06第6章 软开关技术基础

2）可以自适应的根据输入电压和输出负载调整自己的环流能量。 3）可以在很宽的输入电压和输出负载变化范围内实现软开关操作。 缺点：1）主功率开关管的开通是硬开关过程。 2）辅助开关管关断是硬开关过程 。
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学年：2006~2007 学期：第二学期
课 次 33 周 次 16
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2）特点：不存在电压和电流的交迭；降低开关损耗、开关噪声。提高开关频率。
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软开关过程（开关过程）
图 6.1.2 软开关特性
1、理想软开关：(图 6.1.2 a )
1）器件开通：器件两端电压 uT 首先下降为零，然后施加驱动信号 v，器件的电 流 iT 才开始上升； 2）器件关断：通过某种控制方式使器件中电流 iT 下降为零后，撤除驱动信号 u g ，电压 uT 才开始上升。
t= t1 时： u T = uCr = Ud ，续流二极管 D 无反偏电压而开始导电。
(2) t1 ≤t≤ t 2 阶段：
t > t1 后， iL 对 Cr 继续充电, uCr > Ud ， iL = iC 减小，续流二极管 D 开始
导电， UAB =0 ， Lr 、 Cr 构成串联谐振电路。
当到串联谐振的 1/4 周期 t 2 时刻， uCr 谐振到峰值， iL = iC =0，此后 t> t 2 ，
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(2) t1 ≤t≤ t 2 阶段：
t> t1 时， iT = iL >I0 , iL-I0 对Ｃr 充电，使 uCr 上升． Lr 、 Cr 产生串联谐
振。谐振 1/4 周期后， iT = iL 达最大值， uCr = Ud ；谐振 1/2 周期后， iT = iL
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6.2 基本的软开关电路 6.2.1 准谐振变换电路 电路特点：
1） 变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而不是全过程，且只能改善 变换电路中一个开关元件如开关管 T 或二极管 D）的开关特性， 2） 准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化而改变，只能采用脉冲频 率调制(PFM)调控输出电压和输出功率，即调频方式。 3）准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。
2、实际软开关: (图 6.1.2 b) 1）器件开通：对开关管施加驱动信号，电流上升的开通过程中，电压不大且迅速 下降为零。 2）器件关断：撤除驱动信号，电流下降的关断过程中，电压不大且上升很缓慢。
根据软开关技术发展的历程软开关电路可分为：
1）准谐振变换电路 2）零开关 PWM 变换电路 3）零转换 PWM 变换电路
(5) t 4 ≤t≤ t5 阶段：
续流二极管 D 导电，到 t= t5 时，T 再次被驱动，经历一个完整的周期 TS 。
总结：
1) 在一个开关周期 TS 中，仅在 0~ t 2 期间电源输出功率， t 2 ~ t3 期间 Cr 向
电源回馈能量。
2) 当 Cr 、 Lr 的值一定时谐振周期 Tr =1/ fr 是不变的，变换电路的开关频率
第六章 软开关技术
概述：电力电子装置高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频
率。
6.1 软开关的基本概念
6.1.1 软开关及其特点
1、硬开关：
1）定义：开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通） ，在其电流不为零时关 断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。 2）特点：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化；产生较大的开关 损耗和开关噪声。 硬开关（开关过程）
6.2.3 零转换 PWM 变换电路
定义：将谐振电感 Lr 及辅助开关 T2 与主开关并联，控制辅助开关的开通、截止产
生 LC 振荡，使主开关实现零流关断或零电压开通。这种变换器被称为零电流转 换（关断）开关 PWM 变换电路（ZCT PWM）和零电压转换（开通）开关 PWM 变换 电路（ZVT PWM）。 优点：1）可以使主功率开关管在零电流条件下关断 。
Cf 足够大，在一个开关周期 TS 中输出负载电流 IO 和输出电压 UO 都恒定不变。 如果滤波电感 Lf 足够大，则 TS 中 If = IO 恒定不变。
假定 t<0 时， u g =0,T 处于断态，D 续流。 iT = iL =0， ID = IO = If ， u T = Ud ， uCr =0，续流二极管 D 截止，在 t=0 时 T 施加的驱动信号 u g ，把一个开关周期
