第7章軟開關(guān)技術(shù)7.1諧振變換電路概論7.2諧振變換電路根底7.3準(zhǔn)諧振DC/AC電路 7.4移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

7.5零電流轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換電路7.6零電壓轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換電路返回1本章內(nèi)容主要內(nèi)容包括軟開關(guān)技術(shù)的根本概念、諧振變換電路的分類和特點(diǎn)；諧振電路的根本理論及電壓型串聯(lián)諧振變換電路分析；準(zhǔn)諧振電路；移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路的原理；Boost型零轉(zhuǎn)換PWMDC/DC變換電路的特點(diǎn)、工作原理和設(shè)計(jì)方法。介紹典型諧振變換電路的特點(diǎn)和工作原理。27.1諧振變換電路概論7.1.1硬開關(guān)與軟開關(guān)7.1.2諧振變換電路的分類及特點(diǎn)37.1.1硬開關(guān)與軟開關(guān)開關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致開關(guān)損耗電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過(guò)沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲硬開關(guān)硬開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程a)uuiitt00Pb)uuii0tt0P硬開關(guān)的開通過(guò)程4軟開關(guān)在原開關(guān)電路中增加很小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過(guò)程前后引入諧振過(guò)程，開關(guān)開通前電壓降為零，或關(guān)斷前電流降為零，可消除開關(guān)過(guò)程中中電壓、電流的重疊，減小甚至消除損耗和開關(guān)噪聲軟開關(guān)的開通過(guò)程Pui軟開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程Pui5零電壓開關(guān)〔零電壓開通〕使開關(guān)開通前其兩端電壓為零，那么開關(guān)開通時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲零電流開關(guān)〔零電流關(guān)斷〕使開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，那么開關(guān)關(guān)斷時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲零電壓關(guān)斷與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速度，降低關(guān)斷損耗零電流開通與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速度，降低開通損耗損耗=0條件6

7.1.2諧振變換電路的分類及特點(diǎn)根據(jù)是零電壓開通還是零電流關(guān)斷零電壓電路零電流電路根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)開展的歷程全諧振型電路準(zhǔn)諧振電路零開關(guān)PWM電路零轉(zhuǎn)換PWM電路諧振型直流環(huán)節(jié)逆變電路。7a〕根本開關(guān)單元b〕降壓斬波器中的根本開關(guān)單元c〕升壓斬波器中的根本開關(guān)單元d〕升降壓斬波器中的根本開關(guān)單元每一種軟開關(guān)電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從根本開關(guān)單元導(dǎo)出具體電路81．全諧振型電路負(fù)載R與LC組成的負(fù)載諧振型變換電路串聯(lián)諧振變換電路并聯(lián)諧振變換電路分為特點(diǎn)在諧振型變換電路中，諧振元件在整個(gè)開關(guān)周期中一直諧振工作，參與能量變換的全過(guò)程。該變換電路輸出性能與負(fù)載關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變化很敏感，一般采用脈沖頻率調(diào)制〔PulseFrequencyModulation—PFM〕方法調(diào)節(jié)輸出電壓和輸出功率濾波電路參數(shù)難于選擇，并且電路稍顯復(fù)雜。92．準(zhǔn)諧振電路軟開關(guān)技術(shù)的一次飛躍零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開關(guān)多諧振電路a〕零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路根本開關(guān)單元b〕零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路根本開關(guān)單元c〕零電壓開關(guān)多諧振電路根本開關(guān)單元SVDLrLCr1Cr2c）SVDLrLCrb）SLrCrVDLa）分為10準(zhǔn)諧振準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波優(yōu)點(diǎn)

諧振的引入使得電路開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲下降缺點(diǎn)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(wú)功功率的交換，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，電路只能采用脈沖頻率調(diào)制方式來(lái)控制11

引入了輔助開關(guān)來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后零電壓開關(guān)PWM電路零電流開關(guān)PWM電路分為a〕零電壓開關(guān)PWM電路根本開關(guān)單元b〕零電流開關(guān)PWM電路根本開關(guān)單元SLrCrVDLS1a）SVDLrLCrS1b）3．零開關(guān)PWM電路12零開關(guān)PWM電路在開關(guān)器件開通和關(guān)斷時(shí)，開

關(guān)器件工作在零電壓或零電流

開關(guān)方式；其余時(shí)間，開關(guān)器

件工作在PWM狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)電壓和電流根本是方波開關(guān)器件承受的電壓較低。電路可采用開關(guān)頻率固定的PWM控制缺點(diǎn)仍要承受高于輸入電源的電壓

