第8章软开关技术1214
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第8章 软开关技术
第7章 软开关技术
准谐振型变换电路： 准谐振开关的基本结构形式
Cr Lr S VD L S Cr VD Cr 1 Lr L S Cr 2 Lr L VD
a)
b)
c)
图 7-4 准谐振电路的基本开关单元 a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路的基本开关单元 c）零电压开关多谐振电路的基本开关单元
将谐振电感及其辅助开关电路改为并联：
主开关通态时，Lr中不流过负载电流，仅在“开通”与“关断” 时启动辅助开关电路，造成主开关管的零电压或零电流条件。
第7章 软开关技术
零转换PWM电路 零转换PWM电路可分为：
零电压转换PWM电路
Zero-Voltage-Transition PWM Converter—ZVT PWM ；
第7章 软开关技术
零转换PWM电路 特点： 辅助谐振网络不在主功率通道中，使主开关器件在软开关工作 时，不增加过高的电压或电流应力；
辅助谐振网络不需处理很大的环流能量，可减小电路的导通
损耗； 由于辅助谐振网络的位置使其不受输入电压和输出负载的影 响，电路可在很宽的输入电压范围内从零负载到满负载都能工作 在软开关状态。
第7章 软开关技术
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关 实际器件的开关转换存在一个开关过程，典型过程如下：
开通损耗Pon
关断损耗Poff
“硬开关”是指器件的开关过程是在其电压或电流不为零的 状态下进行的。 即：电压不为零时开通，电流不为零时关断。
第7章 软开关技术
如能延缓开关器件的电流上升率和电流上升率： 则电压、电流交叠区减少，开通关断损耗将大大减少。
3 零开关PWM变换电路
电力电子课件西安交大第8章软开关技术
03
软开关技术能够提高装置的抗电磁干扰能力，保证装置 在复杂电磁环境下的稳定运行。
04 软开关技术的实际应用案例
基于软开关技术的电源设计
开关电源
软开关技术应用于开关电源中，能够降低开关损耗，提高电源效 率，减小体积和重量。
不间断电源
在UPS（不间断电源）中应用软开关技术，可以改善输出电压的波 形，提高供电质量。
谢谢聆听
伺服系统
伺服系统中应用软开关技术，可以减 小系统体积和重量，提高伺服系统的 动态性能和稳定性。
基于软开关技术的电力电子变压器
1 2 3
固态变压器
软开关技术在固态变压器中得到广泛应用，能够 实现高效、灵活的电能转换和传输。
分布式电源系统
在分布式电源系统中，软开关技术可以提高电力 电子变压器的转换效率和可靠性，减小系统的体 积和重量。
适用于中大功率的电源转换，具有较高的输 出电压和较低的效率。
02
01
半桥式
适用于中大功率的电源转换，具有较低的输 出电压和较高的效率。
04
03
软开关技术的控制策略
恒频控制
保持开关频率恒定，通过改变占空比来调节输出 电压或电流的大小。
变频控制
改变开关频率，通过调节占空比来保持输出电压 或电流的大小恒定。
分布式电源系统
软开关技术为分布式电源系统提供高效、可靠的并网控制策略，提 高系统的稳定性和可靠性。
基于软开关技术的电机驱动系统
电机控制器
电动汽车驱动系统
软开关技术应用于电机控制器中，能 够减小电机启动电流和转矩脉动，提 高电机的控制精度和动态响应性能。
在电动汽车驱动系统中应用软开关技 术，能够提高驱动系统的效率和可靠 性，延长电动汽车的续航里程。
第8章软开关技术1214
9
• 所谓软开关就是功率器件在零电压条件下导通 （或关断），在零电流条件下关断（或导通）。 与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零 电流条件下工作，功率器件开关损耗大大减小。
• 与此同时， du/dt和di/dt大为下降，提高了变换 器的可靠性，由于软开关开关损耗很小，与硬开 关相比，它可以工作于较高的工作频率，因此减 小变换器的体积和重量，同时提高变换器的变换 效率。
● 输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小； ● 电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都
能工作在软开关状态；开关损耗最小,使得电路效率 有了进一步提高。 ● 与以往软开关技术相比，零转换PWM技术更适合高电 压、大功率的变换电路。
20
5．谐振型直流环节逆变电路
谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间 直流环节（DC-Link）。它通过在直流环节中引入谐振， 使电路中的整流或逆变环节工L VD
Lr Cr S1
S VD1
L VD
a)
b)
a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元 图 8-6 零转换PWM电路的基本开关单元
19
➢零转换PWM电路在保留零开关PWM电路的优点 基础上，还有如下特点：
● 在实现软开关的同时又不增加开关器件的电压电流 应力；
Cr Lr L
S VD a）
Lr
L
S
Cr VD
Cr1 Lr L
S Cr2 VD
b）
c）
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元
图 8-4 准谐电路的基本开关单元
15
准谐振
• 所谓软开关就是功率器件在零电压条件下导通 （或关断），在零电流条件下关断（或导通）。 与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零 电流条件下工作，功率器件开关损耗大大减小。
• 与此同时， du/dt和di/dt大为下降，提高了变换 器的可靠性，由于软开关开关损耗很小，与硬开 关相比，它可以工作于较高的工作频率，因此减 小变换器的体积和重量，同时提高变换器的变换 效率。
