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1、本章主要内容,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 8.4软开关技术新进展,概述,现代电力电子装置的发展趋势 小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求 电力电子电路的高频化 是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的最直接途径 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,硬开关 开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗 电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声 当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著
2、,1. 硬开关和软开关,硬开关降压型电路及理想波形,硬开关导通和关断过程中实际电压和电流,a),b),8.1软开关的基本概念,软开关 增加了Lr、Cr，与L、C相比小得多，S增加了反并联VDS 软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路)使开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减小甚至消除开关损耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化率，也减小开关噪声,1. 硬开关和软开关,降压型零电压开关准谐振电路及理想波形,软开关导通和关断过程中实际电压和电流,P,a),b),8.1软开关的基本概念,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
3、其电流为零，关断时不会产生损耗和噪声 零电压关断 与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗 零电流开通 与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗 在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关，靠电路中的谐振来实现。,2. 零电压开关和零电流开关,8.2软开关电路的分类,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 根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路 准谐振电路 零电压开关准谐振电路 零电流开关准谐振电路 零电压开关多谐振电路 用于逆变器的谐振直流环节 准谐振电路中电压或电流的波形 为正弦半波
4、,8.2软开关电路的分类,优势 开关损耗和开关噪声都大大下降 问题 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，则只能采用脉冲频率调制方式来控制,8.2软开关电路的分类,零开关PWM电路 引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后 零电压开关PWM电路 零电流开关PWM电路 同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿和下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频率固定的PWM控制方式,零电压开关PWM电路,零电流开关PWM电路,8.2软开关电路的分类,零转换PWM电路 采用
5、辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状态，无功功率交换被削减到最小 零电压转换PWM电路 零电流转换PWM电路,零电压转换PWM电路,零电流转换PWM电路,8.3典型的软开关电路,零电压开关准谐振电路 谐振直流环 移相全桥型零电压开关PWM电路 零电压转换PWM电路,8.3典型的软开关电路,电路构成 降压型电路 L和C很大，等效为电流源和电压源，并忽略电路中损耗 工作原理 以S关断时刻为分析起点 t0t1 t0前，S导通，VD断态,uCr=0,iLr=IL t0时，S关断，Cr使S关断后电压上升减缓
6、，则S关断损耗减小，S关断后，VD未导通,1. 零电压开关谐振电路,8.3典型的软开关电路,工作原理 t0t1 Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr线性上升，uVD下降 t1时，uVD=0，VD导通，uCr上升率 t1t2 t1时，VD导通，L续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，Lr对Cr充电，uCr上升，iLr下降 t2时，iLr下降到0，uCr达到谐振峰值,1. 零电压开关谐振电路,8.3典型的软开关电路,工作原理 t2t3 t2后，Cr向Lr放电，iLr变向，uCr下降 t3时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐振峰值 t3t4 t3后，Lr向Cr反向充电，uCr下降 t4
