直流开关电源的软开关技术
直流开关电源的软开关技术
ILmax
T’ T’off
Vo DD D1D Vin D
D2
2IoLf
Vo Vin
1
1 Vin
电感电流断续工作时，输出电压Vo、输入电压Vin、负载电流
Io和占空比D的关系。由此可知，电流断续时，即使输入电压
Vin不变时，为了保持输出电压Vo恒定，也应随负载电流的不
同来调节占空比D。
1. 直流变换器的分类
（1）根据输入与输出间是否有电气隔离
① 非隔离式直流变换器
•
单管直流变换器
降压式（Buck) 、升压式（Boost) 、升压式 / 降压式（Buck/ Boost ) 、Cuk 、Zeta 、
Sepic
在六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生出来的。
D
工作模式：连续、临界、非连续
9
一、直流开关电源的基本电路拓扑
ILmax
Io
ILmin
ILmax
Io
VoDVin
D T on T
Ii IoD
Io
IL
I min
L max
2
10
一、直流开关电源的基本电路拓扑
ILmax
T’ T’off
Vo D D1D Vin DD
Io
消化原理、理解过程、掌握分析方法 • 教材：《直流开关电源的软开关技术》阮新波等主编
2
课时要求 • 本课总学时：32学时，每次3学时 • 成绩评定：试卷80分；平时成绩20分 • 平时成绩包括：讨论、出勤率等
3
讲课主要内容
• 1.直流开关电源的基本电路拓扑 • 2.谐振变换器 • 3.准谐振变换器 • 4.多谐振变换器 • 5. ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器 • 6.零电压转换（ZVT）PWM变换器 • 7.零电流转换（ZCT）PWM变换器 • 8.正激变换器的磁复位技术 • 9.移相控制ZCS ZVS PWM DC/DC全桥变换器 • 10.移相控制ZCS PWM DC/DC全桥变换器 • 11.现代软开关电源应用设计举例
《软开关技术》课件
03
CHAPTER
软开关技术在不同领域的应 用
电力电子领域
软开关技术介绍
在电力电子领域，软开关技术是一种用于控制开关电源的先进技术。它通过在开关过程中引入谐振原 理，实现了开关器件的零电压或零电流开通与关断，从而减小了开关损耗和电磁干扰，提高了电源的 效率。
应用实例
在逆变器、直流-直流转换器、不间断电源等电力电子设备中，软开关技术被广泛应用于减小开关损耗 、提高电源效率、降低电磁干扰等方面。
智能电网
在智能电网建设中，软开关技术将发挥重要作用，保障电网的稳定 运行和节能减排。
轨道交通
在轨道交通领域，软开关技术的应用将提升列车运行的稳定性和安 全性。
产业前景
市场规模
随着软开关技术的广泛应用，其 市场规模将不断扩大，吸引更多 企业投入研发和生产。
产业链完善
软开关技术的产业链将逐渐完善 ，形成完整的研发、生产、销售 和服务体系。
降低电磁干扰有助于提高电子设备的性能稳定性，减少对周 围其他设备的干扰，同时也符合现代电子产品绿色环保的要 求。
延长设备寿命
软开关技术能够减小开关过程中产生的应力，从而降低对设备中元器件的损耗， 延长了设备的使用寿命。
设备寿命的延长有助于减少维修和更换成本，同时也减少了电子废弃物的产生， 有利于环境保护。
元器件选择
01
02
03
电力电子器件
如绝缘栅双极晶体管（ IGBT）、功率MOSFET等 ，具有高耐压、大电流、 低导通电阻等优点。
无源元件
如电容、电感等，用于实 现能量的储存和转换。
控制电路
用于产生控制信号，调节 开关的导通和关断时间。
电路设计
01
02
《软开关技术》课件
混合型软开关电路
结合电压型和电流型电路的特点，实现更高效的软开关。
控制策略
恒定电压控制
保持输出电压恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒定电流控制
保持输出电流恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒功率控制
保持输出功率恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
软开关技术
CATALOGUE
目 录
• 软开关技术概述 • 软开关技术的优点 • 软开关技术的应用领域 • 软开关技术的实现方式 • 软开关技术的发展趋势 • 软开关技术的前景展望
01
CATALOGUE
软开关技术概述
软开关技术的定义
软开关技术是指在电力电子变换器中 ，利用控制技术实现功率开关管的零 电压开通和零电流关断的一种新型开 关技术。
01
通过调节脉冲宽度来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲频率调制（PFM）
02
通过调节脉冲频率来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲相位调制（PPM）
03
通过调节脉冲相位来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
电路拓扑结构
电压型软开关电路
通过在开关管两端并联电容来实现软开关。
电流型软开关电路
高效率的电源能够减小散热需求，降低散热成本，同时减小电源体积和重 量，提高电源的便携性和可靠性。
降低电磁干扰
01
软开关技术能够减小开关过程 中电压和电流的突变，从而降 低电磁干扰(EMI)。
02
降低电磁干扰有助于提高电子 设备的电磁兼容性(EMC)，使 其在复杂电磁环境中稳定工作 。
03
降低电磁干扰还可以减小对周 围电子设备的干扰，提高整个 系统的稳定性。
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。
007软开关技术
Cr
Lr
L
S VD
Lr
L
S
Cr
VD
Cr1
Lr
L
S
Cr2
VD
零电压开关准谐振 零电流开关准谐振
零电压开关多谐振
7.2 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路
引入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-Voltage-Switching PWM Converter-ZVS PWM）
O
t t
Ui
Lr B
VD2
CR
uLr O
iLr
t
S2 CS2 S4 CS4
O uT1
t
O
t
uR
图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路
O iL
t
O
t
iVD1
O iVD2
t
O
t8 t9 t0
t1 t2 t3t4 t5
t6 t7 t8t9 t0
t
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
t1~t2阶段的等效电路图
CS3 iLr
VDS3
iL
L VD1
+ Uo
Ui
Lr B
R
S2 CS4
VD2
–t4~t5：S3开通后，Lr的电流继续减小。 iLr降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT， T二次侧VD1的电流下降到零而关断，IL全
t3~t4阶段的等效电路
7.3.4 零电压转换PWM电路
软构开成关辅：助•换在流电网路络中，增在加开了关小过电程感前、后电引容入等谐振过元程件，开在关开开关 通前电压过先程降前为后零引，入或谐关振断，前使电开流关先条降件为得零以，改就善可。以消除开
开关电源中软开关技术应用探析
开关电源中软开关技术应用探析摘要：未来技术的发展方向是软开关技术，其主要的发展态势是轻量化、小型化。
与此同时，对电磁兼容性与效率提出了较为严格的标准。
应用软开关技术，其主要的价值是解决开关噪声与开关损耗的状况，以此提升开关的频率。
文章是针对开关电源中软开关技术的应用，展开的深入全面的探究，并且提出相关建议，供相关人员参考。
关键词：开关电源；软开关；技术应用；探析在应用与设计开关电源的过程中，需要全面系统的应用软开关技术，实施技术攻关，全面设计与规划出使用时间较长、效率高、用途广泛的全新环保性能的开关电源。
促使开关电源中的软开关技术，得到有效应用。
一、概述软开关技术软开关技术具体是指，电压是零时开关管导通，电流是零时开关管关断。
一般状况下，将开关元件当中的电压波形的正弦波的叫做电压谐振开关电路。
其主要的工作方式是零电压开关ZVS，并且将流过开关的电流波形式正弦波形的叫做电流谐振开关电路，主要的工作方式是零电流开关。
二、软开关存在的主要弊端与不足（一）逆变器中软开关的应用逆变器是直流-交流转换电路。
在非接触式能量转换、高频加热及金属熔的解炉的转化过程中，具体是应用电流或者高频交流电压。
为减少损失与消耗、抑制浪涌，逆变器都会应用软开关技术。
在使用燃料电池、太阳能电池等质量过关电源的直流输电体系中，通常是高频逆变器对直流电压实施PWM控制，然后借助低通滤波器获取正弦电压，所以在逆变器当中可使用软开关。
在电动机控制之中，应用传感器方式的过程中，使用传感器检查转角和电流等微变量，迅速算出转矩等诸多参数，正交控制好电流和磁通。
所以，在电动机的驱动过程，也要使用软开关技术。
（二）磁性元器件的多功能化第一，转换电流当中一般应用变压器，科学应用变压器的遗漏或者励磁电感当成软开关的L与C，由此，变压器具备诸多功能；第二，在应用磁性元件的过程中，为缩小体积，最为主要的是需要除掉直流偏磁，应用有源钳位电炉，能够由谐振电容促使变压器磁复位，所以，针对软开关实用性能，最为重要的是磁性元器件之间的配合；第三，介于软开关的L要经过高频电流，并且大振幅的工作，所以，存在高频损耗的状况，出现发热现象，为除去铁损耗而应用空心线圈电感导致线圈变大；介于邻近效应、集肤效应的价值，扩大了阻性损耗。
开关电源中软开关技术的应用分析
开关电源中软开关技术的应用分析发表时间：2018-07-18T16:07:04.763Z 来源：《科技中国》2018年1期作者：严骅[导读] 摘要：软开关技术是目前开关电源领域中的研究重点，软开关技术的诞生进一步推动了通信电源领域的发展，并在生活、生产实践中得到了广泛的应用，让人们享受到了更加便捷的生产和生活方式。
本文针对开关电源中软开关技术的概念进行解读，并针对其具体的应用展开分析。
