电力电子 软开关技术

t t
0
a)
硬开关的开通过程
硬开关的关断过程
4
软开关
在原开关电路中增加很小的电感、电容等 谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过 程前后引入谐振过程，开关开通前电压降 为零，或关断前电流降为零，可消除开关 过程中中电压、电流的重叠，减小甚至消 除损耗和开关噪声 u u i
i
P 软开关的开通过程
P 软开关的关断过程
Ui
S
Cr
●它用一个开关S就可使 逆变桥中所有的开关工作 在零电压开通的条件下
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16
7.2 谐振变换电路基础
7.2.1 RLC串联谐振电路
7.2.2 RLC并联谐振电路 7.2.3 电压型串联谐振逆变电路
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7.2.1 RLC串联谐振电路


I R
j L
1 j C


I
U
U
G
1 j C
j L
dt d uC r dt
t t1
uC r U i iL r t [t1 , t 4 ]
t t1
uC r
U i , iL r
IL
27
零电压开关准谐振电路波形
Cr S Ui VDs
Lr
A
L
C
IL
R
VD
● t4~t5时段： iLr<0 ,VDS 导通 uCr被箝位于零，Lr两端电压为 Ui，iLr线性衰减，直到t5时刻， iLr=0
10
准谐振
准谐振电路中电压或电 流的波形为正弦半波
优点 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降 ●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，电路 只能采用脉冲频率调制方式来控制
11
缺点
通后电流上升的速度，降低开通损耗
6
7.1.2 谐振变换电路的分类及特点
根据是零电压开通还是零电流关断 零电压电路 零电流电路
全谐振型电路 准谐振电路 根据软开关技术发展的历程 零开关PWM电路 零转换PWM电路
谐振型直流环节逆 变电路。
7
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
电阻R上的电压VR等于电源电压，R、L、C串联电路 电流最大，电流为正弦波且与电源电压同相；
电阻R上的功率（即输出wenku.baidu.com率）最大。
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软开关电路主要利用LC谐振电路的振荡特性。 i L C
u s Ri L di uC dt
R
us
+ uC -
du C iC dt
d 2uC duC us LC 2 RC uC dt dt
3．零开关PWM电路
分为 零电压开关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
零电流开关PWM电路
Cr S1 S Lr VD
a）
L
Lr
S S1 Cr
b）
L
VD
a）零电压开关PWM电路基本开关单元
b）零电流开关PWM电路基本开关单元
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零开关PWM电路
优点 电压和电流基本是方波
S
Lr A
L
t t
Ui
VDs
VD
C
R
零电压开关准谐振电路 原理图 假设电感L和电容C很大， 可等效为电流源和电压源， 并忽略电路中的损耗 开关电路的工作过程按开 关周期重复
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零电压开关准谐振电路 的理想化波形
Cr
S Ui VDs Lr A L C
IL
R
设t0时刻之前，S导通，VD为断态
uCr=0，iLr=IL
零电压开关准谐振电路波形
uC r
t t1
U i , iL r
t t1
IL ,
t [t1 , t4 ]
31
t1~t4时段的谐振过程定量分析
+ Ui uCr iLr
电路方程：
L d iL r
r
Cr
VD
9
2． 准谐振电路 分为
软开关技术的一次飞跃
零电压开关准谐振电路 零电流开关准谐振电路 零电压开关多谐振电路
Cr Lr S VD
a）
C r1
L Lr L VD
b）
L r
S
L
VD
c）
S
Cr
C r2
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元
VD
S
零电压开关准谐振电路原理图
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t t
VD
t5~t6时段等效电路
t t
iLr线性上升， 直到t6时刻，iLr=IL，VD关断 ●t4到t6时段电流iLr的变化率为
零电压开关准谐振电路波形
d i Lr Ui dt Lr
Cr
VD
t t
t1~t2时段等效电路
t
零电压开关准谐振电路波形
●谐振过程中，Lr对Cr充 电uCr 不断上升， iLr 不断 下降，t2时刻， iLr下降到 零，uCr达到谐振峰值
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Cr
S Ui VDs Lr A L C
IL
R
VD
●t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr 放电， iLr改变方向，uCr不断 下降，直到t3时刻，uCr=Ui，Lr 两端电压为零，iLr达到反向谐 振峰值
uVD
零电压开关准谐振电路波形
t0~t1时段等效电路
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Cr
S Ui VDs Lr A L C
IL
R
VD
● t1~t2时段：t1时刻二极 管VD导通，电感L通过 VD续流，Cr、Lr、Ui形成 谐振回路
+ Ui uCr iLr
零电压开关准谐振电路原理图
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t
uC
1
振荡条件：
R 2C 2 4 LC 0
单位阶跃输入响应
20
7.2.2 RLC并联谐振电路
阻抗Z(S)：
S Q 0 Z ( s) R 2 S S 1 0 2 Q0
RLC并联谐振电路
●谐振角频率：0 1
LC
当ω=ω0并联谐振时，感抗和容抗相等，Z（S）=R 发生谐振时， Z（S）=R ，L，C相当于开路 电抗电流、电容电流均为负载电阻R电流的Q倍。
零电压开关准谐振电路原理图
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t t
t4~t5时段： uCr=0
t
VDs
t
VD
t4~t5时段等效电路
零电压开关准谐振电路波形
在t4~t5时段开通S!
28
Cr S Ui VDs
Lr
A
L
C
IL
R
●t5~t6时段：S为通态
29
Cr S Ui VDs
Lr
A
L
C
IL ●t6~t0时段：S为通态，VD为断态
R
VD
零电压开关准谐振电路原理图
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t t
t t
t6~t0时段等效电路
零电压开关准谐振电路波形
