1、第五章第五章 開關電源新技術開關電源新技術( (參考內容參考內容) )目目 錄錄概述53 軟開關新技術53.1 軟開關的基本概念53.1.1 硬開關與軟開關53.1.2 零電壓開關與零電流開關53.2 軟開關電路的分類53.3 典型的軟開關電路53.3.1 零電壓開關準諧振電路53.3.2 諧振直流環53.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路53.3.4 零電壓轉換PWM電路本章小結概概 述述v 電力電子裝置高頻化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。v 軟開關技術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。 5 5

2、3.1.1 3.1.1 硬開關與軟開關硬開關與軟開關v 硬開關：硬開關：開關的開通和關斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化。產生較大的開關損耗和開關噪聲。v 軟開關：軟開關：在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，使開關條件得以改善。降低開關損耗和開關噪聲。軟開關有時也被成為諧振開關。v 工作原理：工作原理：軟開關電路中S關斷后Lr與Cr間發生諧振，電路中電壓和電流的波形類似于正弦半波。諧振減緩了開關過程中電壓、電流的變化，而且使S兩端的電壓在其開通前就降為零。5 53.1.2 3.1.2 零電壓開關與零電流開關零電壓開關與零電流開關v 軟開關分類軟開關分類零電壓開關零電壓開

3、關：使開關開通前其兩端電壓為零，則開關開通時就不會產生損耗和噪聲，這種開通方式稱為零電壓開通，簡稱零電壓開關。UiCrSVDSLrVDLCARSuS (uCr)iLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5iSOOOOOa)b)圖5-1 零電壓開關準諧振電路及波形a）電路圖 b）理想化波形 （顯示放大圖）零電流開關零電流開關：使開關關斷前其電流為零，則開關關斷時也不會產生損耗和噪聲，這種關斷方式稱為零電流關斷，簡稱零電流開關。UiSVDLCRSuSiSuVDt0t1ttttOOOOa)b)圖5-2 硬開關電路及波形a）電路圖 b）理想化波形（顯示放大圖）5 53.1.2 3.1.2 零

4、電壓開關與零電流開關零電壓開關與零電流開關v 零電壓開通和零電流關斷要靠電路中的諧振來實現。v 零電壓關斷零電壓關斷：與開關并聯的電容能使開關關斷后電壓上升延緩，從而降低關斷損耗，有時稱這種關斷過程為零電壓關斷。v 零電流開通零電流開通：與開關相串聯的電感能使開關開通后電流上升延緩，降低了開通損耗，有時稱之為零電流開通。v 簡單的利用并聯電容實現零電壓關斷和利用串聯電感實現零電流開通一般會給電路造成總損耗增加、關斷過電壓增大等負面影響，因此是得不償失的。5 531.2 31.2 零電壓開關與零電流開關零電壓開關與零電流開關5 53.2 3.2 軟開關電路的分類軟開關電路的分類v 根據開關元件開

5、通和關斷時電壓電流狀態，分為零零電壓電路電壓電路和零電流電路零電流電路兩大類。v 根據軟開關技術發展的歷程可以將軟開關電路分成準諧振電路準諧振電路、零開關零開關PWMPWM電路電路和零轉換零轉換PWMPWM電路電路。v 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導出具體電路。圖 5-3 基本開關單元的概念（顯示放大圖）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VDSLLSVDLSVDVDSLa)b)c)d)5 53.2 3.2 軟開關電路的分類軟開關電路的分類1 1 準諧振電路準諧振電路v 準諧振

6、電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準諧振。v 為最早出現的軟開關電路，可以分為：零電壓開關準諧振電路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）；SVDLrLCrSVDLrLCr1Cr2SLrCrVDLa)b)c)圖 5-4 準諧振電路的基本開關單元（顯示放大圖）a）零電壓開關準諧振電路的基本開關單元 b）零電流開關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 5 53.2 3.2 軟開關電路的分類軟開關電路的分類零電流開關準諧振電路(Zero-Current-Switching Quasi-Res

