电力电子课件 - 华中科技大学 - 第8章 谐振开关型变换器
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电力电讲义子课件
R Vo
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图8.1(a) 硬开关电路
硬开通：A－B－C
iT 硬关断：C－B－A
C VD VCEP
开关轨迹
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性
有LC缓冲器的软开关过程
开通（ A→Q→E→C）：LS使工作点从A→Q，在vT＝ VQ<VD下iT从0→Io，然后从E→C，Pon’< Pon。
开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变 换器的开关损耗会成比例升高。
LC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整 个变换器的效率不一定能提高。
零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器 高频化最理想的技术。
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性
LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断
零开关谐振变换器 零转换谐振变换器 LC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。
8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
t＝t6时，iL＝0， Vcr＝VT1＝0，T2早已关断， 此后VD经T1、Lr建立iT1。 t=t8时，iT1＝Io，D0截止，完成T1开通过程。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态5：t8<t<t10
t＝t9时，开通T2，此时iL=I0不变T1已是通态， vL＝vT2＝0，T2是零电压开通。 t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完 成一个开关周期Ts。
主电路组成
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图8.1(a) 硬开关电路
硬开通：A－B－C
iT 硬关断：C－B－A
C VD VCEP
开关轨迹
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性
有LC缓冲器的软开关过程
开通（ A→Q→E→C）：LS使工作点从A→Q，在vT＝ VQ<VD下iT从0→Io，然后从E→C，Pon’< Pon。
开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变 换器的开关损耗会成比例升高。
LC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整 个变换器的效率不一定能提高。
零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器 高频化最理想的技术。
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性
LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断
零开关谐振变换器 零转换谐振变换器 LC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。
8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
t＝t6时，iL＝0， Vcr＝VT1＝0，T2早已关断， 此后VD经T1、Lr建立iT1。 t=t8时，iT1＝Io，D0截止，完成T1开通过程。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态5：t8<t<t10
t＝t9时，开通T2，此时iL=I0不变T1已是通态， vL＝vT2＝0，T2是零电压开通。 t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完 成一个开关周期Ts。
主电路组成
电力电子课件 - 华中科技大学 - 第10章 电力电子开关型电力补偿、控制器
输出滞后无功功率
Q VS IQ
V S (V i c o s V S ) X
从电网输入有功功率P用于补充变流器功耗使VD恒定。
10.3 PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM （续2）
图10.5 (a) (e)
1.电压VD闭环控制。 2.无功功率Q闭环控制。
先进的（或高级的）静止型无功功率发生器ASVG（Advanced Static Var Generator ） 。 也 被 称 为 静 止 同 步 补 偿 器 STATCOM （ Static Synchronous Compensator ） ， 又 称 为 静 止 调 相 器 STATCON(Static Condenser)。
L
X
s in
q1
, Q E E I c o s ( )
E 2 ( E 2 V2 cos )
L
X
q1
将图中的一个1/2Lc改为R，即构成同步振荡阻尼器SSRD
10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续1）
E
Id (X
2
L
X
q1
)
V
10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续2）
相控电感l的等效感抗： 串联等效电容C容抗： α=180°时 α=90°时
X
A B / 2
X
LC
Vc I l1
s in 2 2
l
X C 1/C
X l
，AB两点等效容抗
VC 1
VC 1 I
t
《谐振开关电路》PPT课件_OK
9
6.3.1 零电流开关准谐振变换器
零电流开关准谐振Buck变换器(ZCS-QRC)有L型和M型2种，在L型准 谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准 谐振变换器工作于“半波模式”，其电路如图 (a)所示；若开关器件 允许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模 式”，其电路如图 (b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电
15
ZCS QRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。在 开关管VT断开状态谐振电感Lr电流为零。在开关管导通时，电流逐 渐上升，实现零电流导通；电容Cr、电感Lr、开关管VT和电源谐振，
电感电流iLr按正弦变化， 当iLr谐振到由零变负时，二
极管VDr导通，开关管VT断 流，具有零电流关断条件， 去除开关管VT驱动信号，VT 在零电流下关断。
容Cr与开关管并联，谐振电感Lr与二极管VD串联。
17
在T0时刻以前，开关管VT处于导通状态， VD已关断，滤波电感L 与谐振电感Lr流过负载电流Io，谐振电容Cr电压也为0。
1. 电容充电阶段[T0，T1]
若在t＝T0时刻，使开关管VT断开，以电流Io向谐振电容Cr充电， 因此，Cr上电压按直线规律上升，直到uCr＝Ud为止。等值电路如图
30
T1<t< T2 阶段：由于续流二极管VD导通，谐振电感的电流iLr经VT1、
VD1续流，该阶段时间可以通过改变辅助开关VT1的关断时刻T2控 制，因此可以控制谐振开始时刻，也就是可以控制VT导通时间， 因此可以控制占空比，实施PWM控制的。等效电路如图(d)所示。
31
T2<t< T3 阶段：在t=T2 时，使辅助开关管VT1关断，Cr、Lr产生谐 振。在VT1关断前，由于uCr=Ud，所以谐振电感上的电压很小， VT1为零电压关断。在谐振期间，uCr到达最大值，uCr=Ud+IoZr，此 后电容Cr放电，uCr下降，到t= T3时，uCr=0。从uCr到达最大值至T3 期间，iLr为负值。等效电路如图(e)所示。
6.3.1 零电流开关准谐振变换器
零电流开关准谐振Buck变换器(ZCS-QRC)有L型和M型2种，在L型准 谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准 谐振变换器工作于“半波模式”，其电路如图 (a)所示；若开关器件 允许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模 式”，其电路如图 (b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电
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ZCS QRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。在 开关管VT断开状态谐振电感Lr电流为零。在开关管导通时，电流逐 渐上升，实现零电流导通；电容Cr、电感Lr、开关管VT和电源谐振，
电感电流iLr按正弦变化， 当iLr谐振到由零变负时，二
极管VDr导通，开关管VT断 流，具有零电流关断条件， 去除开关管VT驱动信号，VT 在零电流下关断。
容Cr与开关管并联，谐振电感Lr与二极管VD串联。
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在T0时刻以前，开关管VT处于导通状态， VD已关断，滤波电感L 与谐振电感Lr流过负载电流Io，谐振电容Cr电压也为0。
1. 电容充电阶段[T0，T1]
若在t＝T0时刻，使开关管VT断开，以电流Io向谐振电容Cr充电， 因此，Cr上电压按直线规律上升，直到uCr＝Ud为止。等值电路如图
30
T1<t< T2 阶段：由于续流二极管VD导通，谐振电感的电流iLr经VT1、
VD1续流，该阶段时间可以通过改变辅助开关VT1的关断时刻T2控 制，因此可以控制谐振开始时刻，也就是可以控制VT导通时间， 因此可以控制占空比，实施PWM控制的。等效电路如图(d)所示。
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T2<t< T3 阶段：在t=T2 时，使辅助开关管VT1关断，Cr、Lr产生谐 振。在VT1关断前，由于uCr=Ud，所以谐振电感上的电压很小， VT1为零电压关断。在谐振期间，uCr到达最大值，uCr=Ud+IoZr，此 后电容Cr放电，uCr下降，到t= T3时，uCr=0。从uCr到达最大值至T3 期间，iLr为负值。等效电路如图(e)所示。
第6章谐振开关电路ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
4. 恒流阶段[T3，T4] 在t＝T3时刻，VD管关断，负载电流Io通过开关管VT，并一直维 持到t＝T4时刻。等值电路如图(f) 所示。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
6.3.2 零电压开关准谐振变换器
