软开关的概念
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
全可靠工作。
负载串联电压谐振逆变器ansoft仿真
T1
D1
C1
C
T2
D2
C2
母线电流测量
R L
图1 负载谐振逆变器主电路Fig1 Series Load
Resonant inverter Power man circuit
半桥负载串联谐振逆 变器主电路如图1所示。
三相交流电源经三相
桥整流，电容滤波后，
2）零电压开通：在开关管开通前， 便其电压下降到零。从图8-2（b） 可以看出，开通损耗基本减小到零。
3）同时做到零电流开通和零电压开 通，在这种情况下，开通损耗为零。 这种情况最为理想。
图8-2 零电流开通和关断
软开关的关断几种方法 1）零电流关断：在开关管关断前，使其电流减小到
零。 2）零电压关断：在开关管关断时，使其电压保持在
1 Crs
1 LrCrs2
1 (s )2
r
j
jCrs
jCrs
1
1
js
1
Cr (s
)2
j s C eq
r
其中Vs1 为方波电压基波分量的幅值，Ud 为方波电压的幅值，在这种情况下谐振槽路电 流iLr 与方波电压同相，因此可以利用电路的谐振特性来滤除谐波。
2 电压型串联谐振式逆变器
半桥电路如图8-8所示，当电路工作频率大于谐振频率时，电压超前 电流相位，回路负载特性呈现感性，设某一时刻，开关管S1处于导通 状态，负载中流过电流（如图8-8中实现表示）
S
S
D
D
Cr
D
Cr 2
a零电压开关准谐振电路；b零电流开关准谐振电路；c零电压开关多谐振电路 图 8-3 准谐振电路的基本开关单元
为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随 负载变化而变化（或基本不变），谐振、准谐振 和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调 频系统。调频系统不如PWM开关变换器那样容易 控制，这是因为调频系统是依靠L、C振荡使得电 路产生谐振和准谐振的，功率器件所受的电压与 电流的应力都要比相应的硬开关PWM变换电路功 率器件承受的压力大，并且该应力随电路的Q值 和负载变化而变化。调频系统是依靠改变开关频 率来改变变换器的输出，开关频率大范围变化使 得滤波器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制， 而且由于调频来调节输出，负载变化大时，相应 的电压和电流调节范围比相应PWM变换电路窄， 超前一定范围后，变换电路不能达到零电压或零 电流开关条件。
抗R，其导纳为
iLr
Lr
Cr
us
R
图8-6 串联谐振电路
定义串联谐振电路的品质因数为
由于谐振时Y (s) 1 ，因此谐振时负载R R
上的电压等于电源电压，s 是输入正弦电源的频
率，谐振时s r ，
jLrs (1
s
1 r
2
)
Lrs (1
s
j
1 r
2
)
Lrs
j
Lr
r2 s
Lrs
b）准谐振变换器(Quasi-resonant converters, QRCs)；它是最早出现的软开关电路。其特点是 谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程 参与。无论是串联LC或并联LC都会产生准谐振， 利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电 流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流 的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振 变换器。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变 换器(Zero-current-switching Quasi-resonant converters, ZCS-QRCs)和零电压开关准谐振变 换器(Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS-QRCs)。
Cr L
S
S1
Lr
D1
D
S S1
Lr Cr D1
L D
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8-5 零转换PWM电路的基本开关单元
返回
8.3谐振电路
1 串联谐振电路：
串联谐振槽路如图8-6所示，其中是谐振电
感Lr，是谐振电容Cr，谐振电感存在等效阻
得到约520V左右的直
流电源，此直流即为 AC 电压型串联谐振式逆
变器的电源。谐振电
容为
，C1 谐 C2振电感
为L，电阻为R。
L、C1+C2和R构成了 串联谐振电路。
L C R
565.00
2DGraphCon1
0
(T2.V)... R_Loa...
