開關(guān)電源-軟開關(guān)技術(shù)ppt課件

1、1 5.1 5.1 軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)的基本概念5.2 5.2 軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類5.3 5.3 典型的軟開關(guān)電路典型的軟開關(guān)電路 第第5 5章章 軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)2開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì) 小型化、輕量化，對(duì)效率和電磁兼容性也有很高要求。小型化、輕量化，對(duì)效率和電磁兼容性也有很高要求。電力電子裝置高頻化電力電子裝置高頻化 減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝置小型化、輕量化。減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝置小型化、輕量化。 開關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增大。開關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù) 降低

2、開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。 大幅度提高開關(guān)頻率。大幅度提高開關(guān)頻率。引言引言3v 5.1.1 硬開關(guān)與軟開關(guān)硬開關(guān)與軟開關(guān))()()(titutpSSSiSuSuSiSiSu5.1 5.1 軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)的基本概念硬開關(guān)：硬開關(guān)： 開關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊區(qū)。開關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊區(qū)。 電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖和振蕩，導(dǎo)致開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖和振蕩，導(dǎo)致開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。ttiupb)ttiupa)圖5-1 硬開關(guān)電路的開關(guān)過(guò)程 a) 硬開關(guān)開通過(guò)程 b) 硬開關(guān)關(guān)斷過(guò)程4硬開關(guān)過(guò)

3、程硬開關(guān)過(guò)程:產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲;2)開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降，發(fā)熱量增大，溫升提高，阻礙了開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降，發(fā)熱量增大，溫升提高，阻礙了開關(guān)頻率的提高；開關(guān)頻率的提高；3)開關(guān)噪聲給電路帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問題，影響周邊電子設(shè)備的正常工作。開關(guān)噪聲給電路帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問題，影響周邊電子設(shè)備的正常工作。 5軟開關(guān)：軟開關(guān)：在原來(lái)的開關(guān)電路中增加很小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換相網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)在原來(lái)的開關(guān)電路中增加很小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換相網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過(guò)程前后引入諧振過(guò)程，消除開關(guān)過(guò)

4、程中電壓、電流的重疊。過(guò)程前后引入諧振過(guò)程，消除開關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。tptiua)uttipb) 圖5-2 軟開關(guān)電路的開關(guān)過(guò)程 a) 軟開關(guān)開通過(guò)程 b) 軟開關(guān)關(guān)斷過(guò)程6v 5.1.2 5.1.2 零電壓開關(guān)與零電壓開關(guān)零電壓開關(guān)與零電壓開關(guān)l零電壓開通零電壓開通 開關(guān)開通前其兩端電壓為零開關(guān)開通前其兩端電壓為零,開通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。開通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。l零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷 開關(guān)關(guān)斷前電流為零開關(guān)關(guān)斷前電流為零,關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。 通常簡(jiǎn)稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。零電壓開通和零電流關(guān)斷主

5、要依靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常簡(jiǎn)稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。零電壓開通和零電流關(guān)斷主要依靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。l零電壓關(guān)斷零電壓關(guān)斷 開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速度，降低開關(guān)損耗。開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速度，降低開關(guān)損耗。7l零電流開通零電流開通 與開關(guān)相串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。與開關(guān)相串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。 簡(jiǎn)單地在硬開關(guān)電路中給開關(guān)并聯(lián)電容或串聯(lián)電感，不僅不會(huì)降低開關(guān)損耗，還會(huì)帶簡(jiǎn)單地在硬開關(guān)電路中給開關(guān)并聯(lián)電容或串聯(lián)電感，不僅不會(huì)降低開關(guān)損耗，還會(huì)帶來(lái)總損耗增加、關(guān)斷過(guò)電壓增大等負(fù)面問題。

6、來(lái)總損耗增加、關(guān)斷過(guò)電壓增大等負(fù)面問題。85.2 5.2 軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類v根據(jù)電路中主開關(guān)是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可分成零電壓電路和零電流電路兩根據(jù)電路中主開關(guān)是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可分成零電壓電路和零電流電路兩大類。大類。v根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展歷程可分為準(zhǔn)諧振電路、零電壓根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展歷程可分為準(zhǔn)諧振電路、零電壓PWM電路和零轉(zhuǎn)換電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。電路。v每種軟開關(guān)電路都可用于降壓型、升壓型等不同電路，因此可以由基本開關(guān)單元導(dǎo)出每種軟開關(guān)電路都可用于降壓型、升壓型等不同電路，因此可以由基本開關(guān)單元導(dǎo)出具體電路。具體電路。9圖圖5-3 基本開關(guān)單元的概念基本

