第七章軟開關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用

1、第第7章章 軟開關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用 7.1 概述 7.1.1 常規(guī)脈寬調(diào)制逆變器 所謂的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換或硬開關(guān)（所謂的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換或硬開關(guān)（Hard-Hard-Switching transformationSwitching transformation），），因而存在如因而存在如下的缺點(diǎn)：下的缺點(diǎn)：開關(guān)損耗大，限制了開關(guān)元件的開關(guān)損耗大，限制了開關(guān)元件的工作頻率工作頻率 方波工作方式，產(chǎn)生較大的電磁干擾，電路方波工作方式，產(chǎn)生較大的電磁干擾，電路存在著較大的存在著較大的動(dòng)態(tài)電壓動(dòng)態(tài)電壓、電流應(yīng)力電流應(yīng)力 在開關(guān)過(guò)程中，要求開關(guān)元件有較大的在開關(guān)過(guò)程中，要求開關(guān)元件有較大的安全安全工

2、作區(qū)工作區(qū) 橋式電路拓?fù)?，存在著上、下橋臂橋式電路拓?fù)?，存在著上、下橋臂直通短路直通短路的問題的問題 圖7-1 硬開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電壓、電流波形和損耗7.1.2 軟開關(guān)技術(shù)及其基本思想 這種所謂的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換其理論上開關(guān)損耗為零 其軟開關(guān)逆變器的優(yōu)點(diǎn)如下： 1 振式軟開關(guān)轉(zhuǎn)換無(wú)開關(guān)損耗，工作振式軟開關(guān)轉(zhuǎn)換無(wú)開關(guān)損耗，工作頻率高；頻率高； 2 電磁干擾，開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)電磁干擾，開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力小；力??； 3 電能轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)吸收電路，散電能轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)吸收電路，散熱器小；熱器小； 4 上下橋臂直通短路問題不存在了。上下橋臂直通短路問題不存在了。在諧振直流環(huán)節(jié)的逆變器中，上下橋臂在諧

3、振直流環(huán)節(jié)的逆變器中，上下橋臂直通成了一種合理的工作狀態(tài)直通成了一種合理的工作狀態(tài)。 諧振軟開關(guān)電路中，零電壓和零電流條件是由輔助的諧振電路所創(chuàng)造的。 (a) 零電流型(b) 零電壓型圖7-2 諧振開關(guān) 零電流型開關(guān)（ZCT） tZUtULCtCUdtduCitUtLCUtudddCLddc000000sinsin)sin(cos1cos)(零電壓型tCLItUtuLdC000sin)cos1 ()()sin(1)(1020tUIZUdLCd00220)cos(tUICLCdtduCidLcC)cos(0220tLCUICLdL)cos(220tULCI0dL7.2 諧振直流環(huán)節(jié)逆變器 7.2

4、.1 諧振直流環(huán)節(jié)的基本原理 （a）一般電路 （b）等效電路圖7-3 諧振直流環(huán)節(jié)逆變器 （一）無(wú)損耗的諧振槽電路 圖7-4 無(wú)損耗的諧振槽 )cos1 ()(0tUtuScLC120（二）有損耗的諧振槽路 圖7-6 有損耗的諧振槽路teUteUUutStSSCcossin)sin(1teUt0S00arctgarccosarcsin圖7-7 衰減振蕩波形（三）開關(guān)的作用 圖7-8 補(bǔ)充損耗的諧振槽路SUA2SLSLUCICUICA110012001 UIZSL0/22CLLRLCRteAteAUuttSCcossin21)sin(11/12200tUIZeUSLtSSLSUIZUarctg0

5、021120tsLOeZUI7.2.2 諧振直流環(huán)節(jié)逆變器電路分析 圖7-9 一個(gè)諧振周期中的等效電路 （一）一）S S1 1開通補(bǔ)充能量階段 圖7-10 補(bǔ)充能量階段等效電路 1010tLUIIIIIItLUISdLmmddSL圖7-11 補(bǔ)充能量的電壓電流波形 dSLItLUi（二）L、C諧振階段 圖7-12 諧振階段的等效電路 )sin()(11020tUIZUuSmScdtduCIiIiCdCdL)cos(10200tUIZZUISmSd)cos(10200tUIZZUiSmSC01121120min20maxSmSCSSmSCUIZUuUUIZUumSIZUarctgLCt00max

6、2)2(1mSIZUarctgLCt00min23)23(1圖7-13 諧振階段的電壓電流波形 （三）VD1導(dǎo)通箝位階段 圖7-14 VD1導(dǎo)通箝位階段等效電路 SdULIt 7.3 極諧振型逆變器 諧振型軟開關(guān)逆變器大致上可分為兩類，一類稱為DC環(huán)節(jié)諧振型逆變器，它的特點(diǎn)是在原先硬開關(guān)電壓源逆變器的逆變橋與直流電壓源之前加入一個(gè)輔助諧振電路，使DC環(huán)節(jié)電壓產(chǎn)生諧振，周期性的為后面逆變橋開關(guān)提供零電壓間隔。另一類稱為極諧振型逆變器，這一類逆變器的共同特點(diǎn)是，輔助諧振電路從逆變橋之前移到了逆變橋之后。 圖7-15 ADRPI原理電路7.3.1 ADRPI無(wú)負(fù)載時(shí)的工作原理 圖7-16 ADRPI