零电压开关准谐振Buck变换器(ZVS-QRC)也有全波模式和半波模式2 种电路。若开关器件只能承受单方向电压，则ZVS-QRC工作于半波 模式，其电路如图(a)所示；若开关器件能承受双向电压，则ZVSQRC工作于全波模式，其电路如图(b)所示。在ZVS-QRC中，谐振电 容Cr与开关管并联，谐振电感Lr与二极管VD串联。
谐振开关变换器中的开关器件在零电压或零电流条件下进行状态 转变，改善了开关器件在导通和关断过程的工作条件，因此显著 地降低了器件的开关损耗，可以提高了器件的开关频率。图给出 了在谐振开关模式下器件的电压电流的轨迹曲线。
谐振开关技术可以使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高 电力电子器件的开关频率，提高装置的效率和减少体积。目前数 兆赫的谐振开关电源已经问世，功率密度可达每立方英寸3050W，效率大于80％。
4. 谐振直流环逆变器 在常规的开关型PWM直流-交流逆变器中，逆变器输入电压Ud是一个幅 值固定的直流电。在谐振直流环逆变器中，在输入直流电源和逆变器之 间加入谐振电路，利用L-C谐振使逆变器的输入电压围绕Ud形成振荡， 使逆变器输入电压在某限定时间内为零，在这段时间内控制电力电子器 件通断的状态，从而实现了零电压通断。
(2024年)电力电子技术完整版全套PPT电子课件
实验报告撰写与答辩
讲解实验报告的撰写要求和答辩技巧 ，提高学生的综合素质和能力。
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08
电力电子技术应用案例
2024/3/26
37
新能源发电系统中电力电子技术应用
光伏发电系统
最大功率点跟踪（MPPT ）技术、逆变器并网技术 、孤岛检测与保护技术等 。
2024/3/26
风力发电系统
变桨距控制技术、变速恒 频技术、直驱式永磁风力 发电技术等。
2024/3/26
13
可控整流电路分析与应用
可控整流电路原理
可控整流电路通过控制触发角α的大小，实现对输出电压的调 节。
2024/3/26
可控整流电路应用
可控整流电路广泛应用于直流调速、电力拖动、电解、电镀 等领域。
14
滤波电路原理与设计方法
滤波电路原理
滤波电路是利用电容、电感等元件对交流电的频率特性进行滤波，从而得到平 滑的直流电的电路。
高性能器件选择
选用高性能的功率器件和驱动电路，提高电路的工作频率和可靠性。例如，选用低导通电阻和低栅极电荷的 MOSFET可以降低电路的导通损耗和开关损耗；选用高耐压和高电流的IGBT可以提高电路的带负载能力等 。
系统优化与热设计
对系统进行全面的优化和热设计，确保电路在高负载、高温等恶劣环境下仍能稳定可靠地工作。例如，采用 合理的散热结构和风扇控制策略可以降低电路的工作温度；采用模块化设计可以提高电路的维修性和可扩展 性等。
2024/3/26
功率场效应晶体管（Power MOSFE…
阐述Power MOSFET和IGBT的结构、特点以及在电力电子电路中的 广泛应用。
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03
整流与滤波技术
2024/3/26
功率谐振变换器
整流和滤波
当整流桥与谐振网络并联时,谐振输出量为谐振电压 vac , 滤波器多采用LC 低通滤波。 由于滤波电感Lf 较大 ,负载电流中的高频纹波被有效滤除， 故变换器的输出端部分可视为恒流负载。 类似地 ,当整流桥与谐振网络串联时,谐振输出量为 谐振 电流 iac 。 由于谐振电感 L s 本身具有稳流作 用 ,滤波器可以仅采用 容性滤波 ,此时变换器的输出端可视为恒压负载 V o
近年来有关功 率谐振模块的研究已经展开。
可以相信 ,随着集成度的不断提高, 装置的集成化和模块化将极大地
拓宽谐振变换器的应用领域。
END
功率谐振变换器是一种 基于软开关技术的电力电子变换装置
ห้องสมุดไป่ตู้
自80 年代以来 ,随着高频开关器件的诞生 , 电力电子装置逐渐向 高频化、集成化和模块化方向发展。
事实证明,提高开关频率能够减小装置的体积 ,提高设备的功率 密度和可靠性 , 并且降低开关噪声。 在传统的PWM 变换器中, 由于开关管的硬 开关特性 ,开关损耗 随着频率的提高而急剧增大。
速度快 ,且易于实现。然而 ,当上下桥臂直 通短路时,电流的变化率和峰值都较大 ,保护困难。 与之相比,电流源型变换器的输入电流纹波较小,易 实现短路保护 ,因此更适于大电流应用领域 ,但其存 在关断电压高和效率较低等缺陷 。
谐振网络
作为谐振变换器的核心部分 ,谐 振网络通常由 多个无源电感或 电容组成。 目前最常见的有串联谐振变换器 SRC 、并联谐振变换器 PRC 和串并联谐振变换器 SPRC
能否采用一种通用的模型将纷繁多样的拓扑结构统一起来 , 将是谐振变换技术的下一步研究目标。
值得注意的是 ,在某些文献中已经出现了较为统一的谐振 网络 ,如T 型网络和 П型网络等 。 这些网络在一定程度上能够简化拓扑结构 , 并且为人们提供新的研究方向。
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。
电路第8章谐振电路.ppt
)
2
0
特征阻抗：
L C
实际工程中，0L r,o很高，在o附近变化，故
o
1 LC
或
f0
2
1 LC
12
二、并联谐振特性
1）导纳最小：Y0
r L/C
2) u-i = 0
3) cos =1
4) 电压达到最大值：
U = Is Z0 5) L、C中出现过电流:
IL IC=Q Is
6) 相量图
（电流与电压同相位）
次级电流：
I2
X M I10 2 R22
等效电路
Z22 R22 jX22
Z 22
XM2 Z11
Z
22
R22
jX
22
26
3、全谐振：
L2, C2 ，L1, C1 , M均可调。
