第八章电力电子技术软开关技术

根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关PWM电路
和零转换PWM电路
Lr
L
准谐振电路
零电压开关准谐振电路
S
Cr
VD
零电流开关准谐振电路
Cr1
Lr
L
零电压开关多谐振电路
用于逆变器的谐振直流环节
S
Cr2
VD
准谐振——电路中电压或电流的波形
为正弦半波
第7页，共27页。
8.2软开关电路的分类
谐振电压峰值高于输入电压2倍，S耐压必须提高，增加了电 路成本，降低了可靠性
第16页，共27页。
8.3典型的软开关电路
2. 谐振直流环
背景及应用
用于变频器 作用在交-直-交变换电路的中间直流环节
，通过引入谐振，使逆变桥中所有开关工 作在零电压开通条件下
电压型逆变器为感性负载，在谐振过 程中逆变电路开关状态不变，负载电 流为常量
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
第3页，共27页。
8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
硬开关
开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗 电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声
当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大 ，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著
r
CS3
VDS3
iL
iLr
L
+
VD1
Uo
Lr
Ui
B
R
S2
CS4
VD2
第21页，共27页。
8.3典型的软开关电路
3. 移相全桥型零电压开关PWM电路
工作原理
t2~t3
——t2时，开通S2，VDS2导通使S2开通电压
为零，无开关损耗，且电路状态不变，直
到t3时S4关断
t3~t4
r
——t3时，S4关断后，Cs3、Cs4与Lr构成谐振
回路，谐振中iLr不断减小，uB不断上升，
r
直到VDS3导通
——t4时，S3开通，由于VDS3导通使得在零
电压下开通，开通损耗为零
IL
L Ui S
VDS
Lr
Cr S1
iVD
VD
iLr
+
R
VD1 C Uo
第22页，共27页。
8.3典型的软开关电路
3. 移相全桥型零电压开关PWM电路
工作原理
t4~t5
优势
开关损耗和开关噪声都大大下降
问题
谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率交换，造成电路导通
损耗加大 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，则只能采用脉冲频率调制方
式来控制
第8页，共27页。
8.2软开关电路的分类
零开关PWM电路
引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于开关 过程前后
t3~t4
S
——t3后，Lr向Cr反向充电，uCr下降
O Ui
u S( uC r )
Ui
——t4时，uCr=0
O
t1~t4间的谐振方程
iS
d iLr dt
Ui Lr
第14页，共27页。
O
iLr
O
uVD
O
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6
t
t t
t t t0
8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
第10页，共27页。
8.3典型的软开关电路
零电压开关准谐振电路
谐振直流环 移相全桥型零电压开关PWM电路 零电压转换PWM电路
第11页，共27页。
8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
电路构成
降压型电路
L和C很大，等效为电流源和电压源，并忽
略电路中损耗
工作原理
以S关断时刻为分析起点
零电压开关PWM电路 零电流开关PWM电路
同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿和 下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频率固 定的PWM控制方式
Lr
Cr S1
L
Lr Cr S1 L
S
S
VD1 Ui
VD C
R
Ui
VD1
VD C
R零电压开a关) PW源自电路零电b流) 开关PWM电路
工作原理
以S关断时刻为分析起点
第17页，共27页。
8.3典型的软开关电路
2. 谐振直流环
工作原理
t0~t1 ——t0前，iLr>IL，S导通 ——t0时, S关断，发生谐振，Lr对Cr充电，uCr升
高
——t1时，uCr=Ui t1~t2
uCr
——t1时，uCr=Ui，ULr=0，iLr达到峰值
t0 t1 t2 t3 t4 t0
第19页，共27页。
8.3典型的软开关电路
3. 移相全桥型零电压开关PWM电路
电路构成
增加一个谐振电感，使四个开关器件都在零电压条件下开通
控制特点 一个TS内，每一开关导通时间都略小于TS/2，关断略大于TS/2 同一半桥上下两个开关不同时导通，每一个关断到另一个开通要经 过一定死区时间 超前桥臂S1和S2： S1波形比S4超前0~TS/2；滞后桥臂S3和S4： S2比S3 超前0~TS/2
第15页，共27页。
O
uVD
O
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6
t
t t
t t t0
8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
uCr(即开关S电压uS)
Up
Lr Cr
IL
Ui
uCr的谐振峰值，即开关S的峰值电压Up 零电压开关准谐振电CL路rr I实L 现U软i 开关条件
如正弦项幅值小于Ui，uCr不能谐振到0，S不可能实现零电压开 通
iVD=0，VD关断
第24页，共27页。
8.3典型的软开关电路
IL L
Ui VDS
4. 零电压转换PWM电路
工作原理
t1~t2
——Lr与Cr构成谐振回路，L很大使谐振中电流
不变；谐振中iLr增加而uCr下降
——t2时，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于0，而iLr
保持不变
t2~t3 ——uCr=0和iLr不变的状态保持到t3时刻S开通、S1
——S3开通后，iLr继续减小到0后反向，不断增
大，t5时iLr=IL/kT，iVD1下降到0而关断，电流IL
全部转移到VD2
r
t0~t5
——是Ts的一半，而在另一半t5~t0时段中， r
工作过程与该段完全对称
第23页，共27页。
8.3典型的软开关电路
4. 零电压转换PWM电路
背景及电路构成
电路简单、效率高，广泛用于功率 因数校正电路、斩波器等
关断
t3~t4
——t3时，S开通，uS=0，无开关损耗。同时S1关
