軟開(kāi)關(guān)技術(shù)3課件

第七章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

引言

第一節(jié)軟開(kāi)關(guān)的基本概念第二節(jié)軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)第三節(jié)典型的軟開(kāi)關(guān)電路

本章小結(jié)1第七章軟開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。2第一節(jié)軟開(kāi)關(guān)的基本概念

一.硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)

二.零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)3一.硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b）軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖7－2軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程5二.零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零——開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流關(guān)斷開(kāi)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(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(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)通后電流上升的速率，降低了開(kāi)通損耗。當(dāng)不指出是開(kāi)通或是關(guān)斷，僅稱(chēng)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)?？侩娐分械闹C振來(lái)實(shí)現(xiàn)。6第二節(jié)軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)根據(jù)開(kāi)關(guān)元件開(kāi)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(lèi)。根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。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。7第二節(jié)軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

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(chēng)之為準(zhǔn)諧振。是最早出現(xiàn)的軟開(kāi)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(lái)控制。分別介紹三類(lèi)軟開(kāi)關(guān)電路9第二節(jié)軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)可分為：用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(ResonantDCLink）。圖7-4準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元c)零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）b)零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）a)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）10第二節(jié)軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)2.零開(kāi)關(guān)PWM電路

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。零開(kāi)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(mǎn)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，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。b)零電流開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元圖7－5零開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）a)零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）11第三節(jié)典型的軟開(kāi)關(guān)電路

一.零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路二.諧振直流環(huán)三.移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路四.零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路13一.零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路1.電路結(jié)構(gòu)以降壓型為例分析工作原理。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7-7

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖14一.零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路選擇開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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：2.工作原理t0~t1時(shí)段的等效電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖15一.零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路t4~t5時(shí)段：uCr被箝位于零，iLr線(xiàn)性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于此時(shí)開(kāi)關(guān)S兩端電壓為零，所以必須在此時(shí)開(kāi)通S，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通損耗。t5~t6時(shí)段：S為通態(tài)，iLr線(xiàn)性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。t6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。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(kāi)關(guān)器件耐壓的要求。SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖17二.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(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。1.電路結(jié)構(gòu)圖7-11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(guò)程中逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時(shí)可將電路等效。圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

18二.諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

t0~t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開(kāi)關(guān)S處于通態(tài)，iLr>IL。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。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。2.工作原理19三.移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單。同硬開(kāi)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(kāi)關(guān)均為零電壓開(kāi)通。圖7-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路21三.移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路1.移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)：圖7-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形在開(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。22三.移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路互為對(duì)角的兩對(duì)開(kāi)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，因此稱(chēng)S1和S2為超前的橋臂，而稱(chēng)S3和S4為滯后的橋臂。圖7-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形23t3~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。三.移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖7-17移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形25t4~t5時(shí)段：S3開(kāi)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。t0~t5是開(kāi)關(guān)周期的一半，另一半工作過(guò)程完全對(duì)稱(chēng)。三.移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖7-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形26四.零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路1.工作過(guò)程：

輔助開(kāi)關(guān)S1超前于主開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，S開(kāi)通后S1關(guān)斷。

t0~t1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(xiàn)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。圖7-18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。27四.零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻S開(kāi)通時(shí)，為零電壓開(kāi)通。S開(kāi)通的同時(shí)S1關(guān)斷，Lr中的能量通過(guò)VD1向負(fù)載側(cè)輸送，其電流線(xiàn)性下降，主開(kāi)關(guān)S中的電流線(xiàn)性上升。t4時(shí)刻iLr=0，VD1關(guān)斷，主開(kāi)關(guān)S中的電流iS=IL，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。t4~t5時(shí)段：t5時(shí)刻S關(guān)斷。Cr限制了S電壓的上升率，降低了S的關(guān)斷損耗。圖7-18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttt