現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的軟開關(guān)技術(shù)

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的軟開關(guān)技術(shù) 現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的軟開關(guān)技術(shù) 摘 要：論述了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的軟開關(guān)技術(shù)及其新開展，論述了由無損耗緩沖技術(shù)和諧振技術(shù)組合而成的軟開關(guān)技術(shù)。 關(guān)鍵詞：軟開關(guān) 諧振現(xiàn)象 變換器 一、引言 電力電子技術(shù)利用無源功率器件和半導(dǎo)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(shù)、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，以功率變化電路為對(duì)象，研究對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的規(guī)律，以其獨(dú)特的、不可取代的特殊功能，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。 開關(guān)電源的高頻化是實(shí)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(guān)電源的高頻化增大了變換器的功率密度和性能價(jià)格

2、比，而且極大地提高了瞬時(shí)響應(yīng)速度，抑制了電源所產(chǎn)生的音頻噪聲。 軟開關(guān)技術(shù)是近年來電力電子學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)主要研究方向。對(duì)軟開關(guān)理論的深入研究，使軟開關(guān)技術(shù)成為電力電子變換技術(shù)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(guān)的工作原理，種類及特點(diǎn) 諧振軟開關(guān)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(shí)，電流或電壓形成周期性地過零點(diǎn)，并使開關(guān)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(guān)損耗為零，防止了硬開關(guān)由于電壓電流波形交疊而產(chǎn)生開通及關(guān)斷損耗。 軟開關(guān)包括軟關(guān)斷和軟開通。按驅(qū)動(dòng)

3、信號(hào)的時(shí)序來分又可以分為零電壓開通、零電壓關(guān)斷與零電流開通、零電流關(guān)斷。各種軟開關(guān)與硬開關(guān)的波形比擬如下： 圖1 軟開關(guān)和硬開關(guān)的波形比擬 圖中零電流關(guān)斷信號(hào)在t2或t2以后發(fā)出，零電壓關(guān)斷信號(hào)在t1發(fā)出。零電流開通信號(hào)在t2或t2以后發(fā)出，零電壓開通信號(hào)在t1發(fā)出。 諧振軟開關(guān)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(guān)器件S構(gòu)成。輔助諧振電路中的開關(guān)器件S也是在零電流或零電壓條件下實(shí)現(xiàn)通斷。 對(duì)于軟開關(guān)逆變器來說，有兩種拓樸結(jié)構(gòu)：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(diǎn)，提供應(yīng)逆變橋一個(gè)零電流開關(guān)或零電壓開關(guān)條件

4、。二是諧振發(fā)生在逆變橋橋臂的每一個(gè)有源開關(guān)兩端，通過諧振使得在每個(gè)開關(guān)需要切換的時(shí)候它兩端的電壓或電流過零點(diǎn)。 軟開關(guān)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中需要解決的主要關(guān)鍵問題： 諧振電路在諧振時(shí)所產(chǎn)生高電流應(yīng)力和高電壓應(yīng)力； 如果諧振電感處于主功率傳輸通道上時(shí)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(fù)雜，增加了電路控制的難度； 將PWM技術(shù)和諧振軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合是一個(gè)關(guān)鍵問題。采用諧振過渡技術(shù)，即把諧振電感移出主功率通道，通過輔助開關(guān)控制諧振的發(fā)生和終止，使得逆變主開關(guān)在過渡的瞬間由諧振產(chǎn)生一個(gè)ZVS或ZCS【2】。 三、幾種典型的諧振軟開關(guān)變換器 利用諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)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(guān)斷或零電流開通的條件，采用這種技術(shù)以實(shí)現(xiàn)開關(guān)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(shí)際上是負(fù)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(zhǔn)諧振變換器：諧振元件參與能量變換的某一個(gè)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(duì)稱。一般情況下正向正弦半波大過負(fù)向正弦半波，所以稱為準(zhǔn)諧振。具有此特點(diǎn)的變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器分為零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器和零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器。 3、多諧振變換器：它和準(zhǔn)諧振變換器一樣，諧振元件參與能

6、量變換的某一個(gè)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(gè)，因此稱為多諧振變換器。 諧振變換器是一個(gè)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(fù)載變化而變化，依靠調(diào)整諧振變換器開關(guān)器件的開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)調(diào)頻系統(tǒng)，不如PWM開關(guān)變換器那樣容易控制，導(dǎo)電損耗增加，功率器件所受的電流與電壓的應(yīng)力較大，且隨電路的Q值和負(fù)載變化而變化。此外變換器的輸出靠改變開關(guān)器件的開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)，開關(guān)頻率大范圍變化使得干擾難以抑制，濾波器、變壓器設(shè)計(jì)難以優(yōu)化，而且當(dāng)負(fù)載變化大時(shí)，變換電路不能到達(dá)零電壓或零電流開關(guān)條件。 為了克服調(diào)頻系統(tǒng)的缺點(diǎn)和充分發(fā)揮PWM的優(yōu)

7、點(diǎn)，出現(xiàn)了零開關(guān)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(guān)變換器 1、零開關(guān)PWM變換器 零開關(guān)PWM變換器是在準(zhǔn)諧振變換器的根底上，參加一個(gè)輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn)PWM控制。這樣，變換器已有電壓過零控制的軟開關(guān)特點(diǎn)，又有PWM恒頻調(diào)寬的特點(diǎn)。諧振網(wǎng)絡(luò)中的電感是與主開關(guān)串聯(lián)的。與準(zhǔn)諧振變換器不同的是，諧振元件的諧振工作時(shí)間與開關(guān)周期相比很短，一般為開關(guān)周期的1/101/5。 零開關(guān)PWM變換器可分為零電壓開關(guān)PWM變換器和零電流開關(guān)PWM變換器。 文獻(xiàn)【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(dǎo)

8、通損耗的情況下實(shí)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(guān)PWM變換器并無本質(zhì)差異，不同之處是諧振網(wǎng)絡(luò)與主電子開關(guān)并聯(lián)。在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振以獲得零開關(guān)條件。開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，電路又恢復(fù)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(guān)PWM和諧振技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)： 采用PWM控制方式，實(shí)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(guān)管開關(guān)時(shí)工作，其他時(shí)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(huì)增加主開關(guān)管

9、的電壓和電流應(yīng)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(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) 1.?軟性開關(guān)逆變電路及其應(yīng)用?。王聰 機(jī)械工業(yè)出版社 1993. 2. 明正鋒，鐘彥儒，寧耀斌。極諧振開關(guān)過渡三相PWM逆變器研究新進(jìn)展。電源技術(shù)應(yīng)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