开关损耗及软开关技术
软开关技术
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。
减少开关损耗的措施和原理
减少开关损耗的措施和原理
1.采用MOS管或IGBT等低压损耗的器件。
这些器件的开关速度快，损耗小，有效的降低了开关损耗。
2.采用软开关技术。
软开关技术通过改变开关管的工作方式，使之在开关过程中保持输入电流或输出电流为零或接近于零，从而达到降低损耗的效果。
3.采用零电压开关技术。
这种技术利用并联的三极管管路控制开关管，在开关时将其导通，使电容器内的电能通过零电压点数控制器(即ZVS控制器)输出，使开关过程中的损耗降到最小。
4.采用瞬间非零电压开关技术。
这种技术通过对开关管进行合理的极间电压控制，使开通和断开瞬间各自的电压差均较小，从而大大降低了开关损耗。
5.采用逆变型桥式开关电源技术。
这种技术将输入的直流电压通过逆变变压器逆变成高频交流电压，再通过桥式开关电源将电压输出。
这种技术具有开关器件压降小，损耗更小的优点。
以上就是减少开关损耗的措施和原理。
浅论MOSFET的损耗及软开关
浅论MOSFET的损耗及软开关dog72MOSFET等效模型损耗分析导通损耗主要是Rdson上的有效电流产生的损耗，无需多言。
主要分析的是MOS开通和关断造成的损耗。
驱动损耗驱动损耗是栅极对结电容Cgs+Cgd充放电所造成的能量损失，主要和驱动电压的平方成正比，与频率和电容量成正比。
漏极电荷损耗漏极电压存储在Cgd+Cds上的电荷，会在MOS开关时不断的充放电，造成能量损失。
这部分与驱动损耗类似，只是电压为漏极电压的平方。
开通损耗开通损耗主要是因为在开通的过程中漏极因结电容的影响电压不能突变。
这样，开通损耗=0Ton ds d V I ⋅⎰。
假如电路为漏极接电感的Boost 拓扑，考虑最坏情况此处损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。
由于，开通损耗是存在于每个周期的，所以随着开关频率的提高，开通损耗线性增长。
关断损耗关断损耗产生的原因，主要是功率电感上电流不能突变，因而当MOS 关断时造成漏极电压突变（考虑漏极结电容的影响，电压并不会突变，但在大电流模式下因结电容很小所以可以近似为突变）。
与开通损耗类似的，最坏情况损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。
开关损耗开通损耗与关断损耗的和为MOS 的开关损耗，从0Ton ds d V I ⋅⎰可以得出三种方法可以降低开关损耗：1、 提高开关速度2、 开关动作时，使得漏极电压为零（或很低）3、 开关动作时，使得漏极电流为零（或很低） MOSFET 误导通和击穿MOS 的误导通和击穿会造成很大的损耗甚至损坏电路，所以有必要讨论一下。
根据MOS 等效模型，MOS 在关断的情况下有两种可能被强制开通：1、 当漏极出现很强的电压变化率时（即dv/dt 很大），等效网络“Rds-Cgd-Rg-Cgs-驱动内阻”内会产生很高的电流，如果Rg+驱动内阻足够大，则很有可能导致Cgs 上的电压瞬间超过开通门限，导致MOS 误导通2、 与上同样的dv/dt ，会在等效网络“Rds-Cds-Rb ”内产生很高的电流，如果这个电流在Rb 上的电压超过寄生BJT 的导通电压，则会导致BJT 导通形成击穿。
电力电子课件西安交大第8章软开关技术
03
软开关技术能够提高装置的抗电磁干扰能力，保证装置 在复杂电磁环境下的稳定运行。
04 软开关技术的实际应用案例
基于软开关技术的电源设计
开关电源
软开关技术应用于开关电源中，能够降低开关损耗，提高电源效 率，减小体积和重量。
不间断电源
在UPS（不间断电源）中应用软开关技术，可以改善输出电压的波 形，提高供电质量。
谢谢聆听
伺服系统
伺服系统中应用软开关技术，可以减 小系统体积和重量，提高伺服系统的 动态性能和稳定性。
基于软开关技术的电力电子变压器
1 2 3
固态变压器
软开关技术在固态变压器中得到广泛应用，能够 实现高效、灵活的电能转换和传输。
分布式电源系统
在分布式电源系统中，软开关技术可以提高电力 电子变压器的转换效率和可靠性，减小系统的体 积和重量。
适用于中大功率的电源转换，具有较高的输 出电压和较低的效率。
02
01
半桥式
适用于中大功率的电源转换，具有较低的输 出电压和较高的效率。
04
03
软开关技术的控制策略
恒频控制
保持开关频率恒定，通过改变占空比来调节输出 电压或电流的大小。
变频控制
改变开关频率，通过调节占空比来保持输出电压 或电流的大小恒定。
分布式电源系统
软开关技术为分布式电源系统提供高效、可靠的并网控制策略，提 高系统的稳定性和可靠性。
基于软开关技术的电机驱动系统
电机控制器
电动汽车驱动系统
软开关技术应用于电机控制器中，能 够减小电机启动电流和转矩脉动，提 高电机的控制精度和动态响应性能。
在电动汽车驱动系统中应用软开关技 术，能够提高驱动系统的效率和可靠 性，延长电动汽车的续航里程。
电力电子技术第6章.软开关技术
图6-5给出了前三种软开关电路的基本开关单元，谐振直流 环节的电路见图6-10。
图6-5 准谐振电路的基本开关单元
2、零开关PWM电路
零开关PWM变换电路是在准谐振变换电路基础上，增加了 辅助开关而形成的。辅助开关用于控制谐振的开始时刻，使谐 振仅发生于开关过程前后，这样，电路就可以采用恒频控制方 式即PWM控制方式。零开关PWM电路可分为：
图6-6 零开关PWM电路的基本开关单元
3、零转换PWM电路
准谐振变换器的谐振电感和谐振电容一直参与工作；零开关 PWM变换器的谐振元件虽不一直工作，但谐振电感却串在主回 路中，损耗较大。为克服这些缺陷，提出了零转换PWM变换器。 虽这类变换器也采用对谐振时刻进行控制来实现PWM控制，但 与零开关变换器相比具有更突出的优点：
要 实 现 软 开 关 的 PWM 控制，只需控制Lr与Cr的 谐振时刻。其方法是：要 么在适当时刻先短接谐振 电感，在需要谐振的时刻 再断开；要么在适当时刻 先断开谐振电容，在需要 谐振的时刻再接通。由此 得到不同形式的零开关 PWM 电 路 的 基 本 开关 单 元， 如图 6-6 所 示，其 中 S1为辅助开关。
第6章 软开关技术
6.1 软开关的基本概念 1、硬开关及其缺点
变流电路中的电力电子开关不是理想器件。开通时，开关 管的电压不是立即降到零，同时它的电流也不是立即上升到 负载电流，有一个上升时间。在这段时间里，开关元件承受 的电压和流过的电流有一个交叠区，会产生开关损耗，称之 为开通损耗，其波形如图6-1（a）所示。同样，在开关关断 时，开关管的电流也有一个下降过程，电压也有一个上升时 间，电压和电流的交叠产生的开关损耗称之为关断损耗，其 波形如图6-1（b）所示。开关器件在开关过程中产生的开通 损耗和关断损耗，统称为开关损耗。具有这种开关过程的开 关称为硬开关。
一种PWM软开关变流器实现及损耗分析
机传动 。
ＰＷ Ｍ Ｓ ｏ ｆ ｔ Ｓｗｉ ｔ ｃ ｈ Ｉ ｎｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｌｏ ｓ ｓ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｕ Ｘ ｉ ａ ｏ ｆ ｅ ｎ ｇ
（ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ １ ３ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｚ ｅ ｒ ｏ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｚ Ｃ Ｔ ）ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｚ ｅ ｒ ｏ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｂ ｙ
开关条件。辅助 电路的引入不会对主电路的控制算法产生影 响， 使得传统 Ｐ ＷＭ控制策略 能够直接应用在软开关变流器上。在分析 Ｚ Ｃ Ｔ软开关工作原理的基础上， 引入的辅助电路 损耗小于减少的开关损耗 ， Ｚ Ｃ Ｔ技术提高变流器 的整机效率。通过一台 ５ ０ ０ ｋ Ｖ Ａ三相 Ｚ Ｃ Ｔ 软开关 Ｐ Ｗ Ｍ 软开关变流器互馈试验平台， 完成了功率 、 软开关试验及不同谐振参数下的效 许 晓峰 （ １ ９ ６ ０ 一） ， 男， 教授 ， 博 士生导
ａ ｃ ｈｉ ｅ ｖ ｅ ｄ，ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｎｔ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎｖ ｅ ｔｅ研 究 方 向 为 电
什么是软开关-软开关的分类
什么是软开关?软开关的分类凡用控制的方法使电子开关在其两端的电压为零时导通电流,或使流过电子开关的电流为零时关断,则此开关称为软开关。
它能克服传统的硬开关的开关损耗,理想的软开关的开关损耗为零,从而可提高功率变换器的传输效率。
一、软开关概述硬开关是在控制电路的开通和关断过程中，电压和电流的变化剧烈，产生较大的开关损耗和噪声，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的工作。
软开关是在硬开关电路的根底上，增加了小电感、电容等谐振器件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通；或使流过开关的电流为零时关断，使开关条件得以改善，降低传统硬开关的开关损耗和开关噪声，从而提高了电路的效率。
软开关包括软开通和软关断。
理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通时不会产生损耗和噪声，软开通的开关称之为零电压开关。
理想的软关断过程是：电流先下降到零后，电压再缓慢上升软开关技术大体上分为零电压开关和零电流开关，到通态值，所以关断时不会产生损耗和噪声，软关断的开关称之为零电流开关。
二、软开关的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，可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。
1.零电压开关①零电压开通：开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声。
②零电压关断：与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。
2.零电流开关①零电流关断：开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。
②零电流开通：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。
3.准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。
是最早出现的软开关电路。
其电压峰值很高，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，因此电路只能采用脉冲频率调制方式来控制。
硬开关与软开关
硬开关：1.开关损耗大。
开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。
电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。
2.感性关断电尖峰大。
当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。
此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。
3.容性开通电流尖峰大。
当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。
频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。
另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。
频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。
4.电磁干扰严重。
随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。
软开关：上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。
近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。
和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。
由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。
理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。
同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。
硬开关是指在固有的周期下进行开关，而软开关则不同，是利用了振荡作用，在电压和电流为零时使开关管打开和关闭，这样大大减少了在开关管上的损耗，提高了效率。
无刷直流电机逆变器的软开关技术
无刷直流电机逆变器的软开关技术无刷直流电机逆变器是一种将直流电能转换成交流电能并驱动无刷直流电机的电子设备。
在无刷直流电机逆变器中，软开关技术在提高电机效率、减少电机噪音、降低电机振动等方面起着重要的作用。
本文将介绍无刷直流电机逆变器软开关技术的原理、分类、现有研究进展，并分析其优缺点。
无刷直流电机逆变器的原理是将直流电能通过逆变器转换成交流电能，然后通过交流电能驱动无刷直流电机运转。
在逆变器中，开关管承担着很重要的作用，其具体工作模式在很大程度上决定了逆变器的性能。
传统的硬开关技术在开关管关断时会产生较大的开关损耗和电磁干扰，不利于逆变器的安全和稳定运行。
而软开关技术可以在开关管关断时通过一系列控制策略提高开关管的效率和工作稳定性，减小开关损耗和电磁干扰。
根据开关管的工作原理和逆变器的拓扑结构，可以将软开关技术分为多种类型。
常见的软开关技术包括零电压切换（ZVS）技术、零电流切换（ZCS）技术、有限电压切换（FZVS）技术等。
其中，ZVS技术是指在开关管关断时通过调节电压或电流使其达到零值的技术，可以减小开关管关断时的开关损耗，提高逆变器的效率。
ZCS技术是指在开关管关断时通过调节电流使其达到零值的技术，可以减小开关管关断时的电流压力，降低电磁干扰。
FZVS技术是指在开关管关断时通过控制电压保持在一定范围内的技术，可以降低开关管关断时的电压应力，延长其使用寿命。
当前，软开关技术在无刷直流电机逆变器中得到了广泛的应用和研究。
根据控制策略的不同，可以将软开关技术进一步分类为PWM控制技术、谐振控制技术、混合控制技术等。
PWM控制技术是指通过调节开关管的通断时间比例来控制输出电压或电流的技术，可以实现电机的高效驱动和精确控制。
谐振控制技术是指通过共振电路和谐振元件来控制开关管的开关瞬间，减小开关损耗和电磁干扰。
混合控制技术是指将PWM控制技术和谐振控制技术相结合的技术，可以实现更高的性能和更低的成本。
电力电子技术软开关技术课件
电力电子技术软开关技术课件
7.2 软开关电路的分类
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-VoltageSwitching PWM Converter—ZVS PWM）
• 零电流开关PWM电路（Zero-CurrentSwitching PWM Converter—ZCS PWM）
b）软开关的关断过程
图7－2 软开关的开关过程
电力电子技术软开关技术课件
7.1.2 零电压开关和零电流开关
• 零电压开通
– 开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。
• 零电流关断
– 开关关断前其电流为零——关断时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率，从而 降低关断损耗。
uLr
O
t
时处于通态，每个开关关
iLr
断到另一个开关开通都要
O
t
经过一定的死区时间。
uT1
O
t
uR
O
iL
t
O
t
iVD1
O iVD2
t
图 7-14 移相全桥零电压开电关力P电W子M技电术路软开关技术课图件O 7-1t58t9移t0 相t1全t2 t3t桥4 t5 电t路6 t7 t的8t9 t理0 想化波t 形
电路中的整流或逆变环节工 作在软开关的条件下。
图 7-11 谐振直流环电路原理图
• 由于电压型逆变器的负载通 常为感性，而且在谐振过程 中逆变电路的开关状态是不 变的，因此分析时可将电路 等效。
一种减小开关损耗的软开关技术
收稿日期:2005-10-13作者简介:孟 君(1968-),男,内蒙古商都人,1993年毕业于阜新矿业学院自动化专业,学士,工程师,现神华东胜煤炭运销分公司补连塔站站长。
一种减小开关损耗的软开关技术孟 君(神东煤炭运销分公司,内蒙古伊旗 017209)摘 要:通过采用隔直电容和饱和电抗器的方法,使电源超前臂处于零电压开关状态,滞后臂处于零电流开关状态,克服了常规相移脉宽调制控制开关电源滞后桥臂零电压开关范围窄的缺点。
关键词:软开关;损耗;技术中图分类号:TM 564.8 文献标识码:B 文章编号:1671-749X(2005)04-0040-020 引言开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率体积比高、重量轻等特点。
