第七章软开关技术
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软开关技术
.2零电压开关准谐振电路（2） 零电压开关准谐振电路
t 0以前等效电路 S导通，VD反偏（iS为VDS与S电流之和） 导通， 反偏 反偏（ 电流之和） 导通 电流之和 L为恒流源 为恒流源
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（3） 零电压开关准谐振电路
在t1~t2时段等效电路 S关断 ，VDs反偏，VD导通，谐振开始 反偏， 导通 导通， 关断 反偏 uCr继续上升， iLr 下降 继续上升，
t2:iLr=0, uCr 最大
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（5） 零电压开关准谐振电路
在t2~t3段等效电路 S关断，VDs反偏，VD导通 关断， 反偏， 导通 关断 反偏 iLr 反向上升，uCr下降 反向上升， t3: uCr=ui,uLr=0,iLr最大
一般会给电路造成总损耗增加、关断过电 压增大等负面影响，因此是得不偿失的。
零电流开通 电感电流，初始保持0不突变 电感电流，初始保持 不突变
零电压关断 电容电压，初始保持0不突变 电容电压，初始保持 不突变
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（1） 零电压开关准谐振电路
总体思路：S 以“准软开关”（零电 压关断），产生谐振，使得两端出现 零电压后（其实是与其反并联的二级 管导通，出现很小的负管压降），给S 开通信号，实现零电压开通：“软开 关” 准谐振：仅谐振了半个周期） 准谐振：仅谐振了半个周期）
第7章 软开关技术
电力电子装置高频化 优点： 滤波器、 变压器体积和重量减小， 优点 ： 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。 装置小型化、 轻量化。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。
t 0以前等效电路 S导通，VD反偏（iS为VDS与S电流之和） 导通， 反偏 反偏（ 电流之和） 导通 电流之和 L为恒流源 为恒流源
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（3） 零电压开关准谐振电路
在t1~t2时段等效电路 S关断 ，VDs反偏，VD导通，谐振开始 反偏， 导通 导通， 关断 反偏 uCr继续上升， iLr 下降 继续上升，
t2:iLr=0, uCr 最大
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（5） 零电压开关准谐振电路
在t2~t3段等效电路 S关断，VDs反偏，VD导通 关断， 反偏， 导通 关断 反偏 iLr 反向上升，uCr下降 反向上升， t3: uCr=ui,uLr=0,iLr最大
一般会给电路造成总损耗增加、关断过电 压增大等负面影响，因此是得不偿失的。
零电流开通 电感电流，初始保持0不突变 电感电流，初始保持 不突变
零电压关断 电容电压，初始保持0不突变 电容电压，初始保持 不突变
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（1） 零电压开关准谐振电路
总体思路：S 以“准软开关”（零电 压关断），产生谐振，使得两端出现 零电压后（其实是与其反并联的二级 管导通，出现很小的负管压降），给S 开通信号，实现零电压开通：“软开 关” 准谐振：仅谐振了半个周期） 准谐振：仅谐振了半个周期）
第7章 软开关技术
电力电子装置高频化 优点： 滤波器、 变压器体积和重量减小， 优点 ： 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。 装置小型化、 轻量化。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。
《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
第7章 软开关技术
a）零电压转换PWM电路 的基本开关单元
特点：Βιβλιοθήκη b）零电流转换PWM电 路的基本开关单元 图7－6 零转换PWM电路的 基本开关单元
7.3 典型的软开关电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路
b）硬开关的关断过程 a）硬开关的开通过程 t 图7－1 硬开关的开关过程
7.1.1 硬开关和软开关
软开关：
在原电路中增加了小电感、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，消除电 压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。
u i 0 P 0 u u i t t u
i
i
0
P 0
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。
当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和 零电流开关。
靠电路中的谐振来实现。
7.2 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。 每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同 电路，可以从基本开关单元导出具体电路。
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
uAB
t
t
O uLr O iLr O uT1 O uR O iL O iVD1 O iVD2 O t8 t9 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t0
t
t
t
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t t
特点：Βιβλιοθήκη b）零电流转换PWM电 路的基本开关单元 图7－6 零转换PWM电路的 基本开关单元
7.3 典型的软开关电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路
b）硬开关的关断过程 a）硬开关的开通过程 t 图7－1 硬开关的开关过程
7.1.1 硬开关和软开关
软开关：
在原电路中增加了小电感、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，消除电 压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。
