软开关变换器

5.1.2 软开关的特征及分类
u i
0
ton t
p
0 （a）开通过程 t
u i
0
toff
t
p
0 （b）关断过程 t
图5-2 软开关的开关过程
➢ 通过在原来的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，使开关开通前电压先降 为零，或关断前电流先降为零，就 可以消除开关过程中电压、电流的 重叠，降低它们的变化率，从而大 大减小甚至消除开关损耗和开关噪 声，这样的电路称为软开关电路。
tontof 6
f
f
UCIC
5-1
➢在式工中作：电P压S —和功工率作管电开流关一损定耗的；条件下，功率管在每个开关周期中 的开关损耗ton是—功恒率定管的开，通变时换间器；总的开关损耗与开关频率成正比。 ➢开关损耗tfof的f——存功—在率功管限率开制管关了关频变断率时换；间器；开关频率的提高，从而限制了变换 器的小型U化C—和关轻断量后化功。率同管时承，受开的关电管压工；作在硬开关时还会产生较高 的di/dt和dIvC/d—t，导从通而后产流入生功较率大管的电电流磁。干扰。
L
r
di Lr dt
u Cr
Ui
C
r
du Cr dt
iLr
I0
5-5
5.1.3 谐振电路的构成与特性
iLr Ui
Lr uCr
➢ 假设在t0时刻，谐振电感的初始电流为
iLr(t0)=ILr0 ， 谐 振 电 容 的 初 始 电 压
Cr
I0
uCr(t0)=UCr0，解微分方程组（5-5），得 到
5.1.2 软开关的特征及分类
➢ 软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出 现了许多种软开关电路，新型的软开关拓扑仍不断的出现。
➢ 根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断， 可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。 通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零 电流电路。。
iLr
5-2
➢ 假设t0时刻，谐振电感的初始电流为
(a)
iLr(t0)=ILr0 ， 谐 振 电 容 的 初 始 电 压
图5-3 基本的串联谐振电路 uCr(t0)=UCr0，解微分方程组5-2得为
iL (t) r IL 0c r o r(t st0 ) U i Z U rC 0s r ir( n t t0 )
➢ 1）串联谐振电路
➢ （1）基本的串联谐振电路
基本的串联谐振电路如图5-3 （a）所示，Lr是谐振电感，Cr 是谐振电容，Ui是输入直流电 源。
5.1.3 谐振电路的构成与特性
iLr Ui
Lr uCr
➢ 根据图5-3（a），列出电路微分方程
为
Cr
L
r
di Lr dt
u Cr
Ui
C
r
du Cr dt
5.1.3 谐振电路的构成与特性
iLr Ui
Lr uCr
➢ （2）谐振电容并联电流源的串联谐振 电路
➢ 在串联谐振电路的谐振电容上并联一
Cr
I0
个电流源，即构成另一类串联谐振电路， 其电路结构如图5-4（a）所示。
➢ 根据图5-4（a），列出电路微分方程为
(a) 图5-4 谐振电容上并联一个电
流源的串联谐振电路
➢ 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， 功率密度和可靠性同时得到提高，并有效的减小电能变换 装置引起的电磁干扰和噪声等。
5.1.1 功率电路的开关过程
u i
0
ton
t
p
0
t
（a）开通过程
图5-1 开关管开通与关断过程的电压电 流及功率损耗曲线
➢ 在功率变换电路中，每只功率 管都要进行开通与关断控制。
➢ 软开关电路中典型的开关过程如图 5-2所示，具有这样开关过程的开关 称为软开关。
5.1.2 软开关的特征及分类
➢ 使开关开通前两端电压为零（且关断过程中电压上升较慢），则开关开通时 就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通(关断方式称为零电压 关断)，简称零电压开关；使开关关断前流过其电流为零(且开通过程中电流缓 慢上升)，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关 断(开通方式称为零电流开通)，简称零电流开关；零电压开通和零电流关断要 靠电路中的谐振来实现。
