1、第8章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)第8.1章軟開(kāi)關(guān)的基本概念第8.2章軟開(kāi)關(guān)電路的分類第8.3章典型軟開(kāi)關(guān)電路第8.4章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的新進(jìn)展本章概述第2章緒論現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)是小型化和輕量化，同時(shí)對(duì)器件的效率和電磁兼容性提出了更高的要求。電力電子電路的高頻化可以減小濾波器和變壓器的尺寸和重量，并減小電力電子設(shè)備的尺寸和重量。隨著開(kāi)關(guān)損耗的增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增加。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低了開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。從而可以大大提高開(kāi)關(guān)頻率。3、8.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念，8.1.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)，8.1.2零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)，4、8.1.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)，硬開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中電壓和電流不為零，導(dǎo)致重疊和顯著的切

2、換損耗。電壓和電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過(guò)沖，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲。開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率之間存在線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路工作頻率不太高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的比例不大，但隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，開(kāi)關(guān)損耗變得越來(lái)越顯著。圖8-1硬切換降壓電路和波形a)電路圖b)理想化波形，圖8-2硬切換期間的電壓和電流a)關(guān)斷過(guò)程b)導(dǎo)通過(guò)程a)，b)，5，8.1.1硬切換和軟切換，其中增加了諧振電感器Lr和諧振電容器Cr。與濾波電感l(wèi)和電容c相比，在降壓零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，使得開(kāi)關(guān)接通前電壓降至零，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)前電流降至零，消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的重疊，從而大大降低甚至消除了開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，諧振過(guò)

3、程限制了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的變化率，這也顯著降低了開(kāi)關(guān)噪聲。圖8-3降壓零電壓開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)諧振電路和波形a)電路圖b)理想化波形a)，b)圖8-4軟開(kāi)關(guān)過(guò)程a)關(guān)斷過(guò)程b)導(dǎo)通過(guò)程，6.8.1.2零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)中的電壓和電流。如果零電壓開(kāi)關(guān)接通前兩端的電壓為零，則接通時(shí)不會(huì)出現(xiàn)損耗和噪聲。如果零電流關(guān)斷開(kāi)關(guān)在關(guān)斷前電流為零，則關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。在零電壓下關(guān)閉與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容器可以延遲開(kāi)關(guān)關(guān)閉后的電壓上升速率，從而降低關(guān)閉損耗。在零電流下與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感器可以延遲開(kāi)關(guān)接通后的電流上升速率，并降低開(kāi)關(guān)損耗。在許多情況下，開(kāi)關(guān)不再指示，只調(diào)用零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)電路的分類根據(jù)

4、電路中的主要開(kāi)關(guān)元件是零電壓導(dǎo)通還是零電流截止，軟開(kāi)關(guān)電路可以分為兩類：零電壓電路和零電流電路。根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，軟開(kāi)關(guān)電路可以分為準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路和零開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路。8，8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類，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)諧振電路分類零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路(零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路(零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路)零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路(零電壓開(kāi)關(guān)多諧振變換器ZVS MRC)用于諧振DC環(huán)節(jié)開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲大大降低，但也存在一些負(fù)面問(wèn)題，如諧振電壓峰值高，這就要求必須提高器件的耐壓。諧振電流的有效值為

5、諧振周期隨著輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，因此電路只能由脈沖頻率調(diào)制(PFM)來(lái)控制，而變頻的開(kāi)關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。10，8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類，圖8-6零開(kāi)關(guān)脈沖寬度調(diào)制電路a)零電壓開(kāi)關(guān)脈沖寬度調(diào)制電路b)零電流開(kāi)關(guān)脈沖寬度調(diào)制電路，其中引入了一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)間，因此諧振只發(fā)生在開(kāi)關(guān)過(guò)程之前和之后。分類零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制變換器ZVS脈寬調(diào)制電路(零電流開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制變換器ZCS脈寬調(diào)制)與準(zhǔn)諧振電路相比有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：電壓和電流基本上是方波，但上升沿和下降沿較慢，開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低，因此該電路可以采用開(kāi)關(guān)頻率固定的脈寬調(diào)制控制方式。11，8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類，圖8-

