关断。n零电压开关(ZVS)：如果开关管是零电压开通，那么一定是零电压关断。开关管关断时，电压慢慢上升，近似为零电压关断；开通时，其反并二极管已提前导通，将开关管两端电压箝位在零，是真正的零电压开通。n软开关的概念：开关管如果实现 ZCS，开通时电流缓慢上升，关断时电流为零；实现 ZVS 时，关断时电压缓慢上升，开通时电压为零。开关过程被软化了，称之为软开关。(a)零电流开关(b)零电压开关南京航空航天大学电力电子技术课程组2023

5、/12/167 8.1 软开关变换器的分类 8.1.1 硬开关的概念 8.1.2 软开关的概念 8.1.3 软开关直流变换器的分类南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/168(1)全谐振型变换器按照谐振元件的个数可进一步分类a)二阶谐振变换器b)三阶谐振变换器 LLC 谐振变换器 LCC 谐振变换器c)(2)移相控制全桥变换器软开关直流变换器的分类软开关直流变换器的分类(1)准谐振和多谐振变换器(2)零开关 PWM 变换器a)ZCS PWM 变换器b)ZVS PWM 变换器(3)零转换 PWM 变换器a)零电压转换 PWM 变换器b)零电流转换 PWM 变换器(1)并联 RCD 缓

6、冲电路(2)串联 RLD 缓冲电路 不会提高变换器效率，甚至会使效率降低。只是转移开关损耗的方法。有损缓冲电路单管直流变换器桥式直流变换器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/169 8.2 准谐振变换器 8.2.1 谐振开关 8.2.2 零电流开关准谐振变换器 8.2.3 零电压开关准谐振变换器 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1610谐振开关谐振开关(b)两端口型(a)三端口型(a)半波模式(b)全波模式零电流谐振开关谐振电感：限制开通时的电流上升率；谐振电容：与电感谐振工作，使电感电流在开关管关断前谐振到零。根据端口数可分为三端口型和两端口型。半波模式：S

7、单方向导通全波模式：S 双方向导通零电压谐振开关谐振电容：限制关断时的电压上升率；谐振电感：与电容谐振工作，使电容电压在开关管开通前谐振到零。根据端口数可分为两端口型和三端口型。半波模式：S 单方向导通全波模式：S 双方向导通(b)三端口型(a)两端口型(a)半波模式(b)全波模式南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1611 8.2 准谐振变换器 8.2.1 谐振开关 8.2.2 零电流开关准谐振变换器 8.2.3 零电压开关准谐振变换器 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1612零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器(a)Buck(b)Boost(c)Bu

8、ck-Boost(d)Cuk(e)Zeta(f)SEPIC(g)正激变换器(h)反激变换器非隔离型隔离型南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1613零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器nBuck ZCS QRC 的工作原理所有开关管、二极管均为理想器件；所有电感和电容均为理想元件；滤波电感 Lf 远大于谐振电感 Lr，即 Lf Lr；Lf 足够大，其电流近似等于输出电流。Buck ZCS QRC 电路图Buck ZCS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1614零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（1）开关模态1 t0，t1在

9、t0 时刻之前，开关管处于关断状态，Io 从二极管 D 流过；此时，谐振电感电流 iLr 为0，谐振电容电压 ucr 也为0。在 t0 时刻，开关管开通，Uin 直接加在 Lr 上，Lr 的电流从零开始线性上升。由于 Lr 限制了电流的上升速度，因此是零电流开通。(a)全波模式开关模态 1 等效电路图Buck ZCS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1615零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（1）开关模态1 t0，t1在此开关模态中，谐振电感电流 iLr 和二极管的电流 iD 的表达式分别为：(a)全波模式开关模态 1 等效电路图Buck ZCS

10、 QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1616零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（1）开关模态1 t0，t1在 t1 时刻，iLr 上升到 Io，此时iD=0，二极管 D 自然关断。开关模态1的持续时间为：Buck ZCS QRC 的主要波形图(a)全波模式开关模态 1 等效电路图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1617零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（2）开关模态2 t1，t2从 t1 时刻开始，Lr 和 Cr 开始谐振工作，Lr 的电流和 Cr 的电压的表达式分别为：式中，为谐振角频率；，为谐振电感和谐振电容的特征阻

