开关电源-软开关技术

22
t4 ～ t5 时段：S1关断时，变压器的励
磁电流方向为由下向上，S1关断后，励磁
电流流过主开关Ｓ的反并联二极管，t4 时
刻，Ｓ开通，此时Ｓ的反并联二极管处
于通态，Ｓ两端电压为零，所以Ｓ为零
电压开通。
N1 N 2 VD1
L
●●
C1
Ui
im
VD2
iL
iD2
C
R
iS
S
e) 有源钳位正激型电路在t～4 t5时段的等效电路
Lr
L
S
Cr
VD
ZCS QRC）
b) 零电流开关准谐振电路的基本开关单元
零电压开关多谐振电路 （Zero-Voltage-Switch Multi-Redonant Converter—
Cr1
Lr
L
S
Cr2
VD
ZVS MRC）
c) 零电压开关多谐振电路的基本开关单元
11
5.2.2 零开关PWM电路
➢省去了复位绕组，变压器的制造工艺可以简化，有利 于减低成本。
由于有源钳位正激型电路具有诸多优点，而且开关数
量较移相全桥零电压开关PWM电路少，电路中的谐振电压和电
流又明显小于零电压准谐振电路，该电路被广泛应用于中小
功率密度的电源装置中，典型的例子是模块化的隔离型DC-DC
变换器。
24
5.3.4 零电压转换PWM电路
S
0
S1
0
iS
0
பைடு நூலகம்
im
0
iS1
u
0
S
0
u S1
0
t0
t1 t2 t3 t4 t5
图5-22 有源钳位正激型电路的波形
23
2.特点
➢主开关S工作在零电压开通条件，开关损耗显著降低。
➢存在变压器励磁电流为负值的工作状态，这意味着变 压器的磁通在工作过程中可以从正值变化为负值，工作 在磁化曲线的Ⅰ、Ⅲ两个象限。因此有源钳位正激型电 路的变压器的磁心利用率大大提高，表现为同等功率的 电路时，磁心尺寸可以很小，绕组匝数可以减小，从而 变压器的体积和重量可降低。
4
软开关：
✓ 在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件， 构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，消除 开关过程中电压、电流的重叠。
✓ 降低开关损耗和开关噪声。
u
u
i
i
t
t
p
关断过程
tp
t
a)
b)
图5-2 软开关电路的开关过程
a) 软开关开通过程 b) 软开关
5
❖ 5.1.2 零电压开关与零电压开关
通，VD2断，电感L的电流增长，变压器的
励磁电流 也im线性增长。
t1 t2 ~ 时段：S关断，二VD极1 管 VD2
断， 通，电感L的电流下降。变压器的励磁im
电流 S1 通过 的反并二C极1 管向电容 充电。
S
0
S1
0
iS
0
im
0
iS1
u
0
S
0
u S1
0
t0
t1 t2 t3 t4 t5
图5-22 有源钳位正激型电路的波形
L
S
Lr
VD
Lr
L
S
S1
VD
Cr
a) 零电压开关PWM电路的基本 b) 零电流开关PWM电路的基
开关单元
本开关单元
12
5.2.3 零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路与主开关并联。
零转换PWM电路可分为零电压转换PWM电路（ZVT PWM）和零电 流转换PWM电路（ZCT PWM）。
Cr
S
Lr A L
U i VDS
iLr
+
VD
u
-
D
C
R
图5 - 7降压型零电压开关准谐振电路原理图
15
2.工作原理 S
Cr
S
U i VDS
Lr A L
iLr
V
+u D
C
D-
uS (uCr )
R iS
图5 - 7降压型零电压开关准谐振 电路原理图
· uCr
+
IL
A
Cr Ui
iLr
u D t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
➢ 软开关技术 ☼ 降低开关损耗和开关噪声。 ☼ 大幅度提高开关频率。
2
§5.1 软开关的基本概念
❖ 5.1.1 硬开关与软开关
硬开关：
✓ 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠区。 ✓ 电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲和振荡， 导致开关噪声的产生。
u p
断过程
i
i
p(t) uS (t)iS (t)
8
S
L
VD
S
L
VD
a)
b)
L
VD
S
L
S
VD
c)
d)
图5-3 基本开关单元的概念
a) 基本开关单元
b) 降压斩波器中的基本开关单元
c) 升压斩波器中的基本开关单元
d) 升压斩波器中的基本开关单元
9
5.2.1 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。这是最早出现的一类软开 关电路，有些现在还在使用。