为了使开关电源的变压器、电抗器等磁性元件和平滑波形的电容器小型化,并且进一步提高电源系统的动态响应性能,需提高开关频率。
然而,对脉宽调制(P WM )硬性开关电源而言,开关频率提高后,开关损耗随着频率增加成正比增加,此外,电路中分布电感和分布电容或二级管中存储电荷产生的浪涌或噪音不仅会产生电磁干扰和射频干扰,而且也降低电源装置本身的可靠性。
本文讨论一种新型的相移P WM 控制电路,通过增加隔直电容和饱和电抗器等办法,无需采用辅助开关,使得超前桥臂处于零电压开关状态,滞后桥臂处于零电流开通和关断状态,进一步拓宽功率器件的软开关工作范围.考虑到现有磁性材料性能,为了避免过高频率造成过大铜损和铁损,仍取开关频率为20k H z 。
1 软开关变换电路的原理及电路实现1.1 软开关变换电路原理本文研制零电压零电流相移P WM 电路如图1所示,与相移P WM 电路不同之处在于多加隔直电容C 和饱和电感Ls 。
饱和电感Ls 相当于一个开关,有电流时饱和电感Ls 饱和,相当于短路,无电流时感抗很大,相当于开路。
图1 零电压电流P WM 主电路图超前管VT1,VT3零电压开通条件与常规相移P WM 一样,但利用电容C 在环流期间,加快环流衰减,使得滞后管实现零电流关断,并利用饱和电抗器Ls 阻止L ,C 振荡电流反向(反向电流伏秒积不足以使饱和电抗器Ls 饱和,其电抗值为无穷大),在滞后管开通时,由于饱和电抗器Ls 处于不饱和状态,电抗值很大,电流上升率慢,电压下降快,为零电流开通。
-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
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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
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。
开关电源损耗计算方法
开关电源损耗计算方法开关电源是现代电子设备中常见的一种电源转换装置，其工作原理主要是通过控制开关的通断来调节输出电压。
然而，在开关电源的工作过程中，不可避免地会产生一定的损耗，这些损耗会影响电源的效率和稳定性。
因此，如何计算和降低开关电源的损耗，成为电源设计中的重要问题。
本文将详细探讨开关电源损耗的计算方法。
一、开关电源的基本结构与工作原理开关电源主要包括输入整流滤波电路、功率开关管、变压器、输出整流滤波电路等部分。
工作时，通过控制功率开关管的通断，使得变压器初级线圈上的电流发生变化，进而改变次级线圈上的感应电动势，从而实现电压的变换。
在这个过程中，功率开关管、变压器以及其他元器件都会产生损耗。
二、开关电源的主要损耗类型1. 开关损耗：这是由于功率开关管在导通和截止过程中产生的损耗，主要包括开通损耗和关断损耗。
2. 导通损耗：当功率开关管处于导通状态时，其内部电阻会消耗一部分能量，形成导通损耗。
3. 变压器损耗：包括磁滞损耗、涡流损耗和铜损。
磁滞损耗是由磁性材料的磁滞特性引起的；涡流损耗是由于交变磁场在导体中产生的涡流所消耗的能量；铜损是由于电流通过变压器绕组产生的热量。
4. 整流损耗：这是由整流二极管在反向恢复期间产生的损耗。
5. 其他损耗：如驱动电路的损耗、电容的ESR损耗等。
三、开关电源损耗的计算方法1. 开关损耗的计算：开关损耗主要取决于开关频率、开关速度和电压、电流的变化率。
通常采用SPICE仿真软件进行计算。
2. 导通损耗的计算：导通损耗等于导通电流与导通电阻的乘积。
3. 变压器损耗的计算：磁滞损耗和涡流损耗可以使用B-H曲线和E-J曲线进行计算，铜损则等于电流的平方与电阻的乘积。
4. 整流损耗的计算：整流损耗等于二极管的正向压降与电流的乘积。
5. 其他损耗的计算：需要根据具体的电路参数进行计算。
四、降低开关电源损耗的方法1. 选择低导通电阻的开关管，以降低导通损耗。
2. 提高开关频率，减小变压器的体积和重量，但可能会增加开关损耗。
软开关技术综述
软开关技术综述开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。
开关电源的构成框图如图1所示，它由输入电路、变换电路、输出电路和控制电路等组成。
功率变换是其核心部分，主要由开关电路和变压器组成。
为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，最典型的功率开关晶体管有功率晶体管（CTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘型双极型晶体管（IGBT）等3种。
