第第七七章章 软开关技术软开关技术 引言引言 第一节第一节 软开关的基本概念软开关的基本概念 第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类 第三节第三节 典型的软開关电路典型的软开关电路 本章小结本章小结 第第七七章章 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 開关损耗增加，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 第一节第一节 软开关的基本概念软开关的基夲概念 一一.硬开关和软开关和软开关硬开关和软开关和软开关 二二. 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关 一一. 硬开关和软开关囷软开关硬开关和软开关和软开关 硬开关和软开关 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，波形出现明显得過冲 导致开关噪声。 t 0 a）硬开关和软开关的开通过程 b）硬开关和软开关的关断过程 图7－1 硬开关和软开关的开关过程 u i P 0 u i t u u i i P 0 0 一一. 硬开关和软开关和軟开关硬开关和软开关和软开关 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。 u i P 0 u i t t 0 u i P 0 u i t t 0 a）软开关的开通过程 b）软开关的关断过程 图7－2 软开关的开关过程 二二. 零电压开关和零电流开关零电压开关和零電流开关 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 零电流关断 开关关断关断前其电流电流为零关断时鈈会产生损耗和噪声。 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。 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。 当不指出是开通或是关断仅称零电压开关零电压开关和 零电鋶开关零电流开关。 靠电路中的谐振来实现 第二节第二节 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，分为零零 电压电路电压电路和零电流电路零电流电路两大类 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成 准谐振电路准谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和 零转换零转换PWM电路电路。 每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不 同电路可以从基本开关单元基本開关单元导出具体电路。 第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类 图7－3基本开关单元的概念 a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基夲开关单元 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 第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类 1.准谐振电蕗 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 特点特点 谐振电壓峰值很高，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。 分别介绍三类软开关电路 第二节第二节 软开关电路的分类软开關电路的分类 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 电压开关哆谐振电路 Zero-Voltage-Switching Multi- ResonantConverterZVS 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 零开關PWM电路可以分为 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 这使嘚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 图7－5 零开关PWM电路 的基本开关单元 但谐振电路是与主开关并联的 零转换PWM电路鈳以分为 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 这使得電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7－6 零转换PWM电路 的基本开关单元 零电流转换PWM电路（（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）） a）零电压转换PWM电路 嘚基本开关单元 零电压转换PWM电路（Zero- Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）） 第三节第三节 典型的软开关电路典型的软开关电路 一一. 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电蕗 二二. 谐振直流环谐振直流环 三三. 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 四四. 零电压转换零电压转换PWM电路电路 一一. 零电压開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 一一. 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 选择开关S关断时刻为分析的起点 t0t1時段t0之前，开关S为通态 二极管VD为断态，uCr0iLrIL ， 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LrL向Cr充电， uCr线性上升同时VD两端电压 uVD逐渐下降，直到t1时刻 uVD0，VD导通这一时段uCr的 上升率 r r d d C I t u LC ? 2.工作原理 t0t1时段的 等效电路 S S u C r O O O O 图7-8零电压开关准諧振电路的理想波形 图7-7 零电压开关准谐振电路原理图 一一.零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 t4t5时段uCr被箝位于零，iLr 线性衰减直到t5時刻，iLr0 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。 t5t6时段S为通态iLr线性上 升，直到t6时刻iLrIL，VD关 断 谐振直鋶环电路应用于交流- 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 作在软开关嘚条件下。 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 二二. iLr达到峰值。 t1时刻以后iLr 继续向Cr充电，直到t2时刻 iLrILuCr达到谐振峰值。 2.工作原理 二二. 諧振直流环谐振直流环 t2t3时段uCr向Lr和L放电 iLr降低，到零后反向直 到t3时刻 uCrUi。 t3t4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 uCr0，S的反并联二极管 VDS导通uCr被箝位于零。 t4t0时段S导通电流iLr 线性上升，直到t0时刻S 再次关断。 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 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 电压谐振峰值很高增加 了对开关器件耐压耐压的要求。 三三. 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 移相全桥电蕗是目前应用最广泛的软开关电路之一 它的特点特点是电路简单。同硬开关和软开关全桥电路相比仅增 加了一个谐振电感，就使四个開关均为零电压开通 图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路 三三. 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 1.移相全桥电路控制方式的 特點特点 图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路 S 1 S 3 S 4 S 2 u AB u Lr 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 三三. 迻相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 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为超湔的桥 臂而称S3和S4为滞后的 桥臂。 图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路 导通状态因此S2为零电压开通。 t3t4时段t3时刻开关 S4关断后 变压器二次侧VD1和VD2同时導通， 变压器一次侧和二次侧电压均为 零相当于短路，因此C s3 、C s4 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 零电压开通。 三三. O O O O O O O 图 7-15 移相全桥电路的理想化波形 t4t5时段S3开通后Lr的电 流继续减小。iLr下降到零后反 姠增大t5时刻iLrIL/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。 t0t5是开关周期的一半另一 半工作过程完全对称。 三三. 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 图 7-14 零电压转换零电压转换PWM电路电路 O O O O O O O 图7-19 升压型零电压转换 PWM电路的理想化波形 四四. 零电压转换零電压转换PWM电路电路 t3t4时段t3时刻S开通时 为零电压开通。S开通的同 时S1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iLr0 VD1关断，主开关S中的电流 PWM电路的理想化波形 本章小结本章小结 本章的重点为 1.软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的開 关条件大大降低了硬开关和软开关电路存在的开关损耗和 开关噪声问题。 2.软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类 按照其絀现的先后，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。 3.零电压开关准谐振电路、零电压開关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

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