軟開(kāi)關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)(第5版)第6章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

6.1軟開(kāi)關(guān)基本概念

6.1.1軟開(kāi)關(guān)及其特點(diǎn)

6.1.2軟開(kāi)關(guān)的分類(lèi)6.2基本軟開(kāi)關(guān)電路

6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路

6.2.2零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路

6.2.4零轉(zhuǎn)換PWM變換電路6.1軟開(kāi)關(guān)基本概念電力電子技術(shù)(第5版)第6章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)1、硬開(kāi)關(guān)：

定義：開(kāi)關(guān)器件在其端電壓不為零時(shí)開(kāi)通（硬開(kāi)通），在其電流不為零時(shí)關(guān)斷（硬關(guān)斷），硬開(kāi)通、硬關(guān)斷統(tǒng)稱(chēng)為硬開(kāi)關(guān)。

特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程伴隨著電壓和電流的劇烈變化。產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。2、軟開(kāi)關(guān)：

定義：開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通過(guò)程中端電壓很小，在關(guān)斷過(guò)程中，其電流也很小，這種開(kāi)關(guān)過(guò)程的功率損耗不大，稱(chēng)之為軟開(kāi)關(guān)。特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)器件的端電壓和電流不存在同時(shí)都很大的現(xiàn)象；降低開(kāi)關(guān)損耗、開(kāi)關(guān)噪聲,提高開(kāi)關(guān)頻率；減小濾波器、變壓器體積和重量；6.1.1軟開(kāi)關(guān)及其特點(diǎn)圖6.1.1硬開(kāi)關(guān)特性3、硬開(kāi)關(guān)過(guò)程（開(kāi)關(guān)過(guò)程）

開(kāi)關(guān)管T開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)存在電壓和電流的交迭，即開(kāi)通時(shí)T兩端電壓uT很大，關(guān)斷時(shí)流過(guò)T中的電流iT很大，從而產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。

硬開(kāi)關(guān)在電力電子裝置中存在如下問(wèn)題：①開(kāi)關(guān)損耗，②感性關(guān)斷過(guò)電壓，③容性開(kāi)通問(wèn)題，④二極管反向恢復(fù)問(wèn)題。6.1.1軟開(kāi)關(guān)及其特點(diǎn)

3、軟開(kāi)關(guān)過(guò)程（開(kāi)關(guān)過(guò)程）1）理想軟開(kāi)關(guān)：(圖6.1.2a)器件開(kāi)通：器件兩端電壓uT首先下降為零，然后施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，器件的電流iT才開(kāi)始上升；

器件關(guān)斷：通過(guò)某種控制方式使器件中電流iT下降為零后，撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug

，電壓uT才開(kāi)始上升。2）實(shí)際軟開(kāi)關(guān):(圖6.1.2b)

器件開(kāi)通：對(duì)開(kāi)關(guān)管施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電流上升的開(kāi)通過(guò)程中，電壓不大且迅速下降為零。器件關(guān)斷：撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電流下降的關(guān)斷過(guò)程中，電壓不大且上升很緩慢。圖6.1.2軟開(kāi)關(guān)特性6.1.1軟開(kāi)關(guān)及其特點(diǎn)

6.1.2軟開(kāi)關(guān)的分類(lèi)1、根據(jù)開(kāi)關(guān)元件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓電流狀態(tài)分類(lèi)：

1）零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）

2）零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）2、根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程軟開(kāi)關(guān)電路分類(lèi)：1）準(zhǔn)諧振變換電路

2）零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

3）零轉(zhuǎn)換PWM變換電路6.2基本軟開(kāi)關(guān)電路電力電子技術(shù)(第5版)第6章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

6.2基本軟開(kāi)關(guān)電路1、準(zhǔn)諧振變換電路1）零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路（ZVSQRC）2）零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路（ZCSQRC）3）零電壓多諧振開(kāi)關(guān)電路（ZVSMRC）

