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1、电力电子技术电力电子技术第第8章章 软开关技术软开关技术 引言引言 8.1 软开关的基本概念软开关的基本概念 8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类 8.3 典型的软开关电路典型的软开关电路 本章小结本章小结1电力电子技术电力电子技术第第8章章 软开关技术软开关技术 引言引言现代电力电子装置的发展趋势发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。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，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。 2电力电子技术电力电子技术8.1 软开关的基本概念软开关的基本概念8.1.1
2、硬开关和软开关硬开关和软开关8.1.2 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关3电力电子技术电力电子技术8.1.1 硬开关和软开关硬开关和软开关硬开关：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71硬开关的开关过程t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程uiP0uituuiiP004电力电子技术电力电子技术软开关：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。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图72软开关的开关过程5
3、电力电子技术电力电子技术8.1.2 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关零零电压开通电压开通 开关开关开通开通开通开通前其两端前其两端电压电压电压电压为零为零开通时不会产生损耗和噪声。开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断零电流关断 开关开关关断关断关断关断前其前其电流电流电流电流为零为零关断时不会产生损耗和噪声。关断时不会产生损耗和噪声。零电压关断零电压关断 与开关与开关并联并联并联并联的的电容电容电容电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。降低关断损耗。零电流开通零电流开通 与开关与开关串联串联串联串联的的电感电感电感电感能延缓开关开
4、通后电流上升的速率，降低能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。了开通损耗。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开关零电流开关。靠电路中的谐振来实现。6电力电子技术电力电子技术8.2 软开关电路的分类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，分为根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零零零零电压电路电压电路电压电路电压电路和和零电流电路零电流电路零电流电路零电流电路两大类。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准谐振电路准谐振电路准谐振电路、零开关零开关零开关零开关PWMPWM电路电
5、路电路电路和和零转换零转换零转换零转换PWMPWM电路电路电路电路。每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从同电路，可以从基本开关单元基本开关单元基本开关单元基本开关单元导出具体电路导出具体电路。7电力电子技术电力电子技术8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类图73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电力电子技术电力电子技术8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类 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准谐振电路准谐
6、振电路中电压或电流的波形为正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弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。电路。 特点特点特点特点：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；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只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Pulse Frequency Modul
7、ationPFMModulationPFM）方式来控制。方式来控制。分别介绍三类软开关电路9电力电子技术电力电子技术8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类可分为：用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link）。图7-4 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零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）
