软开关技术及其应用
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2
图7-23 极小输出时电压电流波形
1.极谐振逆变器的最小输出电压与PWM的 频率Fs 成正比，Fs 越高最小输出电压 U 0 min 也就越高，但是由于 t d 4 中包含有死区时 间 t ，因此最低输出电压不能小，即 Dmin 不能小 2. 最高输出电压U 0 max 与 Fs 成反比，当达 到最高极限时，U 0 Fs max U S , , 2 即 Dmax 0.5 ；
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7.2 谐振直流环节逆变器
7.2.1 谐振直流环节的基本原理 （二）有损耗的谐振槽路
图7-6 有损耗 的谐振 槽路
（a）一般电路 （b）等效电路 图7-3 谐振直流环节逆变器
（一）无损耗的谐振槽电路
图7-28 T2关断时C1C2恒流充放电过程
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7.4.2 副方二极管换流和导通比丢失问题 从工作过程分析可以看出，对于超 前桥臂开关实现零电压转换是很容 易的，因为超前桥臂开关转换时， 变压器副方的影响是有助于实现零 电压转换的，这时副方滤波电感折 算到原方，即副方负载电流也折算 到原方，使之转换时C1C2 的谐振充 放电过程变成了恒流充放电过程。 而滞后桥臂VT3 VT4转换时，由于副 方二极管换流，变压器副方通过二 极管给短路了，实现零电压转换的 谐振C3C4时，其谐振电感只有变压 器的原、副方漏感，因此谐振电感 的能量少，特别是当负载很轻，原 方ip很小时，有可能漏感贮存的能 量不够，实现的VT3 VT4零电压转换 就很困难了。
US 1 ( ) LC arctg 2 0 2 Z0 Im
（三）VD1导通箝位阶段
图7-14 VD1导通箝位阶段等效电路
Id L t US
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L sin ω0 t C
Z C I L0 2 U d 1 ( ) 1 sin( 0 t ) Ud
(a) 零电流型 (b) 零电压型
iC C duc L 2 2 cos(ω0t φ) ω0 C I L0 U d dt C
L 2 C 2 cos(ω0t φ) I L0 U d C L
友 http://bbs.elecfans.com 电子技术
（二）L、C谐振阶段 图713 谐 振阶 段的 电压 电流 波形 图7-12 谐振阶段的等效电路
Z0Im 2 u c U S 1 1 ( ) sin( 0 t ) US
Z0 I m U iC S 1 U cos( 0t ) Z0 S
图7-21 I0<0时，考虑C1、C2影响 的等效电路
为了保证开关器件VT1和VT2实现 零电压或零电流软开关操作的可靠性， 必须要保证开关转换瞬间电容电压一 定要过零。为此零电压操作必须要检 测电容电压，只有电容电压过零的时 图7-22 实现零电压转换的电容电压 刻才送并联开关的开通驱动信号，其 检测 逻辑电路如图7-22所示。
图74 无 损耗 的谐
uC U S
U S δ t e sin t U S e δ t cos t
U S 1 0 e δ t sin(t )
φ arctg ω ω δ arcsin arccos δ ω0 ω0
图77 衰 减振 荡波 形
t0 ~ t1 时间段：
US iL t I L1 L
t d 1 t1 t 0
t1 ~ t2 时间段：
t d 2 t 2 t1
L ( I 0 I L1 ) US
iL I L 2
2
LCr
US I0 Zr
2
L(C3 C4 )
1 2 r
C 2 U d cos(ω0 t φ) L
图7-2 谐振开关
零电流型开关（ZCT）
u c (t ) U d cos i L C 1 t U d cos 0 t LC
2 IL 0
duC U C CU d ( sin 0 t ) 0 U d sin 0 t d sin 0 t dt L Z0
2
2U S
t max
2
u C min
3 US 1 3 0 t ( ) LC arctg min 2 2 Z0 Im 0 http://www.elecfans.com/ 电子发烧
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1.超前桥臂VT1的关断过程 2. Vd2, VT4同时导通的续流阶段 3.滞后桥臂VT4关断的谐振过程
4. VT3 VT2同时导通，负半周传送功率阶段
图7-26全桥变换器主电路
5.超前桥臂VT2开关关断过程 6. VDrVT3同时导通的续流阶段 7. VT3关断，C3,C4,Lr的谐振充放电过程 8. VT1 VT4同时导通，正半周传输功率阶段
图7-24 单相交流电路拓扑
图7-25 ADRPI 三相交 流电路 拓扑
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7-4 移相控制软开关PWM变换器
（Phase-Shifted Soft-Transformation PWM Converter） 7.4.1 零电压转换的电路拓扑及工作过程