2、零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

1）零電壓（開(kāi)通）開(kāi)關(guān)PWM變換電路（ZVSPWM）

2）零電流（關(guān)斷）開(kāi)關(guān)PWM變換電路（ZCSPWM）3、移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換電路4、零轉(zhuǎn)換PWM變換電路1）零電流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)PWM變換電路（ZCTPWM）

2）零電壓轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)PWM變換電路（ZVTPWM）

電路特點(diǎn)：1）在諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與諧振工作的全過(guò)程。2）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。3）變換電路中諧振元件只參與能量變換的某一階段而不是全過(guò)程，且只能改善變換電路中一個(gè)開(kāi)關(guān)元件（如開(kāi)關(guān)管T或二極管D）的開(kāi)關(guān)特性。4）準(zhǔn)諧振變換電路中諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，只能采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)調(diào)控輸出電壓和輸出功率，即調(diào)頻方式。

諧振變換器可分為全諧振型變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器三種類(lèi)型。6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路圖6.2.1以DC/DC降壓變換電路為例的零電壓開(kāi)通準(zhǔn)諧振變換電路的工作原理1）開(kāi)關(guān)管T與諧振電容Cr并聯(lián)，諧振電感Lr與T串聯(lián)，如果濾波電感Lf足夠大，則輸出負(fù)載電流為恒定值I０。2）假定t<0時(shí)，ug>0,T處于通態(tài)，iT=iL=I0，uT=ucr=0，續(xù)流二極管D截止。3）在t=0時(shí)撤除T的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，把一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中的通、斷過(guò)程可分為5個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其電壓、電流波形如圖6.2.1（b）~（e）所示。1、零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路1、零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：1)t0~t1階段：t=0時(shí)，ug=0，it從I0減小，諧振電容電流iC從零開(kāi)始增大，iL=iC+it=I0

不變，負(fù)載電流I0從開(kāi)關(guān)管T轉(zhuǎn)到Cr。由于iT很快下降為零，而uCr=uT還很小，故開(kāi)關(guān)管T軟關(guān)斷，此后iC=IL=I0恒流充電到t=t1

時(shí)，uCr=uT=Ud。其中：t<t1時(shí)：uCr=uT<Ud，續(xù)流二極管D反偏截止。t=t1時(shí)：uCr=uT=Ud，續(xù)流二極管D無(wú)反偏電壓而開(kāi)始導(dǎo)電。圖6.2.1以DC/DC降壓變換電路為例的零電壓開(kāi)通準(zhǔn)諧振變換電路的工作原理6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路2)t1≤t≤t2階段：

t>t1后，iL對(duì)Cr繼續(xù)充電,uCr>Ud

，iL=iC減小，續(xù)流二極管D開(kāi)始導(dǎo)電UAB=0，Lr

、Cr構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。當(dāng)?shù)酱?lián)諧振的1/4周期t2時(shí)刻，uCr諧振到峰值，iL=iC=0，此后t>t2

，由于uCr>Ud

，iL反向，Cr開(kāi)始經(jīng)D和Lr向電源Ud放電。3)t2≤t≤t3階段：t>t2后，Cr經(jīng)D和Lr向電源Ud

放電。uCr減小到t=t3時(shí)uCr=04)t3<t<t4階段：t=t3時(shí),Cr放電到uCr=0

，但iL為負(fù)值，故二極管D1開(kāi)始導(dǎo)電，使uCr=uT=0，此后負(fù)電流iL通過(guò)D1向電源Ud回饋能量，使負(fù)向電流iL數(shù)值逐漸減小，到t=t4時(shí)，iL=0。

圖6.2.1以DC/DC降壓變換電路為例的零電壓開(kāi)通準(zhǔn)諧振變換電路的工作原理6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路1、零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：

在t3~

t4期間，二極管D1導(dǎo)電使、uT=0，iT=0，這時(shí)給T施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可以使開(kāi)關(guān)管T在零電壓下開(kāi)通。為了使T在零電壓下可靠開(kāi)通，必須選擇諧振電路的參數(shù)使之滿足下列關(guān)系式：