● 输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小； ● 电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都
能工作在软开关状态；开关损耗最小,使得电路效率 有了进一步提高。 ● 与以往软开关技术相比，零转换PWM技术更适合高电 压、大功率的变换电路。
20
5．谐振型直流环节逆变电路
谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间 直流环节（DC-Link）。它通过在直流环节中引入谐振， 使电路中的整流或逆变环节工L VD
Lr Cr S1
S VD1
L VD
a)
b)
a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元 图 8-6 零转换PWM电路的基本开关单元
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➢零转换PWM电路在保留零开关PWM电路的优点 基础上，还有如下特点：
● 在实现软开关的同时又不增加开关器件的电压电流 应力；
Cr Lr L
S VD a）
Lr
L
S
Cr VD
Cr1 Lr L
S Cr2 VD
b）
c）
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元
图 8-4 准谐电路的基本开关单元
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准谐振
电力电子技术 第8章 软开关技术
➢软开关技术的应用使电力电子变换器可以具有更高的效率，同时功 率密度和可靠性得到提高，并有效的减小电能变换装置引起的电磁干 扰和噪声等。
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
7
8.1软开关的基本概念
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
8
8.1软开关的基本概念
和移相控制软开关PWM全桥变换器。 电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
4
学习指导
➢本章主要讨论软开关的基本概念与分类，准谐振软开关变换器和 PWM软开关变换器的电路构成和基本的工作原理。建议重点学习以 下主要内容： （1）软开关的基本概念与分类、软开关电路的分类； （2）零电压开关准谐振变换器的工作原理和换流过程； （3）零电压开关PWM变换器的工作原理和换流过程； （4）零电压转换PWM变换器的工作原理和换流过程； （5）移相控制软开关PWM全桥变换器的工作原理和换流过程。
电力电子技术
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
第8章 软开关技术
1 学习指导 2 软开关的基本概念 3 软开关电路的分类 4 典型的软开关电路
5 本章小结
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
2
学习指导
பைடு நூலகம்
➢ 电力电子技术当前正在朝着小型化、高频化的方向发展。开关损 耗和电磁干扰阻碍了进一步的高频应用。
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
5
8.1软开关的基本概念
➢常规的DC/DC PWM功率变换技术进一步提高开关频率会面临许多问题。 ➢随着开关频率的提高，一方面开关管的开关损耗会成正比的上升，使电 路的效率大大的降低，从而使变换器处理功率的能力大幅下降；另一方面， 由于杂散电感、杂散电容的存在，开关器件会出现电压、电流过冲，系统 会对外产生严重的电磁干扰（EMI）。 ➢所谓软开关是指开关管通断过程中不存在电压电流交叠区，通常是指
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
7
8.1软开关的基本概念
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8.1软开关的基本概念
和移相控制软开关PWM全桥变换器。 电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
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学习指导
➢本章主要讨论软开关的基本概念与分类，准谐振软开关变换器和 PWM软开关变换器的电路构成和基本的工作原理。建议重点学习以 下主要内容： （1）软开关的基本概念与分类、软开关电路的分类； （2）零电压开关准谐振变换器的工作原理和换流过程； （3）零电压开关PWM变换器的工作原理和换流过程； （4）零电压转换PWM变换器的工作原理和换流过程； （5）移相控制软开关PWM全桥变换器的工作原理和换流过程。
电力电子技术
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
第8章 软开关技术
1 学习指导 2 软开关的基本概念 3 软开关电路的分类 4 典型的软开关电路
5 本章小结
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2
学习指导
பைடு நூலகம்
➢ 电力电子技术当前正在朝着小型化、高频化的方向发展。开关损 耗和电磁干扰阻碍了进一步的高频应用。
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8.1软开关的基本概念