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7.3.4 电路参数研究
3.系统的PWM工作频率不能取高，因 为工作频率高造成输出电压下降和 输出电压的变化范围缩小 4。谐振频率 Fr与Fs 成正比，但由 于有死区时间的限制， Fr 不能高 即 Fs 不能高。最高的输出频率 FS max 1.222Fr = 2 Fr 7.3.5 ADRPI的应用电路
t2 ~ t3 时间段：
iL I 0 U S / Zr
t3 t 2 t d 3
U S U (t t 3 ) I 0 S L Zr
t3 ~ t4 时间段：
iL
t d 4 t 4 t3
L Zr
1 LCr L(C3 C4 ) http://www.elecfans.com/ 电子发烧 L / Cr r 友 http://bbs.elecfans.com 电子技术
7.3 极谐振型逆变器
谐振型软开关逆变器大致上可分为两类，一类称为DC环节谐振型逆变器，它的特点是 在原先硬开关电压源逆变器的逆变桥与直流电压源之前加入一个辅助谐振电路，使DC环节 电压产生谐振，周期性的为后面逆变桥开关提供零电压间隔。另一类称为极谐振型逆变器， 这一类逆变器的共同特点是，辅助谐振电路从逆变桥之前移到了逆变桥之后。
L
图7-17 ADRPI工作过程的等效电路
t4 ~ t5 时间段：
iL I 0 Cr du C 4 US I0 sin r t dt Zr
1 L(C3 C 4 ) CrL 2 r 2 2
td 5 t 5 t4
负载电流I0 <0的工作过程分析
t5 ~ t0 时间段：
图7-19 I0<0时的电感电流和输出电压 波形
图7-18 ADRPI负载时的电压电流波形
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7.3.3 零电压开关操作的实现
I0 0
I0 0
图7-20 I0 > 0时，考虑C1、C2影 响的等效电路
http://www.elecfans.com/ 电子发烧 友 http://bbs.elecfans.com 电子技术 图7-1 硬开关转换过程中的电压、电流波形和损耗
谐振软开关电路中，零电压和零电 流条件是由辅助的谐振电路所创造 的。
零电压型
uC (t ) U d (1 cosω0 t ) I L 0
US 1 2 arctg Z 0 I L 0 U S
Us 2t ' I http://www.elecfans.com/ e 电子发烧 1 LO 友 http://bbs.elecfans.com 电子技术 Z0
7.2.2 谐振直流环节逆变器电路分析
图7-9 一个谐振周期中的等效电路 （一）S1开通补充能量阶段
7.3.1 ADRPI无负载时的工作原理
图7-15 ADRPI原理电路 图7-16 ADRPI无负载时的工作波形
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7.3.2 ADRPI有负载电流时的工作原理
负载电流I0 >0的工作过程分析
2源自文库
2 du C U Z I 0 m iL I d iC I d C Id S 1 cos( 0t ) dt Z0 US
u C max
Z0Im U S 1 1 U S Z0Im U S 1 1 U S
振槽
uc (t ) U S (1 cosω0t )
1 ω LC
2 0
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（三）开关的作用
图7-8 补充损耗的谐振槽路
A2 U S
R C R ξ CL δ / ω0 2 L 2L
A1
I L0 1 I L0 CU Sδ 1 δ U S Cω ω C
Z 0 I L 0 ξU 1 ξ
2
S
uC U S A1e t sin t A2 e t cost
U S 1 e t
2 Z I /U S 0 L0 1 sin(t ) 1 2
图7-11 补充能量的电压电流波形
US iL t Id L
US t1 I d I d I m L US I m I L0 I d t1 L I L0
图7-10 补充能量阶段等效电路http://www.elecfans.com/ 电子发烧
第7章 软开关技术及其应用
7.1 概述
7.1.1 常规脉宽调制逆变器
所谓的硬开关转换或硬开关（HardSwitching transformation），因而存在如 下的缺点： ◤开关损耗大，限制了开关元件的工作频率◢ ◤方波工作方式，产生较大的电磁干扰，电路 存在着较大的动态电压、电流应力◢ ◤在开关过程中，要求开关元件有较大的安全 工作区 ◢ ◤桥式电路拓扑，存在着上、下桥臂直通短路 的问题 ◢
7.1.2 软开关技术及其基本思想
这种所谓的软开关转换其理论上 开关损耗为零
其软开关逆变器的优点如下：
1 振式软开关转换无开关损耗，工作 频率高； 2 电磁干扰，开关转换过程中动态应 力小； 3 电能转换效率高，无吸收电路，散 热器小； 4 上下桥臂直通短路问题不存在了。 在谐振直流环节的逆变器中，上下桥臂 直通成了一种合理的工作状态。