摘要：软开关技术是目前开关电源领域中的研究重点，软开关技术的诞生进一步推动了通信电源领域的发展，并在生活、生产实践中得到了广泛的应用，让人们享受到了更加便捷的生产和生活方式。
本文针对开关电源中软开关技术的概念进行解读，并针对其具体的应用展开分析。
关键词：开关电源；软开关技术；应用科学技术的发展也带动了开关电源技术的革新，目前，越来越多的人倾向体积小，轻便的开关电源，这是开关电源的一个发展趋势。
软开关技术就是在这样的背景下的发展起来的，它符合现代人要求开关电源体积小，质量轻的特点，是一种新型的技术，已经广泛的应用于的各个领域。
同时软开关技术还提升了开关电源的质量和使用效率。
一、软开关电源的概述软开关技术是一种新型的电源技术，它更加符合环保和节能的理念，是开关电源的一次创新。
软开关技术的工作原理其实比较简单，就是在电压为零的时候，开关管是通着的，当电流为零的时候，开关管是关闭的，这样就可以有效的保护开关，避免在多次的开关中，因为电流及电压的变化而造成损害。
同时，软开关的电路结构也发生了改变，增加了小电感、电容等原件，可以有效的降低开关损耗和噪音，让开关的工作环境更加安全。
在传统的通信电源中，常常会出现空开跳开、模块不均流、保险管断开、防雷器故障、整流模块退出的问题，而软开关技术的应用则有效解决了这一问题。
与传统的开关相比，软开关设备体型小，在以往的通信电源中，电容、滤波电感、变压器的重量与体积占据着交稿的比例，降低了电路效率，容易引发电磁干扰问题，而软开关的体积小，就很好的解决了上述难题。
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。
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。
软开关技术讲解
软开关技术综述摘要软开关技术是利用在零电压、零电流条件下控制开关器件的导通和关断，有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声因而在电力电子装置中得到广泛应用。
本文在讲述软开关技术的原理及分类的基础上，主要回顾了软开关技术的由来和发展历程，以及发展现状和未来的发展趋势。
关键词：软开关技术原理发展历程发展趋势一．引言：根据开关元件的工作状态，可以把开关分成硬开关和软开关两类。
硬开关是指开关元件在导通和关断过程中，流过器件的电流和元件两端的电压在同时变化；软开关是指开关元件在导通和关断过程中，电压或电流之一先保持为零，一个量变化到正常值后，另一个量才开始变化直至导通或关断过程结束。
由于硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。
开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来了严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。
为了降低开关的损耗和提高开关频率，软开关的应用越来越多。
电力电子装置中磁性元件的体积和重量占很大比例，从电机学相关知识知道，使变压器、电力电子装置小型化、轻量化的途径是电路的高频化。
但是, 传统的开关器件工作在硬开关状态，在提高开关频率的同时，开关损耗和电磁干扰也随之增加。
所以，简单地提高开关频率显然是不行的。
软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。
当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。
它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。
当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应力和噪声, 将变得难以接受。
谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。
为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM技术。
《软开关技术 》课件
基于电容的软开关技术
电容器：用于存储电能，实现 电能的平滑过渡
开关原理：通过改变电容器的 充放电状态，实现开关功能
应用领域：广泛应用于电力电 பைடு நூலகம்、新能源等领域
优点：开关速度快、损耗低、 可靠性高
基于变压器的软开关技术
原理：通过控制变 压器的初级和次级 绕组，实现电压和 电流的平滑过渡
优点：可以实现高 功率因数、低谐波、 高效率等优点
硬开关技术：开关的切换过程是瞬间完成的，开关损耗较大
软开关技术：开关的导通时间可以控制，可以实现更精确的电流控制
硬开关技术：开关的切换过程无法控制，电流控制精度较低
软开关技术：开关的导通时间可以控制，可以实现更稳定的电压输出
硬开关技术：开关的切换过程无法控制，电压输出稳定性较差
软开关技术在电力电子领域的应用优势
软开关技术的实现方式
零电压开关 （ZVS）：在开 关管两端电压为 零时进行开关操 作，实现零电压 开关。
零电流开关 （ZCS）：在开 关管电流为零时 进行开关操作， 实现零电流开关。