➢常规的DC/DC PWM功率变换技术进一步提高开关频率会面临许多问题。 ➢随着开关频率的提高，一方面开关管的开关损耗会成正比的上升，使电 路的效率大大的降低，从而使变换器处理功率的能力大幅下降；另一方面， 由于杂散电感、杂散电容的存在，开关器件会出现电压、电流过冲，系统 会对外产生严重的电磁干扰（EMI）。 ➢所谓软开关是指开关管通断过程中不存在电压电流交叠区，通常是指
第8章 软开关技术
开关电源结构图
10
8.2 电力电子技术应用
三、功率因数校正
功率因数校正PFC (Power Factor Correction)技术即对电
流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术，
分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。 无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、 电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉冲进行抑 制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。 有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对 输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦 波。
11
8.2 电力电子技术应用
单相有源PFC电路及主要原理波形
12
8.2 电力电子技术应用
四、高压直流 输电
13
8.2 电力电子技术应用
五、无功功率控制
晶闸管投切电容
14
8.2 电力电子技术应用
五、无功功率控制
静止无功发生器
15
8.2 电力电子技术应用
五、无功功率控制
有源电力滤波器
16
8.2 电力电子技术应用
电子装置。
UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是 指输出为交流的情况，广泛应用于各种对交流供电可靠性和
供电质量要求高的场合。
7
8.2 电力电子技术应用
UPS基本结构
具有旁路开关的UPS结构
8
8.2 电力电子技术应用
二、开关电源
在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需 要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要±12V、±15V等， 这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源
软开关：
改变拓扑结构或控制策略，在原电路中增加电感、电容等谐 振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。
第八章软开关技术
V的T作关用断，时V，T由在于零电电容压下Cr 关断。VT关断后，电感 两Lr与端电的容电C压r谐呈振近，似使正V弦T波， 当电容电压谐振到零时， VT可在零电压下导通。
2 工作过程分析
uG uCr Uo iLr Ii
iS
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
ωt
★ t0~t1：电容充电阶段 ωt 在输入t0之电前流，Ii经VTV导T续通流，；
U = UCt toff2 − toff1
2 硬开关过程的损耗
★ 开通过程：
一个开关周期的平均开通和
i = ICt ton2 − ton1
u
=
UC
−
UC t ton2 − ton1
关断损耗PS为：
∫ ∫ PS
=
Pon + Poff
= 1[ T
ton2 iudt +
ton1
toff2 iudt ]
toff1
硬开关的关断过程
2 硬开关过程的损耗
假设条件：
★ 导通后流入开关管电流为IC ★ 关断后开关管承受的电压为UC ★ 忽略导通压降
★ 开关过程中，电流i、电压u按线性变化
开通过程：
i = ICt ton2 − ton1
关断过程：
u
=
UC
−
UCt ton2 − ton1
i
=
IC
−
IC t toff2 − toff1
容充电，另一部分经
ωt
谐振电感流入负载；
ωt t压i2L时r达达刻到到，峰Ii谐，值振谐，电振随感电后电容谐流电 振电容开始放电；
2 工作过程分析
uG uCr Uo iLr Ii
《电力电子技术》第8章 软开关技术
噪声。 ◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高
时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就 越来越显著。
图8-1 硬开关降压型电路及波形 a）电路图 b）理想化波形
u i
u
u
i ii
u
0 P
0
a)
t0 P
t0
b)
图8-2 硬开关过程中的电压和电流 a) 关断过程 b)开通过程
ZVT PWM） ☞零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM Converter—
ZVT PWM）
11/29
8.3 典型的软开关电路
8.3.1 零电压开关准谐振电路 8.3.2 谐振直流环 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 8.3.4 零电压转换PWM电路
13/29
8.3.1 零电压开关准谐振电路
S
O
t
u S( uC r )
O
t
iS
图8-8 零电压开关准谐振电路原理图
O
t
◆工作过程
iLr
☞选择开关S的关断时刻为分析的起点。
☞t0~t1时段：t0之前，S导通，VD为断态， uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，Cr使S关断后
uVD
O
电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，S
