第8章 軟開關(guān)技術(shù)0

《電力電子技術(shù)Ⅰ》

Sunday,February5,2023譚超課程名稱：電力電子技術(shù)Ⅰ

(PowerElectronics)

學(xué)

分：4

總學(xué)時：64

適用專業(yè)：電氣工程及其自動化、自動化

先修課程：電機與拖動、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電路原理等

第8章軟開關(guān)技術(shù)

引言

§8.1軟開關(guān)的基本概念

§8.2軟開關(guān)電路的分類

§8.3典型的軟開關(guān)電路

§8.4軟開關(guān)技術(shù)新進(jìn)展本章小結(jié)第8章軟開關(guān)技術(shù)?

引言現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢小型化、輕量化、對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。開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。進(jìn)一步提高開關(guān)頻率?！?.1軟開關(guān)的基本概念

§8.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)

§8.1.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)§8.1.1硬開關(guān)和軟開關(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。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)斷過程圖8－1硬開關(guān)的開關(guān)過程uiP0uituuiiP00開關(guān)過程§8.1.1硬開關(guān)和軟開關(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。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開關(guān)的開通過程b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖8－2軟開關(guān)的開關(guān)過程§8.1.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)零電壓開通開關(guān)開通前其兩端電壓為零——開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流關(guān)斷開關(guān)關(guān)斷前其電流為零——關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。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，從而降低關(guān)斷損耗零電流開通與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。當(dāng)不指出是開通或是關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)?？侩娐分械闹C振來實現(xiàn)?！?.2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)，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)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。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)單元導(dǎo)出具體電路?！?.2軟開關(guān)電路的分類圖8－3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§8.2軟開關(guān)電路的分類

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，因此稱之為準(zhǔn)諧振。是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路。

特點：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(dǎo)通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation—PFM）方式來控制。三類軟開關(guān)電路§8.2軟開關(guān)電路的分類準(zhǔn)諧振電路可分為：用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(ResonantDCLink）。圖8－4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)單元零電壓開關(guān)多諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）

a)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）§8.2軟開關(guān)電路的分類

2）零開關(guān)PWM電路

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。零開關(guān)PWM電路可以分為：

特點：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)。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。b)零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元圖8－5零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）a)零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）§8.2軟開關(guān)電路的分類

3）零轉(zhuǎn)換PWM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。零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為：

特點：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)。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。b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元圖8－6零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage

TransitionPWMConverter—ZVTPWM）§8.3典型的軟開關(guān)電路

§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路

§8.3.2諧振直流環(huán)

§8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路1）電路結(jié)構(gòu)以降壓型為例: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8-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路選擇開關(guān)S關(guān)斷時刻為分析的起點。t0~t1時段：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VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時刻，uVD=0，VD導(dǎo)通。2）工作原理t0~t1時段的等效電路§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路2）工作原理t0~t1時段的等效電路SS

(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖8－8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路t1~t2時段：t1時刻二極管VD導(dǎo)通，電感L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路。t2時刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。t2~t3時段：t2時刻后，Cr向Lr放電，直到t3時刻，uCr=Ui，iLr達(dá)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~t2時段的等效電路uSS

(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖8－8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路SS

(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖8－8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形§8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路§8.3.2諧振直流環(huán)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(guān)的條件下。1）電路結(jié)構(gòu)圖8-11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，而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時可將電路等效。圖8-12諧振直流環(huán)電路的等效電路§8.3.2諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖8-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖8-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

2）工作原理§8.3.2諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖8-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖8-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

§8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一。特點：電路簡單。同硬開關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，就使四個開關(guān)均為零電壓開通。圖8-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路§8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路圖8-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路

1）移相全橋電路控制方式的特點：

在開關(guān)周期TS內(nèi)，每個開關(guān)導(dǎo)通時間都略小于TS/2，而關(guān)斷時間都略大于TS/2；同一半橋中兩個開關(guān)不同時處于通態(tài)，每個開關(guān)關(guān)斷到另一個開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間。§8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路互為對角的兩對開關(guān)S1～S4和S2～S3，S1的波形比S4超前0～TS/2時間，而S2的波形比S3超前0～TS/2時間，稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。圖8-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路

2）工作過程：S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖8-15移相全橋電路的理想化波形§8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

2）工作過程：圖8－16移相全橋電路在t1～t2階段的等效電路圖S2在t2時開通-零電壓§8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路圖8-17移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路§8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖8-15移相全橋電路的理想化波形§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖8－18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點?！?.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖8－19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖8－19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖8－19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t