第6章电力电子技术王云亮第三版

在T0时刻以前，开关管VT处于关断状态，输出滤波电感L与二极
管VD构成续流通道，流过负载电流 Io。谐振电感 Lr中的电流为0， 谐振电容Cr电压也为0。 1. 电感充电阶段[T0，T1] 在t＝T0时刻，开关管VT开通， VT上的电压迅速下降到零后，谐振 电感中的电流开始按直线上升，直 到t=T1。等值电路如图 (c) 所示。
去除开关管VT驱动信号，VT
在零电流下关断。
6.3.2 零电压开关准谐振变换器
• 零电压开关准谐振Buck变换器(ZVS-QRC)也有全波模式和半波模式2
种电路。若开关器件只能承受单方向电压，则ZVS-QRC工作于半波
模式，其电路如图 (a) 所示；若开关器件能承受双向电压，则 ZVSQRC工作于全波模式，其电路如图(b)所示。在ZVS-QRC中，谐振电
控制谐振电路的阻抗控制流向负载的功率，故称之为负载谐振变换器。
2. 准谐振开关变换器 L-C谐振能够提供给，使器件在零电压与／或零电流下通断。准谐振式变换器主要分
为零电流开关(ZCS)准谐振变换器和零电压开关(ZVS)准谐振变换器
3. 零开关PWM变换器 零开关PWM变换器在准谐振变换器上加入一个辅助开关管控制谐振过 程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使
了一种零电压通断的多谐振技术。
• ZVS QRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。在开关 管VT导通期间电感L储能，和开关管并联的谐振电容电压为零。在开关 管关断时，由于两端电压为零，实现零电压关断； VT关断后，电容Cr 以电感电流 iL 充电，电容电压上升，当u Cr 大于输出电压 U o 时，二极管 VD导通，电容Cr和电感Lr开始
在t＝T2之后，电感电流直线上升，并在t＝T3时刻达到Io。通常， 对于半波工作模式，开关管在T2之后和电感电流iLr变正之前这段期
间被激励导通，否则将损失零电压关断条件。对于全波工作模式，
开关管VT可在uCr电压为负期间加上激励信号。等值电路如图(e) 所 示。
4. 恒流阶段[T3，T4]
在t＝T3时刻，VD管关断，负载电流Io通过开关管VT，并一直维 持到t＝T4时刻。等值电路如图(f) 所示。
• 为降低器件的开关损耗，通常加入RCD缓冲电路。加入缓冲电路后 减少了器件的开关损耗。但实际上，总的损耗并没有降低，只是器 件的部分损耗转移到缓冲电路中了。
不同开关模式下在开关过程中器件的电压电流的轨迹曲线
• 谐振开关变换器中的开关器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，
改善了开关器件在导通和关断过程的工作条件，因此显著地降低了器 件的开关损耗，可以提高了器件的开关频率。图给出了在谐振开关模
降压ZVS PWM变换器的原理图。
• 若t<T0时，主开关管VT导通，给辅助开关管VT1驱动信号。续流二 极管VD截止，iLr=IL=Io，uCr=0。在一个开关周期 Ts中，分5个阶段 来分析电路的工作过程。等效电路如图(b)所示。
• T0<t< T1 阶段：t=T0时，uCr=0，关断VT，VT零电压关断，电流iLr 立即从 VT 转移到谐振电容 C r ，给 C r 充电。由于 i L r = I L = I o 恒定， u Cr < U d 时，续流二极管 VD 仍处于反偏截止，直到 t =T 1 ， C r 充电到 uCr=Ud，续流二极管VD导通。等效电路如图(c)所示
• 在ZVS中，要求开关承受一个比Ud 高IoZr的正向电压。开关在零电压
开通时，负载电流Io必须大于Ud／
Zr，所以，如果输出负载电流Io在 一个很大的范围内变动，则上述两 种情况会在开关上产生一个很大的 电压值。所以，这个方法限于应用 在基本上是恒定的负载上。为克服 这一限制，在有关参考文献中介绍
• T1<t< T2 阶段：由于续流二极管VD导通，谐振电感的电流iLr经VT1、 VD1续流，该阶段时间可以通过改变辅助开关 VT1的关断时刻T2控 制，因此可以控制谐振开始时刻，也就是可以控制VT导通时间，因 此可以控制占空比，实施PWM控制的。等效电路如图(d)所示。
• T2<t< T3 阶段：在t=T2 时，使辅助开关管VT1关断，Cr、Lr产生谐振。 在VT1关断前，由于uCr=Ud，所以谐振电感上的电压很小，VT1为零 电压关断。在谐振期间，uCr到达最大值，uCr=Ud+IoZr，此后电容Cr 放电，uCr下降，到t= T3时，uCr=0。从uCr到达最大值至T3期间，iLr 为负值。等效电路如图(e)所示。
• T3<t< T4 阶段：负电流iLr经二极管VD、VDr向电源Ud回馈能量。由于 导通的VDr与主开关管VT并联，在此期间使VT导通，则VT将在零电 压下开通。 VT 开通后，负电流 i Lr 迅速反向经零增大，到 t= T 4 时， iLr=Io。续流二极管VD的电流iD=Io- iLr，从Io减小到零而自然关断。等 效电路如图(f)、(g)所示。
谐振，电容两端电压按正弦变化， 当uCr谐振到零时，开关管VT具有
零电压开通条件，驱动开关管VT，
