第七章軟開關技術

PowerElectronics廣東工業(yè)大學第7章軟開關技術7.1軟開關的基本概念7.2軟開關電路的分類7.3典型的軟開關電路

本章小結1PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.1軟開關的基本概念7.1.1硬開關與軟開關7.1.2零電壓開關與零電流開關2PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.1.1硬開關與軟開關開關過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)重疊，導致開關損耗電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過沖，導致開關噪聲硬開關圖7-1硬開關的開關過程a)硬開關的開通過程

b)硬開關的關斷過程a)uuiitt00Pb)uuii0tt0P3PowerElectronics廣東工業(yè)大學軟開關在原開關電路中增加很小的電感、電容等諧振元件，構成輔助換流網(wǎng)絡，在開關過程前后引入諧振過程，開關開通前電壓降為零，或關斷前電流降為零，可消除開關過程中中電壓、電流的重疊，降低它們的變化率，減小甚至消除損耗和開關噪聲圖7-1軟開關的開關過程a)軟開關的開通過程

b)軟開關的關斷過程4PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.1軟開關的基本概念7.1.1硬開關與軟開關7.1.2零電壓開關與零電流開關5PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.1.2零電壓開關與零電流開關零電壓開關（零電壓開通）使開關開通前其兩端電壓為零，則開關開通時就不會產(chǎn)生損耗和噪聲零電流開關（零電流關斷）使開關關斷前其電流為零，則開關關斷時也不會產(chǎn)生損耗和噪聲零電壓關斷與開關并聯(lián)的電容能延緩開關關斷后電壓上升的速度，降低關斷損耗零電流開通與開關串聯(lián)的電感能延緩開關開通后電流上升的速度，降低開通損耗6PowerElectronics廣東工業(yè)大學第7章軟開關技術7.1軟開關的基本概念7.2軟開關電路的分類7.3典型的軟開關電路

本章小結7PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.2軟開關電路的分類根據(jù)是零電壓開通還是零電流關斷零電壓電路零電流電路根據(jù)軟開關技術發(fā)展的歷程準諧振電路零開關PWM電路零轉換PWM電路8PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-3基本開關單元的概念a）基本開關單元b）降壓斬波器中的基本開關單元c）升壓斬波器中的基本開關單元d）升降壓斬波器中的基本開關單元每一種軟開關電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從基本開關單元導出具體電路9PowerElectronics廣東工業(yè)大學1．準諧振電路最早出現(xiàn)的軟開關電路零電壓開關準諧振電路零電流開關準諧振電路零電壓開關多諧振電路用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)圖7-4準諧電路的基本開關單元a）零電壓開關準諧振電路基本開關單元b）零電流開關準諧振電路基本開關單元c）零電壓開關多諧振電路基本開關單元d)諧振直流環(huán)節(jié)電路SVDLrLCr1Cr2c）SVDLrLCrb）SLrCrVDLa）LrUiSCrVDSd）分為10PowerElectronics廣東工業(yè)大學準諧振準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波優(yōu)點諧振的引入使得電路開關損耗和開關噪聲下降缺點諧振電壓峰值很高，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，電路導通損耗加大諧振周期隨輸入電壓、負載變化而改變，電路只能采用脈沖頻率調(diào)制方式來控制11PowerElectronics廣東工業(yè)大學

引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關過程前后零電壓開關PWM電路零電流開關PWM電路分為圖7-4零電壓開關PWM電路的基本開關單元a）零電壓開關PWM電路基本開關單元b）零電流開關PWM電路基本開關單元SLrCrVDLS1a）SVDLrLCrS1b）2．零開關PWM電路優(yōu)點電壓和電流基本是方波開關承受的電壓降低電路可采用開關頻率固定的PWM控制12PowerElectronics廣東工業(yè)大學3．零轉換PWM電路采用輔助開關控制諧振的開始時刻，諧振電路是與主開關并聯(lián)分為零電流轉換PWM電路零電壓轉換PWM電路SLrVDLS1CrVD1a)LrCrS1SVDVD1Lb)圖7-4零轉換PWM電路的基本開關單元a）零電壓轉換PWM電路基本開關單元b）零電流轉換PWM電路基本開關單元優(yōu)點輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程影響小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)，從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態(tài)電路中無功功率的交換被削減到最小13PowerElectronics廣東工業(yè)大學第7章軟開關技術7.1軟開關的基本概念7.2軟開關電路的分類7.3典型的軟開關電路

