PWM软开关电路剖析
低脉动软开关PWM逆变器的参数设计及分析
图 １ 钳 位 型软 开 关 逆变 器 电 路 结 构
关断 时 （０时 刻 ）， １ ＶＴ ｔ ＶＴ 、 ２触 发 导 通 ， 、 １ 过 ＬＣ 通
ＶＴｌＶＴ 谐 振 ， 、 ２ 当谐 振 电 流 下 降 到 一 定 程 度 时 （ ｌ ｔ
时刻 ）零 电压关 断 ＶＴ ， Ｃ继 续谐 振 ， ， ２Ｌ、 Ｃ两端 电压
ｆ１ 一ｆ ＋ Ｉ ｌ ｆｌｍ ｃ＝ ｄ Ｌ ≤ （ ） ｃ
一 Ｕｄ
收稿 日期 ：０ １ ８—１ ２ ０ —０ ０ 定稿 日期 ：０ １ ０—２ ２ ０ —１ ９ 作者 简 介 ： 方 向 （９ ７ ） 男， 北 黄 冈人 ， 士 研 究 １７ 一 ， 湖 硕
基 金 项 目： 海 市科 技 启 明 星 计 划 （９ ６ 和 上 海 市 教 委 上 ￥８ ）
青 年 基 金 （ ９ ３ 资助 项 目 Ｓ８）
图 ２ 谐 振 环 节 电压 和 电感 电 流波 形
结合文 献 ［ ］ ２ 对该 电路的分 析 ， 可得 出 图 ２所示
符号 的等式 关 系 ：
ＦＡ Ｎ Ｇ ａ ｇ， ＸＵ ｕ — ｉ Ｘｉｎ Ｇ ｏ ｑｎｇ， ＸＵ Ｚｈｅ ｘ ｏ ｇ — ｉｎ
（ ｎｊ Ｔｏ ｇ Ｕｎ ｖｒｉ ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ３ １ ｈ ｎ ｉｅｓｔ ｙ ｈ ｎ ｈ ｉ２ ０ ３ ，Ｃ ｉａ）
Ａｂ ｔａｃ ： ｓｒ ｔ Ｔｈｅｐａ ａ ｅ ｅ ｅ ｉ ｉ ｉ ｌ ｎｄ ｌｓ ｎａｙ ｉ ｆａ ｓ ｆ—ｗ ｉｃ ｄ ＰＷ Ｍ ｎｖ ｒｅ ｔ ｌｗ－ ｉｐｌ ｔ ｕ ｓ ｒｍ ｔ ｒｄ ｓｇｎ ｐｒｎｃｐｅ ａ ｏ ｓ ａ ｌ ｓｓｏ ｏ ｔｓ ｔｈｅ ｉ ｅ ｔｒ ｗｉｈ ｏ ｒｐ ｅｏｕ ｐ ｔｉ ｄｓ ｕ ｅ ｎ ｄｅａ ｌ ａ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕａ ｉｎ ｗｉｈ ｔ ｅ ｉ ｅ ｔ ｒｍ ｏ ｅ ｓｃ ｒ ｉｄ ｏｕ ． ｍ ｕａ ｉｎ ｒ ｕｌ ｒｆ ｈｅ ｒ ａ ｏ ｉｃ ｓ ｄ ｉ ｔｉ， ｎｄ ｎｕ ｒｃ ｓｍ ｌｔｏ ｔ ｈ ｎｖ ｒｅ ｄ ｌｉ ａ ｒｅ ｔ Ｓｉ ｌｔｏ ｅ ｔ ｖｅｉｙ ｔ ｅ ｓ ｎ— ｌ ｓ ｓ ａ ｌｎｅｓ ｏ ｈｅｐａ ａ ｅ ｅ ｅ ｉ ｎ ｐｒｎｃｐｌ ｂ ｅ ｓ ｆｔ ｒ ｍ ｔ ｒｄ ｇ ｉ ｉ ｅ． ｓ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｐ ｒ ｍ ｅｅ ｓ ｄ ｉｎ；ｓ ｆ ｗｉｃ ｙ ｒ ｓ： ａ ａ ｔｒ ｅ ｇ ｓ ｏ ｔｓ ｔ ｈ； ｒｓ ｎ ｎｔｃｒ ｕｉ ｅ ｏ ａ ｉｃ ｔ
陈鹏-PWM硬开关软开关
在各种逆变变换技术中M硬开关工作方式，高压直流电源的主 电路拓扑如图所示。
Lr为变压器漏感及导线杂散电感，C0为电除尘负载等效电容，R0为电除尘 负载等效电阻。Vin为直流母线电压，V0为负载电压折算到变压器原边值， 变压器变比为l：n。
采用的高压直流电源的主电路拓扑如图所示。
变压器变比为1：n，Lr为谐振电感(利用变压器漏 感和导线杂散电感)，Cr为谐振电容(外加电容)， C0、R0分别为负载等效电容和电阻。
在电流断续工作方式下，电路有三种开关模式： 1．开关模式1，to到t1期间，开关管S1、S4导通， f>0，电路正向谐振； 2．开关模式2，t1到t2期间，反并二极管D1、D4导通， f<0，电路反向续流谐振； 3．开关模式3，t2到t3期间，i=0，所有的开关管和二 极管均关断，电路处于谐振电流断续状态，所有谐振元 件状态不变。
t0时刻开关管S1和S4的驱动脉冲到来，开关管S1和s4 导通，电感Lr被充电，逆变输出电流i沿直线上升。此时高 压硅堆D02和D03导通，逆变电路通过变压器和高压硅堆 给负载供电。 t1到t2时间段，反并联二极管D2和D3导通，逆变输 出电流下降到零。可见在PWM硬开关的工作方式下，开关 管是零电流开通，但是在峰值电流的情况下关断。开关管 在大电流的条件下关断，关断损耗大，而且会在开关管上 产生较大的尖刺。时区时间结束后，Ts／2时刻，S2和S3 的驱动脉冲到来，电感又开始被充电，情况同上面的分析， 不再赘述。
PWMDCDC全桥变换器的软开关技术
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
u t t
u i 0 P 0
u
i t t
u i 0 P 0
i
a）软开关的开通过程
b）软开关的关断过程
图6－2 软开关的开关过程
DC/DC全桥变换器
DC/DC全桥变换器由全桥逆变器和输出整流滤波 电路构成:
DC/DC全桥变换器--全桥逆变器及其控制
Q1~Q4，D1~D4 Tr K=N1/N2
控制方式: 双极性 有限双极性 移相控制方式
关断时间错开切换放式—滞后桥臂的软开关实现
PWM DC/DC全桥变换器软开关的实现原则
PWM DC/DC全桥变换器的两类软开关方式
小结
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
• 前面讨论了滞后桥臂的零电压关断,即电容的存在可以实现零电 压关断,现在关心的是开关管开通的情况. • 下面先讨断切换方式
Q1,Q4关断,原边电流给C 1和C4充电,同时C2和C3 放电,限制Q1,Q4的电压 上升率,实现软关断。 当C1和C4电压上升到Vin 时,C2和C3电压下降到零 .此时D2,D3导通,为Q2， Q3提供零电压开通的条 件。 但是此时如果开通Q2和Q 3，在AB两点 出现的就 是占空比为1的交流方波 电压
PWM DC/DC全桥变换器的控制策略族
PWM DC/DC全桥变换器的控制策略族
软开关半桥DC-DC变换器的PWM控制
软开关半桥DC/DC变换器的PWM控制
引言
半桥DC/DC变换器结构简单，控制方便，非常适用于中小功率场合。
硬开关变换器高频时开关损耗很大，严重影响其效率。
软开关技术可降低开关损耗和线路的EMI，提高效率和功率密度，提高开关频率从而减小变换器体积和重量。
传统半桥变换器有两种控制方法，一种是对称控制，一种是不对称互补控制。
本文主要分析实现半桥DC/DC变换器软开关的PWM控制策略。
1 控制型软开关PWM 控制策略
控制型软开关半桥DC/DC变换器不增加主电路元器件(可增加电感电容元件以实现软开关条件)，通过合理设计控制电路来实现软开关。
图1给出4种控制型软开关半桥DC/DC变换器的PWM 控制策略。
移相全桥零电压PWM软开关电路的研究
略大于开关管自身的寄生电容可减小管子之间的差
异。 实际中，可根据实验波形对其进行调整。 计算得
Llk=7.2 μH，实际取10～20 μH。 由于 要 兼 顾 轻 载 和 重 载，同 时 电 感 在 超 前 臂 谐 振 和 续 流 时 有 能 量 损 失 ，故
实际中取值较计算值略大为宜。
5 整机最大占空比合理性计算
第 43 卷第 1 期 2009 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
移相全桥零电压 PWM 软开关电路的研究
胡红林， 李春华， 邵 波 （黑龙江科技学院， 黑龙江 哈尔滨 150027）
Vol.43 No.1 January，2009
摘要:介绍了移相全桥零电压 PWM 软开关电路的组成及工作原理，从时域上详细分析了软开关的工作过程，阐述了
在开关电源中具有谐振开关和 PWM 控制特点 的移相全桥零 电 压 PWM 变 换 器 得 到 了 广 泛 应 用 ， 该 类 变 换 器 实 现 了 零 电 压 开 关 （ZVS），减 小 了 开 关 损耗，提高了电源系统的稳定性。 同时，电源可在较 高的开关频率下工作，因而大大减小了无源器件的 体积。 但移相全桥 ZVS 电路存在对谐振电感和电容 的合理选择及占空比丢失的问题，这就要求 ZVS 软 开关有一个合理的最大占空比。
实现 VQ1 零电压关断需要有：
uC1=
iCb 2C1
td1=
is 2nC1
td1≥Uin
（6）
式中：td1 为 VQ1，VQ3 死区时间；n 为变比。
要在全范围内实现超前臂的零电压开通， 必须
以 最 小 输 出 电 流 Iomin 和 最 大 输 入 电 压 Uinmax 来 选 取 C1，C3，即 C1=C3≤Iomintd1/（2nUinmax）。 4.2 串联电感的取值及滞后臂并联电容的选取
移相全桥为主电路的软开关电源设计详解
移相全桥为主电路的软开关电源设计详解2014-09-11 11:10 来源：电源网作者：铃铛移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。
如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。
主电路分析这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。
采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。
电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T 为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。
图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图其基本工作原理如下：当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。
通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。
由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。
当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb 充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。
PWM软开关技术简介
1．引言将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电力子技术领域发展方向之一。
在直/直变换器中，则以全桥移相移控制软开关PWM变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。
目前全桥移相控制软开关PWM变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关（ZVS）转向同时实现零压零流软开关（ZVZCS）。
全桥移相控制ZVS方案至少有四点缺陷：全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。
副边存在占空度丢失，最大占空度利用不充分。
在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。
滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。
另外，在功率器件发展领域，IGBT以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍实用化，适合将IGBT的开关方式软化的技术则是零电流开关（ZCS）。
因而，针对全桥移相控制ZVS方案存在的问题，各种全桥相移ZVZCS软开关的方案应运而生。
2．全桥ZVZCS软开关技术方案比较目前，正在研究或已产品化的全桥ZVZCS软开关技术主要有以下3种：变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。
变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。
利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现ZCS软开关。
除方案3为有限双极性控制方式以外，其它几种方案的控制方式全为相移PWM方式。
上述几种方案都能解决全桥相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低电路内部的自循环能量，提高变换效率；减少副边的占空度丢失，提高最大占空度的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。
为提高电路的开关频率准备了条件，使整机的轻量化，小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。
几种典型的软开关电路分享
几种典型的软开关电路分享目前（电力电子）设备的发展趋势都是小型化，同时对装置的效率和（电磁兼容）性有着很高的要求。
设备向着高频化的方向发展，这样可以减小（滤波器）、变压器等器件的体积和重量，实现小型化和轻重化; 但是高频化带来了开关损耗增大、效率下降和电磁干扰增大等影响。
这就引出了我们今天要讨论的（话题）——软开关技术：降低开关损耗和开关噪声; 大幅度提高开关频率。
1软开关基本概念聊软开关之前，我们先说一下硬开关(嗯，不能太"硬"，哈哈)硬开关开关过程中电压、（电流）均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗; 电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。
开关损耗(Eon+Eoff)与开关频率fsw之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。
以降压型电路为例，了解一下硬开关：理想化波形针对开通和关断过程的波形说明如下：关断过程开通过程软开关软（开关电路）中增加了谐振电感Lr 和谐振（电容）Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联（二极管）VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。
我们还以降压型电路为例，来了解一下软开关：降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。
关断过程开通过程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，则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，则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;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。
第6章 PWM 软开关电路
17.2 软开关电路的分类