11、抗。(b)全波模式开关模态 2 等效电路图Buck ZCS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1618零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（2）开关模态2 t1，t2在 t1a 时刻，iLr 减小到 Io，而 ucr 达到最大值 2Uin。iLr 继续减小，Cr 开始放电，其电压下降。t1b 时刻，iLr 减小到0，此时反并二极管 DQ 导通，iLr 开始反方向流动。t2 时刻，iLr 再次减小到0。在t1b，t2时段，DQ 导通，Q 中的电流为零，这时关断 Q，则 Q 是零电流关断。(b)开关模态 2 等效电路图Buck ZCS QRC 的主要波形

12、图(c)开关模态 2 等效电路图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1619零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（2）开关模态2 t1，t2t2 时刻，谐振电容电压为：开关模态2 的持续时间为：(b)开关模态 2 等效电路图Buck ZCS QRC 的主要波形图(c)开关模态 2 等效电路图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1620零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（3）开关模态3 t2，t3在此开关模态中，由于 iLr=0，滤波电感电流 Io 全部流过谐振电容，电容放电，其电压 ucr 的表达式为：在 t3 时刻，ucr 减小到0，二极管 D

13、导通。此开关模态的持续时间为：(d)全波模式开关模态 3 等效电路图Buck ZCS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1621零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器（4）开关模态4 t3，t4在此开关模态中，滤波电感电流 Io 经过续流二极管 D 续流。在 t4 时刻，零电流开通 Q，开始下一个开关周期。Buck ZCS QRC 的主要波形图(e)开关模态 4 等效电路图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1622 参数设计 （1）Lr 和 Cr 的计算 Lr 和 Cr 的设计取决于它的谐振频率 fr 及最大输出电流 Iomax。要实现

14、开关管的零电流开关，iLr 必须在开关管关断前减小到 0。Lr 和 Cr 谐振工作时的 Lr 电流表达式：谐振频率的表达式为：由此可以计算得到 Lr 和 Cr。零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器n参数设计 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1623n参数设计 （2）开关管和二极管的电压和电流应力谐振电感的最大电流为：将 代入上式，可得 ILrmax 2Iomax。从谐振电容电压表达式可知，谐振电容的最大电压为 Ucrmax=2Uin。根据上面的分析，可以知道：开关管 Q 中流过的最大电流为 2Iomax，它所承受的最大正向电压为 Uin。续流二极管 D 中所流过的最大

15、电流为 Iomax，所承受的最大反向电压为 2Uin。零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器n参数设计 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1624零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器n电压传输比 该变换器的输入功率 Pin 为：又可知：可得：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1625零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器n电压传输比 如果忽略变换器的损耗，那么变换器的输入功率 Pin 与输出功率 Po 相等，即可以得到 Pin=Po=Uo Io。定义电压传输比 X=Uo/Uin，=RLd/Zr，其中 RLd 是负载电阻，而 Io=Uo/RLd

16、，那么由上式可得：式中，fr=r/(2)，为谐振频率；fs=1/Ts，为开关频率。利用计算软件，可以计算出当 X/(0,1)时，上式等号右边中括号内的式子近似等于 2，这样上式可简化为：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1626零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器n全波模式与半波模式的比较 第8.2.1节提到过，零电流谐振开关有半波模式和全波模式两种。对于 ZCS QRCs，全波模式优于半波模式，这是因为：(1)半波模式的电压传输比与负载关系较大，而全波模式的电压变换比基本与负载无关，这种特性有利于电路闭环系统的稳定工作；(2)在半波模式中，二极管 D 与开关管 Q 串

17、联，存在通态损耗，使变换器的效率有所降低，而全波模式中二极管 D 与开关管 Q 反并联，不存在额外的通态损耗；(3)一般商用的功率开关器件中，均集成有反并二极管 D，不用再外接二极管，这样可以降低成本。(a)半波模式(b)全波模式南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1627 8.2 准谐振变换器 8.2.1 谐振开关 8.2.2 零电流开关准谐振变换器 8.2.3 零电压开关准谐振变换器 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1628零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器(a)Buck(b)Boost(c)Buck-Boost(d)Cuk(e)Zeta(f)SE

