电力电子技术课件 软开关技术.ppt

第八章软开关技术8.1软开关的基本概念8.2软开关电路的分类8.3典型软开关电路8.4软开关技术的新进展本章总结，2/29，引言现代电力电子器件的发展趋势是小型化和轻量化，同时也对器件效率和电磁兼容性提出了更高的要求。高频电力电子电路可以减少滤波器和变压器的体积和重量，电力电子设备可以小型化和轻量化。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增加。软开关技术降低了开关损耗和开关噪声。开关频率可以大大提高。3/29、8.1软开关的基本概念、8.1.1硬开关和软开关、8.1.2零电压开关和零电流开关、4/29、8.1.1硬开关和软开关以及硬开关在切换过程中电压和电流都不为零，导致重叠和显著的切换损耗。电压和电流变化很快，波形有明显的过冲，从而产生开关噪声。开关损耗与开关频率之间存在线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例不大，但随着开关频率的增加，开关损耗变得越来越显著。图8-1硬开关降压电路和波形a)电路图b)理想化波形，图8-2硬开关过程a)关断过程b)接通过程a)，b)，5/29，8.1.1硬开关和软开关，软开关软开关电路增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，它们比滤波电感l和电容c小得多，而开关s增加了反并联二极管VDS，这在硬开关电路中是不需要的。在降压零电压开关的准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关导通前电压降至零，开关关断前电流降至零，消除了开关过程中电压和电流的重叠，从而大大降低甚至消除了开关损耗。同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声显著降低。p，图8-3降压零电压开关准谐振电路和波形a)电路图b)理想化波形，a)，b)图8-4的软开关过程中的电压和电流a)关断过程b)导通过程，6/29，8.1.2零电压开关和零电流开关，零电压导通如果开关两端的电压在开关导通前为零，则在导通过程中不会出现损耗和噪声。零电流关断如果开关关断前电流为零，关断时不会产生损耗或噪音。零电压关断与开关并联的电容器可以延迟开关关断后的电压上升速率，从而降低关断损耗。零电流导通与开关串联的电感可以延迟开关导通后的电流上升速度，降低导通损耗。在许多情况下，开关不再显示，只调用零电压开关和零电流开关。7/29，8.2软开关电路的分类软开关电路的分类根据电路中的主开关元件是在零电压下接通还是在零电流下断开，软开关电路可分为两类：零电压电路和零电流电路。在一些电路中，一些开关在零电压下导通，而另一些在零电流下关断。根据软开关技术的发展历史，软开关电路可分为准谐振电路、零开关脉宽调制电路和零开关脉宽调制电路。8/29，8.2软开关电路的分类，图8-5准谐振电路a)零电压开关准谐振电路b)零电流开关准谐振电路c)零电压开关多谐振电路，准谐振电路分类零电压开关准谐振变换器-零电压开关准谐振变换器-零电流开关准谐振变换器-零电压开关准谐振变换器零电压开关多谐振电路(零电压开关多谐振变换器-零电压开关多谐振变换器)用于逆变器的谐振DC环节，分类为9/29谐振周期随输入电压和负载而变化，因此电路只能通过脉冲频率调制(PFM)来控制，而频率转换的开关频率给电路设计带来了困难。10/29，8.2软开关电路的分类，图8-6零开关脉宽调制电路a)零电压开关脉宽调制电路b)零电流开关脉宽调制电路，零开关脉宽调制电路在电路中引入辅助开关来控制谐振的开始时间，以便谐振只发生在开关过程之前和之后。零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零电流开关型零电压开关型零，11/29，8.2软开关电路的分类，图8-7零转换脉宽调制电路的基本开关单元a)零电压转换脉宽调制电路的基本开关单元b)零电流转换脉宽调制电路的基本开关单元，零转换脉宽调制电路中使用辅助开关不同之处在于谐振电路与主开关并联。