第7章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)青海大學(xué)劉春燕

1、 現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)小型化、輕量化、對(duì)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(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。 l 硬開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)過(guò)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(guò)沖，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)噪聲。t0a）硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b）硬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖71 硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程uiP0uituuiiP00l 軟開(kāi)關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。uiP0uitt0uiP0u

2、itt0a）軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b）軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖72 軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程零電壓開(kāi)通開(kāi)關(guān)開(kāi)通開(kāi)通前其兩端電壓電壓為零開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流關(guān)斷開(kāi)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。零電壓關(guān)斷與開(kāi)關(guān)并聯(lián)并聯(lián)的電容電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。零電流開(kāi)通與開(kāi)關(guān)串聯(lián)串聯(lián)的電感電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率，降低了開(kāi)通損耗。當(dāng)不指出是開(kāi)通或是關(guān)斷，僅稱零電壓開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)。靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。l 根據(jù)開(kāi)關(guān)元件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)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。l 根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)

3、電路分成準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)零開(kāi)關(guān)PWM電路電路和 零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM電路電路。l 每一種軟開(kāi)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(kāi)關(guān)單元基本開(kāi)關(guān)單元導(dǎo)出具體電路。圖73基本開(kāi)關(guān)單元的概念a）基本開(kāi)關(guān)單元b）降壓斬波器中的基本開(kāi)關(guān)單元c）升壓斬波器中的基本開(kāi)關(guān)單元d）升降壓斬波器中的基本開(kāi)關(guān)單元 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(kāi)關(guān)電路。l 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(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

4、，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來(lái)控制。分別介紹三類軟開(kāi)關(guān)電路可分為：用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(Resonant DC Link）。圖7-4 準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元c)零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路 (Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） a)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

5、的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC） 2）零開(kāi)關(guān)PWM電路引入了輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后。零開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元圖75 零開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）a)零電壓開(kāi)關(guān)PW

6、M電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM） 3）零轉(zhuǎn)換PWM電路 采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，但諧振電路是與主開(kāi)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(kāi)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）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元圖76 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)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

7、開(kāi)關(guān)單元零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM） 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7-7 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖選擇開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。t0t1時(shí)段：t0之前，開(kāi)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Lr+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)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通。

8、這一時(shí)段uCr的上升率：rrddCItuLC2）工作原理t0t1時(shí)段的等效電路SS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻二極管VD導(dǎo)通，電感L通過(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。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。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。t1t2時(shí)段的等效電路uSS (uCr)iSiL

9、ruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖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(kāi)關(guān)S兩端電壓為零，所以必須在此時(shí)開(kāi)通S，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通損耗。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。t6t0時(shí)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(duì)開(kāi)關(guān)器件耐壓的要求。 SS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

10、 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖諧振直流環(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(guò)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(kāi)關(guān)的條件下。1）電路結(jié)構(gòu)圖 7-11 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(guò)程中逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時(shí)可將電路等效。圖 7-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路 t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 7-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形 圖 7-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路 t 0t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開(kāi)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)

11、Cr充電，t1時(shí)刻，uCr=Ui。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。2）工作原理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。t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻，iLr達(dá)到反向諧振峰值，開(kāi)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。t4t0時(shí)段：S導(dǎo)通，電流iLr線性上升，直到t0時(shí)刻，S再次關(guān)斷。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 7-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形 圖 7-12 諧振直流環(huán)電

12、路的等效電路 電壓諧振峰值很高，增加了對(duì)開(kāi)關(guān)器件耐壓耐壓的要求。l 移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單。同硬開(kāi)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(kāi)關(guān)均為零電壓開(kāi)通。圖 7-14 移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路1）移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)特點(diǎn)：圖 7-14 移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形在開(kāi)關(guān)周期TS內(nèi)，每個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于TS/2，而關(guān)斷時(shí)間都略大

13、于TS/2；同一半橋中兩個(gè)開(kāi)關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間?；閷?duì)角的兩對(duì)開(kāi)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。圖 7-14 移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形 2）工作過(guò)程：圖 7-16 移相全橋電路在t0t1階段的等效電路S1S3S4S2u

14、ABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形t0t1時(shí)段：S1與S4導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻開(kāi)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。t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻開(kāi)關(guān)S2開(kāi)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(kāi)通。t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻開(kāi)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

15、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(kāi)通。因此S3為零電壓開(kāi)通。圖 7-17移相全橋電路在t3t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形t4t5時(shí)段：S3開(kāi)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。

16、t0t5是開(kāi)關(guān)周期的一半，另一半工作過(guò)程完全對(duì)稱。圖 7-14 移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形1）工作過(guò)程： 輔助開(kāi)關(guān)S1超前于主開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，S開(kāi)通后S1關(guān)斷。 t0t1時(shí)段：，S1導(dǎo)通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr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。圖7-18 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1u

17、S1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19 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(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。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， VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變。 t2t3時(shí)段：uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時(shí)刻S開(kāi)通、S1關(guān)斷。圖 7-20 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1t2時(shí)段的等效電路圖7-18 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻S開(kāi)通時(shí)，為零電壓開(kāi)通。S開(kāi)通的同時(shí)S1關(guān)斷，Lr中的能量通過(guò)VD1向負(fù)載側(cè)輸送，其電流線性下降，主開(kāi)關(guān)S中的電流線性上升。t4時(shí)刻iLr=0，VD1關(guān)斷，主開(kāi)關(guān)S中的電流iS=IL，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。t4t5時(shí)段：t5時(shí)刻S關(guān)斷。Cr限制了S電壓的上升率，降低了S的關(guān)斷損耗。圖7-18 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiL