第八章 软开关电路

图8.7 ZVS准谐振开关变换电路及其波形 准谐振开关变换电路及其波形
3. 零转换 零转换PWM电路 电路
同样采用辅助开关控制谐振时刻，但谐振电路与主开关并联， 同样采用辅助开关控制谐振时刻，但谐振电路与主开关并联， 故输入电压和负载电流对谐振影响小，电路效率提高。 故输入电压和负载电流对谐振影响小，电路效率提高。
(a)零电压转换 零电压转换PWM电路 (b)零电流转换 电路 零电流转换PWM电路 电路 零电压转换 零电流转换 零转换PWM电路的基本单元 图8.6 零转换 电路的基本单元
2. 零开关 零开关PWM电路 电路
引入辅助开关控制谐振时刻，使谐振仅发生在开关过程前后。 引入辅助开关控制谐振时刻，使谐振仅发生在开关过程前后。电 路电压和电流为方波，开关耐压较低。 路电压和电流为方波，开关耐压较低。
(a)零电压开关 零电压开关PWM电路 (b)零电流开关 零电流开关PWM电路 零电压开关 电路 零电流开关 电路 零开关PWM电路的基本单元 图8.5 零开关 电路的基本单元
u i t t
Байду номын сангаас
u i 0 P 0
u
i t t
u i 0 P 0
a）软开关的开通过程 ）
b）软开关的关断过程 ）
软开关的开关过程
4
8.1.1 硬开关的局限性
1. 热学限制 在容性开通和感性关断情况下， 在容性开通和感性关断情况下，电力电子器件将承受很 大的动态功耗。一般地， 大的动态功耗。一般地，一个开关周期内器件的平均开关损 耗将占到总平均损耗的 30%～40%，同时这种损耗随开关 ～ ， 频率的提高而增大。过大的开关损耗将使得器件结温上升， 频率的提高而增大。过大的开关损耗将使得器件结温上升， 结温的升高制约了开关频率的提高。 结温的升高制约了开关频率的提高。
(b)电路波形 电路波形 (a)ZVS准谐振开关 准谐振开关DC-DC变换电路 准谐振开关 变换电路
(1) t0~t1期间 模式 期间(模式 期间 模式1) t0时刻之前，开关S处于导通状态，二极管 处于关断状态，uCr=0； 时刻之前，开关 处于导通状态 二极管VD处于关断状态 处于导通状态， 处于关断状态， 时刻之前 ； 关断， 的存在， 上承受的电压不能突变， 当t=t0时，开关 关断，因电容 的存在，开关 上承受的电压不能突变， 时 开关S关断 因电容Cr的存在 开关S上承受的电压不能突变 只能缓慢地从零上升至电源电压U 发生在 发生在t=t1时刻 ，因此开关 的关断 时刻)， 只能缓慢地从零上升至电源电压 D(发生在 时刻 因此开关S的关断 损耗减小。 损耗减小。
第8章 软开关技术 章 8.1 软开关的基本概念 8.2 基本软开关电路
8.1 软开关的基本概念
现代电力电子装置的发展趋势 现代电力电子装置的发展趋势 小型化、 ▲小型化、轻量化 对效率和电磁兼容性有更高的要求 ▲高频化 滤波器、变压器体积和重量减小， 滤波器、变压器体积和重量减小，有利于电力电 子装置小型化、轻量化。 子装置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术——新应用技术、研究方向 新应用技术、 软开关技术 新应用技术 1985年 1985年 美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授提出 降低开关损耗和开关噪声。 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。 进一步提高开关频率。
2. 二次击穿限制 在软、 在软、硬开关的开关过 程中， 程中，GTR的开关轨迹如图 的开关轨迹如图 8.1所示。由图可知，GTR 所示。由图可知， 所示 承受的电流、 承受的电流、电压会出现同 时为最大值的情况， 时为最大值的情况，这时的 电流和电压已经远远超出 GTR的安全工作区。 的安全工作区。 的安全工作区
u u i 0 P 0 i t t u i 0 P 0 i u t t
a）硬开关的开通过程 ）
硬开关的开关过程
b）硬开关的关断过程 ）
2. 软开关： 软开关： 在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件， 在原电路中增加了小电感 、 电容等谐振元件 ， 构成辅助 换流网络，在开关过程前后引入谐振过程， 换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电 压将为0，关断前电流降为0，以消除电压、电流的重叠。 压将为 ，关断前电流降为 ，以消除电压、电流的重叠。 减小了开关损耗和开关噪声。 降低了电压和电流的变化率，减小了开关损耗和开关噪声。
8.1.2 软开关及其特点
软开关是由电力电子开关器件S及辅助谐振元件 和 组成的电路 组成的电路， 软开关是由电力电子开关器件 及辅助谐振元件Lr和Cr组成的电路， 及辅助谐振元件 为零电流开关(ZCS) —开关关断前其两端电流为零，Lr与s串联； 开关关断 电流为零， 与 串联 串联； 图8.3(a)为零电流开关 为零电流开关 开关关断前其两端电流为零 为零电压开关(ZVS) —开关开通前其两端电压为零，Cr与s并联。 开关开通前其两端电压为零 并联。 图8.3(b)为零电压开关 为零电压开关 开关开通前其两端电压为零， 与 并联