■零转换PWM电路 ◆电路中采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与
主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电 路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态，而且 电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
◆分类 ☞零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter—
时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就 越来越显著。
图8-1 硬开关降压型电路及波形 a）电路图 b）理想化波形
u i
u
u
i ii
u
0 P
0
a)
t0 P
t0
b)
图8-2 硬开关过程中的电压和电流 a) 关断过程 b)开通过程
ZVT PWM） ☞零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM Converter—
ZVT PWM）
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8.3 典型的软开关电路
8.3.1 零电压开关准谐振电路 8.3.2 谐振直流环 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 8.3.4 零电压转换PWM电路
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8.3.1 零电压开关准谐振电路
S
O
t
u S( uC r )
O
t
iS
图8-8 零电压开关准谐振电路原理图
O
t
◆工作过程
iLr
☞选择开关S的关断时刻为分析的起点。
☞t0~t1时段：t0之前，S导通，VD为断态， uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，Cr使S关断后
uVD
O
电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，S
■零转换PWM电路 ◆电路中采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与
主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电 路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态，而且 电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
◆分类 ☞零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter—
电力电子技术课件 软开关技术
从而产生了开关噪声。
关断过程 开通过程
的S工◆作开频关L率损不耗太与uSO高S开时关，频开率关之损间耗tt呈ui占线u总性损关耗系的，i比因例此ui 并当i不硬大电，路u
但Ui 随V着D 开C关R频率uViOO的SD 提高，开关损t P0耗就越来越显t 著P0。
O
t0
t1
t0
t0
a)
b)
a)
b)
图8-1 硬开关降压型电路及波形
■准谐振电路 a）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路
◆分类
? 零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter —ZVS QRC）
? 零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching
■零电压开通
◆开关开通前其两端电压为零，则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，则关断时不会产生损耗和噪声 。
■零电压关断
◆与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率， 从而降低关断损耗。
■零电流开通
◆与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，
降低了开通损耗。
■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。
O t0 t1 t2 t3t4t5 t6
0 t
t0
t0
t
a)
b)
a)
b)
图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形
图8-4 软开关过程中的电压和电流
a）电路图 b）理想化波形
金品质?高追求
a) 关断过程
我们让你更放心！
软开关技术
+
+
-
-
(5)S4作0压关断
C4充电C3放电续流iLr, B点电位升至Ui, (6)D3导通续流iLr , S3为0压导通
S 1,4 S2,3
10
8.3.4 升压斩波器的零电压转换软开关电路
+ -
主开关S为0压软开关 辅助开关S1为硬开关，但
硬导通时iLr由0上升，功耗不大 硬关断时iLr换流到VD1后S1才受Uo,功耗不大 已在功率因数校正电路应用
硬开关：
开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠---功率损耗 （平均功率～（1/6)断态电压*通态电流） 电压、电流变化很快，波形有过冲，导致开关噪声。 功耗与噪声随着开关频率的提高而增大
uu i
i
0
t
P
0
t
a）硬开关的开通过程
u
i
u
i
0 P
0
b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
3
8.1.1 硬开关和软开关
7
2）工作原理
