1、 軟開關技術分析2019第 41講7-2主要內容： 引言 10.1 軟開關的基本概念 10.2 軟開關電路的分類 10.3 典型的軟開關電路 本章小結7-31. 軟開關技術的引言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。 7-42. 軟開關的基本概念 10.1.1 硬開關和軟開關 10.1.2 零電壓開關和零電流開關7-51 ） 硬開關和軟開關 硬開關： 開關過程中電壓和電流均不為零，出現了重疊。 電壓、

2、電流變化很快，波形出現明顯的過沖，導致開關噪聲大。t0a硬開關的開通過程b硬開關的關斷過程圖101 硬開關的開關過程uiP0uituuiiP007-61） 硬開關和軟開關 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102 軟開關的開關過程7-72） 零電壓開關和零電流開關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，

3、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。通常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。7-82 . 軟開關電路的分類1根據開關元件開通和關斷時電壓電流狀態，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。2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電路和零轉換PWM電路。3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。7-92. 軟開關電路的分類圖103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

4、關單元7-102. 軟開關電路的分類1 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：7-112 軟開關電路的分類2可分為： 用于逆變器的諧振直流環節電路(Resonant DC Link）。圖10-4 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

5、關單元 零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）7-122. 軟開關電路的分類3 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

6、程前后。零開關PWM電路可以分為： 特點：特點： 電壓和電流基本上是方波，只是上升沿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。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電路不采用開關頻率固定的PWMPWM控制方控制方式。式。b)零電流開關PWM電路的基本開關單元圖105 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

7、 PWM）7-132. 軟開關電路的分類4 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：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。b零電流轉換PWM電路的基本開關單元圖106 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 Conver

8、terZVT PWM）7-143 . 典型的軟開關電路 10.3.1 零電壓開關準諧振電路 10.3.2 諧振直流環 10.3.3 移相全橋型零電壓開關PWM電路 10.3.4 零電壓轉換PWM電路7-151） 零電壓開關準諧振電路1（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10-7 零電壓開關準諧振電路原理圖7-161） 零電壓開關準諧振電路2選擇開關S關斷時刻為分析的起點。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

9、斷后，VD未導通，電路的等效電路如圖10-9（2工作原理t0t1時段的等效電路SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖10-8零電壓開關準諧振電路的理想波形圖10-7 零電壓開關準諧振電路原理圖t0t1時段： 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： （10-1）rrddCItuLCt1t2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。諧振過程中，Lr對Cr充電，uCr不斷上升，iLr不

10、斷下降， t2時刻，iLr下降到零，uCr達到諧振峰值。t1t2時段的等效電路t2t3時段： VD一直導通 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： VD導通著； t3時刻以后， Lr向Cr反向充電， uCr繼續下降，直到t4時刻uCr=0。 t1t4時段電路諧振過程的方程是： （10-2）,|,|4111tttIiUuidtduCUudtdiLLttLrittCrLrCrriCrLrrt4t5時段： T4時刻 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

11、通損耗。t5t6時段： t5時刻 S為通態， iLr線性上升，直到t6時刻， iLr=IL， VD關斷。 t4t6時段電流iLr的變化率為： （10-3）riLrLUdtdi7-23t6t0時段：S為通態，VD為斷態。電路工作的缺點如下：缺陷：諧振電壓峰值將高于缺陷：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 (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖10-8零電壓開關準諧振電路的理想波形u（3） t1t4時段電路諧振過程的定量分析 諧振過程是軟開關電路工作過程中最重要的部分，通過對

12、諧振過程的詳細分析可以得到很多對軟開關電路的分析、設計和應用具有指導意義的重要結論。 通過求解式10-2可求得uCr （即開關S上的電壓uS ）的表達式： （10-4） 求其在t1，t4上的最大值就得到uCr的諧振峰值表達式 這一諧振峰值就是開關S承受的峰值電壓： （10-5）,1,)(sin)(4112tttCLUttICLturrrirLrrCriLrrpUICLU2 從式10-4可以看出如果正弦項的幅值小于Ui，則uCr就不能諧振到零，S也不能實現零電壓開通，因此有式： （10-6） 就是零電壓開關準諧振電路實現軟開關的條件。 綜合10-5式和10-6式，諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的

13、2倍，開關S的耐壓必須相應地提高。 這就增加了電路的成本，降低了可靠性。 這是零電壓開關準諧振電路的一大缺點。iLrrUICL2 這樣電路實現了在零電壓時由斷到通的一個過程。 此時開通S，才不會產生開通損耗。 第41講到此結束。 同學們，再見。典型的軟開關電路諧振直流環2019第42-43講-17-29 諧振直流環1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 10-11 諧振直流環電路原理圖諧振直流環2 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

14、變的，因此分析時可將電路等效。 利用輔助開關S和Lr， Cr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。 怎樣工作的?圖 10-12 諧振直流環電路的等效電路 7-31諧振直流環3t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 10-13 諧振直流環電路的理想化波形 圖 10-12 諧振直流環電路的等效電路 如右圖的等效電路 t0時刻之前， 開關S處于通態， iLrIL。 即:電感Lr的電流iLr大于負載電流IL2工作原理t 0t1時段： t0時刻 S關斷，電路中發生諧振。因為iLrIL ，因此iLr對Cr充電，使電容器上電壓不斷升高。充電電流增大；到t1時刻， uCr=Ui

