电子技术基础课件第7章 软开关技术

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电力电子技术第7章 软开关技术

电力电子技术第7章 软开关技术

(1) 零电压开关准谐振电路
ug
VDT
关断过程 开通过程
uT (uCr)
Lr
O
t t t t t0 t1 t2 t3t4t5 t6 t0 t
L
+
T
iT iLr
O uVD
ui
Cr
VD
C
R
uo
-
◆其中开关管T和谐振电容 Cr并联,谐振电感 Lr 与T串联。假设电 路中电感L和电容C值很大。 ◆假设电感L和电容C很大,可以等效为电流源和电压源,并忽略 电路中的损耗。 ◆开关电路的工作过程是按开关周期重复的,在分析时可以选择开 关周期中任意时刻为分析的起点,选择合适的起点,可以使分析得到 简化。
(1) 零电压开关准谐振电路
ug
VDT
关断过程 开通过程
uT (uCr)
Lr
O
t t t t t0 t1 t2 t3t4t5 t6 t0 t
L
+
T
iT iLr
O uVD
ui
Cr
VD
C
R
uo
-
◆工作过程 ☞选择开关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T关 断,Cr使T关断后电压上升减缓,因此T的关断损耗减小,T关断后, VD尚未导通;Lr+L向Cr充电,L等效为电流源,uCr线性上升,同时 VD两端电压uVD逐渐下降,直到t1时刻,uVD=0,VD导通。
(1) 零电压开关准谐振电路
ug
VDT
关断过程 开通过程
uT (uCr)
Lr
O
t t t t t0 t1 t2 t3t4t5 t6 t0 t

《软开关技术》课件

《软开关技术》课件

03
CHAPTER
软开关技术在不同领域的应 用
电力电子领域
软开关技术介绍
在电力电子领域,软开关技术是一种用于控制开关电源的先进技术。它通过在开关过程中引入谐振原 理,实现了开关器件的零电压或零电流开通与关断,从而减小了开关损耗和电磁干扰,提高了电源的 效率。
应用实例
在逆变器、直流-直流转换器、不间断电源等电力电子设备中,软开关技术被广泛应用于减小开关损耗 、提高电源效率、降低电磁干扰等方面。
智能电网
在智能电网建设中,软开关技术将发挥重要作用,保障电网的稳定 运行和节能减排。
轨道交通
在轨道交通领域,软开关技术的应用将提升列车运行的稳定性和安 全性。
产业前景
市场规模
随着软开关技术的广泛应用,其 市场规模将不断扩大,吸引更多 企业投入研发和生产。
产业链完善
软开关技术的产业链将逐渐完善 ,形成完整的研发、生产、销售 和服务体系。
降低电磁干扰有助于提高电子设备的性能稳定性,减少对周 围其他设备的干扰,同时也符合现代电子产品绿色环保的要 求。
延长设备寿命
软开关技术能够减小开关过程中产生的应力,从而降低对设备中元器件的损耗, 延长了设备的使用寿命。
设备寿命的延长有助于减少维修和更换成本,同时也减少了电子废弃物的产生, 有利于环境保护。
元器件选择
01
02
03
电力电子器件
如绝缘栅双极晶体管( IGBT)、功率MOSFET等 ,具有高耐压、大电流、 低导通电阻等优点。
无源元件
如电容、电感等,用于实 现能量的储存和转换。
控制电路
用于产生控制信号,调节 开关的导通和关断时间。
电路设计
01
02

《软开关技术》课件

《软开关技术》课件
通过在开关管串联电感来实现软开关。
混合型软开关电路
结合电压型和电流型电路的特点,实现更高效的软开关。
控制策略
恒定电压控制
保持输出电压恒定,通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒定电流控制
保持输出电流恒定,通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒功率控制
保持输出功率恒定,通过调节占空比或频率来实现软 开关。
软开关技术
CATALOGUE
目 录
• 软开关技术概述 • 软开关技术的优点 • 软开关技术的应用领域 • 软开关技术的实现方式 • 软开关技术的发展趋势 • 软开关技术的前景展望
01
CATALOGUE
软开关技术概述
软开关技术的定义
软开关技术是指在电力电子变换器中 ,利用控制技术实现功率开关管的零 电压开通和零电流关断的一种新型开 关技术。
01
通过调节脉冲宽度来控制开关的导通和关断时间,实现软开关

脉冲频率调制(PFM)
02
通过调节脉冲频率来控制开关的导通和关断时间,实现软开关

脉冲相位调制(PPM)
03
通过调节脉冲相位来控制开关的导通和关断时间,实现软开关

电路拓扑结构
电压型软开关电路
通过在开关管两端并联电容来实现软开关。
电流型软开关电路
高效率的电源能够减小散热需求,降低散热成本,同时减小电源体积和重 量,提高电源的便携性和可靠性。
降低电磁干扰
01
软开关技术能够减小开关过程 中电压和电流的突变,从而降 低电磁干扰(EMI)。
02
降低电磁干扰有助于提高电子 设备的电磁兼容性(EMC),使 其在复杂电磁环境中稳定工作 。
03
降低电磁干扰还可以减小对周 围电子设备的干扰,提高整个 系统的稳定性。

第7章 谐振软开关技术PPT课件

第7章 谐振软开关技术PPT课件

+
R Uo
-
(a) 半波模式
(b) 全波模式
若有源开关只允许电流单向流通,则零电流开关工作于“半 波模式”;若有源开关允许电流双向流通,则零电流开关工 作于“全波模式”。
开关管由V于T 有导谐通振,的从作而用实,现当开谐关振管电零感电L流r 开中通通;过的电流为零时,
V T 导通后,谐振电感和谐振电容发生谐振,当 L r 中的电流为零时,
(2)[ t1 , t 2 ] 阶段(谐振阶段)
iLr(t)IoU Zri sinr(tt1)
u C r(t) U i[ 1 c o sr(t t1 )]
(3)[ t 2 , t 3 ] 阶段(电容放电)
对于半波模式,t t 2 之后,使开关V T 关断,即在零电流下关断
对于全波模式,在 t t 2 之后,i L r 反向流动,V D s 导通,电容 C r 经 D s 、L r 向电源回馈电流
VDs
+ uT -
iT VT
ic
Cr
- + uCr
Lr
Lf
iLr
+
VD uD Cf
iD -
+
R Uo
-
而实现开关管的零电
压开通;开关管导通后,在任意时刻其两端电压可近似为零,
此时关断可实现开关管的零电压关断。
2. 工作过程分析
假设电感和电容很大,可以等效为电流源和电压源,并忽 略电路中的损耗。
ic Cr
3、零转换PWM变换电路 4、直流环节谐振型逆变电(RDCLI)
t
t Poff
t
7.2 准谐振与多谐振变换电路
7.2.1 零电流开关准谐振变换电路(ZCS QRC)

第7章谐振软开关

第7章谐振软开关

7.1.3 软开关电路的分类
3.零转换PWM电路 ➢ 分为:零电压/电流转换PWM电路,其基本开电关单
元如图7-8所示。 ➢ 区别是谐振电路是与主开关并联的,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。
图7-8 零转换关PWM电路的基本开关单元
14
电力电子技术 a)零电压转换PWM电路的基本开关单元 b)零电流转换PWM电路的基本开关单元
7.1.2 零电压开关和零电流开关
➢ 在20世纪80年代,电力电子软开关技术大部分的研 究集中在谐振变换器的应用上。
➢ 谐振变换器是应用谐振原理,利用开关变换器的谐振 回路(Resonant Tank),使其中的电压(或电流) 按正弦规律变化。
➢ 当电流自然过零时使器件关断ZCS或ZVS,从而减少 开关损耗,提高开关频率,减小磁性元件体积。
UDS=0。 ✓ 由于Us>ucr , iLr上
升,在iLr小于iL (约
0
Us / Zr
iLr
IO
0
uDS
t0 t1 t2 t3t4 t5t6
TS t0
t t
等于Io )前,uCr=0。
0 uCr
t
Us
✓ 这一时段 iLr的上升 0
b)
t
率为diLr /dt=Us/Lr。
图7-11 Buck型半波零电流准谐振变换器 a)电路 b)电路波形
钳位为0,VDf为通
态,VT为断态。
uG
0
✓ 在t6~t`0时段,iLr =0,
iLr 0
如果在t`0时刻开通 uDS
VT,则iLr从0开始上
0 uCr
升,由于电感Lr的作 用,近似于零电流开