7、onant ConverterZCS QRC）；零電壓開關多諧振電路(Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC）；用于逆變器的諧振直流環節(Resonant DC Link）。 v 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。5 53.2 3.2 軟開關電路的分類軟開關電路的分類2 2 零開關零開關PWMPWM電路電路

8、v 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。v 零開關PWM電路可以分為：零電壓開關PWM電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）；零電流開關PWM電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）。v 特點：特點：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。 SLrCrVDLS1SVDLrLCrS1a)b)圖5-3 零開關PWM電路的基本開關單元a）零電壓開關PWM電路的基本開關單元 b）零電流開關PW

9、M電路的基本開關單元 （顯示放大圖）5 53.2 3.2 軟開關電路的分類軟開關電路的分類3 3 零轉換零轉換PWMPWM電路電路v 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。v 零轉換PWM電路可以分為：零電壓轉換PWM電路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）；零電流轉換PWM電路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）。v 特點：特點：電路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。SL

10、rVDLS1CrVD1LrCrS1SVDVD1La)b)圖 5-6 零轉換PWM電路的基本開關單元a）零電壓轉換PWM電路的基本開關單元 b）零電流轉換PWM電路的基本開關單元（顯示放大圖）5 53.2 3.2 軟開關電路的分類軟開關電路的分類5 53.3.1 3.3.1 零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路UiCrSVDSLrVDLCAR圖5-7 零電壓開關準諧振電路原理圖（顯示放大圖）SuS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8 零電壓開關準諧振電路的理想化波形（顯示放大圖）v 工作原理工作原理 t0t1時段：t0時刻之前，開關S為通態

11、，二極管VD為斷態，uCr=0，iLr=ILt0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：（7-1）CrUi+uCrILA圖5-9 零電壓開關準諧振電路在t0t1時段等效電路（顯示放大圖）rrddCItuLC5 53.3.1 3.3.1 零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路5 53.3.1 3.3.1 零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路v 工作原理工作原理 t1t2時段：t1時刻二極管VD導通，

12、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。CrUi+uCriLr圖510 零電壓開關準諧振電路在t1t2時段等效電路（顯示放大圖）5 53.3.1 3.3.1 零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路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。t1到t4時段電路諧振過程的方程為：（7-2）t4t5時段：VDS導通，uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時刻，iLr=0。由于這一時段S兩端電壓為零，所以

13、必須在這一時段使開關S開通，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。t4到t6時段電流iLr的變化率為：（7-3）t6t0時段：S為通態，VD為斷態。 ,dddd41rirrrrirrr11tttIiUuituCUutiLLttLttCLCCLrirddLUtiL7.3.1 7.3.1 零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路v 諧振過程定量分析諧振過程定量分析求解式（7-2）可得uCr（即開關S的電壓uS）的表達式：（7-4）uCr的諧振峰值表達式（即開關S承受的峰值電壓）：（7-5）零電壓開關準諧振電路實現軟開關的條件：（7-6）v

14、 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。 ,1,)(sin)(41rrri1rrrrtttCLUttICLtuLCirrpUICLULirrUICLL7.3.2 7.3.2 諧振直流環諧振直流環v 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。 LrUiSCrVDS圖 5-11 諧振直流環電路原理圖（顯示放大圖）5 53.3.2 3.3.2 諧振直流環諧振直流環v 電路的工作過程：電路的工作過程：將電路等效為圖7-12。 t0t1時段：t0時刻之前，開

15、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。LrUiSCrVDSLiLr+uCrILR圖 5-12 諧振直流環電路的等效電路（顯示放大圖）t0t1t2t3t4t0iLruCrUiILttOO圖 5-13 諧振直流環電路的理想化波形 （顯示放大圖）5 53.3.2 3.3.2 諧振直流環諧振直流環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，

16、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導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關斷。v 缺點：缺點：電壓諧振峰值很高，增加了對開關器件耐壓的要求。 LrUiSCrVDSLiLr+uCrILR圖 5-12 諧振直流環電路的等效電路（顯示放大圖）t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 5-13 諧振直流環電路的理想化波形（顯示放大圖） 5 53.3 3.3 移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWMPWM電路電路v 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