谐振条件：
X11 0
X22 0 R11 R11
次级电流：
M
R11R22
I2 2
Us R11R22
27
例: 图示谐振电路, 已知Us=10V , =107rad/d。 1）若M=10H, C1=50pF, C2=80pF。求P2和;
R
L
谐振条件： C 1 0 L
谐振频率：
1
LC 0
或
f0
2
1 LC
谐振阻抗： Z0 R
特征阻抗： L
C
11
电路模型( b) ：
•
•
Is UY
Y jC 1 r jL
jC
r r2
jL (L)2
谐振条件：
C
r2
L (L)2
0
谐振阻抗：Z 0
L/C r
wpe8
T1零电流关断条件：
VD Zr I o
控制T2的开通时刻t3即可 改变通态时间2，实现 PWM控制Vo。缺点：
iL max iT1max VD Zr I o 2I o
8.4.2 零电流关断脉冲频率调制(ZCSPFM)变换器工作原理
主电路组成
工作原理
控制T1的开通，形成LrCr谐振使 iL过零反向，在此期间撤除T1的 驱动信号使其零电流关断。 无辅助开关T2，与图8.6(a)相 比则无开关状态3。
零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器 高频化最理想的技术。
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性
LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断
t1时引发Lr、Cr谐振，t2时vT 谐振至零，在t3时驱动
T实现零电压开通。 t6时引发Lr、Cr谐振， t7时iT谐振至零，在t8时切除 驱动信号实现零电流关断。
开关状态5：t8<t<t10
t＝t9时，开通T2，此时iL=I0不变T1已是通态， vL＝vT2＝0，T2是零电压开通。 t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完 成一个开关周期Ts。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
在fs＝1/Ts固定时，控制T2的 关断时刻t2，即可改变Toff， 从而改变占空比，调控输出 电压。 零电压开通脉冲宽度调制 （ZVS PWM）变换器，可 实现主开关T1和辅助开关T2 零电压开通和软关断。
(8-13)
由（8-11）和（8-13） L (0.1 ~ 0.05)T V 2I r s D o min 可确定Lr、Cr： Cr (0.1 ~ 0.05)Ts I o min 2VD
谐振转换器工作原理
4．主开关电源电路（1）LLC谐振转换器工作原理随着开关电源的发展，软开关技术得到了广泛的发展和应用，已推出了不少高效率的电路，尤其是谐振型的软开关电源和PWM型的软开关电源。
近几年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的导通电阻、寄生电容和反向恢复时间越来越小，这为谐振变换器的发展提供了又一次机遇。
对于谐振变换器来说，如果设计得当，能实现软开关变换，从而使得开关电源具有较高的效率。
LLC谐振变换器实际上来源于不对称半桥电路，后者用调宽型（PWM）控制，而LLC谐振是调频型（PFM）。
LLC谐振电路简图如图10所示，工作波形图如图11所示。
电路中有两只功率MOs管（S1和S2），其工作的占空比均为0.5。
谐振电容为Cs。
Tr为匝数相等的中心抽头变压器，其漏感为Ls，激磁电感为Lm（Lm在某个时间段也是一个谐振电感）。
从图11中不难看出，在LLC谐振变换器中，谐振元件主要由谐振电容Cs、电感Ls和激磁电感Lm组成，LLC变换器的稳态工作原理如下：当t=t1时，S2关断，谐振电流给S1的寄生电容放电，一直到S1上的电压为零，然后S1的体内二极管导通。
此阶段D1导通，Lm上的电压被输出电压钳位，因此只有Ls和Cs参与谐振。
当t=t2时，S1在零电压的条件下导通，变压器原边承受正向电压；D1继续导通，S2及D2截止。
此时Cs和Ls参与谐振，而Lm不参与谐振。
当t =t3时，S1仍然导通，而D1与D2处于关断状态，T：副边与电路脱开，此时Lm，Ls和Cs一起参与谐振。
由于实际电路中Lm>>Ls，因此在这个阶段中，可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。
当t=t4时，S1关断，谐振电流给S2的寄生电容放电，一直到S2上的电压为零，然后S2的体内二极管导通。
此阶段D2导通，Lm上的电压被输出电压钳位，因此只有Ls和Cs参与谐振。
当t=t5时，S2在零电压的条件下导通，Tr原边承受反向电压；D2继续导通，而S1和D1截止。
-软开关技术(soft technique)
（7-5） （7-6）
Poff f s
toff 0
t on t ri t fv
Ploss
toff trv t fi
1 VD I 0 f s (ton toff ) 2
线路电感 Lσ≠ 0 时开通、关断过程
VT
图7.11
安全工作区
Lσ=0时，开通轨迹ABC，关断轨迹 CBA Lσ≠ 0时，开通轨迹AQEC，关断轨 迹CBHPA Lσ改善了开通轨迹，恶化了关断轨 迹
开关状态2：t1<t<t2
T1断态，Vcr＝VT1＝VD。iL经D2、T2 续流，Io经D0续流。Toff=t2-t1可控， 用以调控输出电压。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PW 变换器工作原理（续4）
开关状态3：t2<t<t3
t=t2时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半 个周期到t3， t=t3时 Vcr＝VT1＝VD， iL达到负最大值。