图7-23 极小输出时电压电流波形
1.极谐振逆变器的最小输出电压与PWM的 频率Fs 成正比，Fs 越高最小输出电压 U 0 min 也就越高，但是由于 t d 4 中包含有死区时 间 t ，因此最低输出电压不能小，即 Dmin 不能小 2. 最高输出电压U 0 max 与 Fs 成反比，当达 到最高极限时，U 0 Fs max U S , , 2 即 Dmax 0.5 ；
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7.2 谐振直流环节逆变器
7.2.1 谐振直流环节的基本原理 （二）有损耗的谐振槽路
图7-6 有损耗 的谐振 槽路
（a）一般电路 （b）等效电路 图7-3 谐振直流环节逆变器
（一）无损耗的谐振槽电路
图7-28 T2关断时C1C2恒流充放电过程
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7.4.2 副方二极管换流和导通比丢失问题 从工作过程分析可以看出，对于超 前桥臂开关实现零电压转换是很容 易的，因为超前桥臂开关转换时， 变压器副方的影响是有助于实现零 电压转换的，这时副方滤波电感折 算到原方，即副方负载电流也折算 到原方，使之转换时C1C2 的谐振充 放电过程变成了恒流充放电过程。 而滞后桥臂VT3 VT4转换时，由于副 方二极管换流，变压器副方通过二 极管给短路了，实现零电压转换的 谐振C3C4时，其谐振电感只有变压 器的原、副方漏感，因此谐振电感 的能量少，特别是当负载很轻，原 方ip很小时，有可能漏感贮存的能 量不够，实现的VT3 VT4零电压转换 就很困难了。
US 1 ( ) LC arctg 2 0 2 Z0 Im
（三）VD1导通箝位阶段
图7-14 VD1导通箝位阶段等效电路
Id L t US
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L sin ω0 t C
Z C I L0 2 U d 1 ( ) 1 sin( 0 t ) Ud
(a) 零电流型 (b) 零电压型
iC C duc L 2 2 cos(ω0t φ) ω0 C I L0 U d dt C
L 2 C 2 cos(ω0t φ) I L0 U d C L
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（二）L、C谐振阶段 图713 谐 振阶 段的 电压 电流 波形 图7-12 谐振阶段的等效电路
Z0Im 2 u c U S 1 1 ( ) sin( 0 t ) US
Z0 I m U iC S 1 U cos( 0t ) Z0 S
图7-21 I0<0时，考虑C1、C2影响 的等效电路
为了保证开关器件VT1和VT2实现 零电压或零电流软开关操作的可靠性， 必须要保证开关转换瞬间电容电压一 定要过零。为此零电压操作必须要检 测电容电压，只有电容电压过零的时 图7-22 实现零电压转换的电容电压 刻才送并联开关的开通驱动信号，其 检测 逻辑电路如图7-22所示。
图74 无 损耗 的谐
uC U S
U S δ t e sin t U S e δ t cos t
U S 1 0 e δ t sin(t )
φ arctg ω ω δ arcsin arccos δ ω0 ω0
图77 衰 减振 荡波 形
t0 ~ t1 时间段：
US iL t I L1 L
t d 1 t1 t 0
t1 ~ t2 时间段：
t d 2 t 2 t1
L ( I 0 I L1 ) US
iL I L 2
2
LCr
US I0 Zr
2
L(C3 C4 )
1 2 r
C 2 U d cos(ω0 t φ) L
图7-2 谐振开关
零电流型开关（ZCT）
u c (t ) U d cos i L C 1 t U d cos 0 t LC
2 IL 0
duC U C CU d ( sin 0 t ) 0 U d sin 0 t d sin 0 t dt L Z0
2
2U S
t max
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u C min
3 US 1 3 0 t ( ) LC arctg min 2 2 Z0 Im 0 http://www.elecfans.com/ 电子发烧
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1.超前桥臂VT1的关断过程 2. Vd2, VT4同时导通的续流阶段 3.滞后桥臂VT4关断的谐振过程
4. VT3 VT2同时导通，负半周传送功率阶段
图7-26全桥变换器主电路
5.超前桥臂VT2开关关断过程 6. VDrVT3同时导通的续流阶段 7. VT3关断，C3,C4,Lr的谐振充放电过程 8. VT1 VT4同时导通，正半周传输功率阶段
图7-24 单相交流电路拓扑
图7-25 ADRPI 三相交 流电路 拓扑
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7-4 移相控制软开关PWM变换器
（Phase-Shifted Soft-Transformation PWM Converter） 7.4.1 零电压转换的电路拓扑及工作过程
