第7章 软开关技术ppt [兼容模式] - 上海电力学院.pdf

2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室1 电力电子技术 电力电子技术 上海电力学院 电子教研室上海电力学院 电子教研室 第第7章 软开关技术章 软开关技术 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室2 概述概述 电力电子装置高频化电力电子装置高频化 利用以谐振为主的辅助换流手段 解决电路利用以谐振为主的辅助换流手段 解决电路 中的开关损耗和开关噪声问题 以大幅提高中的开关损耗和开关噪声问题 以大幅提高 开关频率 开关频率 意义 滤波器 变压器体积和重量减小 电意义 滤波器 变压器体积和重量减小 电 力电子装置小型化 轻量化 力电子装置小型化 轻量化 软开关技术软开关技术 问题 开关损耗增加 电磁干扰增大问题 开关损耗增加 电磁干扰增大 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室3 7 1软开关的基本概念软开关的基本概念 7 1 1 硬开关与软开关硬开关与软开关 开关过程中电压 电流均不为零 导致了开关损耗开关过程中电压 电流均不为零 导致了开关损耗 且电压和电流的变化很快 导致了开关噪声 具有且电压和电流的变化很快 导致了开关噪声 具有 这样开关过程的开关被称为硬开关 这样开关过程的开关被称为硬开关 硬开关 硬开关 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室4 图1 9 晶闸管的开通和关断过程波形 100 90 10 uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 晶闸管晶闸管的的动态特性动态特性 1 开开通通过程过程 2 关关断断过程过程 关关断时间断时间tq tq 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 几百 s 开开通时间通时间tgt tgt 延迟时间延迟时间 td 上上升时间升时间tr 0 5 1 5 s 0 5 3 s 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 1软开关的基本概念软开关的基本概念 7 1 1 硬开关与软开关硬开关与软开关 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室5 在开关过程前后引入谐振 使在开关过程前后引入谐振 使 开关开开关开通前通前电压电压先降先降为零为零 或或关关断前断前电流电流先降先降为零为零 减小甚至消除减小甚至消除开关损耗和开关噪声开关损耗和开关噪声 具有这样开关过程的开关被称为软开关 具有这样开关过程的开关被称为软开关 软开关 软开关 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 1软开关的基本概念软开关的基本概念 7 1 1 硬开关与软开关硬开关与软开关 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室6 零电压开关 零电压开关 使开关开通前其两端电压为零 使开关开通前其两端电压为零 则开关开通时就不会产生损耗则开关开通时就不会产生损耗 和噪声 这种开通方式称为零和噪声 这种开通方式称为零 电压电压开开通通 简称零电压开关 简称零电压开关 零电流开关 零电流开关 使开关关断前其电流为零 则开使开关关断前其电流为零 则开 关关断时也不会产生损耗和噪声 关关断时也不会产生损耗和噪声 这种关断方式称为零电流这种关断方式称为零电流关关断断 简称零电流开关 简称零电流开关 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 1软开关的基本概念软开关的基本概念 7 1 2 零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室7 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成 准准谐振电路 谐振电路 零开关零开关PWM电路 电路 零零转转换换PWM电路 电路 根据开关元件开通和关断时电压电流状态 分根据开关元件开通和关断时电压电流状态 分 为两大类 为两大类 零电压电路零电压电路 零电流电路零电流电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术 7 2 软开关电路的分类软开关电路的分类 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室8 图图 7 3 基本开关单元的概念基本开关单元的概念 显示放 显示放大大图 图 a 基本开关单元 基本开关单元 b 