上兩式中：fr是諧振電路的諧振頻率，

I0min是負(fù)載電流的最小值。(6.2.1)(6.2.2)圖6.2.1以DC/DC降壓變換電路為例的零電壓開(kāi)通準(zhǔn)諧振變換電路的工作原理6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路1、零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：5)t4≤t≤t5階段：由于T導(dǎo)通iT=iL=I0

，uCr=uT=0,續(xù)流二極管D截止，電源Ud對(duì)負(fù)載供電。到t=t5時(shí)T再次被關(guān)斷，完成了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS?？偨Y(jié)：

◆在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS中，僅在t3~

t4期間電源Ud不輸出能量，而這段時(shí)間段的長(zhǎng)短與Lr

、Cr的諧振周期有關(guān)。

◆當(dāng)Lr

、Cr的值一定時(shí)，降低開(kāi)關(guān)頻率fS（即增大TS

）將使輸出電壓、輸出功率增大。

◆零電壓開(kāi)通準(zhǔn)諧振變換電路只適宜于改變變換電路的開(kāi)關(guān)頻率fS來(lái)調(diào)控輸出電壓和輸出功率。圖6.2.1以DC/DC降壓變換電路為例的零電壓開(kāi)通準(zhǔn)諧振變換電路的工作原理1、零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路圖6.2.2零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振DC/DC降壓變換電路的工作原理1）

Cf足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中輸出負(fù)載電流IO和輸出電壓UO都恒定不變。如果濾波電感Lf足夠大，則Ts中If=

I０恒定不變。2）假定t<0時(shí)，ug=0,T處于斷態(tài)，D續(xù)流。iT=iL=0，ID=If=

I０，

uT=Ud

，

ucr=0，續(xù)流二極管D截止，3)在t=0時(shí)T施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，把一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中的通、斷過(guò)程可分為5個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其電壓、電流波形如圖6.2.2（b）~（e）所示。

2、零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路2、零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：1）０≤t≤t１階段：t=0時(shí)T施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug而導(dǎo)通，iT=iL從零上升至I0。iD=I0-iL從I0下降到零，D截止。由于在上述過(guò)程中電感Lr上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)，所以使T上的電壓ur減小。如果電感Lr足夠大，則有可能使uT，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。2）t1≤t≤t2階段：t>t1時(shí)，iT=iL>I0,iL-I0對(duì)Ｃr充電，使ucr上升．Ｌr、Cr產(chǎn)生串聯(lián)諧振。諧振1/4周期后，iT=iL達(dá)最大值，ucr=Ud；諧振1/2周期后，iT=iL=I0，ucr=2Ud；此后，iT=iL從I0下降，t=t2時(shí)到下降到零，Ud<ucr<2Ud。

圖6.2.2零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振DC/DC降壓變換電路的工作原理6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路3）t2≤t≤t3階段：在此期間由于Lr、Cr諧振，iL為負(fù)值，二極管D1導(dǎo)電，uT=0，若此時(shí)撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug，T可以在零電流下關(guān)斷，無(wú)關(guān)斷損耗。t=t3時(shí)，ucr<ud，二極管D1截止，iT=iL=0，uT=Ud-ucr。使T在零電流下關(guān)斷的諧振電路參數(shù)關(guān)系式：(6.2.3)(6.2.4)圖6.2.2零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振DC/DC降壓變換電路的工作原理6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路2、零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：4）t3≤t≤t4階段：由于T、D1均已斷流，續(xù)流二極管D仍反偏截止，電容Cr的向?yàn)V波電感和負(fù)載放電，到t=t4時(shí)，ucr=0，uT=Ud，續(xù)流二極管D導(dǎo)電，其電流從零突變?yōu)镮0。5）t4≤t≤t5階段：續(xù)流二極管D導(dǎo)電，到t=t5時(shí)，T再次被驅(qū)動(dòng)，經(jīng)歷一個(gè)完整的周期TS?？偨Y(jié)：◆在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS中，僅在0~t2期間電源輸出功率，t2~t3期間Cr向電源回饋能量。

