软开关技术课件
合集下载
第8讲软开关技术-PPT精选
移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关 电路之一，它的特点是电路简单。同硬开 关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感， 就使四个开关均为零电压开通。
移相全桥零电压开关PWM电路
第八讲 谐振软开关技术
22
移相全桥型零电压开关PWM电路
S1
电路控制方式的特点：
O S2
t
在开关周期TS内，每个开关导
O S4
S1
工作过程：
O
t
S2
t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻
O S4
t
S1关断。
O S3
t
t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，电
O u AB
t
容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回
O
t
路， uA不断下降，直到uA=0，VDS2 u Lr
导通，电流iLr通过VDS2续流。
O i Lr
t
t2~t3时段：t2时刻开关S2开通，由于 O
t
此时其反并联二极管VDS2正处于导 u T1
通状态，因此S2为零电压开通。
O uR
t
O
iL
t
O
t
i VD1
O i VD2
t
O
移相全桥电路在t0~t1阶段的等效电路
第八讲 谐振软开关技术
t8 t9 t0
t1 t2 t3 t4 t5
t6 t7 t8 t9 t0
t t0
零电压开关准谐振电路的理想波形
第八讲 谐振软开关技术
16
零电流开关准谐振电路
阶段④
(t3 ~ t4 )
阶段①
(t0 ~ t1 )
阶段③
(t2 ~ t3 )
阶段②
移相全桥零电压开关PWM电路
第八讲 谐振软开关技术
22
移相全桥型零电压开关PWM电路
S1
电路控制方式的特点：
O S2
t
在开关周期TS内，每个开关导
O S4
S1
工作过程：
O
t
S2
t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻
O S4
t
S1关断。
O S3
t
t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，电
O u AB
t
容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回
O
t
路， uA不断下降，直到uA=0，VDS2 u Lr
导通，电流iLr通过VDS2续流。
O i Lr
t
t2~t3时段：t2时刻开关S2开通，由于 O
t
此时其反并联二极管VDS2正处于导 u T1
通状态，因此S2为零电压开通。
O uR
t
O
iL
t
O
t
i VD1
O i VD2
t
O
移相全桥电路在t0~t1阶段的等效电路
第八讲 谐振软开关技术
t8 t9 t0
t1 t2 t3 t4 t5
t6 t7 t8 t9 t0
t t0
零电压开关准谐振电路的理想波形
第八讲 谐振软开关技术
16
零电流开关准谐振电路
阶段④
(t3 ~ t4 )
阶段①
(t0 ~ t1 )
阶段③
(t2 ~ t3 )
阶段②
《软开关技术》课件
03
CHAPTER
软开关技术在不同领域的应 用
电力电子领域
软开关技术介绍
在电力电子领域，软开关技术是一种用于控制开关电源的先进技术。它通过在开关过程中引入谐振原 理，实现了开关器件的零电压或零电流开通与关断，从而减小了开关损耗和电磁干扰，提高了电源的 效率。
应用实例
在逆变器、直流-直流转换器、不间断电源等电力电子设备中，软开关技术被广泛应用于减小开关损耗 、提高电源效率、降低电磁干扰等方面。
智能电网
在智能电网建设中，软开关技术将发挥重要作用，保障电网的稳定 运行和节能减排。
轨道交通
在轨道交通领域，软开关技术的应用将提升列车运行的稳定性和安 全性。
产业前景
市场规模
随着软开关技术的广泛应用，其 市场规模将不断扩大，吸引更多 企业投入研发和生产。
产业链完善
软开关技术的产业链将逐渐完善 ，形成完整的研发、生产、销售 和服务体系。
降低电磁干扰有助于提高电子设备的性能稳定性，减少对周 围其他设备的干扰，同时也符合现代电子产品绿色环保的要 求。
延长设备寿命
软开关技术能够减小开关过程中产生的应力，从而降低对设备中元器件的损耗， 延长了设备的使用寿命。
设备寿命的延长有助于减少维修和更换成本，同时也减少了电子废弃物的产生， 有利于环境保护。
元器件选择
01
02
03
电力电子器件
如绝缘栅双极晶体管（ IGBT）、功率MOSFET等 ，具有高耐压、大电流、 低导通电阻等优点。
无源元件
如电容、电感等，用于实 现能量的储存和转换。
控制电路
用于产生控制信号，调节 开关的导通和关断时间。
电路设计
01
02
《软开关技术cll》课件
软开关技术在设计和实施中面临的挑战包 括高频特性、温度管理、成本效益等方面。
软开关技术的未来发展
1
趋势分析
软开关技术将继续发展，越来越多
可能的创新方向
2
的领域将采用软开关技术作为标准 解决方案。
未来软开关技术的发展方向包括功
率密度的提高、智能控制系统的应
用和新型材料的研发等。
软开关技术的案例研究
软开关技术的原理
1 工作原理
2 相关理论解释
软开关技术通过控制电力电子器件的开 关瞬间，实现能量在电路中的平滑转移， 实现高效能量的调节和转换。
软开关技术基于电路的谐振特性和电流 /电压波形控制原理，通过与传统开关 技术的对比分析，提供更好的性能和效 率。
软开关技术的应用领域
通信领域
软开关技术在通信设备中 的应用，可以提高设备效 率和可靠性，并减少能耗。
《软开关技术cll》PPT课 件
本功应用案例。欢迎大家学习和探索这一领域的知识。
什么是软开关技术?
1 简介
2 定义
软开关技术是一种在电路中实现开关操 作的方法，通过控制元件的导通和截止 状态来实现信号的处理。
软开关技术是一种基于电力电子元件和 控制算法的开关操作方法，广泛应用于 各个领域。
成功应用案例
某通信设备制造商采用软开关技术，实现设备 的高效能量调节，提高稳定性和可靠性。
相关研究论文
多项研究论文探讨了软开关技术在工业生产中 的应用，提供了技术支持和改进方向。
结论和目前的进展
软开关技术是一种重要的电力电子技术，具有广泛的应用前景。目前，软开关技术在各个领域正 在不断取得进展，并为未来的发展奠定基础。
工业领域
工业生产中的大功率开关 操作，可以通过软开关技 术实现更高的能量利用率 和更精确的控制。
软开关技术的未来发展
1
趋势分析
软开关技术将继续发展，越来越多
可能的创新方向
2
的领域将采用软开关技术作为标准 解决方案。
未来软开关技术的发展方向包括功
率密度的提高、智能控制系统的应
用和新型材料的研发等。
软开关技术的案例研究
软开关技术的原理
1 工作原理
2 相关理论解释
软开关技术通过控制电力电子器件的开 关瞬间，实现能量在电路中的平滑转移， 实现高效能量的调节和转换。
软开关技术基于电路的谐振特性和电流 /电压波形控制原理，通过与传统开关 技术的对比分析，提供更好的性能和效 率。
软开关技术的应用领域
通信领域
软开关技术在通信设备中 的应用，可以提高设备效 率和可靠性，并减少能耗。
《软开关技术cll》PPT课 件
本功应用案例。欢迎大家学习和探索这一领域的知识。
什么是软开关技术?