降压斩波器中的基本开关单元降压斩波器中的基本开关单元 c 升压斩波器中的基本开关单元升压斩波器中的基本开关单元 d 升降压斩波器中的基本开关单元升降压斩波器中的基本开关单元 VD S LL S VD L S VD VD SL a b c d 基本开关基本开关单元单元 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术 7 2 软开关电路的软开关电路的分类分类 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室9 1 准谐振电路 准谐振电路 S VD Lr L Cr S VD Lr L Cr1 Cr2 S Lr Cr VD L a b c 图 7 4 准谐振电路的基本开关单元 显示放大图 a 零电压开关准谐振电路的基本开关单元b 零电流开关准谐振电路的基本开关单元 c 零电压开关多谐振电路的基本开关单元 最早出现最早出现的软开关电路 的软开关电路 可可以以分分为 为 电压电压或或电流的波电流的波形形为为正弦半正弦半波 波 称称为为准准谐振 谐振 三类三类软开关电路软开关电路 零电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路 Zero Voltage Switching Quasi Resonant Converter ZVS QRC 零电流开关零电流开关准准谐振电路谐振电路 Zero Current Switching Quasi Resonant Converter ZCS QRC 零电压开关零电压开关多多谐振电路谐振电路 Zero Voltage Switching Multi Resonant Converter ZVS MRC 用用于逆于逆变器的谐振变器的谐振直直流流环节环节 Resonant DC Link 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 2 软开关电路的软开关电路的分类分类 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室10 2 零开关 零开关PWM电路电路 S Lr Cr VD L S1 S VD Lr L Cr S1 a b 图图7 5 零开关零开关PWM电路的基本开关电路的基本开关单元单元 a 零电压开关零电压开关PWM电路的基本开关电路的基本开关单元单元 b 零电流开关零电流开关PWM电路的基本开关电路的基本开关单元单元 显示放 显示放大大图 图 v 引入引入了辅助开关了辅助开关来控制来控制谐振的开谐振的开始时刻始时刻 使使谐振谐振仅仅发生于发生于开关过程开关过程 前后前后 电压和电流基本上电压和电流基本上是是方方波 波 只是只是上上升升沿沿和和下下降降沿较缓沿较缓 开关 开关 承受承受的电压的电压明明显降显降低低 v 分分为 为 特特点点 零电流开关零电流开关PWM电路电路 Zero Current Switching PWM Converter ZCS PWM 零电压开关零电压开关PWM电路电路 Zero Voltage SwitchingPWM Converter ZVS PWM 电路电路可可以以采采用开关频率用开关频率固定固定的的PWM控制方式控制方式 三类三类软开关电路软开关电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 2 软开关电路的软开关电路的分类分类 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室11 3 零转换 零转换PWM电路电路 S Lr VD L S1 Cr VD1 LrCrS1 S VDVD1 L a b 图 7 6 零转换PWM电路的基本开关单元 a 零电压转换PWM电路的基本开关单元 b 零电流转换PWM电路的基本开关单元 显示放大图 v 分分为 为 v 采采用辅助开关用辅助开关控制控制谐振的开谐振的开始时刻始时刻 但但谐振电路谐振电路是是与主开关与主开关并联并联的的 电路电路在在很很宽宽的的输输入入电压电压范围内范围内和和从从零零负载到满载都能工作负载到满载都能工作在在 软开关软开关状态状态 v 特特点点 零电流零电流转转换换PWM电路电路 Zero Current Transition PWM Converter ZVT PWM 零电压零电压转转换换PWM电路电路 Zero Voltage TransitionPWM Converter ZVTPWM 电路中电路中无功功无功功率的率的交交换换被被削削减减到到最最小 小 这使这使得得电路电路效效率率有有了了 进一步进一步提高 提高 三类三类软开关电路软开关电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 2 软开关电路的软开关电路的分类分类 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室12 