1、第8章 軟開關的概念,8.1軟開關的概念 8.2軟開關技術的實現(xiàn)及其類型 8.3諧振電路 8.4準諧振和多諧振變換器 8.5軟開關的PWM技術 8.6 零電壓/電流轉(zhuǎn)換PWM變換器,返回,8.1軟開關的概念,傳統(tǒng)PWM變換器中的開關器件工作在硬開關狀態(tài)，硬開關工作的四大缺陷妨礙了開關器件工作頻率的提高, 它存在如下問題： 1）開通和關斷損耗大； 2）感性關斷問題 3）容性開通問題； 4）二極管反向恢復問題 ；,為了提高變換器效率，減小變換器的重量體積，就必須解決上述的四個問題。 所謂軟開關就是功率器件在零電壓條件下導通（或關斷），在零電流條件下關斷（或?qū)ǎＥc硬開關相比，軟開關的功率器件在零

2、電壓、零電流條件下工作，功率器件開關損耗大大減小。 與此同時， du/dt和di/dt大為下降，提高了變換器的可靠性，由于軟開關開關損耗很小，與硬開關相比，它可以工作于較高的工作頻率，因此減小變換器的體積和重量，同時提高變換器的變換效率。,軟開關的開通有以下幾種方法 1）零電流開通：在開關管開通時，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)。從圖8-2（a）可以看出，由于電流下降時間的提前，大大減少了電壓與電流的重疊區(qū)間，因而開通損耗大大減小。 2）零電壓開通：在開關管開通前，便其電壓下降到零。從圖8-2（b）可以看出，開通損耗基本減小到零。 3）同時做到零電流開通和零

3、電壓開通，在這種情況下，開通損耗為零。這種情況最為理想。,圖8-2 零電流開通和關斷,軟開關的關斷幾種方法 1）零電流關斷：在開關管關斷前，使其電流減小到零。 2）零電壓關斷：在開關管關斷時，使其電壓保持在零，或者限制電壓的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)。 3）同時做到零電流關斷和零電壓關斷，在這種情況下，關斷損耗為零。,返回,8.2軟開關技術的實現(xiàn)及其類型,從諧振角度看，所謂諧振變換器或逆變器至少包含有一個諧振回路，諧振回路至少包含一個電感和一個電容，諧振電路的階數(shù)決定于所包含的獨立的儲能元件數(shù)目。以諧振類型劃分，軟開關變換器有諧振型變換器、多諧振/準諧振變換器、零開關PWM變換器、零轉(zhuǎn)

4、換PWM變換器等；從拓撲結(jié)構(gòu)上看，有電流型軟開關變換器、電壓型軟開關變換器。,1）諧振型變換器 利用諧振現(xiàn)象，使電子開關器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開通或零電流關斷的條件，以這種技術為主導的變換器稱為諧振變換器。它又可以分為全諧振型變換器、準諧振變換器和多諧振變換器三種類型。 a）全諧振型變換器：一般稱之為諧振變換器(Resonant converters)。該類變換器實際上是負載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器(Series resonant converters, SRCs)和并聯(lián)諧振變換器(Parallel resonant converters,

5、 PRCs)兩類。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程。該變換器與負載關系很大，對負載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。,b）準諧振變換器(Quasi-resonant converters, QRCs)；它是最早出現(xiàn)的軟開關電路。其特點是諧振元件參與能量變換的某一個階段，不是全程參與。無論是串聯(lián)LC或并聯(lián)LC都會產(chǎn)生準諧振，利用準諧振現(xiàn)象，使電子開關器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件，以這種技術為主導的變換器稱為準諧振變換器。準諧振變換器分為零電流開關準諧振變換器(Zero-current-switching Quasi-resonant

6、 converters, ZCS-QRCs)和零電壓開關準諧振變換器(Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS-QRCs)。,c）多諧振變換器(Multi-resonant converters, MRCs)：其特點是諧振元件參與能量變換的某一個階段，不是全程參與。多諧振變換器的諧振回路、參數(shù)可以超過兩個、三個或更多，稱為多諧振變換器。準諧振/多諧振單元與主開關的關系如圖8-3所示。,a零電壓開關準諧振電路；b零電流開關準諧振電路；c零電壓開關多諧振電路 圖 8-3 準諧振電路的基本開關單元,為保持輸出電壓不隨輸入電壓變化而變化