S通时Cr为0压 S作0压关断后： VD因续流iL而导通 Cr与Lr串联谐振 uC先正后“负”,负值时VDs导通 --等待S零压导通
由波形:Cr电压峰值高 准谐振(—不完整谐振)
8
8.3.3 移相全桥0压开关PWM电路
目前应用最广泛的软开关电路之一 特点:电路简单。 仅增一谐振电感，使四个开关均0压开通。
第8章 软开关技术
1
第8章 软开关技术• 引言
变流装置的发展趋势 ---高频化小型化
优点:滤波器、变压器体积和重量减小 （L=XL/ω,C=GC/ω,φm ∝ U/(Nω) ）
开关灭弧快 问题:开关损耗、电磁干扰增大。
第8章-软开关技术
谐振直流环
结果：输入直流电压被转换成一系列高频脉冲（周期回零）电 压波。S1～谐振开关
零电流开关 S开通时，激发Lr、Cr串联谐振，为 器件关断创造零电流条件。
零电压开关 S关断时，激发Lr、Cr并联谐振，为 器件开通创造零电压条件。 简单的谐振开关只适合开关数量少的场合（如DC→DC）。 对DC→AC逆变器，通常采用谐振环。
谐振环
基本思想： 使直流母线电压或电流以较高频率振荡； 恒定的直流电压或电流变成高频脉动的直流电压或电流； 出现周期性的过零点； 给挂在该母线上的所有开关器件创造零电压或零电流开通 和关断条件。
8 软开关技术
开通损耗和关断损耗均近似为零
8 软开关技术
软开关分类： 零电流开关（zero current switch, ZCS） 在电流为零时进行切换 零电压开关（zero voltage switch, ZVS） 在电压为零时进行切换
为使电压或电流为零，用L、C构成串联或并联谐振电路来实 现，形成正弦波，在过零时接通或断开开关，进行能量切换。 软开关技术→谐振开关技术
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第8章 软开关技术
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
1
第8章 软开关技术• 引言
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也有 更高的要求。
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。
u
u
i
i
0
t
P
0
t
a）软开关的开通过程
u
u
i
i
0
t
P
0
t
b）软开关的关断过程
8－2 软开关的开关过程
8
改变电路结构和控制策略
• 使开关器件被施加驱动信号而开通过程中 的端电压为零，这种开通称为零电压开通； 使开关器件撤除其驱动信号后的关断过程 中承载的电流为零，这种关断称为零电流 关断。
• 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，称为软开关。即零电压开 通和零电流关断是最理想的软开关。
10
零电压开关（零电压开通）
使开关开通前其
两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声
零电流开关（零电流关断）
使开关关断前其
电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声
零电压关断
与开关并联的电容能延缓开关关
断后电压上升的速度，降低关断损耗
零电流开通
与开关串联的电感能延缓开关开
通后电流上升的速度，降低开通损耗
9
• 所谓软开关就是功率器件在零电压条件下导通 （或关断），在零电流条件下关断（或导通）。 与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零 电流条件下工作，功率器件开关损耗大大减小。
• 与此同时， du/dt和di/dt大为下降，提高了变换 器的可靠性，由于软开关开关损耗很小，与硬开 关相比，它可以工作于较高的工作频率，因此减 小变换器的体积和重量，同时提高变换器的变换 效率。
11
8.2 软开关电路的分类
根据是零电压开通还是零电流关断
零电压电路 零电流电路
根据软开关技术发展的历程
全谐振型电路 准谐振电路 零开关PWM电路 零转换PWM电路 谐振型直流环节逆 变电路。
12
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同 电路，可以从基本开关单元导出具体电路
SL
SL
L VD
优点
电压和电流基本是方波
开关器件承受的电压明显降低。
电路可采用开关频率固定的PWM控制 缺点
要承受很高的电压
电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式
18
4． 零转换PWM电路 分为 零电流转换PWM电路
●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 率的交换，电路导通损耗加大 ●谐振周期随输入电压、负载变化而改变，电路 只能采用脉冲频率调制方式来控制
16
3．零开关PWM电路
分为
零电压开关PWM电路 零电流开关PWM电路
引入了辅助开关来控制谐 振的开始时刻，使谐振仅 发生于开关过程前后
VD
S
L S VD
a)
b)
c)
d)
a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元 c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
图 8-3 基本开关单元的概念
13
1． 全谐振型电路
负载R与LC组成的负载谐振型
分为
变换电路
串联谐振变换电路 并联谐振变换电路
特点 ●在谐振型变换电路中，谐振元件在整个开关周 期中一直谐振工作，参与能量变换的全过程。
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。
2
8.1 软开关的基本概念
8.1.1 硬开关与软开关 8.1.2 零电压开关与零电流开关
3