= IO ， uCr =2 Ud ；此后， iT = iL 从 IO 下降，t= t 2 时到下降到零， Ud < uCr <2 Ud 。
(3) t 2 ≤t≤ t3 阶段：
在此期间由于 Lr 、 Cr 谐振， iL 为负值，二极管 D1 导电， uT =0，若此时撤
除驱动信号 u g ，T 可以在零电流下关断，无关断损耗。t= t3 时， uCr < Ud 。
图 6.1.1 Buck 直流变换电路的硬开关特性
其中：开关管 T 开通和关断时存在电压和电流的交迭，即开通时 T 两端电压
uT 很大，关断时流过 T 中的电流 iT 很大，从而产生较大的开关损耗和开关噪声。 2、软开关：
1）定义：开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小， 这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。
由于 T 导通 iT = iL =I0 ， uCr = u T =0,续流二极管 D 截止，电源 Ud 对负
载供电。到 t= t5 时 T 再次被关断，完成了一个开关周期 TS 。
总结：
1) 在一个开关周期 TS 中，仅在 t3 ~ t4 期间电源 Ud 不输出能量，而这段
时间段的长短与 Lr 、 Cr 的谐振周期有关。
在零电流下关断的谐振电路参数关系式：
Lr
1 2fr
Ud I0max
(6.2.3)
Cr
1 2fr
I0max Ud
(6.2.4)
(4) t3 ≤t≤ t 4 阶段：由于 T、 D1 均已断流，续流二极管 D 仍反偏截止，电容 Cr 的向滤波电感和
负
载放电，到 t= t 4 时， uCr =0， uCr = Ud ，续流二极管 D 导电，其电流从零突变为 IO 。
驱动信号，就可以使开关管 T 在零电压下开通。为了使 T 在零电压下可靠开通， 必须选择谐振电路的参数使之满足下列关系式：
Lr
1 2fr
Ud I 0 m in
(6.2.1)
Cr
1 2fr
I 0 m in Ud
(6.2.2)上两式中：fr 是谐
振电路的谐振频率， I0min 是负载电流的最小值。
(5) t 4 ≤t≤ t5 阶段：
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学年：2006~2007 学期：第二学期
课 次 32 周 次 16
电力
电气
班级
课
0 5 -1 、2 0 5 - 1 、 2
时2
日期
电气 05-3、 4
课
题
第 6 章 软开关技术基础
教
学
软开关及其特点、分类、基本的软开关电路。
目
的
课
面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□
电力
电气
班级
课
0 5 -1 、2 0 5 - 1 、 2
时2
日期
电气 05-3、 4
课
题
PS-ZVS-PWM 软 开 关 技 术 工 控 用 软 开 关 设 备 的 安 装 、 调 试
教
学
工控用软开关设备的安装、调试、简单故障维修。
目
的
课
面授■ 多媒体□ 机房□ 实验□ 实习■ 课程设计□
型
教
学
工控用软开关设备的安装、调试、简单故障维修。
型
教 学
软开关的基本概念，基本的软开关电路的工作原理。 重 点
教
学
零开关、零转换 PWM 变换电路。
难
点
实
践
多媒体教学
环
节
作
业
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教研室主任意见： 同意该计划，授课使学生们了
解什么是软开关。通过授课的方式 达到教学的目的。
签字：刘沂 日 期 ： 2007.6.28
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由于 uCr > Ud ， iL 反向， Cr 开始经 D 和 Lr 向电源 Ud 放电。
(3) t 2 ≤t≤ t3 阶段：t > uCr 后， Cr 经 D 和 Lr 向电源 Ud 放电。 uCr 减小到
t= t3 时 uCr =0
(4)
t3 < t<
t 4 阶段:t =
t3 时,
Cr
放电到
u
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止。
在 t=0 时撤除 T 的驱动信号 u g ，把一个开关周期 Ts 中的通、断过程可分为 5
个开关状态，其电压、电流波形如图 6.2.1（b）~（e）所示。 1)零电压开关准谐振变换电路开关状态：
(1) t 0 ~ t1 阶段：t=0 时， u g =0， it 从 IO 减小，谐振电容电流 iC 从零开始增
2) 当 Lr 、 Cr 的值一定时，降低开关频率 fS （即增大 TS ）将使输出电
压、输出功率增大。
3) 零电压开通准谐振变换电路只适宜于改变变换电路的开关频率 fS 来
调控输出电压和输出功率。
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2、零电流开关准谐振变换电路