7 3 1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 Ui Cr S VDS Lr VD L C A R 图7 7 零电压开关准 谐振电路原理图 显示放大图 S uS uCr iS iLr uVD t0t1t2t3t4t6t0 t t t t t t5 O O O O O 图7 8 零电压开关准谐振 电路的理想化波形 显示放大图 7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室13 7 3 1 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 工作原理工作原理 S uS uCr iS iLr uVD t0t1t2t3t4t6 t0 t t t t t t5 O O O O O Cr Ui uCr IL A 图7 9 零电压开关准谐振 电路在t0 t1时段等效电路 r r d d C I t u LC t0 t1时时段 段 t0时刻时刻之之前前 开关 开关S为为通态通态 二极二极管管VD为为断态断态 uCr 0 iLr IL 7 1 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 Ui Cr S VDS Lr VD L C A R t0时刻时刻S关关断断 与 与其其并联并联的电的电容容Cr使使S关关断后断后电电 压上压上升升减减缓缓 因此因此S的关的关断断损耗减小 损耗减小 S关关断后断后 VD尚未尚未导导通通 电 电感感Lr L向向Cr充充电 电 uCr线线性性上上 升升 同同时时VD两端两端电压电压uVD逐渐下逐渐下降降 直直到到t1时刻时刻 uVD 0 VD导导通通 这这一一时时段段uCr的上的上升升率 率 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室14 Cr Ui uCriLr 图7 10 零电压开关准谐振电 路在t1 t2时段等效电路 t1 t2时时段 段 t1时刻时刻二极二极管管VD导导 通通 电 电感感L通通过过VD续续流 流 Cr Lr Ui形成形成谐振谐振回回路 路 t2时刻时刻 iLr下下降降到到零 零 uCr达到达到谐振谐振峰值峰值 t2 t3时时段 段 t2时刻后时刻后 Cr向向Lr放放 电 电 直直到到t3时刻时刻 uCr Ui iLr达达 到到反向反向谐振谐振峰峰值值 7 3 1 零电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 工作原理工作原理 S uS uCr iS iLr uVD t0t1t2t3t4t6 t0 t t t t t t5 O O O O O Ui Cr S VDS Lr VD L C A R 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室15 t3 t4时段 时段 t3时刻以后 时刻以后 Lr向向Cr反向充反向充 电 电 uCr继续下降 直到继续下降 直到t4时刻时刻uCr 0 d d d d 41rir r r r ir r r 11 tttIiUu i t u C Uu t i L L tt L tt C L C C L 7 2 t1到到t4时时段电路谐振过程的段电路谐振过程的方方程为 程为 7 3 1 零电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路 工作原理工作原理 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 S uS uCr iS iLr uVD t0t1t2t3t4t6 t0 t t t t t t5 O O O O O Ui Cr S VDS Lr VD L C A R 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室16 r ir d d L U t i L t6 t0时时段 段 S为为通态通态 VD为为断态断态 7 3 t4到到t6时时段电流段电流iLr的变化率为 的变化率为 t5 t6时时段 段 S为为通态通态 iLr线线性性上上升升 直直 到到t6时刻时刻 iLr IL VD关关断断 t4 t5时时段 段 VDS导导通通 uCr被被箝位箝位于于零 零 iLr线线性性衰衰减 减 直直到到t5时刻时刻 iLr 0 由由 于这于这一一时时段段S两端两端电压为零 电压为零 所所以以必须必须 在这在这一一时时段段使使开关开关S开开通通 才才不不会产生会产生 开开通通损耗 损耗 S uS uCr iS iLr uVD t0t1t2t3t4t6 t0 t t t t t t5 O O O O O Ui Cr S VDS Lr VD L C A R 7 3 1 零电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路 