t
VD
D
rT IO iD
T
iT
rT
iD
(a) 电路
t
t 0 t1 vT (v CE ) t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t t10 9
iT
电压限制线
R E
I CM
N C
VD
vT
电流限制线 10us功率限制线
vT
t
td PT t ri
IO
B
t fv
t on PT vT iT
ts
t rv t fi
第8章
谐振开关型变换器 --软开关技术（soft-switch）
1
现代电力电子的发展------高频化
谐振复位双开关正激变换器
谐振复位双开关正激变换器CATALOGUE目录•引言•谐振复位双开关正激变换器的工作原理•控制电路与驱动设计•变换器的性能评估•变换器的应用案例与比较•总结与展望引言CATALOGUE 01定义与特性类型与分类谐振复位双开关正激变换器概述工作原理应用领域工作原理和应用领域目的本报告旨在详细介绍谐振复位双开关正激变换器的工作原理、特性、应用领域等方面的内容，为读者提供全面的了解和参考。
结构本报告首先介绍谐振复位双开关正激变换器的概述和工作原理，然后分析其特性、性能优势以及应用领域，最后总结报告内容并展望未来发展趋势。
本报告的目的和结构谐振复位双开关正激变换器的工作原理CATALOGUE02工作模式说明工作模式1在输入电压的正半周，开关管Q1导通，谐振电容Cr与主变压器Tr的原边绕组Lp1谐振，将能量传递到副边，同时给输出电容Co充电，为输出负载提供能量。
工作模式2在输入电压的负半周，开关管Q2导通，谐振电容Cr与主变压器Tr的原边绕组Lp2谐振，同样将能量传递到副边，维持输出电压稳定。
开关管Q1、Q2谐振电容Cr主变压器Tr输出整流二极管D1、D2关键元器件及其功能输入电压波形为正弦波，经过全桥整流后得到脉动的直流电压。
为具有一定死区的互补PWM波，用于控制开关管的导通与关断。
在开关管导通期间，谐振电容电压近似为正弦波；在开关管关断期间，谐振电容通过主变压器原边绕组放电。
在开关管导通期间，原边绕组电流逐渐上升；在开关管关断期间，原边绕组电流通过谐振电容放电回路逐渐减小。
根据负载情况和输出电压要求，副边绕组电压电流波形会有所不同，但总体上呈现稳定的直流特性。
工作波形和电压电流特性开关管驱动波形原边绕组电流波形副边绕组电压电流波形谐振电容电压波形控制电路与驱动设计CATALOGUE03010203调制方式选择控制策略及实现方法软开关技术控制算法设计变换器的性能评估CATALOGUE04评估方法通过对变换器输出波形进行观测和分析，可以判断其工作稳定性和效率。
电力电子基础8
1.引言
单纯提高开关频率使电力电子装置高频化
滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装 置小型化、轻量化
开关损耗增加，效率下降，频率提高受限 电磁干扰增大，电磁兼容变差
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
3
第八讲 谐振软开关技术
东南大学电气工程学院
-电力电子技术-
2.软开关的基本概念
6
第八讲 谐振软开关技术
东南大学电气工程学院
-电力电子技术-
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。
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同
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
u
i
i
0
t
P
0
t
a）软开关的开通过程
u
u
i
i
0
t
P
0
t
b）软开关的关断过程
软开关的开关过程
5
第八讲 谐振软开关技术
东南大学电气工程学院
-电力电子技术-
软开关的基本概念
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。
b）零电流转换PWM电路 的基本开关单元
零转换PWM电路的基本开 关单元
东南大学电气工程学院
-电力电子技术-
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
13
第八讲 谐振软开关技术
谐振开关型变换器
iT
+ VT T
A
Lf
If = Io
Io
Cf
Vo
VD
D
B
图8.3 硬开关、缓冲软开关、 零电压开关轨迹
首先在大电流iT=Io下，vT从0→VD，；（ CB段） 然后在高压VT=VD下，iT从Io→0。 （ BA 段）
3
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性(续2)
软开关：有LC缓冲器时的开关过程
二、零转换(Zero-Transition)谐振变换器：变换器主电路输入电 流不经过谐振电感Lr ，Lr在电路中不参与对负载通态供电。
11
8.2 谐振开关型变换器的类型（续2）
一、零开关谐振变换器（Zero-Switching）ZVS ZCS 二、零转换谐振变换器（Zero-Transition）ZVT ZCT
iT
+ VT T
A
Lf
If = Io
D
Io
Cf
Vo
断 态
开通 过程
通态
关断 过程
断 态
rT vT
rT
VD
vT
B
VD
vT t 2t3 t 4 t5
iT
IO
vT iT vT iT t6 t 7 t8 t 9 t10 t
t1
vT、iT、rT 图8.2 零电压开通、零电流关断时
在主电路中加入Lr，Cr引发谐振， 可使开关管处于零电压、零电流状态
谐振开关型变换器
硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性 谐振开关型变换器的类型