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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。
当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和 零电流开关。
靠电路中的谐振来实现。
7.2 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。 每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同 电路，可以从基本开关单元导出具体电路。
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
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t t
第7章软开关技术
(3) Lr,Cr谐振,至Cr电压降0-,VDs导通—0压转换
(4) S为0压导通,
(5)S1硬关断,由VD1续流, iLr在Uo作用下很快降0
已在功率因数校正电路应用
12
作业10X
10．1 简述变流装置高频化优点、问题、解决方法。 10．2 简述理想软开关过程与特点。 10．3 简述常用软开关过程与特点。 10．4 简述实现0压开关基本电路。 *10．5 移相逆变全桥0压软开关电路中
降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。
2
7.1.1 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---功率损耗 电压、电流变化很快，波形有过冲，导致开关噪声。 功耗与噪声随着开关频率的提高而增大
uu i
i
0
t
P0t来自a）硬开关的开通过程u
i
u
i
0 P
0
b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型 等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电 路。
6
7.3 典型的软开关电路
7
7.3.1 零电压开关准谐振电路
1）电路结构
例降压型斩波器的 零电压开关准谐振电路。 设L、C很大，可等效为 电流源和电压源，忽略 电路中的损耗。
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
S1断S2通过程简述: S1断Lr恒压/恒流C1充电/放电A点电位上 升/下降(C2充电/放电)UA</>0D2导通/关 断S2可0压导通
13
3
7.1.1 硬开关和软开关
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。
(4) S为0压导通,
(5)S1硬关断,由VD1续流, iLr在Uo作用下很快降0
已在功率因数校正电路应用
12
作业10X
10．1 简述变流装置高频化优点、问题、解决方法。 10．2 简述理想软开关过程与特点。 10．3 简述常用软开关过程与特点。 10．4 简述实现0压开关基本电路。 *10．5 移相逆变全桥0压软开关电路中
降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。
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7.1.1 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---功率损耗 电压、电流变化很快，波形有过冲，导致开关噪声。 功耗与噪声随着开关频率的提高而增大
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b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型 等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电 路。
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7.3 典型的软开关电路
7
7.3.1 零电压开关准谐振电路
1）电路结构
例降压型斩波器的 零电压开关准谐振电路。 设L、C很大，可等效为 电流源和电压源，忽略 电路中的损耗。
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
S1断S2通过程简述: S1断Lr恒压/恒流C1充电/放电A点电位上 升/下降(C2充电/放电)UA</>0D2导通/关 断S2可0压导通
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7.1.1 硬开关和软开关
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。
《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。
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。
007软开关技术
Cr
Lr
L
S VD
Lr
L
S
Cr
VD
Cr1
Lr
L
S
Cr2
VD
零电压开关准谐振 零电流开关准谐振
零电压开关多谐振
7.2 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路
引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后
零开关PWM电路可以分为：
•零 电 压 开 关 PWM 电 路 （ Zero-Voltage-Switching PWM Converter-ZVS PWM）
O
t t
Ui
Lr B
VD2
CR
uLr O
iLr
t
S2 CS2 S4 CS4
O uT1
t
O
t
uR
图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路
O iL
t
O
t
iVD1
O iVD2
t
O
t8 t9 t0
t1 t2 t3t4 t5
t6 t7 t8t9 t0
t
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
t1~t2阶段的等效电路图
CS3 iLr
VDS3
iL
L VD1
+ Uo
Ui
Lr B
R
S2 CS4
VD2
–t4~t5：S3开通后，Lr的电流继续减小。 iLr降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT， T二次侧VD1的电流下降到零而关断，IL全
t3~t4阶段的等效电路
7.3.4 零电压转换PWM电路
软构开成关辅：助•换在流电网路络中，增在加开了关小过电程感前、后电引容入等谐振过元程件，开在关开开关 通前电压过先程降前为后零引，入或谐关振断，前使电开流关先条降件为得零以，改就善可。以消除开