◆當(dāng)Cr、Lr的值一定時(shí)諧振周期Tr=1/fr是不變的，變換電路的開(kāi)關(guān)頻率fS越高，Ts就越小，T的相對(duì)導(dǎo)通時(shí)間（電源輸出功率的時(shí)間）t2/TS增長(zhǎng)，將使輸出電壓、輸出功率增大。

◆零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路只適宜于改變變換電路的開(kāi)關(guān)頻率fS來(lái)調(diào)控輸出電壓和輸出功率。圖6.2.2零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振DC/DC降壓變換電路的工作原理2、零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路3、準(zhǔn)諧振變換電路的特點(diǎn)①零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路與零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路中諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，只能采用脈沖頻率調(diào)制調(diào)控輸出電壓和輸出功率，其諧振元件只參與能量變換的某一階段，不是全程參與。②零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路中，電路開(kāi)關(guān)通過(guò)的峰值電流為IO+Ud

/Zr,比負(fù)載電流IO增加了Ud

/Zr

部分。③在零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路中，電路開(kāi)關(guān)承受的正向電壓為Ud+IO

Zr

，它比電源電壓Ud增加了IOZr

。④當(dāng)開(kāi)關(guān)在零電流但非零電壓條件開(kāi)通時(shí)，結(jié)間電容儲(chǔ)存的電荷能量在開(kāi)關(guān)中耗散。⑤零電流、零電壓準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)同樣可用于其他類(lèi)型的變換器。6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路4、零電壓多諧振開(kāi)關(guān)電路

圖6.2.3降壓ZVSMRC變換電路及波形圖濾波電容Cf足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中輸出負(fù)載電流IO和輸出電壓都恒定不變。濾波電感Lf足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中恒定不變。假定t<t0時(shí)，T處于斷態(tài)，D續(xù)流，由于CT、Lr諧振到t=t0時(shí)刻使uT=ucr=0。6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路5、零電壓多諧振開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：圖6.2.3降壓ZVSMRC變換電路及波形圖

從t=t0時(shí)刻開(kāi)始，把一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中的通、斷過(guò)程分為4個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)：１）t0≤t≤t1階段２）t1≤t≤t2階段３）t2≤t≤t3階段４）t3≤t≤t4階段6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路5、零電壓多諧振開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：圖6.2.3降壓ZVSMRC變換電路及波形圖6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路１）t0≤t≤t1階段：

在t=t0時(shí)，主開(kāi)關(guān)管T上的電壓已降到（uT=0），此時(shí)對(duì)T施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug使Ｔ實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。在這期間里有源開(kāi)關(guān)T和二極管開(kāi)關(guān)D都導(dǎo)通，電感Lr中的電流Il線性增長(zhǎng)、直到iL=I0。２）t1≤t≤t2階段在t=t1時(shí)，iL=I0，二極管D截止，Lr、Cr進(jìn)入諧振狀態(tài)（第一次諧振）。在t=t2時(shí)諧振的結(jié)果使uT=0。

３）t2≤t≤t3階段在t=t2時(shí)刻撤除T的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug使T零電壓關(guān)斷，Cr、Lr、CT進(jìn)入諧振狀態(tài)（第二次諧振）。在這期間，開(kāi)關(guān)T上的電壓uT按振蕩規(guī)律變化，二極管D上的電壓也按振蕩規(guī)律變化．直到t=t3為止。４）t3≤t≤t4階段在t=t3時(shí)刻，二極管D上電壓下降到零，D管導(dǎo)通，進(jìn)入第三次諧振,

在t=t4時(shí)刻,uT下降到零,此時(shí)施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug使T實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)通。圖6.2.3降壓ZVSMRC變換電路及波形圖6.2.1準(zhǔn)諧振變換電路5、零電壓多諧振開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)：6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