根据开关元件开通和关断时电压电流状态， 零电压电路和零电流电路 分为零电压电路 零电流电路 零电压电路 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 准谐振电路、零开关 电路和零 准谐振电路 零开关PWM电路 零 电路 转换PWM电路 电路。 转换 电路 每一种软开关电路都可以用于降压型、升压 型等不同电路，可以从基本开关单元导出具 体电路
电力电子技术
Power Electronic Technology
第十七讲
17.0 概述
软开关技术
17.1 软开关的基本概念 17.2 软开关电路的分类 17.3 典型的软开关电路
17.0
概
述
电力电子装置高频化
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。 开关损耗增加，电磁干扰增大。
Lr Cr S1 S VD1
Lr Cr L VD S VD1
S1 L VD b)
图7-6
零转换PWM电路的基本开关单元
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
a)
零转换PWM电路特点 电路特点 零转换
特点： 特点：
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。
软开关技术
降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。
17.1 软开关的基本概念
17.1.1 硬开关与软开关 17.1.2 零电压开关与零电流开关
17.1.1 硬开关与软开关
硬开关： 硬开关：
开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。 产生较大的开关损耗和开关噪声。
零转换—PWM电路
零电压转换-PWM电路
工作原理 假设电感L、电容C都很大，因此可以忽 略电流和输出电压的波动。忽略元件与 线路中的损耗。辅助开关S1超前于主开 关S开通，S开通后S1关断。 t0～t1时段：S1导通，VD尚处于通态，电 感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长， VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻， iLr=IL，VD中电流下降到零，自然关断。
升压型零电流转换PWM 电路拓扑图
零电流转换PWM技术是在不 增大功率晶体管和整流二极管的 电压应力的情况下，实现了功率 晶体管的零电流关断。
零电流转换-PWM电路
工作原理 假设电感L很大，忽略其中的 电流波动和元件与线路中的 损耗。在辅助开关S1导通前， 主开关S已经导通。 t0～t1时段：主开关S已经导 通，Cr反向充电至负电位。T0 时刻辅助开关S1导通，电感电 流iLr按线性迅速增长，对Cr 正向充电，Lr 、Cr构成谐振 回路， is减小。
零电压转换pwm电路零电压转换pwm电路是一种常用的软开关电路具有电路简单效率高等优点广泛应用于功率因数校正电路pfcdcdc变换器斩波器等
零转换—PWM电路
谢俊虎
零转换—PWM电路
零转换—PWM电路的定义、分类及其优缺点 零电压—PWM电路基本结构及其原理 零电流—PWM电路基本结构及其原理 MATLAB仿真及其分析
S
S1Biblioteka VsViLr
A
is1
A
Vs1
V
iD
A
is
A
输出电压波形：若用原来的公式Vo=1/(1-D)Vin，则理论输出应
该是400V。而实际却为450V左右。补充解释原因
Vo
V
t/s
软开关大功率全桥pwm变换器拓扑结构的对比分析
软开关大功率全桥PWM变换器拓扑结构的对比分析许 峰,徐殿国,王健强,柳玉秀(哈尔滨工业大学,哈尔滨 150001) 摘要:比较分析三类主要的软开关大功率全桥PWM变换器拓扑结构、主要工作特征及各自的优势与不足,指出大功率全桥变换器的发展趋势。
介绍一种采用饱和电感与次级有源钳位相结合的FB2ZVS2PWM变换器,它能有效抑制整流管电压过冲及振荡,扩大软开关负载范围。
给出了拓扑结构、次级钳位控制电路及实测波形,该拓扑已成功应用在5kW、开关频率100kHz的功率电源中。