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
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。
电力电子硬开关与软开关技术
图7－1 硬开关的开关过程
一. 硬开关和软开关
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。
u
u i 0 P 0
u
i t t
u i
i
0
P 0
t t
a）软开关的开通过程
b）软开关的关断过程
2.工作过程：
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时 刻S1关断。 t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后， 电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振 回路， uA不断下降，直到uA=0， VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。 t2~t3 时段： t2 时刻开关 S2 开通，由 于此时其反并联二极管 VDS2正处于 导通状态，因此S2为零电压开通。
S
O
t
t t t
u S(uC r) iS
O O
iLr
O
uVD
O
t
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6 t0
图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形
一.零电压开关准谐振电路
t4~t5时段：uCr被箝位于零，iLr 线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。 由于此时开关S两端电压为零， 所以必须在此时开通S，才不 会产生开通损耗。 t5~t6时段：S为通态，iLr线性上 升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关 断。 t6~t0时段：S为通态，VD为断 态。 缺点：谐振电压峰值将高于 输入电压 Ui 的 2 倍，增加了对 开关器件耐压的要求。
第一节 软开关的基本概念
第二节 软开关电路的分类
第三节 典型的软开关电路
一. 硬开关和软开关
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。
u
u i 0 P 0
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a）软开关的开通过程
b）软开关的关断过程
2.工作过程：
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时 刻S1关断。 t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后， 电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振 回路， uA不断下降，直到uA=0， VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。 t2~t3 时段： t2 时刻开关 S2 开通，由 于此时其反并联二极管 VDS2正处于 导通状态，因此S2为零电压开通。
S
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t
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6 t0
图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形
一.零电压开关准谐振电路
t4~t5时段：uCr被箝位于零，iLr 线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。 由于此时开关S两端电压为零， 所以必须在此时开通S，才不 会产生开通损耗。 t5~t6时段：S为通态，iLr线性上 升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关 断。 t6~t0时段：S为通态，VD为断 态。 缺点：谐振电压峰值将高于 输入电压 Ui 的 2 倍，增加了对 开关器件耐压的要求。
第一节 软开关的基本概念
第二节 软开关电路的分类
第三节 典型的软开关电路
第七章 软开关技术
2）假定t<0时，ug=0,T处于断态， D续流。iT=iL=0， ID=If = I０ ， uT=Ud ， ucr=0，续流二极管D截 止， 3) 在t=0时T施加的驱动信号ug， 把一个开关周期Ts中的通、断过 程可分为5个开关状态，其电压、 电流波形如图7.2.2（b）~（e）所 示。
图7.2.2 以DC/DC降压变换 电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（ZCS QRC)
图7.2.2 以DC/DC降压变换 电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（ZCS QRC)
7.２.1
准谐振变换电路
2、零电流开关准谐振变换电路 开关状态： 2） t1≤t≤t2阶段：
t>t1时，iT=iL>I0 , iL-I0对Ｃr充电， 使ucr上升．Ｌr、Cr产生串联谐振。 谐振1/4周期后，iT=iL达最大值， ucr=Ud；谐振1/2周期后，iT=iL=I0， ucr=2Ud；此后，iT=iL从I0下降， t=t2时到下降到零，Ud<ucr<2Ud。
第七章
软开关技术
7.1 软开关的基本概念 7.1.1 软开关及其特点 7.1.2 软开关的分类 7.2 基本的软开关电路 7.2.1 准谐振变换电路 7.2.2 零开关PWM变换电路 7.2.3 零转换PWM变换电路
第七章
软开关技术
概述
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
其中： t<t1时：uCr=uT<Ud，续流二极管 D反偏截止。 t=t1时：uCr=uT=Ud，续流二极 管D无反偏电压而开始导电。
图7.2.1 以DC/DC降压变换 电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC)
《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
第7章 软开关技术
Lr I L sin r (t t1 ) U i Cr 1 , Lr Cr t [t1 , t 4 ]
（7-4）
r
开关S承受的峰值电压
Lr Up I L Ui Cr
缺点
缺点：谐振电压峰值将高于 输入电压 Ui 的 2 倍，增加了对 开关器件耐压的要求。
（7-5）
28
二. 谐振直流环
d uCr I L dt Cr
S
O S(uC r ) O
t
t t t
iS
O
iLr
O
uVD
O
t
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6 t0
25
图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形
一.零电压开关准谐振电路
t1~t2时段的 等效电路 图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
t1~t2时段：t1时刻二极管VD导 通，电感L通过VD续流，Cr、 Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻， iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。 t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放 电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达 到反向谐振峰值。 t3~t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr 反向充电，uCr继续下降，直到 t4时刻uCr=0。
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。 简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现 零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增 大等负面影响，因此是得不偿失的。 常与零电压开通和零电流关断配合使用 当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电 流开关。
toff
u i 0 P 0
u
u i t t i 0 P 0 i
u
a）硬开关的开通过程
《软开关技术》 (2)幻灯片
t1~t2时段的 等效电路
t1~t2时段：t1时刻二极管VD 导通，电感L通过VD续流，Cr、 Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻， iLr下降到零，uCr到达谐振峰 值。
t2~t3时段：t2时刻后，Cr向 Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui， iLr到达反向谐振峰值。
t3~t4时段：t3时刻以后，Lr
特点：
电路在很宽的输入电压范围内和从零 负载到满载都能工作在软开关状态。
电路中无功功率的交换被削减到最小，
这使得电路效率有了进一步提高。
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
图7－6 零转换PWM电路 的基本开关单元
7.3 典型的软开关电路
1〕电路构造
以降压型为例分析工作 原理。 假设电感L和电容C很大， 可等效为电流源和电压 源，并忽略电路中的损 耗。
当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和 零电流开关。
靠电路中的谐振来实现。
7.2 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。
根据软开关技术开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。
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不 同电路，可以从根本开关单元导出具体电路。
的反并联二极管VDS3导通。这种
O iLr
t
状态维持到t4时刻S3开通。因此
O
t
S3为零电压开通。
uT1
O
t
uR
O
iL
t
O
t
iVD1
图 7-17移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路
O iVD2
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7
7.2 软开关电路的分类
根据是零电压开通还是零电流关断
零电压电路 零电流电路
根据软开关技术发展的历程
准谐振电路 零开关PWM电路 零转换PWM电路
8
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同 电路，可以从基本开关单元导出具体电路
SL
SL
L VD
VD
VD
S
L S VD
a)
b)
c)
d)
图 7-3 基本开关单元的概念 a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元 c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
12
3． 零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振的 开始时刻，谐振电路是与
分为 优点
●输入电压和负载电主流开对关电并路联的谐振过程影 零电响流小转，换电P路W在M电很路宽的输入电压范围内，从 零电零●压电负转路载换中到P无满W功载M功电都率路能的工交作换在被软削开减关到状最态小
Lr Cr S1
S VD1
O
t
iS
t O
i Lr
O
t
uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● t0~t1时段：t0时刻之前， 开关S为通态，二极管 VD为断态，uCr=0，iLr=IL ● t0时刻S关断，与其并 联的电容Cr使S关断后电 压上升减缓，因此S的关 断损耗减小。S关断后， VD尚未导通
7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关 PWM电路 7.3.4 零电压转换 PWM电路
15
7.3.1 零电压开关准谐振电路
S
O
t
uS (uCr)
O
t
iS
t O
iLr
O
t
uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
17
S O uS (uCr)
O iS
O iLr
O uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t
t t
t t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 电电感路Lr+等L效向为Cr充图电7-9， uCr线
性上升，同时VD两端电压
uVD uVD
逐=0渐，下VD降+导，u通C直r 。到这t1一时时刻I段，L
uu i
0 P
0
i t t a)
u
i
i
0 P
0 b)
图7-1 硬开关的开关过程 a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程
u t t
3
软开关
在原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，开关开通前电压降 为零，或关断前电流降为零，可消除开关 过程中中电压、电流的重叠，降低它们的 变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元 d)谐振直流环节电路
10
准谐振
准谐振电路中电压或电 流的波形为正弦半波
优点 缺点
谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降
●谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高 ●谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功 率的交换，电路导通损耗加大 ●谐振周期随输入电压、负载变化而改变，电路 只能采用脉冲频率调制方式来控制
使开关关断前其
电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声
零电压关断
与开关并联的电容能延缓开关关
断后电压上升的速度，降低关断损耗
零电流开通
与开关串联的电感能延缓开关开
通后电流上升的速度，降低开通损耗
6
第7章 软开关技术
7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路
本章小结
第7章 软开关技术
7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路
本章小结
1
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关 7.1.2 零电压开关与零电流开关
2
硬开关
7.1.1 硬开关与软开关
?开关过程中电压、电流均不为零， 出现重叠，导致开关损耗 ?电压和电流的变化很快，波形出现 明显的过冲，导致开关噪声
9
1． 准谐振电路
最早出现的软开关电路
分为
Lr S
Cr
零电压开关准谐振电路 零电流开关准谐振电路 零电压开关多谐振电路
Cr Lr L
S VD a）
用于逆变器的谐振直流环节
L
Cr1 Lr L
Lr
S
D V
VD
S Cr2 VD
Ui S Cr
b）
c）
d）
图 7-4 准谐电路的基本开关单元 a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
L VD
Lr Cr S1
S VD1
L VD
a)
b)
图 7-4零转换PWM电路的基本开关单元 a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元
13
第7章 软开关技术
7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路
本章小结
14
7.3 典型的软开关电路
uCr的上升率Cr A
Ui
d u ? I Cr
L
（7-1）
d t C 图7-9 零电压r开关准谐振电路在t0~t1时
段等效电路
18
S O uS (uCr)
O iS
O iLr
O uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t
t t
t t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
Cr
S Lr A L
Ui VDs VD
CR
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
? 假设电感L和电容C很大， 可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按开 关周期重复
16
Cr
S Lr A L
Ui VDs VD
CR
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
SOt来自uS ( u C r)
图7-1 软开关的开关过程 a)软开关的开通过程 b)软开关的关断过程
4
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关 7.1.2 零电压开关与零电流开关
5
7.1.2 零电压开关与零电流开关
零电压开关（零电压开通）
使开关开通前其
两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声
零电流开关（零电流关断）
11
2．零开关PWM电路
引入了辅助开关来控制谐 振的开始时刻，使谐振仅
分为 优点
●电压和电流基本是发方生波于开关过程前后 零电压●开开关关承PW受M的电电路压降低
零电流●电开路关可PW采M用电开路关频率固定的PWM控制
Cr S1
L
S Lr VD
Lr
L
S S1
Cr VD
a）
b）
图 7-4零电压开关PWM电路的基本开关单元 a）零电压开关PWM电路基本开关单元 b）零电流开关PWM电路基本开关单元
7.2 软开关电路的分类
根据是零电压开通还是零电流关断
零电压电路 零电流电路
根据软开关技术发展的历程
准谐振电路 零开关PWM电路 零转换PWM电路
8
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同 电路，可以从基本开关单元导出具体电路
SL
SL
L VD
VD
VD
S
L S VD
a)
b)
c)
d)
图 7-3 基本开关单元的概念 a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元 c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
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3． 零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振的 开始时刻，谐振电路是与
分为 优点
●输入电压和负载电主流开对关电并路联的谐振过程影 零电响流小转，换电P路W在M电很路宽的输入电压范围内，从 零电零●压电负转路载换中到P无满W功载M功电都率路能的工交作换在被软削开减关到状最态小
Lr Cr S1
S VD1
O
t
iS
t O
i Lr
O
t
uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● t0~t1时段：t0时刻之前， 开关S为通态，二极管 VD为断态，uCr=0，iLr=IL ● t0时刻S关断，与其并 联的电容Cr使S关断后电 压上升减缓，因此S的关 断损耗减小。S关断后， VD尚未导通
7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关 PWM电路 7.3.4 零电压转换 PWM电路
