第8講開關(guān)技術(shù)

1、第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)1電力電子基礎(chǔ) fundamental power electronics 第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)2諧振軟開關(guān)電路諧振軟開關(guān)電路n引言n軟開關(guān)的基本概念n軟開關(guān)電路的分類n典型的軟開關(guān)電路n小結(jié)第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)31.引言引言n單純提高開關(guān)頻率使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，效率下降，頻率提高受限電磁干擾增大，電磁兼容變差n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)頻率第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)42.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)：n 開關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重

2、疊。n 電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過(guò)沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。t0a）硬開關(guān)的開通過(guò)程b）硬開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程硬開關(guān)的開關(guān)過(guò)程uip0uituuiip00第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)5軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)：軟開關(guān)：n 在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。n 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。uip0uitt0uip0uitt0a）軟開關(guān)的開通過(guò)程b）軟開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程軟開關(guān)的開關(guān)過(guò)程第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)6軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)的基本概念n 零電壓開通零電壓開通：開關(guān)開通開通前其兩端電壓電壓為零開通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。n 零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷：開

3、關(guān)關(guān)斷關(guān)斷前其電流電流為零關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。n 零電壓關(guān)斷零電壓關(guān)斷：與開關(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。n 零電流開通零電流開通：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。n 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)和零電流零電流開關(guān)開關(guān)。靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)7軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類n 根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時(shí)電壓電流狀態(tài)，分為零電零電壓電路壓電路和零電流電路零電流電路兩大類。n 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)準(zhǔn)諧振電路諧振電路、零開關(guān)零開關(guān)pwm電路電路和零

4、轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換pwm電路電路。n 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。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)8軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類基本開關(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)單元第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)9軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類三類軟開關(guān)電路三類軟開關(guān)電路1. 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。n 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，

5、電路中存在大量無(wú)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(lái)控制。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)10軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路n 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(resonant dc link）。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n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n零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 (zero

6、-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n零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 (zero-voltage-switching quasi-resonant converterzvs qrc）第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)11軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類2.2.零開關(guān)零開關(guān)pwmpwm電路電路 n 引入了輔助開關(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。n 零開關(guān)pwm電路可以分為： 零電壓開關(guān)pwm電路（zero-voltage-switching pwm converterzvs pwm） 零電流開關(guān)

7、pwm電路（zero-current-switching pwm converterzcs pwm）n 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(wú)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)單元零開關(guān)零開關(guān)pwmpwm電路的基本開關(guān)單元電路的基本開關(guān)單元a)零電壓開關(guān)pwm電路的基本開關(guān)單元第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)12軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類b）零電流轉(zhuǎn)換pwm電路的基本開關(guān)單元零轉(zhuǎn)換pwm電路的基本開關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路的基本開關(guān)單元3.3.零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換pwmpwm電路電路 n 采用輔助開關(guān)

8、控制諧振的開始時(shí)刻，但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的。n 零轉(zhuǎn)換pwm電路可以分為： 零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路（zero-voltage-transition pwm converterzvt pwm） 零電流轉(zhuǎn)換pwm電路（zero-current transition pwm converterzvt pwm）n 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(wú)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。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)133.典型的軟開關(guān)電路典型的軟開關(guān)電路n零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路n諧振直流環(huán)n移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路n零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路第

9、八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)14零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路降壓型降壓型 zvsqrc階段階段01()tt階段階段12()tt23()tt階段階段34()tt階段階段第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)15零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路工作原理工作原理n t0t1時(shí)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(shí)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(shí)vd兩端電壓uvd逐漸下降，直到t1時(shí)，uvd=0，vd導(dǎo)通。n t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻二極管vd導(dǎo)通，電感l(wèi)通

10、過(guò)vd續(xù)流，cr、lr、ui形成諧振回路。t2時(shí)刻，ilr下降到零，ucr達(dá)到諧振峰值。105ss (uc r)isilruvdt0t t2t3t4t6tttttttooooo零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)16零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路n t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，cr向lr放電，直到t3時(shí)刻，ucr=ui，ilr達(dá)到反向諧振峰值。n t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后，lr向cr反向充電，ucr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻ucr=0。n t4t5時(shí)段：ucr被箝位于零，ilr線性衰減，直到t5時(shí)刻，ilr=0。由于此時(shí)開關(guān)s兩端電壓為零，所以必須在此時(shí)開通s，才不會(huì)產(chǎn)生

11、開通損耗。n t5t6時(shí)段：s為通態(tài)，ilr線性上升，直到t6時(shí)刻，ilr=il，vd關(guān)斷。n t6t0時(shí)段：s為通態(tài)，vd為斷態(tài)。n 電路的缺點(diǎn)電路的缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓ui的2倍，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。105ss (uc r)isilruvdt0t t2t3t4t6tttttttooooo零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)17零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路階段階段01()tt階段階段12()tt23()tt階段階段34()tt階段階段第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)18諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)基本思想基本思想：n 在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使直流母線電壓高頻振蕩