1 简介
2 定义
软开关技术是一种在电路中实现开关操 作的方法，通过控制元件的导通和截止 状态来实现信号的处理。
软开关技术是一种基于电力电子元件和 控制算法的开关操作方法，广泛应用于 各个领域。
成功应用案例
某通信设备制造商采用软开关技术，实现设备 的高效能量调节，提高稳定性和可靠性。
相关研究论文
多项研究论文探讨了软开关技术在工业生产中 的应用，提供了技术支持和改进方向。
结论和目前的进展
软开关技术是一种重要的电力电子技术，具有广泛的应用前景。目前，软开关技术在各个领域正 在不断取得进展，并为未来的发展奠定基础。
工业领域
工业生产中的大功率开关 操作，可以通过软开关技 术实现更高的能量利用率 和更精确的控制。
第8章软开关技术88236-PPT文档资料
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。
零转换PWM电路可以分为：
零电压转换PWM电路（Zero-
Voltage-Transition PWM Converter—ZVT PWM）
a）零电压转换PWM电路 的基本开关单元
零电流转换PWM电路（Zero-Current
Transition PWM Converter—ZVT PWM）
中。
– t0~t5是开关周期的一
半，另一半工作过程 完全对称。
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
零电7压.转3换.4PWM零电路电具压有电转路简换单P、W效率M高等电优路点。
1）工作过程：
辅助开关S1超前于主开关S开通，S开 通后S1关断。
– t0~t1时段：，S1导通，VD尚处于通 态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线
图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路
7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM 电路
1）移相全桥电路控制方式 的特点：
在个开开关关周导期通TS时内间，都每 略小于TS/2，而关断 时间都略大于TS/2； 同一半桥中两个开 关不同时处于通态， 每个开关关断到另 一个开关开通都要 经过一定的死区时 间。
2）零7开.2关PW软M电开路 关电路的分类
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。
零开关PWM电路可以分为：
零电压开关PWM电路（Zero-VoltageSwitching PWM Converter—ZVS PWM） 零电流开关PWM电路（Zero-CurrentSwitching PWM Converter—ZCS PWM）
– t2~t3时段：uCr被箝位于零， 而电流iLr保持不变，这种状态 一直保持到t3时刻S开通、S1
《软开关技术》课件
通过在开关管串联电感来实现软开关。
混合型软开关电路
结合电压型和电流型电路的特点，实现更高效的软开关。
控制策略
恒定电压控制
保持输出电压恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒定电流控制
保持输出电流恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒功率控制
保持输出功率恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
软开关技术
CATALOGUE
目 录
• 软开关技术概述 • 软开关技术的优点 • 软开关技术的应用领域 • 软开关技术的实现方式 • 软开关技术的发展趋势 • 软开关技术的前景展望
01
CATALOGUE
软开关技术概述
软开关技术的定义
软开关技术是指在电力电子变换器中 ，利用控制技术实现功率开关管的零 电压开通和零电流关断的一种新型开 关技术。
01
通过调节脉冲宽度来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲频率调制（PFM）
02
通过调节脉冲频率来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲相位调制（PPM）
03
通过调节脉冲相位来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
电路拓扑结构
电压型软开关电路
通过在开关管两端并联电容来实现软开关。
电流型软开关电路
高效率的电源能够减小散热需求，降低散热成本，同时减小电源体积和重 量，提高电源的便携性和可靠性。
降低电磁干扰
01
软开关技术能够减小开关过程 中电压和电流的突变，从而降 低电磁干扰(EMI)。
02
降低电磁干扰有助于提高电子 设备的电磁兼容性(EMC)，使 其在复杂电磁环境中稳定工作 。
03
降低电磁干扰还可以减小对周 围电子设备的干扰，提高整个 系统的稳定性。
混合型软开关电路
结合电压型和电流型电路的特点，实现更高效的软开关。
控制策略
恒定电压控制
保持输出电压恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒定电流控制
保持输出电流恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒功率控制
保持输出功率恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
软开关技术
CATALOGUE
目 录
• 软开关技术概述 • 软开关技术的优点 • 软开关技术的应用领域 • 软开关技术的实现方式 • 软开关技术的发展趋势 • 软开关技术的前景展望
01
CATALOGUE
软开关技术概述
软开关技术的定义
软开关技术是指在电力电子变换器中 ，利用控制技术实现功率开关管的零 电压开通和零电流关断的一种新型开 关技术。
01
通过调节脉冲宽度来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲频率调制（PFM）
02
通过调节脉冲频率来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲相位调制（PPM）
03
通过调节脉冲相位来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
电路拓扑结构
电压型软开关电路
通过在开关管两端并联电容来实现软开关。
电流型软开关电路
高效率的电源能够减小散热需求，降低散热成本，同时减小电源体积和重 量，提高电源的便携性和可靠性。
降低电磁干扰
01
软开关技术能够减小开关过程 中电压和电流的突变，从而降 低电磁干扰(EMI)。
02
降低电磁干扰有助于提高电子 设备的电磁兼容性(EMC)，使 其在复杂电磁环境中稳定工作 。
03
降低电磁干扰还可以减小对周 围电子设备的干扰，提高整个 系统的稳定性。
电力电子课件西安交大第8章软开关技术
03
软开关技术能够提高装置的抗电磁干扰能力，保证装置 在复杂电磁环境下的稳定运行。
04 软开关技术的实际应用案例
基于软开关技术的电源设计
开关电源
软开关技术应用于开关电源中，能够降低开关损耗，提高电源效 率，减小体积和重量。
不间断电源
在UPS（不间断电源）中应用软开关技术，可以改善输出电压的波 形，提高供电质量。
谢谢聆听
伺服系统
伺服系统中应用软开关技术，可以减 小系统体积和重量，提高伺服系统的 动态性能和稳定性。
基于软开关技术的电力电子变压器
1 2 3
固态变压器
软开关技术在固态变压器中得到广泛应用，能够 实现高效、灵活的电能转换和传输。
分布式电源系统
在分布式电源系统中，软开关技术可以提高电力 电子变压器的转换效率和可靠性，减小系统的体 积和重量。
适用于中大功率的电源转换，具有较高的输 出电压和较低的效率。
02
01
半桥式
适用于中大功率的电源转换，具有较低的输 出电压和较高的效率。
04
03
软开关技术的控制策略
恒频控制
保持开关频率恒定，通过改变占空比来调节输出 电压或电流的大小。
变频控制
改变开关频率，通过调节占空比来保持输出电压 或电流的大小恒定。
分布式电源系统
软开关技术为分布式电源系统提供高效、可靠的并网控制策略，提 高系统的稳定性和可靠性。
基于软开关技术的电机驱动系统
电机控制器
电动汽车驱动系统
软开关技术应用于电机控制器中，能 够减小电机启动电流和转矩脉动，提 高电机的控制精度和动态响应性能。
在电动汽车驱动系统中应用软开关技 术，能够提高驱动系统的效率和可靠 性，延长电动汽车的续航里程。
第7章 谐振软开关技术PPT课件
+
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”。
开关管由V于T 有导谐通振，的从作而用实，现当开谐关振管电零感电L流r 开中通通；过的电流为零时，
V T 导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，当 L r 中的电流为零时，
(2)[ t1 , t 2 ] 阶段（谐振阶段）
iLr(t)IoU Zri sinr(tt1)
u C r(t) U i[ 1 c o sr(t t1 )]
(3)[ t 2 , t 3 ] 阶段（电容放电）
对于半波模式，t t 2 之后，使开关V T 关断，即在零电流下关断
对于全波模式，在 t t 2 之后，i L r 反向流动，V D s 导通，电容 C r 经 D s 、L r 向电源回馈电流
VDs
+ uT -
iT VT
ic
Cr
- + uCr
Lr
Lf
iLr
+
VD uD Cf
iD -
+
R Uo
-
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。
ic Cr
3、零转换PWM变换电路 4、直流环节谐振型逆变电（RDCLI）
t
t Poff
t
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）
第7章软开关技术88277-46页PPT文档资料
三峡大学电气与新能源学院
7－15
Series-Resonant Circuit with Capacitor-Parallel Load
Lr
di L dt
vc
Vd
vc
Vd -
Lr
di L dt
and
iL ic I 0
by differenti ating
ic
Cr
dv c dt
Undamped Series-Resonant Circuit (SRC)
initial conditions
Lr
d iL dt
vc
Vd
angurleasronfarnetquen0cy2f0
Cr
d vc dt
iL
for t t0
chariscttieicm ri pedan Z0ce
b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元
电压开关多谐振电路
(Zero-Voltage-Switching MultiResonantConverter—ZVS MRC）
用于逆变器的谐振直流环节电路 c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元
(Resonant DC Link）。
图7-4 准谐振电路的基本开关单元
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。
零转换PWM电路可以分为：
零电压转换PWM电路（ZeroVoltage-Transition PWM Converter—ZVT PWM）
零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM Converter—ZVT PWM）
三峡大学电气与新能源学院
7－21
电力电子技术课件 软开关技术
从而产生了开关噪声。
关断过程 开通过程
的S工◆作开频关L率损不耗太与uSO高S开时关，频开率关之损间耗tt呈ui占线u总性损关耗系的，i比因例此ui 并当i不硬大电，路u
但Ui 随V着D 开C关R频率uViOO的SD 提高，开关损t P0耗就越来越显t 著P0。
O
t0
t1
t0
t0
a)
b)
a)
b)
图8-1 硬开关降压型电路及波形
■准谐振电路 a）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路
◆分类
? 零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter —ZVS QRC）
? 零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching
■零电压开通
◆开关开通前其两端电压为零，则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，则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。
■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。
O t0 t1 t2 t3t4t5 t6
0 t
t0
t0
t
a)
b)
a)
b)
图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形
图8-4 软开关过程中的电压和电流
a）电路图 b）理想化波形
金品质?高追求
a) 关断过程
我们让你更放心！
《软开关技术 》课件
基于电容的软开关技术