7、開關(guān)單元的概念 a) 基本開關(guān)單元基本開關(guān)單元 b) 降壓斬波器中的基本開關(guān)單元降壓斬波器中的基本開關(guān)單元 c) 升壓斬波器中的基本開關(guān)單元升壓斬波器中的基本開關(guān)單元 d) 升壓斬波器中的基本開關(guān)單元升壓斬波器中的基本開關(guān)單元SLVDa)SLVDb)d)SVDLc)LVDS105.2.1 5.2.1 準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路 準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。這是最早出現(xiàn)的一類準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。這是最早出現(xiàn)的一類軟開關(guān)電路，有些現(xiàn)在還在使用。軟開關(guān)電路，有些現(xiàn)在還在使用。 諧振的引入使得電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降，但也帶來(lái)一些

8、負(fù)面問題：諧振的引入使得電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降，但也帶來(lái)一些負(fù)面問題： 諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高； 諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無(wú)功功率的交換，造成電路導(dǎo)通損耗諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無(wú)功功率的交換，造成電路導(dǎo)通損耗加大；加大； 諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能 采用脈沖頻率調(diào)制（采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式來(lái)控制，變頻的開關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。方式來(lái)控制，變頻的開關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。11準(zhǔn)諧振電路可分為：準(zhǔn)諧振電路可分為：q零電

9、壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）q零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）q零電壓開關(guān)多諧振電路（零電壓開關(guān)多諧振電路（Zero-Voltage-Switch Multi-Redonant ConverterZVS MRC）SLVDa) 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元rLrCrCrLSLVDb) 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單

10、元零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元SLVDrL1rC2rCc) 零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元125.2.2 5.2.2 零開關(guān)零開關(guān)PWMPWM電路電路q引入輔助開關(guān)來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后。引入輔助開關(guān)來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后。q零開關(guān)零開關(guān)PWM電路可分為零電壓開關(guān)電路可分為零電壓開關(guān)PWM電路（電路（ZVS PWM）和零電流開關(guān)）和零電流開關(guān)PWM電路電路（ZCS PWM）。）。q特點(diǎn)：特點(diǎn)： 電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可電壓和電流基本上是方波，只是

11、上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式?？刂品绞健LVDrCrL1Sa) 零電壓開關(guān)零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單電路的基本開關(guān)單元元SLVDrLrC1Sb) 零電流開關(guān)零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單電路的基本開關(guān)單元元135.2.3 5.2.3 零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路q采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)。采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)。q零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM電路可分為零電壓轉(zhuǎn)換電路可分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（電路（ZVT PWM）和零電流轉(zhuǎn)換）和零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（電路（

12、ZCT PWM）。）。q特點(diǎn)：特點(diǎn)： 輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都工作在軟開關(guān)狀態(tài)。零負(fù)載到滿載都工作在軟開關(guān)狀態(tài)。 電路中無(wú)功功率的交換被削弱到最小，這使得電路效率進(jìn)一步提高。電路中無(wú)功功率的交換被削弱到最小，這使得電路效率進(jìn)一步提高。rLrC1S1VDSLVDa) 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元電路的基本開關(guān)單元SLVDrLrC1VD1Sb) 零電流轉(zhuǎn)換零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元電路的基本開關(guān)單元145.3 5.3 典型的軟開關(guān)電路典型

13、的軟開關(guān)電路v 5.3.1 零電壓準(zhǔn)諧振電路零電壓準(zhǔn)諧振電路v 5.3.3 有源鉗位正激型電路有源鉗位正激型電路v 5.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路v 5.3.2 移相全橋型零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路電路155.3.1 5.3.1 零電壓準(zhǔn)諧振電路零電壓準(zhǔn)諧振電路1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 假設(shè)電感L和電容C都很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri圖圖5 - 7降壓型降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖162.工作原理工作原理CruLIiU+rCA圖圖5-9 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在零電壓開關(guān)