谐振开关：利用 谐振电路实现开 关管的开关操作， 提高开关效率。
软开关技术在电 力电子设备中的 应用：如逆变器、 整流器、直流电 源等。
软开关技术的分类
零电压开关（ZVS）
零电流开关（ZCS）
零电压零电流开关 （ZVZCS）
谐振开关（RCS）
软开关技术在电力电 子领域的应用
软开关技术的应用场景
电动汽车：如电机驱动、电 池管理系统等
电力系统：如高压直流输电、 柔性交流输电等
电力电子设备：如开关电源、 逆变器、电机驱动等
太阳能和风能发电系统：如 逆变器、功率调节器等
04 软开关技术的优势
基于零电压准谐振技术的直流开关电源实现软开关
基于零电压准谐振技术的直流开关电源实现软开关丁莉【摘要】本设计的开关电源系统包括:输入整流滤波电路、变换电路、芯片控制电路、输出滤波电路、反馈补偿电路.输入整流滤波电路主要由整流桥和滤波电容组成,在选择整流桥时要考虑输入电压的范围,整流桥的耐压值要大干最大输入电压,输入端的滤波电容一般为薄膜电容交流400V.变换电路由变压器和开关管等元件组成,变压器既起到隔离作用又有电压转换的作用.【期刊名称】《黑龙江科技信息》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】1页(P55)【关键词】零电压;准谐振技术;直流开关【作者】丁莉【作者单位】吉林电子信息职业技术学院,吉林,吉林,132000【正文语种】中文通过利用软开关技术改进直流开关电源对直流开关电源的软开关技术进行研究。
设计一款直流开关电源其技术指标如下:输出电压直流:DC+28V±0.5V输出额定电流:10A最小负载1A输入交流电压范围:AC 105～130V208～240V输出纹波电压:50mv（峰—峰值）输出调整率:±2%额定输出功率:280W效率:80%此款直流开关电源为大功率电源利用软开关技术可以降低损耗提高效率，电源与线性直流电源的主要区别就是增加了开关管，而开关管是主要的损耗元件，开关管的损耗主要来自于开关管的关断损耗，所以根据技术指标拟采取零电压开关准谐振方法进行设计降低开关管在关断时刻的损耗。
主电路采用半桥型因为半桥变换器开关管承受的电压为电源的电压顾可应用在电源电压较高的场合，半桥变换器是由半桥逆变器、高频变换器和输出整流滤波电路组合而成的，因此也属于直流—交流—直流变换器。
2.1 半桥逆变器工作原理。
半桥逆变器的主电路是由两个相等的电容C1和C2构成一个桥臂，开关管Q1和Q2及其反并二极管D1和D2构成另一桥臂，两桥臂的中点A和B为输出端，可以通过变压器输出，也可由这两段直接输出。
因电容C1=C2容量较大，故Vc1=Vc2=1/2Vin，中点B的电位基本上不变，为VB=1/2Vin。
开关电源-软开关技术
Converter—ZVS MRC）
C r1
Lr
L
S
C r2
VD
c) 零电压开关多谐振电路的基本开关单元
10
第10页，共37页。
5.2.2 零开关PWM电路
引入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电路可分为零电压开关PWM电路（ZVS PWM）和零电流 开关PWM电路（ZCS PWM）。
C
R
S1
S
图5-20 有源钳位正激型电路
19
第19页，共37页。
1.工作过程
通，tV0D~2
t 1 时段：主开关S开通，二极管 VD
断，电感L的电流增长，变压器的
1
励磁电流 也i m 线性增长。
t 1 ~ t 2时段：S关断，二极管 VD断1， 通V，D 2电
感L的电流下降。变压器的励磁电流 反并二S 1极管向电容 充电。 C 1
15
第15页，共37页。
Cr
S Lr A L
U i VD S
i Lr
V
+u D
C
D-
R
图5 - 7降压型零电压开关准谐振 电路原理图
S
uS (uCr)
iS
iLr
u+ Cr
i Lr
U i Cr
Lr
uD
t 0 t 1 t2 t3 t4 t5
t t t t
t0
t
图5-10 零电压开关准谐振电路 在 t 1 ~ t 2时段等效电路
➢主开关S工作在零电压开通条件，开关损耗显著降低。 ➢存在变压器励磁电流为负值的工作状态，这意味着变压器的磁 通在工作过程中可以从正值变化为负值，工作在磁化曲线的Ⅰ、 Ⅲ两个象限。因此有源钳位正激型电路的变压器的磁心利用率 大大提高，表现为同等功率的电路时，磁心尺寸可以很小，绕组匝
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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一、直流开关电源的基本电路拓扑
（2）根据能量传递
① 单向直流变换器 ② 双向直流变换器
（3）根据开关管控制信号的生成 ① 自激式直流变换器 ② 它激式直流变换器 （4）根据开关管的开关条件 ① 硬开关直流变换器(Hard switching) ② 软开关直流变换器(Soft switching)t源自tvw2vin/K12
t
iLfmax
Ф
iLf iW1 iM iW3 0 Ton Tr Ts Io iLf/K12 iLfmin
t t t t
16
一、直流开关电源的基本电路拓扑
W3
v
Vin
W3
.