18、PIC(g)正激变换器(h)反激变换器非隔离型隔离型南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1629零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器nBoost ZVS QRC 的工作原理 所有开关管、二极管、电容、电感均为理想器件；升压电感 Lb 足够大，其电流为输入电流；输出滤波电容 Cf 足够大，其电压等于输出电压。Boost ZVS QRC 电路图Boost ZVS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1630零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器（1）开关模态1 t0，t1在 t0 时刻之前，开关管导通，输入电流流过 Q，谐振电容上的电压

19、为 0。D 关断，谐振电感 Lr 的电流为零。在 t0 时刻，关断 Q，输入电流 Iin 从 Q 中转移到 Cr 中，给 Cr 充电，Cr 的电压从零开始线性上升。由于 Cr 电压是慢慢上升的，所以 Q 就是零电压关断。半波模式开关模态 1 电路图Boost ZVS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1631零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器（1）开关模态1 t0，t1在此开关模态中，Cr 的电压表达式为：在 t1 时刻，ucr 上升到输出电压 Uo，开关模态1结束，它的持续时间为：Boost ZVS QRC 的主要波形图半波模式开关模态 1 电路

20、图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1632零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器（2）开关模态2 t1，t2从 t1 时刻开始，D 开始导通，Lr 和 Cr 开始谐振工作，谐振电感电流从零开始上升，Lr 的电流和 Cr 的电压的表达式分别为：式中，为谐振角频率，对应的谐振周期为 1111 11；，为谐振电感和谐振电容的特征阻抗。(b)半波模式开关模态 2 等效电路图Boost ZVS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1633零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器（2）开关模态2 t1，t2经过 Tr/2，到达 t1a 时刻，i

21、Lr 等于 Iin，此时 ucr 到达最大值 Ucrmax，即：从 t1a 时刻开始，iLr 大于 Iin，那么 Cr 开始放电，其电压开始下降，并在 t2 时刻下降到 0，Q 的反并二极管 DQ导通，将 Q 的电压箝在零位。(b)半波模式开关模态 2 等效电路图Boost ZVS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1634零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器（2）开关模态2 t1，t2在 t2 时刻开通 Q，则 Q 为零电压开通。这时候，谐振电感电流的大小为：此开关模态的持续时间为：(b)半波模式开关模态 2 等效电路图Boost ZVS QRC

22、的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1635零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器（3）开关模态3 t2，t3此开关模态中，Q 导通，此时加在谐振电感两端的电压为 Uo，使 iLr 线性减小，即：在 t3 时刻，iLr 减小到0，由于 D 的阻断，iLr 不能反方向流动，开关模态3结束，持续时间为：(c)半波模式开关模态 3 等效电路图Boost ZVS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1636零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器（4）开关模态4 t3，t4在此开关模态中，Lr 与 Cr 停止工作，输入电流 Iin

23、经过Q 续流。负载由输出滤波电容提供能量。在 t4 时刻，Q 零电压关断，开始下一个开关周期。(d)半波模式开关模态 4 等效电路图Boost ZVS QRC 的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1637 参数设计 （1）Lr 和 Cr 的计算 为了在最小输入电流 Iinmin 时实现开关管的零电压开关，在开关管开通之前，谐振电容电压 ucr 必须能够回到零，那么要求：而谐振频率的表达式为：由此可以计算得到 Lr 和 Cr。零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器n参数设计 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1638n参数设计 （2）开关管和二极管

24、的电压和电流应力开关管 Q 的电压应力为谐振电容的最高电压。将上式结合可得，开关管 Q 的电压应力为：从上式可以看出，负载越大，则 Iin 越大，开关管 Q 的电压应力也就越高。开关管 Q 中流过的最大电流为 IQmax=Iinmax。二极管 D 中流过的最大电流为 IDmax=2Iinmax，所承受的最大反向电压为 Uo。零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器n参数设计 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1639零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器n电压传输比 该变换器的输入功率 Pin 为：输出功率 Po：又可知：可得：南京航空航天大学电力电子技术课程组202

