软开关技术在电力电子变换电路的应用论文.doc

软开关技术在电力电子变换电路的应用论文 本文对传统的硬开关技术所存在的开关损耗及电力公害等不足进行了详细的分析，在此基础上提出了软开关的概念，阐述了软开关的工作原理，分析了软开关存在的不足。 一、硬开关及其所存在的问题 在硬开关过程中，开关器件在较高电压下通过较大电流，会产生很大的开关损耗。开关损耗随开关频率的提高成正比增加，不仅降低了变压器的效率，而且严重的发热温升可能使开关器件的寿命急剧缩短，此外还会产生严重的电磁干扰噪声，难与其他敏感电子设备电磁兼容。 二、软开关原理 如果在电力电子变换电路中采取一些措施，如改变电路结构和控制策略，使开关器件在开通过程中其端电压为0，则可以大大缓解上述问题，这种开通方式称为零电压开通;同理，若使开关器件在关断过程之前其承载的电流已降为零，则这种关断方式称为零电流关断。零电压开通、零电流关断是电力电子器件最理想的开关方式，其开关过程中无能量损耗，但如果开关器件在开通过程中其端电压很小，在关断过程中其电流也很小，则这种开关过程的功耗也很小，称之为软开关。 在电力电子变换电路中，利用LC谐振特性使变换器中开关器件的端电压uv或电流iv自然地谐振过零，在开关器件端电压uv降为零后(如图1a中t0时刻)，即其等效电阻Rv变为零后，施加驱动信号，开通电路。这样在电流iv的建立过程中电流、电压因没有重叠时间而无开通损耗，即Pon=uviv=0，这种开通方式称为零电压开通，如图1a所示。如果流经开关器件的电流因电路谐振电流自然地降为零(如图1a中t1时刻)，则在开关管电流下降时因开关管仍处于通态，Rv=0，其电压为零而无损耗关断，电流降到零后再撤除驱动信号。 由于电流早已为零也无开关损耗，这种关断方式称为零电流关断，如图1a所示。零电压开通和零电流关断都无开关损耗，这当然是最理想的软开关过程。但如果象图2b所示，施加驱动信号后，在Rv减小、电流上升的开通过程中，电压uv不大或迅速下降为零，这种开通过程开通损耗不大，称之为软开通。如果撤除驱动信号后，在Rv变大、电流下降的过程中，电压uv不大或上升很慢，则这种关断过程关断损耗也不大，称之为软关断。 图1b所示为软开通、软关断过程中的电压、电流及损耗波形。从图中可以看出，虽然在开关器件开通的t0时刻端电压uv并不为零，电流电压有重叠时间，功率损耗不为零，但由于在重叠区内，电压uv很快就下降到零，所以开通损耗Pon也就比较小。同样，虽然在开关器件关断的t1时刻电流不为零，但由于在电流电压的重叠区内电流iv很快就下降到零，所以关断损耗Poff也就比较小。 三、软开关技术 减少电力电子开关器件的开关损耗、电压峰值和电流峰值、改善、等开关技术统称为软开关技术，为便于区别，把前面的开关技术称硬开关技术。 电力电子变换器的软开关技术是利用电感和电容改变开关器件的开关轨迹(开关过程中电压uv和电流iv的瞬时值轨迹)，减小开关损耗。最早采用RLC的是缓冲电路改善开关轨迹，减小开关器件自身的开关损耗。这种缓冲电路能改善开关轨迹，但并未能减小整个变换器的功耗，它只是将开关管的损耗转移到缓冲电路上消耗掉。这种措施不仅不能减少变换器的总损耗，甚至还会使总的损耗加大，降低变换器的效率。本文所研究的软开关技术(包括零电压开通、零电流关断)不仅要改善开关轨迹，使开关器件工作安全可靠，而且要减小开关损耗，而不是简单地转移开关损耗。 下面对图2a，b，c所示的三种软开关电路的基本结构进行简单说明。 (一)串联电感：图2a所示的串联电感电路是零电流开关电路(ZCS)的基本结构。开关器件导通时，抑制di/dt，消除uv、iv的重叠时间，防止发生开关损耗，可在任意时刻以ZCS开通。关断之前，要放完串联电感上的能量(即电流为零)，以确保器件安全。 (二)并联电容：图2b所示的并联电容是零电压开关电路(ZVS)的基本结构。开关器件关断时，抑制，消除、的重叠时间，避免发生开关损耗。可在任意时刻以ZCS关断。器件开通之前，要放完并联电容上的电荷，以确保器件安全。 (三)反并联二极管：如图2c所示，当外电路电流流经二极管时，开关器件处于零电压、零电流状态。此时开通或关断开关器件，都是ZVS、ZCS动作。外电路由LC无源器件、辅助开关等谐振电路、辅助电路组成，也有同时使用电感和电容的情况。 四、软开关存在的技术问题 (1)部分谐振PWM：为了使效率尽量和硬开关时接近，必须防止器件电流有效值的增加。因此，在一个开关周期内，仅在器件开通和关断时使电路谐振，称为部分谐振。 (2)无损耗缓冲电路：使串联电感或并联电容上的电能释放时不经过电阻或开关器件的电路称为无损耗缓冲电路，常用反并联二极管来实现。 (3)IGBT器件：在电动机控制中主开关器件多采用IGBT，IGBI关断时有尾部电流，对关断损耗有很大影响。因此，关断时采用零电流时间长的ZCS更合适。 (4)并联谐振：在构造