軟開關(guān)技術(shù)課件

1、第第8 8章章 軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù) 引言引言 8.1 8.1 軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)的基本概念 8.2 8.2 軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類 8.3 8.3 典型的軟開關(guān)電路典型的軟開關(guān)電路現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢小型化和輕量化小型化和輕量化對效率和電磁兼容性也有更高的要求。對效率和電磁兼容性也有更高的要求。高頻化高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化和輕量化。裝置小型化和輕量化。開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)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。進(jìn)一

2、步提高開關(guān)頻率。進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。 8.1 8.1 軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)的基本概念 8.1.1 8.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)和軟開關(guān) 8.1.2 8.1.2 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)8.1.1 8.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)：硬開關(guān)：開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，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)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。致開關(guān)噪聲。圖圖8 81 1 硬開關(guān)的開關(guān)過程硬開關(guān)的開關(guān)過程t t0 0a a）硬開關(guān)的開通過程）硬開關(guān)的開通過程b b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程）

3、硬開關(guān)的關(guān)斷過程u ui iP P0 0u ui it tu uu ui ii iP P0 00 0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。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。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。u ui iP P0 0u ui it tt t0 0u ui iP P0 0u ui it tt t0 0a a）軟開關(guān)的開通過程）軟開關(guān)的開通過程b b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖圖8 82 2 軟開關(guān)的開關(guān)過程軟開關(guān)的開關(guān)過程8.1.2 8.1.2

4、 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) 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不會產(chǎn)生損耗和噪聲。開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。 零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷 開關(guān)關(guān)斷前其電流為零開關(guān)關(guān)斷前其電流為零關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。 零電壓關(guān)斷零電壓關(guān)斷 與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。降低關(guān)斷損耗。 零電流開通零電流開通 與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低與開關(guān)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。了開通損耗。8.2

5、 8.2 軟開關(guān)電路的分類軟開關(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)，根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。分為零電壓電路和零電流電路兩大類。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)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、零開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWMPWM電路和電路和零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWMPWM電路。電路。8.2 8.2 軟開關(guān)電路的分類軟開關(guān)電路的分類 1 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。此稱之為準(zhǔn)諧振。是最早出現(xiàn)

6、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；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)制只能采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Pulse Frequency ModulationModulationPFMPFM）方式來控制。方式來控制。分別介紹三類軟開關(guān)電路分別介紹三類軟開關(guān)電路 2 2）零開關(guān)）零開關(guān)PWMPWM電路電

7、路 引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻，使諧引入了輔助開關(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。振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。 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。沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低。 電路可用開關(guān)頻率固定的電路可用開關(guān)頻率固定的PWMPWM控制方式?？刂品绞健? 3）零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路 采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻，但諧振電路采用輔助開關(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。是與主開關(guān)并聯(lián)的。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)載到滿電路在很寬的輸入

8、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)。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。電路效率有了進(jìn)一步提高。8.3 8.3 典型的軟開關(guān)電路典型的軟開關(guān)電路 8.3.1 8.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 8.3.2 8.3.2 諧振直流環(huán)諧振直流環(huán) 8.3.3 8.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)移相全橋型零電壓開關(guān)PWMPWM電路電路 8.3.4 8.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路C Cr rT Tr rL LD DD D1 1L Lr rT Tr r1 1C CO

9、 OR RO OI Is sV Vacac高功率因數(shù)校正軟開關(guān)高功率因數(shù)校正軟開關(guān)AC/DCAC/DC變換主電路變換主電路零電壓轉(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PWMPWM電路電路零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路波形圖電路波形圖 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路一周期內(nèi)各電路一周期內(nèi)各 運(yùn)行模式分析運(yùn)行模式分析 系統(tǒng)的總技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)的總技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓：單相交流輸入電壓：單相交流22022010%V10%V 輸入頻率：輸入頻率：50Hz/60Hz50Hz/60Hz 輸出電壓：輸出電壓：48V48V 輸出電流：輸出電流：20A20A 電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率2 2 ，