-565.00 499.00m 499.20m
c）多谐振变换器(Multi-resonant converters, MRCs)：其特点是谐振元件参与能量变换的某一 个阶段，不是全程参与。多谐振变换器的谐振回 路、参数可以超过两个、三个或更多，称为多谐 振变换器。准谐振/多谐振单元与主开关的关系如
图8-3所示。
Cr
Lrwk.baidu.com
L
Lr
L
Cr1
Lr
L
S
第8章 软开关的概念
8.1软开关的概念 8.2软开关技术的实现及其类型 8.3谐振电路 8.4准谐振和多谐振变换器 8.5软开关的PWM技术 8.6 零电压/电流转换PWM变换器
返回
软开关的开通有以下几种方法
1）零电流开通：在开关管开通时， 使其电流保持在零，或者限制电流 的上升率，从而减小电流与电压的 交叠区。从图8-2（a）可以看出， 由于电流下降时间的提前，大大减 少了电压与电流的重叠区间，因而 开通损耗大大减小。
2DGraphCon1
0
(T2.V)... R_Loa...
-565.00 99.00m
99.20m
99.50m
小于谐振频率时负载电压和电流
小于谐振频率时： T1电流 及反并联二极管电流
332.00
200.00
100.00 -2.00 99.00m
T1.I [A] D07.I [A]
99.20m99.30m 99.50m
小于谐振频率时： T2电流 及反并联二极管电流
332.00
200.00
100.00 -2.00 99.00m
T2.I [A] D08.I [A]
99.20m99.30m 99.50m
小于谐振时 C1上电压
1.94k 1.00k
0
C1.V [V]
-1.40k 99.00m
99.20m99.30m
99.50m
Cr
S
S1 L
Lr D
Lr
L
S
D
Cr
S1
a）零电压开关PWM电路的基本开关单元 b）零电流开关PWM电路的基本开关单元
图8-4 零开关PWM电路的基本开关单元
3）零转换PWM变换器(Zero-transition-converters)
零转换－PWM变换器与零开关－PWM变换器并无本质上 的差别，也是软开关与PWM的结合。采用辅助开关控制 谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。它可分 为零电压转换PWM变换器(Zero-voltage-transition PWM converters, ZVT PWM converters)和零电流开关 PWM变换器(Zero-current-transition PWM converters, ZVT PWM converters)。这类变换器是软开关技术的又 一个飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助 谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关 管的软开关，在其它时间则停止工作，这样辅助谐振电路 的损耗很小。其拓扑结构特点是谐振元件从能量交换主通 道移开，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。
2 ） 零 开 关 PWM 变 换 器 (Zero-switching-PWMconverters)
分 为 零 电 压 开 关 PWM 变 换 器 (Zero-voltage-switching PWM converters，ZVS PWM)和零电流开关PWM变换 器 (Zero-current-switching PWM converters ， ZCSPWM)。该类变换器是在准谐振/多谐振变换器的基础上， 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，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。 这样，变换器既有电压过零（或电流过零）控制的软开关 特点，又有PWM恒频调宽的特点。这时谐振网络中的电 感是与主开关串联的。与准谐振/多谐振变换器不同的是， 谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开 关周期的1/10~1/5，电压和电流基本上是方波，只是上 升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低；电路可以 采用开关频率固定的PWM控制方式。
小于谐振时 C2上电压
1.94k 1.00k
0
C2.V [V]
-1.40k 99.00m
99.20m99.30m
99.50m
158.00 100.00
50.00 0
-50.00 -94.00
39.00m
130.00
50.00 0
-50.00 -94.00
39.00m
二极管D1导通后，S1实际上已不起作用，当S1关断，S2导通时，D1 将承受反向电压而强迫关断，关断过程中D1将产生较大的反向恢复 电流，此恢复电流将通过D1、S2使电源短路，从而危及IGBT。当S2 导通末期，电流再次提前反向，D2续流，此时如果S1导通，D2将承 受反向电压而强迫关断，二极管D2反向恢复电流和S2使电源短路。
零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压 的交叠区。 3）同时做到零电流关断和零电压关断，在这种情况 下，关断损耗为零。
返回
8.2软开关技术的实现及其类型
