電力電子技術(shù)第7章軟開關(guān)技術(shù)

1、第7章 軟開關(guān)技術(shù),引言 7.1 軟開關(guān)的基本概念 7.2 軟開關(guān)電路的分類 7.3 典型的軟開關(guān)電路 本章小結(jié),第7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。,7.1 軟開關(guān)的基本概念,7.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān) 7.1.2 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān),7.1.1 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

2、，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。,7.1.1 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。,7.1.2 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)。 靠電路中的諧振來實(shí)現(xiàn)。,7.2 軟開關(guān)電路的分類,根據(jù)開關(guān)

3、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。,7.2 軟開關(guān)電路的分類,圖73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,7.2 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；

4、 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（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來控制。,分別介紹三類軟開關(guān)電路,7.2 軟開關(guān)電路的分類,可分為：,用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(Resonant DC Link）。,7.2 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)。 電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路

5、效率有了進(jìn)一步提高。,7.2 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。,7.3 典型的軟開關(guān)電路,7.3.1 零電壓開關(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關(guān)PWM電路 7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,1）電路結(jié)構(gòu),7.3.1 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)。 t0t1時(shí)段：t0之前

6、，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。這一時(shí)段uCr的上升率：,2）工作原理,t0t1時(shí)段的等效電路,7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,t1t2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。 t2t3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

7、值。 t3t4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。,t1t2時(shí)段的等效電路,u,7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,t4t5時(shí)段：uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于此時(shí)開關(guān)S兩端電壓為零，所以必須在此時(shí)開通S，才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。 t5t6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。 t6t0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)開關(guān)器件耐壓的要求。,7.3.2 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

8、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 7-11 諧振直流環(huán)電路原理圖,7.3.2 諧振直流環(huán),t 0t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開關(guān)S處于通態(tài)，iLrIL。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。 t1t2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,7.3.2 諧振直流環(huán),t2t3時(shí)段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時(shí)刻 uCr=Ui。 t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻，iLr達(dá)到反向諧振峰值，開始衰減，

9、uCr繼續(xù)下降， 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。 t4t0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)開關(guān)器件耐壓的要求。,7.3.3 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，它的特點(diǎn)是電路簡(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 7-14 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路,7.3.3 移相全橋型零電壓開關(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

10、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。,7.3.3 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0TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0TS/2時(shí)間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。,7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,2）工作過程：,t0t1時(shí)段：S1與S4導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。 t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻開關(guān)S1關(guān)斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路， uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，電流iLr通過VDS2續(xù)流。 t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻開關(guān)

11、S2開通，由于此時(shí)其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此S2為零電壓開通。,t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻開關(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開通。因此S3為零電壓開通。,7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,t4t5時(shí)段：S3開通后，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。 t0t5是開關(guān)周期

12、的一半，另一半工作過程完全對(duì)稱。,7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,1）工作過程： 輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，S開通后S1關(guān)斷。 t0t1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7-19,圖7-18 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)。,7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,t1t2時(shí)段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時(shí)刻uCr=0， VDS導(dǎo)通，u

13、Cr被箝位于零，而電流iLr保持不變。 t2t3時(shí)段：uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時(shí)刻S開通、S1關(guān)斷。,圖 7-20 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1t2時(shí)段的等效電路,圖7-18 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖,7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻S開通時(shí)，為零電壓開通。S開通的同時(shí)S1關(guān)斷，Lr中的能量通過VD1向負(fù)載側(cè)輸送，其電流線性下降，主開關(guān)S中的電流線性上升。t4時(shí)刻iLr=0，VD1關(guān)斷，主開關(guān)S中的電流iS=IL，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。 t4t5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,本章小結(jié),本章的重點(diǎn)為： 1）