图8.2 MOSFET极间电压变化示意图 极间电压变化示意图
4. 缓冲电路的限制 缓冲电路可限制器件开通时的di/dt和关断时的 和关断时的du/dt， 缓冲电路可限制器件开通时的 和关断时的 ， 从而保证开关器件的安全运行。但是，这种方法存在弊端： 从而保证开关器件的安全运行。但是，这种方法存在弊端： 将使开关期间的开关损耗转移到缓冲电路之中， 将使开关期间的开关损耗转移到缓冲电路之中，被白 白地消耗掉，系统功耗增加。 白地消耗掉，系统功耗增加。 系统的效率低，工作频率难以提高， 系统的效率低，工作频率难以提高，在高频运行时的 局限性很大。 局限性很大。 制造和使用不便。 制造和使用不便。
模式1的等效电路 模式 的等效电路 图8.7 ZVS准谐振开关变换电路及其波形 准谐振开关变换电路及其波形
(2) t1~t2期间 模式 期间(模式 期间 模式2) 之后， 正向导通。 在t1之后，二极管 正向导通。 之后 二极管VD正向导通
滤波电感经二极管VD续流； 滤波电感经二极管 续流； 续流 电流经Lr， ， 构成谐振回路， 电流经 ，Cr，UD，VD构成谐振回路，发生串联谐振。 构成谐振回路 发生串联谐振。 iL不断下降，uC不断上升，在t’处，iL下降为 ，uC上升到谐振峰值电 不断下降， 不断上升， 下降为0， 处 之后， 反向， 不断下降， 反向不断增加， 压。之后，iL反向，uC不断下降，iL反向不断增加，在t’’处，Lr两端电压 处 两端电压 为零， 下降至U 上升至反向谐振峰值电流–I 为零，uC下降至 D，iL上升至反向谐振峰值电流 O。当t=t2时，二极管 时 Vr开始呈导通状态，电容 上电压 C被钳位为零，而不会呈现反向电压。 开始呈导通状态， 上电压u 开始呈导通状态 电容Cr上电压 被钳位为零，而不会呈现反向电压。
8.2 ZVS准谐振变换电路 准谐振变换电路
以降压型斩波电路为例 降压型斩波电路为例 分析工作原理。 分析工作原理。 假设电感 和电容 很大， 假设电感L和电容 很大， 电感 和电容C很大 可等效为电流源和电压源， 可等效为电流源和电压源， 并忽略电路中的损耗。 并忽略电路中的损耗。 电路特点： 电路特点： 一个周期内， 一个周期内，既有谐振 运行状态， 运行状态，又有非谐振运行 状态； 状态； 电压波形为正弦半波
▲ 硬开关和软开关 1. 硬开关： 硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 —— 开关损耗 电路效率 开关损耗↑电路效率 电路效率↓ 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲。 —— 开关噪声 电磁干扰 开关噪声↑电磁干扰 电磁干扰↑
图8.3 零电压与零电流开关基本单元电路
8.1.3 软开关的分类
1. 准谐振电路
出现最早，电路中电压或电流为正弦半波，开关损耗和噪声降低， 出现最早，电路中电压或电流为正弦半波，开关损耗和噪声降低， 但谐振峰值高。 但谐振峰值高。
(a)零电压开关准谐振变换电路 (b)零电流开关准谐振变换电路 零电压开关准谐振变换电路 零电流开关准谐振变换电路 (c)零电压开关多谐振准谐振变换电路 零电压开关多谐振准谐振变换电路 图8.4 准谐振电路的基本单元
在软、 图8.1 GTR在软、硬开关状态时的开关轨迹 在软
3. 电磁干扰限制 在高频状态下运行时， 在高频状态下运行时，电力电子器件本身的极间电容将 成为极为重要的参数。尤其对MOSFET来说，因为其门极采 来说， 成为极为重要的参数。尤其对 来说 用了绝缘栅结构，它的极间电容较大， 用了绝缘栅结构，它的极间电容较大，因此引起的开关能量 损耗更为严重。 损耗更为严重。
图8.7 ZVS准谐振开关变换电路及其波形 准谐振开关变换电路及其波形
模式2的等效电路 模式 的等效电路
(3) t2~t3期间 模式 期间(模式 期间 模式3) 之后， 钳位至零, 在t2之后，谐振电容电压 C被二极管 钳位至零 即可将控制 之后 谐振电容电压u 被二极管Vr钳位至零 信号加至开关S的控制极上 实现零电压开通。此时， 线性上升， 的控制极上， 信号加至开关 的控制极上，实现零电压开通。此时，iL线性上升， 时为零， 呈导通状态， 经开关S流通 因此， 流通。 在t=t2’时为零，之后，开关 呈导通状态，iL经开关 流通。因此， 时为零 之后，开关S呈导通状态 开关S在零电流和零电压条件下开通 在零电流和零电压条件下开通， 开关 在零电流和零电压条件下开通，t=t3时，iL=IO。 时
图8.7 ZVS准谐振开关变换电路及其波形 准谐振开关变换电路及其波形
模式3的等效电路 模式 的等效电路
(4) t3~t4期间 模式 期间(模式 期间 模式4) t3之后，iL=IO，续流二极管 又恢复到阻断状态。在 之后， 续流二极管VD又恢复到阻断状态 又恢复到阻断状态。 之后 t=t4之前，流过开关 的电流一直保持为 O，在t4时，开关 被 之前， 的电流一直保持为I 之前 流过开关S的电流一直保持为 时 开关S被 关断，下个周期开始工作。为了调节输出电压， 关断，下个周期开始工作。为了调节输出电压，可以通过控 的大小(即该时段的长短 来实现。 制t4–t3的大小 即该时段的长短 来实现。 的大小 即该时段的长短)来实现