1、精品文檔17.0概述電力電子裝置高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。-開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。-進一步提高開關(guān)頻率。軟開關(guān)的基本概念硬開關(guān)與軟開關(guān)硬開關(guān)：-開關(guān)的開通和關(guān)斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化。-產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。軟開關(guān)：在電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)條件得以改善。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。-軟開關(guān)有時也被成為諧振開關(guān)。工作原理：軟開關(guān)電路中S關(guān)斷后Lr與Cr間發(fā)生諧振，電路中電壓和電流的波形類似于正弦半波。諧振減緩了開關(guān)過程中電壓、電流的變化，而且使S兩端的電壓在其開通

2、前就降為零。零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)軟開關(guān)分類0uS-零電壓開關(guān)：使開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開關(guān)開通時就不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種開通方式稱為零電壓開通，簡稱零電壓開關(guān)。a)0123456b）圖7-1零電壓開關(guān)準諧振電路及波形a）電路圖b）理想化波形-零電流開關(guān)：使開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時也不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷，簡稱零電流開關(guān)。圖7-2硬開關(guān)電路及波形a）電路圖b）理想化波形:零電壓開通和零電流關(guān)斷要靠電路中的諧振來實現(xiàn)。零電壓關(guān)斷：與開關(guān)并聯(lián)的電容能使開關(guān)關(guān)斷后電壓上升延緩，從而降低關(guān)斷損耗,有時稱這種關(guān)斷過程為零電壓關(guān)斷。零電流開通：與開關(guān)相串聯(lián)的電感能

3、使開關(guān)開通后電流上升延緩，降低了開通損耗,有時稱之為零電流開通。簡單的利用并聯(lián)電容實現(xiàn)零電壓關(guān)斷和利用串聯(lián)電感實現(xiàn)零電流開通一般會給電路造成總損耗增加、關(guān)斷過電壓增大等負面影響，因此是得不償失的。17.2軟開關(guān)電路的分類根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。：每一種軟開關(guān)電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從基本開關(guān)單元導出具體電路a)b)c)圖7-3基本開關(guān)單元的概念a）基本開關(guān)單元b）降壓斬波器中的基本開關(guān)單元c）升壓斬波器中的基本開關(guān)單元d）升降壓斬波器中

4、的基本開關(guān)單元1準諧振電路準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準諧振。為最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，可以分為：零電壓開關(guān)準諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverterZVSQRC）；a)b)Cc)圖7-4準諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)準諧振電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)準諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)準諧振電路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverterZCSQRC)；零電壓開關(guān)多諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-

5、ResonantConverterZVSMRC)；用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)(ResonantDCLink)。特點：-諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；諧振電流有效值很大，電路中存在大量無功功率的交換，電路導通損耗加大;諧振周期隨輸入電壓、負載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulationPFM)方式來控制。2.零開關(guān)PWM電路引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為：零電壓開關(guān)PWM電路(Zero-Voltage-SwitchingPWMConverterZVSPWM)；零電流開關(guān)PWM電路(Ze

6、ro-Current-SwitchingPWMConverterZCSPWM)。a)b)圖7-5零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元特點：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低；電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。3.零轉(zhuǎn)換PWM電路采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻，但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的。零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為：零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路(Zero-Voltage-TransitionPWMConverterZVTPWM)；零電流轉(zhuǎn)換PWM電路(Zero-CurrentTransitionPWM

7、ConverterZVTPWM)。零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元特點：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進提高。17.3典型的軟開關(guān)電路零電壓開關(guān)準諧振電路rR步17.3.1tttt圖7-7零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖tttttttttOl23456O圖7-8零電壓開關(guān)準諧振電路的理想化波形工作原理-tOtl時段：tO時刻之前，開關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0,iLr=IL-tO時刻S關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容r使S關(guān)斷后電壓上升減緩，

8、斷損耗減小。S關(guān)斷后，VD尚未導通。電感Lr+L向r充電，升，同時VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到tl時刻，uVD=0,這一時段ur的上升率：因此S的關(guān)ur線性上VD導通。durdtL-r7-1)圖7-9零電壓開關(guān)準諧振電路在tOtl時段等效電路工作原理t1t2時段：tl時刻二極管VD導通，電感L通過VD續(xù)流，r、Lr、Ui形成諧振回路。t2時刻，iLr下降到零，ur達到諧振峰值。-t2t3時段：t2時刻后，r向Lr放電，直到t3時亥I，ur=Ui，iLr達到反向諧振峰值。t3t4時段：t3時刻以后，Lr向r反向充電，ur繼續(xù)下降，直到t4時刻ur=O。圖7-10零電壓開關(guān)準諧振電路在tlt2

9、時段等效電路-tl到t4時段電路諧振過程的方程為:diLLr+U=UrdtCri(7-2)duCCr-=irdtLruI=U,i=I,tet,tCrt=tiLrt=tL14-t4t5時段：VDS導通，uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時亥I，iLr=0。由于這一時段S兩端電壓為零，所以必須在這一時段使開關(guān)S開通，才不會產(chǎn)生開通損耗。-t5t6時段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL,VD關(guān)斷。-t4到t6時段電流iLr的變化率為：diULr=idtL（7-3）r的表達式：-t6t0時段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。諧振過程定量分析-求解式（7-2）可得uCr（即開關(guān)S的電壓