14、準(zhǔn)諧振電路在 時(shí)段等效電路時(shí)段等效電路0t1tSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t圖圖5 8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri圖圖5 - 7降壓型降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖電路原理圖17iUCrurC+rLLri圖圖5-10 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在 時(shí)段等效電路時(shí)段等效電路1t2tSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t圖圖5 8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形rCrLSR

15、LAVD+-CiUSVDDuLri圖圖5 - 7降壓型降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖電路原理圖18 時(shí)段：時(shí)段： 時(shí)刻后，時(shí)刻后， 向向 放電，放電， 改變方改變方向，向， 不斷下降，不斷下降， 直到直到 時(shí)刻，時(shí)刻， = ， 達(dá)到反向諧振峰值。達(dá)到反向諧振峰值。 時(shí)段：時(shí)段： 時(shí)刻后，時(shí)刻后， 向向 反向充電，反向充電， 繼續(xù)下降，直到繼續(xù)下降，直到 時(shí)刻時(shí)刻 =0。2t3t2trCrLLriCru3tCruiULri3t4t3trLrCCru4tCruSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t圖圖5 8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓

16、開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri圖圖5 - 7降壓型降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖電路原理圖19 時(shí)段： 被鉗位于零， 線性衰減，直到 時(shí)刻， =0。由于這一時(shí)段S兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開關(guān)S開通，才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。 時(shí)段：S為通態(tài)， 線性上升，直到 時(shí)段， = ，VD關(guān)斷。 時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。4t5tCruLri5tLri5t6t6tLri6tLriLI0t缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓的兩倍，增缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓的兩倍，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求，增加了電路的成本，加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求，增

17、加了電路的成本，降低了可靠性。降低了可靠性。Sttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t圖圖5 8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形205.3.3 5.3.3 有源鉗位正激型電路有源鉗位正激型電路 該電路變壓器二次側(cè)的結(jié)構(gòu)與普通正激型電路一樣，不同的是一次電路結(jié)構(gòu)。該電路沒該電路變壓器二次側(cè)的結(jié)構(gòu)與普通正激型電路一樣，不同的是一次電路結(jié)構(gòu)。該電路沒有復(fù)位繞組，而是采用含有反并聯(lián)二極管的開關(guān)有復(fù)位繞組，而是采用含有反并聯(lián)二極管的開關(guān)S1和電容和電容C1構(gòu)成復(fù)位電路。構(gòu)成復(fù)位電路。iU1C1SLCRS1N2N2VD1VD圖5-20 有源鉗

18、位正激型電路211.1.工作過(guò)程工作過(guò)程0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000圖5-22 有源鉗位正激型電路的波形 iU1N2N1VD2VD1CSCRmi1SSiLi1Dia) 有源鉗位正激型電路在 時(shí)段的等效電路0t1t iU1N2N1VD2VD1CSCRmi1SLib) 有源鉗位正激型電路在 時(shí)段的等效電路2t1t1t2t1VD2VD 時(shí)段：主開關(guān)時(shí)段：主開關(guān)S開通，二極管開通，二極管 通，通， 斷，電感斷，電感L的電流增長(zhǎng)，變壓器的勵(lì)磁電流的電流增長(zhǎng)，變壓器的勵(lì)磁電流 也線性增長(zhǎng)。也線性增長(zhǎng)。 0t1t1VD2VDmimi1S1C 時(shí)段：時(shí)段：S關(guān)斷，二極管

19、關(guān)斷，二極管 斷，斷， 通，電感通，電感L的電流下降。變壓器的勵(lì)磁電流的電流下降。變壓器的勵(lì)磁電流 通過(guò)通過(guò) 的反的反并二極管向電容并二極管向電容 充電。充電。22 iU1CCRS1S1N2N1VD2VDmiLi2Dic) 有源鉗位正激型電路在 時(shí)段的等效電路2t3t iU1CCRS1S1N2N1VD2VDmi2DiLiDid) 有源鉗位正激型電路在 時(shí)段的等效電路3t4t 時(shí)段：開關(guān)時(shí)段：開關(guān) 開通，由于開通，由于 開通前其反開通前其反并二極管處于通態(tài)，其兩端電壓為零，因此并二極管處于通態(tài)，其兩端電壓為零，因此 為零電壓開通。在此期間，變壓器勵(lì)磁電流為零電壓開通。在此期間，變壓器勵(lì)磁電流 線

