电力电子课件 - 华中科技大学 - 第8章 谐振开关型变换器

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。
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
T1零电流关断条件：
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。
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
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。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
无辅助开关T2，与图8.6(a)相 比则无开关状态3。
图 8.7 零电流关断PWM变换器
D1
T1 Vg1
VD
Lr
Lf Vo
iL
T2 Vg2
+
D2
ic
If=Io +
Do Cf
R
Vcr
-
Cr
图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器
8.4.2 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPFM)变换器工作原理
8.2 谐振开关型变换器的类型
• 零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。 • 脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制PFM谐振
变换器。 • 零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。
– 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
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。
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。
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。
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，
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。
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
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：
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5：t8<t<t10
D1
Lr
Io
T1
D2 T2
VD
Do
Cr
T1处于断态，在t9时刻撤除+VG2，零 电流关断T2（iT2早已为零），t=t10时 开通T1开始新周期。
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理
断
开通
通态
关断
断
过程
态
rT
过程
态
rT
vT
vT
iT
vT
v VD
T
v IO T
iT
iT t
t1 t2t3 t4 t5
t6 t7 t8 t9 t10
图 8.2 零电压开通、零电流关断时vT、iT、rT
零电压开通：A－O－C
iT 零电压关断：C－O－A
C Io
EB
Q
A P vT
O VQ VD VCEP
开关轨迹
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。
• 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
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
• 无开关状态3，仅在t0-t2和t3t4期间iL>0，VD输出功率输出 电压Vo，而此时间只与Lr、Cr 有关而不能被调控，故只有调
频fs才能调压。
图 8.7 零电流关断PWM变换器
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
D1
Lr iL
Io
T1
D2 T2
VD
+
Do
Vcr
-
Cr
VD、T1、Lr、D2、Cr谐振半周至t2， iT1=iL=Io，icr＝0，vcr＝2VD
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3：t2<t<t3
D1
Lr iL
Io
T1
D2 T2
VD
+
Do
Vcr
-
Cr
T2处于断态，Cr不能放电，电源VD 经T1对负载放电。
+ 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。
• 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。
+ 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
图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器
8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理
共同点： • 实现零电压开通的条件都是：
IoZr VD
主wenku.baidu.com关管及电容最高电压都是：
• 5种开关状态 • 开关状态1：电感充磁 • 开关状态2：谐振阶段Ⅰ
D1
T1 Vg1
VD
Lr
Lf Vo
iL
T2 Vg2
+
D2
ic
If=Io +
Do Cf
R
Vcr
-
Cr
图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器
• 开关状态3：VD向负载供电 • 开关状态4：谐振阶段Ⅱ
• 开关状态5：T1断态，Do续流
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。
+ 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。