直流开关电源的软开关技术

Ii Io D
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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
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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)
Io Ii 1 D
IL min IL max Ii 2
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
ILmax
T’ T’off
2
Vo 1 D 2IoLf 1 D 1 D Vin 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。
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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
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）
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
2.反激（Flyback)变换器
. v
Vin ip
W1
W2
D1 is Cf + RLd V0
W1
v
.Байду номын сангаас
W2
Q
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
vQ vw1 vin k12vin
t t t
ipmax ipmin ismax ismin Ts
vQ vw1 vin k12vin
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
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
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
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
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。
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
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
电力变换系统的软开关技术 直流开关电源
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•
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
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二、谐振变换器
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。
•
教材：《直流开关电源的软开关技术》阮新波等主编
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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
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
2. 升压式(Boost)变换器
L iL iS Vin S VG
iD
D
i0
R
+
V0
C0
(a) 常规boost结构图
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 Ii ILmin
ILmax
Ii
1 Vo Vin 1 D
Ton D T
2. 直流开关电源及其应用 3. 对直流开关电源的要求 高的可靠性、好的可维修性、小的体积重量、低的价格及使用费用和好 的电气性能
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一、直流开关电源的基本电路拓扑
4. 直流开关电源的发展动向 （1）开关电源发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模 块化。开关电源轻、小、薄关键技术是高频化， （2）模块化是开关电源发展总体趋势，可以采用模块化电源组成分布 式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式容量扩 展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化 其噪声也 必将增大，而采用部分谐振转换电路技术，理论上即可实现高频化又可 降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存着技术问题，故仍需这一 领域开展大量工作，以使该项技术以实用化。 （3）电力电子技术不断创新，使开关电源产业有着广阔发展前景。要 加快我国开关电源产业发展速度，就必须走技术创新之路，走出有 中国特色产学研联合发展之路，为我国国民经济高速发展做出贡献。
D Vo Vin 1 D
Ton D T
电流断续
+ V0 RLd
W1
v
.
W2
Q
Q关断
. v
Vin ip
W1
W2
D1 is Cf
W1
v
.
W2
V 2 inD 2 V0 2 L1 fsI 0
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Q
Q关断，电流断续
二、谐振变换器
1.软开关技术的提出
d ³ g `
● 非常に高い電圧変化率
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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
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
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二、谐振变换器
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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
t t
vw2
vin/K12
t
iLfmax
Ф
iLf iW1 iM iW3 0 Ton Tr Ts Io iLf/K12 iLfmin
t t t t
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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
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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