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1、1 相平面分析法,开关电源中的软开关技术,2 软开关的意义,3 软开关简介,4 准谐振变换器,1 相平面分析法,典型二阶电路 电路中只有电压源,电路方程以及初始条件：,令：,解此二阶方程有：,相平面分析法是分析软开关电路工作过程的一种十分有效的方法,1 相平面分析法,只有电压源的电路的相平面图,在以uc为x轴， 为y轴的相平面上，电压、电流的关系为一个圆,圆心为强迫分量（E，0），通过初始点(uco，0) ，半径为（E- uco ）。,1 相平面分析法,典型二阶电路 电路中只有电流源,电路方程以及初始条件：,令：,解此二阶方程有：,1 相平面分析法,只有电流源的电路的相平面图,是一个半径为（
2、- ）,圆心为强迫分量（0, ），通过初始点（0, ）的圆。,典型二阶电路 电路中电压源与电流源同时存在,电路方程以及初始条件：,令：,根据叠加原理可得：,1 相平面分析法,电压源和电流源同时存在的电路的相平面图,是圆心为强迫分量（E, ）,并通过初始点（uco， ）的圆。,相平面分析法举例电容充电电路 (初始条件为零),T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量为E,在谐振电流过零时刻，T1关断； T2导通，T2,L,C形成谐振回路，强迫分量为零，在谐振电流过零时刻，T2关断; T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量仍为E,在谐振电流过零时刻，T1关断; T2导通,电
3、容反复被充电，如果不考虑损耗，电容电压降趋于无穷大，,总结：相平面分析法是以电容电压为为x轴，以电感电流为y轴，分析电路中电压和电流变化的关系的一种分析方法。它是分析谐振电路，进而也是分析软开关电路工作过程的一种十分有效的方法。,3 软开关简介,谐振开关 给开关器件串联电感或者并联电容等谐振器件，通过谐振电路的作用，使开关管导通或关断时电压或电流为零，使得开通损耗或关断损耗接近为零。 谐振开关分类： 零电流谐振开关(ZCS) 零电压谐振开关(ZVS),谐振开关原理图,零电流谐振开关,零电压谐振开关,L 型,M 型,M 型,L 型,3 软开关简介,软开关技术的发展过程(按谐振方式来分),3 软开
4、关简介,QRC: quasi-resonant converter MRC: multi-resonant converter ZCT: zero-current-transition ZVT: zero-voltage-transition,4 准谐振变换器,准谐振变换器(QRCs, quasi-resonant-converters): 80年代提出的一类变换器，根据谐振方式的不同，准谐振变换器可以分为： 零电流开关准谐振变换器（ZCS QRCs） 零电压开关准谐振变换器（ZVS QRCs）,特点 ： 在一个工作周期内，谐振元件只在一部分时间内参与谐振，而其他时间内运行在非谐振状态,4.1
5、 零电流开关准谐振变换器,Buck ZCS QRCs工作原理 ： 由于有谐振电感Lr的作用，开关Tp闭合为开关管零电流开通；Tp导通后，谐振电感和谐振电容谐振，当Lr中的电流为零时，将开关Tp断开，从而实现开关管的零电流关断。,Lr,4.1零电流开关准谐振变换器,Buck ZCS QRCs初始状态： Tp 关断，Io通过二极管D续流 ，电容Cr上的电压为零，电感中电流为零。在t0时刻，Tp导通。,Lr,Cr,在t1时刻，iLr上升到负载电流Io，D自然关断，开关状态1结束。根据式 (4.1)可得这个时间段的长度为：,(4.2),(4.1),Lr,Cr,把初始条件iLr(t1)=Io，uCr(t
6、1)=0代入，可解得：,(4.3),Lr,Cr,当t=t2时，iLr谐振到零，此时可以将Tp在零电流条件下关断，谐振状态2结束。这段时间的长度为：,(4.4),(4.5),开关状态3t2,t3电容恒流放电 当t=t2时，Tp零电流关断，续流二极管D仍处在截止状态，负载电流通 过电 容Cr流通，电容Cr处于恒流放电状态。在相平面图上，这段时间 对应于u轴上t2到t3的部分。此时有：,电容上电压uCr降到零，二极管D导通续流，开关状态3结束。,(4.6),Lr,Cr,4.1零电流开关准谐振变换器,开关状态4t3,t4二极管续流 在这个时间段内，二极管D导通续流，Tp仍处在关断状态，电感电流iLr
7、为零， 电容电压uCr被钳位为零。这个时间段的长度取决于电路的开关 周期， 而这个长度将决定输出电压的大小。,t=t4时，Tp导通，下一个开关周期开始。,4.1零电流开关准谐振变换器,Buck ZCS QRCs电路主要波形,Tp,iLr,uTP,uCr,从主管电压电流波形可见，没有重叠部分，因此开关损耗为零。,4.1零电流开关准谐振变换器,缺点： 和普通的Buck型DCDC变换器相比，ZCS QRCs 中流过开关管的电流峰值增加较大，从而增加了开关管的电流应力。 开关管开关时的电压变换率dv/dt会造成很大的电磁 干扰 。,优点： 功率开关管Tp与谐振电感Lr串联，通过谐振使得 Tp中通过的电