1）是PWM電路與QRC電路的結(jié)合,它在準(zhǔn)諧振型變換電路基礎(chǔ)上加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，僅在需要開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)才啟動(dòng)諧振電路，造成開(kāi)關(guān)管的零壓開(kāi)通或零流關(guān)斷條件。2）諧振電感L與主開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)在電路中，開(kāi)通時(shí)承受負(fù)載電流，因此，變換電路可按恒定頻率PWM方式調(diào)控輸出電壓，利用啟動(dòng)準(zhǔn)諧振變換電路創(chuàng)造零壓或零流條件，開(kāi)通或關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件。

3）既可以像QRC電路一樣通過(guò)諧振為主功率開(kāi)關(guān)管創(chuàng)造零電壓或零電流開(kāi)關(guān)條件，又可以使電路像常規(guī)PWM電路一樣，通過(guò)恒頻占空比調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。電路特點(diǎn)：1、零電壓(開(kāi)通)開(kāi)關(guān)PWM變換電路結(jié)構(gòu)及工作原理：圖6.2.4降壓ZVSPWM變換電路和工作波形ZVSPWM變換電路是在ZVSQRC電路的諧振電感Lr上并聯(lián)一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管D2和T2組成的。若t<t0時(shí)，主開(kāi)關(guān)管T1和輔助開(kāi)關(guān)T2都是導(dǎo)通的，續(xù)流二極管D截止，iL=If=I0，ucr=0。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T5中，可分5個(gè)階段來(lái)分析電路的工作過(guò)程；6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

1）t0<t<t1階段：t=t0

時(shí)，ucr=0,撤除T1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug1使零電壓T1關(guān)斷，電流立即從T1轉(zhuǎn)移到Cr，給Cr充電，由于iL=If=I0恒定，ucr<Ud時(shí)，續(xù)流二極管D仍處于反偏截止。

t=t1，Cr充電到ucr=Ud，續(xù)流二極管D不再反偏而導(dǎo)電。2）t1<t<t2階段：由于續(xù)流二極管D導(dǎo)電，經(jīng)T2、D2續(xù)流，這段時(shí)期是可以通過(guò)改變輔助開(kāi)關(guān)T2的關(guān)斷時(shí)刻t2控制的，因此續(xù)流二極管D導(dǎo)電的占空比是可以實(shí)施PWM控制的，用它來(lái)調(diào)控輸出電壓。圖6.2.4降壓ZVSPWM變換電路和工作波形6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

1、零電壓(開(kāi)通)開(kāi)關(guān)PWM變換電路結(jié)構(gòu)及工作原理：

3）t2<t<t3階段：由于在t=t2時(shí)刻撤除輔助開(kāi)關(guān)管T2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而關(guān)斷，Cr、Lr產(chǎn)生諧振。在T2關(guān)斷前瞬間，由于T1已關(guān)斷，ucr=Ud，所以T2為零電壓關(guān)斷。從t=t2后到1/4諧振周期時(shí)，ucr到達(dá)最大值Ud+I0Zr，此后電容Cr放電，ucr下降，到t=t3時(shí)，此期間iL為負(fù)值。4）t3<t<t4階段：

負(fù)電流iL經(jīng)二極管D、D1向電源Ud回饋能量。由于導(dǎo)通的D1與主開(kāi)關(guān)管T1并聯(lián)，在此期間若對(duì)T1施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)則T1

將在零電壓下開(kāi)通。

T1開(kāi)通后負(fù)iL反向從零線性增大，到t=t4時(shí)iL=I0，續(xù)流二極管D的電流iD=I0=iL從I0減小到零而自然關(guān)斷。圖6.2.4降壓ZVSPWM變換電路和工作波形6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

1、零電壓(開(kāi)通)開(kāi)關(guān)PWM變換電路結(jié)構(gòu)及工作原理：

使T1在零電壓下開(kāi)通，必須選擇諧振電路的參數(shù)使之滿足下列關(guān)系：(6.2.5)(6.2.6)式中：是諧振電路的諧振頻率，是負(fù)載電流的最小值。

