《電力電子技術(shù)》課件-7.軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

1.認(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)—軟開(kāi)關(guān)技術(shù)—基本概念第一章軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)第二章目錄頁(yè)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展第三章引言認(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)■現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求?！鲭娏﹄娮与娐返母哳l化◆可以減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝置小型化、輕量化?！糸_(kāi)關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增大?！鲕涢_(kāi)關(guān)技術(shù)◆降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲?！羰归_(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高。基本概念電力電子電路處理電能有兩種不同的方式：一是硬開(kāi)關(guān)電路，所謂硬開(kāi)關(guān)電路指的是,電路中的開(kāi)關(guān)器件，是在電壓和電流均不為零的情況下開(kāi)通和關(guān)斷，引起很大的損耗，二是軟開(kāi)關(guān)電路，所謂軟開(kāi)關(guān)電路是指，電路中的開(kāi)關(guān)器件，是在電流（或電壓）變?yōu)榱愕那闆r下開(kāi)通和關(guān)斷，從而使開(kāi)關(guān)器件的功耗大大降低。認(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)理想開(kāi)關(guān)并沒(méi)有硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)之分，其“開(kāi)”和“關(guān)”是在瞬間完成的，忽略了開(kāi)關(guān)過(guò)程對(duì)電路的影響?；靖拍钫J(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開(kāi)關(guān)損耗。電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖，從而產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)噪聲。開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗就越來(lái)越顯著。圖1硬開(kāi)關(guān)降壓型電路及波形a）電路圖b）理想化波形t0uiP0uituuiiP00圖2硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流a)關(guān)斷過(guò)程b)開(kāi)通過(guò)程基本概念認(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)電路中增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr和Cr的值小得多，同時(shí)開(kāi)關(guān)S增加了反并聯(lián)二極管VDS，而硬開(kāi)關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管。降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過(guò)程限值了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的變化率，這使得開(kāi)關(guān)噪聲也顯著減小。圖3軟開(kāi)關(guān)降壓型電路及波形a）電路圖b）理想化波形圖4軟開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流a)關(guān)斷過(guò)程b)開(kāi)通過(guò)程ui0uitt0uiP0uitt0uu軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)認(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)根據(jù)電路中主要的開(kāi)關(guān)元件是零電壓開(kāi)通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類(lèi)，個(gè)別電路中，有些開(kāi)關(guān)是零電壓開(kāi)通的，另一些開(kāi)關(guān)是零電流關(guān)斷的。

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。圖5準(zhǔn)諧振電路a）零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

b）零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路c）零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲都大大下降，但器件耐壓要求高，且諧振電流的有效值很大，造成電路導(dǎo)通損耗加大。軟開(kāi)關(guān)電路的分類(lèi)認(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)圖6零開(kāi)關(guān)PWM電路a）零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路b）零電流開(kāi)關(guān)PWM電路同準(zhǔn)諧振電路相比，這類(lèi)電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開(kāi)關(guān)頻率固定的PWM控制方式。圖8-7零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元電路中采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程的影響很小，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)，而且電路中無(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。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展認(rèn)識(shí)軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)出現(xiàn)了以下幾個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)：新的軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)涞臄?shù)量仍在不斷增加，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。在開(kāi)關(guān)頻率接近甚至超過(guò)1MHz、對(duì)效率要求又很高的場(chǎng)合，曾經(jīng)被遺忘的諧振電路又重新得到應(yīng)用，并且表現(xiàn)出很好的性能。采用幾個(gè)簡(jiǎn)單、高效的開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)級(jí)聯(lián)、并聯(lián)和串連構(gòu)成組合電路，替代原來(lái)的單一電路成為一種趨勢(shì)，在不少應(yīng)用場(chǎng)合，組合電路的性能比單一電路顯著提高。2.準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用—軟開(kāi)關(guān)技術(shù)—基本概念第一章準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用第二章目錄頁(yè)基本概念依據(jù)7-1節(jié)所述，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。

準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用圖1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形圖基本概念準(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，其通過(guò)在硬開(kāi)關(guān)單元上增加諧振電感和諧振電容，構(gòu)造成諧振開(kāi)關(guān)單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)功能。

準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用——分類(lèi)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)圖2準(zhǔn)諧振電路a）零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路b）零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路c）零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路基本概念——通過(guò)采用準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器

開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲都大大下降，也有一些負(fù)面問(wèn)題。諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無(wú)功功率的交換，造成電路導(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，變頻的開(kāi)關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用基本概念準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用——諧振直流環(huán)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。圖3中，輔助開(kāi)關(guān)S使逆變橋中所有的開(kāi)關(guān)工作在零電壓開(kāi)通的條件下，實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)S可以不需要，S的開(kāi)關(guān)動(dòng)作用逆變電路中開(kāi)關(guān)的直通與關(guān)斷來(lái)代替。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，負(fù)載電流視為常量。圖4諧振直流環(huán)電路原理圖圖5諧振直流環(huán)電路的等效電路準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器的應(yīng)用準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)換流器是在原有變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上添加上諧振元件而形成的。在變換器工作的一個(gè)周期內(nèi)，一部分時(shí)間諧振元件參與諧振，使功率開(kāi)關(guān)管獲得零電壓或零電流開(kāi)關(guān)條件，減小其開(kāi)關(guān)損耗。通常廣泛應(yīng)用于通信電源中，讓人們享受更加便捷的生產(chǎn)和生活方式，解決了空開(kāi)跳開(kāi)、模塊不均流、保險(xiǎn)管斷開(kāi)、防雷器故障、整流模塊退出等問(wèn)題。3.零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用—軟開(kāi)關(guān)技術(shù)—基本概念第一章零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用第二章目錄頁(yè)基本原理依據(jù)7-1節(jié)所述，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。其中準(zhǔn)諧振電路又可分為零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路、以及用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)等。

