三电平直流变换器及其软开关技术(阮新波著)思维导图
直流开关电源的软开关技术
ILmax
T’ T’off
Vo DD D1D Vin D
D2
2IoLf
Vo Vin
1
1 Vin
电感电流断续工作时，输出电压Vo、输入电压Vin、负载电流
Io和占空比D的关系。由此可知，电流断续时，即使输入电压
Vin不变时，为了保持输出电压Vo恒定，也应随负载电流的不
同来调节占空比D。
1. 直流变换器的分类
（1）根据输入与输出间是否有电气隔离
① 非隔离式直流变换器
•
单管直流变换器
降压式（Buck) 、升压式（Boost) 、升压式 / 降压式（Buck/ Boost ) 、Cuk 、Zeta 、
Sepic
在六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生出来的。
D
工作模式：连续、临界、非连续
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
ILmax
Io
ILmin
ILmax
Io
VoDVin
D T on T
Ii IoD
Io
IL
I min
L max
2
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
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Vo D D1D Vin DD
Io
消化原理、理解过程、掌握分析方法 • 教材：《直流开关电源的软开关技术》阮新波等主编
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课时要求 • 本课总学时：32学时，每次3学时 • 成绩评定：试卷80分；平时成绩20分 • 平时成绩包括：讨论、出勤率等
3
讲课主要内容
• 1.直流开关电源的基本电路拓扑 • 2.谐振变换器 • 3.准谐振变换器 • 4.多谐振变换器 • 5. ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器 • 6.零电压转换（ZVT）PWM变换器 • 7.零电流转换（ZCT）PWM变换器 • 8.正激变换器的磁复位技术 • 9.移相控制ZCS ZVS PWM DC/DC全桥变换器 • 10.移相控制ZCS PWM DC/DC全桥变换器 • 11.现代软开关电源应用设计举例
2001(阮新波 许大宇 严仰光-电工技术学报)加钳位二极管的零电压开关PWM三电平直流变换器
加钳位二极管的零电压开关PWM三电平直流变换器Z ero 2Voltage 2Switching PWM Three 2Level Converter with Clamping Diodes阮新波 许大宇 严仰光(南京航空航天大学 210016)R u an X inbo X u Dayu Y an Y anggu ang (Nanjing University of Aeronautics &Astronautics 210016 China ) 摘要 零电压开关PWM 三电平直流变换器(ZVS PWM TL 变换器)利用变压器的漏感和开关管的结电容可以实现开关管的零电压开关,但是输出整流管仍然存在反向恢复带来的尖峰电压。
为了解决这个问题,提出一种新的ZVS PWM TL 变换器,它在基本的ZVS PWM TL 变换器中增加两个二极管,消除了输出整流管的电压振荡,同时保留基本的ZVS PWM TL 变换器的所有优点。
分析了这种新的变换器的工作原理,并在一个600W 的原理样机上进行了验证,最后给出了实验结果。
关键词:三电平直流变换器 零电压开关 脉宽调制中图分类号:TM463Abstract Zero 2Voltage 2Switching PWM Three 2Level Converter (ZVS PWM TL Converter )can realize ZVS for the power switches with the use of the leakage inductance of the transformer and the output capacitors of the power switches.However ,the output rectifier diodes still suffer the volt 2age spike and voltage oscillation resulted by the reverse recovery of the rectifier diodes.In this paper a novel ZVS PWM TL converter is proposed which introduces two clamping diodes to the basic ZVS PWM TL converter ,thus the voltage oscillation and voltage spike are eliminated.The operation prin 2ciple of the novel converter is analyzed and verified by a 600W prototype converter.The experimental results are also included in this paper.K eyw ords :Three 2level converter Zero 2voltage 2switching Pulse 2width 2modulation中国航空基础科学基金和台达电力电子科教发展基金资助项目。
《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
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。
2003(马运东 阮新波 严仰光-电力电子技术)全桥三电平直流变换器的控制方式与设计
波形 。图 4d 中 1 通道是电流 ip 波形 ,2 通道为 A ,
B 两点间电压波形 。3 通道为 C , D 两点间的电压
波形 ,可以看到该电压波形比较平滑 ,已消除了寄生
29
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图 1 全桥三电平直流变换器
3 控制方式
3. 1 最佳开关方式 全桥三电平直流变换器的开关管较多 ,意即其
中孕育着多种开关方式 。其中最佳开关方式应该满 足条件 : ①同样的占空比下 ,功率传输最大 ; ②滤波 电感电流脉动达到最小 ; ③实现开关管的软开关 。
满足上述条件的开关方式是唯一的 ,所以称该 开关方式为最佳开关方式 。图 2 绘出了在最佳开关 方式下的主要波形 。
4 参数设计
4. 1 谐振电感设计 为了实现滞后管零电压开关 ,必须在变压器的
初级电路串联谐振电感 。谐振电感的大小要满足 ZVS 的要求 ,超前管实现 ZVS 的能量来自滤波电 感 ,与谐振电感无关 ;滞后管实现 ZVS 需要的能量
主要由谐振电感提供 。C3 , C5 , C6 需要的能量为 :
首先关断的是超前管 。超前管关断后变压器需 要继续向次级传递能量 ,因此变压器初级电流不可 能下降到零 ,即超前管只能实现 ZVS。然后关断的 是滞后管 ,若要实现 ZCS ,初级电流必须下降到零并 且要保持一段时间以便于滞后管关断 ,由此得到的 v CD波形已非最佳 ;若要实现 ZVS ,仅靠漏感的能量 难以达到 ,需要加入谐振电感来协助实现 。如图 1 虚线所示 :断开 A , E 两点 ,加入谐振电感 L r 。由于 L r 与整流二极管结电容会产生寄生振荡 ,因此加入 二极管 VDc1 ,VDc2 来将其消除 。所以 ,全桥三电平 直流变换器在最佳开关方式下只有 ZVS 一种软开 关类型 。
三电平逆变器PPT课件
工作原理分析
由
SA、SB、SC
组成的电路共有3×3×3=27种组合，
对应主电路有27种工作模式，开关状态及相应电
压值如表所示
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三电平逆变器基本原理
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三电平逆变器基本原理
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三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
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二电平与三电平逆变器比较
二电平输出端对电源中点电位仅2个值，而三 电平有三个值
三电平逆变器输出端电压波形比二电平包含较 小的谐波分量，脉动转矩降低
与二电平相比，三电平逆变器中的开关器件所 承受的电压是二电平的一半，为0.5Ud,元件耐 压水平可降低一半；当采用相同耐压水平的功 率开关元件时，三电平可承受更高的直流中间 电压，从而提升电机功率
而当ɑ>60度时，波形变为不连续的脉冲波，谐 波很大
因此，在电力牵引传动系统中，逆变器采用三 电平主电路且机车运行于高速区时，方波控制 角都会满足0~30度
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三电平逆变器控制方法
SPWM控制，即采用多个不同宽度的脉冲波控制
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三电平逆变器控制方法
当负载电流为负时形成od10t13a通t13t14导通t11t12关断则不轮电机负载的电流方向a点的电位为功率开关只有以上三种组合并且t11和t14不能够同时开通为了防止同一相上下两桥臂的开关元件同时导通而引起直流侧电源短路逆变器中上述功率开关通断转换必须遵循先断后通的原则即先给应关断的元件关断信号待其关断后留一定的时间裕量然后再给应导通的元件发出到通信号在两者之间留出一个短暂的死区时间死区时间的长短根据开关元件的开关速度来决定工作原理分析三电平逆变器基本原理利用上述理想开关函数每相桥臂电路结构可以简化为一个与直流侧相通的单刀三掷开关s组成的电路共有33327种组合对应主电路有27种工作模式开关状态及相应电压值如表所示输出交流量的每半个周期中只有一块宽度可随控制角调节的矩形电压或电流脉冲称单脉冲工作方式即方波调制
三电平直流变换器软开关技术的研究
