電力電子技術(shù)第五版課件 第8章 軟開關(guān)技術(shù).ppt

1、第8章軟開關(guān)技術(shù)第8.1章軟開關(guān)的基本概念第8.2章軟開關(guān)電路的分類第8.3章典型軟開關(guān)電路第8.4章軟開關(guān)技術(shù)的新進(jìn)展本章概述第2章緒論現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展趨勢是小型化和輕量化，同時對器件的效率和電磁兼容性提出了更高的要求。電力電子電路的高頻化可以減小濾波器和變壓器的尺寸和重量，并減小電力電子設(shè)備的尺寸和重量。隨著開關(guān)損耗的增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增加。軟開關(guān)技術(shù)降低了開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。從而可以大大提高開關(guān)頻率。3、8.1軟開關(guān)的基本概念，8.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)，8.1.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，4、8.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)，硬開關(guān)切換過程中電壓和電流不為零，導(dǎo)致重疊和顯著的切

2、換損耗。電壓和電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過沖，產(chǎn)生開關(guān)噪聲。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率之間存在線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路工作頻率不太高時，開關(guān)損耗占總損耗的比例不大，但隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗變得越來越顯著。圖8-1硬切換降壓電路和波形a)電路圖b)理想化波形，圖8-2硬切換期間的電壓和電流a)關(guān)斷過程b)導(dǎo)通過程a)，b)，5，8.1.1硬切換和軟切換，其中增加了諧振電感器Lr和諧振電容器Cr。與濾波電感l(wèi)和電容c相比，在降壓零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開關(guān)過程前后引入諧振，使得開關(guān)接通前電壓降至零，開關(guān)斷開前電流降至零，消除了開關(guān)過程中電壓和電流的重疊，從而大大降低甚至消除了開關(guān)損耗。同時，諧振過

3、程限制了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，這也顯著降低了開關(guān)噪聲。圖8-3降壓零電壓開關(guān)的準(zhǔn)諧振電路和波形a)電路圖b)理想化波形a)，b)圖8-4軟開關(guān)過程a)關(guān)斷過程b)導(dǎo)通過程，6.8.1.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)中的電壓和電流。如果零電壓開關(guān)接通前兩端的電壓為零，則接通時不會出現(xiàn)損耗和噪聲。如果零電流關(guān)斷開關(guān)在關(guān)斷前電流為零，則關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。在零電壓下關(guān)閉與開關(guān)并聯(lián)的電容器可以延遲開關(guān)關(guān)閉后的電壓上升速率，從而降低關(guān)閉損耗。在零電流下與開關(guān)串聯(lián)的電感器可以延遲開關(guān)接通后的電流上升速率，并降低開關(guān)損耗。在許多情況下，開關(guān)不再指示，只調(diào)用零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。軟開關(guān)電路的分類根據(jù)

4、電路中的主要開關(guān)元件是零電壓導(dǎo)通還是零電流截止，軟開關(guān)電路可以分為兩類：零電壓電路和零電流電路。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，軟開關(guān)電路可以分為準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)脈寬調(diào)制電路和零開關(guān)脈寬調(diào)制電路。8，8.2軟開關(guān)電路的分類，圖8-5準(zhǔn)諧振電路A)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路B)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路C)零電壓開關(guān)多諧振電路，準(zhǔn)諧振電路分類零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路)零電壓開關(guān)多諧振電路(零電壓開關(guān)多諧振變換器ZVS MRC)用于諧振DC環(huán)節(jié)開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲大大降低，但也存在一些負(fù)面問題，如諧振電壓峰值高，這就要求必須提高器件的耐壓。諧振電流的有效值為

5、諧振周期隨著輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，因此電路只能由脈沖頻率調(diào)制(PFM)來控制，而變頻的開關(guān)頻率給電路設(shè)計帶來困難。10，8.2軟開關(guān)電路的分類，圖8-6零開關(guān)脈沖寬度調(diào)制電路a)零電壓開關(guān)脈沖寬度調(diào)制電路b)零電流開關(guān)脈沖寬度調(diào)制電路，其中引入了一個輔助開關(guān)來控制諧振的開始時間，因此諧振只發(fā)生在開關(guān)過程之前和之后。分類零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制變換器ZVS脈寬調(diào)制電路(零電流開關(guān)脈寬調(diào)制變換器ZCS脈寬調(diào)制)與準(zhǔn)諧振電路相比有許多明顯的優(yōu)點：電壓和電流基本上是方波，但上升沿和下降沿較慢，開關(guān)承受的電壓明顯降低，因此該電路可以采用開關(guān)頻率固定的脈寬調(diào)制控制方式。11，8.2軟開關(guān)電路的分類，圖8-

