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《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(shí):64
適用專業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化
先修課程:電機(jī)與拖動(dòng)、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(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(shí)不會(huì)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(shí)不會(huì)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(shí)現(xiàn)。§8.2軟開關(guān)電路的分類根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時(shí)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(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,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(shí)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(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(shí)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(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(shí)刻為分析的起點(diǎn)。t0~t1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)刻,uVD=0,VD導(dǎo)通。2)工作原理t0~t1時(shí)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(shí)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(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。t2時(shí)刻,iLr下降到零,uCr達(dá)到諧振峰值。t2~t3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。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~t2時(shí)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(shí)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(diǎn):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,就使四個(gè)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(diǎn):
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;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?!?.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)S1~S4和S2~S3,S1的波形比S4超前0~TS/2時(shí)間,而S2的波形比S3超前0~TS/2時(shí)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(shí)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(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)?!?.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
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