第七章谐振软开关技术

第七章谐振软开关技术

个人收集整理 仅供参考学习(7-1)1 / 10第七章谐振软开关技术随着电力电子器件的高频化,电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。

然而 如果不改变开关方式,单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、 电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。

80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件 的开关方式,使开关损耗可原理上下降为零、 开关频率提高可不受限制,故是降低器件开关 损耗和提高开关频率的有效办法。

本章首先从PWM 电路开关过程中的损耗分析开始, 建立谐振软开关的概念; 再从软开 关技术发展的历程来区别不同的软开关电路, 最后选择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 PWM 电路、零电压转换PWM 电路和谐振直流环电路进行运行原 理的仔细分析,以求建立功率器件新型开关方式的概念。

文档收集自网络,仅用于个人学习7.1谐振软开关的基本概念7.1.1开关过程器件损耗及硬、软开关方式无论是DC — DC 变换或是DC — AC 变换,电路多按脉宽调制(PWM )方式工作,器件 处于重复不断的开通、 关断过程。

由于器件上的电压 "、电流-会在开关过程中同时存在,因而会出现开关功率损耗。

以图 7-1( a )Buck 变换电路为例,设开关器件 VT 为理想器件, 关断时无漏电流,导通时无管压降,因此稳定通或断时应无损耗。

文档收集自网络,仅用于个人学7-1 (b )为开关过程中 VT 上的电压、电流及损耗 /的波形,设负载电流L 恒当VT 关断时,负载电流-一改由续流二极管 VD 提供。

若再次触发导通 VT ,电流从VD,直至J' -.1' 才下降为零。

这样就产向VT 转移(换流),故-工期间「上升但- J'-- 生了开通损耗 儿:。

当停止导通 VT 时,"从零开始上升,在 U T = E *图7-1 Buck 变换电路开关过程波形,「才减小为零,这样就产生了关断损耗■八r。

-软开关技术(soft technique)

-软开关技术(soft technique)

(7-5) (7-6)
Poff f s
toff 0
t on t ri t fv
Ploss
toff trv t fi
1 VD I 0 f s (ton toff ) 2
线路电感 Lσ≠ 0 时开通、关断过程
VT
图7.11
安全工作区

Lσ=0时,开通轨迹ABC,关断轨迹 CBA Lσ≠ 0时,开通轨迹AQEC,关断轨 迹CBHPA Lσ改善了开通轨迹,恶化了关断轨 迹
开关状态2:t1<t<t2
T1断态,Vcr=VT1=VD。iL经D2、T2 续流,Io经D0续流。Toff=t2-t1可控, 用以调控输出电压。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVS PW 变换器工作原理(续4)
开关状态3:t2<t<t3
t=t2时,关断T2, Lr 、 Cr谐振半 个周期到t3, t=t3时 Vcr=VT1=VD, iL达到负最大值。
t
VD
D
rT IO iD
T
iT
rT
iD
(a) 电路
t
t 0 t1 vT (v CE ) t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t t10 9
iT
电压限制线
R E
I CM
N C
VD
vT
电流限制线 10us功率限制线
vT
t
td PT t ri
IO
B
t fv
t on PT vT iT
ts
t rv t fi
第8章
谐振开关型变换器 --软开关技术(soft-switch)
1
现代电力电子的发展------高频化

开关电源 软开关技术

开关电源  软开关技术
降低电磁干扰
通过减小电压和电流的突变,软开关技术可以有效降低电 磁干扰,提高电源的电磁兼容性。
减小开关损耗
软开关技术可以减小开关过程中的电压和电流变化率,从 而降低开关损耗。
提高电源效率
开关损耗的减小可以提高电源效率,使得电源在转换效率 上有更好的表现。
软开关技术的应用与发展
应用
软开关技术广泛应用于各种开关电源领域,如通信电源、电 力电子、电动汽车等。通过采用软开关技术,可以提高电源 的性能和可靠性,满足各种高效率、高功率密度的应用需求 。
功率波形
分析软开关技术中功率波 形的变化规律,研究功率 波形与电路参数之间的关 系。
04 软开关技术的优势与挑战
软开关技术的优势
高效节能
软开关技术能够减少开 关损耗,提高电源效率,
从而降低能源消耗。
降低噪声
软开关技术可以降低电 源产生的电磁干扰和噪 声,提高电源的电磁兼
容性。
延长寿命
软开关技术能够减少开 关器件的应力,降低其 温度,从而延长其使用
脉冲频率调制(PFM)
通过调节脉冲频率,控制开关管导通和截止时间,实现电压和电流 的软切换。
混合调制
结合PWM和PFM的优点,通过优化控制方式,提高软开关技术的 性能。
软开关技术的波形分析
01
02
03
电压波形
分析软开关技术中电压波 形的变化规律,研究电压 波形与电路参数之间的关 系。
电流波形
分析软开关技术中电流波 形的变化规律,研究电流 波形与电路参数之间的关 系。
特点
高效节能、体积小、重量轻、可 靠性高、稳压范围宽等。
开关电源的应用与发展
应用
广泛应用于计算机、通信、家电、工 业控制等领域。

《软开关技术 》课件

《软开关技术 》课件

基于电容的软开关技术
电容器:用于存储电能,实现 电能的平滑过渡
开关原理:通过改变电容器的 充放电状态,实现开关功能
应用领域:广泛应用于电力电 பைடு நூலகம்、新能源等领域
优点:开关速度快、损耗低、 可靠性高
基于变压器的软开关技术
原理:通过控制变 压器的初级和次级 绕组,实现电压和 电流的平滑过渡
优点:可以实现高 功率因数、低谐波、 高效率等优点
硬开关技术:开关的切换过程是瞬间完成的,开关损耗较大
软开关技术:开关的导通时间可以控制,可以实现更精确的电流控制
硬开关技术:开关的切换过程无法控制,电流控制精度较低
软开关技术:开关的导通时间可以控制,可以实现更稳定的电压输出
硬开关技术:开关的切换过程无法控制,电压输出稳定性较差
软开关技术在电力电子领域的应用优势
软开关技术的实现方式
零电压开关 (ZVS):在开 关管两端电压为 零时进行开关操 作,实现零电压 开关。
零电流开关 (ZCS):在开 关管电流为零时 进行开关操作, 实现零电流开关。
谐振开关:利用 谐振电路实现开 关管的开关操作, 提高开关效率。
软开关技术在电 力电子设备中的 应用:如逆变器、 整流器、直流电 源等。
软开关技术的分类
零电压开关(ZVS)
零电流开关(ZCS)
零电压零电流开关 (ZVZCS)
谐振开关(RCS)
软开关技术在电力电 子领域的应用
软开关技术的应用场景
电动汽车:如电机驱动、电 池管理系统等
电力系统:如高压直流输电、 柔性交流输电等
电力电子设备:如开关电源、 逆变器、电机驱动等
太阳能和风能发电系统:如 逆变器、功率调节器等
04 软开关技术的优势