17、為零電壓開通；v 移相全橋電路控制方式的特點：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?；閷堑膬蓪﹂_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。5 53.3.3 3.3.3 移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWMPWM電電路路S1S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2VD1LrLABUiuRCR+-圖 5-14 移相全橋零電壓開關PWM電路（顯

18、示放大圖）S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 5-15 移相全橋電路的理想化波形（顯示放大圖）5 53.3.3 3.3.3 移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWMPWM電路電路v 工作過程工作過程t0t1時段：S1與S4導通，直到t1時刻S1關斷。t1t2時段：t1時刻開關S1關斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr、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

19、管VDS2正處于導通狀態，因此S2為零電壓開通。iLriLkT:1CS1S4LrLVD1UiUo+CS2VDS2AR圖5-16 移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖（顯示放大圖）5 53.3.3 3.3.3 移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWMPWM電路電路t3t4時段：t4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。t4t5時段：S3開通后，Lr的電流繼續減小

20、。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。iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BR圖5-17 移相全橋電路在t3t4階段的等效電路（顯示放大圖）5 53.3.4 3.3.4 零電壓轉換零電壓轉換PWMPWM電路電路v 零電壓轉換PWM電路具有電路簡單、效率高等優點。LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR圖5-18 升壓型零電壓轉換PWM電路的原理圖（顯示放大圖）7.3.4 7.3.4 零電壓轉換零電壓轉換PWMPWM電路電路v 工作過程工作過程：輔助開關S1超前于

21、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。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。 LS1LriLrUiILCrVDS圖 5-20 升壓型零電壓轉換PWM電路在t1t2時段的等效電路（顯示放大圖）7.3.4 7.3.4 零電壓轉換零電壓轉換PWMPWM電路電路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

22、時刻S開通、S1關斷。t3t4時段：t3時刻S開通時，為零電壓開通。S開通的同時S1關斷，Lr中的能量通過VD1向負載側輸送，其電流線性下降，主開關S中的電流線性上升。t4時刻iLr=0，VD1關斷，主開關S中的電流iS=IL，電路進入正常導通狀態。t4t5時段：t5時刻S關斷。Cr限制了S電壓的上升率，降低了S的關斷損耗。SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖5-19 升壓型零電壓轉換PWM電路的理想化波形（顯示放大圖） 本章小結本章小結本章的重點為本章的重點為：1）軟開關技術通過在電路中引入諧振改善了開關的開關條件，大大降低了硬開

23、關電路存在的開關損耗和開關噪聲問題。2）軟開關技術總的來說可以分為零電壓和零電流兩類。按照其出現的先后，可以將其分為準諧振、零開關PWM和零轉換PWM三大類。每一類都包含基本拓撲和眾多的派生拓撲。3）零電壓開關準諧振電路、零電壓開關PWM電路和零電壓轉換PWM電路分別是三類軟開關電路的代表；諧振直流環電路是軟開關技術在逆變電路中的典型應用。圖7-1 零電壓開關準諧振電路及波形UiCrSVDSLrVDLCARSuS (uCr)iLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5iSOOOOOa)b)a）電路圖 b）理想化波形 圖7-2 硬開關電路及波形UiSVDLCRSuSiSuVDt0t1t

24、tttOOOOa)b)a）電路圖 b）理想化波形圖 7-3 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VDSLLSVDLSVDVDSLa)b)c)d)圖 7-4 準諧振電路的基本開關單元SVDLrLCrSVDLrLCr1Cr2SLrCrVDLa)b)c)a）零電壓開關準諧振電路的基本開關單元 b）零電流開關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 圖7-5 零開關PWM電路的基本開關單元SLrCrVDLS1SVDLrLCrS1a)b)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 7-6 零轉換PWM電路的基本開關單元SLrVDLS1CrVD1LrCrS1SVDVD