• 电力电子器件的导通和截止状态之间的转 换是电力电子变换技术和控制技术的关键 问题。
• 如果开关器件在其端电压不为零时开通， 称为硬开通。
• 在其电流不为零时关断，称为硬关断。 • 硬开通、硬关断统称为硬开关。
Cr S1
L
S Lr VD
a）
Lr
L
S S1
Cr VD
b）
a）零电压开关PWM电路基本开关单元 b）零电流开关PWM电路基本开关单元
图 8-5 零电压开关PWM电路的基本开关单元
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零开关PWM电路
在开关器件开通和关断时，开 关器件工作在零电压或零电流 开关方式；其余时间，开关器 件工作在PWM状态
1）开通和关断损耗大 2）感性关断问题 3）容性开通问题 4）二极管反向恢复问题
7
软开关
在原开关电路中增加很小的电感、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，开关开通前电压降 为零，或关断前电流降为零，可消除开关 过程中中电压、电流的重叠，降低它们的 变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声
• 电力电子系统中器件开关频率的高频化能 使其体积减小，质量减轻，输入输出波形 更易于滤波。
• 但硬开关过程使提高开关频率面临一系列 难题。如开关损耗随开关频率的提高正比 增加。
6
• 传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关 状态，硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关 器件工作频率的提高, 它存在如下问题：
●该变换电路输出性能与负载关系很大，对负载 的变化很敏感，一般采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation—PFM）方法调节输出电 压和输出功率。
●滤波电路参数难于选择，并且电路稍显复杂。
14
2． 准谐振电路
软开关技术的一次飞跃
分为
零电压开关准谐振电路 零电流开关准谐振电路 零电压开关多谐振电路
Cr Lr L
S VD a）
Lr
L
S
Cr VD
Cr1 Lr L
S Cr2
VD
b）
c）
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元
图 8-4 准谐电路的基本开关单元
15
准谐振
准谐振电路中电压或电 流的波形为正弦半波
优点 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降 缺点
4
硬开关
8.1.1 硬开关与软开关
开关过程中电压、电流均不为零， 出现重叠，导致开关损耗. 电压和电流的变化很快，波形出现 明显的过冲，导致开关噪声.
uu i
0 P
0
i t t a)
u
i
i
0 P
0 b)
a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程 图8-1 硬开关的开关过程典型波形
u t t
5
• 在硬开关过程中，开关器件在较高电压下 承载有较大电流，故产生很大的开关损耗。
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
1
第8章 软开关技术• 引言
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也有 更高的要求。
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。
u
u
i
i
0
t
P
0
t
a）软开关的开通过程
u
u
i
i
0
t
P
0
t
b）软开关的关断过程
8－2 软开关的开关过程
8
改变电路结构和控制策略
• 使开关器件被施加驱动信号而开通过程中 的端电压为零，这种开通称为零电压开通； 使开关器件撤除其驱动信号后的关断过程 中承载的电流为零，这种关断称为零电流 关断。
• 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，称为软开关。即零电压开 通和零电流关断是最理想的软开关。
10
零电压开关（零电压开通）
使开关开通前其
两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声
零电流开关（零电流关断）
使开关关断前其
电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声
零电压关断
与开关并联的电容能延缓开关关
断后电压上升的速度，降低关断损耗
零电流开通
与开关串联的电感能延缓开关开
通后电流上升的速度，降低开通损耗
9
• 所谓软开关就是功率器件在零电压条件下导通 （或关断），在零电流条件下关断（或导通）。 与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零 电流条件下工作，功率器件开关损耗大大减小。
• 与此同时， du/dt和di/dt大为下降，提高了变换 器的可靠性，由于软开关开关损耗很小，与硬开 关相比，它可以工作于较高的工作频率，因此减 小变换器的体积和重量，同时提高变换器的变换 效率。
11
8.2 软开关电路的分类
根据是零电压开通还是零电流关断
零电压电路 零电流电路
根据软开关技术发展的历程
全谐振型电路 准谐振电路 零开关PWM电路 零转换PWM电路 谐振型直流环节逆 变电路。
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每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同 电路，可以从基本开关单元导出具体电路
SL
SL
L VD
优点
电压和电流基本是方波
开关器件承受的电压明显降低。
电路可采用开关频率固定的PWM控制 缺点