t0
t
图5 – 8 零电压开关准谐振电路的理 想化波形
18
t4 t5 ~ 时uC段r ：
被钳
位于i零Lr ， 线性衰减，t5直到
S
时刻i，Lr =0。由于这一时段S
t
两端电压为零，所以必须在这 uS (uCr )
一时段使开关S开通，才不会
t
产生开通损耗。
iS
t5 t6 ~ 时段：S为通iL态r ，
降低了可靠性。
19
5.3.3 有源钳位正激型电路
该电路变压器二次侧的结构与普通正激型电路一样， 不同的是一次电路结构。该电路没有复位绕组，而是采用含 有反并联二极管的开关S1和电容C1构成复位电路。
N1 N2
L
●●
C1
Ui
VD1
VD2
C
R
S1
S
图5-20 有源钳位正激型电路
20
1.工作过程
t~0 t时1 段：主开关S开通，二极管 VD1
t
线性上升，直到t6 时段，
iLr
iLr= I L ，VD关断。
t
t6 t0 ~ 时段：S为通态，
VD为断态。
u D t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
t0
t
缺点：谐振电压峰值将高于输入 图5 – 8 零电压开关准谐振电路的理 电压的两倍，增加了对开关器件 想化波形
耐压的要求，增加了电路的成本，
u D t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
t t t t
t0
t
图5-10 零电压开关准谐振电路 在 t1 ~ t2时段等效电路
图5 – 8 零电压开关准谐振电路的理 想化波形
17
S
t
t2~ t3 向
时段：t2 i放Lr 电，
时刻后Cr ， Lr 改变uC方r 向，
uS (uCr )
不断下降，t3 直到 uCr 时U刻i ，iLr
第5章 软开关技术
§5.1 软开关的基本概念 §5.2 软开关电路的分类 §5.3 典型的软开关电路
1
引言
➢ 开关电源的发展趋势 ☼ 小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性也有很高要求。
➢ 电力电子装置高频化 ☼ 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。
10
准谐振电路可分为：
零电压开关准谐振电路 （Zero-Voltage-Switching
Cr
Lr
L
S
VD
Quasi-Resonant Converter—
ZVS QRC）
a) 零电压开关准谐振电路的基本开关单元
零电流开关准谐振电路 （Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter—
低开关损耗，还会带来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题。
7
§5.2 软开关电路的分类
❖ 根据电路中主开关是零电压开通还是零电流关断， 可分成零电压电路和零电流电路两大类。
❖ 根据软开关技术发展历程可分为准谐振电路、零 电压PWM电路和零转换PWM电路。
❖ 每种软开关电路都可用于降压型、升压型等不同 电路，因此可以由基本开关单元导出具体电路。
t
=
， 达到反向谐振峰 iS
值。t3 t4 ~
i t3
Lr Cr
时u段Cr ： 时刻
Lr
t
后， 向t4 反uC向r 充电，
t
继续下Cr降，直到 时刻
=0。 S Lr A L
U i VDS
iLr
V
+u D
C
D-
R
图5 - 7降压型零电压开关准谐振 电路原理图
u D t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
t t t t
t0
t
图5-9 零电压开关准谐振电 路在 t0 ~t1 时段等效电路
图5 – 8 零电压开关准谐振电路的理 想化波形
16
Cr
S Lr A L
U i VDS
iLr
V
+u D
C
D-
R
图5 - 7降压型零电压开关准谐振 电路原理图
S
uS (uCr )
iS
iLr
u+ Cr
iLr
Ui Cr
Lr
引入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电路可分为零电压开关PWM电路（ZVS PWM）和零 电流开关PWM电路（ZCS PWM）。
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，电路可以采用开关频率固定的
PWM控制方式。
Cr
S1
零电压转换PWM电路是另一种常用的软开关电路，具 有电路简单、效率高等特点，广泛应用于功率因数校正（PFC） 电路、DC-DC变换器、斩波器等。由于该电路在升压型PFC中 的广泛应用，特以升压型电路为例，介绍这种软开关电路的 工作原理。