零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器
零电流关断脉冲宽度调制（ZCS PWM）变换器
直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI
+ VT T
A
Lf
If = Io
Io
Cf
Vo
VD
D
B
图8.3 硬开关、缓冲软开关、 零电压开关轨迹
首先在大电流iT=Io下，vT从0→VD，；（ CB段） 然后在高压VT=VD下，iT从Io→0。 （ BA 段）
3
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性(续2)
软开关：有LC缓冲器时的开关过程
二、零转换(Zero-Transition)谐振变换器：变换器主电路输入电 流不经过谐振电感Lr ，Lr在电路中不参与对负载通态供电。
11
8.2 谐振开关型变换器的类型（续2）
一、零开关谐振变换器（Zero-Switching）ZVS ZCS 二、零转换谐振变换器（Zero-Transition）ZVT ZCT
iT
+ VT T
A
Lf
If = Io
D
Io
Cf
Vo
断 态
开通 过程
通态
关断 过程
断 态
rT vT
rT
VD
vT
B
VD
vT t 2t3 t 4 t5
iT
IO
vT iT vT iT t6 t 7 t8 t 9 t10 t
t1
vT、iT、rT 图8.2 零电压开通、零电流关断时
在主电路中加入Lr，Cr引发谐振， 可使开关管处于零电压、零电流状态
谐振开关型变换器
硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性 谐振开关型变换器的类型
零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器
零电流关断脉冲宽度调制（ZCS PWM）变换器
直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI
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），
《谐振开关型变换器》课件
《谐振开关型变换器》 PPT课件
谐振开关型变换器是一种广泛应用于电子电路中的重要组件。本课件将详细 介绍谐振开关型变换器的原理、构成和设计流程，以及它在现代应用中的重 要性。
什么是谐振开关型变换器
谐振开关型变换器是一种特殊类型的电子变换器，它利用谐振电路和开关管 之间的相互作用来实现高效能的能量转换。
设计流程
1
确定输出电压和电流
根据应用需求确定所需的输出电压和电流。
2
选择开关管
根据电路输入和输出要求选择合适的开关管。
3
设计谐振电路
根据参数要求设计匹配的谐振电路。
4
选择输出滤波电路
根据应用需求选择合适的输出滤波电路。
5
仿真和调试
使用仿真软件对设计的电路进行模拟和调试。
应用案例
汽车电子
太阳能发电
参数选择
输出电压
根据应用需求确定所需的输出电压。
输入电压
根据电用需求选择适合的开关频率。
输出电流
根据应用需求确定所需的输出电流。
输入电流
根据电路输入的电源电流来选择开关管和谐 振电路的参数。
谐振电容和电感
根据谐振电路的要求选择合适的谐振电容和 电感。
谐振开关型变换器的工作原理
在工作过程中，谐振开关型变换器通过不同的工作状态和周期性的开关操作， 实现对输入电能的有效转换和输出。
谐振开关型变换器的构成
谐振电路
包括谐振电容和谐振电感等元件，用于实现谐振振荡。
开关管
负责控制电路的开关状态，从而实现能量的转换和控制。
输出滤波电路
用于使输出信号更加稳定和纯净，并滤除杂散噪声和谐振波形。
为什么要使用谐振开关型变换 器
谐振开关型变换器具有高效能、高稳定性和高可靠性等优点，可以在各种电 子应用领域中提供可靠的能量转换功能。
谐振开关型变换器是一种广泛应用于电子电路中的重要组件。本课件将详细 介绍谐振开关型变换器的原理、构成和设计流程，以及它在现代应用中的重 要性。
什么是谐振开关型变换器
谐振开关型变换器是一种特殊类型的电子变换器，它利用谐振电路和开关管 之间的相互作用来实现高效能的能量转换。
设计流程
1
确定输出电压和电流
根据应用需求确定所需的输出电压和电流。
2
选择开关管
根据电路输入和输出要求选择合适的开关管。
3
设计谐振电路
根据参数要求设计匹配的谐振电路。
4
选择输出滤波电路
根据应用需求选择合适的输出滤波电路。
5
仿真和调试
使用仿真软件对设计的电路进行模拟和调试。
应用案例
汽车电子
太阳能发电
参数选择
输出电压
根据应用需求确定所需的输出电压。
输入电压
根据电用需求选择适合的开关频率。
输出电流
根据应用需求确定所需的输出电流。
输入电流
根据电路输入的电源电流来选择开关管和谐 振电路的参数。
谐振电容和电感
根据谐振电路的要求选择合适的谐振电容和 电感。
谐振开关型变换器的工作原理
在工作过程中，谐振开关型变换器通过不同的工作状态和周期性的开关操作， 实现对输入电能的有效转换和输出。
谐振开关型变换器的构成
谐振电路
包括谐振电容和谐振电感等元件，用于实现谐振振荡。
开关管
负责控制电路的开关状态，从而实现能量的转换和控制。
输出滤波电路
用于使输出信号更加稳定和纯净，并滤除杂散噪声和谐振波形。
为什么要使用谐振开关型变换 器
谐振开关型变换器具有高效能、高稳定性和高可靠性等优点，可以在各种电 子应用领域中提供可靠的能量转换功能。
谐振变换器
L C
③（t3~t4）阶段：
Ui
D
Io
t3时刻以后，L向C反向充电，uC S 继续下降，直到t4时刻uC=0。 O (t1~t4)阶段的谐振提供了零电压开 us(uc) 通条件。
t
在整个（t1~t4）阶段：
u c U m sin0 (t - t1 ) U i U m I o Z0 L Z0 C (8 32)
L
Ui
