软开关技术课件

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 i 0 P 0 u u i t t u t t
i
i
0 P 0
a）软开关的开通过程
b）软开关的关断过程
图8－2 软开关的开关过程
8.1.2
• 零电压开通
8.2
软开关电路的分类
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。
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。
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
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
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
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 Vin A Q3
Q2 D1 C1
D2 B
Hale Waihona Puke Baidu
C2
Lr D3 C3
Q4 D4
C4
Lf T VDr1 VDr2 移相全桥零电压开关PWM电路原理图 Cf RL
Iin
Lr
D
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
第8章 软开关技术
引言
8.1
8.2
软开关的基本概念
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。
Q2 D1 C1
D2 B
C2
Lr D3 C3
Q4 D4
C4
Lf T VDr1 VDr2 移相全桥零电压开关PWM电路原理图 Cf RL
零电压转换PWM电路
L D Is Lr
Uin
D1 CO RO
Tr
Cr Tr1
零电压转换PWM电路波形图
vg Tr Tr1 vds ids iL vD iD T0T1T2T3 T4 T5T6 Vo Is T0 Is Vo
Q1 Vin Q3 A
D1 C1
Q2
D2 C2 B D4 C4 VDR1 Lf
iP
D3 C3 Lr Q4 T
Cf
VDR2 (d)开关模式3:Q4关断后滞后桥臂谐振过程
Q1 Vin Q3 A
D1 C1
Q2
D2 C2 B D4 C4 VDR1 Lf
iP
D3 C3 Lr Q4 T
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。
零电压转换PWM电路一周期内各 运行模式分析
模式 时间段 特征 Tr Tr1 Vds ids 1 2 3 4 5 6 7 T6 ～ T0
续流 off off V0 0
T0 ～ T1 T1 ～ T2 T2 ～ T3 iLr线形上升
off on V0 0 谐振 off on 下降到0 0 ZV开通 off → on on 0 ＜0
8.3
8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4
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
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
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。
零电压开关和零电流开关
–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。
T3 ～T4 T4～T5 T5 ～ T6 iLr下降
on off 0 上升到Is
ids恒流
on off 0 Is
Cr线形充电
off off 上升到V0 0
零电压转换PWM 电路各个阶段等效工作原理图 D
Lr Iin Tr1 (a)T0～T1 Lr DTr Tr1 (c)T2～T3 (d)T3～T4 Iin Tr1 D1 (b)T1～T2 VO Iin Lr Cr Tr1
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。 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。
U Q1 Q4 Ip VAB t Vrect t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t Q3 Q2 Q1 Q4 t t
移相全桥零电压开关PWM电路理想工作波形图
Q1 Vin Q3 A
D1 C1
Q2
D2 C2 B
iP
D3 C3 Lr Q4 T
D4 C4 VDR1 Lf
Cf
VDR2 (a)开关模式0:原边电流iP正半周功率输出过程

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 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
移相全桥零电压开关PWM电路在Pspice中的仿真模型图
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PWM电路驱动波形图
输出直流电压波形图
8.1
8.1.1 8.1.2
软开关的基本概念
硬开关和软开关 零电压开关和零电流开关
8.1.1
硬开关：
硬开关和软开关
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。
u i 0 P 0 u
u
i t t
i 0 P 0
i
u
a）硬开关的开通过程
b）硬开关的关断过程
功率开关驱 动电路
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
UC3855A
UC3875
高功率因数校正软开关AC/DC 变换主电路
L D Is Lr Vac Tr Cr Tr1 D1 CO RO
零电压转换PWM电路
L D Is Lr
Uin
D1 CO RO
Tr
Cr Tr1
Q1 Vin A Q3
Q1 Vin Q3 A
D1 C1
Q2
D2 C2 B
iP
D3 C3 Lr Q4 T
D4 C4 VDR1 Lf
Cf
VDR2 (b)开关模式1:超前桥臂谐振过程
Q1 Vin Q3 A
D1 C1
Q2
D2 C2 B
iP
D3 C3 Lr Q4 T
D4 C4 VDR1 Lf
Cf
RL
VDR2 (c)开关模式2:iP正半周钳位续流过程