8、 a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）10电力电子技术电力电子技术8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类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。零开关PWM电路可以分为： 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。b)零电流开关PWM电路的基本开关单元图75 零开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路（Zero-Current-Swit
9、ching PWM ConverterZCS PWM）a)零电压开关PWM电路的基本开关单元零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）11电力电子技术电力电子技术8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类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。零转换PWM电路可以分为： 特点：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）零电流转换PWM电路的基本开关单元图76 零转换PWM电路的基本开关单元零电流
10、转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）a）零电压转换PWM电路的基本开关单元零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）12电力电子技术电力电子技术8.3 典型的软开关电路典型的软开关电路8.3.1 8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 8.3.2 8.3.2 谐振直流环谐振直流环谐振直流环谐振直流环 8.3.3 8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关
11、PWMPWM电路电路电路电路 8.3.4 8.3.4 零电压转换零电压转换零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路电路电路13电力电子技术电力电子技术8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路1）电路结构以降压型降压型为例分析工作原理。假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。图7-7 零电压开关准谐振电路原理图14电力电子技术电力电子技术8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路选择开关选择开关S S关断时刻为分析的起点。关断时刻为分析的起点。t t0 0 t t1 1时段：时段：t t0 0之前，开关之前，开关S S为通态，为通态，二极管二极管
12、VDVD为断态，为断态，u uCrCr=0=0，i iL Lr r=I=IL L ，t t0 0时刻时刻S S关断，与其并联的电容关断，与其并联的电容C Cr r使使S S关断后电压上升减缓，关断后电压上升减缓，因此因此S S的关断的关断损耗减小损耗减小。S S关断后，关断后，VDVD尚未导通。尚未导通。电感电感L Lr r+ +L L向向C Cr r充电，充电， u uC Cr r线性上升，线性上升，同时同时VDVD两端电压两端电压u uVDVD逐渐下降，直到逐渐下降，直到t t1 1时刻，时刻，u uVDVD=0=0，VDVD导通。这一时段导通。这一时段u uC Cr r的上升率：的上升率
13、：2）工作原理t0t1时段的等效电路图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7 零电压开关准谐振电路原理图15电力电子技术电力电子技术8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路t t1 1 t t2 2时段：时段：t t1 1时刻二极管时刻二极管VDVD导通，电感导通，电感L L通过通过VDVD续流，续流，C Cr r、L Lr r、U Ui i形成谐振回路。形成谐振回路。t t2 2时刻，时刻，i iL Lr r下降到零，下降到零，u uC Cr r达达到谐振峰值。到谐振峰值。t t2 2 t t3 3时段：时段：t t2 2时刻后，时刻后，C Cr r向向L Lr r放电，直
14、到放电，直到t t3 3时刻，时刻，u uC Cr r= =U Ui i，i iL Lr r达到反向谐振峰达到反向谐振峰值。值。t t3 3 t t4 4时段：时段：t t3 3时刻以后，时刻以后，L Lr r向向C Cr r反向充电，反向充电，u uC Cr r继续下继续下降，直到降，直到t t4 4时刻时刻u uC Cr r=0=0。t1t2时段的等效电路16电力电子技术电力电子技术8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路t t4 4 t t5 5时段：时段：u uC Cr r被箝位于零，被箝位于零，i iL Lr r线性衰减，直到线性衰减，直到t t5 5时刻，时刻，i iL
