第八章 电力电子技术软开关技术
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—电力电子技术—
S VD
Lr S Cr
L VD
Cr1 Lr S Cr2 L VD
8.2软开关电路的分类
优势
开关损耗和开关噪声都大大下降
问题
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交换，造 成电路导通损耗加大 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，则只能采用脉冲 频率调制方式来控制
工作原理
1. 零电压开关谐振电路
t2~t3 ——t2后，Cr向Lr放电，iLr变向，uCr下降 ——t3时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐
—电力电子技术—
8.2软开关电路的分类
分类
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
根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关 PWM电 C L L 路和零转换PWM电路
r r
准谐振电路 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 用于逆变器的谐振直流环节 准谐振——电路中电压或电流的波形 为正弦半波
Cr S Ui S1 Lr VD a) C R L S Ui Lr S1 Cr b) VD C R L
零电压开关PWM电路
—电力电子技术—
零电流开关PWM电
8.2软开关电路的分类
零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开 关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽 输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状 态，无功功率交换被削减到最小 零电压转换PWM电路
2. 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，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 与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗 零电流开通 与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗 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，靠电路中的谐振来实现。
uS (uCr)
O
t t t t t
u u u i
i t t
a)
u i i 0 P 0
源自文库b)
u
u t t
iS
O
O iLr O uVD
0 P
0
t0 t0 t1 t2 t3t4t5 t6 a) b) 降压型零电压开关准谐振电路及理想波形
O
—电力电子技术—
软开关导通和关断过程中实际电压和电流
8.1软开关的基本概念
d uCr I L dt Cr
t t t
O
uVD
O
t1~t2 ——t1时，VD导通，L续流，Cr、Lr、Ui
t
t 0 t 1 t2 t 3 t 4 t5 t 6 t0
形成谐振回路，Lr对Cr充电，uCr上升，iLr 下降 ——t2时，iLr下降到0，uCr达到谐振峰值 —电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
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
—电力电子技术—
8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
硬开关
开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗 电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声 当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并 不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著
软开关 增加了Lr、Cr，与L、C相比小得多，S增加了反并联VDS 软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路)——使开通前电压先 降到零，关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减 小甚至消除开关损耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化 率，也减小开关噪声
关断过程 开通过程
S
Cr S Lr VDS Ui VD C R A L
—电力电子技术—
8.2软开关电路的分类
零开关PWM电路
引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于 开关过程前后 零电压开关PWM电路 零电流开关PWM电路 同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿 和下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频 率固定的PWM控制方式
关断过程 开通过程 S O uS O iS R O uVD O a) t0 t1 b) t t t t L
S
u u i 0 P 0
a)
i
t t
u i 0 P 0
i
u
Ui
VD
C
b)
硬开关降压型电路及理想波形
—电力电子技术—
硬开关导通和关断过程中实际电压和电流
8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
本章主要内容
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 8.4软开关技术新进展
—电力电子技术—
概述
现代电力电子装置的发展趋势
小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求
电力电子电路的高频化
是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的 最直接途径 开关损耗增加，电磁干扰增大
零电流转换PWM电路
Lr Cr S 1 S VD1 a) L VD C S VD1 b) Lr Cr S1 L VD R
Ui
R
Ui
C
零电压转换PWM电路
零电流转换PWM电 路 —电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
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
t t t t
t
t 0 t 1 t2 t 3 t 4 t5 t 6 t0
—电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
工作原理
1. 零电压开关谐振电路
S
O
u S( uC r )
iS
iLr
O
O
Ui
t
Ui
t0~t1 ——Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr
线性上升，uVD下降 ——t1时，uVD=0，VD导通，uCr上升率
—电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
电路构成 降压型电路 L和C很大，等效为电流源和电压源， 并忽略电路中损耗 S O 工作原理 u S( uC r ) 以S关断时刻为分析起点 O iS t0~t1
O ——t0前，S导通，VD断态,uCr=0,iLr=IL ——t0时，S关断，Cr使S关断后电压上升 iLr O 减缓，则S关断损耗减小，S关断后，VD uVD 未导通 O
