[电力电子技术(第4版)][王云亮 (6)[57页]

电力电子技术（第4版）电子工业出版社王云亮主编

第6章谐振开关电路

6.1引言

新型的电力电子装置要求体积小、质量小、效率高具有良好的电磁兼容性，而决定装置体积、质量、效率的因素通常取决于滤波电感、电容和变压器的体积及质量。解决这些问题的主要途径就是提高器件的开关频率。但是，提高器件的开关频率会增加开关损耗和电磁干扰，开关的转换效率也会下降，而且器件的开关频率也是受限制的。因此，不能仅仅简单地提高开关频率谐振开关技术是以谐振辅助换流方式来解决开关损耗问题的，提高了器件的开关频率，减小了装置的体积，提高了效率。谐振开关模式也称软开关模式。

6.2开关模式与谐振变换器分类

6.2.1硬开关模式和谐振开关模式

电力电子器件在开关过程中同时存在着较高的电压和电流，导致较大的开关损耗；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现明显的过冲，产牛开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，最终阻碍开关频率的进一步提高。

开关模式下器件的端电压、电流和功率损耗的波形

为降低器件的开关损耗，通常加入RCD缓冲电路。加入缓冲电路后减少了器件的开关损耗。但实际上，总的损耗并没有降低，只是器件的部分损耗转移到缓冲电路中了。

不同开关模式下在开关过程中器件的电压电流的轨迹曲线

谐振开关变换器中的开关器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，改善了开关器件在导通和关断过程的工作条件，因此显著地降低了器件的开关损耗，可以提高了器件的开关频率。图给出了在谐振开关模式下器件的电压电流的轨迹曲线。

谐振开关技术可以使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高电力电子器件的开关频率，提高装置的效率和减少体积。目前数兆赫的谐振开关电源已经问世，功率密度可达每立方英寸30-50W，效率大于80％。

6.2.2谐振开关变换器的分类

根据拓扑结构和谐振开关方法将谐振变换器划分为如下几种变换器模式。

1.负载谐振变换器

谐振电路既可采用串联L-C谐振电路，也可采用并联L-C谐振电路。通过L-C的谐振，使变换器的开关在零电压与/或零电流时通断。通过控制谐振电路的阻抗控制流向负载的功率，故称之为负载谐振变换器。

2.准谐振开关变换器

L-C谐振能够提供给变换器上的电力电子器件合适的开关电压与电流波形，使器件在零电压与／或零电流下通断。准谐振式变换器主要分为零电流开关(ZCS)准谐振变换器和零电压开关(ZVS)准谐振变换器

3.零开关PWM变换器

零开关PWM变换器在准谐振变换器上加入一个辅助开关管控制谐振过程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使主开关管在零电压导通或零电流关断。由于可以控制谐振电路的工作时刻，因此变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。

4.谐振直流环逆变器

是一个幅值固定的直在常规的开关型PWM直流-交流逆变器中，逆变器输入电压U

d

流电。在谐振直流环逆变器中，在输入直流电源和逆变器之间加入谐振电路，利用L-C

形成振荡，使逆变器输入电压在某限定时间内为零，在谐振使逆变器的输入电压围绕U

d

这段时间内控制电力电子器件通断的状态，从而实现了零电压通断。

6.3 准谐振开关变换器

6.3.1 零电流开关准谐振变换器

零电流开关准谐振Buck 变换器(ZCS-QRC)有L 型和M 型2种，在L 型准谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“半波模式”，其电路如图(a)所示；若开关器件允许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模式”，其电路如图(b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电容C r 与二极管VD 并联，而谐振电感L r 与开关管串联。

在T 0时刻以前，开关管VT 处于关断状态，输出滤波电感L 与二极管VD 构成续流通道，流过负载电流I o 。谐振电感L r 中的电流为0，谐振电容C r 电压也为0。

1.电感充电阶段[T 0，T 1]

在t ＝T 0时刻，开关管VT 导通，VT 上的电压迅速下降到零后，谐振电感中的电流开始按直线上升，直到t =T 1。等值电路如图(c)所示。

2. 谐振阶段[T1，T2]

在t＝T

1时，谐振电感L

r

中的电流i

Lr

＝I

o

，二极管VD在零电压下关断。L

r

和

C r进入谐振状态，L r中的电流i Lr继续增加，谐振电容C r的充电电流是(i Lr-I o)。当L r电流下降到i

Lr

<I o时，C r放电，放电电流逐渐增大，而i Lr仍逐渐减少。等值电路如图(d)所示。

3.电容放电阶段[T2，T3]

对于半波工作模式，在t＝T

2时，i

Lr

＝0，开关管VT自然关断，这时谐振电容C

r

通过负载放电，并维持放电电流为I

o ，因此C

r

上的电压线性下降。在t＝T

3

之后，电容

电压下降到零。等值电路如图(e)所示。

4. 续流阶段[T3，T4]

在t＝T

3时刻，谐振电容C

r

上的电压下降到零，续流二极管VD在零电压下导通，

负载电流I

o

通过二极管VD续流。等值电路如图(f)所示。

L型零电流开关准谐振变换器半波模式的工作波形如图所示。

在ZCS中，要求开关通过一个比负载电

流I

o 大U

d

/Z r的峰值电流。开关在零电流时

自然关断，负载电流I

o 不应超过U

d

/Z r。以

这里有一个限制，即负载电阻可以低到什么程度的问题。

通过与开关反并联一个二极管，可使输出电压对于负裁变化不再那么敏感。