从谐振角度看，所谓谐振变换器或逆变器 至少包含有一个谐振回路，谐振回路至少 包含一个电感和一个电容，谐振电路的阶 数决定于所包含的独立的储能元件数目。 以谐振类型划分，软开关变换器有谐振型 变换器、多谐振/准谐振变换器、零开关 PWM变换器、零转换PWM变换器等；从 拓扑结构上看，有电流型软开关变换器、 电压型软开关变换器。
1）谐振型变换器 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按
正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断 的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变 换器。它又可以分为全谐振型变换器、准谐振变 换器和多谐振变换器三种类型。 a）全谐振型变换器：一般称之为谐振变换器 (Resonant converters)。该类变换器实际上是负 载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分 为串联谐振变换器(Series resonant converters, SRCs) 和 并 联 谐 振 变 换 器 (Parallel resonant converters, PRCs)两类。在谐振变换器中，谐振 元件一直谐振工作，参与谐振工作的全过程。该 变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感， 一般采用频率调制方法。
1
C
L
B
C
D1 R
2
D2
S1 4 G1
5 GN DH
S2 6 G2
7 GN DL
3
图8-8 感性负载时的工作过程
当S1关断时，由于电感的储能作用，将通过二极管D2续流，如图8-8 所示。由于D2续流，IGBT（S2）EC之间的电压仅为二极管正向导通 压降，S1承受电源电压，死区时间结束后，开通S2、D2承受反向电 压而关断，如果能够正好在续流结束之前开通S2，则实现了零电压开 通，二极管D2实现零电流关断。
通过上面分析可以看出，当电路工作于容性状态时，IGBT的交替导通， 由于二极管反向恢复电流较大，IGBT损耗较大，不适合频繁起动的工 作场合，容易导致IGBT的损坏。当电路工作于感性状态时，IGBT可 以实现零电压导通，开关损耗取决于电流滞后的角度。
因此，要让谐振回路工作于略感性负载的准谐振状态，保证电路的安
1
C
L
B
C
D1 R
2
D2
S1 4 G1
5 GN DH
S2 6 G2
7 GN DL
3
图8-9 容性负载时的工作过程
2
3
4
当电路工作频率小于谐振频率时，电流超前电压相位，回路负载特性 呈现容性，设某一时刻，开关管S1处于导通状态，负载中流过电流 （图8-9中用实线表示），由于电流超前电压相位，因此在S1仍导通 时电流首先过零，之后电流通过二极管D1反向流通（图8-9中用虚线 表示），如图8-9中所示。
499.50m
谐振时负载电流和电压
1.94k 1.00k
0
C1.V [V]
-1.40k 499.00m 499.20m
499.50m
谐振时C1上电压：
Q 0 L2 1 6 0 0 0 4 9 .4 7 1 0 6 4 .9 7
R
1
V c0L*U 4.974001940 V
R
565.00
负载串联电压谐振逆变器ansoft仿真
T1
D1
C1
C
T2
D2
C2
母线电流测量
R L
图1 负载谐振逆变器主电路Fig1 Series Load
Resonant inverter Power man circuit
半桥负载串联谐振逆 变器主电路如图1所示。
三相交流电源经三相
桥整流，电容滤波后，
2）零电压开通：在开关管开通前， 便其电压下降到零。从图8-2（b） 可以看出，开通损耗基本减小到零。
3）同时做到零电流开通和零电压开 通，在这种情况下，开通损耗为零。 这种情况最为理想。
图8-2 零电流开通和关断
软开关的关断几种方法 1）零电流关断：在开关管关断前，使其电流减小到
零。 2）零电压关断：在开关管关断时，使其电压保持在
1 Crs
1 LrCrs2
1 (s )2
r
j
jCrs
jCrs
1
1
js
1
Cr (s
)2
j s C eq
r
其中Vs1 为方波电压基波分量的幅值，Ud 为方波电压的幅值，在这种情况下谐振槽路电 流iLr 与方波电压同相，因此可以利用电路的谐振特性来滤除谐波。
2 电压型串联谐振式逆变器
半桥电路如图8-8所示，当电路工作频率大于谐振频率时，电压超前 电流相位，回路负载特性呈现感性，设某一时刻，开关管S1处于导通 状态，负载中流过电流（如图8-8中实现表示）
S
S
D
D
Cr
D
Cr 2
a零电压开关准谐振电路；b零电流开关准谐振电路；c零电压开关多谐振电路 图 8-3 准谐振电路的基本开关单元
为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随 负载变化而变化（或基本不变），谐振、准谐振 和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调 频系统。调频系统不如PWM开关变换器那样容易 控制，这是因为调频系统是依靠L、C振荡使得电 路产生谐振和准谐振的，功率器件所受的电压与 电流的应力都要比相应的硬开关PWM变换电路功 率器件承受的压力大，并且该应力随电路的Q值 和负载变化而变化。调频系统是依靠改变开关频 率来改变变换器的输出，开关频率大范围变化使 得滤波器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制， 而且由于调频来调节输出，负载变化大时，相应 的电压和电流调节范围比相应PWM变换电路窄， 超前一定范围后，变换电路不能达到零电压或零 电流开关条件。