20、線性下降，性下降， 時(shí)刻下降到零。時(shí)刻下降到零。2t3t3t1S1S1Smi 時(shí)段：變壓器勵(lì)磁電流時(shí)段：變壓器勵(lì)磁電流 到零后反向，到零后反向， 反過(guò)來(lái)向變壓器勵(lì)磁電感放電，勵(lì)磁電流由零變反過(guò)來(lái)向變壓器勵(lì)磁電感放電，勵(lì)磁電流由零變?yōu)樨?fù)值，直到為負(fù)值，直到 時(shí)刻時(shí)刻 關(guān)斷。關(guān)斷。3t4t4t1Smi1C0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000圖5-22 有源鉗位正激型電路的波形23 iU1CS1N2NmiSiLi2Di1VD2VDRLCe) 有源鉗位正激型電路在 時(shí)段的等效電路5t4t時(shí)段：時(shí)段： 關(guān)斷時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電關(guān)斷時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電流方向?yàn)橛上孪蛏希鞣较驗(yàn)?/p>

21、由下向上， 關(guān)斷后，勵(lì)磁電流流過(guò)關(guān)斷后，勵(lì)磁電流流過(guò)主開關(guān)的反并聯(lián)二極管，主開關(guān)的反并聯(lián)二極管， 時(shí)刻，開通，時(shí)刻，開通，此時(shí)的反并聯(lián)二極管處于通態(tài)，兩端電壓此時(shí)的反并聯(lián)二極管處于通態(tài)，兩端電壓為零，所以為零電壓開通。為零，所以為零電壓開通。4t5t1S1S4t0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000圖5-22 有源鉗位正激型電路的波形242.2.特點(diǎn)特點(diǎn)主開關(guān)主開關(guān)S工作在零電壓開通條件，開關(guān)損耗顯著降低工作在零電壓開通條件，開關(guān)損耗顯著降低。存在變壓器勵(lì)磁電流為負(fù)值的工作狀態(tài)，這意味著變壓器的磁通在工作過(guò)程中可存在變壓器勵(lì)磁電流為負(fù)值的工作狀態(tài)，這意味著變壓器的

22、磁通在工作過(guò)程中可以從正值變化為負(fù)值，工作在磁化曲線的以從正值變化為負(fù)值，工作在磁化曲線的、兩個(gè)象限。因此兩個(gè)象限。因此有源鉗位正激型電有源鉗位正激型電路的變壓器的磁心利用率大大提高路的變壓器的磁心利用率大大提高，表現(xiàn)為同等功率的電路時(shí)，磁心尺寸可以很小，表現(xiàn)為同等功率的電路時(shí)，磁心尺寸可以很小，繞組匝數(shù)可以減小，從而變壓器的體積和重量可降低。繞組匝數(shù)可以減小，從而變壓器的體積和重量可降低。省去了復(fù)位繞組，變壓器的制造工藝可以簡(jiǎn)化，有利于減低成本。省去了復(fù)位繞組，變壓器的制造工藝可以簡(jiǎn)化，有利于減低成本。 由于有源鉗位正激型電路具有諸多優(yōu)點(diǎn)，而且開關(guān)數(shù)量較移相全橋零電壓開關(guān)由于有源鉗位正激型電

23、路具有諸多優(yōu)點(diǎn)，而且開關(guān)數(shù)量較移相全橋零電壓開關(guān)PWM電電路少，電路中的諧振電壓和電流又明顯小于零電壓準(zhǔn)諧振電路，該電路被廣泛應(yīng)用于中小路少，電路中的諧振電壓和電流又明顯小于零電壓準(zhǔn)諧振電路，該電路被廣泛應(yīng)用于中小功率密度的電源裝置中，典型的例子是模塊化的隔離型功率密度的電源裝置中，典型的例子是模塊化的隔離型DC-DC變換器。變換器。255.3.4 5.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路是另一種常用的軟開關(guān)電路，具有電路簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)，廣電路是另一種常用的軟開關(guān)電路，具有電路簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正（泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正（PF

