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1、电力电子基础FundamentalPowerElectronics第八讲谐振软开关技术1第八讲谐振软开关技术谐振软开关电路谐振软开关电路n引言n软开关的基本概念n软开关电路的分类n典型的软开关电路n小结2第八讲谐振软开关技术1.引言引言n单纯提高开关频率使电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化开关损耗增加，效率下降，频率提高受限电磁干扰增大，电磁兼容变差n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3第八讲谐振软开关技术2.软开关的基本概念软开关的基本概念硬开关：硬开关：n开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。n电压、电流变化很快，波形出现明显得过
2、冲，导致开关噪声。t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程硬开关的开关过程uiP0uituuiiP004第八讲谐振软开关技术软开关的基本概念软开关的基本概念软开关：软开关：n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。n降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程软开关的开关过程5第八讲谐振软开关技术软开关的基本概念软开关的基本概念n零电压开通零电压开通：开关开通开通前其两端电压电压为零开通时不会产生损耗和噪声。n零电流关断零电流关断：开关关断关断前其电流电流为零关断时不会产生损耗和噪声。n零
3、电压关断零电压关断：与开关并联并联的电容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。n零电流开通零电流开通：与开关串联串联的电感电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。n当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关和零电流零电流开关开关。靠电路中的谐振来实现。6第八讲谐振软开关技术软开关电路的分类软开关电路的分类n根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电零电压电路压电路和零电流电路零电流电路两大类。n根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准准谐振电路谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和零转换零转换PWM电路电路。n每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型
4、等不同电路，可以从基本开关单元基本开关单元导出具体电路。7第八讲谐振软开关技术软开关电路的分类软开关电路的分类基本开关单元的概念a）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元c）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元8第八讲谐振软开关技术软开关电路的分类软开关电路的分类三类软开关电路三类软开关电路1. 1. 准谐振电路准谐振电路准谐振电路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。n特点特点：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
5、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。9第八讲谐振软开关技术软开关电路的分类软开关电路的分类准谐振电路准谐振电路n用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link）。准谐振电路的基本开关单元c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元n电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元n零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter
6、ZCS QRC） a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元n零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）10第八讲谐振软开关技术软开关电路的分类软开关电路的分类2.2.零开关零开关PWMPWM电路电路n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。n零开关PWM电路可以分为：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）
7、n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。b)零电流开关PWM电路的基本开关单元零开关零开关PWMPWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元a)零电压开关PWM电路的基本开关单元11第八讲谐振软开关技术软开关电路的分类软开关电路的分类b）零电流转换PWM电路的基本开关单元零转换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3.3.零转换零转换PWMPWM电路电路n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。n零转换PWM电路可以分为：零电压转换PWM电路（Zero-Vo
8、ltage-TransitionPWMConverterZVTPWM）零电流转换PWM电路（Zero-CurrentTransitionPWMConverterZVTPWM）n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。12第八讲谐振软开关技术3.典型的软开关电路典型的软开关电路n零电压开关准谐振电路n谐振直流环n移相全桥型零电压开关PWM电路n零电压转换PWM电路13第八讲谐振软开关技术零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路降压型降压型 ZVSQRC阶段阶段阶阶段段阶阶段段阶阶段段14第八讲谐振软开关
9、技术零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路工作原理工作原理nt0t1时段：t0之前开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL ，t0时刻S关断，与其并联的电容Cr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。电感Lr+L向Cr充电， uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时，uVD=0，VD导通。nt1t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。105SS(uC r)iSiLruVDt0t t2t3t4t6tttttttOOOOO零电压开关准谐振电路的
10、理想波形15第八讲谐振软开关技术零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路nt2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。nt3t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。nt4t5时段：uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于此时开关S两端电压为零，所以必须在此时开通S，才不会产生开通损耗。nt5t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。nt6t0时段：S为通态，VD为断态。n电路的缺点电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件
11、耐压的要求。105SS(uC r)iSiLruVDt0t t2t3t4t6tttttttOOOOO零电压开关准谐振电路的理想波形16第八讲谐振软开关技术零电流开关准谐振电路零电流开关准谐振电路阶段阶段阶阶段段阶阶段段阶阶段段17第八讲谐振软开关技术谐振直流环谐振直流环基本思想基本思想：n在直流环节中引入谐振，使直流母线电压高频振荡，出现电压过零时刻，为逆变电路功率器件提供了实现软开关的条件。18第八讲谐振软开关技术谐振直流环节谐振直流环节特点：特点：n逆变器直流母线电压不再平直。n逆变器的功率开关器件应安排在过零时刻进行开关状态切换，实现零电压软开关操作。n由于电压型逆变器的负载通常为感性，而
12、且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，因此分析时可将电路等效。n直流环节谐振电压峰值很高，增加了对开关器件的耐压要求。等效电路谐振电路19第八讲谐振软开关技术谐振直流环节谐振直流环节t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的等效电路工作原理工作原理nt 0t1时段：t0时刻之前，开关S处于通态，iLrIL。t0时刻S关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。nt1t2时段：t1时刻，谐振电流iLr达到峰值。t1时刻以后，iLr继续向Cr充电，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。nt2t3时段：uCr向Lr
13、和L放电，iLr降低，到零后反向，直到t3时刻uCr=Ui。20第八讲谐振软开关技术谐振直流环节谐振直流环节nt3t4时段：t3时刻，iLr达到反向谐振峰值，开始衰减，uCr继续下降，t4时刻，uCr=0，S的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零。nt4t0时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断。n电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压耐压的要求。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的等效电路21第八讲谐振软开关技术移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路n移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之
14、一，它的特点特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。移相全桥零电压开关PWM电路22第八讲谐振软开关技术移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路电路控制方式的特点电路控制方式的特点：n在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；n同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。n互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2时间，而S2的波形比S3超前0TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。S1S3S
15、4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形23第八讲谐振软开关技术移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路移相全桥电路在t0t1阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形 工作过程：工作过程：nt0t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。nt1t2时段：t1
16、时刻开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路， uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。nt2t3时段：t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态，因此S2为零电压开通。24第八讲谐振软开关技术移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路nt3t4时段：t3时刻开关S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。因此S3为零电
17、压开通。移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形25第八讲谐振软开关技术移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路nt4t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。nt0t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1
18、uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形26第八讲谐振软开关技术零电压转换零电压转换PWM电路电路工作过程：工作过程：n辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。nt0t1时段：，S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长，VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO升压型零电压转换PWM电路及波形n零电压转换PWM电路具有
19、电路简单、效率高等优点。27第八讲谐振软开关技术零电压转换零电压转换PWM电路电路nt1t2时段：Lr与Cr构成谐振回路，Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。nt2t3时段：uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断。在t1t2时段的等效电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO升压型零电压转换PWM电路及波形28第八讲谐振软开关技术零电压转换零电压转换PWM电路电路nt3t4时段：t3时刻S开通时，为零电压开通。S开通的同时S1
20、关断，Lr中的能量通过VD1向负载侧输送，其电流线性下降，主开关S中的电流线性上升。t4时刻iLr=0，VD1关断，主开关S中的电流iS=IL，电路进入正常导通状态。nt4t5时段：t5时刻S关断。Cr限制了S电压的上升率，降低了S的关断损耗。SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO升压型零电压转换PWM电路的理想化波形29第八讲谐振软开关技术小结小结n软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。n软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类。每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。n零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。30第八讲谐振软开关技术
