第8章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

8.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念

8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

8.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

8.4軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展

本章小結(jié)1引言■現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求?！鲭娏﹄娮与娐返母哳l化

◆可以減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝置小型化、輕量化。

◆開(kāi)關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增大?！鲕涢_(kāi)關(guān)技術(shù)

◆降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。

◆使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高。28.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念

8.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)

8.1.2零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)38.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)■硬開(kāi)關(guān)

◆開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開(kāi)關(guān)損耗。

◆電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖，從而產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)噪聲。

◆開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率之間呈線(xiàn)性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗就越來(lái)越顯著。

圖8-1硬開(kāi)關(guān)降壓型電路及波形a）電路圖b）理想化波形

t0uiP0uituuiiP00圖8-2硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流a)關(guān)斷過(guò)程b)開(kāi)通過(guò)程a)b)48.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)圖8-2所示的硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通波形示意圖中，設(shè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中開(kāi)關(guān)兩端電壓、電流近似呈線(xiàn)性變化，開(kāi)通前開(kāi)關(guān)承受電壓為100V，開(kāi)通后流過(guò)電流為10A，開(kāi)關(guān)頻率100kHz，開(kāi)關(guān)時(shí)間1μs，求開(kāi)關(guān)器件由開(kāi)通過(guò)程所造成的功率損耗。解：由題中假設(shè)條件可以寫(xiě)出開(kāi)通過(guò)程中開(kāi)關(guān)電壓及電流的表達(dá)式為

u(t)=100-100t/10-6=100-108ti(t)=10t/10-6=107t

開(kāi)通過(guò)程中器件的瞬時(shí)功率損耗為P(t)=u(t)·i(t)=(100-108t)107t=109(1-106t)一次開(kāi)通過(guò)程中產(chǎn)生的損耗為

Eon=∫1μs0P(t)dt=1.67·10-4J開(kāi)通過(guò)程產(chǎn)生的損耗功率為P=f·Eon=105·1.67·10-4=16.7W58.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)■軟開(kāi)關(guān)◆軟開(kāi)關(guān)電路中增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr和Cr的值小得多，同時(shí)開(kāi)關(guān)S增加了反并聯(lián)二極管VDS，而硬開(kāi)關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管。

◆降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過(guò)程限值了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的變化率，這使得開(kāi)關(guān)噪聲也顯著減小。

Pui0uitt0uiP0uitt0uu圖8-3降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形a）電路圖b）理想化波形a)b)圖8-4軟開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流a)關(guān)斷過(guò)程b)開(kāi)通過(guò)程

68.1.2零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)■零電壓開(kāi)通

◆開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零，則開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲?！隽汶娏麝P(guān)斷

◆開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲?！隽汶妷宏P(guān)斷

◆與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗?！隽汶娏鏖_(kāi)通

◆與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率，降低了開(kāi)通損耗。后2種不屬于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)■在很多情況下，不再指出開(kāi)通或關(guān)斷，僅稱(chēng)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)。

78.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)■軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

◆根據(jù)電路中主要的開(kāi)關(guān)元件是零電壓開(kāi)通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類(lèi)，個(gè)別電路中，有些開(kāi)關(guān)是零電壓開(kāi)通的，另一些開(kāi)關(guān)是零電流關(guān)斷的。

◆根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。

88.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)圖8-5準(zhǔn)諧振電路a）零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路b）零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路c）零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路

■準(zhǔn)諧振電路

◆分類(lèi)

?零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）

?零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路（Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）