控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制（PWM）方式。
从60年代开始得到发展和应用的DC－DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。
为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。
软开关和硬开关波形比较如图2所示。
从图可以看出，软开关的特点是功率器件在零电压条件下导通（或关断），在零电流条件下关断（或导通）。
与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零电流条件下工作，功率器件开关损耗小。
与此同时，du/dt和di/dt大为下降，所以它能消除相应的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），提高了变换器的可靠性。
同时，为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。
要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。
减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术软开关技术已经成为是开关变换技术的一个重要的研究方向。
本文对软开关和硬开关的工作特性进行比较，并对软开关技术进行了详细阐述。
2 硬开关的工作特性是开关管开关时的电压和电流波形。
开关管不是理想器件，因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching Loss）。
开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。
开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。
电机控制软开关技术要求
电机控制软开关技术要求
电机控制软开关技术是一种用于控制电机的技术，其主要目的是实现电机的高效、可靠和精确控制。
以下是一些常见的电机控制软开关技术要求：
1. 效率和能耗：软开关技术应能够提高电机的效率，降低能耗。
通过优化开关动作，可以减少开关损耗，提高能量转换效率。
2. 噪声和振动：软开关技术应能够减少电机运行过程中的噪声和振动。
通过平滑的开关动作，可以降低电磁干扰和机械振动，提高电机的运行平稳性。
3. 可靠性和寿命：软开关技术应具有高可靠性和长寿命。
它应该能够承受电机运行过程中的电应力、热应力和机械应力，并具有良好的耐久性。
4. 控制精度和响应速度：软开关技术应能够提供高精度的电机控制，确保电机的转速、转矩和位置等参数能够准确地控制和调节。
同时，响应速度也是一个重要的要求，能够快速响应控制信号。
5. 兼容性和可扩展性：软开关技术应与现有的电机控制系统和硬件兼容，并具有一定的可扩展性，以便适应不同类型和规格的电机。
6. 保护功能：软开关技术应具备适当的保护功能，如过流保护、短路保护、过热保护等，以确保电机和控制系统的安全运行。
7. 调试和监测：软开关技术应提供方便的调试和监测手段，以便对电机的运行状态进行实时监测和故障诊断。
这些要求是电机控制软开关技术的一般准则，具体的技术要求可能会根据应用场景和特定需求而有所不同。
在选择和应用电机控制软开关技术时，应根据实际情况进行评估和选择，以满足特定的控制要求。
请注意，这只是一些常见的要求，具体的电机控制软开关技术可能会有其他特定的要求。
第六讲：开关电源新技术
第六讲：开关电源新技术这里所说的新技术，是指最近20年内发展起来的技术内容，涉及开关电源的效率、动态响应、功率因数等概念。
1．1、软开关技术开关管的损耗一直是开关变换器设计中的一个核心问题。
要减小开关电源的体积，降低输出电压纹波，提高开关频率是最直接有效的方法，但开关管的损耗正是限制开关频率提高的最大原因，开关管在导通或关断状态下的损耗（称为通态损耗和断态损耗）是比较小的，但在导通和关断动作过程中的损耗（称为导通损耗和关断损耗，即开关损耗）非常大，因为在这时开关管要同时承受高电压和大电流。
开关频率越高，开关损耗就越严重。
要降低开关损耗就必须从控制开关管的开关过程着手，使开关管上不能同时出现高电压和大电流。