25、3/12/1640零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器n电压传输比 定义电压传输比 X=Uo/Uin，=RLd/Zr，其中 RLd 是负载电阻，而 ，由于输入功率和输出功率相等，那么由上式可得：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1641零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器n电压传输比 电压传输比 X=Uo/Uin，=RLd/Zr，其中 RLd 是负载电阻。可以看出，Boost ZVS QRC 的电压传输比随着开关频率的升高而降低，且与负载有关系。为了获得所要求的输出电压，该变换器需要采用脉冲频率调制方法，即通过调节变换器的开关频率来调节输出电压。半波模式 Boo

26、st ZVS QRC 的电压传输比南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1642零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振变换器n全波模式与半波模式的比较 第8.2.1节提到过，零电压谐振开关有半波模式和全波模式两种。从实用的角度来看，对于 ZVS QRCs 来说，半波模式优于全波模式，这是因为：(1)在全波模式中，二极管 D 与开关管 Q 串联，存在通态损耗，使变换器的效率有所降低；而半波模式中二极管 D 与开关管 Q 反并联，不存在额外的通态损耗。(2)在商用功率开关器件中，一般都集成有反并二极管 D，不用再外接二极管，这样可以降低成本。当然，半波模式的电压变换比与负载关系较大，而

27、全波模式的电压变换比基本与负载无关，这使得半波模式的闭环设计复杂一些。(a)半波模式(b)全波模式南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1643 8.3 零电压转换 PWM 变换器 8.3.1 零电压转换 PWM 变换器的电路拓扑 8.3.2 Boost ZVT PWM 变换器的工作原理 8.3.3 辅助电路参数设计 8.3.4 Boost ZVT PWM 变换器的特点 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1644零电压转换零电压转换 PWM PWM 变换器变换器 在变换器的开关管上并联一个电容，以实现其零电压关断。为了实现开关管的零电压开通，需引入辅助电路，使其在开

28、关管开通之前将并联电容电压下降到零。(1)谐振电感和谐振电容一直参与能量传递，开关管和谐振元件的电压应力和电流应力较大。(2)准谐振变换器需要采用频率调制方法，由于开关频率是变化的，变换器的变压器、输入滤波器和输出滤波器难以优化设计。准谐振变换器零电压转换 PWM 整流器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1645零电压转换零电压转换 PWM PWM 变换器的电路拓扑变换器的电路拓扑(a)Buck(b)Boost(c)Buck-Boost(d)Cuk(e)Zeta(f)SEPIC(g)正激变换器(h)反激变换器非隔离型隔离型南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/164

29、6 8.3 零电压转换 PWM 变换器 8.3.1 零电压转换 PWM 变换器的电路拓扑 8.3.2 Boost ZVT PWM 变换器的工作原理 8.3.3 辅助电路参数设计 8.3.4 Boost ZVT PWM 变换器的特点 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1647Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理n工作原理 所有开关管、二极管均为理想器件；所有电感、电容和变压器均为理想元件；升压电感 Lb 足够大，其电流为输入电流；输出滤波电容 Cf 足够大，其电压等于输出电压。Boost ZVT PWM 变换器Boost ZVT

30、 PWM 变换器的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1648开关模态 1 等效电路图Boost ZVT PWM 变换器的主要波形图（1）开关模态1 t0，t1t0 时刻前，主开关管 Q 和辅助开关管 Qa 处于关断的状态，升压二极管D导通。在 t0 时刻开通 Qa，此时 iLa 从0开始线性上升，其上升斜率为 diLa/dt=Uo/La，而 D 中的电流开始线性下降。t1 时刻，iLa 上升到 Iin，D 的电流减小到0，自然关断，开关模态1结束，该模态的持续时间为：Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理南京航空航天大

31、学电力电子技术课程组2023/12/1649开关模态 2 等效电路图（2）开关模态2 t1，t2在此开关模态中，La 开始与电容 Cr 谐振，iLa 继续上升，而 Cr 的电压 ucr 开始下降。辅助电感电流 iLa 和电容 Cr 的电压分别为：式中，为 La 和 Cr 的谐振角频率；，为 La 和 Cr 的特征阻抗。Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1650开关模态 2 等效电路图（2）开关模态2 t1，t2当 Cr 的电压下降到0时，Q 的反