三电平直流变换器软开关技术的研究摘要：分析和比较了三电平直流变换器各种软开关拓扑的工作原理和主要特点，并讨论了其研究应用现状和发展前景，对三电平直流变换器软开关技术的研究方向提出了建议。
1引言近年来，随着电力电子技术的发展，对直流变换装置的要求越来越高，尤其是在高压大功率应用场合。
为了减小高压大功率变换器开关器件的电压应力，提出了三电平直流变换器的方案，该方法可使开关管的电压应力是输入直流电压的一半。
为了提高三电平直流变换器的动态性能和静态性能，同时减小输出滤波器的体积、重量和造价，则希望三电平直流变换器的工作频率越高越好。
但是，由于功率开关器件的非理想特性，通常功率开关器件是在电压不为零的情况下开通，在电流不为零的情况下关断，这种开关过程称为硬开关过程。
在硬开关状态下工作的功率变换器，随着开关频率的上升，一方面开关器件的开关损耗会成正比地增大，使电路的效率大大降低，处理功率的能力大幅度减小；另一方面，过高的dv/dt和di/dt会产生越来越严重的电磁干扰（EMI）。
为克服三电平直流变换器在硬开关状态下工作的诸多问题，提出了各种各样的软开关技术，以达到在提高功率变换器开关频率的同时，降低开关损耗和减少由开关引起的EMI[1]。
2三电平直流变换器[2]随着电力电子技术的发展，对电能变换装置的要求越来越高，特别是对输入功率因数的要求越来越高。
三相功率因数校正变换器输出电压一般为DC760～800V，有时甚至达到1000V，这就要求提高后级直流变换器开关管的电压定额，使得很难选择合适的开关管。
为了克服这个问题，Barbi教授提出了三电平直流变换器(Three－levelConverters)的概念，在该变换器中，开关管的电压应力是输入直流电压的一半。
三电平直流变换器的基本电路如图1所示。
电图1基本的三电平直流变换器图2零电压开关三电平直流变换器容Cd1和Cd2容量相等，并且很大，它们的电压均为输入直流电压的一半，即Ud1=Ud2=Uin/2。
《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5章软开关讲义变换器
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）。
➢ 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。
➢ 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 t off
t
第十七讲 逆变电路(三)及软开关概述
V an V bn V cn V an
. . . . . V ab 3V an (V an V bn V cn ) V ab V ca . V ca
. .
据基尔霍夫电流定律星形负载中流入 Van Vbn Vcn 0 V V V 0 an bn cn Z Z 负载中点n的电流总和为0，有右式 Z . 成立 1 .
3 . 1 . . V an (V ab V ca ) . 1 . V cn (V ca V bc ) 3 3 3 第4章 直流/交流变换器（逆变器）
.
V bn
(V bc V ab )
.
负载电压波形
负载星形连接时： V an V bn V cn
. . . . 1 . (V ab V ca ) 3 . 1 . (V bc V ab ) 3 . 1 . (V ca V bc ) 3
星形负载时负载输出波形为互差 120°的 Van ， Vbn，Vcn，傅里叶级数为 2 1 1 1 1 v AN (t ) VD sin t sin 5 t sin 7 t sin 11 t sin 13 t 5 第4章 直流/交流变换器（逆变器） 7 11 13 4
N
图5-22 三相电压型二重逆变电路
UU1(UA1) UUN UA21 UU2 -UB22
图5-23 二次侧基波电压合成相量 图5-23 图
多重逆变电路
T1为Δ/ Y联结，线电压变比 1: 3 为 （一次和二次 绕组匝数相等） T2一次侧Δ联结，二次侧两 绕组曲折星形接法，其二 次电压相对于一次电压而 言，比 T1 的接法超前 30°， 以抵消逆变桥 II 比逆变桥 I 滞后的30°。这样，uU2和 uU1的基波相位就相同
T型中点钳位三电平逆变器的零电流转换软开关技术
T型中点钳位三电平逆变器的零电流转换软开关技术姚修远;吴学智;杜宇鹏;吴跃林【摘要】Based on the commutation characters of the T-type neutral-pointclamped(T-NPC)three level inverter,a novel zero-current-transition softswitching topology is proposed.The topology employs only two auxiliary switches and one LC resonant tank for each phase arm.The commutation process and operation principle of the soft-switching technique are analyzed in detail,all switching device on main bridge arm and Auxiliary arm can achieve