第8章谐振开关型变换器

电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第 8 章谐振开关型变换器8 谐振开关型变换器8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性8.2 谐振开关型变换器的类型8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器8.5 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI小结❑硬开关过程❑开通（A→B →C）：在v T =V D下i T从0→Io，然后在iT=Io下v T从V D→0 ，P on=v T i T大。

❑关断（C→B →A ）：在i T=Io下v T从0→V D，然后在vT=V D下i T从Io→0，P off= v T i T大。

V D V T+-TD o L f I oC fR V o+-i f=I o CQE BA Pi TI oOV Q V D V CEPv T硬开通：A－B－C硬关断：C－B－A图8.1(a) 硬开关电路开关轨迹❑有LC 缓冲器的软开关过程❑ 开通（ A →Q →E →C ）：L S 使工作点从A→Q，在v T ＝V Q <V D 下i T 从0→Io，然后从E→C，P on ’< P on 。

❑ 关断（C →A →P →A ）：i T 从Io→0期间v T 从0→V D ，然后在i T =0下从A→P→A，P off ’显著减小。

开关轨迹图8.1(b) 有LC 复合缓冲的软开关电路C QE BA Pi T I oOV QV D V CEPv T缓冲软开通：A－Q－E－C 缓冲软关断：C－A－P－A❑开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变换器的开关损耗会成比例升高。

❑LC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整个变换器的效率不一定能提高。

❑零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器高频化最理想的技术。

❑ LC 谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断❑ t 1时引发L r 、C r 谐振，t 2时v T 谐振至零，在t 3时驱动T 实现零电压开通。

❑ t 6时引发L r 、C r 谐振， t 7时i T 谐振至零，在t 8时切除驱动信号实现零电流关断。

开关轨迹T v Tr Ti OI 1t 2t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t 10t Tv T v DV T v Ti Tr Tv T i t态断过程开通通态过程关断态断C QE BAPi T I oOV QV D V CEPv T零电压开通：A－O－C 零电压关断：C－O－A 图 8.2 零电压开通、零电流关断时v 、i 、r8.2 谐振开关型变换器的类型❑零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。

❑脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制PFM 谐振变换器。

❑零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。

❑零开关谐振变换器❑零转换谐振变换器❑LC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。

8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理❑工作原理❑关断T2后引发L r C r谐振，使主开关管T1的电压vT=0。

❑再对T1施加驱动信号实现T 1的零电压开通。

V DV T+-TD oL f I oC fR V o+-i f=I o图8.1(a) 硬开关电路❑主电路组成❑变换器一个周期有五种开关状态。

❑开关状态1:T1关断，C r充电❑开关状态2:D0，D2续流❑开关状态3:T2关断，C r、L r谐振❑开关状态4:T1零电压开通❑开关状态5:T2零电压开通图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图开关状态1：t0<t<t1t<to时T1、T2通态，D截止；t=t时关断T1，iT1下降，VT1从0上升，因Cr，T1软关断；t＝t1时V T1上升到VD，D正偏导电，T1关断过程结束。

开关状态2：t1<t<t2T 1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。

开关状态3：t2<t<t3t=t2时，关断T2， L r、 C r谐振半个周期到t3， t=t3时 Vcr＝VT1＝VD，i L达到负最大值。

开关状态4：t 3<t<t 8如IoZr<V D , 则V T1不可能为零。

如IoZr>V D , 则当V T1＝0时, i T1仍为负值。

此后负值i L 经D 1向V D 回送电流，直到t=t 6。

在t 4~t 6期间，V T1＝0。

若在t 5驱动T 1，则为零电压开通。

开关状态4（续）：t3<t<t8t＝t6时，i L＝0， V cr＝V T1＝0，T2早已关断，此后VD 经T1、Lr建立iT1。

t=t8时，i T1＝Io，D0截止，完成T1开通过程。

开关状态5：t<t<t108 Arrayt＝t9时，开通T2，此时i L=I0不变T1已是通态，v L＝v T2＝0，T2是零电压开通。

t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完成一个开关周期Ts。

❑在f s ＝1/Ts 固定时，控制T 2的关断时刻t 2，即可改变T off ，从而改变占空比，调控输出电压。

❑零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM ）变换器，可实现主开关T 1和辅助开关T 2零电压开通和软关断。

