現(xiàn)代電力電子技術中的軟開關技術

1、現(xiàn)代電力電子技術中的軟開關技術 現(xiàn)代電力電子技術中的軟開關技術 摘 要：論述了現(xiàn)代電力電子技術的軟開關技術及其新開展，論述了由無損耗緩沖技術和諧振技術組合而成的軟開關技術。 關鍵詞：軟開關 諧振現(xiàn)象 變換器 一、引言 電力電子技術利用無源功率器件和半導體功率器件、大規(guī)模集成電路和微處理器、傳感與信息處理技術、現(xiàn)代控制理論、計算機仿真與輔助設計技術，以功率變化電路為對象，研究對電能進行變換和控制的規(guī)律，以其獨特的、不可取代的特殊功能，廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域。 開關電源的高頻化是實現(xiàn)電源裝置的高性能、高效率、高可靠性，減小體積和重量的重要途徑。開關電源的高頻化增大了變換器的功率密度和性能價格

2、比，而且極大地提高了瞬時響應速度，抑制了電源所產(chǎn)生的音頻噪聲。 軟開關技術是近年來電力電子學領域中的一個主要研究方向。對軟開關理論的深入研究，使軟開關技術成為電力電子變換技術的核心內(nèi)容尤其是能有效地減小電能變換裝置引起的環(huán)境污染和電磁污染，為開展無公害電力電子產(chǎn)品提供了有效的方法和途徑。 二、諧振軟開關的工作原理，種類及特點 諧振軟開關是八十年代提出并用于DC-DC變換器中【2】。它利用電路發(fā)生諧振時，電流或電壓形成周期性地過零點，并使開關器件在在零電流或零電壓條件下接通或切斷，因此理論上它的開關損耗為零，防止了硬開關由于電壓電流波形交疊而產(chǎn)生開通及關斷損耗。 軟開關包括軟關斷和軟開通。按驅(qū)動

3、信號的時序來分又可以分為零電壓開通、零電壓關斷與零電流開通、零電流關斷。各種軟開關與硬開關的波形比擬如下： 圖1 軟開關和硬開關的波形比擬 圖中零電流關斷信號在t2或t2以后發(fā)出，零電壓關斷信號在t1發(fā)出。零電流開通信號在t2或t2以后發(fā)出，零電壓開通信號在t1發(fā)出。 諧振軟開關電路中的零電流和零電壓條件是由輔助的諧振電路提供的，輔助電路一般由輔助諧振元件L和C和電力電子開關器件S構成。輔助諧振電路中的開關器件S也是在零電流或零電壓條件下實現(xiàn)通斷。 對于軟開關逆變器來說，有兩種拓樸結(jié)構：一是諧振發(fā)生在直流母線上，通過諧振使直流母線上的電流或電壓過零點，提供應逆變橋一個零電流開關或零電壓開關條件

4、。二是諧振發(fā)生在逆變橋橋臂的每一個有源開關兩端，通過諧振使得在每個開關需要切換的時候它兩端的電壓或電流過零點。 軟開關技術實際應用中需要解決的主要關鍵問題： 諧振電路在諧振時所產(chǎn)生高電流應力和高電壓應力； 如果諧振電感處于主功率傳輸通道上時引起感性損耗； 輔助諧振環(huán)節(jié)及其輔助器件的引入使得電路變得復雜，增加了電路控制的難度； 將PWM技術和諧振軟開關技術結(jié)合是一個關鍵問題。采用諧振過渡技術，即把諧振電感移出主功率通道，通過輔助開關控制諧振的發(fā)生和終止，使得逆變主開關在過渡的瞬間由諧振產(chǎn)生一個ZVS或ZCS【2】。 三、幾種典型的諧振軟開關變換器 利用諧振現(xiàn)象，使電子開關器件上電壓或電流按正弦規(guī)

