第7章 谐振软开关技术

3）Cr 和 Lr 的设计和选用
Ui Lr 2 f r I o max
I o max Cr 2 f rU i
7.2.2 零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC）
1. 基本工作原理
VDs
Lr Lf 在ZVS QRC中， + uT 谐振电容与有源开关 iT iLr + VT 并联，谐振电感与有 + ic Cr 源开关串联。由于有 uD C R Uo VD +u Ui f Cr 谐振的作用，当谐振 iD 电容中两端电压为零 时，开关管闭合，从 而实现开关管的零电 压开通；开关管导通后，在任意时刻其两端电压可近似为零， 此时关断可实现开关管的零电压关断。 2. 工作过程分析 假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽 略电路中的损耗。
(1) [t0, t1]阶段（电容线性充电）
+
uCr Cr
变换电路的工作波形
u g1
-
Lr iLr
+ uT 1
VT2
Cr
VD 2
+
uD VD
Io
iT 1
-
Lr iLr
VT1
Ui
VT2
Cr ic
VD 2
+
uD
Io
Ui
+ uCr
-
+ uCr
VD
VD1
-
VD1
(c) [t2 , t3 ]
] (d1) [t3 , t3
+ uT 1
Io
-
+ uT 1
VT1
Ui
-
Lr iLr
+
VT2
Cr ic
由于有谐振的作用，当谐振电感 Lr 中通过的电流为零时，
开关管VT导通， 从而实现开关管零电流开通；
当VT导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，
Lr 中的电流为零时， 开关管断开， 从而实现开关管的零电流关断。
2. 工作过程分析 1）半波模式
+ uT
-
VDs
Lr iLr
+
VD
iD uCr
+ uT Io Ui
Buck多谐振开关电路等效电路
Lr iT Ui iLr
iD
Io
Lr iT Ui iLr
+ uD
Io Cd
VD
(b) [t1 , t2 ]
Cs Lr
(a) [t0 , t1 ]
Cs Lr
+u
Ui
Cs
-
iLr uD
+
Io Cd
+u
Ui
Cs
-
iLr
VD
iD
Io
(c) [t 2 , t3 ]
(d) [t3 , t4 ]
ug
iLr
Buck多谐振开关电路工作波形
t
0
Io 0 iT Io 0 iD
t
t
0
uT
t
uD
0 0
t
t0
t1
t2
t3 t 4
t
7.3 零开关PWM变换电路
7.3.1 零电流开关PWM变换电路（ZCS PWM） Buck ZCS PWM变换电路
需要作出如下几点假设：
①所有开关管、二极管均为理想器件； ②电感、电容均为理想元件； ③假定 L f 和 C f 都很大，可以等效为电压源和电流源。
VD1
+ uT 1
iT 1
-
Lr iLr ug 2
+ Lf
VT2
Cr ic
+
VT1 u g1
Ui
VD 2
VD
uD iD
Cf
+ uCr
R Uo
-
-
-
设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态， 续流二极管导通。 变换电路的等值电路
VD1
iT 1
VD1
+ uT 1
VT1
-
Lr iLr
+
VT2
VD2
uCr 2U i
uCr (t ) Ui [1 cos r (t t1 )]
Ui iLr (t ) I o sin r (t t1 ) Zr
(3) [t2, t3]阶段（电感恒流）
iLr I o
uCr 2U i
(4) [t3, t4]阶段（电容谐振放电） , t4 ]期间，负电流 iLr经VD1返回电 当t=t3时刻，驱动VT2，在 [t3 源，开关管VT1的电流 iT 1 0 且电压 uT 1 0 ，可使VT1在零电流 下关断。 (5) [t4, t5]阶段（电容线性放电） 开关管VT1已关断，续流二极管VD截止，Cr经VT2对负载 恒流放电，电容电压线性下降到零 (6) [t5, t6]阶段（续流模式） 当t=t5时刻，uCr 0 ，二极管VD导通， iD I o 当t>t5时，撤除VT2的驱动信号，则VT2也是零电流关断。
第7章 谐振软开关技术
为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效 可靠地运行，近年来研究并开始应用了软开关技术。 教学要求： （1）掌握软开关的基本概念、特性及其类型； （2）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关PWM变 换电路、零转换PWM变换电路和直流环节谐振型逆变 电路的工作原理及工作过程。
