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1、第8章 软开关技术 引言 8.1 软开关的基本概念 8.2 软开关电路的分类 8.3 典型的软开关电路 现代电力电子装置的发展趋势 小型化和轻量化 对效率和电磁兼容性也有更高的要求。 高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子 装置小型化和轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。 8.1 软开关的基本概念 8.1.1 硬开关和软开关 8.1.2 零电压开关和零电流开关 8.1.1 硬开关和软开关 硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导 致开关噪声。 图81 硬开关的开关过程
2、t0 a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程 u i P 0 u i t u u i i P 0 0 软开关： 在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开 关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。 u i P 0 u i t t 0 u i P 0 u i t t 0 a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程 图82 软开关的开关过程 8.1.2 零电压开关和零电流开关 零电压开通 开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声 。 零电流关断 开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。 零电压关断 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而 降
3、低关断损耗。 零电流开通 与开关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。 8.2 软开关电路的分类 根据开关元件开通和关断时电压电流状态 ，分为零电压电路和零电流电路两大类。 根据软开关技术发展的历程可以将软开关 电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和 零转换PWM电路。 8.2 软开关电路的分类 1）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 此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。 特点： 谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的 交换，电路导通损耗加大； 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路 只能采用脉
4、冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。 分别介绍三类软开关电路 2）零开关PWM电路 引入了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。 特点： 电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降 沿较缓，开关承受的电压明显降低。 电路可用开关频率固定的PWM控制方式。 3）零转换PWM电路 采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路 是与主开关并联的。 特点： 电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满 载都能工作在软开关状态。 电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得 电路效率有了进一步提高。 8.3 典型的软开关电路 8.3.1 零电压开
5、关准谐振电路 8.3.2 谐振直流环 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 8.3.4 零电压转换PWM电路 高功率因数校正软开关AC/DC 变换主电路 零电压转换PWM电路 零电压转换PWM电路 零电压转换PWM电路波形图 零电压转换PWM电路一周期内各 运行模式分析 零电压转换零电压转换PWMPWM电路各个阶段等效工作原理图电路各个阶段等效工作原理图 系统的总技术指标 输入电压：单相交流22010%V 输入频率：50Hz/60Hz 输出电压：48V 输出电流：20A 电压调整率2 ，纹波电压峰-峰值小于240mV 效率大于90%，功率因数大于98% 开关频率：f=100kHz 零电压
6、转换PWM电路技术指标 单相交流:22010%V 输入频率：50/60Hz 输出电压：直流380V 效率：大于95% 功率因数：PF99% 开关频率：f=100kHz 零电压转换PWM电路参数设计 根据普通升压型（ Boost）变换器计算下列参数 1.升压电感设计L 计算出L=470uH 2.输出电容Co 计算出Co=2200uF 3.谐振电感设计Lr 计算出Lr=8.3uH 4.谐振电容Cr 计算出Cr=479pF 为了验证零电压转换PWM电路元器件参数的正确性 ，在Pspice软件中进行了仿真分析。下图所示为零电 压转换PWM电路的Pspice仿真模型图。 根据前面的理论分析，最后的仿真及
7、实验参数为 ：输入电压Vin为单相220V，升压电感L为470uH，谐振 电感Lr为8.3uH，谐振电感Cr为479pF，输出滤波电容 Co为2200uF，开关频率f为100kHz。 零电压转换PWM电路在Pspice中的 仿真分析 零电压转换PWM电路Pspice仿真模型 主开关管Tr和辅助开关管Tr1驱动波形图 主开关管Tr驱动波形、漏源电流波形 和电压波形图 输入交流电压和交流波形图 输出电压和输出电流波形图 移相全桥零电压开关PWM电路理想工作波形图 移相全桥零电压开关电路设计 技术指标 基本条件：电路形式：全桥移相 变压器工作频率：100kHz 变压器输入电压：380V 输出电压：直流48V 输出电流：20A 整流电路形式：中心抽头全波整流 移相全桥零电压开关PWM电路参数设计 根据移相全桥零电压开关PWM电路计算下列参数 1.变压器原和副边匝数比 计算出32:6 2.输出滤波电感设计Lf 计算出Lf=18.4uH 3.输出滤波电容Co 计算出Co=14.8uF 4.谐振电感设计Lr 计算出Lr=80uH 移相全桥零电压开关PWM电路在Pspice中的仿真模型图 移相全桥零电压开关PWM电路驱动波形图 移相全桥零电压开关PWM电路驱动波形图 输出直流电压波形图