6、7零開關(guān)脈寬調(diào)制電路的基本開關(guān)單元A)零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路的基本開關(guān)單元B)零電流開關(guān)脈寬調(diào)制電路的基本開關(guān)單元其中輔助開關(guān)用于控制諧振的開始時間，區(qū)別在于諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)。因此，輸入電壓和負(fù)載電流對電路的諧振過程影響很小。該電路可以在寬輸入電壓范圍內(nèi)，從零負(fù)載到滿負(fù)載工作在軟開關(guān)狀態(tài)，電路中的無功功率交換減少到最小，進(jìn)一步提高了電路的效率。對零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制變換器zvt脈寬調(diào)制進(jìn)行分類，12、8.3典型軟開關(guān)電路，8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路，8.3.2諧振DC環(huán)，8.3.3移相全橋零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路，8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路，13、8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路，圖8

7、-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路示意圖，其中假設(shè)電感L和電容C較大，可以等效為電流源和切換周期中的任何時間都可以選擇作為分析的起點，并且可以通過選擇合適的起點來簡化分析。14，8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路，圖8-9零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形，圖8-10 t0t 1周期零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的等效電路，圖8-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖，開關(guān)S的關(guān)斷時間被選為工作過程中分析的起點。T0t1周期：在t0之前，s開啟，VD關(guān)閉，uCr=0，iLr=IL，s在t0關(guān)閉。在s關(guān)斷后，Cr減緩了電壓上升，因此s的關(guān)斷損耗降低。s關(guān)閉后，VD尚未打開。該電路可以等效于圖8-10。Lr L對Cr充電，L相當(dāng)于電

8、流源，uCr線性上升，VD兩端的電壓uVD逐漸下降，直到t1，uVD=0，VD導(dǎo)通。這段時間uCr的上升速率為(8-1)，15，8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路，圖8-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖，圖8-9零電壓開關(guān)。圖8-11 t1 T2周期零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路等效電路。t1t2周期：VD在t1接通，L通過VD續(xù)流，Cr、Lr和Ui形成諧振電路，如圖8-11所示。在共振過程中，Lr給Cr充電，uCr上升，iLr下降，直到t2，iLr下降到零，uCr達(dá)到共振峰值。t2t3期：T2后，Cr放電至Lr，iLr改變方向，uCr持續(xù)下降，直到t3，uCr=Ui，當(dāng)uLr=0時，iLr達(dá)到反向共振的峰值。

9、t3t4周期：T3之后，Lr對Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到在uCr=0。16、8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路、圖8-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖、圖8-9零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形、t1至t4的電路諧振過程方程為(8-2)、t4t5周期：uCr箝位在零，uLr=Ui，iLr線性衰減至t5。由于S兩端的電壓在此期間為零，因此有必要在此期間接通開關(guān)S，以免產(chǎn)生接通損耗。T5t6周期：s開啟，iLr線性上升，直到t6，iLr=IL，VD關(guān)閉。電流iLr從t4到t6的變化率為0。在t6t0中，s為開，VD為關(guān)。(8-3)，17，8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路，諧振過程是軟開關(guān)電路工作過程中

10、最重要的部分，諧振過程中的基本定量關(guān)系是uCr的表達(dá)式(即開關(guān)S的電壓uS)，T1和T4上的最大值，即uCr的諧振峰值，是開關(guān)S承受的峰值電壓，表達(dá)式是零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實現(xiàn)軟開關(guān)。零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點：諧振電壓的峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開關(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。18，8.3.2諧振DC環(huán)路，圖8-12諧振DC環(huán)路的電路原理圖，圖8-13諧振DC環(huán)路的等效電路，應(yīng)用于交流-DC-交流變換器電路的中間DC環(huán)節(jié)。通過在DC環(huán)節(jié)引入諧振，電路中的整流器或逆變器環(huán)節(jié)在軟開關(guān)條件下工作。在圖8-12中，輔助開關(guān)s使逆變橋中的所有開關(guān)在零電壓接通的情況下工作