断，Lr通过VD1向负载放能，iLr下降，iS线性上升
——t4时,iLr=0,VD1关断,iS=IL, 正常导通
第25页，共27页。
S
O
S1
O
uS
O
iLr
O i
S1
uO S1
iVDO iS O
O
t0 t1
t2 t3 t4
iLr Lr Cr
1. 零电压开关谐振电路
工作原理
S
O Ui
u S( uC r )
Ui
t0~t1
——Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr线性
上升，uVD下降
——t1时，uVD=0，VD导通，uCr上升率
O
iS
O
iLr
O
uVD
t1~t2
O
——t1时，VD导通，L续流，Cr、Lr、Ui形成谐
振回路，Lr对Cr充电，uCr上升，iLr下降
继续向Lr放电，iLr反向增加
——t3时，uCr=Ui
t3~t4
——t3时，iLr达到反向谐振峰值后衰减，uCr继续下 uCr
降
——t4时，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于0
Uin
t4~t0
O
t
——S导通，iLr线性上升，t0时刻，S再次关断
iLr
uCr谐振峰值高增加对开关的耐压要求
O
IL t
——t2时，iLr下降到0，uCr达到谐振峰值
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6
t
t t
t t t0
第13页，共27页。
8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
工作原理
t2~t3 ——t2后，Cr向Lr放电，iLr变向，uCr下降
——t3时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐振峰值
与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗 零电流开通
与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗 在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开
关，靠电路中的谐振来实现。
第6页，共27页。
8.2软开关电路的分类
分类
根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路 和零电流电路
uu iu i
u ii
u u
降压型零电压开关准谐振电路及理想波形
0
P
0
第5页，共27页。
t0
t
P
t0
t
a)
b)
软开关导通和关断过程中实际电压和电流
8.1软开关的基本概念
2. 零电压开关和零电流开关
零电压开通
开关开通前其两端电压为零，开通时不会产生损耗和噪声 零电流关断
开关关断前其电流为零，关断时不会产生损耗和噪声 零电压关断
第20页，共27页。
8.3典型的软开关电路
3. 移相全桥型零电压开关PWM电路
工作原理
t0~t1
——S1与S4导通，t1时刻S1关断
t1~t2
——t1时，S1关断后，Cs1、Cs2与Lr、L构成谐 r
振回路，谐振初始uA(t1)=Ui。谐振时，uA不断
下降至0，VDS2导通，iLr通过VDS2续流
S1
t t t IL t t t t t t5
要点总结
软开关的基本概念 软开关分类 四种典型软开关电路，包括电路构成、电路作
用和工作原理
第26页，共27页。
作业
第8章：2、3、4(195页)
第27页，共27页。
S
O
u S( uC r )
t0~t1
O
——t0前，S导通，VD断态,uCr=0,iLr=IL
iS
——t0时，S关断，Cr使S关断后电压上升减缓
O
，则S关断损耗减小，S关断后，VD未导通
iLr
O
uVD
O
第12页，共27页。
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6
t
t t
t t t0
8.3典型的软开关电路
以升压电路为例 假设电感L、电容C很大，可以忽略电流
和输出电压波动，还忽略元件与线路中 损耗
IL L
Ui VDS
iLr Lr Cr
S1
辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断，主要谐振过程集中 在S开通前后
工作原理 t0~t1
——S1比S先开通，此时VD尚导通，uLr=Uo，iLr线性增长，iVD下降，到t1时，iLr=IL，
第9页，共27页。
8.2软开关电路的分类
零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开关并联，输 入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽输入电压范围内和从零 负载到满载都工作在软开关状态，无功功率交换被削减到最小
零电压转换PWM电路 零电流转换PWM电路
零电压转换PWM电路
零电流转换PWM电路
工作原理
t4~t5
——uCr箝位于0，uLr=Ui，iLr线性衰减
——t5时，iLr=0。该段uS=0，则使S开通，不会
产生开通损耗
S
t5~t6 ——S通态，iLr线性上升
O Ui
u S( uC r )
Ui
——t6时，iLr=IL，VD关断
O
t4~t6电流iLr变化率
iS
O
iLr
t6~t0：S通态，VD断态
Uin
——t1后，Lr继续向Cr充电并不断减小，uCr又升高 O
t
——t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值
iLr
O
IL t
t0 t1 t2 t3 t4 t0
第18页，共27页。
8.3典型的软开关电路
2. 谐振直流环
工作原理
t2~t3
——t2后，Cr向Lr和L放电，iLr降低至0后反向，Cr
硬开关降压型电路及理想波形
u i
u
u
i ii
u
0 P 0
第4页，共27页。
t0 P
t0
a)
b)
硬开关导通和关断过程中实际电压和电流
8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
软开关 增加了Lr、Cr，与L、C相比小得多，S增加了反并联VDS
软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路)——使开通前电压先降到零，关 断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减小甚至消除开关损耗，同 时，限值了开关过程电压和电流变化率，也减小开关噪声
第八章电力电子技术软开关 技术
第1页，共27页。
本章主要内容
8.1软开关的基本概念 8.2软开关电路的分类 8.3典型的软开关电路 8.4软开关技术新进展
第2页，共27页。
概述
现代电力电子装置的发展趋势
小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求
电力电子电路的高频化
是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的最 直接途径