传统的缓冲器（Snubber）电路（常用的电路，主要是保证开关管安全工作），能减小一些开关损耗，但程度非常有限而且又引入了缓冲电路的损耗。
给出一个典型的缓冲电路的形式（图3），图中虚线框内部分为缓冲器电路。
谐振（Resonant）的方法是能够大幅度降低开关损耗的方法。
谐振概念的产生比较早，广泛用于机械工业的中频感应加热炉其实就是一个利用负载产生谐振的例子。
但谐振的方法用于直流变换器则是在上世纪80年代才有较大的发展，首先建立起了零电压开关ZVS （Zero Voltage Switch）和零电流开关ZCS（Zero Current Switch）的概念，其基本思路是使开关管的电压或电流与外部谐振回路产生谐振，从而使开关管可以在零电压状态导通或是在零电流状态下关断。
这种方法的困难在于保证开关管的零压或零流条件（不同输电压和不同负载条件入），为解决这一问题发展了准谐振变换器QRC（Quasi Resonant Converter）的技术，也有ZVS-QRC和ZCS-QRC两类。
谐振方式的变换器最突出的优点就是极大地降低了开关损耗，使变换器的工作频率提高到了MHz量级的水平，适合在一些对体积和重量要求极为严格的场合（比如飞行器）中使用。
开关电源软开关技术
§5.1 软开关旳基本概念 §5.2 软开关电路旳分类 §5.3 经典旳软开关电路
1
引言
➢ 开关电源旳发展趋势 ☼ 小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性也有很高要求。
➢ 电力电子装置高频化 ☼ 减小滤波器、变压器旳体积和重量，电力电子装置小 型化、轻量化。 ☼ 开关损耗增长，电路效率严重下降，电磁干扰增大。
关承受旳电压明显降低，电路能够采用开关频率固定旳
PWM控制方式。
Cr
S1
L
S
Lr
VD
Lr
L
S
S1
VD
Cr
a) 零电压开关PWM电路旳基本 b) 零电流开关PWM电路旳基 12
开关单元
本开关单元
5.2.3 零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振旳开始时刻，谐振电路与主开关并联。
零转换PWM电路可分为零电压转换PWM电路（ZVT PWM） 和零电流转换PWM电路（ZCT PWM）。
零电流开关准谐振电路 （Zero-Current-Switching
Lr
L
S
Cr
VD
Quasi-Resonant Converter—ZCS QRC）
b) 零电流开关准谐振电路旳基本开关单元
Cr1
零电压开关多谐振电路
Lr
L
（Zero-Voltage-Switch Multi-Redonant Converter—
零电压开通 开关开通前其两端电压为零,开通时不会产生损耗和 噪声。
零电流关断 开关关断前电流为零,关断时不会产生损耗和噪声。
一般简称零电压开关和零电流开关。零电压开通和 零电流关断主要依托电路中旳谐振来实现。
零电压关断 开关并联旳电容能延缓开关关断后电压上升旳速度， 降低开关损耗。
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开关损耗及软开关技术
概述
本文简单介绍了开关电路的常见形式，讲述了开关电路开通和截止的过程以及开关损耗产生的原因。
最后介绍了减少开关损耗的办法—软开关技术。
开关电路简介
开关是我们经常碰到的一种物品，如电灯的开关，电源的开关，电闸，继电器等。
现代电子电路中也经常会使用到开关电路。
只不过在电子电路中的开关与上面所提到的机械方式的开关不同,电子电路中的开关一般利用晶体管或场效应管的导通截止特性构成。
开关电路经常出现在电源，功率放大器，电机伺服，音视频切换等电路中。
下面举两个例子
开关电源中的开关管(Q)
D 类音频功率放大器中的开关管(M1,M2)
从上面两个例子可以看出在功率电子电路中是用的开关电路有以下两个特点
1、 开关管的负载都是感性负载(开关电源电路中的f L 和音频功放中的1L )
2、 都有相应的续流二极管(如开关电源电路中的D)
*在音频功放中的续流二极管实际上是功率场效应管的体二极管。
开关电路的开关过程及开关损耗
以开关电源电路中的开关电路为例介绍一下开关的过程。
在这里假定电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。
开通过程
下图描述了开关管开通时电压电流的关系，其中CE V 指得是开关管Q 发射极和集电极之间的电压，对场效应管就是源极(S)和漏极(D)之间的电压。
L I 是关断前电感流过的电流。
