第七章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)第7章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)7.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念7.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)7.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

本章小結(jié)1PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念7.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)7.1.2零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)2PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過(guò)沖，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)噪聲硬開(kāi)關(guān)圖7-1硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)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a)uuiitt00Pb)uuii0tt0P3PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)軟開(kāi)關(guān)在原開(kāi)關(guān)電路中增加很小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振過(guò)程，開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓降為零，或關(guān)斷前電流降為零，可消除開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)噪聲圖7-1軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)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4PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念7.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)7.1.2零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)5PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.1.2零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)（零電壓開(kāi)通）使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零，則開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲零電流開(kāi)關(guān)（零電流關(guān)斷）使開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲零電壓關(guān)斷與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速度，降低關(guān)斷損耗零電流開(kāi)通與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速度，降低開(kāi)通損耗6PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)第7章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)7.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念7.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)7.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

本章小結(jié)7PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)根據(jù)是零電壓開(kāi)通還是零電流關(guān)斷零電壓電路零電流電路根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程準(zhǔn)諧振電路零開(kāi)關(guān)PWM電路零轉(zhuǎn)換PWM電路8PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖7-3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)單元導(dǎo)出具體電路9PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1．準(zhǔn)諧振電路最早出現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)圖7-4準(zhǔn)諧電路的基本開(kāi)關(guān)單元a）零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路基本開(kāi)關(guān)單元b）零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路基本開(kāi)關(guān)單元c）零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路基本開(kāi)關(guān)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(xué)準(zhǔn)諧振準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波優(yōu)點(diǎn)諧振的引入使得電路開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲下降缺點(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，電路只能采用脈沖頻率調(diào)制方式來(lái)控制11PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)

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)程前后零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路零電流開(kāi)關(guān)PWM電路分為圖7-4零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元a）零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路基本開(kāi)關(guān)單元b）零電流開(kāi)關(guān)PWM電路基本開(kāi)關(guān)單元SLrCrVDLS1a）SVDLrLCrS1b）2．零開(kāi)關(guān)PWM電路優(yōu)點(diǎn)電壓和電流基本是方波開(kāi)關(guān)承受的電壓降低電路可采用開(kāi)關(guān)頻率固定的PWM控制12PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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，諧振電路是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)分為零電流轉(zhuǎn)換PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路SLrVDLS1CrVD1a)LrCrS1SVDVD1Lb)圖7-4零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路基本開(kāi)關(guān)單元b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路基本開(kāi)關(guān)單元優(yōu)點(diǎn)輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程影響小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)，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13PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)第7章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)7.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念7.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)7.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

本章小結(jié)14PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路7.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)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(kāi)關(guān)PWM電路7.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路15PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路假設(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開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程按開(kāi)關(guān)周期重復(fù)UiCrSVDsLrVDLCAR圖7-8

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形圖7-7

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖16PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖7-8

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形

t0~t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開(kāi)關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=ILt0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)通圖7-7

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖UiCrSVDsLrVDLCAR17PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)CrUi+uCrILA圖7-9

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t0~t1時(shí)段等效電路電路等效為圖7-9圖7-8

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)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(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通。這一時(shí)段uCr的上升率（7-1）18PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖7-8

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形

t1~t2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形成諧振回路諧振過(guò)程中，Lr對(duì)Cr充電uCr

不斷上升，iLr

不斷下降，t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值圖7-10

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t1~t2時(shí)段等效電路電路等效圖為圖7-1019PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖7-8

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，

iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，Lr兩端電壓為零，iLr達(dá)到反向諧振峰值t3~t4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

t1到t4時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為（7-2）20PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖7-8

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形

t4~t5時(shí)段：uCr被箝位于零，Lr兩端電壓為Ui，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0t5~t6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

t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為

t6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)（7-3）21PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路t1~t4時(shí)段的諧振過(guò)程定量分析通過(guò)求解式（7-2）可得開(kāi)關(guān)S的電壓uS開(kāi)關(guān)S承受的峰值電壓（7-4）（7-5）22PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件（7-6）諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開(kāi)關(guān)S的耐壓須相應(yīng)提高缺點(diǎn)23PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路7.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)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(kāi)關(guān)PWM電路7.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路24PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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(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(gè)開(kāi)關(guān)S就可使逆變橋中所有的開(kāi)關(guān)工作在零電壓開(kāi)通的條件下25PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，在諧振過(guò)程中逆變電路的開(kāi)關(guān)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(xué)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(shí)段

t0時(shí)刻之前，Lr的電流iLr大于IL，開(kāi)關(guān)S處于通態(tài)，

t0時(shí)刻，S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對(duì)Cr充電，uCr不斷升高，直到t1時(shí)刻，uCr=Ui

t1~t2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

t3~t4時(shí)段t3時(shí)刻，uCr=Ui

，iLr達(dá)到反向諧振峰值，然后開(kāi)始衰減，uCr繼續(xù)下降，直到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t4~t0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)斷電壓諧振峰值很高，增加了對(duì)開(kāi)關(guān)器件耐壓的要求27PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路7.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)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(kāi)關(guān)PWM電路7.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路28PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路移相全橋電路特點(diǎn)電路簡(jiǎn)單,同硬開(kāi)關(guān)全橋電路相比，并沒(méi)有增加輔助開(kāi)關(guān)元件，僅只增加一個(gè)諧振電感，就使電路四個(gè)開(kāi)關(guān)器件都在零電壓的條件下開(kāi)通S1S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2VD1LrLABUiuRCR+-圖7-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路29PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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(diǎn)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)間都略大于TS/2同一半橋中，上下兩個(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S1的波形比S4超前0~TS/2時(shí)間，S2的波形比S3超前0~TS/2時(shí)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(xué)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(shí)段：S1與S4導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷后，Cs1、Cs2與Lr、L構(gòu)成諧振回路，諧振開(kāi)始時(shí)uA

（t1)=ui

，在諧振過(guò)程中，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，iLr通過(guò)VDS2續(xù)流t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻VDS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，S2零電壓開(kāi)通電路工作過(guò)程31PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖7-17

移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路t3~t4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iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BRt4~t5時(shí)段：S3開(kāi)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(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t0~t5時(shí)段正好是開(kāi)關(guān)周期的一半，另一半開(kāi)關(guān)周期t5~t0時(shí)段中，電路的工作過(guò)程與t0~t5時(shí)段完全對(duì)稱(chēng)32PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路7.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)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(kāi)關(guān)PWM電路7.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路33PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)7.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖7-18

升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(xué)圖7-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形電路工作過(guò)程t0~t1時(shí)段：S1先于S開(kāi)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(zhǎng)，VD中的電流以同樣的速率下降。直到t1時(shí)刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，自然關(guān)斷35PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)LS1LriLrUiILCrVDS圖7-20

升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1~t2時(shí)段的等效電路t1~t2時(shí)段：電路等效為圖7-20，Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，諧振過(guò)程中Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時(shí)刻uCr降為零，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，