电力电子课件 - 华中科技大学 - 第8章 谐振开关型变换器.ppt

第 8 章 谐振开关型变换器,8 谐振开关型变换器,8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性 8.2 谐振开关型变换器的类型 8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器 8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器 8.5 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI 小结,8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性,硬开关过程 开通（ AB C ） ：在vT =VD下iT从0Io，然后在iT=Io下vT从VD0 ，Pon=vTiT大。 关断（ CB A ）：在iT=Io下vT从0VD，然后在vT =VD下iT从Io0，Poff= vTiT大。,图8.1(a) 硬开关电路,开关轨迹,8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性,有LC缓冲器的软开关过程 开通（ AQEC）：LS使工作点从AQ，在vTVQVD下iT从0Io，然后从EC，Pon Pon。 关断（CAPA）：iT从Io0期间vT从0VD，然后在iT=0下从APA，Poff显著减小。,开关轨迹,图8.1(b) 有LC复合缓冲的软开关电路,8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性,开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变换器的开关损耗会成比例升高。 LC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整个变换器的效率不一定能提高。 零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器高频化最理想的技术。,8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性,LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断 t1时引发Lr、Cr谐振，t2时vT 谐振至零，在t3时驱动T实现零电压开通。 t6时引发Lr、Cr谐振， t7时iT谐振至零，在t8时切除驱动信号实现零电流关断。,开关轨迹,图 8.2 零电压开通、零电流关断时vT、iT、rT,零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。 脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制PFM谐振变换器。 零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。 零开关谐振变换器 零转换谐振变换器 LC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。,8.2 谐振开关型变换器的类型,8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,工作原理 关断T2后引发LrCr谐振，使主开关管T1的电压vT=0。 再对T1施加驱动信号实现T1的零电压开通。,图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图,图8.1(a) 硬开关电路,主电路组成,变换器一个周期有五种开关状态。 开关状态1:T1关断， Cr充电 开关状态2:D0，D2续流 开关状态3:T2关断，Cr、Lr谐振 开关状态4:T1零电压开通 开关状态5:T2零电压开通,图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,开关状态1：t0tt1,tto时T1、T2通态，D0截止；t=t0时关断T1，iT1下降，VT1从0上升，因Cr，T1软关断；tt1时VT1上升到VD，D0正偏导电，T1关断过程结束。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,开关状态2：t1tt2,T1断态，VcrVT1VD。iL经D2、T2续流，Io经D0续流。Toff=t2-t1可控，用以调控输出电压。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,开关状态3：t2tt3,t=t2时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半个周期到t3， t=t3时 VcrVT1VD，iL达到负最大值。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,开关状态4：t3tt8,如IoZrVD, 则当VT10时, iT1仍为负值。此后负值iL经D1向VD回送电流，直到t=t6。在t4t6期间，VT10。若在t5驱动T1，则为零电压开通。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,开关状态4（续）：t3tt8,tt6时，iL0， VcrVT10，T2早已关断，此后VD经T1、Lr建立iT1。 t=t8时，iT1Io，D0截止，完成T1开通过程。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,开关状态5：t8tt10,tt9时，开通T2，此时iL=I0不变T1已是通态， vLvT20，T2是零电压开通。 t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完成一个开关周期Ts。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,在fs1/Ts固定时，控制T2的关断时刻t2，即可改变Toff，从而改变占空比，调控输出电压。 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器，可实现主开关T1和辅助开关T2零电压开通和软关断。,T1零电压开通条件：,VT1、vcr最高电压：,由（8-11）和（8-13） 可确定Lr、Cr：,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理,图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图,工作原理 T1通态时D0截止，vT1vcr0，切除+VG，T1关断iT1从Io0，并联电容Cr使vTvcr从0逐渐上升，T1软关断。 vTvcrVD后D0导通，Lr、Cr立即谐振，所以电路8.5无开关状态2。,图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器,主电路组成,8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理,无T2：不能控制Lr、Cr谐振起始时刻开关状态2，无Toff时区2。 缺点：只有调频fs，才能调压。