第5軟開關(guān)技術(shù)

1、第第5章章 軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù) 第5章 軟開關(guān)技術(shù) 引言現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢發(fā)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(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。 第5章 軟開關(guān)技術(shù) 引言pwm硬開關(guān)的局限性硬開關(guān)的局限性1熱學(xué)限制熱學(xué)限制 在感性負(fù)載關(guān)斷、容性負(fù)載開通時，電力電子開關(guān)器件承受很大的瞬時功耗。典型的500 v、200 a達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的gtr在開關(guān)過程中必須承受100kw的峰值功耗。一個周期內(nèi)器件的平均開關(guān)損耗一般占總平均損耗的30。40。隨著開

2、關(guān)頻率的提高，這種損耗成正比例的增加。 2二次擊穿限制二次擊穿限制第5章 軟開關(guān)技術(shù) 引言3電磁干擾限制電磁干擾限制 在高頻狀態(tài)下運(yùn)行時，開關(guān)器件本身的極間電容成為極重要的參數(shù)。尤其對m0sfet來說，由于采用門極絕緣柵結(jié)構(gòu)，它的極間電容較大，因此引起的開關(guān)能量損耗以及密勒效應(yīng)更為嚴(yán)重。在高電壓下開通時，電容貯能被器件本身吸收和耗散，溫升增加，極間電容電壓轉(zhuǎn)換時的d udt會耦合到輔入端產(chǎn)生電磁干擾(emi)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。此外極間電容與電路中的雜散電感形成振蕩也會干擾正常工作。4緩沖電路的限制緩沖電路的限制5.1 軟開關(guān)的基本概念 5.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)：開關(guān)過程中電壓和電流均不為

3、零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。t0a）硬開關(guān)的開通過程b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程圖51 硬開關(guān)的開關(guān)過程uip0uituuiip005.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān)軟開關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。uip0uitt0uip0uitt0a）軟開關(guān)的開通過程b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖52 軟開關(guān)的開關(guān)過程5.1.2 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)l 零電壓開通開關(guān)開通開通前其兩端電壓電壓為零開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。l 零電流關(guān)斷開關(guān)關(guān)斷關(guān)斷前其電流電流為零關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。l 零電壓關(guān)斷與

4、開關(guān)并聯(lián)并聯(lián)的電容電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。l 零電流開通與開關(guān)串聯(lián)串聯(lián)的電感電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。當(dāng)不指出是開通或是關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)零電流開關(guān)。靠電路中的諧振來實(shí)現(xiàn)。5.2 軟開關(guān)電路的分類根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時電壓電流狀態(tài)，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。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)零開關(guān)pwm電路電路和 零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換pwm電路電路。每一種軟開關(guān)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(guān)單元基本開關(guān)單元導(dǎo)出具體電路。5.2 軟開

5、關(guān)電路的分類圖53基本開關(guān)單元的概念a）基本開關(guān)單元b）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d）升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元5.2 軟開關(guān)電路的分類 1）準(zhǔn)諧振電路準(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。是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路。 特點(diǎn)特點(diǎn)：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(dǎo)通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulationpfm）方式來控制。分別介紹三類軟開關(guān)電路5.2 軟開關(guān)電路的分類可分為：用

6、于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(resonant dc link）。圖5-4 準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元c)零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元電壓開關(guān)多諧振電路 (zero-voltage-switching multi-resonantconverterzvs mrc）b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 (zero-current-switching quasi-resonant converterzcs qrc） a)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 (zero-voltage-switching quasi-resonant converterzv

7、s qrc）5.2 軟開關(guān)電路的分類 2）零開關(guān)pwm電路引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。零開關(guān)pwm電路可以分為： 特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。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(jìn)一步提高。b)零電流開關(guān)pwm電路的基本開關(guān)單元圖55 零開關(guān)pwm電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)pwm電路（zero-current-switching pwm converterzcs pwm）a)零電壓開關(guān)pwm電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)pwm電路（zero-voltage-switching pwm converte

8、rzvs pwm）5.2 軟開關(guān)電路的分類 3）零轉(zhuǎn)換pwm電路 采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻，但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的。零轉(zhuǎn)換pwm電路可以分為： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。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(jìn)一步提高。b）零電流轉(zhuǎn)換pwm電路的基本開關(guān)單元圖56 零轉(zhuǎn)換pwm電路的基本開關(guān)單元零電流轉(zhuǎn)換pwm電路（zero-current transition pwm converterzvt pwm）a）零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路的基本開關(guān)單元零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路（zero-voltage-transition pwm c

9、onverterzvt pwm）5.3 典型的軟開關(guān)電路 5.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路1）電路結(jié)構(gòu)以降壓型降壓型為例分析工作原理。假設(shè)電感l(wèi)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5-5 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖5.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路選擇開關(guān)s關(guān)斷時刻為分析的起點(diǎn)。t0t1時段：t0之前，開關(guān)s為通態(tài)，二極管vd為斷態(tài)，ucr=0，ilr=il ，t0時刻s關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容cr使s關(guān)斷后電壓上升減緩，因此s的關(guān)斷損耗減小。s關(guān)斷后，vd尚未導(dǎo)通。電感l(wèi)r+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(dǎo)通。