因此，输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小。该电路可以在宽输入电压范围内和从零负载到满负载的软开关状态下工作，并且电路中的无功功率交换被减少到最小，这进一步提高了电路的效率。分类零电压转换pwm变换器-zvtpwm零电流转换pwm变换器-zvtpwm，12/29，8.3典型软开关电路，8.3.1零电压开关准谐振电路8.3.2谐振DC环8.3.3移相全桥零电压开关脉宽调制电路8.3.4零电压开关脉宽调制电路，13/29，8.3.1零电压开关准谐振电路，图8-8零电压开关原理图根据开关周期重复开关电路的工作过程。在分析期间，可以选择切换周期中的任何时间作为分析的起点，并且可以选择适当的起点来简化分析。14/29，8.3.1零电压开关准谐振电路，图8-9零电压开关准谐振电路的理想化波形，图8-10零电压开关准谐振电路在t0t1期间的等效电路，图8-8零电压开关准谐振电路的示意图，以及操作过程选择开关s的关断时间是分析的起点。时间周期t0t1:在t0之前，s接通，VD关断，uCr=0，iLr=IL，s在t0时刻关断，Cr在s关断后减缓电压上升，因此s的关断损耗减小，s关断后VD不接通，电路可等效于图8-10；lr 1充电Cr，L相当于一个电流源，uCr线性上升，VD两端的电压uVD逐渐降低，直到时间t1，uVD=0，VD开启。该周期内uCr的上升率为(8-1)，15/29，8.3.1零电压开关准谐振电路，图8-8零电压开关准谐振电路原理图，图8-9零电压开关准谐振电路的理想波形，图8-11零电压开关准谐振电路在t1-T2周期、t1-T2周期的等效电路：VD在t1导通，l续流通过VD、Cr、Lr和Ui形成谐振电路，如图8所示在谐振期间，Lr对Cr充电，uCr持续上升，iLr持续下降，直到t2，iLr降至零，uCr达到谐振峰值。T2t3周期：T2后，Cr放电至Lr，iLr改变方向，uCr持续下降至t3，uCr=Ui，此时uLr=0，iLr达到反向谐振峰值。T3-t4期：T3后，Lr反向充电，uCr继续下降，直到t4的uCr=0。16/29，8.3.1零电压开关准谐振电路，图8-8零电压开关准谐振电路示意图，图8-9零电压开关准谐振电路的理想化波形，从t1到t4的电路谐振过程方程为，(8-2)，T4到t5: uCr箝位在零，uLr=Ui，iLr线性衰减到t5，iLr=0。由于在这段时间内S两端的电压为零，开关S必须在这段时间内接通，以免引起开关损耗。T5t6:开启，iLr线性上升至t6，iLr=IL，VD关闭。电流iLr从t4到t6的变化率为，从T6到T0，S为开，VD为关。(8-3)，17/29，8.3.1零电压开关准谐振电路，谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本定量关系是表达式uCr(即开关S的电压uS)，t1，t4最大值是uCr的谐振峰值，即开关S承受的峰值电压，表达式是零电压开关准谐振电路实现软开关的条件。如果正弦项的幅度小于Ui，uCr不能谐振到零，S不能实现零电压切换。零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压的峰值将比输入电压Ui高2倍，开关S的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。18/29，8.3.2谐振DC环，图8-12谐振DC环示意图，图8-13谐振DC环等效电路，谐振DC环应用于交流-DC-交流转换器电路，位于DC链路中间。通过在DC链路中引入谐振，电路中的整流或逆变链路在软开关条件下工作。在图8-12中，辅助开关S使逆变桥中的所有开关在零电压接通的情况下工作。实际电路中可能不需要开关S。开关S的开关动作被逆变器电路中开关的通断所代替。电压源逆变器的负载通常是感性的，谐振时逆变器电路的开关状态是恒定的，负载电流被认为是恒定的。19/29，8.3.2谐振DC环，图8-13中谐振DC环电路的等效电路，图8-14中谐振DC环电路的理想波形，工作过程从开关s的关断时间开始。