VT在零电压下导通。
• 通常，在高通断频率时，ZVS比ZCS更可取，原因在于开关的内部电 容。当开关在零电流但在一定电压下闭合时，内部电容上的电荷耗散 在开关中。当通断频率很高时，这种损耗变得很大。但是，如果开关 是在零电压时闭合就不存在这种损耗。 • 从上述的电路分析可知，开关准谐振变换器可以有效地降低器件的开 关损耗，使得ZCS-QRC的实际工作频率达到1-2MHz，ZVS-QRC的实 际工作频率达到10MHz，但器件的电压或电流应力都比较大，这是一 个缺点，也是应用中一个重要的限制因素，值得进一步研究。
第6章 谐振开关电路
6.1 开关模式变换与谐振开关模式
• 电力电子器件在开关过程中同时存在着较高的电压和电流，导致较
大的开关损耗；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现
明显的过冲，产牛开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加， 使电路效率下降，最终阻碍开关频率的进一步提高。
开关模式下器件的端电压、电流和功率损耗的波形
• 当谐振电感和谐振电容一定时，为保证开关管实现软开关模式，
ZVS开关准谐振变换器关断时间一定，ZCS开关准谐振变换器导通
时间一定，因此要实现改变占空比D，就需要改变开关周期，也就 是改变开关频率，因此不适于工作在 PWM 方式，而要工作在 DCDC变换器中的第2种调制方式，即脉冲频率调制方式。
6.4 零开关PWM变换器
容Cr与开关管并联，谐振电感Lr与二极管VD串联。
在T0时刻以前，开关管VT处于导通状态， VD已关断，滤波电感L
与谐振电感Lr流过负载电流Io，谐振电容Cr电压也为0。
1. 电容充电阶段[T0，T1]
若在t＝T0时刻，使开关管VT断开，以电流Io向谐振电容Cr充电， 因此，Cr上电压按直线规律上升，直到uCr＝Ud为止。等值电路如图 (c) 所示。
• 由输入电源Ud、主开关管VT(包括与其反并联的二极管VDr)、续流 二极管VD、滤波电感L、滤波电容C、负载电阻RL、谐振电感Lr、 谐振电容Cr和辅助开关管VT1(包括与其并联的二极管VD1)构成。从 图可知，ZCS PWM变换器是在ZCS QRC电路的谐振电容Cr上串联 了一个辅助开关管VT1和VD1。
所示。
L型零电流开关准谐振变换器半波模式的工作波形如图所示。
在ZCS中，要求开关通过 一个比负载电流Io大Ud/Zr 的峰值电流。开关在零电 流时自然关断，负载电流Io 不应超过Ud/Zr。所以这里 有一个限制，即负载电阻
可以低到什么程度的问题。
通过与开关反并联一个二 极管，可使输出电压对于
负裁变化不再那么敏感。
6.4.1 ZVS PWM变换器
• 由输入电源Ud、主开关管VT(包括与其反并联的二极管VDr)、续 流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C、负载电阻RL、谐振电感 Lr、谐振电容Cr和辅助开关管VT1(包括与其串联的二极管VD1)构 成。从图可知，ZVS PWM变换器是在ZVS QRC电路的谐振电感 Lr上并联了一个辅助开关管VT1和VD1。
逆变器输入电压在某限定时间内为零，在这段时间内控制电力电子器件
通断的状态，从而实现了零电压通断。
6.3 准谐振开关变换器
6.3.1 零电流开关准谐振变换器
• 零电流开关准谐振Buck变换器(ZCS-QRC)有L型和M型2种，在L型准
谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准谐 振变换器工作于“半波模式”，其电路如图 (a)所示；若开关器件允 许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模式”， 其电路如图 (b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电容Cr与 二极管VD并联，而谐振电感Lr与开关管串联。
• T4<t< T5阶段：t=T4 时，主开关管VT已经导通，VD截止，电源Ud向 负载恒流供电。在t=T5时，使VT关断。因为VT关断时，uT1= uCr很小， 所以VT也是软关断，完成一个开关周期TS。等效电路如图(b)所示。
• ZVS PWM
变换器
的工作 波形
6.4.2 ZCS PWM变换器
主开关管在零电压开通或零电流关断。由于可以控制谐振电路的工作时
刻，因此变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。 4. 谐振直流环逆变器 在常规的开关型PWM直流-交流逆变器中，逆变器输入电压Ud是一个幅 值固定的直流电。在谐振直流环逆变器中，在输入直流电源和逆变器之 间加入谐振电路，利用L-C谐振使逆变器的输入电压围绕Ud形成振荡，使
2. 谐振阶段 [T1，T2]
在t＝T1时，谐振电感Lr中的电流iLr＝Io，二极管VD在零电压下关 断。Lr和Cr 进入谐振状态， Lr 中的电流iLr 继续增加，谐振电容 Cr 的
充电电流是(iLr-Io)。当Lr电流下降到iLr<Io时， Cr放电，放电电流逐