第七章谐振开关技术

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一、串联谐振 电路工作原理
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二、并联谐振 电路工作原理
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三、软开关损 耗
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一、串联谐振电路工作原理
如图7.2（a）所示为负载与电容并联的串联谐振电 路。图中I0代表负载电流，Ud和I0为直流量，初始时 间t0时的初始条件为IL0和Uc0，电路的方程为
uc
Ud

Lr
diL dt

iL ic I0
Pon=fswUIton
(7.11)
式中fsw为开关频Po率ff=。fsw式U(I7to.f1f 1)和(7.12(7).表12)明，
器件的开关损耗同开关频率fsw成正比。随
开关频率增加，开关损耗将成为器件损耗
的主要部分。
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2 、Buck电路中器件的开关损耗
对于典型的Buck电路，当负载电流保持恒 定时，其电路可等值于图7.6。
直流环节的逆变器中，上下桥臂直通成了一种 合理的工作状态。
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谐振软开关电路中，零电压和零电流条件 是由辅助的谐振电路所创造的。
因此，本章首先介绍基本串联谐振电路和 并联谐振电路工作原理，然后，分别介绍 软开关技术在开关电源和直流逆变器中的 分类和典型应用。
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第二节 谐振电路工作原理和开关损耗
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开关动作时V1的电压和电流的波形如图7.10b所 示。时刻V1触发导通，减小Rv，V1的电流随时 间增大；到时刻，等于在期间，二极管电流从I减 到零。以后，减小Rv，V1的电压变小时，Rv=0， 导通结束。
时刻，关断V1，增大Rv，V1的电压随时间增大。 在时，等于电源电压E，VD2受正偏压。以后V1 的电压等于电源电压，增大Rv，减小。在时刻， Rv=∞，电流I全部通过二极管VD2，关断结束。
第七章 谐振开关技术
内容提要与目的要求 第一节 概 述 第二节 谐振电路工作原理和开关损耗 第三节 软开关电路的分类
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内容提要与目的要求 掌握基本串联谐振电路和并联谐振电路原
理。理解软开关技术的基本概念。 重点：谐振电路原理及电路分析。
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第一节 概 述
硬开关PWM（脉冲宽度调制），是指在功 率变换过程中电力电子开关在开通和关断 的瞬间均处于大电流或高电压的工作条件。
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1986年美国威斯康星大学的D．M．Divan教授提 出了“谐振直流环逆变器(谐振环)的概念”，这 对于谐振开关技术应用于DC／AC变换器领域起
了很大的推动作用。谐振环的原理是把原先具有
恒定直流电压的母线变成一个高频直流脉动或高 频交流母线，从而在母线上出现电压(或电流)过 零现象，挂在这样母线上的逆变器中的开关器件 在同步信号的控制下，则能实现零电压或零电流 条件下的开通和关断。
维持在I0值，直到Q管上电压上升到Ud时， Q管中的电流 iQ才开始下降，如图7.7(b)所 示。
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根据图7.7的波形，在线性假设条件下，器 件的开通和关断损耗分别表示为
Pon=fswUdI0tr
(7.14)
Poff=fswUdI0tf
(7.15)
比较式(7.12)和(7.14)以及式(7.13)和(7.15)
3、在开关过程中，要求开关元件有较大的 安全工作区。
4、桥式电路拓扑，存在着上、下桥臂直通 短路的问题。
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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。
在Q管关断期间，负载电流I0。通过续流管 D继续流通。
现给Q管一个激励信号使其导通，D管中电 流逐渐向Q管转移，因此在Q管电流上升期 间 直，到QiQ=管I0上时的，电Q管压上必的须电保压持才在开Ud始而下不降下，降如， 图7.7(a)所示。
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同理分析，当已导通的Q管在撤除激励信号 后，其上电压uQ必须首先从零开始上升， 在Q管电压上升期间，Q管的电流iQ。
1.高频逆变器:负载带有谐振电路的逆变器
称为正弦波逆变器或高频逆变器。水银整 流器时代就已开始研究。
晶闸管时代，高频逆变器作为开关损耗少 的逆变器而著称，与整流电路组合一起的 高频环节DC-DC变流器可算是最早实用化 的软开关技术。
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2.缓冲电路:为了避免器件损坏或误动作，