15、。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 10-13 諧振直流環電路的理想化波形 圖 10-12 諧振直流環電路的等效電路 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，但電流減小直到t2時刻電容器Cr充電結束，充電電流為零 iLr=IL， uCr達到諧振峰值。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 10-13 諧振直流環電路的理想化波形 圖 10-12 諧振直流環電路的等效電路 t2t3時段： t2時刻后， uCr向Lr和L放電，放電電流增大引起iLr降低，到零后自動反向，uCr繼續向Lr放電，其電壓值下降直到t

16、3時刻 uCr=Ui。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 10-13 諧振直流環電路的理想化波形 圖 10-12 諧振直流環電路的等效電路 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，并聯在開關S兩端的電容器上電壓uCr=0， S的反并聯二極管VDS導通， uCr被箝位于零。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 10-13 諧振直流環電路的理想化波形 圖 10-12 諧振直流環電路的等效電路 7-36t4t0時段：這段時間，控制S導通，是在零電壓下開通的。S再次導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再

17、次關斷。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 10-13 諧振直流環電路的理想化波形 圖 10-12 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。 我們敘述了開關S從斷開始引出的控制運動過程。在t4時刻后，S可在零電壓下開通，開關噪聲和損耗小。 而硬開關就不一樣了。 同零電壓開關準諧振電路一樣，諧振直流環電路中并聯在開關管兩端的電容器上所充的電壓很高，達到了Ui的兩倍值。 這樣對管子的耐壓提出了更高的要求。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 10-13 諧振直流環電路的理想化波形 圖 10-12 諧振直流環電路的等效電路 典

18、型的軟開關電路移相全橋型零電壓開關PWM電路2019第42-43講-27-393） 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Lr ，就使四個開關均為零電壓開通。圖 10-14 移相全橋零電壓開關PWM電路7-40移相全橋型零電壓開關PWM電路11移相全橋電路控制方式的特點：（1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；（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 10-14 移相全橋零電壓開關PWM電路7-

19、413） 移相全橋型零電壓開關PWM電路2 （3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。S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 10-15 移相全橋電路的理想化波形圖 10-14 移相全橋零電壓開關PWM電路7-423 移相全橋型零電壓開關PWM電路3 2工作過程：S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1

20、t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 10-15 移相全橋電路的理想化波形 t0t1時段：S1與S4導通，直到t1時刻開關S1關斷。圖 10-16 移相全橋電路在t1t2階段的等效電路t1t2時段：時段： t1時刻前S2處于關斷狀態，開關S1關斷后，其等效電路如下圖電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構成諧振回路， uA不斷下降，到t2時刻，uA=0，原來已關斷的S2上并聯的二極管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。所以開通S2無損

21、耗；S2開通后，電路狀態不會改變，電流iLr通過VDS2續流。iLr下降，直到t3時刻，S4關斷，7-45t3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。t3t4時段：時段：S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 10-15 移相全橋電路的理想化波形

22、圖 10-17移相全橋電路在t3t4階段的等效電路7-46S3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。t4t5時段：圖 10-14 移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 10-15 移相全橋電路的理想化波形需要說明的是：t0t5是開關周期的一半，另一半工作過程完全對稱。t5t6時段是S2和S3導通的， iLr電流反向t5t6時段：

23、這一時段，S2與S3導通，直到t6時刻開關S2關斷。t6t7時刻：t6時刻前S1處于關斷狀態，開關S2關斷后，其等效電路如下圖電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構成諧振回路， uB不斷下降，到t7時刻，uB=0，原來已關斷的S1上并聯的二極管VDS1導通，電流iLr通過VDS1續流。t7t8時刻：t7時刻開關S1開通，由于此時其反并聯二極管VDS1正處于導通狀態，因此S1為零電壓開通。所以開通S1無損耗；S1開通后，電路狀態不會改變，電流iLr通過VDS1續流。iLr下降，直到t8時刻，S3關斷，t8t9時刻：t8時刻開關 S3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

24、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點電壓不斷下降，直到S4反并聯二極管VDS4導通。這種狀態維持到t9時刻S4開通。因此S4為零電壓開通。t9t0時刻：S4開通后，Lr的電流繼續增大。iLr增大到零后下向增大，t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VD1中后面電路穩定在S1和S4導通階段.典型的軟開關電路零電壓轉換PWM電路2019-6第42-43講3 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。7-551零電壓轉換PWM電路工作過程： 在圖10-8的升壓斬波電路中，輔助開關S1

25、超前于主開關S開通，S開通后S1關斷。下面分析電路的工作過程：圖10-18 升壓型零電壓轉換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖10-19 升壓型零電壓轉換PWM電路的理想化波形t0t1時段： 這一時段：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， 二極管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。SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖10-19 升壓型零電壓轉換PWM電路的理想化波形7-57t1t2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，電容器上電壓uCr被箝位于零，而電流