32、并二极管 DQ 导通，将 Q 的电压箝在零位。此时，辅助电感电流为：该模态持续的时间为：Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1651开关模态 3 等效电路图（3）开关模态3 t2，t3在该模态中，DQ 导通，La 的电流通过 DQ 续流，此时开通Q 就是零电压开通。Q 的开通时刻应该滞后于 Qa 的开通时刻，滞后时间为：Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器的主要波

33、形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1652开关模态 4 等效电路图（4）开关模态4 t3，t4在 t3 时刻，关断 Qa。由于 Qa 关断时，其电流不为零，而且当它关断后，Da 导通，Qa 上的电压立即上升到 Uo，因此 Qa 为硬关断。当 Qa 关断后，加在La两端的电压为 Uo，La 中的能量转移到负载中去。Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1653开关模态 4 等效电路图（4）开关模态4 t3，t4La 的电流线性下降，

34、Q 中的电流线性上升，其表达式为：在 t4 时刻，La 电流下降到0，Q 中的电流为 Iin。Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1654开关模态 5 等效电路图（5）开关模态5 t4，t5在此模态中，开关管 Q 导通，二极管 D 关断。升压电感电流流过 Q，滤波电容给负载供电，其规律与不加辅助电路的 Boost 电路完全相同。Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器

35、的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1655（6）开关模态6 t5，t6在 t5 时刻 Q 关断，此时升压电感电流给 Cr 充电，Cr 的电压从0开始线性上升，其表达式为：由于 Cr 限制了电压上升率，因此 Q 零电压关断。在 t6 时刻，Cr 的电压上升到 Uin，此时二极管 D 自然导通。开关模态 6 等效电路图Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1656开关模态 7 等效电路图（7）开关模态7 t6，t7该模态与不加

36、辅助电路的 Boost 电路一样，升压电感和 Uin 给滤波电容 Cf 和负载供电。在 t7 时刻，Q 开通，开始另一个开关周期。Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的工作原理变换器的工作原理Boost ZVT PWM 变换器的主要波形图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1657 8.3 零电压转换 PWM 变换器 8.3.1 零电压转换 PWM 变换器的电路拓扑 8.3.2 Boost ZVT PWM 变换器的工作原理 8.3.3 辅助电路参数设计 8.3.4 Boost ZVT PWM 变换器的特点 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12

37、/1658辅助电路的参数设计辅助电路的参数设计(1)电容的设计Cr 用于实现开关管 Q 的零电压关断，减缓 ucr 的上升速度。一般选择在最大负载时，ucr 从0上升到 Uo 的时间为(23)tf，其中 tf 为 Q 关断时电流下降时间。那么，Cr 可由下式来选择：式中，Iinmax 为满载时对应的输入电流。Cr 的最高电压为 Uo。(2)电感的设计辅助电路只在 Q 开通时起作用，其它时候停止工作。为了不影响主电路的工作时间，辅助电路工作时间不能过长，通常为开关周期 Ts 的1/10，即：将 ，代入，可得：由此可以求出的 La 大小。QLbDLaCrDQDaQaUinCfRLdUo+_(3)辅

38、助开关管的选择辅助开关管 Qa 承受的最高电压为 Uo，流过的峰值电流等于辅助电感电流峰值，即：(4)辅助二极管的选择辅助二极管 Da 承受的最高电压为 Uo，流过的峰值电流也等于辅助电感电流峰值，即：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1659 8.3 零电压转换 PWM 变换器 8.3.1 零电压转换 PWM 变换器的电路拓扑 8.3.2 Boost ZVT PWM 变换器的工作原理 8.3.3 辅助电路参数设计 8.3.4 Boost ZVT PWM 变换器的特点 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1660n变换器的优点该变换器具有以下优点：1)在任意负载和

