电力电子技术 第八章 软开关技术

移相全桥零电压开关PWM电路参数设计
根据移相全桥零电压开关PWM电路计算下列参数 1.变压器原和副边匝数比Ｋ
计算出Ｋ＝32:6 2.输出滤波电感设计Lf
计算出Lf=18.4uH 3.输出滤波电容Co
计算出Co=14.8uF 4.谐振电感设计Lr
计算出Lr=80uH
移相全桥零电压开关PWM电路在Pspice中的仿真模型图
输入交流电压和交流波形图
输出电压和输出电流波形图
Q1 D1 C1
Vin A Q3
D3 C3
Q2 D2
C2
B
Lr Q4 D4
C4
Lf
T
VDr1 Cf RL
VDr2
移相全桥零电压开关PWM电路原理图
U Q1 Q4 Ip VAB
Vrect
Q3 Q2
Q1 t
Q4 t
t
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
Q1
D1 C1
Vin
A
Q3
D3 C3
Lr
Q2
D2 C2
iP B
Q4
D4 C4
T
Lf VDR1
Cf RL
VDR2 (g)开关模式6:电源给负载供电。初级电流ip在过零继 续下冲完成后半段反向急变过程，以使Q2和Q3导通
形成功率输出供电回路。
移相全桥零电压开关电路设计 技术指标
• 基本条件：电路形式：全桥移相 • 变压器工作频率：100kHz • 变压器输入电压：380V • 输出电压：直流48V • 输出电流：20A • 整流电路形式：中心抽头全波整流
8.3 典型的软开关电路
8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4
零电压开关准谐振电路 谐振直流环 移相全桥型零电压开关PWM电路 零电压转换PWM电路
高功率因数校正AC/DC变换器
移相全桥软开关DC/DC变换器
AC
输入电压及电 感电流、 输出 电压及电流和 主开关管漏极 电压采样电路
功率开关驱 动电路

零电压转换PWM电路技术指标
• 单相交流:220±10%V • 输入频率：50/60Hz • 输出电压：直流380V • 效率：大于95% • 功率因数：PF≥99% • 开关频率：f=100kHz
零电压转换PWM电路参数设计
根据普通升压型（ Boost）变换器计算下列参数 1.升压电感设计L
UC3855A
功率开关驱 动电路
UC3875
输出电压及电 流、原边电感电 流和四个开关管 漏极电压采样电
路
高功率因数校正软开关AC/DC 变换主电路
L D
Is
Lr D1
Vac
Tr
Cr
CO
RO
Tr1
零电压转换PWM电路
L D
Is
Lr
D1
Uin
Tr
Cr
CO
RO
Tr1
Q1 D1 C1
Vin A Q3
–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
–开关关断前其电流为零——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。
8.2 软开关电路的分类
特点：
谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的 交换，电路导通损耗加大； 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路 只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation—PFM）方式来控制。
2）零开关PWM电路
–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。
特点：
–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。
–电路可用开关频率固定的PWM控制方式。
3）零转换PWM电路
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。
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。
8.1 软开关的基本概念
8.1.1 硬开关和软开关 8.1.2 零电压开关和零电流开关
8.1.1 硬开关和软开关
硬开关：
开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导 致开关噪声。
uu i
0 P
0
u
i
ii
u
t0 P
t0
a）硬开关的开通过程
b）硬开关的关断过程
移相全桥零电压开关PWM电路驱动波形图
移相全桥零电压开关PWM电路驱动波形图
移相全桥零电压开关超前桥臂波形图
移相全桥零电压开关滞后桥臂波形图
移相全桥零电压开关变压器波形图
输出直流电压波形图
根据前面的理论分析，最后的仿真及实验参数为： 输入电压Vin为单相220V，升压电感L为470uH，谐振电 感Lr为8.3uH，谐振电感Cr为479pF，输出滤波电容Co 为2200uF，开关频率f为100kHz。