5-9
式中 r 1/ LrCr ，谐振角频率；Zr Lr /Cr ，特征阻抗。
5.1.3 谐振电路的构成与特性
iLr
Lr
Ui
uCr
Cr
I0
(a)
2Ui Ui/Zr+I0
I0
uCr iLr
t0
t
(b)
图5-4 谐振电容上并联一个电 流源的串联谐振电路
➢ 假设电路初始状态为零初始状态，即 ILr0= iLr(t0)=I0，UCr0=uCr(t0)=0，则
u i
0
toff
t
p
0
t
（a）关断过程
图5-1 开关管开通与关断过程的电压电 流及功率损耗曲线
➢ 当开关管关断时，开关管 的电压不是瞬时从零上升 到电源电压，而是有一个 上升时间，同时它的电流 也不是瞬时下降到零，也 有一个下降时间。
➢ 在这段时间里，电流和电 压也有一个交叠区，产生 损耗，通常称之为关断损 耗（Turn-off loss），如图 5-1(b)所示。
第5章 学习指导
学习指导
➢ 软开关是指，通过在原来的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，使开关开通前电压先降为零(零电压开通)或 开通过程中电流缓慢上升(零电流开通)，或关断前电流先 降为零(零电流关断)或关断过程中电压缓慢上升(零电压关 断)，就可以消除或减低开关过程中电压、电流的重叠部 分的面积，从而减小甚至消除开关损耗和开关噪声。
➢ 软开关分为零电压开关、零电流开关、混合软开关。根据 软开关技术发展的历程，软开关变换器分为准谐振变换器、 PWM软开关变换器。
第5章 学习指导
学习指导
➢ 准谐振变换器（QRC）的特点是谐振元件参与能量变换的 某一个阶段，而不是全程参与。
➢ 准 谐 振 变 换 器 分 为 零 电 压 开 关 准 谐 振 变 换 器 （ ZVS QRC），零电流开关准谐振变换器（ZCS QRC），零电 压开关多谐振变换器（ZVS MRC），和用于逆变器的谐 振直流环节（Resonant DC－Link），这类变换器也需要 采用频率调制方法。
➢ 准谐振软开关DC/DC变换器最主要的特点就是利用PFM 调压，这使得电源的输入滤波器、输出滤波器的设计复杂 化，并影响系统的噪声。
第5章 学习指导
学习指导
➢ 常规的PWM变换器开关频率恒定，控制方法简单。
➢ 在准谐振软开关DC/DC变换器中，谐振产生在开关管整个 导通或整个关断区间，若把谐振控制在开关管导通前或关 断前很小一段时间内，且谐振半周期远小于开关周期，这 就构成了PWM软开关变换器。
➢ 所谓软开关，通常是指零电压开关 ZVS（Zero Voltage Switching）和零电流开关ZCS（Zero Current Switching） 或近似零电压开关与零电流开关。
5.1 概述
➢ 硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流而完成能量 的变换；
➢ 而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中 的电流（或其两端的电压）按正弦或准正弦规律变化，当 电流过零时，使器件关断，或者当电压下降到零时，使器 件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关 断的过程，将使器件的开关损耗在理论上为零。
➢ 开通过程： i I C t t on
➢ 关断过程：
i
IC
IC toff
t
u
UCUC ton源自tuUC t t off
5.1.1 功率电路的开关过程
➢ 一个开关周期的平均开通和关断损耗PS为：
P SP on P of fT 1[0 ton iu d0 totfif u]dt
f 0 totn Io Ctn(U CU toC n t)d t0 tof(IfCtIo Cft)fU toC ftfd t
➢ PWM软开关变换器主要分为零开关PWM变换器、零转换 PWM变换器和移相全桥软开关PWM变换器。
第5章 学习指导
学习指导
➢ 本章主要讨论软开关的基本概念与分类，谐振型软开关变 换器、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）准谐振软开关电路的工作原理和电路工作特点。 ➢ 3）零电压、零电流开关电路的构成特点、工作原理；零
