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1、开关功率变换器中的开关功率变换器中的 吸收式软开关技术吸收式软开关技术Snubber Type Soft Switching Technologies in Snubber Type Soft Switching Technologies in Switch Mode Power ConvertersSwitch Mode Power Converters浙江大学浙江大学电气工程学院电气工程学院College of Electrical Engineering,College of Electrical Engineering, Zhejiang University,Zhejiang Uni
2、versity, ChinaChina2001.05浙江大学 电气工程学院2开关功率变换器中的吸收式软开关技术 开关功率变换器的基本结构开关功率变换器的基本结构 电压源电流源电压源交错级联模式EI互补 双向 开关能量流动方向EID能量流动方向SIDSE能量流动方向(a)(b)(c) 图一图一A A 电能通过开关网络的传输电能通过开关网络的传输 (a)电压源和电流源间能量双向传输的基本单元 (b)从电压源到电流源的单向能量传输单元 (c)从电流源到电压源的单向能量传输单元2001.05浙江大学 电气工程学院3开关功率变换器中的吸收式软开关技术 开关功率变换器的基本结构（续）开关功率变换器的基本结
3、构（续）(a)能量从电压源传递到电流源(b)能量从电流源传递到电压源 图一图一B B 电能通过开关网络传输的四个基本模式电能通过开关网络传输的四个基本模式脉宽调制（PWM, Pulse Width Modulation）的概念 何开关功率变换电路都由上述四个基本单元组合而成 基本结构：有源开关(S)无源开关 (D，二极管)对 实际应用中的对应关系：电压源电容，电流源电感2001.05浙江大学 电气工程学院4开关功率变换器中的吸收式软开关技术 开关工作模式的优点开关工作模式的优点在理想化前提下： 无源储能元件（电感L、电容C）没有能量损耗； 功率开关元件在导通零电压承载电流，和阻断零电流承受电
4、压 这 两 种 零 损 耗 状 态 间 瞬 间 切 换 ， 不 消 耗 能 量 。 有 实 现 高 效 率 电 功 率 变 换 的 可 能 性 。从电、磁储能的角度考虑： 在同等功率级别下，开关频率提高，开关周期时间缩短，电能传递加 快，无源储能元件所需存储的能量减小，体积、重量下降，使得变换 器的高功率密度和快速响应成为可能。 给出了开关功率变换的高频化要求。2001.05浙江大学 电气工程学院5开关功率变换器中的吸收式软开关技术 硬开关硬开关PWMPWM：不考虑二极管器件非理不考虑二极管器件非理 想特性和电路寄生参数的开关过程想特性和电路寄生参数的开关过程IEuSiSS控制信号iSuSIE
5、开通关断开关管电压电流示意开关轨迹示意 图二图二图二图二图二图二图二图二不考虑寄生参数的不考虑寄生参数的不考虑寄生参数的不考虑寄生参数的不考虑寄生参数的不考虑寄生参数的不考虑寄生参数的不考虑寄生参数的PWMPWM变换器开关过程示意变换器开关过程示意变换器开关过程示意变换器开关过程示意变换器开关过程示意变换器开关过程示意变换器开关过程示意变换器开关过程示意2001.05浙江大学 电气工程学院6开关功率变换器中的吸收式软开关技术 硬开关硬开关PWMPWM：考虑器件非理想特性和考虑器件非理想特性和 电路寄生参数的开关过程电路寄生参数的开关过程IEuSiSS 控制信号iSuSIE开通关断开关管电压电流