本章小結14PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3典型的軟開關電路7.3.1零電壓開關準諧振電路7.3.2諧振直流環(huán)7.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路7.3.4零電壓轉換PWM電路15PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3.1零電壓開關準諧振電路假設電感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開關電路的工作過程按開關周期重復UiCrSVDsLrVDLCAR圖7-8

零電壓開關準諧振電路的理想化波形圖7-7

零電壓開關準諧振電路原理圖16PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-8

零電壓開關準諧振電路的理想化波形

t0~t1時段：t0時刻之前，開關S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=ILt0時刻S關斷，與其并聯(lián)的電容Cr使S關斷后電壓上升減緩，因此S的關斷損耗減小。S關斷后，VD尚未導通圖7-7

零電壓開關準諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCAR17PowerElectronics廣東工業(yè)大學CrUi+uCrILA圖7-9

零電壓開關準諧振電路在t0~t1時段等效電路電路等效為圖7-9圖7-8

零電壓開關準諧振電路的理想化波形電感Lr+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導通。這一時段uCr的上升率（7-1）18PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-8

零電壓開關準諧振電路的理想化波形

t1~t2時段：t1時刻二極管VD導通，電感L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路諧振過程中，Lr對Cr充電uCr

不斷上升，iLr

不斷下降，t2時刻，iLr下降到零，uCr達到諧振峰值圖7-10

零電壓開關準諧振電路在t1~t2時段等效電路電路等效圖為圖7-1019PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-8

零電壓開關準諧振電路的理想化波形t2~t3時段：t2時刻后，Cr向Lr放電，

iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時刻，uCr=Ui，Lr兩端電壓為零，iLr達到反向諧振峰值t3~t4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

t1到t4時段電路諧振過程的方程為（7-2）20PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-8

零電壓開關準諧振電路的理想化波形

t4~t5時段：uCr被箝位于零，Lr兩端電壓為Ui，iLr線性衰減，直到t5時刻，iLr=0t5~t6時段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL，VD關斷

t4到t6時段電流iLr的變化率為

t6~t0時段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)（7-3）21PowerElectronics廣東工業(yè)大學零電壓開關準諧振電路t1~t4時段的諧振過程定量分析通過求解式（7-2）可得開關S的電壓uS開關S承受的峰值電壓（7-4）（7-5）22PowerElectronics廣東工業(yè)大學零電壓開關準諧振電路實現(xiàn)軟開關的條件（7-6）諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開關S的耐壓須相應提高缺點23PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3典型的軟開關電路7.3.1零電壓開關準諧振電路7.3.2諧振直流環(huán)7.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路7.3.4零電壓轉換PWM電路24PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3.2諧振直流環(huán)各種交流-直流-交流變換電路中都存在中間直流環(huán)節(jié)，諧振直流環(huán)電路通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關的條件下圖7-11

諧振直流環(huán)電路原理圖LrUiSCrVDS圖7-11為用于電壓型逆變器的諧振直流環(huán)電路它用一個開關S就可使逆變橋中所有的開關工作在零電壓開通的條件下25PowerElectronics廣東工業(yè)大學電壓型逆變器的負載通常為感性，在諧振過程中逆變電路的開關狀態(tài)是不變的，電路等效為圖7-12，其理想波形如圖7-13LrUiSCrVDSLiLr+uCrILR圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路t0t1t2t3t4t0iLruCrUiILttOO圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形26PowerElectronics廣東工業(yè)大學LrUiSCrVDSLiLr+uCr