关键词:变换器;效率/软开关;功率密度中图分类号:TM461 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2002)06-0051-03Topology Comparison and Analysis of Soft Switching Pow er Full2B ridge PWM Converter XU Feng,XU Dian2guo,WAN G Jian2qiang,L IU Yu2xiu(Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)Abstract:Three kinds of topology for soft switching high power full2bridge PWM converter and its main feature are compared and analyzed.S ome suggestions on future research are given.A FB2ZVS2PWM converter using saturable induc2 tor and secondary active clamp is proposed.The nondissipative snubber completely eliminates the voltage overshoot and ringing across the rectifiers.The saturable inductor provides a wide ZVS load range.The principles of operation and sec2 ondary active clamp circuit are presentend.The experimental verifications from5kW prototype converter operating at 100kHz are presented.K eyw ords:converter;efficiency;soft2switching;power density1 引 言软开关全桥PWM变换电路拓扑作为目前中大功率应用场合的首选拓扑,一直是研究人员关注的热点。
零电压_零电流PWM软开关技术研究
图 6 图 5 电路的改进 (a) 上臂的简化; (b) 下臂的简化
图 7 优化的零电流2零电压全桥 PWM 变换器
3 状态与能量分析
在简化后的电路图 7 中, 谐振电感L r 为 S1～ S4 提供零电流开启的条件, C r1、C r2 分别为 S1、S2 和 S3、 S4 提供零电压关断的条件。C E 储存每个工作周期内 L r、C r 中的能量, 并通过 L E1或 L E2, D x 将这部分能量 无损地回授到 V in。
iL E1 ( t)
=
V CE (t L E1
t0)
(1)
注意到此时 C r1 上电压为- V CE, C r2 上电压为 V in, L r 中电流为 I 0。
假设 t1 时 T ON 时间结束, S1、S4 断开, 此时的电
流回路为 L E1→D 5 →D 2 →C r1 →L E1, 维持 iL E1 并对 C r1 充电; C r2→D 3→L r→C E →D 2→C r1→I 0→C r2, L r 中能 量向 C E 转移, 使 L r 中电流减小, 同时 C r2 放电, 其电 压转移到 C E 和 C r1上。又由于 C E µ C r1, 因此使 C r1电 压上升。 此时 S1 和 S4 上电压变化为
以下对软开关的工作过程和能量转换情况进行
分析。
假设 t0 时开关 S1、S4 导通, 则如前文所述, 在 S1 中不仅有工作电流 I 0, 还有部分 C E 能量将通过它进 入L E1。此时的两个电流回路为V in→L r→S1→I 0→S4 →V in, 提供输出电流 I 0: C E →S 1 →L E1 →D 5 →C E , 为 C E 能量转移回路, 电流大小为
PWM开关电源详细剖析
PWM开关电源详细剖析
PWM技术是当今电源和通信产业的新宠，以其优越的性能、小巧的体积、高可靠性被广泛应用。
PWM（pulse width modulation），英文直译就是脉冲宽度调制，是应用数字信号所携带的信息来控制模拟电路输出的一种典型且有效的技术，目前应用十分广泛。
如变频器，通过改变脉冲周期可以实现调频，通过改变占空比可以实现调压；电脑主板供电利用PWM 技术实现DC-DC升降压，解决了CPU、显卡、内存所需的低电压（低至1V）、大电流（可达90A）的特殊供电需求。
传统技术中电压的改变靠交流变压器，而对于便携设备中所需要的多种电压，工频的交流变压器体积和效率明显满足不了需求。
通过研究电磁转换的原理，人们发现只要是不断变化的电流且频率更高，所需要的变压器的材料更轻质、体积更小巧，得益于半导体工业的发展，提高频率由晶体管或MOS管的振荡工作方式实现，而可替代正弦交流电的数字脉冲可由微处理器通过编程轻松的实现，且变压效果完全可以和正弦交流电相媲美。
利用PWM技术，现在可以实现高效率的DC-DC电压转换，电脑
主板上的12伏供电通过电源芯片输出不同的PWM脉冲来控制MOS 管的供电时间，将MOS管输出的断断续续的电流通过储能元件-电感转化为连续的电压较低的直流电，供给有不同电压需要的单元使用。
第十章-软开关技术2——移相控制ZVS-PWM-DC-DC全桥变换器
开关模态5 在 t 4 时刻，原边电流流经 Q 2和 Q 。 由于原边电流仍不足以提供负载电 流，负载电流仍由两个整流管提供 回路，因此原边绕组电压仍然为零， 加在谐振电感两端电压是电源电 压 V ，原边电流反向线性增加。 in
6.