10、紋波電壓峰，紋波電壓峰- -峰值小于峰值小于240mV240mV 效率大于效率大于90%90%，功率因數(shù)大于，功率因數(shù)大于98%98% 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率：f=100kHzf=100kHz零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路技術(shù)指標(biāo)電路技術(shù)指標(biāo) 單相交流單相交流:220:22010%V10%V 輸入頻率：輸入頻率：50/60Hz50/60Hz 輸出電壓：直流輸出電壓：直流380V380V 效率：大于效率：大于95%95% 功率因數(shù)：功率因數(shù)：PF99%PF99% 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率：f=100kHzf=100kHz零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路參數(shù)設(shè)計電路參數(shù)設(shè)計根據(jù)普通升壓型（根據(jù)普通

11、升壓型（ BoostBoost）變換器計算下列參數(shù)）變換器計算下列參數(shù)1.1.升壓電感設(shè)計升壓電感設(shè)計L L 計算出計算出L=470uHL=470uH2.2.輸出電容輸出電容CoCo 計算出計算出Co=2200uFCo=2200uF3.3.諧振電感設(shè)計諧振電感設(shè)計LrLr 計算出計算出LrLr=8.3uH=8.3uH4.4.諧振電容諧振電容CrCr 計算出計算出Cr=479pFCr=479pF 為了驗證零電壓轉(zhuǎn)換為了驗證零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路元器件參數(shù)的正確性，電路元器件參數(shù)的正確性，在在PspicePspice軟件中進(jìn)行了仿真分析。下圖所示為零電壓軟件中進(jìn)行了仿真分析。下圖所示為零電壓轉(zhuǎn)

12、換轉(zhuǎn)換PWMPWM電路的電路的PspicePspice仿真模型圖。仿真模型圖。 根據(jù)前面的理論分析，最后的根據(jù)前面的理論分析，最后的仿真仿真及實驗參數(shù)為：及實驗參數(shù)為：輸入電壓輸入電壓VinVin為單相為單相220V220V，升壓電感，升壓電感L L為為470uH470uH，諧振電，諧振電感感LrLr為為8.3uH8.3uH，諧振電感，諧振電感CrCr為為479pF479pF，輸出濾波電容，輸出濾波電容CoCo為為2200uF2200uF，開關(guān)頻率，開關(guān)頻率f f為為100kHz100kHz。零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路在電路在PspicePspice中的中的仿真分析仿真分析零電壓轉(zhuǎn)換

13、零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路PspicePspice仿真模型仿真模型 主開關(guān)管主開關(guān)管TrTr和輔助開關(guān)管和輔助開關(guān)管Tr1Tr1驅(qū)動波形圖驅(qū)動波形圖主開關(guān)管主開關(guān)管TrTr驅(qū)動波形、漏源電流波形驅(qū)動波形、漏源電流波形和電壓波形圖和電壓波形圖 輸入交流電壓和交流波形圖輸入交流電壓和交流波形圖 輸出電壓和輸出電流波形圖輸出電壓和輸出電流波形圖 移相全橋零電壓開關(guān)移相全橋零電壓開關(guān)PWMPWM電路理想工作波形圖電路理想工作波形圖移相全橋零電壓開關(guān)電路設(shè)計移相全橋零電壓開關(guān)電路設(shè)計技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 基本條件：電路形式：全橋移相基本條件：電路形式：全橋移相 變壓器工作頻率：變壓器工作頻率：100kHz100kHz 變壓器輸入電壓：變壓器輸入電壓：380V380V 輸出電壓：直流輸出電壓：直流48V48V 輸出電流：輸出電流：20A20A 整流電路形式：中心抽頭全波整流整流電路形式：中心抽頭全波整流移相全橋零電壓開關(guān)移相全橋零電壓開關(guān)PWMPWM電路參數(shù)設(shè)計電路參數(shù)設(shè)計根據(jù)移相全橋零電壓開關(guān)根據(jù)移相全橋零電壓開關(guān)PWMPWM電路計算下列參數(shù)電路計算下列參數(shù)1.1.變壓器原和副邊匝數(shù)比變壓器原和副邊匝數(shù)比計算出計算出32:632:62.2.輸出濾波電感設(shè)計輸出濾波電感設(shè)計LfLf 計算出計算出Lf=18.4uHLf=18.4uH3.3.輸出濾波電容輸出濾波電容C