圖6.2.4降壓ZVSPWM變換電路和工作波形6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

1、零電壓(開(kāi)通)開(kāi)關(guān)PWM變換電路結(jié)構(gòu)及工作原理：

5）t4<t<t5階段:在t=t4時(shí)，主開(kāi)關(guān)管下T1已處于通態(tài),D反偏截止,電源Ud向負(fù)載恒流供電。在t=t5時(shí)，撤除T1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，T1關(guān)斷，（因?yàn)門(mén)1關(guān)斷時(shí)ucr=uT1很小，T1也是軟關(guān)斷）完成一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T5。圖6.2.4降壓ZVSPWM變換電路和工作波形1、零電壓(開(kāi)通)開(kāi)關(guān)PWM變換電路結(jié)構(gòu)及工作原理：6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

2、零電流(關(guān)斷)開(kāi)關(guān)PWM變換電路圖6.2.5(a)降壓ZCSPWM

變換電路的原理圖

圖6.2.5(b)降壓ZCSPWM變換電路主要電量波形圖

ZCSPWM變換電路是在ZCSQRC電路的諧振電容Cr上并聯(lián)一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管T2和其并聯(lián)的D2組成的。6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

2、零電流(關(guān)斷)開(kāi)關(guān)PWM變換電路圖6.2.5降壓ZCSPWM變換電路原理圖及波形圖

BuckZCSPWM變換電路一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可分為6個(gè)時(shí)間段描述：1）t0<t<t1階段2）t1<t<t2階段3）t2<t<t3階段4）t3<t<t4階段5）t4<t<t5階段6）t5<t<t6階段

設(shè)定t<t0時(shí)，主開(kāi)關(guān)管T1和輔助開(kāi)關(guān)管T2都是斷開(kāi)的，續(xù)流二極管D導(dǎo)通使iD=I0，諧振電容Cr上的電壓為零。6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

3、零電流(關(guān)斷)開(kāi)關(guān)PWM變換電路工作過(guò)程

1）t0<t<t1階段：對(duì)T1施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug1使其導(dǎo)通，iT1=iL線性上升至I0，iD=iL-I0下降到零，t=t1時(shí)，D截止。在T1導(dǎo)通瞬間，由于諧振電感Lr上的電壓uLr=Ud，則T1為軟開(kāi)通。

2）t1<t<t2階段：在D截止后，Lr、Cr產(chǎn)生諧振，iL>I0，經(jīng)過(guò)半個(gè)諧振周期Tr后到t=t2時(shí)刻，iL=I0，ucr=2Ud（最大值）。圖6.2.5降壓ZCSPWM變換電路原理圖及波形圖6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

2、零電流(關(guān)斷)開(kāi)關(guān)PWM變換電路工作過(guò)程

3）t2<t<t3階段：t=t2時(shí)，D2的電流iD2=iL-I0而自然關(guān)斷，電源對(duì)負(fù)載供電，iL=if=I0。4）t3<t<t4階段：t=t3時(shí),對(duì)T2施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug2使其導(dǎo)通,Cr處于放電狀態(tài),Cr

、Lr將繼續(xù)諧振。t=t3以后,電感電流iL由正方向諧振衰減到零之后，D1導(dǎo)通，iL通過(guò)D1繼續(xù)向反方向諧振，并將能量反饋回電源Ud。在t=t4時(shí)刻，電感電流iL由反方向諧振衰減到零。圖6.2.5降壓ZCSPWM變換電路原理圖及波形圖6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

4）t3<t<t4階段：t=t3以后,電感電流iL由正方向諧振衰減到零之后，D1導(dǎo)通，iL通過(guò)D1繼續(xù)向反方向諧振，并將能量反饋回電源Ud

。

t=t4時(shí)，電感電流iL由反方向諧振衰減到零。顯然，在iL反方向運(yùn)行期間，撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug1主開(kāi)關(guān)管T1可以在零電壓、零電流下完成關(guān)斷過(guò)程。使T1在零電流下關(guān)斷，諧振電路的參數(shù)關(guān)系式為：2、零電流(關(guān)斷)開(kāi)關(guān)PWM變換電路工作過(guò)程式中：是諧振電路的諧振頻率，是負(fù)載電流的最小值。