3
i p (t )
V in Lr
(t t4 )
4.开关模态3 在 t 2 时刻，关断 Q 4，原边电流 i p 转 移到 C 2和 C 4中，一方面抽走 C 2上的 电荷，另一方面又给 C 4 充电。 由于C 2 和C 4 的存在，Q 4 的电压是从零 慢慢上升的，因此 Q 4是零电压关 断。这段时间里谐振电感 L r 和C 2 及 C 4在谐振工作。原边电流 i p 和 C 4 的电压分别为： 电容C 2 ，
1.实现ZVS的条件 要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量： ①抽走将要开通的开关管的结电容（或外部附加电容）上的电荷； ②给同一桥臂关断的开关管的结电容（或外部附加电容）充电； 考虑到变压器的原边绕组电容，还要有能量用来： ③抽走变压器原边绕组寄生电容C R T 上的电荷。
要实现开关管的零电压开通，必须满足下式：
到 t 5 时刻，原边电流达到折算到原 边的负载电流 I L f ( t 5 ) / K 值，该开 关模态结束。 持续时间为：
t45 Lr I Lf (t5 ) / K V in
7. 开关模态6 在这段时间里，电源给负载供电 原边电流为:
i p (t )
V in K V 0
i p (t ) I 2 c o s (t t2 )
v C 4 ( t ) Z P I 2 s in ( t t 2 )
第6章 PWM软开关电路
6.1 概述 6.2 缓冲型PWM软开关电路
1
6.1
概述
■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装 置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。 ■电力电子电路的高频化 ◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置 小型化、轻量化。 ◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。 ■软开关技术——又称谐振开关技术，它利用以谐振为主的 辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题， 使开关频率可以大幅度提高。 ■软开关技术是电力电子装置高频化重要而有效的途径之一。
7
6.1.2 零电压开关与零电流开关
◆零电流开关（Zero-current-switching, ZCS）——谐振电 感Lr与功率开关S相串联。在S开通之前，Lr的电流为零；当 S开通时，Lr限制S中电流的上升率，从而实现S的零电流开 通；而当S关断时，Lr和Cr谐振工作使Lr的电流回到零，从 而实现S的零电流关断。Lr和Cr为S提供了零电流开关的条件。
流和输出电压的波动，在分析中还
忽略元件与线路中的损耗。 ◆缓冲电路包含两部分 （1）Cs构成的强行无源关断缓冲电 路，使VG1和VD0具有ZVOFF环境。 （2）由VG2、VDS1、VDS2、Ls和Cs构成 的有源开通缓冲电路，为VG1和VD0
营造ZVON环境。
图6-2 ZVS-PWM-Boost电路 a)主电路结构 b)～f)电量波形 g)时区编号
TD TDm
LS I 0 U0 2 LS I 0 m U 0 min 2
LS CS
（6-15）
LS CS
（6-16）
（4）缓冲电路中仍然以硬关断方式工作
图6-2 ZVS-PWM-Boost电路 a)主电路结构 b)～f)电量波形 g)时区编号
PWM控制全桥软开关电源1
2010届本科毕业设计PWM控制全桥软开关电源设计院（系）名称物理与电子信息学院专业名称电气工程及其自动化学生姓名张磊学号060544129指导教师马红梅硕士完成时间2010年5月15日PWM控制全桥软开关电源设计张磊物理与电子信息学院电气工程及自动化学号：060544129指导教师：马红梅摘要：本论文设计了一种基于PWM控制全桥软开关电源。
设计了高频变压器、控制电路、交流EMI滤波器、输出保护电路等。
本设计得到了一款输出为48V/20A的PWM 控制全桥软开关电源。
该电源具有频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等优点。
关键词：全桥变换器；零电压开关；PWM控制PWM Control Full-bridge Soft Switching Power SupplyZhang leiElectronic Information Science and Technology No: 060544129Tutor: Ma Hong-meiAbstract: In this thesis, based on PWM control, a full-bridge soft switching power supply was designed. And it designed a high-frequency transformer, control circuit, AC EMI filter and output protection circuit. This design has been a PWM control output 48V/20A of full-bridge soft switching power supply. The power supply has a high frequency, high efficiency, high power density, high reliability,etc.Key words: Full-Bridge Converter; ZVS; PWM Control目录摘要 (1)2 PWM控制全桥软开关电源系统 (3)2.1 PWM控制全桥软开关电源工作原理 (3)2.2 方案论证 (4)2.2.1 PWM控制全桥软开关电源实现的三种方式 (4)2.3 PWM控制全桥软开关电源单元电路设计 (4)2.3.1 主电路设计 (4)2.3.2 高频变压器的设计 (7)2.3.3 控制电路设计 (9)2.3.4 交流EMI滤波及前级整流滤波电路设计 (14)2.3.5 输出保护电路设计 (16)3 系统调试 (16)3.1 变压器的调试 (16)3.2 测试记录 (16)3.2.1 纹波电压测试 (16)3.2.2 过电压保护(OVP)测试 (16)3.2.3 短路保护测试 (17)3.2.4 过电流保护(OCP)测试 (17)3.2.5 过功率保护(OPP)测试 (17)3.2.6 安全(Safety)规格测试 (17)3.2.7 异常测试 (18)3.2.8 电磁兼容(Electromagnetic Compliance)测试 (18)3.2.9 可靠性(Reliability)测试 (18)4 结束语 (18)参考文献 (18)1 引言电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。
