1、第7章 軟開關技術 7-1第7章 軟開關技術 引言7-2現代電力電子裝置的發展趨勢發展趨勢小型化、輕量化、對效率和電磁兼容性也有更高的要求。電力電子裝置高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。開關損耗增加，電磁干擾增大。軟開關技術降低開關損耗和開關噪聲。進一步提高開關頻率。 7.1 軟開關的基本概念 7-37.1.1 硬開關和軟開關硬開關：7-4開關過程中電壓和電流均不為零，出現了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現明顯的過沖，導致開關噪聲。t0a）硬開關的開通過程b）硬開關的關斷過程圖71 硬開關的開關過程uiP0uituuiiP007.1.1 硬開關和軟開關軟開關：7

2、-5在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開關損耗和開關噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開關的開通過程b）軟開關的關斷過程圖72 軟開關的開關過程7.1.2 零電壓開關和零電流開關零電壓開通 開關開通開通前其兩端電壓電壓為零開通時不會產生損耗和噪聲。零電流關斷 開關關斷關斷前其電流電流為零關斷時不會產生損耗和噪聲。零電壓關斷 與開關并聯并聯的電容電容能延緩開關關斷后電壓上升的速率，從而降低關斷損耗。零電流開通 與開關串聯串聯的電感電感能延緩開關開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。7-6通常不指出是開通或是關斷，僅稱零電壓開關

3、零電壓開關和零電流開關零電流開關。靠電路中的諧振來實現。7.2 軟開關電路的分類根據開關元件開通和關斷時電壓電流狀態，分為零電壓零電壓電路電路和零電流電路零電流電路兩大類。根據軟開關技術發展的歷程可以將軟開關電路分成準諧準諧振電路振電路、零開關零開關PWM電路電路和零轉換零轉換PWM電路電路。每一種軟開關電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從基本開關單元基本開關單元導出具體電路。7-77.2 軟開關電路的分類7-8圖73基本開關單元的概念a）基本開關單元b）降壓斬波器中的基本開關單元c）升壓斬波器中的基本開關單元d）升降壓斬波器中的基本開關單元7.2 軟開關電路的分類 1）準諧振電路

4、準諧振電路準諧振電路準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準諧振。是最早出現的軟開關電路。 特點特點：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，電路中存在大量無功功率的交換，電路導通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓、負載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來控制。7-9分別介紹三類軟開關電路7.2 軟開關電路的分類7-10可分為：用于逆變器的諧振直流環節電路(Resonant DC Link）。圖7-4 準諧振電路的基本開關單元c)零電壓開關多諧振電路的基本開關單元零電壓開關多諧振電路 (Zero-

5、Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)零電流開關準諧振電路的基本開關單元零電流開關準諧振電路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） a)零電壓開關準諧振電路的基本開關單元零電壓開關準諧振電路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）7.2 軟開關電路的分類7-11 2）零開關PWM電路引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發生于開關過程前后。零開關PWM電路可以分為： 特點：電壓

6、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。電路不采用開關頻率固定的PWM控制方式。b)零電流開關PWM電路的基本開關單元圖75零開關PWM電路的基本開關單元零電流開關PWM電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）a)零電壓開關PWM電路的基本開關單元零電壓開關PWM電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）7.2 軟開關電路的分類7-12 3）零轉換PWM電路 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的。零轉換PWM電路可以分為： 特點：特點：電路

7、在很寬的輸入電壓范圍內和從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態。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。b）零電流轉換PWM電路的基本開關單元圖76 零轉換PWM電路的基本開關單元零電流轉換PWM電路（Zero-Current Transition PWM ConverterZCT PWM）a）零電壓轉換PWM電路的基本開關單元零電壓轉換PWM電路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）7.3 典型的軟開關電路 7-137.3.1 零電壓開關準諧振電路7-141）電路結構以降壓型降壓型為例分析工作原理。假設電感L和電容C很

8、大，可等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。圖7-7 零電壓開關準諧振電路原理圖7.3.1 零電壓開關準諧振電路選擇開關S關斷時刻為分析的起點。t0t1時段：t0之前，開關S為通態，二極管VD為斷態，uCr=0，iLr=IL ，t0時刻S關斷，與其并聯的電容Cr使S關斷后電壓上升減緩，因此S的關斷損耗減小。S關斷后，VD尚未導通。電感Lr+L向Cr充電， uCr線性上升，同時VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時刻，uVD=0，VD導通。這一時段uCr的上升率：7-15rrddCItuLC2）工作原理t0t1時段的等效電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0ttttt

9、t5OOOOO圖7-8零電壓開關準諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開關準諧振電路原理圖u7.3.1 零電壓開關準諧振電路t1t2時段：t1時刻二極管VD導通，電感L通過VD續流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路。t2時刻，iLr下降到零，uCr達到諧振峰值。t2t3時段：t2時刻后，Cr向Lr放電，直到t3時刻，uCr=Ui，iLr達到反向諧振峰值。t3t4時段：t3時刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續下降，直到t4時刻uCr=0。7-16t1t2時段的等效電路uSS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關準諧振電路的理想波形圖7-7