15、 Lr r=0=0。由于此时开关由于此时开关S S两端电压为零，两端电压为零，所以必须在此时开通所以必须在此时开通S S，才不才不会产生开通损耗。会产生开通损耗。t t5 5 t t6 6时段：时段：S S为通态，为通态，i iL Lr r线性上线性上升，直到升，直到t t6 6时刻，时刻，i iL Lr r= =I IL L，VDVD关关断。断。t t6 6 t t0 0时段：时段：S S为通态，为通态，VDVD为断为断态。态。缺缺点点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。105图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7 零电压开关准谐振电路原理图17电力电
16、子技术电力电子技术8.3.2 谐振直流环谐振直流环谐振直流环电路应用于交流谐振直流环电路应用于交流- -直流直流- -交流变换电路的中间交流变换电路的中间直流环节直流环节（DC-LinkDC-Link）。通通过在直流环节中引入谐振，过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。工作在软开关的条件下。1）电路结构图 7-11 谐振直流环电路原理图由于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，因此分析时可将电路等效。图 7-12 谐振直流环电路的等效电路 18电力电子技术电力电子技术8.3.2 谐振直流环谐振直流环图
17、7-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路 t 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。t1t2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。2）工作原理19电力电子技术电力电子技术8.3.2 谐振直流环谐振直流环t t2 2 t t3 3时段：时段：u uC Cr r向向L Lr r和和L L放电，放电，i iL Lr r降低，到零后反向，直到降低，到零后反向，直到t t3 3时刻时刻 u uC
18、Cr r= =U Ui i。t t3 3 t t4 4时段：时段：t t3 3时刻，时刻，i iL Lr r达到反达到反向谐振峰值，开始衰减，向谐振峰值，开始衰减，u uC Cr r继续下降，继续下降， t t4 4时刻，时刻，u uC Cr r=0=0，S S的反并联二极管的反并联二极管VDVDS S导通，导通，u uC Cr r被箝位于零。被箝位于零。t t4 4 t t0 0时段：时段：S S导通，电流导通，电流i iL Lr r线线性上升，直到性上升，直到t t0 0时刻，时刻，S S再次再次关断。关断。电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压耐压的要求。图 7-13 谐振直流环电路的理
19、想化波形 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路 20电力电子技术电力电子技术8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路移移相相全全桥桥电电路路是是目目前前应应用用最最广广泛泛的的软软开开关关电电路路之之一一，它它的的特特特特点点点点是是电电路路简简单单。同同硬硬开开关关全全桥桥电电路路相相比比，仅仅增增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路21电力电子技术电力电子技术22电力电子技术电力电子技术系统的技术指标输入电压：单相交流输入电压：单相交流输入电压：单相交流输入电压：单
20、相交流22010%V22010%V22010%V22010%V输入频率：输入频率：输入频率：输入频率：50Hz/60Hz50Hz/60Hz50Hz/60Hz50Hz/60Hz输出电压：输出电压：输出电压：输出电压：48V48V48V48V输出电流：输出电流：输出电流：输出电流：20A20A20A20A电压调整率电压调整率电压调整率电压调整率2 2 2 2 ，纹波电压峰，纹波电压峰，纹波电压峰，纹波电压峰- - - -峰值小于峰值小于峰值小于峰值小于240mV240mV240mV240mV效率大于效率大于效率大于效率大于90%90%90%90%，功率因数大于，功率因数大于，功率因数大于，功率因数
21、大于98%98%98%98%开关频率：开关频率：开关频率：开关频率：f=100kHzf=100kHzf=100kHzf=100kHz23电力电子技术电力电子技术高功率因数校正软开关AC/DC变换主电路24电力电子技术电力电子技术 Boost型ZVT-PWM变换器一周期主要电量波形 25电力电子技术电力电子技术 BoosBoos型型ZVT-PWMZVT-PWM变换器一周期内各运行变换器一周期内各运行模式分析模式分析 26电力电子技术电力电子技术BoostBoost型型ZVT-PWMZVT-PWM变换器各个阶段等效工作原理图变换器各个阶段等效工作原理图27电力电子技术电力电子技术系统的技术指标输入