?零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）

?用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)（ResonantDCLink）

9ZVSQRC在t1時(shí)刻之前，開(kāi)關(guān)V為通態(tài)，為負(fù)載提供電流Iot1時(shí)刻，關(guān)斷V，Cr充電，由于Cr的電壓是從零開(kāi)始上升的，故V為零電壓關(guān)斷。tl～t2期間：Cr以恒流Io充電，uCr線(xiàn)性上升，VD兩端電壓逐漸下降；直到t2時(shí)，uVD=0，VD導(dǎo)通，iLr開(kāi)始下降。t2～t3期間：Lr與Cr諧振，Lr對(duì)Cr充電，uCr不斷上升，在t3時(shí)刻Cr充電到諧振峰值；uCr=Ud+IoZr，其中Zr=√Lr/Cr；而iLr則下降到零。10t3～t4期間：t3時(shí)刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t4時(shí)刻，ucr=ud，iLr達(dá)到反向諧振峰值。t4～t5期間：t4時(shí)刻后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到t5時(shí)刻uCr=0。t5～t6期間：Lr經(jīng)VDV放電，uCr被鉗位于零，Lr兩端電壓為Ud，iLr線(xiàn)性衰減，到t6時(shí)刻iLr=0。由于這一時(shí)段V兩端電壓為零，開(kāi)通V，則為零電壓開(kāi)通。t6～t7期間：V為通態(tài)，iLr線(xiàn)性上升，直到t7時(shí)刻iLr=Io，VD關(guān)斷。此后V為通態(tài)，提供Io，VD為斷態(tài)，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。ZVSQRC11在t1時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管V加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開(kāi)始導(dǎo)通，由于Lr的限流作用，V為零電流開(kāi)通。t1～t2期間：VD為Io續(xù)流，Ucr=0，iLr線(xiàn)性上升，di

Lr／dt=Ud／Lr。至t2時(shí)刻，iLr上升到Io。t2～t3期間：Lr與Cr諧振，i

Lr自Io上升到峰值又回到Io，為正弦半波；在t3時(shí)刻Cr充電到峰值Ucr=2Ud。t3～t4期間：Lr電流繼續(xù)下降，Cr放電，共同為負(fù)載提供Io，在t4時(shí)刻iLr下降到零。t4～t5期間：Cr放電為負(fù)載提供Io，同時(shí)與Lr反向諧振，形成反向iLr

，iLr流過(guò)二極管VDV，到t5時(shí)iLr

回到零?？梢?jiàn)，在t4～t5期間，VDV導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管V中的電流為零，這時(shí)關(guān)斷V，則V是零電流關(guān)斷。ZCSQRC128.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)◆準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱(chēng)之為準(zhǔn)諧振。

◆開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲都大大下降，也有一些負(fù)面問(wèn)題

?諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。

?諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無(wú)功功率的交換，造成電路導(dǎo)通損耗加大。

?諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation—PFM）方式來(lái)控制，變頻的開(kāi)關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

138.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)圖8-6零開(kāi)關(guān)PWM電路a）零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路b）零電流開(kāi)關(guān)PWM電路

■零開(kāi)關(guān)PWM電路

◆電路中引入了輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后。

◆分類(lèi)

?零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）

?零電流開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）

◆同準(zhǔn)諧振電路相比，這類(lèi)電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開(kāi)關(guān)頻率固定的PWM控制方式。

14BuckZVS-PWM

在t1時(shí)刻之前，主開(kāi)關(guān)管V、輔助開(kāi)關(guān)管V1均為通態(tài)，續(xù)流二極管VD處于斷態(tài)，諧振電感電流iLr=Io，諧振電容電壓ucr=0。t1時(shí)刻，關(guān)斷V，Cr充電，由于Cr的電壓是從零開(kāi)始上升的，則開(kāi)關(guān)管V為零電壓關(guān)斷。t1～t2期間：Cr以恒流Io充電，ucr線(xiàn)性上升，VD兩端電壓逐漸下降；直到t2時(shí)，ucr=Ud，uVD=0，VD續(xù)流。t2～t3期間：由于輔助開(kāi)關(guān)管V1仍為通態(tài)，Lr通過(guò)V1自然續(xù)流，其電流值保持Io不變；VD繼續(xù)為負(fù)載續(xù)流。t3～t4期間：輔助開(kāi)關(guān)管V1關(guān)斷，Lr與Cr開(kāi)始諧振，Lr對(duì)Cr充電，ucr不斷上升，在Lr電流下降到iLr=0時(shí)Cr充電到諧振峰值。15BuckZVS-PWM