电容器：用于存储电能，实现 电能的平滑过渡
开关原理：通过改变电容器的 充放电状态，实现开关功能
应用领域：广泛应用于电力电 பைடு நூலகம்、新能源等领域
优点：开关速度快、损耗低、 可靠性高
基于变压器的软开关技术
原理：通过控制变 压器的初级和次级 绕组，实现电压和 电流的平滑过渡
优点：可以实现高 功率因数、低谐波、 高效率等优点
硬开关技术：开关的切换过程是瞬间完成的，开关损耗较大
软开关技术：开关的导通时间可以控制，可以实现更精确的电流控制
硬开关技术：开关的切换过程无法控制，电流控制精度较低
软开关技术：开关的导通时间可以控制，可以实现更稳定的电压输出
硬开关技术：开关的切换过程无法控制，电压输出稳定性较差
软开关技术在电力电子领域的应用优势
软开关技术的实现方式
零电压开关 （ZVS）：在开 关管两端电压为 零时进行开关操 作，实现零电压 开关。
零电流开关 （ZCS）：在开 关管电流为零时 进行开关操作， 实现零电流开关。
谐振开关：利用 谐振电路实现开 关管的开关操作， 提高开关效率。
软开关技术在电 力电子设备中的 应用：如逆变器、 整流器、直流电 源等。
软开关技术的分类
零电压开关（ZVS）
零电流开关（ZCS）
零电压零电流开关 （ZVZCS）
谐振开关（RCS）
软开关技术在电力电 子领域的应用
软开关技术的应用场景
电动汽车：如电机驱动、电 池管理系统等
电力系统：如高压直流输电、 柔性交流输电等
电力电子设备：如开关电源、 逆变器、电机驱动等
太阳能和风能发电系统：如 逆变器、功率调节器等
04 软开关技术的优势
电力电子技术ppt课件第8章软开关技术
20/29
8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
在一个开关周期TS内，共有12种开关模式，分析半周期6个开关模式。
TS/2
21/29
8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
* * t0之前：主开关管V1，V4导通。初级电流流经V1、变压器初级绕组、谐 振电感Lr、V4。整流二极管DR1导通，DR2截止，初级向次级供电。
t 这一时D=0，S才可以开通。
☞t5~t6时段：S为通态，iLr线性上升，直
t
到t6时刻，iLr=IL，VD关断。 ☞t4到t6时段电流iLr的变化率为
O
t 0 t1 t2 t 3 t4 t5 t6
t t0
图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形
■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。
5/29
8.2 软开关电路的分类
■软开关电路的分类 ◆根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是 零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路 和零电流电路两大类，个别电路中，有些开关是 零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。
◆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。
引言
■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时 对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。
■电力电子电路的高频化 ◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装 置小型化、轻量化。 ◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。
■软开关技术 ◆降低开关损耗和开关噪声。 ◆使开关频率可以大幅度提高。
16/29
8.3.2 谐振直流环
■谐振直流环 ◆应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link），
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
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
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。
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
f 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
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。
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
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
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
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
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。
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
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。
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
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
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
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
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。
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
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
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。