24、C）電路、）電路、DC-DC變換器、斬波器等。由于該電路在升壓型變換器、斬波器等。由于該電路在升壓型PFC中的廣泛應(yīng)用，特以升壓型電路為例，介紹這種軟開關(guān)電路的工作原理。中的廣泛應(yīng)用，特以升壓型電路為例，介紹這種軟開關(guān)電路的工作原理。iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL圖5-23 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖26工作過(guò)程分析：工作過(guò)程分析： 在分析中，假設(shè)電感L和電容C都很大，并忽略器件與線路中的損耗。iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL圖5-23 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖S1SSuLriLI1Si1SuDiSi0t1t2t3t4t5

25、t000000000ttttttttt圖5-24 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形 時(shí)段：輔助開關(guān)時(shí)段：輔助開關(guān) 先于先于S開通，電感開通，電感電流電流 迅速增長(zhǎng)，二極管迅速增長(zhǎng)，二極管VD中的電流以同樣的中的電流以同樣的速率下降。直到速率下降。直到 時(shí)刻，二極管時(shí)刻，二極管VD中電流下降到中電流下降到零，二極管自然關(guān)斷。零，二極管自然關(guān)斷。0t1t1tLri 時(shí)段：時(shí)段： 與與 構(gòu)成諧振回路。的電構(gòu)成諧振回路。的電流增加而流增加而 的電壓下降，的電壓下降， 時(shí)刻，其電壓時(shí)刻，其電壓 剛好剛好下降到零，開關(guān)下降到零，開關(guān)S的反并二極管的反并二極管 導(dǎo)通，導(dǎo)通， 被鉗位被鉗位于零，而電流于

26、零，而電流 保持不變。保持不變。1t2t2tLrirLrLrCrCCruCruSVD1t2tiUSVDrCLrL1SLriLI圖5-25 升壓型電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在 時(shí)段的等效電路27iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL圖5-23 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖 時(shí)段：時(shí)段： 被鉗位于零，而電流被鉗位于零，而電流 保持保持不變，這種狀態(tài)一直保持到不變，這種狀態(tài)一直保持到 時(shí)刻時(shí)刻S開通、開通、 關(guān)關(guān)斷。斷。2t3t3t1SCruLri 時(shí)段：時(shí)段： 時(shí)刻時(shí)刻S開通時(shí)，為零電壓開通。開通時(shí)，為零電壓開通。S開通的同時(shí)，開通的同時(shí)， 中的能量通過(guò)中的能量通過(guò) 向負(fù)載側(cè)輸送

27、，向負(fù)載側(cè)輸送，主開關(guān)主開關(guān)S中的電流線性上升。中的電流線性上升。 時(shí)刻，時(shí)刻， ， 關(guān)關(guān)斷，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。斷，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。 3t3t4t4trL1VD0Lri1VD 時(shí)段：時(shí)段： 時(shí)刻，時(shí)刻，S關(guān)斷，由于關(guān)斷，由于 的存在，的存在，S關(guān)斷時(shí)電壓上升率受到限制，降低了關(guān)斷時(shí)電壓上升率受到限制，降低了S的關(guān)斷損的關(guān)斷損耗。耗。4t5t5trCS1SSuLriLI1Si1SuDiSi0t1t2t3t4t5t000000000ttttttttt圖5-24 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形285.3.2 5.3.2 移相全橋型零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)PWMPWM電路電路A

28、BLCR+-.iU1S2S3S4S1TURU1SC2SC3SC4SCrL圖圖5 11 移相全橋型零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路電路29（1）在一個(gè)開關(guān)周期）在一個(gè)開關(guān)周期 內(nèi)，每一個(gè)開關(guān)處于通態(tài)和斷態(tài)的時(shí)間是固定不變的。內(nèi)，每一個(gè)開關(guān)處于通態(tài)和斷態(tài)的時(shí)間是固定不變的。導(dǎo)通時(shí)間略小于導(dǎo)通時(shí)間略小于 TS/2，而關(guān)斷時(shí)間略大于，而關(guān)斷時(shí)間略大于TS/2 。（2）同一個(gè)半橋，上下兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)處于通態(tài)，每一個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)）同一個(gè)半橋，上下兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)處于通態(tài)，每一個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間。開關(guān)開通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間。（3）互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)）互為對(duì)角的