134．零轉(zhuǎn)換PWM電路采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)分為零電流轉(zhuǎn)換PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路SLrVDLS1CrVD1a)LrCrS1SVDVD1Lb)a〕零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路根本開關(guān)單元b〕零電流轉(zhuǎn)換PWM電路根本開關(guān)單元14零轉(zhuǎn)換PWM電路在保存零開關(guān)PWM電路的優(yōu)點(diǎn)根底上，還有如下特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的同時(shí)不增加開關(guān)器件的電壓電流應(yīng)力；輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程的影響很?。浑娐吩诤軐挼妮斎腚妷悍秶鷥?nèi)并從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)；開關(guān)損耗最小。與以往軟開關(guān)技術(shù)相比，零轉(zhuǎn)換PWM技術(shù)更適合高電壓、大功率的變換電路。155．諧振型直流環(huán)節(jié)逆變電路諧振直流環(huán)電路應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)〔DC-Link〕。它通過(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)工作在軟開關(guān)的條件下LrUiSCrVDS用于電壓型逆變器的諧振直流環(huán)電路它用一個(gè)開關(guān)S就可使逆變橋中所有的開關(guān)工作在零電壓開通的條件下返回167.2諧振變換電路根底7.2.1RLC串聯(lián)諧振電路7.2.2RLC并聯(lián)諧振電路7.2.3電壓型串聯(lián)諧振逆變電路177.2.1RLC串聯(lián)諧振電路

含有動(dòng)態(tài)元件的正弦穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)?shù)刃щ娍筙＝0，即電壓與電流同相，電路呈電阻性。電路的這種特殊現(xiàn)象〔工作狀態(tài)〕稱為諧振。發(fā)生諧振時(shí)的電源頻率稱為電路的諧振頻率。RLC串聯(lián)諧振電路18ω0為R、L、C串聯(lián)電路的諧振電路的諧振角頻率：當(dāng)ω=ω0時(shí)，感抗ω0L等于容抗，R、L、C串聯(lián)電路阻抗最?。篫0=R,最大導(dǎo)納；電阻R上的電壓VR等于電源電壓，R、L、C串聯(lián)電路電流最大，電流為正弦波且與電源電壓同相；電阻R上的功率〔即輸出功率〕最大。19軟開關(guān)電路主要利用LC諧振電路的振蕩特性。iusLC+-uC1uC單位階躍輸入響應(yīng)振蕩條件：207.2.2RLC并聯(lián)諧振電路RLC并聯(lián)諧振電路阻抗Z(S)：諧振角頻率：當(dāng)ω=ω0并聯(lián)諧振時(shí)，感抗和容抗相等，Z〔S〕=R發(fā)生諧振時(shí)，Z〔S〕=R，L，C相當(dāng)于開路電抗電流、電容電流均為負(fù)載電阻R電流的Q倍。Q——品質(zhì)因數(shù)：217.3準(zhǔn)諧振DC/AC電路7.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路7.3.2零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振電路227.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路假設(shè)電感L和電容C很大，可等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗開關(guān)電路的工作過(guò)程按開關(guān)周期重復(fù)UiCrSVDsLrVDLCAR零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖23零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形t0時(shí)刻S關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容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，t1時(shí)刻之前，VD仍關(guān)斷設(shè)t0時(shí)刻之前，S導(dǎo)通，VD為斷態(tài)uCr=0，iLr=IL零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARILCrUi+uCrILAt0~t1時(shí)段等效電路uVD到t1時(shí)刻，uVD=0,此后VD導(dǎo)通24

t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻二極管VD導(dǎo)通，電感L通過(guò)VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARIL諧振過(guò)程中，Lr對(duì)Cr充電uCr不斷上升，iLr不斷下降，t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr到達(dá)諧振峰值t1~t2時(shí)段等效電路VD25t2~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，Lr兩端電壓為零，iLr到達(dá)反向諧振峰值零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARILt2~t4時(shí)段等效電路VDt3~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=026零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARIL

t1到t4時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為t1~t4時(shí)段等效電路VD27

t4~t5時(shí)段：

iLr<0,VDS

導(dǎo)通uCr被箝位于零，Lr兩端電壓為Ui，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARILt4~t5時(shí)段：

uCr=0在t4~t5時(shí)段開通S!t4~t5時(shí)段等效電路VDVDs28t5~t6時(shí)段：S為通態(tài)t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARILt5~t6時(shí)段等效電路VDSiLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL，VD關(guān)斷