圖6.2.5降壓ZCSPWM變換電路原理圖及波形圖6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

5）t4<t<t5階段：在此期間，T1已斷，D仍截止，Cr經(jīng)T2對(duì)負(fù)載放電到t=t5時(shí)，ucr=0。6）t5<t<t6階段：t=t5時(shí)，ucr=0，續(xù)流二極管D立即導(dǎo)電，iD=I0，此后電路也將以標(biāo)準(zhǔn)的PWM模式運(yùn)行，因續(xù)流二極管D導(dǎo)電的占空比是可以實(shí)施PWM控制的，用它來(lái)調(diào)控輸出電壓。

t>t5后，撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug2

使T2關(guān)斷，則T1在零電流下完成關(guān)斷。

t=t6時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug1又使主開(kāi)關(guān)管T1開(kāi)通，開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。2、零電流(關(guān)斷)開(kāi)關(guān)PWM變換電路工作過(guò)程圖6.2.5降壓ZCSPWM變換電路原理圖及波形圖6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

3、零開(kāi)關(guān)PWM變換電路的特點(diǎn)

①ZCSPWM與ZVSPWM變換電路是PWM電路與QRC電路的結(jié)合。②ZCSPWM變換電路中，諧振電感Lr和開(kāi)關(guān)管T1流過(guò)的最大電流為IO+Ud

/Zr>2IO,電容Cr和輔助二極管D2上的最大電壓為2Ud。③在ZVSPWM變換電路中，諧振電容上最大電壓為Ud+IO

/

Zr>2Ud,它比電源電壓Ud增加了IOZr

。④零電流、零電壓PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)同樣可以用于其他類(lèi)型的變換器。6.2.2

零開(kāi)關(guān)PWM變換電路

6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路圖6.2.6移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

在硬開(kāi)關(guān)全橋電路相電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)諧振電感Lr,就使全橋中四個(gè)開(kāi)關(guān)管都實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，目前應(yīng)用最廣泛的移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路。

零電壓開(kāi)關(guān)的實(shí)質(zhì)，就是在利用諧振過(guò)程中對(duì)并聯(lián)電容的充放電來(lái)讓某一橋臂電壓UA或UB快速上升到電源電壓或者下降到零，從而使同一橋臂即將開(kāi)通的并聯(lián)二極管導(dǎo)通，使該管的端電壓鉗位在0，為ZVS創(chuàng)造條件。

T1和T2為超前的橋臂，T3和T4為滯后的橋臂。

圖6.2.7移相全橋電路的理想化波形開(kāi)關(guān)管T1與T4導(dǎo)通，A、B兩點(diǎn)間的電壓為UAB，變壓器Tr一次繞組電流上升，變壓器二次繞組感應(yīng)的電壓將使D5導(dǎo)通，D6截止，輸出電流經(jīng)D5流向輸出電感，并給負(fù)載提供電流，直到t1時(shí)刻T1關(guān)斷。1、移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路工作過(guò)程1）t0<t<t1階段：6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路圖6.2.8移相全橋電路在t1~t2

階段的等效電路

t1時(shí)刻開(kāi)關(guān)管T1關(guān)斷后，電容C1、C2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路。如圖6.2.8所示，諧振開(kāi)始時(shí)UA（t1）=Ud,在諧振過(guò)程中UA不斷下降，直到UA=0，D2導(dǎo)通，電流iLr通過(guò)D2續(xù)流。1、移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路工作過(guò)程2）t1<t<t2階段：6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路圖6.2.8移相全橋電路在t1~t2

階段的等效電路

t2時(shí)刻開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通，由于此時(shí)其反并聯(lián)二極管D2正處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此T2為零電壓開(kāi)通，開(kāi)通過(guò)程中沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗，T2開(kāi)通后電路的狀態(tài)也不會(huì)改變，直到t3時(shí)刻T4關(guān)斷為止。1、移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路工作過(guò)程2）t2<t<t3階段：6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路圖6.2.9移相全橋電路在t3~t4