6、示意开关轨迹示意 图三图三图三图三图三图三图三图三A A 实际的实际的实际的实际的实际的实际的实际的实际的PWMPWM变换器硬开关过程示意变换器硬开关过程示意变换器硬开关过程示意变换器硬开关过程示意变换器硬开关过程示意变换器硬开关过程示意变换器硬开关过程示意变换器硬开关过程示意2001.05浙江大学 电气工程学院7硬开关硬开关PWMPWM：考虑器件非理想特性和考虑器件非理想特性和 电路寄生参数的开关过程电路寄生参数的开关过程开关功率变换器中的吸收式软开关技术二极管的非理想特性 图三图三图三图三图三图三图三图三B B 实际的实际的实际的实际的实际的实际的实际的实际的PWMPWM变换器硬开关过程示
7、意（续）变换器硬开关过程示意（续）变换器硬开关过程示意（续）变换器硬开关过程示意（续）变换器硬开关过程示意（续）变换器硬开关过程示意（续）变换器硬开关过程示意（续）变换器硬开关过程示意（续）iDuDUFWIFWIRMURMtrr2001.05浙江大学 电气工程学院8开关功率变换器中的吸收式软开关技术硬开关工作的缺点：硬开关工作的缺点： 在开关状态切换期内，主开关上有高电压大电 流重叠，相应的能量耗散正比于开关频率以及 装置容量，影响变换效率 高的电压变化率、电流变化率（du/dt、di/dt） 所致电磁兼容（EMC, Electro-Magnetic Compatibility）问题，随功率开
8、关器件发展而 日趋严重 开关轨迹（Loci）对器件特性和寄生参数敏感， 对线路形状、布局以及辅助手段要求严格，影 响电路可靠性2001.05浙江大学 电气工程学院9开关功率变换器中的吸收式软开关技术所谓所谓“软开关软开关”的含义：的含义： 消除或者近似消除开关状态切换期间功率器件 同时承受电压、电流的情况 限制、降低功率开关瞬态过程中的电压变化率 和/或电流变化率 达到上述目的，不应该通过开关损耗、开关应 力的转嫁来实现2001.05浙江大学 电气工程学院10开关功率变换器中的吸收式软开关技术软开关的基本分类软开关的基本分类 零电压型（ZVS，Zero Voltage Switching） 开
9、关转换过程中器件所承受电压维持在零或较低水平 零电流型（ZCS，Zero Current Switching） 开关转换过程中器件所承载电流维持在零或较低水平 零电压和零电流型（ZVS 已经有商品化电源产品和大功率工程化的验证，逐渐 成为学术界和业界主流 某Boost Type PFC Front-end Pre-regulator 某interleaved GTO DC-DC Chopper for Subway Traction Drive2001.05浙江大学 电气工程学院42开关功率变换器中的吸收式软开关技术 隔离式单端变换器完全无源无损耗吸收技术隔离式单端变换器完全无源无损耗吸收技术
10、目前尚无非常有体系的研究和普遍适用的结构 一般结构是：在原边进行关断吸收，在副边进行开通吸收 比较强调对副边续流二极管关断的电压尖峰（Voltage Spike）和 震荡（Ringing）的抑制，这一类研究比较有代表性，凸显了吸收 电路跟电压箝位（Voltage Clamp）电路的原理和运用相似之处图二十五图二十五图二十五图二十五图二十五图二十五图二十五图二十五 隔离单端变换器副边二极管关断吸收电路隔离单端变换器副边二极管关断吸收电路隔离单端变换器副边二极管关断吸收电路隔离单端变换器副边二极管关断吸收电路隔离单端变换器副边二极管关断吸收电路隔离单端变换器副边二极管关断吸收电路隔离单端变换器副边
11、二极管关断吸收电路隔离单端变换器副边二极管关断吸收电路2001.05浙江大学 电气工程学院43开关功率变换器中的吸收式软开关技术 桥臂无源吸收技术桥臂无源吸收技术 桥式(Bridge)（半桥、全桥及三相、多相桥）电路是电 力电子变换器中最常见的基本拓扑，涉及中、大功率 的电能变换，大多采用此类结构，逆变(Inversion)桥则 是桥式电路的典型代表 到目前为止，实用的逆变器普遍采用耗能式缓冲，桥 臂用耗能式缓冲拓扑的研究已经达到相当完善、成熟 的地步2001.05浙江大学 电气工程学院44开关功率变换器中的吸收式软开关技术桥臂吸收技术的拓扑特点和技术困难桥臂吸收技术的拓扑特点和技术困难Ls图