29零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARILt6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)t6~t0時(shí)段等效電路30t1~t4時(shí)段的諧振過(guò)程定量分析t1~t4時(shí)段等效電路VD零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARIL電路方程：31t1~t4時(shí)段的諧振過(guò)程定量分析t1~t4時(shí)段等效電路VD求解可得開關(guān)S的電壓uS=ucr電路方程：開關(guān)S承受的峰值電壓:零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件:32諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開關(guān)S的耐壓須相應(yīng)提高，這樣會(huì)增加電路的本錢，降低可靠性零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCARIL缺點(diǎn)諧振電壓337.3準(zhǔn)諧振DC/AC電路7.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路7.3.2零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振電路34零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振電路

1.零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振電路的工作原理以降壓式全波型ZCS準(zhǔn)諧振電路為例說(shuō)明工作原理uG為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓波形,uT為開關(guān)管的端電壓。降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路工作波形降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路T關(guān)斷時(shí)刻與諧振過(guò)程有關(guān)。35工作過(guò)程t0時(shí)刻前，開關(guān)管T關(guān)斷，D續(xù)流工作波形降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路設(shè)負(fù)載電感電流連續(xù)。在t0時(shí)刻，開關(guān)管加驅(qū)動(dòng)電壓，開始導(dǎo)通；t0~t1時(shí)段等效電路36工作過(guò)程在t1時(shí)刻，Lr電流到達(dá)Io，D斷開工作波形降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路t1~t4時(shí)段：Cr與Lr諧振，iL為正弦半波t1~t4時(shí)段等效電路Io在t2時(shí)刻iL到達(dá)峰值在t3時(shí)刻iL=Io，uC到達(dá)負(fù)峰值在t4時(shí)刻iL=037工作過(guò)程降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路t1~t4時(shí)段：Cr與Lr諧振，iL為正弦半波t1~t4時(shí)段等效電路Io工作波形t1~t4時(shí)段等效電路Io38工作過(guò)程降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路t1~t4時(shí)段：Cr與Lr諧振，iL為正弦半波工作波形t1~t4時(shí)段等效電路Io初值：39工作過(guò)程降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路t1~t4時(shí)段：Cr與Lr諧振，iL為正弦半波工作波形初值：iL峰值Ip,有Ip=I0+Vd/Zn式中40t4~t6時(shí)段：Cr放電提供I0的同時(shí)，與Lr反向諧振，在t5時(shí)刻，iL到達(dá)反向諧振峰值，iL流過(guò)二極管，到t6時(shí)刻回到零。降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路工作波形t4~t6時(shí)段等效電路Iot4~t6關(guān)斷T，近似實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。412．零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振電路的根本特性1〕諧振頻率fr和角頻率ωr由下式給出：

降壓式全波ZCS準(zhǔn)諧振電路工作波形2)開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，開關(guān)損耗為零，效率高，EMI小，容易高頻化。3)開關(guān)管的耐壓定額不高，與硬開關(guān)PWM變換一樣，由Vd決定。422．零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振電路的根本特性5〕開關(guān)管流過(guò)的電流峰值比較高。對(duì)降壓型ZCS電路有：Ip=I0+Vd/Zn4)實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷的條件是負(fù)載電流滿足：