要承受很高的电压
电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式
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4． 零转换PWM电路 分为 零电流转换PWM电路
●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 率的交换，电路导通损耗加大 ●谐振周期随输入电压、负载变化而改变，电路 只能采用脉冲频率调制方式来控制
16
3．零开关PWM电路
分为
零电压开关PWM电路 零电流开关PWM电路
引入了辅助开关来控制谐 振的开始时刻，使谐振仅 发生于开关过程前后
VD
S
L S VD
a)
b)
c)
d)
a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元 c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
图 8-3 基本开关单元的概念
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1． 全谐振型电路
负载R与LC组成的负载谐振型
分为
变换电路
串联谐振变换电路 并联谐振变换电路
特点 ●在谐振型变换电路中，谐振元件在整个开关周 期中一直谐振工作，参与能量变换的全过程。
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。
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8.1 软开关的基本概念
8.1.1 硬开关与软开关 8.1.2 零电压开关与零电流开关
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• 电力电子器件的导通和截止状态之间的转 换是电力电子变换技术和控制技术的关键 问题。
• 如果开关器件在其端电压不为零时开通， 称为硬开通。
• 在其电流不为零时关断，称为硬关断。 • 硬开通、硬关断统称为硬开关。
Cr S1
L
S Lr VD
a）
Lr
L
S S1
Cr VD
b）
a）零电压开关PWM电路基本开关单元 b）零电流开关PWM电路基本开关单元
图 8-5 零电压开关PWM电路的基本开关单元
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零开关PWM电路
在开关器件开通和关断时，开 关器件工作在零电压或零电流 开关方式；其余时间，开关器 件工作在PWM状态
1）开通和关断损耗大 2）感性关断问题 3）容性开通问题 4）二极管反向恢复问题
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软开关
在原开关电路中增加很小的电感、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，开关开通前电压降 为零，或关断前电流降为零，可消除开关 过程中中电压、电流的重叠，降低它们的 变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声
• 电力电子系统中器件开关频率的高频化能 使其体积减小，质量减轻，输入输出波形 更易于滤波。
• 但硬开关过程使提高开关频率面临一系列 难题。如开关损耗随开关频率的提高正比 增加。
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• 传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关 状态，硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关 器件工作频率的提高, 它存在如下问题：
●该变换电路输出性能与负载关系很大，对负载 的变化很敏感，一般采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation—PFM）方法调节输出电 压和输出功率。
●滤波电路参数难于选择，并且电路稍显复杂。
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2． 准谐振电路
软开关技术的一次飞跃
分为
零电压开关准谐振电路 零电流开关准谐振电路 零电压开关多谐振电路
Cr Lr L
S VD a）
Lr
L
S
Cr VD
Cr1 Lr L
S Cr2
VD
b）
c）
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元
图 8-4 准谐电路的基本开关单元
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准谐振
准谐振电路中电压或电 流的波形为正弦半波
优点 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降 缺点
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硬开关
8.1.1 硬开关与软开关
开关过程中电压、电流均不为零， 出现重叠，导致开关损耗. 电压和电流的变化很快，波形出现 明显的过冲，导致开关噪声.
uu i
0 P
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0 P
0 b)
a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程 图8-1 硬开关的开关过程典型波形
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• 在硬开关过程中，开关器件在较高电压下 承载有较大电流，故产生很大的开关损耗。