7、，不隨負載變化而變化（或基本不變），諧振、準諧振和多諧振變換器主要靠調(diào)整開關頻率，所以是調(diào)頻系統(tǒng)。調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開關變換器那樣容易控制，這是因為調(diào)頻系統(tǒng)是依靠L、C振蕩使得電路產(chǎn)生諧振和準諧振的，功率器件所受的電壓與電流的應力都要比相應的硬開關PWM變換電路功率器件承受的壓力大，并且該應力隨電路的Q值和負載變化而變化。調(diào)頻系統(tǒng)是依靠改變開關頻率來改變變換器的輸出，開關頻率大范圍變化使得濾波器、變壓器設計難以優(yōu)化，干擾難以抑制，而且由于調(diào)頻來調(diào)節(jié)輸出，負載變化大時，相應的電壓和電流調(diào)節(jié)范圍比相應PWM變換電路窄，超前一定范圍后，變換電路不能達到零電壓或零電流開關條件。,2）零開關PWM變換器

8、(Zero-switching-PWM-converters) 分為零電壓開關PWM變換器(Zero-voltage-switching PWM converters，ZVS PWM)和零電流開關PWM變換器(Zero-current-switching PWM converters，ZCS-PWM)。該類變換器是在準諧振/多諧振變換器的基礎上，引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關過程前后，實現(xiàn)恒定頻率控制，即實現(xiàn)PWM控制。這樣，變換器既有電壓過零（或電流過零）控制的軟開關特點，又有PWM恒頻調(diào)寬的特點。這時諧振網(wǎng)絡中的電感是與主開關串聯(lián)的。與準諧振/多諧振變換器不同的是，

9、諧振元件的諧振工作時間與開關周期相比很短，一般為開關周期的1/101/5，電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關承受的電壓明顯降低；電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。,a）零電壓開關PWM電路的基本開關單元 b）零電流開關PWM電路的基本開關單元 圖8-4 零開關PWM電路的基本開關單元,3）零轉(zhuǎn)換PWM變換器(Zero-transition-converters) 零轉(zhuǎn)換PWM變換器與零開關PWM變換器并無本質(zhì)上的差別，也是軟開關與PWM的結(jié)合。采用輔助開關控制諧振的開始時刻，但諧振電路是與主開關并聯(lián)的。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器(Zero-voltage-tran

10、sition PWM converters, ZVT PWM converters)和零電流開關PWM變換器(Zero-current-transition PWM converters, ZVT PWM converters)。這類變換器是軟開關技術的又一個飛躍。它的特點是變換器工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開關管開關時工作一段時間，實現(xiàn)開關管的軟開關，在其它時間則停止工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小。其拓撲結(jié)構(gòu)特點是諧振元件從能量交換主通道移開，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一步提高。,a零電

11、壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關單元 b零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關單元 圖8-5 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關單元,返回,8.3諧振電路,1 串聯(lián)諧振電路： 串聯(lián)諧振槽路如圖8-6所示，其中是諧振電感Lr，是諧振電容Cr，諧振電感存在等效阻抗R，其導納為,圖8-6 串聯(lián)諧振電路,定義串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為,2 電壓型串聯(lián)諧振式逆變器 半橋電路如圖8-8所示，當電路工作頻率大于諧振頻率時，電壓超前電流相位，回路負載特性呈現(xiàn)感性，設某一時刻，開關管S1處于導通狀態(tài)，負載中流過電流（如圖8-8中實現(xiàn)表示）,圖8-8 感性負載時的工作過程,當S1關斷時，由于電感的儲能作用，將通過二極管D2續(xù)流，如圖8-

12、8所示。由于D2續(xù)流，IGBT（S2）EC之間的電壓僅為二極管正向?qū)▔航担琒1承受電源電壓，死區(qū)時間結(jié)束后，開通S2、D2承受反向電壓而關斷，如果能夠正好在續(xù)流結(jié)束之前開通S2，則實現(xiàn)了零電壓開通，二極管D2實現(xiàn)零電流關斷。,圖8-9 容性負載時的工作過程,當電路工作頻率小于諧振頻率時，電流超前電壓相位，回路負載特性呈現(xiàn)容性，設某一時刻，開關管S1處于導通狀態(tài)，負載中流過電流（圖8-9中用實線表示），由于電流超前電壓相位，因此在S1仍導通時電流首先過零，之后電流通過二極管D1反向流通（圖8-9中用虛線表示），如圖8-9中所示。 二極管D1導通后，S1實際上已不起作用，當S1關斷，S2導通時，