I0≤Vd/Zn因此Ip≥2I0。6〕以調(diào)頻方式〔PFM〕工作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。437.4移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路移相全橋電路特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單,同硬開關(guān)全橋電路相比，并沒有增加輔助開關(guān)元件，僅只增加一個(gè)諧振電感，就使電路四個(gè)開關(guān)器件都在零電壓的條件下開通S1S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2VD1LrLABUiuRCR+-移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路447.5零電流轉(zhuǎn)換PWM電路Boost型ZCT-PWM變換電路零電流轉(zhuǎn)換PWM電路具有如下特點(diǎn)：1)定額PWM工作方式，輸出濾波比準(zhǔn)諧振變換容易;2〕近似零電流關(guān)斷〔又是零電壓關(guān)斷〕，關(guān)斷損耗很小，開通損耗也比硬開關(guān)PWM變換小得多，因此效率高，EMI小，易高頻化;45Boost型ZCT-PWM變換電路7.5零電流轉(zhuǎn)換PWM電路3〕開關(guān)管電流、電壓定額不高，幾乎等于硬開關(guān)PWM變換。4〕諧振能量小，諧振周期短，參數(shù)Lr、Cr小。46Boost型ZCT-PWM變換電路Tr為主開關(guān)管，它與L和D共同擔(dān)負(fù)變換和傳送能量的任務(wù)。7.5.1根本工作原理Tr1為輔助開關(guān)管，Lr、Cr諧振，使Tr實(shí)現(xiàn)ZCT。假設(shè)電感L很大，流過(guò)L的電流近似保持不變，即iL=Is.47關(guān)斷過(guò)程工作波形電路工作過(guò)程t0時(shí)刻以前，主開關(guān)管Tr導(dǎo)通，Tr1關(guān)斷，Vs加在L上，L儲(chǔ)能，Cr初始電壓uCr=-VC<0+-1〕諧振過(guò)渡階段t0～t4：t0時(shí)刻，Tr1導(dǎo)通，Lr、Cr諧振，iLr上升。t1時(shí)刻，iLr上升到IS，主開關(guān)管iS下降為0，iD仍為0。uGuG1iruCriSiDtt0t148關(guān)斷過(guò)程工作波形電路工作過(guò)程+-1〕諧振過(guò)渡階段t0～t4：t1后,由于諧振關(guān)系，iLr繼續(xù)上升，在t2時(shí)刻到達(dá)峰值，然后下降，在t3時(shí)刻下降到IS。uGuG1iruCriSiDtt0t1t2t3t1～t3關(guān)斷主開關(guān)管Tr49電路工作過(guò)程+-1〕諧振過(guò)渡階段t0～t4：關(guān)斷過(guò)程工作波形uGuG1iruCriSiDtt0t1t2t3Ist3以后,ir繼續(xù)下降,D導(dǎo)通,D電流從零開始增加。t4時(shí)刻ir=0,iD=ISt3～t4關(guān)斷輔助開關(guān)管Tr1t4VCVC通過(guò)求解等效電路方程進(jìn)行計(jì)算50電路工作過(guò)程+-2〕BOOST升壓階段t4～t5關(guān)斷過(guò)程工作波形uGuG1iruCriSiDtt0t1t2t3Ist4t5Tr關(guān)斷，D導(dǎo)通，IS為輸出提供能量，由于uC

r

=VC＜V0,所以u(píng)C

r保持不變。51電路工作過(guò)程+-關(guān)斷過(guò)程工作波形uGuG1iruCriSiDtt0t1t2t3Ist4t53〕開通準(zhǔn)諧振過(guò)渡階段t5～t7在t5時(shí)刻，主開關(guān)管Tr導(dǎo)通，Tr上的電流變?yōu)镮S，即主開關(guān)管Tr是硬導(dǎo)通。由于Cr上有正向電壓，Lr、Cr通過(guò)Tr諧振。t7時(shí)刻后，Vs加在L上，L儲(chǔ)能增加，到下次Tr1導(dǎo)通為一個(gè)周期。VCt6t7527.6零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路Boost型ZVT-PWM變換電路零電壓轉(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、DC-DC變換器、斬波器等。53電路工作過(guò)程t0以前，Tr、Tr1先均關(guān)斷工作波形uGuG1iruCriSiDtt0t1電流轉(zhuǎn)移階段t0~t1：t0時(shí)刻，Tr1先于Tr開通，D仍處于通態(tài)，但D中電流下降，直到t1時(shí)刻，D中電流下降到零，自然關(guān)斷54電路工作過(guò)程工作波形uGuG1iruCriSiDtt0t1諧振階段t1~t2：D斷開，Lr與Cr構(gòu)成諧振回路。諧振過(guò)程中Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時(shí)刻uCr降為零，DS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，iLr保持不變t255電路工作過(guò)程諧振階段t1~t2等效電路通過(guò)求解等效電路可得到電壓、電流解析形式工作波形uGuG1iruCriSiDtt0t1t2ISVO56電路工作過(guò)程主開關(guān)軟開通階段t2~t3工作波形uGuG1iruCriSiDtt0t1t2ISVOT2以后，Lr中大于IS的局部流經(jīng)Tr中的反并聯(lián)二極管，根本不消耗能量。所以在這段時(shí)間開通Tr都是零電壓開通。t357電路工作過(guò)程電流轉(zhuǎn)移Tr階段t3