電力電子技術(shù)2014秋第8開(kāi)關(guān)

《電力電子技術(shù)Ⅰ》

Tuesday,February14,2023蔣冰華課程名稱(chēng)：電力電子技術(shù)Ⅰ

(PowerElectronics)

學(xué)

分：4

總學(xué)時(shí)：64

適用專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化

先修課程：電機(jī)與拖動(dòng)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電路原理等

第8章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

引言

§8.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念

§8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

§8.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

§8.4軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展本章小結(jié)第8章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)?

引言現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)小型化、輕量化、對(duì)效率和電磁兼容性也有更高的要求。電力電子裝置高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率?！?.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念

§8.1.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)

§8.1.2零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)§8.1.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過(guò)沖，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)噪聲。t0a）硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b）硬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖8－1硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程uiP0uituuiiP00開(kāi)關(guān)過(guò)程Thequalityofaninverteroutputisnormallyevaluatedintermsofits:harmonicfactor,HF,distortionfactor,DF,andtotalharmonicdistortion,THD.§8.1.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b）軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖8－2軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程§8.1.2零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零——開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流關(guān)斷開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其電流為零——關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。零電壓關(guān)斷與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗零電流開(kāi)通與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率，降低了開(kāi)通損耗。當(dāng)不指出是開(kāi)通或是關(guān)斷，僅稱(chēng)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)。靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。§8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)根據(jù)開(kāi)關(guān)元件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩大類(lèi)。根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。每一種軟開(kāi)關(guān)電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從基本開(kāi)關(guān)單元導(dǎo)出具體電路?！?.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)圖8－3基本開(kāi)關(guān)單元的概念a）基本開(kāi)關(guān)單元b）降壓斬波器中的基本開(kāi)關(guān)單元c）升壓斬波器中的基本開(kāi)關(guān)單元d）升降壓斬波器中的基本開(kāi)關(guān)單元UndampedSeries-ResonantCircuit(SRC)initialconditionsSeries-ResonantCircuitwithCapacitor-ParallelLoadSeries-ResonantCircuitwithCapacitor-ParallelLoadImpedanceofaSeries-ResonantCircuit

TheimpedanceiscapacitivebelowtheresonancefrequencyInthepresenceofaloadresistanceR,thequalityfactorQisdefinedasSRCAttheresonantfrequencythevoltagesontheinductorandthecapacitorareQ0timesgreaterthanthetotalvoltageoftheresonantcircuit.UndampedParallel-ResonantCircuit

ExcitedbyacurrentsourceParallel-ResonantCircuit(PRC)ImpedanceofaParallel-ResonantCircuit

TheimpedanceisinductiveatbelowtheresonantfrequencyResonantcircuits,stepresponse,andfrequencycharacteristics:

(a)seriesL-C-Rcircuitand(b)parallelL-C-Rcircuit.Characteristicsandparametersofparallelandseriesresonantcircuits§8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

1）準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路－準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱(chēng)之為準(zhǔn)諧振。是最早出現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路。

特點(diǎn)：諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；諧振電流有效值很大，電路中存在大量無(wú)功功率的交換，電路導(dǎo)通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation—PFM）方式來(lái)控制。三類(lèi)軟開(kāi)關(guān)電路§8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)準(zhǔn)諧振電路可分為：用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(ResonantDCLink）。圖8－4準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元c)零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）b)零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）

a)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）§8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

2）零開(kāi)關(guān)PWM電路

引入了輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后。零開(kāi)關(guān)PWM電路可以分為：

特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿(mǎn)載都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。b)零電流開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元圖8－5零開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）a)零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）§8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)

3）零轉(zhuǎn)換PWM電路

采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，但諧振電路是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的。零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為：

特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿(mǎn)載都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元圖8－6零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage

TransitionPWMConverter—ZVTPWM）§8.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

§8.3.2諧振直流環(huán)

§8.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路1）電路結(jié)構(gòu)以降壓型為例:假設(shè)電感L和電容C很大，可等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。圖8－7

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路選擇開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。t0~t1時(shí)段：t0之前，開(kāi)關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL，t0時(shí)刻S關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，因此S的關(guān)斷損耗減小。S關(guān)斷后，VD尚未導(dǎo)通。電感Lr+L向Cr充電，

uCr線性上升，同時(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通。這一時(shí)段uCr的上升率：2）工作原理t0~t1時(shí)段的等效電路§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路2）工作原理t0~t1時(shí)段的等效電路SS

(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖8－8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻二極管VD導(dǎo)通，電感L通過(guò)VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路。t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振峰值。t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻uCr=0。t1~t2時(shí)段的等效電路uSS

(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖8－8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路SS

(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖8－8零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形§8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路§8.3.2諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)電路應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)（DC-Link）。通過(guò)在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開(kāi)關(guān)的條件下。1）電路結(jié)構(gòu)圖8-11諧振直流環(huán)電路原理圖由于電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，而且在諧振過(guò)程中逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時(shí)可將電路等效。圖8-12諧振直流環(huán)電路的等效電路§8.3.2諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖8-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖8-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

2）工作原理§8.3.2諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖8-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖8-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

§8.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路之一。特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單。同硬開(kāi)關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個(gè)諧振電感，就使四個(gè)開(kāi)關(guān)均為零電壓開(kāi)通。圖8-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路§8.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖8-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

1）移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)：

在開(kāi)關(guān)周期TS內(nèi)，每個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于TS/2，而關(guān)斷時(shí)間都略大于TS/2；同一半橋中兩個(gè)開(kāi)關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間?！?.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路互為對(duì)角的兩對(duì)開(kāi)關(guān)S1～S4和S2～S3，S1的波形比S4超前0～TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0～TS/2時(shí)間，稱(chēng)S1和S2為超前的橋臂，而稱(chēng)S3和S4為滯后的橋臂。圖8-14移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

2）工作過(guò)程：S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖8-15移相全橋電路的理想化波形§8.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

2）工作過(guò)程：圖8－16移相全橋電路在t1～t2階段的等效電路圖S2在t2時(shí)開(kāi)通-零電壓§8.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖8-17移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路§8.3.3移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖8-15移相全橋電路的理想化波形§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖8－18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)?！?.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖8－18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖8－19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖8-20

升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1~t2時(shí)段的等效電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖8－19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形§8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路圖8-20

升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1~t2時(shí)段的等效電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖8－19