Co
Io
Ui
2Ui
t0 t
3、（t4~t6）阶段： uc 线性变化阶段
(t1~t4)阶段的谐振提供了零 iL 电流关断条件，开关S在零 电流下关断，电容C继续向 负载放电， 在该阶段：
u c U C3 Io (t - t 4 ) C (8 27 )
S Ts
t
Io
Io+Im
t
Ui
us
t
uD
t6时刻， uc=0。
Co Io
uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2Ui t0
t
4、(t6~t0)阶段：
S为断态，D为通态。 该模式一直持续到开 关S下一次开通。
iL
S Ts
t
Io
Io+Im
t
us Ui
t
uD D
Io
uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
2Ui t0
S Ts
t
iL
Io Io+Im
t
us Ui
t
uD uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2Ui t0
t
（二）M型零电流（ZCS）谐振变换器 （见教材）
二、零电压（ZVS）准谐振变换器
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+ V T-
T
VD
Lf i f=I o
Do Cf
图8.1(a) 硬开关电路
Io +
R Vo
-
硬开通：A－B－C
iT 硬关断：C－B－A
C Io
EB
Q
A P vT
O
VQ VD VCEP
开关轨迹
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特 性
• 有LC缓冲器的软开关过程 – 开通（ A→Q→E→C）：LS使工作点从A→Q，在vT＝VQ<VD下iT从0→Io，然后从 E→C，Pon’< Pon。 – 关断（C→A→P→A）：iT从Io→0期间vT从0→VD，然后在iT=0下从A→P→A，Poff’ 显著减小。
图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器
Cr
+-
D1
T1 VG1
VD
VG2 T2 D2
+ Lr iL
VL D
Lf
Io
Cf VD
Vo R
图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图
8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理
• 无T2：不能控制Lr、Cr谐振起始 时刻开关状态2，无Toff时区2。
VD IoZr 2VD
Iomin VD
Lr Cr
8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制（ZCSPWM）变换 器工作原理
8.4.2 零电流关断脉冲频率调制（ZCSPFM）变换 器工作原理
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理
主电路组成
T1零流关断条件：
VD Zr Io
• 控制T2的开通时刻t3即可 改变通态时间2，实现PWM 控制Vo。缺点： iLmax iT1max VD Zr Io 2Io
8.4.2 零电流关断脉冲频率调制(ZCSPFM)变换器工作原理
主电路组成
工作原理
控制T1的开通，形成LrCr谐振使 iL过零反向，在此期间撤除T1的 驱动信号使其零电流关断。
电力电子学
——电力电子变换和控制技术（第二版）
第8 章
谐振开关型变换器
8 谐振开关型变换器
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性 8.2 谐振开关型变换器的类型 8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器 8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器 8.5 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI 小结
• 零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器 高频化最理想的技术。
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特 性
• LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断 – t1时引发Lr、Cr谐振，t2时vT 谐振至零，在t3时驱动T实现零电压开通。 – t6时引发Lr、Cr谐振， t7时iT谐振至零，在t8时切除驱动信号实现零电流关断。
缓冲软开通：A－Q－E－C
iT 缓冲软关断：C－A－P－A
C Io
EB
O
图8.1(b) 有LC复合缓冲的软开关电路
Q A P vT
VQ VD VCEP
开关轨迹
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特 性
• 开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变 换器的开关损耗会成比例升高。
• LC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整 个变换器的效率不一定能提高。
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特 性
• 硬开关过程 – 开通（ A→B →C ） ：在vT =VD下iT从0→Io，然后在iT=Io下vT从VD→0 ， Pon=vTiT大。 – 关断（ C→B →A ）：在iT=Io下vT从0→VD，然后在vT =VD下iT从Io→0，Poff= vTiT大。