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Cr
S Ui VDs Lr A L C
1 R(0 C ) R /(0 L) Q——品质因数： Q R / 0 C
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7.3 准谐振DC/AC电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路
7.3.2 零电流关断准谐振电路
22
7.3.1 零电压开关准谐振电路
Cr
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t t
5
损耗=0 条件 零电压开关（零电压开通） 使开关开通前其
两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声 零电流开关（零电流关断） 使开关关断前其
电流为零，则开关关断时也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
断后电压上升的速度，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
S
L VD
S
L VD
L S
VD L S VD
a)
b)
a）基本开关单元
c)
b）降压斩波器中的基本开关单元
d)
c）升压斩波器中的基本开关单元
d）升降压斩波器中的基本开关单元
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1． 全谐振型电路 分为
负载R与LC组成的负载谐振型
变换电路
串联谐振变换电路 并联谐振变换电路 特点 ●在谐振型变换电路中，谐振元件在整个开关周 期中一直谐振工作，参与能量变换的全过程。 ●该变换电路输出性能与负载关系很大，对负载 的变化很敏感，一般采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation—PFM）方法调节输出 电压和输出功率 ●滤波电路参数难于选择，并且电路稍显复杂。
在开关器件开通和关断时，开 关器件工作在零电压或零电流 开关方式；其余时间，开关器 件工作在PWM状态
开关器件承受的电压较低。
电路可采用开关频率固定的PWM控制 缺点 ●仍要承受高于输入电源的电压
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4． 零转换PWM电路 分为 零电流转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振的 开始时刻，谐振电路是与 主开关并联
零电压转换PWM电路
Lr Cr S1 S VD1
a)
Lr
Cr S VD1
S1
L VD
L
VD
b)
a）零电压转换PWM电路基本开关单元
b）零电流转换PWM电路基本开关单元
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零转换PWM电路在保留零开关PWM电路的优 点基础上，还有如下特点：
● 实现软开关的同时不增加开关器件的电压电流应力； ● 输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小； ● 电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能 工作在软开关状态；开关损耗最小。
+
t
零电压开关准谐振电路原理图
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t
uCr
iLr
Cr Ui
t t
VD
t2~t4时段等效电路
零电压开关准谐振电路波形
●t3~t4时段：t3时刻以后，Lr向 Cr反向充电，uCr继续下降，直 到t4时刻uCr=0
●t0时刻S关断，与其并联的电容 零电压开关准谐振电路原理图 Cr使S关断后电压上升减缓，因 此S的关断损耗减小。S关断后， S t O u (u ) t1时刻之前，VD仍关断
S Cr
VD
O iS O iLr O uVD
t t
●到t1时刻，uVD=0, 此后VD导通
+ uCr A IL
t
Cr Ui
t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0
● 与以往软开关技术相比，零转换PWM技术更适合高 电压、大功率的变换电路。
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5．谐振型直流环节逆变电路
谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间 直流环节（DC-Link）。它通过在直流环节中引入谐振， 使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下
Lr
VD
S
●用于电压型逆变器的谐 振直流环电路
2
7.1 谐振变换电路概论
7.1.1 硬开关与软开关 7.1.2 谐振变换电路的分类及特点
3
7.1.1 硬开关与软开关
硬开关
开关过程中电压、电流均不为零， 出现重叠，导致开关损耗 电压和电流的变化很快，波形出 现明显的过冲，导致开关噪声
i u i 0 P 0 b) u i
u i 0 P
u
t t
26
Cr S Ui VDs
+
uCr
iLr
Lr
A
L
C
IL
Ui
Cr
VD
VD
R
t1~t4时段等效电路
零电压开关准谐振电路原理图
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t t
● t1到t4时段电路谐振过程
的方程为
t t
Lr Cr
d iL r
RLC串联谐振电路
含有动态元件的正弦稳态电路，当等效电抗X＝ 0，即电压与电流同相，电路呈电阻性。电路的这 种特殊现象（工作状态）称为谐振。发生谐振时的 电源频率称为电路的谐振频率。
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ω0为R、L、C串联电路的谐振电路的谐振角频率： 0
1 LC
当ω=ω0时，感抗ω0L等于容抗，R、L、C串联电 路阻抗最小：Z0=R, 最大导纳；
IL
R
t1~t4时段的谐振过程定量分析
+ Ui uCr iLr Cr
VD
VD
零电压开关准谐振电路原理图
S O uS (uCr) O iS O iLr O uVD t O t0t1 t2 t3t4 t5t6 t0 t t
t1~t4时段等效电路
t t
电路方程： d iL r Lr uC r U i dt d uC r Cr iL r dt
第7章 软开关技术
7.1 谐振变换电路概论
7.2 谐振变换电路基础
7.3 准谐振DC/AC电路 7.4 移相全桥型零电压开关PWM电路
7.5 零电流转换PWM DC/DC变换电路
7.6 零电压转换PWM DC/DC变换电路
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本章内容
介绍典型谐振变换电路的特点和工作原理。
主要内容包括软开关技术的基本概念、谐振 变换电路的分类和特点；谐振电路的基本理 论及电压型串联谐振变换电路分析；准谐振 电路；移相全桥型零电压开关PWM电路的原 理；Boost型零转换PWM DC/DC 变换电路的 特点、工作原理和设计方法。