➢ 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成全谐振 型变换器或谐振型变换器、准谐振变换器、零开关PWM 变换器和零转换PWM变换器。
5.1.3 谐振电路的构成与特性
iLr
Lr
Ui
uCr
Cr
(a) 图5-3 基本的串联谐振电路
➢ 谐振电路是谐振变换器的基本 单元，它包括串联谐振电路和 并联谐振电路。
5.1.1 功率电路的开关过程
➢ 可见当功率管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗， 统称为开关损耗（Switching loss），通常可由一个开关周 期的平均开通和关断损耗求出。
➢ 假设导通后流入功率管电流为IC，关断后功率管承受的电 压为UC，导通时的管压降忽略不计，则由图5-1分析，不 难求得导通和关断过程功率管的电流、电压瞬时值i、u。
(a) 图5-4 谐振电容上并联一个电
流源的串联谐振电路
iL ( t) r I0 ( IL 0 rI0 )c r o ( t t0 s ) U i Z U rC 0 s r i r( tn t0 )
5-8
u C r ( t ) U i ( U C r 0 U i ) c o s r ( t t 0 ) Z r ( I L r 0 I 0 ) s i n r ( t t 0 )
转换开关电路的构成特点、工作原理；移相控制软开关 PWM全桥变换器的工作原理。
第5章 软开关变换器
基本内容
1 概述 2 准谐振软开关变换器 3 PWM软开关变换器
5.1 概述
➢ 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，系统会对外产生严重的电 磁干扰（EMI）。
➢ 功率管在开通时开关管的电压 不是瞬时下降到零，而是有一 个下降时间，同时它的电流也 不是瞬时上升到负载电流，也 有一个上升时间。
➢ 在这段时间里，电流和电压有 一个交叠区，产生损耗，通常 称 之 为 开 通 损 耗 （ Turn-on loss），如图5-1(a)所示。
5.1.1 功率电路的开关过程
u C r ( t ) U i ( U C r 0 U i ) c o s r ( t t 0 ) Z r I L r 0 s i n r ( t t 0 )
5-3 5-4
式中 r 1/ LrCr ，谐振角频率；Zr Lr /Cr ，特征阻抗。
5.1.3 谐振电路的构成与特性
2Ui Ui/Zr
iL(rt)I0U Zri si nr(tt0)
u C (t) r U i U ico r(t s t0 )
5-10 5-11
➢ 由式5-10、式5-11可知，谐振电容并 联电流源的串联谐振电路，仅在谐振 电感电流中增加了一个直流分量Io， 如图5-4（b）所示。
为 ILrmax=Ui/Zr ， 仅 决定 于电 源 电压 Ui
特征阻抗Zr。如果Lr变小或Cr变大和，谐振电感电流的最大值增大，而谐
振电容电压的最大值不变。iLr和uCr分别按正弦和余弦规律变化，如
图5-3(b)所示。表明谐振电感和谐振电容所储的能量相互交换，uCr达
到最大值时，iLr则正好为零。
➢ 与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，但断 态时功率管的电压应力增大；与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延 缓，从而降低关断损耗，但通态时功率管的电流应力增大。这样的开关过程 一般给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，是得不偿失的， 因此常与零电压开通和零电流关断配合应用。
t0
uCr
t iLr
➢ 若电路的初始状态为零初始状态，即
ILr0= iLr(t0)=0，UCr0=uCr(t0)=0，则
iLr(t)U Zri sinr(tt0)
5-5
u C (t) r U i U ico r(t s t0 ) 5-6
(b)
➢ 此时，谐振电容电压最大值为
图5-3 基本的串联谐振电路 UCrmax=2Ui，谐振电感电流的最大值