LM
D3
. v
W1
W1
v.
W2
D1
Lf + D2 Cf RLd V0
W2
Q
（a）Q开通
Vin Vo D K 12
4
一、直流开关电源的基本电路拓扑
1.1 概述 1. 开关电源的分类 （1）现代开关电源： ① 直流开关电源——输出质量较高的直流电 ② 交流开关电源——输出质量较高的交流电 核心：电力电子变换器——应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电 能的装置 （2）按转换电能的种类： ① 直流—直流变换器：它是一种将直流电能转变成另一种或多种直流电能的变换器， 是直流开关电源的主要部件
8
一、直流开关电源的基本电路拓扑
1.2 基本电路拓扑 1.2.1 非隔离式直流变换器的基本电路拓扑 1. 降压式(Buck)变换器
D
工作模式：连续、临界、非连续
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
ILmax Io ILmax Io ILmin
Vo D Vin
Ton D T
IL min IL max Io 2
25
二、谐振变换器
3.3 零开关PWM变换器( Zero switching PWM converters) • 零电压开关PWM变换器(Zero voltage switching PWM converters) • 零电流开关PWM变换器(Zero current switching PWM converters) 该类变换器的特点 该类变换器是在QRCs的基础上，加入一个辅助开关管，来控制 谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。 与QRCs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。
二、谐振变换器
二、谐振变换器
3.2 准谐振变换器（Quasi Resonant converters, QRCs)与多谐振 变换器（Multi Resonant converters ,MRCs) （1）准谐振变换器分 • 零电流开关准谐振变换器(Zero current switching Quasi Resonant converters，ZCS QRCs) • 零电压开关准谐振变换器(Zero voltage switching Quasi Resonant converters，ZVS QRCs) （2）多谐振变换器 • 零电压开关多谐振变换器(Zero voltage switching Multi Resonant converters，ZVS MRCs) 该类变换器的特点 软开管技术的一次飞跃，谐振元件参与能量变换的某一个阶段， 不是全程参与。一般采用频率调制方法
Ii Io D
10
一、直流开关电源的基本电路拓扑
ILmax
T’ T’off
Vo D Vin D D
D 1 D
D2 Io 2 Lf
Vo 1 Vin Vin
电感电流断续工作时，Vo/Vin不仅于占空比D有关，而且与负 载电流Io大小有关。若 Io=0，则不论D多大，输出电压Vo必 等于输入电压Vin，即 Vo=Vin
② 逆变器：是将直流电转换为交流电的电能转换
是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件 ③ 整流器：是将交流电转换为直流电的电能变换器 ④ 交交变频器：是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的交流
电，或是将变 频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器
5
一、直流开关电源的基本电路拓扑
大力发展绿色（无公害或低公害的电力电子产品提供了有效的方式和方法。
正因为软开关技术的诸多优点使其理论一出现就显示出了蓬勃的生命力，并受到各 国专家学者的广泛重视。现在每年在世界上都有大量的相关论文发表，应用软开关技 术的电力电子变换器也越来越多地推向市场，将来也必将取代传统的硬开关电力电子 变换器。 • • 本课特点：理论与实际相结合。 学习方法：理解 消化原理、理解过程、掌握分析方法
电力变换系统的软开关技术 直流开关电源
1
•
软开关电力电子变换技术是近年来电力电子学领域中的一个热门话题。对软开关 （soft switching)理论的深入研究，以及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换器 的设计出现了革命性的变化。 １．变换器具有更高的效率——自身损耗大大降低 ２．变换器具有更高的功率密度——自身的体积和重量大大减小，以及更高的可靠性 ３．有效地减小电力变换装置引起的电磁污染（EMI）和环境污染（噪声等），为未来
t t t
ipmax
Ф
ip
Ф
ip
t
is
t t
is 0 Ton
t
0
Ton Tdis Ts T'off
（a)电流连续
（b)电流断续
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
. v
Vin ip
W1
W2
D1 is Cf + RLd V0
W1
v
.