39、输入电压范围内，开关管 Q 均可实现 ZVS，升压二极管 D 是自然关断的，避免了反向恢复问题；2)辅助电路不是串联在主功率回路中，而是与主功率回路相并联，因此开关管 Q 和升压二极管 D 的电压和电流应力与其基本电路一样；3)辅助开关管是零电流开通，但有容性开通损耗；4)辅助电路工作时间很短，只是在开关管开关时工作，其他时候不工作，其电流有效值和损耗小；5)采用 PWM 控制方式，实现恒定频率控制。Boost ZVT PWM Boost ZVT PWM 变换器的特点变换器的特点南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1661 8.4 全桥 LLC 谐振变换器 8.4.1 电路拓扑和

40、工作模式 8.4.2 工作原理 8.4.3 基于基波分量近似法的简化电路 8.4.4 输入输出电压传输比 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1662电路拓扑和工作模式电路拓扑和工作模式n电路拓扑 全桥 LLC 谐振变换器的电路图Q1Q4 为四只开关管，D1D4、C1C4 分别是这四只开关管的反并二极管和并联电容；谐振电感 Lr 和 Lm 与谐振电容 Cr 构成 LLC 谐振网络，其中 Lr 包含了变压器的原边漏感，而 Lm 与变压器 Tr 并联，可以由变压器的励磁电感来实现，因此一般称之为励磁电感；Cr 串联在原边回路中，因此它也起隔直作用。DR1DR4 是整流二极管，构成全桥

41、整流电路；Cf 是输出滤波电容，RLd 是负载。变压器的原副边匝比为 K。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1663电路拓扑和工作模式电路拓扑和工作模式工作模式 1 主要波形图将谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 的谐振频率记为 fr，励磁电感 Lm、谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 的谐振频率记为 fm，这两个谐振频率的表达式为：根据开关频率 fs 与谐振频率 fr 的大小关系，该变换器存在三种工作模式，阐述如下：工作模式1：fs fr，在这种模式下，励磁电感 Lm 一直被输出电压 Uo 通过变压器箝位在 nUo 或者 nUo，所以不参与谐振工作，此时 Lm 可认为是串联谐振变

42、换器的无源负载。工作模式3：fs=fr。该工作模式介于前两种工作模式之间，谐振电感电流谐振到与励磁电感电流相等时，开关管关断。将谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 的谐振频率记为 fr，励磁电感 Lm、谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 的谐振频率记为 fm，这两个谐振频率的表达式为：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1665 8.4 全桥 LLC 谐振变换器 8.4.1 电路拓扑和工作模式 8.4.2 工作原理 8.4.3 基于基波分量近似法的简化电路 8.4.4 输入输出电压传输比 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1666工作原理工作原理由于工作模式1包含了工

43、作模式2和工作模式3的所有模态，因此下面以工作模式1为例来分析全桥 LLC 谐振变换器的工作原理。在工作模式1中，fs fr。变换器在一个开关周期中存在6个开关模态。假设：1)所有开关管和二极管均为理想器件；2)所有电感、电容和变压器均为理想元件；3)C1=C2=C3=C4=Coss；4)输出电容足够大，其电压基本保持 Uo 不变。全桥 LLC 谐振变换器的电路图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1667开关模态 0 等效电路图全桥 LLC 谐振变换器工作模式 1 主要波形（1）开关模态0 t0 时刻之前在 t0 时刻之前，Q1 和 Q4 截止，Q2 和 Q3 导通，Lr、Cr

44、 和 Lm 共同谐振，谐振电感电流 iLr 与励磁电感电流 iLm 相等，并流过 Q2 和 Q3，变压器原副边电流均为零，负载由输出滤波电容 Cf 供电。工作原理工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1668开关模态 1 等效电路图全桥 LLC 谐振变换器工作模式 1 主要波形（2）开关模态1 t0，t1在 t0 时刻，关断 Q2 和 Q3，此时 iLr 给 C2 和 C3 充电，同时给C1 和 C4 放电。由于 C1C4 的缓冲作用，Q2 和 Q3 是零电压关断。由于这段时间很短，近似认为 iLr 和 iLm 均保持不变，负载依然由输出电容供电。工作原理工作原理南京航空航