零电压转换PWM电路Pspice仿真模型
主开关管Tr和辅助开关管Tr1驱动波形图
主开关管Tr驱动波形、漏源电流波形 和电压波形图
第8章 软开关技术
引言
8.1 软开关的基本概念 8.2 软开关电路的分类 8.3 典型的软开关电路
现代电力电子装置的发展趋势
小型化和轻量化
对效率和电磁兼容性也有更高的要求。
高频化
滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子 装置小型化和轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。
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。
零电压转换PWM电路一周期内各 运行模式分析
模式
1
2
3
4
5
6
7
时间段 T0 ～ T1 T1 ～ T2 T2 ～T3 T3 ～T4 T4～T5 T5 ～T6 T6 ～ T0
特征 iLr线形上升 谐振
ZV开通 iLr下降 ids恒流 Cr线形充电
续流
Tr
off
off
off → on on
on
off
off
Q1
D1 C1
Vin
A
Q2
D2 C2
iP
B
Q3
D3 C3
Lr
Q4
D4 C4
T
Lf VDR1
Cf RL
VDR2
(c)开关模式2:iP正半周钳位续流过程
Q1
D1 C1
Vin
A
Q3
D3 C3
Lr
Q2
D2 C2
iP B
Q4
D4 C4
T
Lf VDR1
Cf
VDR2 (d)开关模式3:Q4关断后滞后桥臂谐振过程
D3 C3
Q2 D2
C2
B
Lr Q4 D4
C4
Lf
T
VDr1 Cf RL
VDr2
移相全桥零电压开关PWM电路原理图
零电压转换PWM电路
L D
Is
Lr
D1
Uin
Tr
Cr
CO
RO
Tr1
零电压转换PWM电路波形图
vg
Tr
Tr1
Vo
vds
Is
ids
iL
Vo
vD
iD T0T1T2T3 T4
Is
T5T6
T0
计算出L=470uH 2.输出电容Co
计算出Co=2200uF 3.谐振电感设计Lr
计算出Lr=8.3uH 4.谐振电容Cr
计算出Cr=479pF
零电压转换PWM电路在Pspice中的 仿真分析
为了验证零电压转换PWM电路元器件参数的正确性， 在Pspice软件中进行了仿真分析。下图所示为零电压 转换PWM电路的Pspice仿真模型图。
图8－1 硬开关的开关过程
软开关：
在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开 关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。
u
u
i
i
0
t
P
0
t
a）软开关的开通过程
u i
i
u
0
t
P
0
t
b）软开关的关断过程
图8－2 软开关的开关过程
8.1.2 零电压开关和零电流开关
• 零电压开通
Iin
Tr
Iin
Cr Iin
(e)T4～T5
(f)T5～T6
(g)T6～T0
系统的总技术指标
• 输入电压：单相交流220±10%V • 输入频率：50Hz/60Hz • 输出电压：48V • 输出电流：20A • 电压调整率±2 ，纹波电压峰-峰值小于240mV • 效率大于90%，功率因数大于98% • 开关频率：f=100kHz
根据开关元件开通和关断时电压电流状态， 分为零电压电路和零电流电路两大类。 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PWM电路和 零转换PWM电路。
8.2 软开关电路的分类
分别介绍三类软开关电路
1）准谐振电路
－准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因 此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。
t
移相全桥零电压开关PWM电路理想工作波形图
Q1
D1 C1
Vin
A
Q2
D2 C2
iP
B
Q3
D3 C3
Lr
Q4
D4 C4
T
Lf VDR1
Cf
VDR2
(a)开关模式0:原边电流iP正半周功率输出过程
Q1
D1 C1
Vin
A
Q2
D2 C2
iP
B
Q3
D3 C3
Lr
Q4
D4 C4
T
Lf VDR1
Cf
VDR2 (b)开关模式1:超前桥臂谐振过程
Tr1
on
on
on
off
off
off
off
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Vds
V0
下降到0
0
0
0
上升到V0
V0
ids
0
0
＜0
上升到Is
Is
0
0
零电压转换PWM电路各个阶段等效工作原理图 D
Lr Iin
Tr1
Iin VO
Lr
Cr Tr1
(a)T0～T1
(b)T1～T2
Lr
Iin
DTr
Iin
Tr1
Tr1
Lr D1
(c)T2～T3
(d)T3～T4 D