10、uS）7-4)7-5)7-6)IL1tet,t14u(t)=Ism(t-1)+U,=,Cr,CLr1irLCr、rruCr的諧振峰值表達式(即開關(guān)S承受的峰值電壓):u=C零電壓開關(guān)準諧振電路實現(xiàn)軟開關(guān)的條件:土IUCLir缺點：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。17.3.2諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)電路應用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)（DC-Link）。通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關(guān)的條件下。諧振直流環(huán)電路原理圖電路的工作過程：將電路等效為圖7-12。-t0t1時段：tO時刻之前，開關(guān)S處于通態(tài)，iLrIL,。tO時刻S關(guān)

11、斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對Cr充電，t1時刻，uCr=Ui。-t1t2時段：t1時刻，諧振電流iLr達到峰值。t1時刻以后，iLr繼續(xù)向Cr充電，直到t2時刻iLr=IL，uCr達到諧振峰值。LLrVDSCr圖712諧振直流環(huán)電路的等效電路圖713諧振直流環(huán)電路的理想化波形-t2t3時段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時刻uCr=Ui。-t3t4時段：t3時亥I，iLr達到反向諧振峰值，開始衰減，uCr繼續(xù)下降，t4時亥I，uCr=0，S的反并聯(lián)二極管VDS導通，uCr被箝位于零。-t4t0時段：S導通，電流iLr線性上升，直到tO時刻，S再次關(guān)斷。圖712諧振直流環(huán)

12、電路的等效電路t203401圖713諧振直流環(huán)電路的理想化波形缺點：電壓諧振峰值很高，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。17.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路同硬開關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，就使四個開關(guān)均為零電壓開通；移相全橋電路控制方式的特點：在開關(guān)周期TS內(nèi)，每個開關(guān)導通時間都略小于TS/2，而關(guān)斷時間都略大于TS/2；同一半橋中兩個開關(guān)不同時處于通態(tài)，每個開關(guān)關(guān)斷到另一個開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間。互為對角的兩對開關(guān)S1-S4和S2-S3,S1的波形比S4超前0TS/2時間，而S2的波形比S3超前0TS/2時間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。圖7

13、14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路8901234567890圖715移相全橋電路的理想化波形工作過程-t0t1時段：S1與S4導通，直到t1時刻S1關(guān)斷。-t1t2時段：t1時刻開關(guān)S1關(guān)斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導通，電流iLr通過VDS2續(xù)流。-t2t3時段：t2時刻開關(guān)S2開通，由于此時其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導因此S2為零電壓開通。i+URo圖716移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖-t3t4時段：t4時刻開關(guān)S4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時導通，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零，相當于短路，因此Cs3、Cs4

14、與Lr構(gòu)成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點電壓不斷上升，直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導通。這種狀態(tài)維持到t4時刻S3開通。因此S3為零電壓開通。-t4t5時段：S3開通后，Lr的電流繼續(xù)減小。iLr下降到零后反向增大，t5時刻iLr=IL/kT,變壓器二次側(cè)VD1的電流下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。S3VDiVD2!Uok-R圖717移相全橋電路在t3t4階段的等效電路17.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點。iVDLUiLr|VD専*rOVDC1圖718升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖:工作過程：輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，S開通

15、后S1關(guān)斷。-t0t1時段：，S1導通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo,電流iLr線性增長，VD中的電流以同樣的速率下降。t1時刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，關(guān)斷。-t1t2時段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時刻uCr=0，VDS導通，uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變。ILr-!1L勇i鄧LrLUVD7-ciSrxS1圖720升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1t2時段的等效電路t2t3時段：uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時刻S開通、S1關(guān)斷。t3t4時段：t3時刻S開通時，為零電壓開通。S開通的同時S1關(guān)斷，L

16、r中的能量通過VD1向負載側(cè)輸送，其電流線性下降，主開關(guān)S中的電流線性上升。t4時刻iLr=0，VD1關(guān)斷，主開關(guān)S中的電流iS=IL，電路進入正常導通狀態(tài)。t4t5時段：t5時刻S關(guān)斷。Cr限制了S電壓的上升率，降低了S的關(guān)斷損耗。tttttttt012345圖719升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形本章小結(jié)本章的重點為：1）軟開關(guān)技術(shù)通過在電路中引入諧振改善了開關(guān)的開關(guān)條件，大大降低了硬開關(guān)電路存在的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題。2）軟開關(guān)技術(shù)總的來說可以分為零電壓和零電流兩類。按照其出現(xiàn)的先后，可以將其分為準諧振、零開關(guān)PWM和零轉(zhuǎn)換PWM三大類。每一類都包含基本拓撲和眾多的派生拓撲。3）

17、零電壓開關(guān)準諧振電路、零電壓開關(guān)PWM電路和零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路分別是三類軟開關(guān)電路的代表；諧振直流環(huán)電路是軟開關(guān)技術(shù)在逆變電路中的典型應用。圖7-1零電壓開關(guān)準諧振電路及波形a)a）電路圖圖7-2硬開關(guān)電路及波形uSb）b）理想化波形VD燕LCTra）a）電路圖ttttb)b）理想化波形圖7-3基本開關(guān)單元的概念a)圖7-4SLin=D2vdb)c)a）基本開關(guān)單元c）升壓斬波器中的基本開關(guān)單元準諧振電路的基本開關(guān)單元b)a)降壓斬波器中的基本開關(guān)單元d）升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元b)c)a）零電壓開關(guān)準諧振電路的基本開關(guān)單元b）零電流開關(guān)準諧振電路的基本開關(guān)單元c）零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元圖7-5零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元a)b)a）零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元b）零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元圖7-6零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元b)零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元圖7-7零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖圖7-8零電壓開關(guān)準諧振電路的理想化波形圖7-9零電壓開關(guān)準諧振電路在0t0t1時段等效電路圖7-10零電壓開關(guān)準諧振電