6、7零開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路的基本開(kāi)關(guān)單元A)零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路的基本開(kāi)關(guān)單元B)零電流開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路的基本開(kāi)關(guān)單元其中輔助開(kāi)關(guān)用于控制諧振的開(kāi)始時(shí)間，區(qū)別在于諧振電路與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)。因此，輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程影響很小。該電路可以在寬輸入電壓范圍內(nèi)，從零負(fù)載到滿負(fù)載工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電路中的無(wú)功功率交換減少到最小，進(jìn)一步提高了電路的效率。對(duì)零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制變換器zvt脈寬調(diào)制進(jìn)行分類，12、8.3典型軟開(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DC環(huán)，8.3.3移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路，8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路，13、8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路，圖8

7、-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路示意圖，其中假設(shè)電感L和電容C較大，可以等效為電流源和切換周期中的任何時(shí)間都可以選擇作為分析的起點(diǎn)，并且可以通過(guò)選擇合適的起點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化分析。14，8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路，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 t0t 1周期零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的等效電路，圖8-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖，開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷時(shí)間被選為工作過(guò)程中分析的起點(diǎn)。T0t1周期：在t0之前，s開(kāi)啟，VD關(guān)閉，uCr=0，iLr=IL，s在t0關(guān)閉。在s關(guān)斷后，Cr減緩了電壓上升，因此s的關(guān)斷損耗降低。s關(guān)閉后，VD尚未打開(kāi)。該電路可以等效于圖8-10。Lr L對(duì)Cr充電，L相當(dāng)于電

8、流源，uCr線性上升，VD兩端的電壓uVD逐漸下降，直到t1，uVD=0，VD導(dǎo)通。這段時(shí)間uCr的上升速率為(8-1)，15，8.3.1零電壓開(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，圖8-9零電壓開(kāi)關(guān)。圖8-11 t1 T2周期零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路等效電路。t1t2周期：VD在t1接通，L通過(guò)VD續(xù)流，Cr、Lr和Ui形成諧振電路，如圖8-11所示。在共振過(guò)程中，Lr給Cr充電，uCr上升，iLr下降，直到t2，iLr下降到零，uCr達(dá)到共振峰值。t2t3期：T2后，Cr放電至Lr，iLr改變方向，uCr持續(xù)下降，直到t3，uCr=Ui，當(dāng)uLr=0時(shí)，iLr達(dá)到反向共振的峰值。

9、t3t4周期：T3之后，Lr對(duì)Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到在uCr=0。16、8.3.1零電壓開(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、圖8-9零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形、t1至t4的電路諧振過(guò)程方程為(8-2)、t4t5周期：uCr箝位在零，uLr=Ui，iLr線性衰減至t5。由于S兩端的電壓在此期間為零，因此有必要在此期間接通開(kāi)關(guān)S，以免產(chǎn)生接通損耗。T5t6周期：s開(kāi)啟，iLr線性上升，直到t6，iLr=IL，VD關(guān)閉。電流iLr從t4到t6的變化率為0。在t6t0中，s為開(kāi)，VD為關(guān)。(8-3)，17，8.3.1零電壓開(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

10、最重要的部分，諧振過(guò)程中的基本定量關(guān)系是uCr的表達(dá)式(即開(kāi)關(guān)S的電壓uS)，T1和T4上的最大值，即uCr的諧振峰值，是開(kāi)關(guān)S承受的峰值電壓，表達(dá)式是零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點(diǎn)：諧振電壓的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。18，8.3.2諧振DC環(huán)路，圖8-12諧振DC環(huán)路的電路原理圖，圖8-13諧振DC環(huán)路的等效電路，應(yīng)用于交流-DC-交流變換器電路的中間DC環(huán)節(jié)。通過(guò)在DC環(huán)節(jié)引入諧振，電路中的整流器或逆變器環(huán)節(jié)在軟開(kāi)關(guān)條件下工作。在圖8-12中，輔助開(kāi)關(guān)s使逆變橋中的所有開(kāi)關(guān)在零電壓接通的情況下工作

11、。在實(shí)際電路中，開(kāi)關(guān)s是不必要的，s的開(kāi)關(guān)動(dòng)作被逆變器電路中開(kāi)關(guān)的接通和斷開(kāi)所代替。電壓源逆變器的負(fù)載通常是感性的，諧振時(shí)逆變器電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是恒定的，負(fù)載電流被認(rèn)為是恒定的。19，8.3.2諧振DC回路，圖8-13諧振DC回路的等效電路，圖8-14諧振DC回路的理想化波形，工作過(guò)程從開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)開(kāi)始。T0t1周期：在t0之前，iLr大于ILl，在t0時(shí)s導(dǎo)通，s截止，電路發(fā)生諧振。由于iLrIL，iLr對(duì)Cr充電，并且uCr持續(xù)上升直到t1，此時(shí)uCr=Ui。T1t2周期：在t1，因?yàn)閡Cr=Ui，ULr=0，所以諧振電流iLr達(dá)到峰值。t1之后，iLr繼續(xù)對(duì)Cr充電并持續(xù)下降，而uCr進(jìn)一