,图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器,8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理,8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理,本节小结： ZVS PWM：有辅助开关管T2及Lr、Cr，可实现主开关T1及辅助开关T2零电压开通及软关断，可采用PWM调压； ZVS PFM：无辅助开关T2，仅有Lr、Cr，靠主开关关断引起Lr、Cr谐振造成主开关管的零电压开通，只能PFM调压。,图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器,图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图,8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理,共同点： 实现零电压开通的条件都是：,主开关管及电容最高电压都是：,8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制（ZCSPWM）变换器工作原理 8.4.2 零电流关断脉冲频率调制（ZCSPFM）变换器工作原理,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理,5种开关状态 开关状态1：电感充磁 开关状态2：谐振阶段 开关状态3：VD向负载供电 开关状态4：谐振阶段 开关状态5：T1断态，Do续流,主电路组成,图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器,开关状态1：t0tt1,t0时加VG1，T1软开通(因为有Lr)，iT1 iD0，tt1时D0截止。,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理,开关状态2：t1tt2,VD、T1、Lr、D2、Cr谐振半周至t2，iT1=iL=Io，icr0，vcr2VD,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理,开关状态3：t2tt3,T2处于断态，Cr不能放电，电源VD经T1对负载放电。,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理,开关状态4：t3tt8,t3时刻T2被驱动软开通（由于有Lr）， Cr谐振放电。若VD/ZrIo则iL变负经D1返回电源，T1断流。在t4-t6期间撤除VG1使T1零电流关断。,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理,开关状态5：t8tt10,T1处于断态，在t9时刻撤除+VG2，零电流关断T2（iT2早已为零），t=t10时开通T1开始新周期。,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理,控制T2的开通时刻t3即可改变通态时间2，实现PWM控制Vo。缺点：,T1零电流关断条件：,工作原理 控制T1的开通，形成LrCr谐振使iL过零反向，在此期间撤除T1的驱动信号使其零电流关断。 无辅助开关T2，与图8.6(a)相比则无开关状态3。,主电路组成,图 8.7 零电流关断PWM变换器,图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器,8.4.2 零电流关断脉冲频率调制(ZCSPFM)变换器工作原理,8.4.2 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPFM)变换器工作原理,无开关状态3，仅在t0-t2和t3-t4期间iL0，VD输出功率输出电压Vo，而此时间只与Lr、Cr有关而不能被调控，故只有调频fs才能调压。,图 8.7 零电流关断PWM变换器,图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器,8.4 小结,本节小结： ZCS PWM：有辅助开关管T2，可采用PWM调压。 ZCS PFM：无辅助开关T2，靠主开关开通引起Lr、Cr谐振造成主开关管的零电流关断条件，只能PFM调压。 实现零电流关断的条件都是：,图 8.7 零电流关断PWM变换器,图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器,8.5 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI,8.5.1 工作原理 8.5.2 参数计算 8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI的控制策略,8.5.1 工作原理,开通、关断T0、Ta、Tb形成LC谐振，使vPN降为零，实现T1-T6的零电压开通和零电压、零电流关断。 谐振电感L不参加主开关电路的能量转换，仅在主开关开关状态转换时谐振工作。该变换器又被称为零电压转换ZVT和零电流转换ZCT谐振变换器。,8.5.1 工作原理（续1）,为简化分析，可假设： 谐振电感L远小于负载电感，在一个谐振周期中，从直流母线侧来看负载电流为恒流源I0。 主开关管两端并联电容在直流母线上等效为一个电容C。 一个完整的谐振开关过程中有6个工作状态。,8.5.1 工作原理（续2）,开关状态1：t0tt1,To通态，Ta、Tb断开，谐振电路不工作，VD通过To对逆变器供电，vC=VD,8.5.1 工作原理（续3）,开关状态2：t1tt2,t1时Ta、Tb被施加驱动信号而软开通（有L），iL从0IT。t2时关断T0，由于vCVD，T0零电压关断。,8.5.1 工作原理（续4）,开关状态3：t2tt3,t2时关断To后，vc对L谐振放电 Vc0时，iL继续增大，直到t=t3 vc=0时，iL达到IM,8.5.1 工作原理（续5）,开关状态4：t3tt4,t3时刻后vc0，Io经D续流。iL经Ta、Da、Tb 、Db续流，到t4时关断Ta、Tb；在t3-t4期间改变T1-T6开关状态可实现零电压关断、开通。,8.5.1 工作原理（续6）,开关状态5：t4tt5,T4时刻关断Ta、Tb(零电压关断)后，iL供电给电容C和负载供电流Iox。为确保t5时刻vc达到VD，iL则需满足：,8.5.1 工作原理（续7）,开关状态6：t5tt8,t7之前iLIox，iL产生is经D0流回电源VD，在此期间的t6加VG0可使T0零电压开通。t8时刻IL减小到零，Da、Db截止，负载Iox完全由T0供给。,需在线计算： 电感预充电流终值IT 换相后的直流负载电流Iox IT需足够大以确保在C充电后电压升到VD的t5时刻iL=I5Iox，使D0导通实现T0零电压开通，由此推出：,8.5.2 在线计算,8.5.2 在线计算（续1）,谐振周期很短，直流负载电流Iox可预测为：,8.5.2 在线计算（续2）,主开关器件的控制与To、Ta、Tb开通关断时间配合： 若T1-T6需在t3点换相，则应提前t1+t2 ,即t1时刻开通Ta、Tb，在t2时刻关断T0，使t=t3时vc0，使T1-T6零电压开关。,t1及t1+t2计算：,8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI的控制策略,两个控制电路：PWM逆变控器制电路和谐振电路的控制电路。 PWM逆变控制器电路与常规的PWM控制电路类似。同时需附加一个时序控制电路，做好谐振电路与To、Ta、Tb 与主开关T1-T6的开通关断时间配合。,小结,零开关、软开关是电力电子变换高频化最重要的技术措施。 引入Lr、Cr和辅助开关管T2，对T2进行通断控制可以实现零电压开通ZVS PWM，零电流关断Z