此后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，ucr不斷下降，直到t4時(shí)刻，ucr=0，iLr已越過(guò)負(fù)向諧振峰值，反向電流正在下降。t4～t5期間：t4時(shí)刻后，Lr經(jīng)VDV放電，ucr被鉗位于零，Lr兩端電壓為Ud，

iLr線(xiàn)性衰減，到t5時(shí)刻iLr=0。由于這一時(shí)段V兩端電壓為零，此區(qū)間開(kāi)通V，則為零電壓開(kāi)通。t5～t6期間：V為通態(tài)，iLr線(xiàn)性上升，直到t6時(shí)刻iLr=Io，VD關(guān)斷。此后V為通態(tài)，提供Io，VD為斷態(tài)，直到t7，時(shí)進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。16BuckZCS-PWM

在t0時(shí)刻之前，主開(kāi)關(guān)管V和輔助開(kāi)關(guān)V1管均處于斷態(tài)，VD為負(fù)載Io續(xù)流，ucr=0，iLr=0。在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)V加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開(kāi)始導(dǎo)通，由于Lr的限流作用，V為零電流開(kāi)通。t0～t1期間：VD仍為負(fù)載續(xù)流，ucr=0，iLr線(xiàn)性上升，到t1時(shí)iLr=Io。t1～t2期間：VD關(guān)斷，Lr與Cr正向諧振，iLr自Io上升到峰值又回到Io，為正弦半波，Cr通過(guò)VD1充電，在t2時(shí)刻Cr充電到峰值ucr=2Ud。t2～t3期間：在t2時(shí)VD1自然關(guān)斷，Cr無(wú)法放電，其電壓保持為ucr=2Ud。Lr電流保持iLr=Io不變。t3～t4期間：在t3時(shí)輔助開(kāi)關(guān)V1零電流開(kāi)通，Lr與Cr進(jìn)入反向諧振，Cr放電，Lr正向電流下降，在t4時(shí)刻iLr下降到零。17BuckZCS-PWM

t4～t5期間：Cr放電為負(fù)載提供Io，同時(shí)繼續(xù)與Lr反向諧振，形成反向iLr，iLr流過(guò)二極管VDv，到t5時(shí)又回到零?？梢?jiàn)，在t4～t5期間，由于VDv導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)V中的電流為零，這時(shí)關(guān)斷V，則V是零電流關(guān)斷。t5～t6期間：iLr=0，Cr放電繼續(xù)為負(fù)載提供Io。到t6時(shí)刻，ucr=0，放電結(jié)束，負(fù)載Io轉(zhuǎn)移到VD流過(guò)。t6～t7期間：由VD為負(fù)載Io續(xù)流，輔助開(kāi)關(guān)V1零電流關(guān)斷。到t7時(shí)刻，開(kāi)始下一開(kāi)關(guān)周期。188.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)圖8-7零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元■零轉(zhuǎn)換PWM電路

◆電路中采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿(mǎn)載都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而且電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。

◆分類(lèi)