10、零電壓開關準諧振電路原理圖7.3.1 零電壓開關準諧振電路t4t5時段：uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時刻，iLr=0。由于此時開關S兩端電壓為零，所以必須在此時開通S，才不會產生開通損耗。t5t6時段：S為通態，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL，VD關斷。t6t0時段：S為通態，VD為斷態。7-17缺點缺點：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，增加了對開關器件耐壓的要求。 SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關準諧振電路的理想波形u7.3.2 諧振直流環諧振直流環電路應用于交流-直流-交流變換電路的中間直流

11、環節（DC- Link）。通過在直流環節中引入諧振，使電路中的整流或逆變環節工作在軟開關的條件下。7-181）電路結構圖 7-11 諧振直流環電路原理圖由于電壓型逆變器的負載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關狀態是不變的，因此分析時可將電路等效。圖7-12諧振直流環電路的等效電路利用輔助開關利用輔助開關S和和Lr，Cr就可以使逆變橋中所有的開關工作就可以使逆變橋中所有的開關工作再零電壓開通的條件下。再零電壓開通的條件下。7.3.2 諧振直流環7-19t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖7-13諧振直流環電路的理想化波形圖7-12諧振直流環電路的等效電路t 0t1時段

12、：t0時刻之前，開關S處于通態，iLrIL。t0時刻S關斷，電路中發生諧振。iLr對Cr充電，t1時刻，uCr=Ui。t1t2時段：t1時刻，諧振電流iLr達到峰值。 t1時刻以后，iLr繼續向Cr充電，直到t2時刻iLr=IL，uCr達到諧振峰值。2）工作原理7.3.2 諧振直流環t2t3時段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時刻 uCr=Ui。t3t4時段：t3時刻，iLr達到反向諧振峰值，開始衰減，uCr繼續下降， t4時刻，uCr=0，S的反并聯二極管VDS導通，uCr被箝位于零。t4t0時段：S再次導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關斷。7-20t0

13、t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖7-13諧振直流環電路的理想化波形圖7-12諧振直流環電路的等效電路電壓諧振峰值很高，增加了對開關器件耐壓耐壓的要求。7.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路移相全橋電路是目前應用最廣泛的軟開關電路之一，它的特點特點是電路簡單。同硬開關全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，就使四個開關均為零電壓開通。7-21圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路7.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路1）移相全橋電路控制方式的特點特點：7-22S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t

14、9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形在開關周期TS內，每個開關導通時間都略小于TS/2，而關斷時間都略大于TS/2；同一半橋中兩個開關不能同時處于通態，每個開關關斷到另一個開關開通都要經過一定的死區時間。圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路7.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路 互為對角的兩對開關S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2時間，而S2的波形比S3超前0TS/2時間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。7-23S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2

15、t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路7.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路 2）工作過程：7-24圖 7-16 移相全橋電路在t1t2階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形t0t1時段：S1與S4導通，直到t1時刻S1關斷。t1t2時段時段：t1時刻開關S1關斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr

16、、L構成諧振回路， uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導通，電流iLr通過VDS2續流。t2t3時段：t2時刻開關S2開通，由于此時其反并聯二極管VDS2正處于導通狀態，因此S2為零電壓開通。7.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路 t3t4時段時段：t3時刻開關 S4關斷后，變壓器二次側VD1和VD2同時導通，變壓器一次側和二次側電壓均為零，相當于短路，因此Cs3、Cs4與Lr構成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點電壓不斷上升，直到S3的反并聯二極管VDS3導通。這種狀態維持到t4時刻S3開通。因此S3為零電壓開通。7-25圖 7-17移相全橋電路在t3t4階段的等效電路S1S3S4S2

17、uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形7.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路 t4t5時段：S3開通后，Lr的電流繼續減小。iLr下降到零后反向增大，t5時刻iLr=IL/kT，變壓器二次側VD1的電流下降到零而關斷，電流IL全部轉移到VD2中。 t0t5是開關周期的一半，另一半工作過程完全對稱。7-26圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9

18、t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形7.3.4 零電壓轉換PWM電路1）工作過程： 輔助開關S1超前于主開關S開通，S開通后S1關斷。 t0t1時段：，S1導通，VD尚處于通態，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線性增長， VD中的電流以同樣的速率下降。t1時刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，關斷。7-27圖7-18 升壓型零電壓轉換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19 升壓型零電壓轉換PWM電路的理想化波形零電壓轉換PWM電路是另一種軟開關電路，具有電路簡單、效率高等優點。7.3.4 零電壓轉換PWM電路 t1t2時段：Lr與Cr構成諧振回路，Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時刻uCr=0， VDS導通，uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變。 t2t3時段：uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態一直保持到t3時刻S開通、S1關斷。7-28