抗R，其导纳为
iLr
Lr
Cr
us
R
图8-6 串联谐振电路
定义串联谐振电路的品质因数为
由于谐振时Y (s) 1 ，因此谐振时负载R R
上的电压等于电源电压，s 是输入正弦电源的频
率，谐振时s r ，
jLrs (1
s
1 r
2
)
Lrs (1
s
j
1 r
2
)
Lrs
j
Lr
r2 s
Lrs
b）准谐振变换器(Quasi-resonant converters, QRCs)；它是最早出现的软开关电路。其特点是 谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程 参与。无论是串联LC或并联LC都会产生准谐振， 利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电 流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流 的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振 变换器。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变 换器(Zero-current-switching Quasi-resonant converters, ZCS-QRCs)和零电压开关准谐振变 换器(Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS-QRCs)。
Cr L
S
S1
Lr
D1
D
S S1
Lr Cr D1
L D
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8-5 零转换PWM电路的基本开关单元
返回
8.3谐振电路
1 串联谐振电路：
串联谐振槽路如图8-6所示，其中是谐振电
感Lr，是谐振电容Cr，谐振电感存在等效阻
得到约520V左右的直
流电源，此直流即为 AC 电压型串联谐振式逆
变器的电源。谐振电
容为
，C1 谐 C2振电感
为L，电阻为R。
L、C1+C2和R构成了 串联谐振电路。
L C R
565.00
2DGraphCon1
0
(T2.V)... R_Loa...
-565.00 499.00m 499.20m
c）多谐振变换器(Multi-resonant converters, MRCs)：其特点是谐振元件参与能量变换的某一 个阶段，不是全程参与。多谐振变换器的谐振回 路、参数可以超过两个、三个或更多，称为多谐 振变换器。准谐振/多谐振单元与主开关的关系如
图8-3所示。
Cr
Lrwk.baidu.com
L
Lr
L
Cr1
Lr
L
S
第8章 软开关的概念
8.1软开关的概念 8.2软开关技术的实现及其类型 8.3谐振电路 8.4准谐振和多谐振变换器 8.5软开关的PWM技术 8.6 零电压/电流转换PWM变换器
返回
软开关的开通有以下几种方法
1）零电流开通：在开关管开通时， 使其电流保持在零，或者限制电流 的上升率，从而减小电流与电压的 交叠区。从图8-2（a）可以看出， 由于电流下降时间的提前，大大减 少了电压与电流的重叠区间，因而 开通损耗大大减小。
2DGraphCon1
0
(T2.V)... R_Loa...
-565.00 99.00m
99.20m
99.50m
小于谐振频率时负载电压和电流
小于谐振频率时： T1电流 及反并联二极管电流
332.00
200.00
100.00 -2.00 99.00m
T1.I [A] D07.I [A]
99.20m99.30m 99.50m
小于谐振频率时： T2电流 及反并联二极管电流
332.00
200.00
100.00 -2.00 99.00m
T2.I [A] D08.I [A]
99.20m99.30m 99.50m
小于谐振时 C1上电压
1.94k 1.00k
0
C1.V [V]
-1.40k 99.00m
99.20m99.30m
99.50m
Cr
S
S1 L
Lr D
Lr
L
S
D
Cr
S1
a）零电压开关PWM电路的基本开关单元 b）零电流开关PWM电路的基本开关单元
图8-4 零开关PWM电路的基本开关单元
3）零转换PWM变换器(Zero-transition-converters)
零转换－PWM变换器与零开关－PWM变换器并无本质上 的差别，也是软开关与PWM的结合。采用辅助开关控制 谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。它可分 为零电压转换PWM变换器(Zero-voltage-transition PWM converters, ZVT PWM converters)和零电流开关 PWM变换器(Zero-current-transition PWM converters, ZVT PWM converters)。这类变换器是软开关技术的又 一个飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助 谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关 管的软开关，在其它时间则停止工作，这样辅助谐振电路 的损耗很小。其拓扑结构特点是谐振元件从能量交换主通 道移开，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。