可使用抑制du／dt、di／dt的电压缓冲器和 电流缓冲器。 利用缓冲器，器件本身的开关损耗能减少， 并能实现软开关动作。 缓冲电路进一步发展，拒电容和电感里积 蓄的能量回馈到电源，称为无损耗缓冲器。
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以闸刀开关作形象比喻，如果能在闸刀推 合和拉开的瞬间人为地令开关间的电压或 电流为零，岂不就可以避免拉弧火花的产 生？
在功率变换技术中，其实就是在主开关器 件关断或导通的瞬间，实现其两端电压或
电流为零的技术。也就是ZVS（零压开关） 和ZCS（零流开关）软开关技术。
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软开关技术的发展经历了高频逆变器、缓 冲电路和谐振开关三个阶段。
二极管的反向恢复时间与载流子寿命时间基本相等，V1增 加的开关损耗为
Pb EIf
τ — 极管的载流子寿命时间
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二极管对P的影响程度与电源电压及二极管 的累积电荷成正比QD，通常是，在器件的 导通时间ts上加上2τ 即可。
开关波形如图7-10b点划线所示，导通时产 生的损耗大，如图7.10c所示。
图7.1给出了典型的硬开关过程中电流、电 压和损耗的波形。
从波形上可知，功率器件在高电压下开通、 大电流时关断，因此要承受大的电压应力 和热应力，且易超过安全工作区。
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硬开关的缺点：
1、开关损耗大，限制了开关元件的工作频 率。
2、方波工作方式，产生较大的电磁干扰， 电路存在着较大的动态电压、电流应力。
在开关电路中，增设缓冲网络，虽然能进 一步降低开关器件的开关损耗，但缓冲网 络的损耗仍然存在。
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3、PWM逆变器的开关损耗
图7.9为PWM逆变器的一个桥臂，开关V1 产生的损耗包括漏电流损耗、电压降损耗 和开关损耗。
图7.10用来观察开关器件的动作波形。图 7.10a从0-∞连续改变电阻Rv值，观察V1的 开关动作，Rc表示导通时的电压降，RL表 示关断时漏电流。对于电力半导体器件， 一般稳态漏电流可以忽略。
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硬开关：
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。
软开关：
在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开 关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。
降低开关损耗和开关噪声。
软开关有时也被成为谐振开关。
工作原理： 软电开压关和电路流中的S波关形断类后似Lr于与正Cr弦间半发波生。谐谐振振，减电缓路了中 开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的 电压在其开通前就降为零。
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器件的总损耗为
P=P1+P2+Pon+Poff
(7.8)
而器件的开关损耗定义为
Psw=Pon+Poff
(7.9)
通常，器件的断态损耗可以忽略，其通态损
耗为
P2≈UonI
(7.10)
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若假定，在开关过程中器件的电压和电流 按线性规律变化，同时在计算时忽略U。 (通态压降)和漏电流，则器件的开通和关断 损耗分别近似为
开关损耗的原因与器件的导通关断时间、二极管
反向恢复时间、器件的极间电容及布线电感有关。
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(1)导通关断时间
开关消耗的瞬时功率Pa如图7.10c所示，峰 值达EI。由开关引起的功率损耗为
Pa 0.5EIstf
ts—导通时间和关断时间之和； f—开关频率，与器件的开关时间成反比。
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3.谐振开关:开关器件与谐振器结合构成谐振开关，即用软
开关器件代替单个的半导体开关。 1966年R．E．Morgan用晶闸管做过软件仿真，即当今的
ZCS。 1975年N．O．Sokal提出“E级放大器”，使用两个谐振
器，使导通与关断时的du／dt、di／dt为零，对器件来说 成为理想的软开关。 1984年开始，F．Lee对零电流开关、零电压开关进行了 一系列研究，并命名为准谐振变流器。当时在小型DC-DC 变流器上应用，开关频率为0.5—2MHz，功率密度为 l00W／(50×50×6)mm3。 1985年美国弗吉尼亚工学院李泽元教授提出的谐振开关技 术是在研究DC／DC变换器过程中发展起来的。这种谐振 开关的原理也可以应用于DC／AC变换器。

ic Cr ddcutLrCr dd2i2tL
d2iL dt2
02iL
02I0
式中，ω0为谐振角频率
0 1/ LrCr
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当t≥t0时方程的解为：
iL(t)I0 (IL 0I0)co0(s t t0) U dZ 0 U c0si0 n (t t0)