11、。在實際電路中，開關(guān)s是不必要的，s的開關(guān)動作被逆變器電路中開關(guān)的接通和斷開所代替。電壓源逆變器的負(fù)載通常是感性的，諧振時逆變器電路的開關(guān)狀態(tài)是恒定的，負(fù)載電流被認(rèn)為是恒定的。19，8.3.2諧振DC回路，圖8-13諧振DC回路的等效電路，圖8-14諧振DC回路的理想化波形，工作過程從開關(guān)S斷開時開始。T0t1周期：在t0之前，iLr大于ILl，在t0時s導(dǎo)通，s截止，電路發(fā)生諧振。由于iLrIL，iLr對Cr充電，并且uCr持續(xù)上升直到t1，此時uCr=Ui。T1t2周期：在t1，因為uCr=Ui，ULr=0，所以諧振電流iLr達(dá)到峰值。t1之后，iLr繼續(xù)對Cr充電并持續(xù)下降，而uCr進(jìn)一

12、步上升，直到iLr=IL且uCr在t2達(dá)到其共振峰值。20，8.3.2諧振DC環(huán)路，t2t3周期：t2之后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續(xù)降低，然后當(dāng)達(dá)到零時反轉(zhuǎn)，Cr繼續(xù)向Lr放電，iLr反向增加，直到時間uCr=Ui。t3t4周期：在T3，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振的峰值，然后iLr開始衰減，uCr繼續(xù)下降，直到t4，uCr=0，VDS接通，uCr箝位在零。T4t0周期：s開啟，電流iLr線性上升，直到t0，此時s再次關(guān)閉。諧振DC環(huán)路中電壓uCr的諧振峰值很高，這就增加了開關(guān)器件的耐壓要求。圖8-13諧振DC環(huán)路等效電路，圖8-14諧振DC環(huán)路理想化波形，21，8.3.3移相全

13、橋零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路，圖8-15移相全橋零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路。電路簡單，只增加了一個諧振電感，使得電路中的四個開關(guān)器件都在零電壓的情況下導(dǎo)通?？刂颇Ｊ降奶攸c是在一個開關(guān)周期內(nèi)，每個開關(guān)的接通時間略小于TS/2，而斷開時間略長于TS/2。同一半橋中的上、下開關(guān)不是同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，每個開關(guān)都需要一定的死區(qū)時間才能斷開，另一個開關(guān)才能導(dǎo)通。兩對對角相對的開關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4提前0.0TS/2倍，而S2的波形比S3提前0.0TS/2倍。因此，S1和S2被稱為發(fā)達(dá)國家，而S3和S4被稱為落后國家。22，8.3.3移相全橋零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路，圖8-16移相全橋電路的理想

14、化波形，圖8-17移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖，工作過程t0t1周期：S1和S4都導(dǎo)通，直到S1在t1截止。T1t2周期：S1在t1關(guān)閉后，C1和C2與Lr和l形成一個諧振回路，如圖8-17所示，uA(t1)=Ui在諧振開始時，uA在諧振期間持續(xù)下降，直到uA=0，VDS2開啟，iLr通過VDS2續(xù)流。，23，8.3.3移相全橋零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路，圖8-16移相全橋電路的理想化波形、圖8-18移相全橋電路在t3t4級、t2t3周期的等效電路：S2在t2時刻導(dǎo)通，因為VDS2導(dǎo)通，S2導(dǎo)通時電壓為零，在導(dǎo)通過程中不會出現(xiàn)開關(guān)損耗。S2打開后，電路狀態(tài)不會改變。T3t4周期：在t4時

15、開關(guān)S4斷開后，電路的狀態(tài)變?yōu)槿鐖D8-18所示。此時，C3、C4和Lr形成諧振回路，在諧振過程中iLr持續(xù)下降，b點電壓持續(xù)上升，直到VDS3導(dǎo)通；這種狀態(tài)一直保持到t4時S3接通，S3接通時VDS3接通，因此S3在零電壓條件下接通，接通損耗為零。24，8.3.3移相全橋零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路，圖8-16移相全橋電路的理想化波形，圖8-15移相全橋零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制電路，t4t5周期：S3接通后，iLr繼續(xù)降低，降至零，然后反向，然后持續(xù)增加，直到t5，iLr=IL/kT，iVD1降至零并關(guān)閉，電流T0t5周期正好是開關(guān)周期的一半，在開關(guān)周期t5t的另一半，25，8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路，圖8-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路原理圖，具有電路簡單、效率高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正電路、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和電容C很大，因此在分析中可以忽略電流和輸出電壓的波動，也可以忽略元件和線路的損耗。在零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路中，輔助開關(guān)S1在主開關(guān)S之前接通，S1在主開關(guān)S接通之后斷開，主諧振過程集中在主開關(guān)S接通之前和之后。26，8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路，圖8-20升壓型零電壓轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制電路的理想化波形，圖8-21 t1 T2周期升