7、时，uCr=0 t1t4间的谐振方程,1. 零电压开关谐振电路,8.3典型的软开关电路,工作原理 t4t5 uCr箝位于0，uLr=Ui，iLr线性衰减 t5时，iLr=0。该段uS=0，则使S开通，不会产生开通损耗 t5t6 S通态，iLr线性上升 t6时，iLr=IL，VD关断 t4t6电流iLr变化率 t6t0：S通态，VD断态,1. 零电压开关谐振电路,8.3典型的软开关电路,uCr(即开关S电压uS) uCr的谐振峰值，即开关S的峰值电压Up 零电压开关准谐振电路实现软开关条件 如正弦项幅值小于Ui，uCr不能谐振到0，S不可能实现零电压开通 谐振电压峰值高于输入电压2倍，S耐压必须
8、提高，增加了电路成本，降低了可靠性,1. 零电压开关谐振电路,8.3典型的软开关电路,背景及应用 用于变频器 作用在交-直-交变换电路的中间直流环节，通过引入谐振，使逆变桥中所有开关工作在零电压开通条件下 电压型逆变器为感性负载，在谐振过程中逆变电路开关状态不变，负载电流为常量 工作原理 以S关断时刻为分析起点,2. 谐振直流环,8.3典型的软开关电路,工作原理 t0t1 t0前，iLrIL，S导通 t0时, S关断，发生谐振，Lr对Cr充电，uCr升高 t1时，uCr=Ui t1t2 t1时，uCr=Ui，ULr=0，iLr达到峰值 t1后，Lr继续向Cr充电并不断减小，uCr又升高 t2时
9、刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值,2. 谐振直流环,8.3典型的软开关电路,工作原理 t2t3 t2后，Cr向Lr和L放电，iLr降低至0后反向，Cr继续向Lr放电，iLr反向增加 t3时，uCr=Ui t3t4 t3时，iLr达到反向谐振峰值后衰减，uCr继续下降 t4时，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于0 t4t0 S导通，iLr线性上升，t0时刻，S再次关断 uCr谐振峰值高增加对开关的耐压要求,2. 谐振直流环,8.3典型的软开关电路,电路构成 增加一个谐振电感，使四个开关器件都在零电压条件下开通 控制特点 一个TS内，每一开关导通时间都略小于TS/2，关断略大于TS/2,3.
10、 移相全桥型零电压开关PWM电路,同一半桥上下两个开关不同时导通，每一个关断到另一个开通要经过一定死区时间 超前桥臂S1和S2： S1波形比S4超前0TS/2；滞后桥臂S3和S4： S2比S3超前0TS/2,8.3典型的软开关电路,工作原理 t0t1 S1与S4导通，t1时刻S1关断 t1t2 t1时，S1关断后，Cs1、Cs2与Lr、L构成谐振回路，谐振初始uA(t1)=Ui。谐振时，uA不断下降至0，VDS2导通，iLr通过VDS2续流,3. 移相全桥型零电压开关PWM电路,r,r,8.3典型的软开关电路,工作原理 t2t3 t2时，开通S2，VDS2导通使S2开通电压为零，无开关损耗，且
11、电路状态不变，直到t3时S4关断 t3t4 t3时，S4关断后，Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路，谐振中iLr不断减小，uB不断上升，直到VDS3导通 t4时，S3开通，由于VDS3导通使得在零电压下开通，开通损耗为零,3. 移相全桥型零电压开关PWM电路,r,r,8.3典型的软开关电路,工作原理 t4t5 S3开通后，iLr继续减小到0后反向，不断增大，t5时iLr=IL/kT，iVD1下降到0而关断，电流IL全部转移到VD2 t0t5 是Ts的一半，而在另一半t5t0时段中，工作过程与该段完全对称,3. 移相全桥型零电压开关PWM电路,r,r,8.3典型的软开关电路,背景及电路构成 电路简
12、单、效率高，广泛用于功率因数校正电路、斩波器等 以升压电路为例 假设电感L、电容C很大，可以忽略电流和输出电压波动，还忽略元件与线路中损耗,4. 零电压转换PWM电路,辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断，主要谐振过程集中在S开通前后 工作原理 t0t1 S1比S先开通，此时VD尚导通，uLr=Uo，iLr线性增长，iVD下降，到t1时，iLr=IL，iVD=0，VD关断,8.3典型的软开关电路,工作原理 t1t2 Lr与Cr构成谐振回路，L很大使谐振中电流不变；谐振中iLr增加而uCr下降 t2时，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于0，而iLr保持不变 t2t3 uCr=0和iLr不变的状态保持到t3时刻S开通、S1关断 t3t4 t3时，S开通，uS=0，无开关损耗。同时S1关断，Lr通过VD1向负载放能，iLr下降，iS线性上升 t4时,iLr=0,VD1关断,iS=IL, 正常导通,4. 零电压转换PWM电路,要点总结,软开关的基本概念 软开关分类 四种典型软开关电路，包括电路构成、电路作用和工作原理,精品课件！,精品课件！,作业,第8章：2、3、4(195页),