W2
电流连续
Q
Q导通
. v
Vin ip
W1
W2
D1 is Cf + RLd V0
T [ Wd ³
T [ Wd ¬
（dv/dt）・
電流変化率（di/dt）
d ¬ g `
● サージ電圧・電流の発生 ● スイッチング電力損失の増大
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二、谐振变换器
2.软开关技术的实现策略
d ³ g `
● 緩やかな電圧変化率（dv/dt）
・電流変化率（di/dt）
Lf + V0 RLd
W3
v
Vin
W3
.
LM
D3
. v
W1
W1
v.
W2
D1
W2
D2
Cf
Ton D T
W1 D max W1 W 2 K 13 K 13 1
Q
（b）Q关断，磁复位开始
W3
v
Vin
W3
.
LM
D3
. v
W1
W1
v.
W2
D1
Lf + D2 Cf RLd V0
W2
Q
（c）Q关断，磁复位完成
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二、谐振变换器
•
教材：《直流开关电源的软开关技术》阮新波等主编
2
课时要求 • 本课总学时：32学时，每次3学时
• 成绩评定：试卷80分；平时成绩20分 • 平时成绩包括：讨论、出勤率等
3
讲课主要内容
• • • • • • • • • • • 1.直流开关电源的基本电路拓扑 2.谐振变换器 3.准谐振变换器 4.多谐振变换器 5. ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器 6.零电压转换（ZVT）PWM变换器 7.零电流转换（ZCT）PWM变换器 8.正激变换器的磁复位技术 9.移相控制ZCS ZVS PWM DC/DC全桥变换器 10.移相控制ZCS PWM DC/DC全桥变换器 11.现代软开关电源应用设计举例
d ¬ g `
● サージ電圧・電流の抑制 ● スイッチング電力損失の低減
22
二、谐振变换器
23
3.谐振变换器的分类 3.1 全谐振变换器（谐振变换器）（Resonant converters) 该类变换器实际上是负载谐振变换器 （1）按照谐振元件的谐振方式分 • 串联谐振变换器(Series resonant converters, SRCs) • 并联谐振变换器（Parallel resonant converters, PRCs) （2）按照负载与谐振电路的连接关系分 • 串联负载(或串联输出）谐振变换器( Series load resonant converters, SLRCs) • 并联负载(或并联输出）谐振变换器(Parallel load resonant converters, PLRCs) 全谐振变换器的特点 在谐振变换器中，谐振元件一直参与谐振工作，参与能量的全过 程，该类变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采 24 用频率调制方法
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Vo D D Vin D
一、直流开关电源的基本电路拓扑
1.2.2 隔离式直流变换器的基本电路拓扑 1.正激（Forward)变换器
W3
v
Vin
W3
.
LM
D3
. v. v
W1
W1
W2 D1
Lf + D2 Cf RLd V0
W2
Q
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
vQ vw1 vin k13vin
1. 直流变换器的分类 （1）根据输入与输出间是否有电气隔离 ① 非隔离式直流变换器 • 单管直流变换器 降压式（Buck) 、升压式（Boost) 、升压式 / 降压式（Buck/ Boost ) 、Cuk 、Zeta 、 Sepic 在六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生出来的。 • 双管串接的升 降压式（Buck/ Boost )变换器 • 四管直流变换器 全桥直流变换器(Full-bridge converter) ② 隔离式直流变换器 有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器 本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还便于实现多路不同 电 压或多路相同的电压输出。 ★ 变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故四管变换器的输出功率最大，而 单管变换器的输出功率最小。 ★ 没有隔离的变换器可和有隔离的变换器组合得到单个变换器不具备的特性。