?零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）

?零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）

19BoostZVT-PWM輔助開(kāi)關(guān)管V1超前于主開(kāi)關(guān)管V開(kāi)通，V開(kāi)通后V1關(guān)斷。t0之前，V、V1均處于斷態(tài)，升壓二極管VD導(dǎo)通，ucr=Uo，iLr=0。t0～t1期間：t0時(shí)刻，V1導(dǎo)通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線(xiàn)性增長(zhǎng)，VD中的電流以同樣的速率下降。到t1時(shí)刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，自然關(guān)斷。t1～t2期間：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(shí)刻ucr=0，VDV導(dǎo)通，ucr被鉗位于零，電流iLr上升到最大值。20BoostZVT-PWMt2～t3期間：ucr被鉗位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時(shí)刻V開(kāi)通、V1關(guān)斷。t3～t4期間：t3時(shí)刻V開(kāi)通時(shí)，為零電壓開(kāi)通。V開(kāi)通的同時(shí)V1關(guān)斷，Lr中的能量通過(guò)VD1向負(fù)載側(cè)輸送，其電流線(xiàn)性下降，主開(kāi)關(guān)管V中的電流線(xiàn)性上升。t4時(shí)刻iLr=0，VD1關(guān)斷，主開(kāi)關(guān)管V中的電流iV=IL，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。t4～t5期間：V處于通態(tài)，iV=IL到t5時(shí)刻V關(guān)斷。Cr限制了V的電壓上升率，所以V是零電壓關(guān)斷。t5～t6期間：V關(guān)斷后，Cr以恒流IL充電，ucr從0開(kāi)始線(xiàn)性上升。到t6時(shí)刻，ucr=Uo，升壓二極管VD導(dǎo)通，直到t7時(shí)進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。21BoostZCT-PWM

t0之前，V處于通態(tài)，V1處于斷態(tài)，升壓二極管VD關(guān)斷，ucr=-Ucrmax，Cr電壓極性下正上負(fù)，iLr=0。t0～t1期間：t0時(shí)刻，V1開(kāi)通，V仍處于通態(tài)，此時(shí)Lr、Cr支路兩端電壓為0，Lr與Cr開(kāi)始諧振，iLr上升，同時(shí)主開(kāi)關(guān)V中的電流iV減小。到t1時(shí)刻，iLr=IL，iV下降到零。t1～t2期間：Lr、Cr繼續(xù)諧振，Cr繼續(xù)放電，iLr乙繼續(xù)增加，二極管VDV導(dǎo)通。到t2時(shí)刻，Cr放電到零，ucr=0，而電流iLr上升到最大值。t2～t3期間：Lr、Cr繼續(xù)諧振，iLr開(kāi)始減小，Cr被正向充電，VDV繼續(xù)導(dǎo)通。到t3時(shí)刻Lr的電流減小到iLr=IL，VDV自然關(guān)斷?？梢?jiàn)，在t1～t3期間，由于VDV導(dǎo)通，關(guān)斷主開(kāi)關(guān)V，是零電流關(guān)斷，也是零電壓關(guān)斷。22BoostZCT-PWMt3～t4期間：t3時(shí)刻輔助開(kāi)關(guān)V1關(guān)斷，Lr、Cr的諧振電流iLr經(jīng)過(guò)VD2流入負(fù)載，iLr繼續(xù)減小。同時(shí)升壓VD導(dǎo)通，其電流iVD逐漸增加。到t4時(shí)刻iLr=0，ucr=+Ucrmax<U。，VD2關(guān)斷，VD電流上升到iVD=IL。t4～t5期間：V處于斷態(tài)，輔助電路也停止工作，電源電壓Ud和升壓電感L經(jīng)過(guò)VD同時(shí)給負(fù)載提供能量。t5～t6期間：t5時(shí)刻主開(kāi)關(guān)V開(kāi)通，VD截止，IL流過(guò)V，負(fù)載由輸出濾波電容供能。同時(shí)Lr、Cr通過(guò)VD1和V開(kāi)始諧振。由于V開(kāi)通前承受電壓Uo，開(kāi)通時(shí)輸入電流IL，因此V是硬開(kāi)通，并且二極管VD存在反向恢復(fù)問(wèn)題。在t6時(shí)刻，Lr、Cr完成半個(gè)諧振周期，此時(shí)iLr=0，C，被反向充電到最大電壓-Ucrmax，輔助電路停止工作。t6～t7期間：這段時(shí)間內(nèi)，L電流IL流經(jīng)V，負(fù)載仍由輸出濾波電容供能。到t7時(shí)刻，V1開(kāi)通，開(kāi)始另一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。238.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