7.1 谐振软开关的基本概念
一、硬开关的开关损耗 1、典型的开关损耗
u s is Us Is is us
开通损耗：
t
Pon
1 f sU s I s ton 6
1 f sU s I s toff 6
is us
U on
P
U on I s
ton
关断损耗：
t
P off
toff
2、Buck电路中器件的开关损耗
t0 t1 t2 t3 t 4 t5
-
(a) [t0,t1 ]
t
(b) [t1,t4 ]
VDs
Lr iLr iD
t6 t
+
uD
Io
Ui
VD
(c) [t4,t5 ]
(1) [t0, t1]阶段 VT关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极 管VD两端电压线性下降。 (2) [t1, t2]阶段 VD导通，电感通过VD续流，电感、电容和二极管形成谐 振回路，t2时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。 (3) [t2, t3]阶段 iLr 改变方向，达到反向谐振峰值，uCr U i
零电压开关准谐振变换电路的等效电路
ic Cr Lr ic Io Cr
ug
+u
Ui
Cr
-
iLr
+u
Ui
Cr
-
0
uCr uT
Ui 0 iLr Io
Ts
t
(a) [t0,t1 ]
ic Cr Lr ic Cr Lr
Zr Io
+u
Ui
Cr
-
iLr
t
Io
+u
Ui
Cr
-
iLr
iD
+
uD
Io
VD
0 iT Io 0
(1) [t0 , t1 ] 阶段
uCr 0 ， iLr 在 t 0时刻，开关管 VT 开通，二极管仍处于导通态，
从零线性上升至 I o， iD I o iLr 从
I o 线性下降为零，二极管自然关断。
(2) [t1, t2 ] 阶段（谐振阶段）
Ui iLr (t ) I o sin r (t t1 ) Zr
Lr
VT
Ui
VT
VDs
iLr
iC Cr
+
uCr
Io
(a) [t0 , t1 ]
+ uT
Ui
-
(b) [t1 , t2 ]
+ uT
iC
VDs
Lr
VDs
Lr
+
Cr
Io uCr Ui
+
VD
iD uCr
Io
-
(d) [t3 , t4 ]
(c) [t2 , t3 ]
2） 全波模式
+ uT
-
Lr iLr iD
-
Lr
VD 2
+
VT2
Cr ic
VT1
uD VD Ui
VD 2
Io
+ uCr
-
+ uCr
uD VD
, Baidu Nhomakorabea4 ] (d2) [t3
VD1
Lr
-
-
(e) [t4 , t5 ]
+ uT 1
VT1
+
VT2
Cr
VD 2
Io
Ui
+ uCr
uD VD
-
-
(f) [t5 , t6 ]
变换电路的工作波形
u g1
(4) [t3, t4]阶段 iLr (t ) I o cos r (t t1 ) uCr (t ) Ui Zr Io sin r (t t1 )
(5) [t4, t5]阶段 VDs导通，电容电压被钳为零，电感电流线性衰减，直到t5 时刻，电感电流为零，这时使开关管开通为零电压下开通。
uD
+ uT 1
Io iT 1
-
Lr iLr
VT1
Ui
VT2
Cr ic
VD2
+
uD
Io
Ui
+ Cr uCr
VD
-
-
iD
+ uCr
VD
-
-
(a) [t0 , t1 ]
VD1 VD1
(b) [t1, t2 ]
(a) [t0 , t1 ]
VD1
iT 1
c
-
(b) [t1 , t2 ]
VD1
+ uT 1
VT1
VD 2
iT 1 Ui
+ uT 1
Lr + uLr
-
+ Lf
VD uD
iD Cf
③假定 L f 和 C f 都很大， 可以等效为电压源和 电流源。
VT1 u g1
+ Io
R Uo
-
-
设初始状态为主开关管VT1和辅助开关管VT2均处于导通状态， 续流二极管VD截止，电感电流 iLr I o ，电容电压 uCr 0 。
Lr iD
-
+
uCr
Io
Ui
VD
(d) [t3 , t4 ]
ug
ug
0
iLr Io Ts
t
0
iLr Io
t
Ts
t
Ui Zr
Ui Zr
t
0
uT Ui
0
uT Ui
0 uCr
t
uCr
0
t
2U i
Ui
2U i
Ui t0 t1
0
t2
t3
t4