階段的等效電路

t4時(shí)刻開(kāi)關(guān)管T4關(guān)斷后，變壓器Tr二次側(cè)D5和D6同時(shí)導(dǎo)通，變壓器Tr一次和二次側(cè)電壓均為0，相當(dāng)于短路，因此C3、C4與Lr構(gòu)成諧振回路。1、移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路工作過(guò)程2）t3<t<t4階段：6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路圖6.2.9移相全橋電路在t3~t4

階段的等效電路

T3開(kāi)通后，Lr的電流繼續(xù)減小。iLr下降到零后反向增大，t5時(shí)刻iLr=IL/kT,kT是變壓器Tr的變比，變壓器Tr二次側(cè)D5的電流下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到D6中。1、移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路工作過(guò)程2）t4<t<t5階段：6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路

為了使后者容易實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，在設(shè)計(jì)功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，應(yīng)使滯后臂的死區(qū)時(shí)間大于超前臂的死區(qū)時(shí)間，并使C1、C2的值小于C3、C4。移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM電路是通過(guò)改變兩橋臂對(duì)角線上下管驅(qū)動(dòng)電壓移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式是讓超前臂開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓領(lǐng)先于滯后臂開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓一定的相位，并在驅(qū)動(dòng)控制端對(duì)同一橋臂的兩個(gè)反相驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間，巧妙地利用變壓器漏感和功率開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容和寄生電容來(lái)完成諧振過(guò)程以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，從而錯(cuò)開(kāi)了功率器件電流與電壓同時(shí)處于較大值的硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并有效克服了感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開(kāi)通時(shí)大電流使管溫過(guò)高的缺點(diǎn)，減少了開(kāi)關(guān)損耗與干擾。1、移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路工作過(guò)程6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路2、軟開(kāi)關(guān)電路的特點(diǎn)：①移相全橋軟開(kāi)關(guān)電路可以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高電路效率。②由于降低了開(kāi)通過(guò)的du/dt,消除了寄生振蕩，從而降低了輸出電能的紋波，使濾波電路簡(jiǎn)化。③當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，由于諧振能量不足而不能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，因此效率將明顯下降。④該軟開(kāi)關(guān)電路存在占空比丟失現(xiàn)象，重載時(shí)更加嚴(yán)重，為了達(dá)到所需要的最大輸出功率，則必須適當(dāng)減低變壓器的變比，而這樣將導(dǎo)致一次繞組電流的增加并加重開(kāi)關(guān)器件的負(fù)擔(dān)。⑤由于諧振電感與輸出整流二極管結(jié)電容形成振蕩，因此整流二極管需要承受較高的峰值電壓。6.2.3移相全橋型零電壓軟開(kāi)關(guān)PWM變換電路6.2.4零轉(zhuǎn)換PWM變換電路

將諧振電感Lr及輔助開(kāi)關(guān)T2與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，控制輔助開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、截止產(chǎn)生LC振蕩，使主開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)零流關(guān)斷或零電壓開(kāi)通。這種變換器被稱(chēng)為零電流轉(zhuǎn)換（關(guān)斷）開(kāi)關(guān)PWM變換電路（ZCTPWM）和零電壓轉(zhuǎn)換（開(kāi)通）開(kāi)關(guān)PWM變換電路（ZVTPWM）。

定義：1、零電流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)PWM變換電路

圖6.2.10基本零電流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

圖中輔助諧振網(wǎng)絡(luò)由輔助開(kāi)關(guān)管T1、諧振電感Lr、諧振電容Cr及輔助整流二極管D1構(gòu)成。將此開(kāi)關(guān)應(yīng)用到其它PWM變換電路中，可以得到不同的零電流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)PWM變換電路。1）基本零電流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)6.2.3零轉(zhuǎn)換PWM變換電路

1、零電流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)PWM變換電路

圖6.2.11(a)升壓ZCTP