IL
iD
VD
L
Ui
S
Lr iLr VD1
Cr
C
R
VDS
S1
UO
图5-23 升压型零电压转换PWM电路的原理图
特点：
➢ 输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在 很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关 状态。
➢ 电路中无功功率的交换被削弱到最小，这使得电路效率进 一步提高。
Lr
S1
Cr
L
S
VD1
VD
Lr Cr
S1
L
S
VD1
VD
a) 零电压转换PWM电路的基本 b) 零电流转换PWM电路的基本
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。 零电流关断
开关关断前电流为零,关断时不会产生损耗和噪声。
通常简称零电压开关和零电流开关。零电压开通 和零电流关断主要依靠电路中的谐振来实现。
零电压关断 开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速
度，降低开关损耗。
6
零电流开通 与开关相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。 简单地在硬开关电路中给开关并联电容或串联电感，不仅不会降
反并二极管处于通态，其两端电压为零， 因此 为零S1电压开通。在此期间，变压器
励磁电流 线性im下降， 时刻t3下降到零。
t3~ t时4 段：变压器励磁电流 到im 零后反
向， 反C1过来向变压器励磁电感放电，励磁
电流由零变为负值，直到 时t4刻 关S断1 。
S
0
S1
0
iS
0
im
0
iS1
u
0
S
0
u S1
电流增加而 的Cr电压下降， 时t2刻，其电压 刚好uC下r 降到零，开关S的反并二极管 导通，VD
S
被钳位u于Cr零，而电流 保持不变iLr。
IL Ui
L
VDS
iLr Lr Cr
S1
图5-25 升压型电压转换PWM电路在 t1~ t2时段的等效电路
0
t0
t1 t2 t3 t4 t5
图5-22 有源钳位正激型电路的波形
N1 N 2 VD1
●●
C1
Ui
im
VD2
iL
iD2
C
R
S1 S
c) 有源钳位正激型电路在 t2~ t3时段的等效电路
N1 N 2 VD1
●●
C1
im
Ui
VD2
i
D
i
2
L
C
R
S1
S
iD
d) 有源钳位正激型电路在t3~ t4时段的等效电路
谐振的引入使得电路的开关损耗和开关 噪声都大大下降，但也带来一些负面问题：
谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无
功功率的交换，造成电路导通损耗加大； 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（PFM）方式来 控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。
N1 N 2 VD1
●●
C1 im Ui
iD1 i VD2 L C
R
iS1 S
S
a) 有源钳位正激型电路在t0~ t1时段的等效电路
N1 N 2 VD1
●●
C1
Ui
im
VD2
iL C
R
S1 S
b) 有源钳位正激型电路在 t1~ t2时段的等效电路
21
t2~ t时3 段：开关 S开1 通，由于 开S1通前其
开关单元
开关单元
13
§5.3 典型的软开关电路
❖ 5.3.1 零电压准谐振电路 ❖ 5.3.3 有源钳位正激型电路 ❖ 5.3.4 零电压转换PWM电路 ❖ 5.3.2 移相全桥型零电压开关PWM电路
14
5.3.1 零电压准谐振电路
1.电路结构
假设电感L和电容C都很大，可以等效为电 流源和电压源，并忽略电路中的损耗。
25
工作过程分析：
在分析中，假设电感L和电容C都 很大，并忽略器件与线路中的损耗。
t~0 时t1 段：辅助开关 先于S开通，电
感电流 迅速增iLr长，二极管VD中的电流以
同样的速率下降。直到 时刻，t1二极管VD中 电流下降到零，二极管自然关断。
t~1 时t2 段： 与Lr 构C成r 谐振回路。的Lr
iS
uS
iS
uS
t
iSuS
u t
t
p
t
a)
b)
图5-1 硬开关电路的开关过程
a) 硬开关开通过程 b) 硬开关关
3
硬开关过程: 1)产生较大的开关损耗和开关噪声; 2)开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率
下降，发热量增大，温升提高，阻碍了开关频率的 提高； 3)开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周 边电子设备的正常工作。