13、D1將承受反向電壓而強迫關斷，關斷過程中D1將產(chǎn)生較大的反向恢復電流，此恢復電流將通過D1、S2使電源短路，從而危及IGBT。當S2導通末期，電流再次提前反向，D2續(xù)流，此時如果S1導通，D2將承受反向電壓而強迫關斷，二極管D2反向恢復電流和S2使電源短路。 通過上面分析可以看出，當電路工作于容性狀態(tài)時，IGBT的交替導通，由于二極管反向恢復電流較大，IGBT損耗較大，不適合頻繁起動的工作場合，容易導致IGBT的損壞。當電路工作于感性狀態(tài)時，IGBT可以實現(xiàn)零電壓導通，開關損耗取決于電流滯后的角度。 因此，要讓諧振回路工作于略感性負載的準諧振狀態(tài)，保證電路的安全可靠工作。,負載串聯(lián)電壓諧振逆變

14、器ansoft仿真,圖1 負載諧振逆變器主電路Fig1 Series Load Resonant inverter Power man circuit,半橋負載串聯(lián)諧振逆變器主電路如圖1所示。三相交流電源經(jīng)三相橋整流，電容濾波后，得到約520V左右的直流電源，此直流即為電壓型串聯(lián)諧振式逆變器的電源。諧振電容為 ，諧振電感為L，電阻為R。 L、C1+C2和R構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。,諧振時負載電流和電壓,諧振時C1上電壓：,小于諧振頻率時負載電壓和電流,小于諧振頻率時： T1電流 及反并聯(lián)二極管電流,小于諧振頻率時： T2電流 及反并聯(lián)二極管電流,小于諧振時 C1上電壓,小于諧振時 C2上電壓,小于

15、諧振頻率時直流母線電流,大于諧振頻率時負載電壓和電流,一種基于直流母線電流的負載串聯(lián)諧振逆變器諧振頻率跟蹤方法,諧振時母線電流,從上述分析可知，負載串聯(lián)諧振逆變器的諧振頻率跟蹤問題，轉(zhuǎn)化為直流母線電流大于零時間的問題，它與電流大小無關，只與電流極性有關，因此，直流母線電流極性判斷可以通過過零比較器，母線電流正向流動時比較器輸出高電平，反向流動時，比較器輸出低電平，電路諧振時，比較器輸出總為高電平，非諧振時，比較器輸出為方波信號，工作頻率越靠近諧振頻率，輸出方波的占空比越大，即低電平持續(xù)時間越短。比較器輸出平均值作為諧振頻率跟蹤的依據(jù)，若比較器輸出高電平幅度為，低電平為零，則低通濾波后的輸出電壓

16、的幅度在之間，對應于非諧振頻率和諧振頻率。,控制流程圖如圖所示，由圖中可以看出此法只需采樣比較器輸出平均值，通過周期性地增加或減少工作頻率的，并觀察、比較變動前后的比較器輸出平均電壓的大小，以決定下一步頻率的增、減動作。假使輸出較變動前大的話，則將頻率繼續(xù)朝同一方向變動；反之，若輸出較變動前小的話，則表示需要在下一周期改變頻率變動的方向。如此反復地擾動、觀察及比較，使串聯(lián)諧振逆變器工作到諧振點。,3 串聯(lián)負載串聯(lián)諧振DC-DC變換器,Q2,4 并聯(lián)諧振電路,5 并聯(lián)負載串聯(lián)諧振DC-DC變換器,6 E類變換器,返回,8.4準諧振和多諧振變換器,1 零電流開關準諧振變換器（ZCS QRC）,2

17、多諧振開關(MRS: Multi-resonant switch)變換器,返回,8.5軟開關的PWM技術,由于準諧振/多諧振變換器采用調(diào)頻調(diào)制，變化的頻率使變換器的磁性電路設計十分困難，為了便于控制和設計電路，希望在軟開關變換器中，采用恒定頻率控制，即PWM控制，能實現(xiàn)PWM的軟開關變換器稱之為零電壓PWM變換器（ZVS-PWM）或者零電流變換器（ZCS-PWM）。 其基本原理是在在準諧振型變換電路基礎上加入一個輔助開關管來控制諧振元件的諧振過程，僅在需要開關狀態(tài)轉(zhuǎn)變時才啟動諧振電路，創(chuàng)造開關管的零壓開通或零流關斷條件，其余時間，諧振電路處于不工作狀態(tài)。 諧振電感與主開關器件串聯(lián)在電路中，開通時承受負載電流，因此，變換電路可按恒定頻率PWM方式調(diào)控輸出電壓。既可以像QRC電路一樣通過諧振為主功率開關管創(chuàng)造零電壓或零電流開關條件，又可以使電路像常規(guī)PWM電路一樣，通過恒頻占空比調(diào)制來調(diào)