S VD
Lr S Cr
L VD
Cr1 Lr S Cr2 L VD
8.2软开关电路的分类
优势
开关损耗和开关噪声都大大下降
问题
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交换，造 成电路导通损耗加大 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，则只能采用脉冲 频率调制方式来控制
工作原理
1. 零电压开关谐振电路
t2~t3 ——t2后，Cr向Lr放电，iLr变向，uCr下降 ——t3时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐
—电力电子技术—
8.2软开关电路的分类
分类
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
根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关 PWM电 C L L 路和零转换PWM电路
r r
准谐振电路 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 用于逆变器的谐振直流环节 准谐振——电路中电压或电流的波形 为正弦半波
Cr S Ui S1 Lr VD a) C R L S Ui Lr S1 Cr b) VD C R L
零电压开关PWM电路
—电力电子技术—
零电流开关PWM电
8.2软开关电路的分类
零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开 关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽 输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状 态，无功功率交换被削减到最小 零电压转换PWM电路
2. 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，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 与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗 零电流开通 与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗 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，靠电路中的谐振来实现。
uS (uCr)
O
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源自文库b)
u
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t0 t0 t1 t2 t3t4t5 t6 a) b) 降压型零电压开关准谐振电路及理想波形
O
—电力电子技术—
软开关导通和关断过程中实际电压和电流
8.1软开关的基本概念
d uCr I L dt Cr
t t t
O
uVD
O
t1~t2 ——t1时，VD导通，L续流，Cr、Lr、Ui
t
t 0 t 1 t2 t 3 t 4 t5 t 6 t0
形成谐振回路，Lr对Cr充电，uCr上升，iLr 下降 ——t2时，iLr下降到0，uCr达到谐振峰值 —电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
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
—电力电子技术—
8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
硬开关
开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗 电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声 当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并 不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著
软开关 增加了Lr、Cr，与L、C相比小得多，S增加了反并联VDS 软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路)——使开通前电压先 降到零，关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减 小甚至消除开关损耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化 率，也减小开关噪声
关断过程 开通过程
S
Cr S Lr VDS Ui VD C R A L
—电力电子技术—
8.2软开关电路的分类
零开关PWM电路
引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于 开关过程前后 零电压开关PWM电路 零电流开关PWM电路 同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿 和下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频 率固定的PWM控制方式
关断过程 开通过程 S O uS O iS R O uVD O a) t0 t1 b) t t t t L
S
u u i 0 P 0
a)
i
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u i 0 P 0
i
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Ui
VD
C
b)
硬开关降压型电路及理想波形
—电力电子技术—
硬开关导通和关断过程中实际电压和电流
8.1软开关的基本概念
1. 硬开关和软开关
本章主要内容
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 8.4软开关技术新进展
—电力电子技术—
概述
现代电力电子装置的发展趋势
小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求
电力电子电路的高频化
是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的 最直接途径 开关损耗增加，电磁干扰增大
零电流转换PWM电路
Lr Cr S 1 S VD1 a) L VD C S VD1 b) Lr Cr S1 L VD R
Ui
R
Ui
C
零电压转换PWM电路
零电流转换PWM电 路 —电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
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
t t t t
t
t 0 t 1 t2 t 3 t 4 t5 t 6 t0
—电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
工作原理
1. 零电压开关谐振电路
S
O
u S( uC r )
iS
iLr
O
O
Ui
t
Ui
t0~t1 ——Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr
线性上升，uVD下降 ——t1时，uVD=0，VD导通，uCr上升率
—电力电子技术—
8.3典型的软开关电路
1. 零电压开关谐振电路
电路构成 降压型电路 L和C很大，等效为电流源和电压源， 并忽略电路中损耗 S O 工作原理 u S( uC r ) 以S关断时刻为分析起点 O iS t0~t1
O ——t0前，S导通，VD断态,uCr=0,iLr=IL ——t0时，S关断，Cr使S关断后电压上升 iLr O 减缓，则S关断损耗减小，S关断后，VD uVD 未导通 O