从t0到t1:t0之前，iLr大于IL1，s导通，s在t0时关断，电路中发生谐振，因为IL1，因此iLr对Cr充电，uCr持续增加直到t1，uCr=Ui。从t1到t2的周期：由于在t1时uCr=Ui且ULr=0，谐振电流iLr达到峰值。T1之后，iLr继续给Cr充电并持续降低，而uCr进一步升高，直到iLr=IL且uCr达到谐振峰值时的T2。20/29，8.3.2谐振DC环，t2t3周期：t2后，uCr向Lr和IL放电，iLr继续下降，零后反转，Cr继续向Lr放电，当uCr=Ui时，iLr反转并增加，直到t3。T3-t4周期：在T3，uCr=Ui，iLr达到反向谐振的峰值，然后iLr开始衰减，uCr继续下降，直到t4，uCr=0，VDS开启，uCr箝位到零。T4t0周期：s开启，电流iLr线性上升，直到t0，s再次关闭。谐振DC回路中电压uCr的谐振峰值很高，这就增加了对开关器件耐压的要求。图8-13谐振DC环电路的等效电路，图8-14谐振DC环电路的理想波形，21/29，8.3.3移相全桥零电压开关PWM电路，图8-15移相全桥零电压开关PWM电路，移相全桥零电压开关PWM电路电路简单，只增加一个谐振电感，电路中的四个开关器件均在零电压条件下导通。控制模式的特点是在一个开关周期TS内，每个开关的接通时间略小于TS/2，而断开时间略大于TS/2。同一半桥中的上开关和下开关不同时处于接通状态，在每个开关断开而另一个开关接通之前，必须经过一定的死区时间。两对彼此对角的开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0 2倍，S2的波形比S3超前0 2倍，因此S1和S2称为超前桥臂，S3和S4称为滞后桥臂。22/29，8.3.3移相全桥零电压开关脉宽调制电路，图8-16移相全桥电路的理想波形，图8-17 t1-T2期间移相全桥电路的等效电路图，以及在工作过程t0-t1期间：S1断开时，S1和S4都接通直到t1。T1t2周期：T1时间S1关闭后，C1、C2和Lr、l形成谐振电路。如图8-17所示，Ua(t1)=共振开始时的Ui。谐振期间，uA降低，直到uA=0，VDS2开启，iLr续流通过VDS2。23/29，8.3.3移相全桥零电压开关PWM电路，图8-16的移相全桥电路的理想波形，图8-18的移相全桥电路在t3-T4周期，t2-T3周期的等效电路：S2在t2时间接通。因为VDS2接通，所以当S2接通时，S2的电压为零，并且在接通期间不会发生开关损耗。S2开启后，电路状态不会改变，并将继续关闭，直到T3时间S4。T3-t4周期：在t4开关S4断开后，电路状态变为图8-18所示。此时，C3、C4和卢尔形成了一个谐振电路。在谐振过程中，iLr持续降低，b点的电压持续升高，直到VDS3导通。这种状态一直保持到S3在时间t4被接通，并且当S3被接通时VDS3被接通，因此S3在零电压的条件下被接通并且接通损耗为零。24/29，8.3.3移相全桥零电压开关脉宽调制电路，图8-16所示的移相全桥电路的理想波形，图8-15所示的移相全桥零电压开关脉宽调制电路，T4-t5周期：在S3导通后，iLr继续减小，减小到零，反转方向，再次增大，直到时间t5，当ILr=IL1/kT时，iVD1下降到零并截止，电流i1全部转移到VD2。周期t0-t5正好是开关周期的一半，并且在开关周期t5-t0的另一半中，电路的操作过程与周期t0-t5完全对称。25/29、8.3.4零电压转换脉宽调制电路、图8-19升压型零电压转换脉宽调制电路原理图、零电压转换脉宽调制电路具有电路简单、效率高等优点。广泛应用于功率因数校正电路、DC-DC变换器、斩波器等。以升压电路为例，假设分析中电感L和电容C较大，则电流和输出电压的波动可以忽略，元件和电路的损耗也可以忽略。在零电压转换脉宽调制电路中，辅助开关S1在主开关S之前接通，S1在主开关S接通后断开。主共振过程集中在S开启前后。26/29，8.3.4零电压转换脉宽调制电路，图8-20升压零电压转换脉宽调制电路的理想波形，图8-21升压零电压转换脉宽调制电路在t1t2期间的等效电路，图8-19升压零电压转换脉宽调制电路的原理图，工作过程t0t