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7.3.4 电路参数研究
3.系统的PWM工作频率不能取高，因 为工作频率高造成输出电压下降和 输出电压的变化范围缩小 4。谐振频率 Fr与Fs 成正比，但由 于有死区时间的限制， Fr 不能高 即 Fs 不能高。最高的输出频率 FS max 1.222Fr = 2 Fr 7.3.5 ADRPI的应用电路
t2 ~ t3 时间段：
iL I 0 U S / Zr
t3 t 2 t d 3
U S U (t t 3 ) I 0 S L Zr
t3 ~ t4 时间段：
iL
t d 4 t 4 t3
L Zr
1 LCr L(C3 C4 ) http://www.elecfans.com/ 电子发烧 L / Cr r 友 http://bbs.elecfans.com 电子技术
7.3 极谐振型逆变器
谐振型软开关逆变器大致上可分为两类，一类称为DC环节谐振型逆变器，它的特点是 在原先硬开关电压源逆变器的逆变桥与直流电压源之前加入一个辅助谐振电路，使DC环节 电压产生谐振，周期性的为后面逆变桥开关提供零电压间隔。另一类称为极谐振型逆变器， 这一类逆变器的共同特点是，辅助谐振电路从逆变桥之前移到了逆变桥之后。
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图7-17 ADRPI工作过程的等效电路
t4 ~ t5 时间段：
iL I 0 Cr du C 4 US I0 sin r t dt Zr
1 L(C3 C 4 ) CrL 2 r 2 2
td 5 t 5 t4
负载电流I0 <0的工作过程分析
t5 ~ t0 时间段：
图7-19 I0<0时的电感电流和输出电压 波形
图7-18 ADRPI负载时的电压电流波形
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7.3.3 零电压开关操作的实现
I0 0
I0 0
图7-20 I0 > 0时，考虑C1、C2影 响的等效电路
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谐振软开关电路中，零电压和零电 流条件是由辅助的谐振电路所创造 的。
零电压型
uC (t ) U d (1 cosω0 t ) I L 0
US 1 2 arctg Z 0 I L 0 U S
Us 2t ' I http://www.elecfans.com/ e 电子发烧 1 LO 友 http://bbs.elecfans.com 电子技术 Z0
7.2.2 谐振直流环节逆变器电路分析
图7-9 一个谐振周期中的等效电路 （一）S1开通补充能量阶段
7.3.1 ADRPI无负载时的工作原理
图7-15 ADRPI原理电路 图7-16 ADRPI无负载时的工作波形
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7.3.2 ADRPI有负载电流时的工作原理
负载电流I0 >0的工作过程分析
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u C max
Z0Im U S 1 1 U S Z0Im U S 1 1 U S
振槽
uc (t ) U S (1 cosω0t )
1 ω LC
2 0
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（三）开关的作用
图7-8 补充损耗的谐振槽路
A2 U S
R C R ξ CL δ / ω0 2 L 2L
A1
I L0 1 I L0 CU Sδ 1 δ U S Cω ω C
Z 0 I L 0 ξU 1 ξ
2
S
uC U S A1e t sin t A2 e t cost
U S 1 e t
2 Z I /U S 0 L0 1 sin(t ) 1 2
图7-11 补充能量的电压电流波形
US iL t Id L
US t1 I d I d I m L US I m I L0 I d t1 L I L0
图7-10 补充能量阶段等效电路http://www.elecfans.com/ 电子发烧
第7章 软开关技术及其应用
7.1 概述
7.1.1 常规脉宽调制逆变器
所谓的硬开关转换或硬开关（HardSwitching transformation），因而存在如 下的缺点： ◤开关损耗大，限制了开关元件的工作频率◢ ◤方波工作方式，产生较大的电磁干扰，电路 存在着较大的动态电压、电流应力◢ ◤在开关过程中，要求开关元件有较大的安全 工作区 ◢ ◤桥式电路拓扑，存在着上、下桥臂直通短路 的问题 ◢
7.1.2 软开关技术及其基本思想
这种所谓的软开关转换其理论上 开关损耗为零
其软开关逆变器的优点如下：
1 振式软开关转换无开关损耗，工作 频率高； 2 电磁干扰，开关转换过程中动态应 力小； 3 电能转换效率高，无吸收电路，散 热器小； 4 上下桥臂直通短路问题不存在了。 在谐振直流环节的逆变器中，上下桥臂 直通成了一种合理的工作状态。