45、天大学电力电子技术课程组2023/12/1669开关模态 1 等效电路图全桥 LLC 谐振变换器工作模式 1 主要波形（2）开关模态1 t0，t1在这段时间里，C1C4 的电压表达式为：式中，Im 为励磁电感电流峰值。工作原理工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1670开关模态 2 等效电路图全桥 LLC 谐振变换器工作模式 1 主要波形（3）开关模态2 t1，t2t1 时，C2，C3 的电压升至 Uin，C1，C4 的电压降至0，二极管 D1 和 D4 导通，这时可以零电压开通 Q1 和 Q4。此时，AB两点的电压为 Uin，而加在 Lm 上的电压高于折算到原边的输出电

46、压，因此 DR1和 DR4 导通，变压器副边电压箝在 Uo。对应变压器原边电压为 KUo，iLm 线性增加。加在 Lr 和 Cr 组成的谐振支路上的电压为 UinKUo，Lr 和 Cr 谐振工作。工作原理工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1671开关模态 2 等效电路图（3）开关模态2 t1，t2在 tx1 时刻，iLr 从负过零，并开始流过 Q1 和 Q4。iLr、uCr 和 iLm 的表达式为：式中，为谐振角频率；，为 Lr 和 Cr 的特征阻抗。工作原理工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1672开关模态 3 等效电路图全桥 LLC 谐振变换

47、器工作模式 1 主要波形（4）开关模态3 t2，t3在 t2 时刻，iLr 谐振到与 iLm 相等，此时变压器原边电流 ip 减小到零，整流管 DR1 和 DR4 的电流也相应减小到零，因此为零电流关断，不存在反向恢复问题。工作原理工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1673开关模态 3 等效电路图全桥 LLC 谐振变换器工作模式 1 主要波形（4）开关模态3 t2，t3该时段内，Lr 与 Lm 串联和 Cr 谐振工作，由于 Lm 感值较大，iLr 近似保持不变，Cr 被恒流充电。iLr、vCr 和 iLm 的表达式为：工作原理工作原理在 t3 时刻，关断 Q1 和 Q4

48、，开始另一半个周期的工作，其原理与前面描述的一样，不再赘述。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1674 8.4 全桥 LLC 谐振变换器 8.4.1 电路拓扑和工作模式 8.4.2 工作原理 8.4.3 基于基波分量近似法的简化电路 8.4.4 输入输出电压传输比 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1675全桥 LLC 谐振变换器的网络划分基于基波分量近似法的简化电路基于基波分量近似法的简化电路为了提高全桥 LLC 谐振变换器的变换效率，一般使其工作在谐振频率附近。采用基波分量近似法分析全桥 LLC 谐振变换器：假设只有开关频率的基波分量才传输能量，忽略谐波分量

49、的影响，这样可以将全桥 LLC 谐振变换器简化为一个线性电路来分析。根据全桥 LLC 谐振变换器的各部分的功能，可以将其划分为开关网络、谐振网络和整流滤波网络三个部分。下面采用基波分量近似法对开关网络和整流滤波网络进行简化。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1676桥臂中点间电压 uAB 和基波分量 uAB1 波形基于基波分量近似法的简化电路基于基波分量近似法的简化电路开关网络输入电压为 Uin。忽略开关管的开关过程，得两个桥臂中点之间的电压 uAB 为幅值为 Uin 的交流方波电压，如图所示。对 uAB 进行傅立叶级数展开，可得：式中，s 为开关角频率。从上式可以看出，uAB

50、 的基波分量 uAB1 为：式中，UAB1为基波电压有效值，其大小为：n开关网络的简化 全桥 LLC 谐振变换器的简化电路南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1677n整流网络的简化 基于基波分量近似法的简化电路基于基波分量近似法的简化电路当开关频率 fs 接近谐振频率 fr 时，变压器的原边电流 ip 可近似认为是一正弦电流，可表示为：其中，R 为 ip 滞后于 uAB 的相位，Ip1 为 ip 的有效值。从图中看出：当原边电流 ip 为正时，副边整流二极管 DR1 和 DR4 导通，变压器原边电压 up 为 KUo，副边整流后的电流 irect=Kip；当 ip 为负时，副边