8.3.2諧振直流環(huán)

8.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路248.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖8-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖■零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

◆假設(shè)電感L和電容C很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。

◆開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程是按開(kāi)關(guān)周期重復(fù)的，在分析時(shí)可以選擇開(kāi)關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn)，選擇合適的起點(diǎn)，可以使分析得到簡(jiǎn)化。

258.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖8-9零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形

圖8-10零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t0~t1時(shí)段等效電路圖8-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖◆工作過(guò)程

?選擇開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。

?t0~t1時(shí)段：t0之前，S導(dǎo)通，VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL，t0時(shí)刻S關(guān)斷，Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，因此S的關(guān)斷損耗減小，S關(guān)斷后，VD尚未導(dǎo)通，電路可以等效為圖8-10；Lr+L向Cr充電，L等效為電流源，uCr線(xiàn)性上升，同時(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通，這一時(shí)段uCr的上升率為

(8-1)268.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖8-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖8-9零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形

圖8-11零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t1~t2時(shí)段等效電路?t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻VD導(dǎo)通，L通過(guò)VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路，如圖8-11所示；諧振過(guò)程中，Lr對(duì)Cr充電，uCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。?t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，這時(shí)，uLr=0，iLr達(dá)到反向諧振峰值。?t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻uCr=0。278.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖8-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖8-9零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形

?t1到t4時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為

(8-2)?t4~t5時(shí)段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，iLr線(xiàn)性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于這一時(shí)段S兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通損耗。

?t5~t6時(shí)段：S為通態(tài)，iLr線(xiàn)性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。?t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為

?t6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。

(8-3)288.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路◆諧振過(guò)程是軟開(kāi)關(guān)電路工作過(guò)程中最重要的部分，諧振過(guò)程中的基本數(shù)量關(guān)系為

?uCr（即開(kāi)關(guān)S的電壓uS）的表達(dá)式

?[t1,t4]上的最大值即uCr的諧振峰值，就是開(kāi)關(guān)S承受的峰值電壓，表達(dá)式為

?零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件

如果正弦項(xiàng)的幅值小于Ui，uCr就不可能諧振到零，S也就不可能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

◆零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開(kāi)關(guān)S的耐壓必須相應(yīng)提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。

298.3.2諧振直流環(huán)圖8-12諧振直流環(huán)電路原理圖圖8-13諧振直流環(huán)電路的等效電路■諧振直流環(huán)

◆應(yīng)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(guò)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(kāi)關(guān)的條件下?！魣D8-12中，輔助開(kāi)關(guān)S使逆變橋中所有的開(kāi)關(guān)工作在零電壓開(kāi)通的條件下，實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)S可以不需要，S的開(kāi)關(guān)動(dòng)作用逆變電路中開(kāi)關(guān)的直通與關(guān)斷來(lái)代替?！綦妷盒湍孀兤鞯呢?fù)載通常為感性，而且在諧振過(guò)程中逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不變的，負(fù)載電流視為常量。

308.3.2諧振直流環(huán)圖8-13諧振直流環(huán)電路的等效電路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖8-14諧振直流環(huán)電路的理想化波形◆工作過(guò)程

?以開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)。?t0~t1時(shí)段：t0之前，iLr大于IL，S導(dǎo)通，t0時(shí)刻S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振，因?yàn)閕Lr>IL，因此iLr對(duì)Cr充電，uCr不斷升高，直到t1時(shí)刻，uCr=Ui。

?t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此諧振電流iLr達(dá)到峰值，t1以后，iLr繼續(xù)向Cr充電并不斷減小，而uCr進(jìn)一步升高，直到t2時(shí)刻iLr=IL，uCr達(dá)到諧振峰值。

