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1、第第8章章 软开关技术软开关技术 8.1 8.1 软开关的基本概念软开关的基本概念 8.2 8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类 8.3 8.3 典型的软开关电路典型的软开关电路 8.4 8.4 软开关技术新进展软开关技术新进展 本章小结本章小结2/29引言引言现代电力电子装置的发展趋势是现代电力电子装置的发展趋势是小型化小型化、轻量化轻量化，同时，同时对装置的对装置的效率效率和和电磁兼容性电磁兼容性也提出了更高的要求。也提出了更高的要求。电力电子电路的高频化电力电子电路的高频化 可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。
2、置小型化、轻量化。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。软开关技术软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。使开关频率可以大幅度提高。使开关频率可以大幅度提高。3/298.1 软开关的基本概念软开关的基本概念 8.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关 8.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关4/298.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关硬开关硬开关 开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗开关损耗。电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显
3、的过冲，从而产生了电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关开关噪声噪声。开关损耗与开关损耗与开关频率开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。越来越显著。图图8-1 硬开关降压型电路及波形硬开关降压型电路及波形a）电路图）电路图 b）理想化波形）理想化波形 t0uiP0uituuiiP00图图8-2 硬开关过程中的电压和电流硬开关过程中的电压和电流a)关断过程关断过程 b)开通
4、过程开通过程a)b)5/298.1.1 硬开关与软开关硬开关与软开关软开关软开关 软开关电路中增加了软开关电路中增加了谐振电感谐振电感Lr和和谐振电容谐振电容Cr，与滤波电感，与滤波电感L、电容、电容C相相比，比，Lr和和Cr的值小得多，同时开关的值小得多，同时开关S增加了增加了反并联二极管反并联二极管VDS，而硬开关电路，而硬开关电路中不需要这个二极管。中不需要这个二极管。降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了
5、开关过程中电压、电流的电压、电流的重叠重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。，这使得开关噪声也显著减小。Pui0uitt0uiP0uitt0uu图图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形降压型零电压开关准谐振电路及波形a）电路图）电路图 b）理想化波形）理想化波形a)b)图图8-4 软开关过程中的电压和电流软开关过程中的电压和电流a)关断过程关断过程 b)开通过程开通过程 6/298.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关零电
6、压开通零电压开通 开关开通前其开关开通前其两端电压为零两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声。，则开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断零电流关断 开关关断前其开关关断前其电流为零电流为零，则关断时不会产生损耗和噪声。，则关断时不会产生损耗和噪声。零电压关断零电压关断 与开关与开关并联的电容并联的电容能延缓开关关断后能延缓开关关断后电压上升的速率电压上升的速率，从而，从而降低关断损耗。降低关断损耗。零电流开通零电流开通 与开关与开关串联的电感串联的电感能延缓开关开通后能延缓开关开通后电流上升的速率电流上升的速率，降低，降低了开通损耗。了开通损耗。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关
7、和零电零电流开关流开关。零电压开通和零电流关断靠电路中的谐振谐振来实现。7/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类软开关电路的分类软开关电路的分类 根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路零电压电路和和零电流电路零电流电路两大类，个别电路中，有些开关是两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成分成准谐振电路准谐振电路、零开关零
8、开关PWM电路电路和和零转换零转换PWM电路电路。8/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类图图 8-5 准谐振电路准谐振电路a）零电压开关准谐振电路）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路）零电压开关多谐振电路 准谐振电路准谐振电路 分类分类 零电压开关准谐振电路（零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）零电流开关准谐振电路（零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter
9、ZCS QRC）零电压开关多谐振电路（零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC）用于逆变器的谐振直流环节（用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DC Link）9/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类准谐振电路中电压或电流的波形为准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波正弦半波，因此称之，因此称之为为准谐振准谐振。是最早出现的软开关电路。是最早出现的软开关电路。开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题 谐振谐振电压峰值电压峰值很高，要求器件耐
10、压必须提高。很高，要求器件耐压必须提高。谐振谐振电流的有效值电流的有效值很大，电路中存在大量的很大，电路中存在大量的无功功率无功功率的交换的交换，造成电路导通损耗加大。，造成电路导通损耗加大。谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用能采用脉冲频率调制脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。难。10/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类图图8-6 零开关零开关PWM电路电路a）零电压开关）零电压开关PWM电路
11、电路 b）零电流开关）零电流开关PWM电路电路 零开关零开关PWM电路电路 电路中引入了电路中引入了辅助开关辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。程前后。分类分类 零电压开关零电压开关PWM电路（电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）零电流开关零电流开关PWM电路（电路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上
12、是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的开关频率固定的PWM控制方式控制方式。11/298.2 软开关电路的分类软开关电路的分类图图 8-7 零转换零转换PWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元a）零电压转换）零电压转换PWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元 b）零电流转换）零电流转换PWM电路的基本开关单元电路的基本开关单元零转换零转换PWM电路电路 电路中采用电路中采用辅助开关辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关
13、主开关并联并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载从零负载到满载都能工作在软开关状态，而且都能工作在软开关状态，而且电路中电路中无功功率的交换无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。分类分类 零电压转换零电压转换PWM电路（电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）零电流转换零电流转换PWM电路（电路（Zero-Current Transi
14、tion PWM ConverterZVT PWM）12/298.3 典型的软开关电路典型的软开关电路 8.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 8.3.2 谐振直流环谐振直流环 8.3.3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 8.3.4 零电压转换零电压转换PWM电路电路13/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路图图8-8 零电压开关零电压开关准谐振电路原理图准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 假设假设电感电感L和和电容电容C很大，可以等效为很大，可以等效为电流源电流源和和电压源电压源，并忽略电，并忽略电路中的路中的损
15、耗损耗。开关电路的工作过程是按开关电路的工作过程是按开关周期开关周期重复的，在分析时可以选择开重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点合适的起点，可以使分析得到，可以使分析得到简化。简化。14/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形零电压开关准谐振电路的理想化波形 图图8-10 零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路在电路在t0t1时段等效电路时段等效电路图图8-8 零电压开关准谐振电路
16、原理图零电压开关准谐振电路原理图工作过程工作过程 选择开关选择开关S的关断时刻的关断时刻为分析的起点。为分析的起点。t0t1时段：时段：t0之前，之前，S导通，导通，VD为断态，为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻时刻S关断，关断，Cr使使S关断后关断后电压上升减缓，因此电压上升减缓，因此S的关断损耗减小（零的关断损耗减小（零电压关断），电压关断），S关断后，关断后，VD尚未导通，电尚未导通，电路可以等效为图路可以等效为图8-10；Lr+L向向Cr充电，充电，L等等效为电流源效为电流源，uCr线性上升，同时线性上升，同时VD两端电两端电压压uVD逐渐下降，直到逐渐下降，直到t1时刻，时刻，uVD=0，VD导通，这一时段导通，这一时段uCr的上升率为的上升率为 rrddCItuLC(8-1)15/298.3.1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路图图8-8 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形零电压开关准谐振电路的理想化波形 图图8