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7.3.1 零电压开关准谐振电路
S
O
t
uS (uCr)
O
t
iS
t O
iLr
O
t
uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
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S O uS (uCr)
O iS
O iLr
O uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t
t t
t t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 电电感路Lr+等L效向为Cr充图电7-9， uCr线
性上升，同时VD两端电压
uVD uVD
逐=0渐，下VD降+导，u通C直r 。到这t1一时时刻I段，L
uu i
0 P
0
i t t a)
u
i
i
0 P
0 b)
图7-1 硬开关的开关过程 a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程
u t t
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软开关
在原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，开关开通前电压降 为零，或关断前电流降为零，可消除开关 过程中中电压、电流的重叠，降低它们的 变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元 d)谐振直流环节电路
10
准谐振
准谐振电路中电压或电 流的波形为正弦半波
优点 缺点
谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降
●谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高 ●谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功 率的交换，电路导通损耗加大 ●谐振周期随输入电压、负载变化而改变，电路 只能采用脉冲频率调制方式来控制
使开关关断前其
电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声
零电压关断
与开关并联的电容能延缓开关关
断后电压上升的速度，降低关断损耗
零电流开通
与开关串联的电感能延缓开关开
通后电流上升的速度，降低开通损耗
6
第7章 软开关技术
7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路
本章小结
第7章 软开关技术
7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路
本章小结
1
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关 7.1.2 零电压开关与零电流开关
2
硬开关
7.1.1 硬开关与软开关
?开关过程中电压、电流均不为零， 出现重叠，导致开关损耗 ?电压和电流的变化很快，波形出现 明显的过冲，导致开关噪声
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1． 准谐振电路
最早出现的软开关电路
分为
Lr S
Cr
零电压开关准谐振电路 零电流开关准谐振电路 零电压开关多谐振电路
Cr Lr L
S VD a）
用于逆变器的谐振直流环节
L
Cr1 Lr L
Lr
S
D V
VD
S Cr2 VD
Ui S Cr
b）
c）
d）
图 7-4 准谐电路的基本开关单元 a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
L VD
Lr Cr S1
S VD1
L VD
a)
b)
图 7-4零转换PWM电路的基本开关单元 a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元
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第7章 软开关技术
7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路
本章小结
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7.3 典型的软开关电路
uCr的上升率Cr A
Ui
d u ? I Cr
L
（7-1）
d t C 图7-9 零电压r开关准谐振电路在t0~t1时
段等效电路
18
S O uS (uCr)
O iS
O iLr
O uVD
O
t0t1 t2 t3t4 t5t6
t
t t
t t t0
图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
Cr
S Lr A L
Ui VDs VD
CR
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
? 假设电感L和电容C很大， 可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按开 关周期重复
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Cr
S Lr A L
Ui VDs VD
CR
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
SOt来自uS ( u C r)
图7-1 软开关的开关过程 a)软开关的开通过程 b)软开关的关断过程
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7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关 7.1.2 零电压开关与零电流开关
5
7.1.2 零电压开关与零电流开关
零电压开关（零电压开通）
使开关开通前其
两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声
零电流开关（零电流关断）
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2．零开关PWM电路
引入了辅助开关来控制谐 振的开始时刻，使谐振仅
分为 优点
●电压和电流基本是发方生波于开关过程前后 零电压●开开关关承PW受M的电电路压降低
零电流●电开路关可PW采M用电开路关频率固定的PWM控制
Cr S1
L
S Lr VD
Lr
L
S S1
Cr VD
a）
b）
图 7-4零电压开关PWM电路的基本开关单元 a）零电压开关PWM电路基本开关单元 b）零电流开关PWM电路基本开关单元