软开关技术课件

软开关技术课件
Tr1
Hale Waihona Puke Iin VOLrCr Tr1
(a)T0~T1
(b)T1~T2
Lr
Iin
DTr
Iin
Tr1
Tr1
Lr D1
(c)T2~T3
(d)T3~T4 D
Iin
Tr
Iin
Cr Iin
(e)T4~T5
(f)T5~T6
(g)T6~T0
系统的总技术指标
• 输入电压:单相交流220±10%V • 输入频率:50Hz/60Hz • 输出电压:48V • 输出电流:20A • 电压调整率±2 ,纹波电压峰-峰值小于240mV • 效率大于90%,功率因数大于98% • 开关频率:f=100kHz
• 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。
8.2 软开关电路的分类
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两大类。 根据软开关技术发展的历程可以将软开关 电路分成准谐振电路、零开关PWM电路 和零转换PWM电路。
8.2 软开关电路的分类
特征 iLr线形上升 谐振
ZV开通 iLr下降 ids恒流 Cr线形充电
续流
Tr
off
off
off → on on
on
off
off
Tr1
on
on
on
off
off
off
off
Vds
V0
下降到0
0
0
0
上升到V0
V0
ids
0
0
<0
上升到Is
Is
0
0
零电压转换PWM电路各个阶段等效工作原理图 D

软开关技术课件

软开关技术课件

8.1.1 硬开关和软开关
硬开关:
开关过程中电压和电流均不为零,出现了重叠。 电压、电流变化很快,波形出现明显得过冲,导 致开关噪声。
uu i
u
i
i
i
u
0
t0
P
P
0
t0
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
软开关:
在原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,消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。
高功率因数校正AC/DC变换器
移相全桥软开关DC/DC变换器
AC
输入电压及电 感电流、 输出 电压及电流和 主开关管漏极 电压采样电路
功率开关驱 动电路
UC3855A
功率开关驱 动电路
UC3875
输出电压及电 流、原边电感电 流和四个开关管 漏极电压采样电