12、二十六图二十六图二十六图二十六图二十六图二十六图二十六图二十六 单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响单纯关断吸收电路对桥臂主电路的病态影响2001.05浙江大学 电气工程学院45开关功率变换器中的吸收式软开关技术桥式电路结构上可以视为两套斩波电路(Chopper)的组合其中电源、开关和负载之间特定的相互连接方式使得所用吸收电 路并不等同于二者的简单组合：上下两套电路之
13、间可产生改变基 本工作原理的相互作用，主要是吸收及其辅助电容通过主管的对 管进行的冲放电 一些元件可以合并简化，必须增加一些元件或改变原参数以适用 于新的工作过程，开关元件开通时要承载对管关断吸收电容的充 放电电流（Cross Current），开通吸收电感因为兼备限制这一过 程所致附加电流过冲的作用而不可缺省，取值较之于一般单端变 换器情况为大，且不适用饱和电抗器 桥臂吸收电路的元件归并、结构优化，使吸收附加元件数量最小 化，拓扑简明，耗能比常规方案有较大幅度（一半左右）降低， 这是在大功率场合应用上优化型桥臂耗能式吸收技术仍居统治地 位的重要原因桥臂吸收技术的拓扑特点和技术困难桥臂吸收技术
14、的拓扑特点和技术困难2001.05浙江大学 电气工程学院46开关功率变换器中的吸收式软开关技术 桥臂无源耗能吸收技术桥臂无源耗能吸收技术图二十七图二十七图二十七图二十七图二十七图二十七图二十七图二十七耗能式桥臂吸收电路的简化耗能式桥臂吸收电路的简化耗能式桥臂吸收电路的简化耗能式桥臂吸收电路的简化耗能式桥臂吸收电路的简化耗能式桥臂吸收电路的简化耗能式桥臂吸收电路的简化耗能式桥臂吸收电路的简化2001.05浙江大学 电气工程学院47开关功率变换器中的吸收式软开关技术 桥臂无源耗能式吸收技术（续）桥臂无源耗能式吸收技术（续）LsCs CbRsLsCs1Cs2CbLsCs1Cs2Rs三角型McMurr
15、ay型Undeland型图二十八图二十八图二十八图二十八图二十八图二十八图二十八图二十八优化的耗能式桥臂吸收电路优化的耗能式桥臂吸收电路优化的耗能式桥臂吸收电路优化的耗能式桥臂吸收电路优化的耗能式桥臂吸收电路优化的耗能式桥臂吸收电路优化的耗能式桥臂吸收电路优化的耗能式桥臂吸收电路2001.05浙江大学 电气工程学院48开关功率变换器中的吸收式软开关技术 桥臂无源无（低）损耗式吸收技术桥臂无源无（低）损耗式吸收技术两种思路 基于优化的桥臂耗能式缓冲器拓扑，设法以无源网络 替代电阻，实现无（低）损吸收 基于单端变换器无损吸收结构，加以合理归并、改动， 或另辟途径，构造新的无源网络以达到目的2001
16、.05浙江大学 电气工程学院49开关功率变换器中的吸收式软开关技术 基于第一种思路的桥臂无源低损耗式吸收技术基于第一种思路的桥臂无源低损耗式吸收技术CsLs图二十九图二十九图二十九图二十九图二十九图二十九图二十九图二十九 由由由由由由由由UndelandUndeland和和和和和和和和McMurrayMcMurray电路电路电路电路电路电路电路电路发展出的部分吸发展出的部分吸发展出的部分吸发展出的部分吸发展出的部分吸发展出的部分吸发展出的部分吸发展出的部分吸 收能量回馈结构收能量回馈结构收能量回馈结构收能量回馈结构收能量回馈结构收能量回馈结构收能量回馈结构收能量回馈结构一般采用互感回馈能量，理论上约损失2540%在励磁电流电阻性复位2001.05浙江大学 电气工程学院50开关功率变换器中的吸收式软开关技术基于第二种思路的桥臂无源无（低）损耗式吸收技术基于第二种思路的桥臂无源无（低）损耗式吸收技术LsLsCbCs1Cs2(a)(b)(c)(d)(e)图图图图