318.3.2諧振直流環(huán)?t2~t3時(shí)段：t2以后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續(xù)降低，到零后反向，Cr繼續(xù)向Lr放電，iLr反向增加，直到t3時(shí)刻uCr=Ui。

?t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振峰值，然后iLr開(kāi)始衰減，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻，uCr=0，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零。

?t4~t0時(shí)段：S導(dǎo)通，電流iLr線(xiàn)性上升，直到t0時(shí)刻，S再次關(guān)斷?！糁C振直流環(huán)電路中電壓uCr的諧振峰值很高，增加了對(duì)開(kāi)關(guān)器件耐壓的要求。圖8-13諧振直流環(huán)電路的等效電路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖8-14諧振直流環(huán)電路的理想化波形328.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖8-15移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

■移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

◆電路簡(jiǎn)單，僅僅增加了一個(gè)諧振電感，就使電路中四個(gè)開(kāi)關(guān)器件都在零電壓的條件下開(kāi)通。

◆控制方式的特點(diǎn)

?在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS內(nèi)，每一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間都略小于TS/2，而關(guān)斷的時(shí)間都略大于TS/2。

?同一個(gè)半橋中上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每一個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間。

?互為對(duì)角的兩對(duì)開(kāi)關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0~TS/2時(shí)間，因此稱(chēng)S1和S2為超前的橋臂，而稱(chēng)S3和S4為滯后的橋臂。338.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖8-16移相全橋電路的理想化波形圖8-17移相全橋電路在t1~t2階段的等效電路圖◆工作過(guò)程

?t0~t1時(shí)段：S1與S4都導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。

?t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻S1關(guān)斷后，C1、C2與Lr、L構(gòu)成諧振回路，如圖8-17所示，諧振開(kāi)始時(shí)uA(t1)=Ui，在諧振過(guò)程中，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，iLr通過(guò)VDS2續(xù)流。

348.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖8-16移相全橋電路的理想化波形圖8-18移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路

?t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻S2開(kāi)通，由于VDS2導(dǎo)通，因此S2開(kāi)通時(shí)電壓為零，開(kāi)通過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，S2開(kāi)通后，電路狀態(tài)也不會(huì)改變，繼續(xù)保持到t3時(shí)刻S4關(guān)斷。?t3~t4時(shí)段：t4時(shí)刻開(kāi)關(guān)S4關(guān)斷后，電路的狀態(tài)變?yōu)閳D8-18所示，這時(shí)C3、C4與Lr構(gòu)成諧振回路，諧振過(guò)程中iLr不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，直到VDS3導(dǎo)通；這種狀態(tài)維持到t4時(shí)刻S3開(kāi)通，S3開(kāi)通時(shí)VDS3導(dǎo)通，因此S3是在零電壓的條件下開(kāi)通，開(kāi)通損耗為零。

358.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖8-16移相全橋電路的理想化波形圖8-15移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

?t4~t5時(shí)段：S3開(kāi)通后，iLr繼續(xù)減小，下降到零后反向，再不斷增大，直到t5時(shí)刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。

?t0~t5時(shí)段正好是開(kāi)關(guān)周期的一半，而在另一半開(kāi)關(guān)周期t5~t0時(shí)段中，電路的工作的過(guò)程與t0~t5時(shí)段完全對(duì)稱(chēng)。

368.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖8-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖■零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路

◆具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于功率因數(shù)校正電路（PFC）、DC-DC變換器、斬波器等。

◆以升壓電路為例，在分析中假設(shè)電感L、電容C很大，可以忽略電流和輸出電壓的波動(dòng)，在分析中還忽略元件與線(xiàn)路中的損耗。

◆在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開(kāi)關(guān)S1超前于主開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，而S開(kāi)通后S1就關(guān)斷了，主要的諧振過(guò)程都集中在S開(kāi)通前后。

378.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOO