電力電子基礎(chǔ)8

1、電力電子基礎(chǔ)電力電子基礎(chǔ) Fundamental Power Electronics 第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)東南大學(xué)電氣工程學(xué)院2010年- -電力電子技術(shù)電力電子技術(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)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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n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n開關(guān)損耗增加，效率下降，頻率提高受限n電磁干擾增大，電磁兼容變差n軟開關(guān)技術(shù)n降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲n進(jìn)一步提高開關(guān)頻率- -電力電子技術(shù)

2、電力電子技術(shù)- -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)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。n 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)斷過程硬開關(guān)的開關(guān)過程uiP0uituuiiP00- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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)的開通過程b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程軟開關(guān)的開關(guān)

3、過程- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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)?？侩娐分械闹C振來實(shí)現(xiàn)。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講

4、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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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- -電力電

5、子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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)：n 諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；n 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；n 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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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

6、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-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-Reson

7、ant ConverterZVS QRC）- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。n 零開關(guān)PWM電路可以分為：n 零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）n 零電流開關(guān)PWM電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）n 特點(diǎn)：n 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)。n 電路中無功功率

8、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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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)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：n 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-Transition PW

9、M ConverterZVT PWM）n 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）n 特點(diǎn)：n 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)。n 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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 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

10、 ZVSQRC階段階段01()tt階段階段12()tt23()tt階段階段34()tt階段階段- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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)，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通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路

11、。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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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)生開通

12、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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)18諧振直流環(huán)諧振直流

13、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，出現(xiàn)電壓過零時(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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)20諧振直流環(huán)節(jié)諧振直

14、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 0t1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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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：t

15、3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 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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

16、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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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。S1S3S4S2uABuLriLruT1uR

17、iVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形移相全橋電路的理想化波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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 工作過程：工作過程：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)

18、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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)25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 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

19、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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關(guān)技術(shù)26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 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

20、，另一半工作過程完全對(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- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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電路電路工作過程：工作過程：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。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)。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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