单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第8章 软开关技术,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,本章小结,1,引言,现代电力电子装置的发展趋势是,小型化,、,轻量化,，同时对装置的,效率,和,电磁兼容性,也提出了更高的要求电力电子电路的高频化,可以减小,滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大软开关技术,降低开关损耗和开关噪声使开关频率可以大幅度提高2,8.1 软开关的基本概念,8.1.1 硬开关与软开关,8.1.2 零电压开关与零电流开关,3,8.1.1 硬开关与软开关,硬开关,开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的,开关损耗,电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了,开关噪声,开关损耗与,开关频率,之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著图8-1 硬开关降压型电路及波形,a）电路图 b）理想化波形,t,0,u,i,P,0,u,i,t,u,u,i,i,P,0,0,图8-2 硬开关过程中的电压和电流,a)关断过程 b)开通过程,a),b),4,8.1.1 硬开关与软开关,软开关,软开关电路中增加了,谐振电感,L,r,和,谐振电容,C,r,，与滤波电感,L,、电容,C,相比，,L,r,和,C,r,的值小得多，同时开关S增加了,反并联二极管VD,S,，而硬开关电路中不需要这个二极管。
降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中,电压、电流的重叠,，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中,电压和电流的变化率,，这使得开关噪声也显著减小P,u,i,0,u,i,t,t,0,u,i,P,0,u,i,t,t,0,u,u,图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形,a）电路图 b）理想化波形,a),b),图8-4 软开关过程中的电压和电流,a)关断过程 b)开通过程,5,8.1.2 零电压开关与零电流开关,零电压开通,开关开通前其,两端电压为零,，则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,，则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6,8.2 软开关电路的分类,软开关电路的分类,根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成,零电压电路,和,零电流电路,两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。
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,7,8.2 软开关电路的分类,图 8-5 准谐振电路,a）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路,准谐振电路,分类,零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）,零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）,零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC）,用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DC Link）,8,8.2 软开关电路的分类,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,开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题,谐振,电压峰值,很高，要求器件耐压必须提高谐振,电流的有效值,很大，电路中存在大量的,无功功率的交换,，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，因此电路只能采用,脉冲频率调制,（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。
9,8.2 软开关电路的分类,图8-6 零开关PWM电路,a）零电压开关PWM电路 b）零电流开关PWM电路,零开关PWM电路,电路中引入了,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分类,零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）,零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）,同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：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，电路可以采用,开关频率固定的PWM控制方式,10,8.2 软开关电路的分类,图 8-7 零转换PWM电路的基本开关单元,a）零电压转换PWM电路的基本开关单元 b）零电流转换PWM电路的基本开关单元,零转换PWM电路,电路中采用,辅助开关,控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关,并联,的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，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，而且电路中,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。