12、步上升，直到iLr=IL且uCr在t2達(dá)到其共振峰值。20，8.3.2諧振DC環(huán)路，t2t3周期：t2之后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續(xù)降低，然后當(dāng)達(dá)到零時(shí)反轉(zhuǎn)，Cr繼續(xù)向Lr放電，iLr反向增加，直到時(shí)間uCr=Ui。t3t4周期：在T3，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振的峰值，然后iLr開(kāi)始衰減，uCr繼續(xù)下降，直到t4，uCr=0，VDS接通，uCr箝位在零。T4t0周期：s開(kāi)啟，電流iLr線性上升，直到t0，此時(shí)s再次關(guān)閉。諧振DC環(huán)路中電壓uCr的諧振峰值很高，這就增加了開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求。圖8-13諧振DC環(huán)路等效電路，圖8-14諧振DC環(huán)路理想化波形，21，8.3.3移相全

13、橋零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路，圖8-15移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路。電路簡(jiǎn)單，只增加了一個(gè)諧振電感，使得電路中的四個(gè)開(kāi)關(guān)器件都在零電壓的情況下導(dǎo)通。控制模式的特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，每個(gè)開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間略小于TS/2，而斷開(kāi)時(shí)間略長(zhǎng)于TS/2。同一半橋中的上、下開(kāi)關(guān)不是同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，每個(gè)開(kāi)關(guān)都需要一定的死區(qū)時(shí)間才能斷開(kāi)，另一個(gè)開(kāi)關(guān)才能導(dǎo)通。兩對(duì)對(duì)角相對(duì)的開(kāi)關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4提前0.0TS/2倍，而S2的波形比S3提前0.0TS/2倍。因此，S1和S2被稱為發(fā)達(dá)國(guó)家，而S3和S4被稱為落后國(guó)家。22，8.3.3移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路，圖8-16移相全橋電路的理想

14、化波形，圖8-17移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖，工作過(guò)程t0t1周期：S1和S4都導(dǎo)通，直到S1在t1截止。T1t2周期：S1在t1關(guān)閉后，C1和C2與Lr和l形成一個(gè)諧振回路，如圖8-17所示，uA(t1)=Ui在諧振開(kāi)始時(shí)，uA在諧振期間持續(xù)下降，直到uA=0，VDS2開(kāi)啟，iLr通過(guò)VDS2續(xù)流。，23，8.3.3移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路，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t3t4級(jí)、t2t3周期的等效電路：S2在t2時(shí)刻導(dǎo)通，因?yàn)閂DS2導(dǎo)通，S2導(dǎo)通時(shí)電壓為零，在導(dǎo)通過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗。S2打開(kāi)后，電路狀態(tài)不會(huì)改變。T3t4周期：在t4時(shí)

15、開(kāi)關(guān)S4斷開(kāi)后，電路的狀態(tài)變?yōu)槿鐖D8-18所示。此時(shí)，C3、C4和Lr形成諧振回路，在諧振過(guò)程中iLr持續(xù)下降，b點(diǎn)電壓持續(xù)上升，直到VDS3導(dǎo)通；這種狀態(tài)一直保持到t4時(shí)S3接通，S3接通時(shí)VDS3接通，因此S3在零電壓條件下接通，接通損耗為零。24，8.3.3移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路，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)脈寬調(diào)制電路，t4t5周期：S3接通后，iLr繼續(xù)降低，降至零，然后反向，然后持續(xù)增加，直到t5，iLr=IL/kT，iVD1降至零并關(guān)閉，電流T0t5周期正好是開(kāi)關(guān)周期的一半，在開(kāi)關(guān)周期t5t的另一半，25，8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路，圖8-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路原理圖，具有電路簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正電路、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和電容C很大，因此在分析中可以忽略電流和輸出電壓的波動(dòng)，也可以忽略元件和線路的損耗。在零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路中，輔助開(kāi)關(guān)S1在主開(kāi)關(guān)S之前接通，S1在主開(kāi)關(guān)S接通之后斷開(kāi)，主諧振過(guò)程集中在主開(kāi)關(guān)S接通之前和之后。26，8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路，圖8-20升壓型零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路的理想化波形，圖8-21 t1 T2周期升