一种基于PWM软开关模式的开关电源设计方案
一种基于PWM软开关模式的开关电源设计方案移相全桥变换器可以大大削减功率管的开关、应力和尖刺干扰，降低
损耗，提高开关频率。
如何以UC3875为核心，设计一款基于软开关模式的?请见下文详解。
主分析
这款软开关电源采纳了全桥变换器结构，用法作为开关管来用法，参数为1000V/24A.采纳移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS.电路结构简图1,VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分离是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快复原，C1、C2分离是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS,Llk为漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等件组成。
图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图
其基本工作原理如下：
当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作状况与全桥变换器的硬开关工作模式状况一样，主变压器原边向负载提供能量。
通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4,而是按照输出反馈信号打算移相角，经过一定时光后再关断VT4,在关断VT1之前，因为VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，抱负情况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开头充电，因为电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。
因为变压器漏感L1k以及副边整流滤波的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2,则VT2即是零电压开通。
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谐振软开关PWM
谐振软开关PWM
传统的PWM逆变电路中,电力电子开关器件硬开关的工作方式,大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高,而高频化是电力电子主要发展趋势之一,它能使变换器体积减小,重量减轻,成本下降,性能提高,特别当开关频率在18kHz以上时,噪声将已超过人类听觉范围,使无噪声传动系统成为可能.
谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上,附加一个谐振网络,谐振网络一般由谐振电感,谐振电容和功率开关组成.开关转换时,谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程,谐振过程极短,基本不影响PWM技术的实现.从而既保持了PWM技术的特点,又实现了软开关技术.但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗,并使电路受固有问题的影响,从而限制了该方法的应用。
7-8.PWM控制与软件开关技术解析
电 力 电 子 技 术
PWM控制技术
7.2 PWM逆变电路及其控制方法
特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM)
这是计算法中一种较有代表性的 方法。
uo
Ud 2
假设输出电压半周期内，器件通、 U 断各 3 次（不包括 0 和 π ），共 6 个 2 开关时刻可控（如右图）。 特定谐波消去法的输出 PWM波形
图7-3 用PWM波 代替正弦半波
SPWM波形: 脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的 PWM波形。 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度。
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电 力 电 子 技 术
PWM控制技术
7.1 PWM控制的基本原理
等幅PWM波和不等幅PWM波：
由直流电源产生的 PWM 波通常是等幅 PWM 波，
V1 Ud + V2 ur uc VD1 R VD2 uo V3 L V4
wt
VD3
VD4
信号波 载波
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调制 电路 图6-4
13
电 力 电 子 技 术
PWM控制技术
7.2 PWM逆变电路及其控制方法
双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波
O uG2 O uG3 O uG4 O uo io O io t1 t 2 b) t3 uo
t t t t
-
t
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a)
12
电 力 电 子 技 术
PWM控制技术
7.2 PWM逆变电路及其控制方法
u uc ur
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U0 LS
t
t t t0
（6-3）
t01
t1
t0
LS I0 U0
（6-5）
（3）LS与CS谐振区（时区c）——CS放电区
等效电路中电量按实际方向标出。 按参考方向列方程有：
■软开关技术——又称谐振开关技术，它利用以谐振为主的 辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题， 使开关频率可以大幅度提高。