分类,零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）,零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）,11,8.3 典型的软开关电路,8.3.1 零电压开关准谐振电路,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,12,8.3.1 零电压开关准谐振电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,零电压开关准谐振电路,假设,电感,L,和,电容,C,很大，可以等效为,电流源,和,电压源,，并忽略电路中的,损耗,开关电路的工作过程是按,开关周期,重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择,合适的起点,，可以使分析得到简化13,8.3.1 零电压开关准谐振电路,S,S,(,u,C,r,),i,S,i,L,r,u,VD,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,6,t,0,t,t,t,t,t,t,5,O,O,O,O,O,u,图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形,图8-10 零电压开关准谐振电路在,t,0,t,1,时段等效电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,工作过程,选择开关,S的关断时刻,为分析的起点。
t,0,t,1,时段：,t,0,之前，S导通，VD为断态，,u,Cr,=0，,i,Lr,=I,L,，,t,0,时刻S关断，,C,r,使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，S关断后，VD尚未导通，电路可以等效为图8-10；,L,r,+L,向,C,r,充电，,L,等效为电流源,，,u,Cr,线性上升，同时VD两端电压,u,VD,逐渐下降，直到,t,1,时刻，,u,VD,=0，VD导通，这一时段,u,Cr,的上升率为,(8-1),14,8.3.1 零电压开关准谐振电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,S,S,(,u,C,r,),i,S,i,L,r,u,VD,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,6,t,0,t,t,t,t,t,t,5,O,O,O,O,O,u,图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形,图8-11 零电压开关准谐振电路在,t,1,t,2,时段等效电路,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻VD导通，,L,通过VD续流，,C,r,、,L,r,、,U,i,形成谐振回路,，如图8-11所示；谐振过程中，,L,r,对,C,r,充电，,u,Cr,不断上升，,i,Lr,不断下降，直到,t,2,时刻，,i,Lr,下降到零，,u,Cr,达到,谐振峰值,。
t,2,t,3,时段：,t,2,时刻后，,C,r,向,L,r,放电，,i,Lr,改变方向，,u,Cr,不断下降，直到,t,3,时刻，,u,Cr,=U,i,，这时，,u,Lr,=0，,i,Lr,达到,反向谐振峰值,t,3,t,4,时段：,t,3,时刻以后，,L,r,向,C,r,反向充电，,u,Cr,继续下降，直到t,4,时刻,u,Cr,=015,8.3.1 零电压开关准谐振电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,S,S,(,u,C,r,),i,S,i,L,r,u,VD,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,6,t,0,t,t,t,t,t,t,5,O,O,O,O,O,u,图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形,t,1,到,t,4,时段电路谐振过程的方程为,(8-2),t,4,t,5,时段：,u,Cr,被箝位于零，,u,Lr,=U,i,，,i,Lr,线性衰减，直到,t,5,时刻，,i,Lr,=0由于这一时段,S两端电压为零,，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生,开通损耗,t,5,t,6,时段：S为通态，,i,Lr,线性上升，直到t,6,时刻，,i,Lr,=I,L,，VD关断。
t,4,到,t,6,时段电流,i,Lr,的变化率为,t,6,t,0,时段：S为通态，VD为断态8-3),16,8.3.1 零电压开关准谐振电路,谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本数量关系为,u,Cr,（即开关S的电压,u,S,）的表达式,t,1,t,4,上的最大值即,u,Cr,的谐振峰值,，就是开关,S承受的峰值电压,，表达式为,零电压开关准谐振电路实现软开关的条件,如果正弦项的幅值小于,U,i,，,u,Cr,就不可能谐振到零，S也就不可能实现零电压开通零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压,U,i,的,2倍,，开关S的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性17,8.3.2 谐振直流环,图8-12 谐振直流环电路原理图,图8-13 谐振直流环电路的等效电路,谐振直流环,应用于交流-直流-交流变换电路的,中间直流环节（DC-Link）,，通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下图8-12中，,辅助开关S使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下，实际电路中开关S可以不需要，S的开关动作用逆变电路中开关的直通与关断来代替。
电压型逆变器的负载通常为,感性,，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，,负载电流视为常量18,8.3.2 谐振直流环,图8-13 谐振直流环电路的等效电路,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,0,i,L,r,u,Cr,U,in,I,L,t,t,O,O,图8-14 谐振直流环电路的理想化波形,工作过程,以开关,S关断时刻,为起点t,0,t,1,时段：,t,0,之前，,i,Lr,大于,I,L,，S导通，,t,0,时刻S关断，,电路中发生谐振,，因为,i,Lr,I,L,，因此,i,Lr,对,C,r,充电，,u,Cr,不断升高，直到,t,1,时刻，,u,Cr,=U,i,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻由于,u,Cr,=U,i,，,U,Lr,=0，因此谐振电流,i,Lr,达到,峰值,，,t,1,以后，,i,Lr,继续向,C,r,充电并不断减小，而,u,Cr,进一步升高，直到,t,2,时刻,i,Lr,=I,L,，,u,Cr,达到,谐振峰值,19,8.3.2 谐振直流环,t,2,t,3,时段：,t,2,以后，,u,Cr,向,L,r,。