第八章 电力电子技术—软开关技术

—电力电子技术—
8.2软开关电路的分类 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， 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 根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关 根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关PWM电 电 路和零转换PWM电路 路和零转换 电路
d uCr I L = dt Cr
S
O Ui
t
Ui
u S( uC r )
O
t t t t t
0 t 1 t2
iS
O
iLr
O
uVD
O
t1~t2 ——t1时，VD导通，L续流，Cr、Lr、Ui 导通， 续流 续流， 导通
形成谐振回路， 充电， 上升， 形成谐振回路，Lr对Cr充电，uCr上升，iLr 下降 ——t2时，iLr下降到 ，uCr达到谐振峰值 下降到0， —电力电子技术—
1 Lr Cr
,t ∈ [t1 ,t4 ]
uCr的谐振峰值，即开关 的峰值电压 p 的谐振峰值，即开关S的峰值电压 的峰值电压U 零电压开关准谐振电路实现软开关条件
Lr IL ≥ Ui Cr
如正弦项幅值小于U 不能谐振到0， 不可能实现零 如正弦项幅值小于 i，uCr不能谐振到 ，S不可能实现零 电压开通 谐振电压峰值高于输入电压2倍，S耐压必须提高，增加了 谐振电压峰值高于输入电压 倍 耐压必须提高， 耐压必须提高 电路成本， 电路成本，降低了可靠性
准谐振电路 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 用于逆变器的谐振直流环节 准谐振——电路中电压或电流的波形 准谐振 电路中电压或电流的波形 为正弦半波
—电力电子技术—
8.2软开关电路的分类 8.2软开关电路的分类
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 谐振电压峰值很高， 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率交换， 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， 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
—电力电子技术—
O
t t t t t t
0 t 1 t2
iLr
O
uVD
O
t 3 t 4 t5 t 6
t0
8.3典型的软开关电路 8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
工作原理
t0~t1 ——Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr 等效为电流源， 向 充电， 等效为电流源
线性上升， 线性上升，uVD下降 ——t1时，uVD=0，VD导通，uCr上升率 导通， ， 导通
t3~t4 ——t3后，Lr向Cr反向充电，uCr下降 反向充电，
——t4时，uCr=0
u S( uC r )
O
iS
O
t1~t4间的谐振方程
Lr
d iLr + uCr = U i dt d uCr Cr = iLr dt uCr t = t = U i , iLr t =t = I—电力电子技术— t ∈ [ t1 ,t4 ] L , 1 1
—电力电子技术—
8.3典型的软开关电路 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 作用在交 直 交变换电路的中间直流 环节，通过引入谐振， 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， 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， 过程中逆变电路开关状态不变，负 载电流为常量
t 3 t 4 t5 t 6
t0
8.3典型的软开关电路 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 放电， 变向， ——t3时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐 ，
振峰值
S
O Ui Ui
t t t t t t
0 t 1 t2
u u i 0 P 0
a)
i t t
u i 0 P 0
i
u
b)
硬开关降压型电路及理想波形
—电力电子技术—
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 8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
软开关 增加了L 相比小得多， 增加了反并联 增加了反并联VD 增加了 r、Cr，与L、C相比小得多，S增加了反并联 S 、 相比小得多 软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路 降压型零电压开关准谐振电路)——使开通前电压先 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， 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， 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
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 后 放电， 降低至0后 放电
反向， 继续向L 放电， 反向，Cr继续向 r放电，iLr反向增加 ——t3时，uCr=Ui
t3~t4 uCr ——t3时，iLr达到反向谐振峰值后衰减， 达到反向谐振峰值后衰减，
uCr继续下降 ——t4时，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位 导通， ， 于0
iLr
O
uVD
O
t 3 t 4 t5 t 6
t0
8.3典型的软开关电路 8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
工作原理
t4~t5 ——uCr箝位于 ，uLr=Ui，iLr线性衰减 箝位于0， ——t5时，iLr=0。该段 S=0，则使 开通， 开通， 。该段u ，则使S开通
不会产生开通损耗
8.3典型的软开关电路 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， 很大， 和 很大 等效为电流源和电压源， 并忽略电路中损耗 S O 工作原理 u S( uC r ) 以S关断时刻为分析起点 关断时刻为分析起点 O iS t0~t1
——t0前，S导通，VD断态 Cr=0,iLr=IL 导通， 断态 断态,u 导通 ——t0时，S关断，Cr使S关断后电压上 关断， 关断 关断后电压上 升减缓，则S关断损耗减小，S关断后， 升减缓， 关断损耗减小， 关断后， 关断损耗减小 关断后 VD未导通 未导通
—电力电子技术—
8.2软开关电路的分类 8.2软开关电路的分类
零开关PWM电路 电路 零开关
引入辅助开关来控制谐振开始时刻， 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 零电压开关PWM电路 零电压开关 电路 零电流开关PWM电路 零电流开关 电路 同准谐振相比，电压和电流基本上是方波， 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， 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 率固定的 控制方式
硬开关
开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠， 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， 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， 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， 不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著
第八章
软开关技术
本章主要内容
8.1软开关的基本概念 软开关的基本概念 8.2软开关电路的分类 软开关电路的分类 8.3典型的软开关电路 典型的软开关电路 8.4软开关技术新进展 软开关技术新进展
—电力电子技术—
概述
现代电力电子装置的发展趋势
小型化、轻量化， 小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求
O iLr
Uin t
t4~t0 ——S导通，iLr线性上升，t0时刻，S再 导通， 线性上升， 时刻 时刻， 再 导通
次关断
IL O t0 t1 t2 t3 t4 t0
t
uCr谐振峰值高增加对开关的耐压要求 —电力电子技术—
8.3典型的软开关电路 8.3典型的软开关电路
3. 移相全桥型零电压开关 移相全桥型零电压开关PWM电路 电路
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 是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、 最直接途径 开关损耗增加， 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
—电力电子技术—
8.1软开关的基本概念 8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
电路构成 增加一个谐振电感， 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T 每一开关导通时间都略小于T ，关断略大于T 一个 S内，每一开关导通时间都略小于 S/2，关断略大于 S/2 同一半桥上下两个开关不同时导通， 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S 波形比S 超前0~TS/2；滞后桥臂 3和S4： 超前桥臂 1和S2： S1波形比 4超前 ；滞后桥臂S S2比S3超前 超前0~TS/2
u u u i 0 P 0
a)
i t t
u i i 0 P 0
b)
பைடு நூலகம்
u
u t t
降压型零电压开关准谐振电路及理想波形
—电力电子技术—
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 8.1软开关的基本概念