工作原理工作原理 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室17 v 谐振过程定量分析谐振过程定量分析 1 sin 41 rr ri1r r r r ttt CL UttI C L tu LC i r r p UI C L U L i r r UI C L L 求求解解式 式 7 2 可 可得得uCr 即即开关开关S的电压的电压uS 的的表达表达式式 7 4 uCr的谐振的谐振峰值表达峰值表达式 式 即即开关开关S承受承受的的峰值峰值电压电压 零电压开关零电压开关准准谐振电路谐振电路实实现现软开关的软开关的条条件件 7 5 v 缺点缺点 谐振电压 谐振电压峰值峰值将将高高于于输输入入电压电压Ui的的2倍倍 增加了 增加了 对对开关器开关器件件耐耐压的压的要求要求 7 6 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室18 谐振直流环电路应用于交流谐振直流环电路应用于交流 直流直流 交流变换电路的中间直交流变换电路的中间直 流环节 流环节 DC Link 通过在直流环节中引入谐振 通过在直流环节中引入谐振 使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下 使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下 Lr Ui S Cr VDS 图 7 11 谐振直流环电路原理图 显示放大图 7 3 2 谐振谐振直直流流环环 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室19 v 电路的工作过程 电路的工作过程 Lr UiS Cr VD S L iLr uCr IL R 图图 7 12 谐振谐振直直流流环环电路的电路的等效等效电路电路 t0t1t2t3t4t0 iLr uCr Ui IL t t O O 图图 7 13 谐振谐振直直流流环环电路的电路的理想理想化波化波形形 t0 t1时时段 段 t0时刻时刻S关关断断 电路中 电路中发发 生生谐振 谐振 t0时刻时刻之之前前 开关 开关S处处 于通态于通态 iLr IL t1时刻时刻 谐振电流 谐振电流iLr达达 到峰值到峰值 t1 t2时时段 段 iLr对对Cr充充电 电 t1时刻时刻 uCr Ui t1时刻时刻以以后后 iLr继续继续向向Cr 充充电 电 直直到到t2时刻时刻iLr IL uCr达到达到谐振谐振峰值峰值 7 3 2 谐振谐振直直流流环环 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室20 t2 t3时段 时段 uCr向向Lr和和L放电 放电 iLr降低 到零后反向 直到降低 到零后反向 直到t3 时刻时刻uCr Ui 图图 7 12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 图图 7 13 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 Lr UiS Cr VDS L iLr uCr IL R t0t1t2t3t4t0 iLr uCr Ui IL t t O O t4 t0时时段 段 S导导通通 电流 电流iLr线线 性性上上升升 直直到到t0时刻时刻 S再次再次 关关断断 t3 t4时时段 段 t3时刻时刻 iLr达到达到反反 向向谐振谐振峰值峰值 开 开始始衰衰减 减 uCr 继续下继续下降降 t4时刻时刻 uCr 0 S的的反反并联二极并联二极 管管VDS导导通通 uCr被被箝位箝位于于零零 v 缺点缺点 电压谐振 电压谐振峰值峰值很高 很高 增加了增加了对对开关器开关器件件耐耐压的压的 要求要求 7 3 2 谐振谐振直直流流环环 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室21 v 同硬开关全桥电路相比 仅增加了一个谐振电感 就使同硬开关全桥电路相比 仅增加了一个谐振电感 就使 四个开关均为零电压开通 四个开关均为零电压开通 v 移相全桥电路控制方式的特点 移相全桥电路控制方式的特点 互为对角的两对开关互为对角的两对开关S1 S4和和S2 S3 S1的波形比的波形比S4超前超前 0 TS 2时间 而时间 而S2的波形比的波形比S3超前超前0 TS 2时间 因此称时间 因此称S1和和 S2为超前的桥臂 而称为超前的桥臂 而称S3和和S4为滞后的桥臂 为滞后的桥臂 同一半桥中两个开关不同时处于通态 每个开关关断到另同一半桥中两个开关不同时处于通态 每个开关关断到另 一个开关开通都要经过一定的死区时间 一个开关开通都要经过一定的死区时间 在开关周期在开关周期TS内 每个开关导通时间都略小于内 每个开关导通时间都略小于TS 2 而关 而关 断时间都略大于断时间都略大于TS 