在0t 时刻开关管Q 开始流过电流，开关管逐渐开通。
在10~t t 时刻流过开关管Q 的电流逐渐增大，同时流过二极管D 的电流逐渐减小。
在此时刻Q 一直工作在放大状态，即流过开关管的电流的大小是由流过基极的电流大小决定的。
在1t 时刻开关管Q 流过了所有的L I ，这时流过二极管的电流为零。
但是由于二极管反向恢复时间的原因，二极管不会立即进入截止状态，而是要继续保持一段时间的导通。
在21~t t 时刻流过开关管的电流继续增大，Q 还是工作在放大状态。
二极管处于反向恢复期流过反向的电流。
在2t 时刻二极管的反向电流开始减小。
在此时刻流过开关管的电流已经不再由Q 基极电流的大小决定，所以在此时刻Q 工作在放大和饱和的临界状态。
在32~t t 时刻流过开关管的电流开始减小，同时开关管两端的电压也开始急剧下降，电压下降的速度主要取决于二极管的反向恢复过程。
在3t 时刻二极管完全截止。
在43~t t 时刻里开关管处于动态饱和区CE 端的压降受三极管本身的特性，积极驱动电流，和结温影响。
这里不再讨论。
关断过程
关断过程可以分成两部分
10~t t 时刻开关管逐渐退出饱和状态两端电压不断上升。
但是流过其中的电流大小没有明显变化。
21~t t 时刻开关管逐渐关断，而二极管逐渐导通。
在关断过程中开关管决定了电流和电压的变化率。
开关损耗
开关管在开通和关断过程中的损耗是在这两个过程中电压和电流曲线相交部分的面积，也就是开关管电压、电流不同时为零而导致的开关管的功耗。
开关损耗在计算的时候可以实际测量电压电流的波形并通过折线法近似求出，关于开关损耗的计算可以参考《功率晶体管和开关二极管的应用技巧》一书
减小开关损耗的方法和软开关技术
为了减小开关损耗可以减小开关过程所占用的时间，改善开关管的驱动技术、选用快恢复的二极管是可以考虑的方法。
在这里介绍另一种减少开关损耗的方法—软开关技术。
因为开关损耗的产生都是因为加在开关管两端的电压电流不同时为零，如果要消除开关损耗可以使开关管在其两端的电压电流两者之一或是同时为零的时候进行开关状态的转换。
这种方法就是软开关技术
通过软开关的方法减少开关损耗
实现软开关的方法有很多，在这里介绍一种称为零电压谐振开关的技术。
零电压开关的基本形式如下图所示:
零电压开关的基本形式
其基本思想是：1S 导通时r C 两端的电压为零，这样在1S 关断的时候就可以实现零电压关断；在关断期间利用r C 和r L 的谐振使1S 两端的电压变为零，这样在1S 开通的时候就可以实现零电压开通。
下面以开关电源中的开关电路为例介绍一下零电压谐振开关的工作过程
零电压开关准谐振变换器电路图
因为电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。
所以可以将电感f L 当成一个衡流源来分析。
下图表示了零电压开关准谐振变换器的主要波形
零电压开关准谐振变换器的主要波形
在0t 时刻之前开关管导通，电感f L 的电流全部流过开关管，电感r L 上没有电流流过。
0t 之前电流的分布
在0t 时刻开关管关断，因为电容r C 的存在，开关管两端的电压是缓慢上升的所以开关管是零电压开通。
10~t t 阶段是电容r C 的充电阶段，电容r C 两端的电压逐渐上升。
电路中的电流如下图所示流动。
10~t t 电容充电阶段
在1t 时刻电容两端的电压r c V 达到了输出电压o V 这时二极管1D 开始导通，电感r L 开始
流过电流。
21~t t 阶段是谐振阶段，电流如下图所示流动。
21~t t 谐振阶段
a t t 11~阶段流过r L 的电流小于流过f L 的电流，这时电容r C 继续充电。
在a t 1时刻流过r L 的电流等于流过f L 的电流，这时电容r C 停止充电。
21~t t a 时刻流过r L 的电流大于流过f L 的电流。
电容r C 放电。
在2t 时刻电容r C 的电压降为零伏。
但是电感r L 的电流还是大于流过f L 的电流，这时1Q D 导通。
32~t t 时刻电感持续放电。
当1Q D 导通时，开关管两端的压降可以认为零伏，这时开通开关管1Q 就实现了零电压开通。
电流如下图所示
32~t t 时刻电感放电
在3t 时刻电感电流降为零。
电路电流的分布又回到了0t 之前的状态。
总结
本文简单介绍了开关损耗的产生原因，及减小开关损耗的方法。
如果对该内容需要更深的了解的话可以参考相应的参考书目。
参考书目
《直流开关电源的软开关技术》 阮新波 严仰光
《功率晶体管和开关二极管的应用技巧》 [法]让·玛里·皮特 等。