1、 引言 7.1 軟開關的基本概念 7.2 軟開關電路的分類 7.3 典型的軟開關電路 本章小結現代電力電子裝置的發展趨勢小型化、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。 7.1.1 硬開關和軟開關 7.1.2 零電壓開關和零電流開關l 硬開關： 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，波形出現明顯得過沖，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uiP0uituuiiP00l

2、軟開關： 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 軟開關的開關過程零電壓開通開關開通前其兩端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前其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的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的電感能延緩開關開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。當不指出是開通或是關斷，僅稱零電壓開關和零電流開關。靠電路中的諧振來實現。l 根據開關元件開通和關斷時電壓電流狀態，

3、分為零電壓電路和零電流電路兩大類。l 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、零開關PWM電路和l 零轉換PWM電路。l 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 1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：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

4、變，因此電路只能采用脈沖頻率調制Pulse Frequency ModulationPFM方式來控制。分別介紹三類軟開關電路可分為： 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 電壓開關多諧振電路 (Zero-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

5、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） 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：l 特點：特點：l電路在很寬的輸入電壓范圍內和從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。零負載到滿載都能工作在軟開關狀態。l電路中無功功率的交換被削減到最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。小，這使得電路效率有了進一步提高。b)零電流開關PWM電路的基本開關單元圖75 零開關PWM

6、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） 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：l 特點：l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。l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

7、 零電流轉換PWM電路Zero-Current Transition PWM ConverterZVT 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） 7.3.1 零電壓開關準諧振電路 7.3.2 諧振直流環 7.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路 7.3.4 零電壓轉換PWM電路1電路結構以降壓型為例分析工作原理。假設電感L和電容C很大，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

8、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：rrddCItuLC2工作原理t0t1時段的等效電路SS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO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 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，

9、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。t1t2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 零電壓開關準諧振電路原理圖 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

10、時刻，iLr=IL，VD關斷。 t6t0時段：S為通態，VD為斷態。缺點：諧振電壓峰值將高于缺點：諧振電壓峰值將高于輸入電壓輸入電壓Ui的的2倍，增加了對倍，增加了對開關器件耐壓的要求。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圖7-7 零電壓開關準諧振電路原理圖l 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。1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

11、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 t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO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：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 t2t3時段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時刻 uCr

12、=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導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關斷。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO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的要求。l 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。圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路1移相全橋

13、電路控制方式的特點：圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO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

14、的橋臂。圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形 2工作過程：圖 7-16 移相全橋電路在t0t1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：t1時刻開關

15、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管VDS2正處于導通狀態，因此S2為零電壓開通。t3t4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。圖 7-17移相全橋電路在t3t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLri

16、LruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形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。圖 7-14 移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖

17、7-15 移相全橋電路的理想化波形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。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l零電壓轉換PWM電路具有電路簡單、效率高等優點。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，

18、 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。圖 7-20 升壓型零電壓轉換PWM電路在t1t2時段的等效電路圖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。圖7-18 升壓型零電壓轉換PWM電