12、，出現(xiàn)電壓過(guò)零時(shí)刻，為逆變電路功率器件提供了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)19諧振直流環(huán)節(jié)諧振直流環(huán)節(jié)特點(diǎn)：特點(diǎn)：n 逆變器直流母線電壓不再平直。n 逆變器的功率開關(guān)器件應(yīng)安排在過(guò)零時(shí)刻進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)操作。n 由于電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，而且在諧振過(guò)程中逆變電路的開關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時(shí)可將電路等效。n 直流環(huán)節(jié)諧振電壓峰值很高，增加了對(duì)開關(guān)器件的耐壓要求。等效電路諧振電路第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)20諧振直流環(huán)節(jié)諧振直流環(huán)節(jié)t0t1t2t3t4t0ilrucruinilttoo諧振直流環(huán)電路的理想化波形 諧振直流環(huán)電路的等效電路 工作原理工作原理n t 0

13、t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開關(guān)s處于通態(tài)，ilril。t0時(shí)刻s關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。ilr對(duì)cr充電，t1時(shí)刻，ucr=ui。n t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻，諧振電流ilr達(dá)到峰值。 t1時(shí)刻以后，ilr繼續(xù)向cr充電，直到t2時(shí)刻ilr=il，ucr達(dá)到諧振峰值。n t2t3時(shí)段：ucr向lr和l放電，ilr降低，到零后反向，直到t3時(shí)刻 ucr=ui。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)21諧振直流環(huán)節(jié)諧振直流環(huán)節(jié)n t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻，ilr達(dá)到反向諧振峰值，開始衰減，ucr繼續(xù)下降， t4時(shí)刻，ucr=0，s的反并聯(lián)二極管vds導(dǎo)通，ucr被箝位于零。n t4t0時(shí)段：s導(dǎo)通，電流ilr線性上升，直

14、到t0時(shí)刻，s再次關(guān)斷。n 電壓諧振峰值很高，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓耐壓的要求。t0t1t2t3t4t0ilrucruinilttoo諧振直流環(huán)電路的理想化波形 諧振直流環(huán)電路的等效電路 第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)22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n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(jiǎn)單。同硬開關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個(gè)諧振電感，就使四個(gè)開關(guān)均為零電壓開通。移相全橋零電壓開關(guān)pwm電路第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)23移相全橋型零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路電路電路控制方式的特點(diǎn)電路控制方式的特點(diǎn)：n 在開關(guān)周期ts內(nèi)，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小

15、于ts/2，而關(guān)斷時(shí)間都略大于ts/2；n 同一半橋中兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每個(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。n 互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)s1-s4和s2-s3，s1的波形比s4超前0ts/2時(shí)間，而s2的波形比s3超前0ts/2時(shí)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移相全橋電路的理想化波形移相全橋電路的理想化波形第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)24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

16、移相全橋電路在t0t1階段的等效電路s1s3s4s2uabulrilrut1urivd1ivd2ilt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttoooooooooooo移相全橋電路的理想化波形 工作過(guò)程：工作過(guò)程：n t0t1時(shí)段：s1與s4導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻s1關(guān)斷。n t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻開關(guān)s1關(guān)斷后，電容cs1、cs2與電感l(wèi)r、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。n t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻開關(guān)s2開通，由于此時(shí)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。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)25移相

17、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n t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻開關(guān) s4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè)vd1和vd2同時(shí)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(shí)刻s3開通。因此s3為零電壓開通。移相全橋電路在t3t4階段的等效電路s1s3s4s2uabulrilrut1urivd1ivd2ilt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttoooooooooooo移相全橋電路的理想化波形第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)26移相全橋型

18、零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)pwm電路電路n t4t5時(shí)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(shí)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。n t0t5是開關(guān)周期的一半，另一半工作過(guò)程完全對(duì)稱。移相全橋零電壓開關(guān)pwm電路s1s3s4s2uabulrilrut1urivd1ivd2ilt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttoooooooooooo移相全橋電路的理想化波形第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)27零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路電路工作過(guò)程：工作過(guò)程：n輔助開關(guān)s1超前于主開關(guān)s開通，s開通后s1關(guān)斷。n t0t1時(shí)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(zhǎng)， vd中的電流以同樣的速率下降。t1時(shí)刻，ilr=il，vd中電流下降到零，關(guān)斷。ss1usilris1us1idisilt0t1t2t3t4t5ttttttttoooooooo升壓型零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路及波形lscrs1lrvd1vdcui+uoililrivdvdsrn 零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)28零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換pwm電路電路n t1t2時(shí)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(shí)刻ucr=0