22、电压：单相交流输入电压：单相交流输入电压：单相交流输入电压：单相交流22010%V22010%V22010%V22010%V输入频率：输入频率：输入频率：输入频率：50Hz/60Hz50Hz/60Hz50Hz/60Hz50Hz/60Hz输出电压：输出电压：输出电压：输出电压：48V48V48V48V输出电流：输出电流：输出电流：输出电流：20A20A20A20A电压调整率电压调整率电压调整率电压调整率2% 2% 2% 2% ，纹波电压峰，纹波电压峰，纹波电压峰，纹波电压峰- - - -峰值小于峰值小于峰值小于峰值小于240mV240mV240mV240mV效率大于效率大于效率大于效率大于90%
23、90%90%90%，功率因数大于，功率因数大于，功率因数大于，功率因数大于98%98%98%98%开关频率：开关频率：开关频率：开关频率：f=100kHzf=100kHzf=100kHzf=100kHz28电力电子技术电力电子技术高功率因数校正软开关AC/DC变换电路技术指标:单相交流单相交流:22010%V:22010%V输入频率：输入频率：50/60Hz50/60Hz输出电压：直流输出电压：直流380V380V效率：大于效率：大于95%95%功率因数：功率因数：PF98%PF98%开关频率：开关频率：f=100kHzf=100kHz29电力电子技术电力电子技术Boost型ZVT-PWM变换
24、器主电路参数设计根据普通升压型（根据普通升压型（根据普通升压型（根据普通升压型（ BoostBoostBoostBoost）变换器计算下列参数：）变换器计算下列参数：）变换器计算下列参数：）变换器计算下列参数：1.1.1.1.升压电感设计升压电感设计升压电感设计升压电感设计L L L L 计算出计算出计算出计算出L=470uHL=470uHL=470uHL=470uH2.2.2.2.输出电容输出电容输出电容输出电容CoCoCoCo 计算出计算出计算出计算出Co=2200uFCo=2200uFCo=2200uFCo=2200uF3.3.3.3.谐振电感设计谐振电感设计谐振电感设计谐振电感设计Lr
25、LrLrLr 计算出计算出计算出计算出LrLrLrLr=8.3uH=8.3uH=8.3uH=8.3uH4.4.4.4.谐振电容谐振电容谐振电容谐振电容CrCrCrCr 计算出计算出计算出计算出Cr=479pFCr=479pFCr=479pFCr=479pF30电力电子技术电力电子技术为了验证为了验证Boost ZVT-PWMBoost ZVT-PWM变换器主电路元器变换器主电路元器件参数的正确性，在件参数的正确性，在PspicePspice软件中进行了仿真软件中进行了仿真分析。下图所示为分析。下图所示为Boost ZVT-PWMBoost ZVT-PWM变换器的变换器的PspicePspice
26、仿真模型图。仿真模型图。根据前面的理论分析，最后的根据前面的理论分析，最后的仿真仿真及实验及实验参数为：输入电压参数为：输入电压VinVin为单相为单相220V220V，升压电感，升压电感L L为为470uH470uH，谐振电感，谐振电感LrLr为为8.3uH8.3uH，谐振电感，谐振电感CrCr为为479pF479pF，输出滤波电容，输出滤波电容CoCo为为2200uF2200uF，开关频率，开关频率f f为为100kHz100kHz。Boost型ZVT-PWM变换器在Pspice中的仿真分析31电力电子技术电力电子技术BoostBoost型型ZVT-PWM ZVT-PWM PspicePs
27、pice仿真模型仿真模型 32电力电子技术电力电子技术主开关管主开关管TrTr和辅助开关管和辅助开关管Tr1Tr1驱动波形图驱动波形图33电力电子技术电力电子技术主开关管主开关管TrTr驱动波形、漏源电流波形和驱动波形、漏源电流波形和电压波形图电压波形图34电力电子技术电力电子技术输入交流电压和交流波形图输入交流电压和交流波形图 35电力电子技术电力电子技术 输出电压和输出电流波形图输出电压和输出电流波形图 36电力电子技术电力电子技术37电力电子技术电力电子技术38电力电子技术电力电子技术39电力电子技术电力电子技术40电力电子技术电力电子技术41电力电子技术电力电子技术42电力电子技术电力
28、电子技术43电力电子技术电力电子技术44电力电子技术电力电子技术45电力电子技术电力电子技术全桥移相电路设计技术指标基本条件：电路形式：全桥移相基本条件：电路形式：全桥移相变压器工作频率：变压器工作频率：100kHz100kHz变压器输入电压：变压器输入电压：380V380V输出电压：直流输出电压：直流48V48V输出电流：输出电流：20A20A整流电路形式：中心抽头全波整流整流电路形式：中心抽头全波整流46电力电子技术电力电子技术移相全桥软开关变换器主电路参数设计根据移相全桥软开关变换器计算下列参数：根据移相全桥软开关变换器计算下列参数：根据移相全桥软开关变换器计算下列参数：根据移相全桥软开
29、关变换器计算下列参数：1.1.1.1.变压器原和副边匝数比变压器原和副边匝数比变压器原和副边匝数比变压器原和副边匝数比计算出计算出计算出计算出32:632:632:632:6. . . .输出滤波电感设计输出滤波电感设计输出滤波电感设计输出滤波电感设计LfLfLfLf 计算出计算出计算出计算出Lf=18.4uHLf=18.4uHLf=18.4uHLf=18.4uH. . . .输出滤波电容输出滤波电容输出滤波电容输出滤波电容CoCoCoCo 计算出计算出计算出计算出Co=14.8uFCo=14.8uFCo=14.8uFCo=14.8uF. . . .谐振电感设计谐振电感设计谐振电感设计谐振电感设计LrLrLrLr 计算出计算出计算出计算出LrLrLrLr=80uH=80uH=80uH=80uH47电力电子技术电力电子技术48电力电子技术电力电子技术 移相全桥软开关移相全桥软开关DC/DCDC/DC变换器驱动波形图变换器驱动波形图49电力电子技术电力电子技术移相全桥软开关移相全桥软开关DC/DCDC/DC变换器驱动波形图变换器驱动波形图50电力电子技术电力电子技术输出直流电压波形图输出直流电压波形图51