soft-switching condition without changing the traditional PWM control strategy.The dual relationship between the shift of the resonant center and the soft-switching topology is introduced by using the simplified topology and the state plane diagram.Then,the theoretical analysis and mathematical derivation about the design of the resonant tank parameters and the timing schemes are given in this paper.At last,a half bridge prototype of the T-NPC three level inverter is built,and the effectiveness and advantages of the proposed topology are verified.%依据T型中点钳位(T-NPC)三电平逆变器的换流特点,提出了一种零电流软开关拓扑,每相桥臂仅需要额外使用两个辅助谐振开关器件和一条LC谐振支路.详细介绍了该软开关技术的换流过程和工作原理,在不改变传统PWM控制策略的前提下就能够保证主桥臂和辅助桥臂的开关器件实现零电流开关.通过对拓扑电路的简化并结合相平面分析图的方法,指出了所提出软开关拓扑具有谐振圆心偏移的对偶关系,并对该软开关拓扑的谐振参数选择和辅助桥臂的控制时序进行了理论分析和推导.最后通过半桥样机实验,对所提出软开关拓扑的可行性和优点进行了验证.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2016(031)023【总页数】10页(P179-188)【关键词】T型中点钳位三电平;零电流软开关技术;谐振参数;控制时序【作者】姚修远;吴学智;杜宇鹏;吴跃林【作者单位】中国电力科学研究院北京 100192;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心北京 100044;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心北京 100044;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心北京 100044;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心北京 100044【正文语种】中文【中图分类】TM464逆变器采用软开关技术能有效降低开关损耗，提高效率和功率密度[1，2]，基于传统两电平拓扑的软开关技术得到了广泛的关注和深入的研究[3-6]。
三电平软开关直流变换器典型拓扑分析
三电平软开关直流变换器典型拓扑分析潘虹，张波(广州华南理工大学，广东广州 510640）1 引言近年来，人们对电力电子装置的电压等级和功率等级的要求不断提高，三电平变换器作为顺应这一潮流的一种解决方案受到越来越多的关注。
三电平[1]大大降低了开关管的电压等级，这样有利于减小开关损耗，提高效率，降低成本。
为了减小变换器的体积和重量，高频化是电力电子学一直追求的目标，伴随着高频化，功率器件的开关损耗问题成为一个日益突出的矛盾，由此软开关技术应运而生，成为降低开关损耗，提高系统效率以及改善EMI问题的一个重要手段。
三电平零电压软开关直流变换器即是由此应运而生的一种新型，实用的拓扑，通过采用移相控制技术，利用开关管的结电容和变压器漏感的谐振实现开关管的零电压开关。
通过高频变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电使开关管两端电压下降为零，使变换器4个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容作用下零电压关断，从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中的电磁干扰，为变换器提高开关频率，提高效率，降低尺寸及重量提供了良好的条件。
但在实际应用中，三电平零电压软开关（ZVS）变换器存在着几个较难克服的问题，从而出现了一系列改进拓扑。
为此，本文系统地总结和分析了目前较为实用和典型的三电平零电压软开关变换器拓扑。
2 传统三电平零电压软开关直流变换器优缺点传统的三电平ZVS软开关直流变换器（three-level zero voltage switching DC/DC converter，简称TL-ZVS DC/DC converter）如图1所示。
其拓扑特点[2]是引入大容量飞跨电容C ss，变换器工作时其电压稳定在V in/2，使得超前管、滞后管实现软开关的条件相互独立，互不干扰；并且将移相技术与软开关技术结合起来，能很好地降低电路中的损耗，提高效率。
因此，非常适合高输入电压中大功率场合。
图1 传统的三电平移相全桥ZVS变换器但是，传统的三电平ZVS软开关直流变换器也存在不少问题。