■软开关技术是电力电子装置高频化重要而有效的途径之一。
6.1 概述
6.1.1 硬开关与软开关 6.1.2 零电压开关与零电流开关 6.1.3 软PWM开关电路的分类 6.1.4 PWM软开关电路存在的问题
7
6.1.2 零电压开关与零电流开关
◆零电流开关（Zero-current-switching, ZCS）——谐振电 感Lr与功率开关S相串联。在S开通之前，Lr的电流为零；当 S开通时，Lr限制S中电流的上升率，从而实现S的零电流开 通；而当S关断时，Lr和Cr谐振工作使Lr的电流回到零，从 而实现S的零电流关断。Lr和Cr为S提供了零电流开关的条件。
4
6.1.1 硬开关与软开关
■软开关
◆软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、 电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，
而硬开关电路中不需要这个二极管。 ◆在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断
前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减 小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流 的变化率，这使得开关噪声也显著减小。
图6-2 ZVS-PWM-Boost电路 a)主电路结构 b)～f)电量波形 g)时区编号
6.2.2 分立式缓冲型软PWM电路
1、电路工作原理分析
（1）电路初态（时区a） ——VD0稳定导通区
（2）VD0与VG2换流区（时区b） uLr=Uo，iL按线性迅速增长，
iD以同样的速率下降，直到t1时 刻，iLr=I0，iD下降到零， VD0自 然关断。
第6章 PWM软开关电路
6.1 概述 6.2 缓冲型PWM软开关电路
1
6.1 概述
■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装 置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。
■电力电子电路的高频化 ◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置 小型化、轻量化。 ◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。
5
6.1.1 硬开关与软开关
■软开关
◆零电压开通——零电压开关 开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声。 ◆零电流关断——零电流开关 开关关断前其电流为零，则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。 ◆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。 ◆在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。
对软开关电路的效率和EMI水平进行比较实验研究的结果表明， 软开关电路的实际效率和EMI水平与期望值差别较大，原因是主电路 器件由于软开关所减少的开关损耗中，一部分被附加电路产生的各 种损耗所抵消；与此相仿，尽管主电路器件的电压和电流变化率都 明显下降，与之对应的EMI也相应减低，但由于附加电路的谐振频率 远高于PWM的载波频率，因此附加电路会产生大量的噪声，这一点在 以往工作中常被忽视。
8
6.1.3 软PWM开关电路的分类
■软PWM开关电路是具有ZVS/ZCS环境的PWM电路的简称。 ■软PWM开关电路的分类
◆缓冲型电路——在电路中附加无源或有源低耗型 缓冲电路，从而改变器件开关轨迹并实现ZVS/ZCS。
◆控制型电路——主要依靠合理安排控制极脉冲的 时序促使电路具有ZVS/ZCS环境。
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6.2 缓冲型PWM软开关电路
6.2.1 缓冲型PWM软开关电路的分类 6.2.2 分立式缓冲型软PWM电路 6.2.3 单相式缓冲型软PWM电路 *6.2.4 集中式缓冲型软PWM电路
11
6.2.2 分立式缓冲型软PWM电路
◆具有电路简单、效率高等优点， 广泛用于功率因数校正电路（PFC）、 DC-DC变换器、斩波器等。 ◆以升压电路为例，在分析中假设 电感Ld、电容Co很大，可以忽略电 流和输出电压的波动，在分析中还 忽略元件与线路中的损耗。 ◆缓冲电路包含两部分 （1）Cs构成的强行无源关断缓冲电 路，使VG1和VD0具有ZVOFF环境。 （2）由VG2、VDS1、VDS2、Ls和Cs构成 的有源开通缓冲电路，为VG1和VD0 营造ZVON环境。
◆直流谐振型电路——附加钳位电路将直流电压改 造成高频脉冲列并使器件的开关状态仅在直流电压的零 压期进行更迭，从而实现ZVS。
9
6.1.4 PWM软开关电路存在的问题
1.可靠性 为实现软开关，目前的普遍做法是在电路中附加无源或有源电
路，而这些电路无论从结构和原理都与SCR电路中的辅助换流电路十 分相似，这自然增加电路的复杂程度，并将全控型电路无换流电路 的优点完全断丧，从而降低系统的可靠性。 2.效率和EMI问题
6
6.1.2 零电压开关与零电流开关
◆零电压开关（Zero-voltage-switching, ZVS） ——谐 振电容Cr与功率开关S相并联。在S导通时，Cr上的电压 为零；当S关断时，Cr限制S上电压的上升率，从而实现S 的零电压关断；而当S开通时，Lr和Cr谐振工作使Cr的电 压回到零，从而实现S的零电压开通。Lr和Cr为S提供了 零电压开关的条件。
id I0 iC iL
3
6.1.1 硬开关与软开关
■硬开关 ◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损
耗。 ◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生
了开关噪声。 ◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率
不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高， 开关损耗就越来越显著。