29、兩對(duì)開關(guān)S1- S4 和和 S2- S3的開關(guān)函數(shù)的波形，的開關(guān)函數(shù)的波形，S1的波形比的波形比S4超前，而超前，而S2的波形比的波形比S3超前，因此稱超前，因此稱S1和和S2為超前橋臂，而稱為超前橋臂，而稱S3和和S4為滯后橋?yàn)闇髽虮?。臂。ST1.移相全橋開關(guān)移相全橋開關(guān)PWM電路控制方式特點(diǎn)：電路控制方式特點(diǎn)：（4）超前時(shí)間）超前時(shí)間t t，則占空比為，則占空比為1/2stDT 30ttttttttt1S2S3S4SLriABu1TuLruRuLi1Di2Di8t9t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t圖圖5-12 移相全橋型電壓開關(guān)移相全橋型電壓開關(guān)PWM電路的理電路的理想化波

30、形想化波形2.工作過(guò)程：工作過(guò)程： t0 t1時(shí)段：S1與S4都處于通態(tài)，直到 t1時(shí)刻，S1關(guān)斷。 t1 t2時(shí)段：t1時(shí)刻，開關(guān)S1關(guān)斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，電流 iLr通過(guò)VDS2續(xù)流。 t2 t3時(shí)段：t2時(shí)刻S2開通，由于此時(shí)其反并二極管VDS2 處于通態(tài)，因此S2為零電壓開通。ALCR.+-iULriLi1SC2SCrL4S2SVD1:TkOU圖5-13 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路在 階段的等效電路1t2t1S31BLCR+-.iU2SLrirL3SC4SC3SVD1VD2VDLi圖5-14 移相全橋型零電壓

31、開關(guān)PWM電路在 階段的等效電路3t4t t3t4時(shí)段：時(shí)段：t4時(shí)刻時(shí)刻 S4 關(guān)斷，變壓器一關(guān)斷，變壓器一次側(cè)整流二極管次側(cè)整流二極管VD1和和VD2同時(shí)導(dǎo)通，變壓器同時(shí)導(dǎo)通，變壓器一次和二次電壓均為零，相當(dāng)于短路，因此變一次和二次電壓均為零，相當(dāng)于短路，因此變壓器一次側(cè)壓器一次側(cè)CS3、CS4與與Lr構(gòu)成諧振回路。諧振構(gòu)成諧振回路。諧振電感電感Lr的電流不斷減小，的電流不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，點(diǎn)電壓不斷上升，直到直到S3的反并二極管的反并二極管VDS3導(dǎo)通。這種狀態(tài)維導(dǎo)通。這種狀態(tài)維持到持到t4時(shí)刻，時(shí)刻，S3開通，因此開通，因此S3是零電壓開通。是零電壓開通。ttttttttt1S

32、2S3S4SLriABu1TuLruRuLi1Di2Di8t9t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t圖圖5-12 移相全橋型電壓開關(guān)移相全橋型電壓開關(guān)PWM電路的理電路的理想化波形想化波形32ABLCR+-.iU1S2S3S4S1TURU1SC2SC3SC4SCrL圖圖5 11 移相全橋型零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路電路 t4 t5時(shí)段：時(shí)段：S3開通后，諧振電感開通后，諧振電感Lr的的電流繼續(xù)減小。電感電流電流繼續(xù)減小。電感電流 iLr下降到零后反向下降到零后反向增大，直到增大，直到t5時(shí)，時(shí)，iLr=IL/kT，變壓器二次側(cè)整，變壓器二次側(cè)整流管流管VD1的電流下降到零

33、而關(guān)斷，電流的電流下降到零而關(guān)斷，電流IL全全部轉(zhuǎn)移到部轉(zhuǎn)移到VD2中。中。 t0 t5時(shí)段正好是開關(guān)周期的一半，另一時(shí)段正好是開關(guān)周期的一半，另一半開關(guān)周期電路的工作過(guò)程與其完全對(duì)稱。半開關(guān)周期電路的工作過(guò)程與其完全對(duì)稱。ttttttttt1S2S3S4SLriABu1TuLruRuLi1Di2Di8t9t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t圖圖5-12 移相全橋型電壓開關(guān)移相全橋型電壓開關(guān)PWM電路的理電路的理想化波形想化波形333.3.移相全橋型零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)PWMPWM電路存在的問題：電路存在的問題：占空比丟失現(xiàn)象占空比丟失現(xiàn)象 在變壓器支路中串入了諧振電感在變