(a) 半波模式
t
0
t0 t1
t2
tb t3
t4 t
(b) 全波模式
uCr (t ) U i [1 cos r (t t1 )]
(3)[t2 , t3 ] 阶段（电容放电）
对于半波模式，t t2 之后，使开关VT 关断，即在零电流下关断 对于全波模式，在 t t2 之后， iLr 反向流动，VDs导通，电容 Cr 经 Ds 、Lr 向电源回馈电流 (4) [t3 , t4 ] 阶段（续流时期）
1. 基本工作原理
Lr Lf Lr Lf
VT
Ui
VDs
iLr
VD
Cr +
+
uCr Cf
R Uo
VT
Ui
iLr
-
VD
Cr +
+
uCr Cf
R Uo
-
-
-
(a) 半波模式
(b) 全波模式
若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于“半 波模式”；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工 作于“全波模式”。
当t=t6时刻，VT1被驱动，开始下一个开关周期。
7.3.2 零电压开关PWM变换电路（ZVS PWM）
Buck DC/DC ZVS PWM 变换电路 为了简化分析，在以 下的分析中假设： ①所有开关管、二极 管均为理想器件； ②电感、电容均为理 想元件；
+ Cr
uCr
-
ug 2 VT2
VD1
iLr
uVT iVT Ud
uVT
Io
iVT uVT
iVT Io ton
Ud
VT
VD
toff
t
1 P f sU d I oton on 2
1 Poff f sU d Iotoff 2
Buck电路中器件的开 关损耗更为严重
二、软开关特性 1、零电压开通、零电流关断
ug
uVT iVT uVT
2、软开通、软关断
+
uCr
+ uT
Io Ui
-
Lr iLr iC Cr
VT
Ui
VT
VD
+ uCr
Io
(a) [t0 , t1 ]
VDs
+ uT
-
(b) [t1 , t2 ]
+ uT
Ui
-
Lr iLr iC Cr Io
-
Lr iC
-
+ uCr
Ui
Cr
+ uCr
Io
-
(c1) [t2 , tb ]
+ uT
(c2) [tb , t3 ]
0 ug 2 0
iLr Io
t t
0
uCr Ui
t
0 uT 1
Ui
t
0 uT 2
Ui
t
0
t0 t1
t2
t3 t3
t 4 t5
t6
t
(1) [t0, t1]阶段（电感线性充电）
在t=t0时刻，VT1导通，电感电流线性上升，续流二极管 的电流线性下降，当t=t1时刻， 续流二极管自然关 iLr I o 断。 (2) [t1, t2]阶段（电容谐振充电） 在t1<t<t2期间，VD2导通，电源经VT1、Lr、VD2对Cr谐振 充电。 当t=t2时刻， iLr I o
ug
uVT iVT u VT
0
0
iVT
t
iVT
t t t
0
t
0 P 0
Pon
Poff
三、谐振软开关电路的类型 1、准谐振与多谐振变换电路 2、零开关PWM变换电路 3、零转换PWM变换电路
4、直流环节谐振型逆变电路（RDCLI）
7.2 准谐振与多谐振变换电路 7.2.1 零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）
iLr I o 二极管截止，电源对负载供电。 (6) [t5, t6]阶段 VT为通态，
7.2.3 零电压开关多谐振变换电路（ZVS MRC）
+
Cs
uT + iT VT
- u -
Cs
Lr iLr uD
Lf
+
iD Cd
+
Cf
R
Ui
VD
Uo
iLr I o
-
-
(1) [t0, t1]阶段(Lr充电)
uT uCs 0 ，开关管在零电压条件下导通，电感电流线 在t=t0时刻， 性增长，直到 iLr I o
(2) [t1, t2]阶段(Lr-Cd谐振——第一次谐振)
二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次振）， 相当于ZCS QRC的谐振阶段，
(3) [t2, t3]阶段(Lr-Cd-Cs谐振——第二次谐振) 在t=t2时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次振） (4) [t3, t4]阶段(Lr-Cs谐振——第三次谐振) 在t=t2时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进 入谐振状态(第三次振)，相当于ZVS QRC的谐振阶段。