2 ） 零 开 关 PWM 变 换 器 (Zero-switching-PWMconverters)
分 为 零 电 压 开 关 PWM 变 换 器 (Zero-voltage-switching PWM converters，ZVS PWM)和零电流开关PWM变换 器 (Zero-current-switching PWM converters ， ZCSPWM)。该类变换器是在准谐振/多谐振变换器的基础上， 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，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。 这样，变换器既有电压过零（或电流过零）控制的软开关 特点，又有PWM恒频调宽的特点。这时谐振网络中的电 感是与主开关串联的。与准谐振/多谐振变换器不同的是， 谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开 关周期的1/10~1/5，电压和电流基本上是方波，只是上 升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低；电路可以 采用开关频率固定的PWM控制方式。
小于谐振时 C2上电压
1.94k 1.00k
0
C2.V [V]
-1.40k 99.00m
99.20m99.30m
99.50m
158.00 100.00
50.00 0
-50.00 -94.00
39.00m
130.00
50.00 0
-50.00 -94.00
39.00m
二极管D1导通后，S1实际上已不起作用，当S1关断，S2导通时，D1 将承受反向电压而强迫关断，关断过程中D1将产生较大的反向恢复 电流，此恢复电流将通过D1、S2使电源短路，从而危及IGBT。当S2 导通末期，电流再次提前反向，D2续流，此时如果S1导通，D2将承 受反向电压而强迫关断，二极管D2反向恢复电流和S2使电源短路。
零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压 的交叠区。 3）同时做到零电流关断和零电压关断，在这种情况 下，关断损耗为零。
返回
8.2软开关技术的实现及其类型
从谐振角度看，所谓谐振变换器或逆变器 至少包含有一个谐振回路，谐振回路至少 包含一个电感和一个电容，谐振电路的阶 数决定于所包含的独立的储能元件数目。 以谐振类型划分，软开关变换器有谐振型 变换器、多谐振/准谐振变换器、零开关 PWM变换器、零转换PWM变换器等；从 拓扑结构上看，有电流型软开关变换器、 电压型软开关变换器。
1）谐振型变换器 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按
正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断 的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变 换器。它又可以分为全谐振型变换器、准谐振变 换器和多谐振变换器三种类型。 a）全谐振型变换器：一般称之为谐振变换器 (Resonant converters)。该类变换器实际上是负 载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分 为串联谐振变换器(Series resonant converters, SRCs) 和 并 联 谐 振 变 换 器 (Parallel resonant converters, PRCs)两类。在谐振变换器中，谐振 元件一直谐振工作，参与谐振工作的全过程。该 变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感， 一般采用频率调制方法。
1
C
L
B
C
D1 R
2
D2
S1 4 G1
5 GN DH
S2 6 G2
7 GN DL
3
图8-8 感性负载时的工作过程
当S1关断时，由于电感的储能作用，将通过二极管D2续流，如图8-8 所示。由于D2续流，IGBT（S2）EC之间的电压仅为二极管正向导通 压降，S1承受电源电压，死区时间结束后，开通S2、D2承受反向电 压而关断，如果能够正好在续流结束之前开通S2，则实现了零电压开 通，二极管D2实现零电流关断。
通过上面分析可以看出，当电路工作于容性状态时，IGBT的交替导通， 由于二极管反向恢复电流较大，IGBT损耗较大，不适合频繁起动的工 作场合，容易导致IGBT的损坏。当电路工作于感性状态时，IGBT可 以实现零电压导通，开关损耗取决于电流滞后的角度。
因此，要让谐振回路工作于略感性负载的准谐振状态，保证电路的安
1
C
L
B
C
D1 R
2
D2
S1 4 G1
5 GN DH
S2 6 G2
7 GN DL
3
图8-9 容性负载时的工作过程
2
3
4
当电路工作频率小于谐振频率时，电流超前电压相位，回路负载特性 呈现容性，设某一时刻，开关管S1处于导通状态，负载中流过电流 （图8-9中用实线表示），由于电流超前电压相位，因此在S1仍导通 时电流首先过零，之后电流通过二极管D1反向流通（图8-9中用虚线 表示），如图8-9中所示。
499.50m
谐振时负载电流和电压
1.94k 1.00k
0
C1.V [V]
-1.40k 499.00m 499.20m
499.50m
谐振时C1上电压：
Q 0 L2 1 6 0 0 0 4 9 .4 7 1 0 6 4 .9 7
R
1
V c0L*U 4.974001940 V
R
565.00