10、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5-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖5-5 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖5.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路t1t2時段：t1時刻二極管vd導(dǎo)通，電感l(wèi)通過vd續(xù)流，cr、lr、ui形成諧振回路。t2時刻，ilr下降到零，ucr達(dá)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(dá)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(xù)下降，直到t4時刻ucr=0。t1t2時段的等

11、效電路uss (ucr)isilruvdt0t1t2t3t4t6t0tttttt5ooooo圖5-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖5-5 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖5.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)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(guān)s兩端電壓為零，所以必須在此時開通s，才不會產(chǎn)生開通損耗。t5t6時段：s為通態(tài)，ilr線性上升，直到t6時刻，ilr=il，vd關(guān)斷。t6t0時段：s為通態(tài)，vd為斷態(tài)。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓ui的2倍，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。 ss (ucr)isilruvdt0t1t2t3t4t6t0ttt

12、ttt5ooooo圖5-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖5-5 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖5.3.2 諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)電路應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)（dc-link）。通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關(guān)的條件下。1）電路結(jié)構(gòu)圖 5-11 諧振直流環(huán)電路原理圖由于電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時可將電路等效。圖 5-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路 5.3.2 諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0ilrucruinilttoo圖 5-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形 圖 5-12 諧振直流環(huán)電路的

13、等效電路 t 0t1時段：t0時刻之前，開關(guān)s處于通態(tài)，ilril。t0時刻s關(guān)斷，電路中發(fā)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(dá)到峰值。 t1時刻以后，ilr繼續(xù)向cr充電，直到t2時刻ilr=il，ucr達(dá)到諧振峰值。2）工作原理5.3.2 諧振直流環(huán)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(dá)到反向諧振峰值，開始衰減，ucr繼續(xù)下降， t4時刻，ucr=0，s的反并聯(lián)二極管vds導(dǎo)通，ucr被箝位于零。t4t0時段：s導(dǎo)通，電流ilr線性上升，直到t0時刻，s再

14、次關(guān)斷。t0t1t2t3t4t0ilrucruinilttoo圖 5-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形 圖 5-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路 電壓諧振峰值很高，增加了對開關(guān)器件耐壓耐壓的要求。5.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)特點(diǎn)是電路簡單。同硬開關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，就使四個開關(guān)均為零電壓開通。圖 5-14 移相全橋零電壓開關(guān)pwm電路5.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路1）移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)特點(diǎn)：圖 5-14 移相全橋零電壓開關(guān)pwm電路s1s3s4s2uabulrilrut1urivd1ivd2

15、ilt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttoooooooooooo圖 5-15 移相全橋電路的理想化波形在開關(guān)周期ts內(nèi)，每個開關(guān)導(dǎo)通時間都略小于ts/2，而關(guān)斷時間都略大于ts/2；同一半橋中兩個開關(guān)不同時處于通態(tài)，每個開關(guān)關(guān)斷到另一個開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間。5.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路互為對角的兩對開關(guān)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。圖 5-14 移相全橋零電壓開關(guān)pwm電路s1s3s4s2uabulrilr

16、ut1urivd1ivd2ilt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttoooooooooooo圖 5-15 移相全橋電路的理想化波形5.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路 2）工作過程：圖 5-16 移相全橋電路在t0t1階段的等效電路s1s3s4s2uabulrilrut1urivd1ivd2ilt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttoooooooooooo圖 5-15 移相全橋電路的理想化波形t0t1時段：s1與s4導(dǎo)通，直到t1時刻s1關(guān)斷。t1t2時段：t1時刻開關(guān)s1關(guān)斷后，電容cs1、cs2與電感l(wèi)r、l

17、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vds2續(xù)流。t2t3時段：t2時刻開關(guān)s2開通，由于此時其反并聯(lián)二極管vds2正處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此s2為零電壓開通。t3t4時段：t3時刻開關(guān) s4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè)vd1和vd2同時導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零，相當(dāng)于短路，因此cs3、cs4與lr構(gòu)成諧振回路。lr的電流不斷減小，b點(diǎn)電壓不斷上升，直到s3的反并聯(lián)二極管vds3導(dǎo)通。這種狀態(tài)維持到t4時刻s3開通。因此s3為零電壓開通。5.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路圖 5-15移相全橋電路在t3t4階段的等效電路s1s3s4s2uabulrilr

18、ut1urivd1ivd2ilt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttttttttoooooooooooo圖 5-15 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(xù)減小。ilr下降到零后反向增大，t5時刻ilr=il/kt，變壓器二次側(cè)vd1的電流下降到零而關(guān)斷，電流il全部轉(zhuǎn)移到vd2中。t0t5是開關(guān)周期的一半，另一半工作過程完全對稱。5.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路圖 5-14 移相全橋零電壓開關(guān)pwm電路s1s3s4s2uabulrilrut1urivd1ivd2ilt0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8ttttttt

19、tttttoooooooooooo圖 5-15 移相全橋電路的理想化波形5.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路1）工作過程： 輔助開關(guān)s1超前于主開關(guān)s開通，s開通后s1關(guān)斷。 t0t1時段：，s1導(dǎo)通，vd尚處于通態(tài)，電感l(wèi)r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(guān)斷。圖5-18 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路的原理圖ss1usilris1us1idisilt0t1t2t3t4t5ttttttttoooooooo圖5-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路的理想化波形零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。5.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路t1t2時段：lr與cr構(gòu)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(dǎo)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