零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用圖1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形圖基本原理——零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路假設(shè)電感L和電容C很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程是按開(kāi)關(guān)周期重復(fù)的，在分析時(shí)可以選擇開(kāi)關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn)，選擇合適的起點(diǎn)，可以使分析得到簡(jiǎn)化。圖2零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用基本原理零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用——工作過(guò)程選擇開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。t0~t1時(shí)段：t0之前，S導(dǎo)通，VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL，t0時(shí)刻S關(guān)斷，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，電路可以等效為圖4；Lr+L向Cr充電，L等效為電流源，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的上升率為

SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖3零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形圖4零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t0~t1時(shí)段等效電路基本原理零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用——工作過(guò)程SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖3零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形圖5零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t1~t2時(shí)段等效電路t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻VD導(dǎo)通，L通過(guò)VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路，如圖5所示；諧振過(guò)程中，Lr對(duì)Cr充電，uCr不斷上升，iLr不斷下降，直到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，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，這時(shí)，uLr=0，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?；驹砹汶妷洪_(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用——工作過(guò)程SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖3零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形t1到t4時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為

t4~t5時(shí)段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于這一時(shí)段S兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通損耗。

t5~t6時(shí)段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為

t6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。

基本原理零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用諧振過(guò)程是軟開(kāi)關(guān)電路工作過(guò)程中最重要的部分，諧振過(guò)程中的基本數(shù)量關(guān)系為uCr（即開(kāi)關(guān)S的電壓uS）的表達(dá)式

[t1,t4]上的最大值即uCr的諧振峰值，就是開(kāi)關(guān)S承受的峰值電壓，表達(dá)式為

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件

如果正弦項(xiàng)的幅值小于Ui，uCr就不可能諧振到零，S也就不可能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

其缺點(diǎn)主要在于諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開(kāi)關(guān)S的耐壓必須相應(yīng)提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器的應(yīng)用零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在電源電路中是一種非常常見(jiàn)的電路結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、低噪聲的功率轉(zhuǎn)換，同時(shí)還擁有高質(zhì)量因數(shù)和較低的開(kāi)關(guān)損耗。因此，它被廣泛應(yīng)用于電源電路中，特別是在高端電力電子設(shè)備中。實(shí)際在電源電路中，零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換、AC/DC變換等功率轉(zhuǎn)換功能，能夠提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步進(jìn)行二次電源濾波、電源管理等功能的實(shí)現(xiàn)，為電器設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。4.零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的應(yīng)用—軟開(kāi)關(guān)技術(shù)—基本概念第一章零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的應(yīng)用第二章目錄頁(yè)基本原理依據(jù)7-1節(jié)所述，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。其中零轉(zhuǎn)換PWM電路由零轉(zhuǎn)換PWM開(kāi)關(guān)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用調(diào)寬控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通。

零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的應(yīng)用圖1零電壓轉(zhuǎn)換PWM開(kāi)關(guān)單元圖基本原理——零轉(zhuǎn)換PWM變換器零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的應(yīng)用產(chǎn)生的背景：為克服零開(kāi)關(guān)PWM電路的缺陷而產(chǎn)生的。概念：所含軟開(kāi)關(guān)為零轉(zhuǎn)換PWM軟開(kāi)關(guān)的電路。分類(lèi)：共分為兩類(lèi)，分別為零電壓轉(zhuǎn)換PWM（ZVTPWM）變換器與零電流轉(zhuǎn)換PWM（ZCTPWM）變換器，本節(jié)以零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器為例進(jìn)行分析?；驹砹汶妷恨D(zhuǎn)換PWM變換器的應(yīng)用——零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于功率因數(shù)校正電路（PFC）、DC-DC變換器、斬波器等。以升壓電路為例，在分析中假設(shè)電感L、電容C很大，可以忽略電流和輸出電壓的波動(dòng)，在分析中還忽略元件與線路中的損耗。在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開(kāi)關(guān)S1超前于主開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，而S開(kāi)通后S1就關(guān)斷了，主要的諧振過(guò)程都集中在S開(kāi)通前后。圖2升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖基本原理——工作過(guò)程t0~t1時(shí)段：輔助開(kāi)關(guān)先于主開(kāi)關(guān)開(kāi)通，由于此時(shí)VD尚處于通態(tài)，所以u(píng)Lr=Uo，iLr按線性迅速增長(zhǎng)，iVD以同樣的速率下降，直到t1時(shí)刻，iLr=IL，iVD下降到零，二極管自然關(guān)斷。t1~t2時(shí)段：此時(shí)電路可以等效為圖4，Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，由于L很大，諧振過(guò)程中其電流基本不變，對(duì)諧振影響很小，可以忽略；諧振過(guò)程中iLr增加而uCr下降，t2時(shí)刻uCr降到零，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，而iLr保持不變。圖3升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形圖4升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1~t2時(shí)段的等效電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器的應(yīng)用SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO基本原理——工作過(guò)程t2~t