34、壓器支路中串入了諧振電感Lr，電感兩端壓降會(huì)導(dǎo)致實(shí)際輸出電壓比按占空比計(jì)，電感兩端壓降會(huì)導(dǎo)致實(shí)際輸出電壓比按占空比計(jì)算得到的值有所降低。表現(xiàn)為變壓器二次側(cè)的實(shí)際占空比小于一次側(cè)開關(guān)電路的占空比，算得到的值有所降低。表現(xiàn)為變壓器二次側(cè)的實(shí)際占空比小于一次側(cè)開關(guān)電路的占空比，即部分占空比丟失。即部分占空比丟失。占空比定義為占空比定義為： 在在 t3 t5和和t8 t0的時(shí)段內(nèi)，電路處于續(xù)流狀態(tài)，因此這兩個(gè)時(shí)段被稱為占空比丟失的時(shí)段內(nèi)，電路處于續(xù)流狀態(tài)，因此這兩個(gè)時(shí)段被稱為占空比丟失時(shí)間，丟失的占空比為：時(shí)間，丟失的占空比為： 21STtDSiTLrTUkILD234l 占空比丟失給電路性能帶來(lái)不利

35、影響，為了保證在丟失占空比的情況下，電路仍占空比丟失給電路性能帶來(lái)不利影響，為了保證在丟失占空比的情況下，電路仍能達(dá)到所要求的輸出電壓，變壓器的電壓比必須適當(dāng)減小，而這又會(huì)導(dǎo)致變壓器一次能達(dá)到所要求的輸出電壓，變壓器的電壓比必須適當(dāng)減小，而這又會(huì)導(dǎo)致變壓器一次電流增大，加重了一次電路的負(fù)擔(dān)。電流增大，加重了一次電路的負(fù)擔(dān)。l 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照最惡劣的情況計(jì)算，并保證在最大占空比丟失的情況下，電路仍設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照最惡劣的情況計(jì)算，并保證在最大占空比丟失的情況下，電路仍能輸出所要求的電壓。另一方面，在滿足電路軟開關(guān)要求的前提下，諧振電感應(yīng)盡量能輸出所要求的電壓。另一方面，在滿足電路軟開關(guān)要求的前提下

36、，諧振電感應(yīng)盡量小，以減小占空比丟失。小，以減小占空比丟失。35電路的軟開關(guān)條件 以超前橋臂中以超前橋臂中 S1 S2的換相過(guò)程為例，的換相過(guò)程為例， t1 t2時(shí)段時(shí)段內(nèi)，將變壓器二次側(cè)的元件參數(shù)及變量按電壓比內(nèi)，將變壓器二次側(cè)的元件參數(shù)及變量按電壓比kT折算折算到變壓器一次側(cè)，有到變壓器一次側(cè)，有 。計(jì)算電壓。計(jì)算電壓 從從 降為降為零的時(shí)間零的時(shí)間 的波動(dòng)很小，可以認(rèn)為的波動(dòng)很小，可以認(rèn)為 ，則有，則有只有超前橋臂換相的死區(qū)時(shí)間只有超前橋臂換相的死區(qū)時(shí)間 大于諧振時(shí)大于諧振時(shí)間間 ，才能使，才能使S2開通前，其兩端電壓降為零。所以超開通前，其兩端電壓降為零。所以超前橋臂的零電壓開關(guān)條件為：前橋臂的零電壓開關(guān)條件為： TLLrkii)(tuAiULrIiCCUt)(21LioLIi oiTICCUkt)(21121ttttOiTICCUkt)(211A+-+-iU1SC2SCLrirL2SVD4STLkiLkT2oCRoTUk圖5-15 將變壓器二次側(cè)折算到一次側(cè)后的等效電路A+-iULri1C2C圖5-16 超前橋臂的諧