ILR圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形t0t1t2t3t4t0iLruCrUittOOILt0~t1時段

t0時刻之前，Lr的電流iLr大于IL，開關S處于通態(tài)，

t0時刻，S關斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對Cr充電，uCr不斷升高，直到t1時刻，uCr=Ui

t1~t2時段t1時刻，諧振電流iLr達到峰值

t1時刻以后，iLr繼續(xù)向Cr充電，直到t2時刻iLr=IL，uCr達到諧振峰值

t3~t4時段t3時刻，uCr=Ui

，iLr達到反向諧振峰值，然后開始衰減，uCr繼續(xù)下降，直到t4時刻，uCr=0，S的反并聯(lián)二極管VDS導通，uCr被箝位于零t4~t0時段S導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關斷電壓諧振峰值很高，增加了對開關器件耐壓的要求27PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3典型的軟開關電路7.3.1零電壓開關準諧振電路7.3.2諧振直流環(huán)7.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路7.3.4零電壓轉換PWM電路28PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路移相全橋電路特點電路簡單,同硬開關全橋電路相比，并沒有增加輔助開關元件，僅只增加一個諧振電感，就使電路四個開關器件都在零電壓的條件下開通S1S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2VD1LrLABUiuRCR+-圖7-14移相全橋零電壓開關PWM電路29PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-15移相全橋電路的理想化波形S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路控制方式特點在開關周期TS內(nèi)，每個開關導通時間都略小于TS/2，而關斷時間都略大于TS/2同一半橋中，上下兩個開關不同時處于通態(tài)，每個開關關斷到另一個開關開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間S1的波形比S4超前0~TS/2時間，S2的波形比S3超前0~TS/2時間，S1和S2為超前的橋臂，S3和S4為滯后的橋臂30PowerElectronics廣東工業(yè)大學iLriLKr:1CS!S4LrLVD1UiU0+VDS2ARCS2圖7-16

移相全橋電路在t1~t2階段的等效電路圖t0~t1時段：S1與S4導通，直到t1時刻S1關斷t1~t2時段：t1時刻開關S1關斷后，Cs1、Cs2與Lr、L構成諧振回路，諧振開始時uA

（t1)=ui

，在諧振過程中，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導通，iLr通過VDS2續(xù)流t2~t3時段：t2時刻VDS2處于導通狀態(tài)，S2零電壓開通電路工作過程31PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-17

移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路t3~t4時段：t3時刻開關

S4關斷后，變壓器二次側VD1和VD2同時導通，變壓器一次側和二次側電壓均為零，相當于短路，因此Cs3、Cs4與Lr構成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點電壓不斷上升，直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導通。這種狀態(tài)維持到t4時刻S3開通。因此S3為零電壓開通iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BRt4~t5時段：S3開通后，Lr的電流繼續(xù)減小。iLr下降到零后便反向，然后不斷增大，

t5時刻iLr=IL/kT，變壓器二次側VD1的電流下降到零而關斷，電流IL全部轉移到VD2中t0~t5時段正好是開關周期的一半，另一半開關周期t5~t0時段中，電路的工作過程與t0~t5時段完全對稱32PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3典型的軟開關電路7.3.1零電壓開關準諧振電路7.3.2諧振直流環(huán)7.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路7.3.4零電壓轉換PWM電路33PowerElectronics廣東工業(yè)大學7.3.4零電壓轉換PWM電路圖7-18

升壓型零電壓轉換PWM電路的原理圖LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR零電壓轉換PWM電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點，廣泛用于功率因數(shù)校正電路、DC-DC變換器、斬波器等34PowerElectronics廣東工業(yè)大學圖7-19升壓型零電壓轉換PWM電路的理想化波形電路工作過程t0~t1時段：S1先于S開通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線性迅速增長，VD中的電流以同樣的速率下降。直到t1時刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，自然關斷35PowerElectronics廣東工業(yè)大學LS1LriLrUiILCrVDS圖7-20

升壓型零電壓轉換PWM電路在t1~t2時段的等效電路t1~t2時段：電路等效為圖7-20，Lr與Cr構成諧振回路，諧振過程中Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時刻uCr降為零，VDS導通，uCr被箝位于零，