2 7 3 3 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典型的软开关电路典型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室22 S1 S2 S3 S4 CS1 CS4CS2 CS3 VD2 VD 1 Lr L A B Ui uR C R 图图 7 14 移移相全桥相全桥零电压零电压 开关开关PWM电路电路 S1 S3 S4 S2 uAB uLr iLr uT1 uR iVD1 iVD2 iL t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8 t t t t t t t t t t t t O O O O O O O O O O O O 图图 7 15 移移相全桥相全桥电路的电路的理想理想化波化波形形 7 3 3 移移相全桥相全桥型零电压开关型零电压开关PWM电路电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室23 v 工作过程工作过程 iLr iL kT 1 CS1 S4 Lr L VD 1 Ui Uo CS2VDS2 A R 图图7 16 移移相全桥相全桥电路电路在在t1 t2阶阶段段 的的等效等效电路电路图图 t0 t1时时段 段 S1与与S4导导通通 直直到到t1时刻时刻S1关关断断 t1 t2时时段 段 t1时刻时刻开关开关 S1关关断后断后 电 电容容C s1 C s2 与电与电感感Lr L构构成成谐谐 振振回回路 路 uA不不断断下下降降 直直到到uA 0 VDS2导导通通 电流电流iLr通通过过VDS2续续流 流 t2 t3时时段 段 t2时刻时刻开关开关 S2开开通通 由由于于此此时其时其 反反并联二极并联二极管管VDS2正正 处处于于导导通状态通状态 因此因此 S2为零电压开为零电压开通通 7 3 3 移移相全桥相全桥型零电压开关型零电压开关PWM电路电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室24 t3 t4时段 时段 t4时刻开关时刻开关 S4关断关断 后 变压器二次侧后 变压器二次侧VD1和和VD2 同时导通 变压器一次侧和二同时导通 变压器一次侧和二 次侧电压均为零 相当于短路 次侧电压均为零 相当于短路 因此因此C s3 C s4 与与Lr构成谐振回构成谐振回 路 路 Lr的电流不断减小 的电流不断减小 B点点 电压不断上升 直到电压不断上升 直到S3的反并的反并 联二极管联二极管VDS3导通 这种状态导通 这种状态 维持到维持到t4时刻时刻S3开通 因此开通 因此S3 为零电压开通 为零电压开通 iLr iL CS3 S2 Lr L VD1 Ui Uo CS4 VDS3 VD2 B R 图7 17 移相全桥电路在 t3 t4阶段的等效电路 t4 t5时时段 段 S3开开通后通后 Lr的电的电 流流继续继续减小 减小 iLr下下降降到到零零后反后反 向向增大 增大 t5时刻时刻iLr IL kT 变 变 压器压器二次二次侧侧VD1的电流的电流下下降降到到 零零而而关关断断 电流 电流IL全全部部转转移移到到 VD2中 中 7 3 3 移移相全桥相全桥型零电压开关型零电压开关PWM电路电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室25 电路简单 效率高电路简单 效率高 L S Cr S1 Lr VD 1 VD C Ui Uo IL iLr iVD VD S R 图图7 18 升升压型零电压压型零电压转转换换PWM电路的电路的原理原理图图 显示放 显示放大大图 图 7 3 4 零电压零电压转转换换PWM电路电路 电力电子技术 第 电力电子技术 第7章 软开关技术章 软开关技术7 3典典型的软开关电路型的软开关电路 2008 5 14上海电力学院 电子技术教研室26 v工作过程 辅助开关工作过程 辅助开关S1超前于主开关超前于主开关S开通 开通 S开通后开通后S1关断 关断 L S1 Lr iLr Ui IL Cr VD S 图图 7 20 升升压型零电压型零电 压压转转换换PWM电路电路在在 t1 t2时时段的段的等效等效电路电路 显示放 显示放大大图 图 t1 t2时时段 段 Lr与与Cr构构成成谐振谐振回回 路 路 Lr的电流增加的电流增加而而Cr的电压的电压 下下降降 t2时刻时刻uCr 0 VDS导导通通 uCr被被箝位箝位于于零 零 而而电流电流iLr保持保持 不变 不变 t0 t1时时段 段 S1导导通通 VD尚尚 处处于通态于通态 电 电感感Lr两端两端电压电压 为为Uo 电流 电流iLr线线性性增增长长 VD 中的电流以中的电流以同同样样的的速速率率下下降降 t1时刻时刻 iLr IL VD中电流中电流下下 降降到到零 关零 关断断 7 3 4 零电压零电压转转换换PWM电路电路