Dr o V Z I >❑T 1零电压开通条件：rr Dr D o C L V Z V I =>min (8-11)❑最小负载电流需满足： Dr o D V Z I V 2>+❑V T1、v cr 最高电压： sr r r T C L T )05.0~1.0(2=<π(8-13)❑开通期尽量缩短取：⎩⎨⎧=>Do s r o D s r V I T C IV T L ππ2)05.0~1.0(2)05.0~1.0(min min ❑由（8-11）和（8-13） 可确定L r 、C r ：图 8.4（a ）Buck DC/DC ZVS V DD 1DT 1T 2i LL r L fC f+R-V DV LV G1V oD 2V G2C rIo+-❑工作原理❑T 1通态时D 0截止，v T1＝v cr ＝0，切除+V G ，T 1关断i T1从Io→0，并联电容C r使v T ＝v cr 从0逐渐上升，T 1软关断。

❑v T ＝v cr →V D 后D 0导通，L r 、C r 立即谐振，所以电路8.5无开关状态2。

图 8.5 零电压开通ZVS PFM 变换器 图8.4（a ）中，T 2导通使i L 经D 2、T 2续流，不能形成L r 、C r 谐振回路，直到在t ＝t 2时刻关断T 2时，才能形成谐振。

❑主电路组成❑无T2：不能控制Lr、Cr谐振起始时刻开关状态2，无Toff时区2。

❑缺点：只有调频f s，才能调压。

图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器V D D1DT1T2i LL r L fC f+R-V DV LV G1V oD2V G2C rIo+-图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS❑本节小结：❑ZVS PWM ：有辅助开关管T 2及L r 、C r ，可实现主开关T 1及辅助开关T 2零电压开通及软关断，可采用PWM 调压；❑ZVS PFM ：无辅助开关T 2，仅有L r 、C r ，靠主开关关断引起L r 、C r 谐振造成主开关管的零电压开通，只能PFM 调压。

图 8.5 零电压开通ZVS PFM 变换器V DD 1DT 1T 2i LL r L fC f+R-V DV LV G1V oD 2V G2C rIo+-图 8.4（a ）Buck DC/DC ZVS PWM 变换器电路图共同点：❑实现零电压开通的条件都是：Dr o V Z I >❑主开关管及电容最高电压都是：Dr o D V Z I V 2>+rr Do C L V I >min8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制（ZCSPWM）变换器工作原理8.4.2 零电流关断脉冲频率调制（ZCSPFM）变换器工作原理❑ 5种开关状态❑开关状态1：电感充磁❑开关状态2：谐振阶段Ⅰ ❑开关状态3：V D 向负载供电❑开关状态4：谐振阶段Ⅱ ❑开关状态5：T 1断态，D o 续流❑主电路组成 V DL ri LT 1T 2D 2D oL fRV oC fC r+-V cri cV g1V g2D 1I f =I o +图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器开关状态1：t0<t<t1t 0时加VG1，T1软开通(因为有Lr)，i T1↑ iD0↓，t＝t1时D截止。

V DL rT1T2D2D oC rD1I oi Li Do开关状态2：t1<t<t2V D 、T1、Lr、D2、Cr谐振半周至t2，i T1=iL=Io，icr＝0，vcr＝2VDV DL rT1T2D2D oC r+-V crD1I oi L开关状态3：t 2<t<t 3T 2处于断态，C r 不能放电，电源V D 经T 1对负载放电。

V DL rT 1T 2D 2D oC r+-V cr D 1I oi L开关状态4：t 3<t<t 8t 3时刻T 2被驱动软开通（由于有L r ）， C r 谐振放电。

若V D /Z r >I o 则i L 变负经D 1返回电源，T 1断流。

在t 4-t 6期间撤除V G1使T 1零电流关断。

V DL rT 1T 2D 2D oC r+-V cr D 1I oi L开关状态5：t 8<t<t 10T 1处于断态，在t 9时刻撤除+V G2，零电流关断T 2（i T2早已为零），t=t 10时开通T 1开始新周期。

V DL r T 1T 2D 2D o C r D 1I o❑控制T 2的开通时刻t 3即可改变通态时间2，实现PWM 控制Vo 。

缺点： ❑T 1零电流关断条件：oI >r D Z V oo r D T L I I Z V i i 2max 1max >+=+❑工作原理❑控制T 1的开通，形成L r C r 谐振使i L 过零反向，在此期间撤除T 1的驱动信号使其零电流关断。

❑无辅助开关T 2，与图8.6(a)相比则无开关状态3。

❑主电路组成图 8.7 零电流关断PWM 变换器V DL ri LT 1T 2D 2D oL fRV oC fC r+-V cri cV g1V g2D 1I f =I o+图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器无开关状态3，仅在t 0-t 2和t 3-t 4期间i L >0，V D 输出功率输出电压V o ，而此时间只与L r 、C r 有关而不能被调控，故只有调频f s 才能调压。