8、流在导通或者关断时降为零，避免 了I和U的重叠，实现了零电流开关 。,4.1零电流开关准谐振变换器,ZCS QRCs变换器的推广,(a)Buck变换器,(b)Buck ZCS QRCs变换器,4.1零电流开关准谐振变换器,ZCS QRCs变换器的推广,(c)Boost 变换器,(d)Boost ZCS QRCs变换器,4.1零电流开关准谐振变换器,ZCS QRCs变换器的推广,(e)Buck-Boost 变换器,(f) Buck-Boost ZCS QRCs变换器,4.1零电流开关准谐振变换器,ZCS QRCs变换器的推广,(g)Cuk 变换器,(h) Cuk ZCS QRCs变换器,4.2零
9、电压开关准谐振变换器,零电流开关准谐振变换器的对偶电路：零电压开关准谐振变换器（ZVS-QRCs）。仍以Buck型直流变换器为例，将常规Buck变换器中的开关用零电压谐振开关代替后，就可以得到了零电压开关准谐振Buck变换器 。,Buck ZVS QRCs,Buck ZCS QRCs,4.2零电压开关准谐振变换器,Buck ZVS QRCs工作原理 ： Tp导通后，在任意时刻其两端电压可近似视为零，此时关断Tp，可以实现开关管的零电压关断。由于有谐振的作用，当谐振电容Cr 中两端电压为零时，开关Tp闭合，从而实现开关管零电压开通。,2.2零电压开关准谐振变换器,（a） Buck ZVS QRC
10、s全波模式 （b） Buck ZVS QRCs半波模式,下面分析半波模式下Buck ZVS QRCs电路,4.2零电压开关准谐振变换器,假设初始状态t0时刻之前，开关Tp处于导通状态，全部输出电流Io从开关管Tp上流过，电感中电流为Io，续流二极管D因为反偏处于截止状态，电容Cr上的电压被开关管Tp钳位为零；,在tt0时，开关管Tp在零电压条件关断。,开关状态1t0,t1 在时刻t0，开关管Tp关断，谐振电感Lr电流向谐振电容Cr恒流充电，uCr线性上升。这一阶段在相 平面图中，对应于从(Io,0)开始、平行于u轴的一段直线。 这段时间段内有：,(4.10),Lr,iL,Cr,当t=t1时，谐
11、振电容Cr上的电压上升超过E，续流二极管承受正向电压导通，开关状态1结束，电容Cr和谐振电感Lr开始谐振。,2. 开关状态2t1,t2 在时刻t1，续流二极管D导通续流，电感Lr和电容Cr开始谐振，电路 进入谐振工作状态。谐振初始状态为：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=E，强迫 分量为（E,0），在相平面图中，曲线是从（E,Io）开始，以（E,0） 为圆心的一段圆弧。此时有：,(4.11),iL,Lr,Cr,Lr,Cr,iL,uCr谐振到零时，主管Tp的反并联二极管Dp导通，把电容Cr的 电容箝制为零，为Tp实现零电压导通做好准备。,4.2零电压开关准谐振变换器,(4.13),Lr,Cr
12、,iL,开关状态3t2,t3 当开关管Tp零电压导通，其并联谐振电容Cr上电压被钳位为零， 此时以电源电压E向谐振电感恒压充电，电感中电流线性上升。 在相平面图上，这段时间对应于u轴上t2到t3的部分。此时有：,在t=t3时，电感中电流上升到负载电流Io，二极管D由导通 变为截止，电路恢复到初始状态，开关状态3结束。,4.2零电压开关准谐振变换器,开关状态4t3,t4 在这个时间段内，电路保持上个状态结束时的状态。处于这个状态 的时间长度取决于开关周期Ts的长短。t=t4时，Tp截止，下一个开 关周期开始。,Lr,Cr,iL,4.2零电压开关准谐振变换器,Buck ZVS QRCs半波模式主要
13、波形,4.2零电压开关准谐振变换器,Buck ZVS QRCs全波模式主要波形及相平面图,4.2零电压开关准谐振变换器,缺点,优点 功率开关管Tp与谐振电容Cr并联，通过谐振使得Tp上的电压 在导通或者关断以前降为零，避免了ITp和UTp的重叠，实现 了零电压开关。,开关管承受的电压较大，需要选择高耐压的开关管。,零电压开关准谐振变换器,ZVS QRCs变换器的推广,(a)Buck变换器 (b)Buck ZVS QRCs变换器,零电压开关准谐振变换器,ZVS QRCs变换器的推广,(c)Boost 变换器 (d)Boost ZVS QRCs变换器,零电压开关准谐振变换器,ZVS QRCs变换器的推广,(e)Buck-Boost 变换器 (f) Buck-Boost ZVS QRCs变换器,零电压开关准谐振变换器,ZVS QRCs变换器的推广,(g)Cuk 变换器 (h) Cuk ZVS QRCs变换器,