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理
开关状态1：t0<t<t1
D1 T1 VD
Lr
iL
T2
Cr
Io
D2 iDo
Do
t0时加VG1，T1软开通(因为有Lr)， iT1↑ iD0↓，t＝t1时D0截止。
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理
开关状态2：t1<t<t2
• 缺点：只有调频fs，才能调压。
图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器
Cr
+-
D1
T1 VG1
VD
VG2 T2 D2
+ Lr iL
VL D
Lf
Io
Cf VD
Vo R
图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图
8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理
• 本节小结：
• ZVS PWM：有辅助开关管T2及Lr、Cr，可实现主开关T1及辅助开关 T2零电压开通及软关断，可采用PWM调压；
• ZVS PFM：无辅助开关T2，仅有Lr、Cr，靠主开关关断引起Lr、Cr 谐振造成主开关管的零电压开通，只能PFM调压。
Cr
+-
D1
T1 VG1
VD
VG2 T2 D2
t=t2时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半 个周期到t3， t=t3时 Vcr＝VT1＝VD， iL达到负最大值。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态4：t3<t<t8
如IoZr<VD, 则VT1不可能为零。 如IoZr>VD, 则当VT1＝0时, iT1仍为负值。此后 负值iL经D1向VD回送电流，直到t=t6。在t4~t6 期间，VT1＝0。若在t5驱动T1，则为零电压开通。
图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态1：t0<t<t1
t<to时T1、T2通态，D0截止；t=t0时关断T1，iT1 下降，VT1从0上升，因Cr，T1软关断；t＝t1时 VT1上升到VD，D0正偏导电，T1关断过程结束。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态2：t1<t<t2
T1断态，Vcr＝VT1＝VD。iL经D2、T2 续流，Io经D0续流。Toff=t2-t1可控， 用以调控输出电压。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态3：t2<t<t3
从而改变占空比，调控输出 电压。 • 零电压开通脉冲宽度调制 （ZVS PWM）变换器，可实现
主开关T1和辅助开关T2零电
压开通和软关断。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
T1零电压开通条件： 最小负载电流需满足：
VT1、vcr最高电压： 开通期尽量缩短取： 由（8-11）和（8-13） 可确定Lr、Cr：
IoZr VD
Iomin VD Zr VD
Lr Cr
VD IoZr 2VD
(8-11)
Tr 2 LrCr (0.1 ~ 0.05)Ts (8-13)
Lr (0.1 ~ 0.05)TsVD 2Iomin Cr (0.1 ~ 0.05)Ts Iomin 2VD
8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理
主电路组成
工作原理
T1通态时D0截止，vT1＝vcr＝0，切除 +VG，T1关断iT1从Io→0，并联电容Cr 使vT＝vcr从0逐渐上升，T1软关断。
vT＝vcr→VD后D0导通，Lr、Cr立即谐 振，所以电路8.5无开关状态2。
图8.4（a）中，T2导通使iL经D2、T2续 流，不能形成Lr、Cr谐振回路，直到 在t＝t2时刻关断T2时，才能形成谐振。
+ V T-
T
VD
Lf i f=I o
Do Cf
Io +
R Vo
-
图8.1(a) 硬开关电路
图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
• 变换器一个周期有五种开关状态。
• 开关状态1:T1关断， Cr充电 • 开关状态2:D0，D2续流 • 开关状态3:T2关断，Cr、Lr谐振 • 开关状态4:T1零电压开通 • 开关状态5:T2零电压开通
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理
开关状态4：t3<t<t8
D1
Lr iL
Io
T1
D2 T2
VD
+
Do
Vcr
-
Cr
t3时刻T2被驱动软开通（由于有Lr）， Cr谐振放电。若VD/Zr>Io则iL变负经 D1返回电源，T1断流。在t4-t6期间撤 除VG1使T1零电流关断。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
主电路组成
• 工作原理
• 关断T2后引发LrCr谐振，使 主开关管T1的电压vT=0。
• 再对T1施加驱动信号实现 T1的零电压开通。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态4（续）：t3<t<t8
t＝t6时，iL＝0， Vcr＝VT1＝0，T2早已关断， 此后VD经T1、Lr建立iT1。 t=t8时，iT1＝Io，D0截止，完成T1开通过程。