7、無(wú)負(fù)載時(shí)的工作波形7.3.2 ADRPI有負(fù)載電流時(shí)的工作原理 負(fù)載電流負(fù)載電流I I0 0 00的工作過(guò)程分析的工作過(guò)程分析 圖7-17 ADRPI工作過(guò)程的等效電路10 tt1LSLItLUi)(10011LSdIIULttt21 tt02IZUIirSLLrdCCLLCrttt12)(224312232 ttZrUIiSL/0323dttt43 ttZrUIttLUiSSL03)(344tttdrCCLLCrCrLLZrL1)(/43時(shí)間段：時(shí)間段：時(shí)間段：時(shí)間段：54 ttdtduCrIiCL40tZrUIrSsin0455tttdCrLCCLr2)(2124305 tt圖7-18 A

8、DRPI負(fù)載時(shí)的電壓電流波形負(fù)載電流I I0 0 0的工作過(guò)程分析 圖7-19 I0 0時(shí)，考慮C1、C2影響的等效電路 00I00I圖7-21 I00時(shí)，考慮C1、C2影響的等效電路 為了保證開關(guān)器件為了保證開關(guān)器件VTVT1 1和和VTVT2 2實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流軟開關(guān)操作的可靠性，零電壓或零電流軟開關(guān)操作的可靠性，必須要保證開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間電容電壓一必須要保證開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間電容電壓一定要過(guò)零。為此零電壓操作必須要檢定要過(guò)零。為此零電壓操作必須要檢測(cè)電容電壓，只有電容電壓過(guò)零的時(shí)測(cè)電容電壓，只有電容電壓過(guò)零的時(shí)刻才送并聯(lián)開關(guān)的開通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其刻才送并聯(lián)開關(guān)的開通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其邏輯電路如圖邏輯電

9、路如圖7-227-22所示。所示。 圖7-22 實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的電容電壓檢測(cè)7.3.4 電路參數(shù)研究 圖7-23 極小輸出時(shí)電壓電流波形 1.1.極諧振逆變器的最小輸出電壓與極諧振逆變器的最小輸出電壓與PWMPWM的的頻率頻率 成正比，成正比， 越高最小輸出電壓越高最小輸出電壓 也就越高，但是由于也就越高，但是由于 中包含有死區(qū)時(shí)中包含有死區(qū)時(shí)間間 ，因此最低輸出電壓不能小，即，因此最低輸出電壓不能小，即 不能小不能小 2. 2. 最高輸出電壓最高輸出電壓 與與 成反比，當(dāng)達(dá)成反比，當(dāng)達(dá)到最高極限時(shí)，到最高極限時(shí)， , ,即即 ；FsFsmin0U4dttminDmax0UFs,2max0SF

10、sUU5 . 0maxD3.系統(tǒng)的系統(tǒng)的PWMPWM工作頻率不能取高，因工作頻率不能取高，因?yàn)楣ぷ黝l率高造成輸出電壓下降和輸為工作頻率高造成輸出電壓下降和輸出電壓的變化范圍縮小出電壓的變化范圍縮小4 4。諧振頻率諧振頻率 成正比，但由成正比，但由于有死區(qū)時(shí)間的限制，于有死區(qū)時(shí)間的限制， 不能高不能高 即即 不能高。最高的輸出頻率不能高。最高的輸出頻率 = =FsFr與FrFsFrFS222. 1maxFr227.3.5 ADRPI的應(yīng)用電路 圖7-24 單相交流電路拓?fù)?圖7-25 ADRPI三相交流電路拓?fù)?7-4 移相控制軟開關(guān)PWM變換器（Phase-Shifted Soft-Trans

11、formation PWM Converter） 7.4.1 零電壓轉(zhuǎn)換的電路拓?fù)浼肮ぷ鬟^(guò)程 圖7-26全橋變換器主電路1.超前橋臂VT1的關(guān)斷過(guò)程 2. VdVd2, 2, VTVT4 4同時(shí)導(dǎo)通的續(xù)流階段 3.滯后橋臂VTVT4 4關(guān)斷的諧振過(guò)程 4. VTVT3 3 VTVT2 2同時(shí)導(dǎo)通，負(fù)半周傳送功率階段 5.超前橋臂VTVT2 2開關(guān)關(guān)斷過(guò)程 圖7-28 T T2 2關(guān)斷時(shí)C C1 1C C2 2恒流充放電過(guò)程 6. VDVDr rVTVT3 3同時(shí)導(dǎo)通的續(xù)流階段 7. VTVT3 3關(guān)斷，C C3,3,C C4,4,L Lr r的諧振充放電過(guò)程 8. VTVT1 1 VTVT4

12、4同時(shí)導(dǎo)通，正半周傳輸功率階段 7.4.2 副方二極管換流和導(dǎo)通比丟失問題 圖7-30 二極管換流過(guò)程從工作過(guò)程分析可以看出，對(duì)于超從工作過(guò)程分析可以看出，對(duì)于超前橋臂開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換是很容前橋臂開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換是很容易的，因?yàn)槌皹虮坶_關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，易的，因?yàn)槌皹虮坶_關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，變壓器副方的影響是有助于實(shí)現(xiàn)零變壓器副方的影響是有助于實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的，這時(shí)副方濾波電感折電壓轉(zhuǎn)換的，這時(shí)副方濾波電感折算到原方，即副方負(fù)載電流也折算算到原方，即副方負(fù)載電流也折算到原方，使之轉(zhuǎn)換時(shí)到原方，使之轉(zhuǎn)換時(shí)C C1 1C C2 2 的諧振充的諧振充放電過(guò)程變成了恒流充放電過(guò)程。放電過(guò)程變成了恒流充放電過(guò)程。而滯后橋臂而滯后橋臂VTVT3 3 VTVT4 4轉(zhuǎn)換時(shí)，由于副轉(zhuǎn)換時(shí)，由于副方二極管換流，變壓器副方通過(guò)二方二極管換流，變壓器副方通過(guò)二極管給短路了，實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的極管給短