高功率因数校正软开关AC/DC 变换主电路
Lr
D1
Uin
Tr
Cr
CO
RO
Tr1
零电压转换PWM电路波形图
vg
Tr
Tr1
Vo
vds
Is
ids
iL
Vo
vD
iD T0T1T2T3 T4
Is
T5T6
T0
零电压转换PWM电路一周期内各 运行模式分析
模式
1
2
3
4
5
6
7
时间段 T0 ~ T1 T1 ~ T2 T2 ~T3 T3 ~T4 T4~T5 T5 ~T6 T6 ~ T0
现代电力电子装置的发展趋势
小型化和轻量化
对效率和电磁兼容性也有更高的要求。
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D1D4
2018/9/3
电力电子技术 t1
26
(d ) fs < fo 处于容性工作状态
Inverter bridge variations
zFull bridge
S1
S2
S3
S4
io
R
zHalf bridge
2018/9/3
S1 and S2 gate signal are complement 50% Duty cycle Voltage on C1 and C2 are constant, =Vs/2
2018/9/3
on 电力电o子ff技术
10
实际元件构成的Buck变换器(Practical Buck converter)
Ideal
Practice
Square Waveforms No Switching Loss
Parasitic Oscillations Switching Loss Snubber Loss
uDS
-
-
u gs
uDS , iDS
iD
Ii
I RM
2018/9/3
Ii Vd
t
Reverse recovery charge Qrr
vs.
dI F dt
Vo
¾ Turn-on loss in switch and boost diode
∫ Aturn _ on
=
QrrVo
+
trr
Ii uDSdt
0
简化:分析基波分量之间的关系,而忽略谐波分量的作用 Vi: square waveform Amplitude: ±Vdc freq: fs Amplitude of fundamental component
V1
=
4Vdc
π
+Vdc
-Vdc
In-out ratio:
Vo =
R
=
1
Vi
R2 + (ω L − 1 )2
2018/9/3
电力电子技术
15
电力电子电路的高频化
可以减小滤波器、变压器的体积和重量,电力电子装置小型化、 轻量化。
开关损耗增加,电路效率严重下降,电磁干扰增大。
软开关技术
降低开关损耗和开关噪声。 使开关频率可以大幅度提高。
2018/9/3
电力电子技术
16
软开关的分类(Types of soft switching)
Turn-off switching loss is reduced
2018/9/3
电力电子技术
Байду номын сангаас
21
串联谐振逆变器(Series resonant inverter)
S1
S2
S3
S4
io
R
S1,S4 S3,S2
Ts
Gate signal for S1 and S4 are the same Gate signal for S2 and S3 are the same Duty ratio of all the switches is 50%
2018/9/3
Gate-Drive Miller Effect
电力电子技术
11
Low Efficiency at HF
反激变换器(Flyback converter )
without parasitic
with parasitic
2018/9/3
电力电子技术
12
吸收电路
Primary switch RC snubber
Turn-off switching loss is 0
2018/9/3
电力电子技术
20
零电压关断Zero voltage switch off(ZVS off)
Turn off with zero voltage
Overlap time still exist But integral of multiplication of uds and ids is reduced
(1) 理想开关(Ideal switch)
Static characteristics
ON state
R=0
Off state R=infinite
Dynamic characteristics
Turn on time=0 Turn off time=0
IAK
A
K
G
VAK
2018/9/3
1 ωs = fs ωo fo
2018/9/3
f*=fs/fo
Vo vs. f* curve w/ constant Q f*>1, decrement function f*<1, increment function Vo can be regulated by changing fs
Cut down turn-on loss:
ZCS on ZVS on
Cut down turn-off loss:
ZCS off ZVS off
ugs
uds
ids
ZCS on ugs
uds
ids
ZVS on
ugs ids
uds
ZCS off ugs
ids
uds
ZVS off
2018/9/3
电力电子技术
17
零电流开通Zero current switch on(ZCS on)
Turn on with zero current
Overlap time still exist But integral of multiplication of uds and ids is reduced
Leakage inductance of the transformer
Stray inductance •Layout •Wire bonds in device packages •Leads of devices
2018/9/3
电力电子技术
9
理想元件构成的Buck变换器(Ideal Buck converter)
Switch-on
@Vce=600V Ic=40A Rg=2.2Ω
Power meter
12
Ch1 I Ch1 V
Vdc
3 Lf
Ch3 V
Rload
Ch3 I
Cf
S1
S2
Ch2 V
Ch2 I
N
∑ Psw = f ⋅ ⎡⎣Eoff (io (n)) + Eon (io (n)) + Err (io (n))⎤⎦ n=1
+
1 2
CossVo2
trr
电力电子技术
7
寄生电容(Parasitic capacitance)
Power MOSFET Diode Layout stray capacitance Transformer winding capacitance
2018/9/3
电力电子技术
8
寄生电感(Parasitic inductance)
io
D1D4
S1S 4
D2 D3
S2 S3
D1D4
S1 S 4
(c) fs > fo 处于感性工作状态 io
fs < fo
RLC load is capacitive Io is leading to Vi
ZCS switching off
S1S 4
D1D4
S 2 S3
D2 D3
S1S 4
-Vd
2018/9/3Switch-off
电力电子技术 Reverse recovery
5
二极管反向恢复过程(Diode reverse recovery)
IL
iDS
iD
IL
uD
Qrr
IRRM
High di/dt, EMI problem High loss on switch and diode
1+ (ω L − 1 )2
ωC
R ω RC
ω = 2π fs
fs: Switching frequency
2018/9/3
电力电子技术
23
输入输出比(Input-output ratio)
Vo =
R
=
1
Vi
R2 + (ωL − 1 )2 ωC
1+
L R2C

L
C−
ω
1 L
)2 C
Quality factor
Turn-on switching loss is 0
2018/9/3
电力电子技术
19
零电流关断Zero current switch off(ZCS off)
Turn off with zero current
Overlap time is zero integral of multiplication of uds and ids is 0
9 S1 and S3 operate complementally 9 S2 and S4 also operate complementally 9 Vi is square wave, freq: fs=1/Ts
2018/9/3
电力电子技术
22
基波等效电路(Equivalent circuit )
L
Q = ωoL = 1 = C R ωoRC R
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