可知，Buck电路中器件的开关损耗更为严
重。
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若I0=50A，Ud＝400V，tf=tr=0.5μs， fsw=20kHZ那么器件开关过程的瞬时峰值功 率将达20kW，开通和关断的平均功率损耗 为100W。其开关过程的动态轨迹如图7.8 所示。
因此，对于Buck电路，要进一步提高其脉 宽调制频率到兆赫级，困难很大。
当 后ω于s电>ω流0时，，电容压性相阻角抗θ接小近于于感-性90阻°抗。，电压滞
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三、软开关损耗
1、典型的开关损耗
图7.5给出了纯阻负载电路中自关断器件开关工 作时的典型电压和电流及其相应的 开关能量损 耗波形。很显然，器件在工作过程中的损耗包括 下面四部分： (1)断态损耗(漏电流引起的)P1； (2)通态损耗P2； (3)开通损耗Pon； (4)关断损耗Poff。
u c(t) U d (U d U c0)co0(s t t0)Z 0(IL 0I0)si0 n (t t0)
Z0为谐振阻抗 Z0 Lr /Cr
当Uc0=0，IL0=I0时，可得到如下公式：
iL(t)
I0
Ud Z0
sin0(t
t0)
uc(t) Ud[1cos 0(t t0)] 16
设二极管的反向恢复时间为l00ns，当 f>50kHz时，影响很大。使用ZCS可省掉这 部分损耗。
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(3)器件的极间电容
进行高频ZCS动作，器件的极间电容Cs的充放电损耗不能
不考虑。导通时的累积电荷Cs由Vl短路而消耗，产生的损
耗用下式表示： Pc1/2CsE2f
(7.18)
比如，E=200V，Cs=1000pF，f=500kHz，得P=10W。
0 LrCr
Z0
Lr Cr
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并联谐振电路的频率特性如图7.4所示。当负载为 电阻只RL时，品质因数为
Q0RLCr
RL
0Lr
RL Z0
由量图，7电.4路(b阻)可抗知ZP，是当频负率载的只函R数L一。定图时7，.4(以c)Q所为示参，变 电压相角为θ＝θU–θi，它是频率的函数。 当 流ω为s主<ω，0时电，压电相压角超接前近电于流90，°电；路中以感性电
比如 ts 2s 的器件，当f<5kHz时，开关
损耗不到输出峰值的1％，比导通损耗小。
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(2)二极管的反向恢复时间
MOSFET是高速开关器件，器件本身的导通时间、关断时 间引起的损耗可以忽略，如图7-10d所示，Rv可用理想开 关替换。
导通时，在二极管反向恢复期间，V1—VD2短路，V1的 损耗明显增大。
二、并联谐振电路工作原理
如图7.3所示为一无阻尼并联谐振电路，它由电流源供电，
电路的初始条件为：在t=t0时有Ic0和Uc0。状态变量为电感 电流iL和电容电压Uc。其电路方程为
iL
Cr
dU c dt

I
d

uc

Lr
di L dt

当t≥t0时，上述两个方程的解为：
iL(t)Id(IL0Id)co0s(tt0)U Zc00(tt0) uc(t)Z0(IdIL0)sin t(t0)Uc0co0 s(tt0)
1991年Jung．G．Cho等人提出的“新型并联谐 振直流环软开关PWM变换器”是一种比较理想的 拓扑结构。
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所谓的软开关转换其理论上开关损耗为零。
其优点如下：
1、振式软开关转换无开关损耗，工作频率高。 2、电磁干扰，开关转换过程中动态应力小。 3、电能转换效率高，无吸收电路，散热器小。 4、上下桥臂直通短路问题不存在了。在谐振