5、律變化，以產(chǎn)生零電壓關斷或零電流開通的條件，采用這種技術以實現(xiàn)開關器件之間的轉(zhuǎn)換的變換器稱為諧振變換器。它有三種類型： 1、全諧振變換器：即諧振變換器，實際上是負載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類。 2、準諧振變換器：諧振元件參與能量變換的某一個階段，而不是全程參與。由于正向和反向等電路參數(shù)不同，諧振振蕩頻率和電流幅值也不同，因此振蕩不對稱。一般情況下正向正弦半波大過負向正弦半波，所以稱為準諧振。具有此特點的變換器稱為準諧振變換器。準諧振變換器分為零電壓開關準諧振變換器和零電流開關準諧振變換器。 3、多諧振變換器：它和準諧振變換器一樣，諧振元件參與能

6、量變換的某一個階段，而不是全程參與。不同之處是多諧振變換器的諧振回路和參數(shù)要均多于兩個，因此稱為多諧振變換器。 諧振變換器是一個調(diào)頻系統(tǒng)，這是為了保持輸出電壓不隨輸入電壓變化而變化，或者不隨負載變化而變化，依靠調(diào)整諧振變換器開關器件的開關頻率來實現(xiàn)。作為一個調(diào)頻系統(tǒng)，不如PWM開關變換器那樣容易控制，導電損耗增加，功率器件所受的電流與電壓的應力較大，且隨電路的Q值和負載變化而變化。此外變換器的輸出靠改變開關器件的開關頻率來實現(xiàn)，開關頻率大范圍變化使得干擾難以抑制，濾波器、變壓器設計難以優(yōu)化，而且當負載變化大時，變換電路不能到達零電壓或零電流開關條件。 為了克服調(diào)頻系統(tǒng)的缺點和充分發(fā)揮PWM的優(yōu)

7、點，出現(xiàn)了零開關PWM變換器和零轉(zhuǎn)換PWM變換器等一批新穎的諧振變換器。 四、幾種典型的諧振軟開關變換器 1、零開關PWM變換器 零開關PWM變換器是在準諧振變換器的根底上，參加一個輔助開關管，來控制諧振元件的諧振過程，實現(xiàn)恒定頻率控制，即實現(xiàn)PWM控制。這樣，變換器已有電壓過零控制的軟開關特點，又有PWM恒頻調(diào)寬的特點。諧振網(wǎng)絡中的電感是與主開關串聯(lián)的。與準諧振變換器不同的是，諧振元件的諧振工作時間與開關周期相比很短，一般為開關周期的1/101/5。 零開關PWM變換器可分為零電壓開關PWM變換器和零電流開關PWM變換器。 文獻【3】提出了一種新穎的混合式全橋PWM變換器，它不但能在不增加導

8、通損耗的情況下實現(xiàn)空載下ZVS條件，而且能使輸入輸出的濾波波形幾乎為理想的，從而減少了輸入輸出的濾波裝置。 2、 零轉(zhuǎn)換PWM變換器 零轉(zhuǎn)換PWM變換器與零開關PWM變換器并無本質(zhì)差異，不同之處是諧振網(wǎng)絡與主電子開關并聯(lián)。在開關轉(zhuǎn)換期間，并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡產(chǎn)生諧振以獲得零開關條件。開關轉(zhuǎn)換結(jié)束后，電路又恢復到正常的PWM工作方式。因此，零轉(zhuǎn)換PWM變換器綜合了硬開關PWM和諧振技術的優(yōu)點，又克服了它們的缺點： 采用PWM控制方式，實現(xiàn)恒定頻率控制； 輔助電路與主功率回路相并聯(lián)，僅在開關管開關時工作，其他時候不工作，不需要處理很大的環(huán)流能量，從而減小了輔助電路的損耗； 輔助電路的工作不會增加主開關管

9、的電壓和電流應力。 該類變換器可分為ZVT PWM變換器和ZCT PWM變換器，在中大功率的場合得到廣泛應用。 參考文獻 1.?軟性開關逆變電路及其應用?。王聰 機械工業(yè)出版社 1993. 2. 明正鋒，鐘彥儒，寧耀斌。極諧振開關過渡三相PWM逆變器研究新進展。電源技術應用，2000：145-148 3.Ayyanar R，Mohan N. A novel soft-switching DC-DC converter with full ZVS-range and reduced ffilter requirement-part I：regulated-output applications. IEEE Trans，Power E