第5章 软开关技术

1、第第5章章 软开关技术软开关技术 第5章 软开关技术 引言 现代电力电子装置的发展趋势发展趋势 小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有 更高的要求。 电力电子装置高频化 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。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 l软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。 第5章 软开关技术 引言 PWM硬开关的局限性硬开关的局限性 1热学限制热学限制 在感性负载关断、容性负载开通时，电力电子开关器件 承受很大的瞬时功耗。典型的500 v、200 A达林顿结构的 GTR在开关过程中必须承受100kW的峰值功耗。一个周期 内器件的平均开关损耗一般

2、占总平均损耗的30。40。 随着开关频率的提高，这种损耗成正比例的增加。 2二次击穿限制二次击穿限制 第5章 软开关技术 引言 3电磁干扰限制电磁干扰限制 在高频状态下运行时，开关器件本身的极间电容成为 极重要的参数。尤其对M0SFET来说，由于采用门极绝 缘栅结构，它的极间电容较大，因此引起的开关能量损 耗以及密勒效应更为严重。在高电压下开通时，电容贮 能被器件本身吸收和耗散，温升增加，极间电容电压转 换时的d udt会耦合到辅入端产生电磁干扰(EMI)，使 系统不稳定。此外极间电容与电路中的杂散电感形成振 荡也会干扰正常工作。 4缓冲电路的限制缓冲电路的限制 5.1 软开关的基本概念 5.

3、1.1 硬开关和软开关 l硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致 开关噪声。 t0 a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程 图51 硬开关的开关过程 u i P 0 u i t u u i i P 0 0 5.1.1 硬开关和软开关 l软开关： 在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开 关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。 u i P 0 u i t t 0 u i P 0 u i t t 0 a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程 图52 软开关的开关过程 5.1.2 零电压开关和零电流开关

4、l零电压开通 开关开通开通前其两端电压电压为零开通时不会产生损耗和噪声。 l零电流关断 开关关断关断前其电流电流为零关断时不会产生损耗和噪声。 l零电压关断 与开关并联并联的电容电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而 降低关断损耗。 l零电流开通 与开关串联串联的电感电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低 了开通损耗。 当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关和 零电流开关零电流开关。 靠电路中的谐振来实现。 5.2 软开关电路的分类 l根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零零 电压电路电压电路和零电流电路零电流电路两大类。 l根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成 准

5、谐振电路准谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和 l 零转换零转换PWM电路电路。 l每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不 同电路，可以从基本开关单元基本开关单元导出具体电路。 5.2 软开关电路的分类 图53基本开关单元的概念 a）基本开关单元b）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d）升降压斩波器中的基本开关单元 5.2 软开关电路的分类 1）准谐振电路 准谐振电路准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半 波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。 l 特点特点： 谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的

6、 交换，电路导通损耗加大； 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路 只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。 分别介绍三类软开关电路 5.2 软开关电路的分类 可分为： 用于逆变器的谐振直流环节电路 (Resonant DC Link）。 图5-4 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 电压开关多谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Multi- ResonantConverterZVS MRC） b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路 (Zero-Current-

7、Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零电压开关准谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter ZVS QRC） 5.2 软开关电路的分类 2）零开关PWM电路 l 引入了辅助开关来控制谐振的开始时 刻，使谐振仅发生于开关过程前后。 零开关PWM电路可以分为： l 特点： 电路在很宽的输入电压范围内和从零 负载到满载都能工作在软开关状态。 电路中无功功率的交换被削减到最小， 这使得电路效率有了进一步提高。 b)零电流开关PWM电路 的基本开关单元

8、 图55 零开关PWM电路 的基本开关单元 零电流开关PWM电路（Zero-Current- Switching PWM ConverterZCS PWM） a)零电压开关PWM电路的 基本开关单元 零电压开关PWM电路（Zero-Voltage- Switching PWM ConverterZVS PWM） 5.2 软开关电路的分类 3）零转换PWM电路 l采用辅助开关控制谐振的开始时刻， 但谐振电路是与主开关并联的。 零转换PWM电路可以分为： l 特点：特点： 电路在很宽的输入电压范围内和从零 负载到满载都能工作在软开关状态。 电路中无功功率的交换被削减到最小， 这使得电路效率有了进一

9、步提高。 b）零电流转换PWM电路 的基本开关单元 图56 零转换PWM电路 的基本开关单元 零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM） a）零电压转换PWM电路 的基本开关单元 零电压转换PWM电路（Zero- Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM） 5.3 典型的软开关电路 5.3.1 零电压开关准谐振电路 1）电路结构 以降压型降压型为例分析工作 原理。 假设电感L和电容C很大， 可等效为电流源和电压 源，并忽略电路中的损 耗。 图5-5 零电压开关准谐振电路原理图 5.3.1

10、 零电压开关准谐振电路 选择开关S关断时刻为分析的起点。 t0t1时段：t0之前，开关S为通态，二 极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL ，t0时 刻S关断，与其并联的电容Cr使S关 断后电压上升减缓，因此S的关断损 耗减小。S关断后，VD尚未导通。电 感Lr+L向Cr充电， uCr线性上升，同 时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1 时刻，uVD=0，VD导通。这一时段uCr 的上升率： r r d d C I t u LC 2）工作原理 t0t1时段的 等效电路 S S (uCr) iS iLr uVD t 0 t1t2t3t4t6t0 t t t t t t5 O O O O O 图

11、5-8零电压开关准谐振电路的理想波形 图5-5 零电压开关准谐振电路原理图 5.3.1 零电压开关准谐振电路 t1t2时段：t1时刻二极管VD导 通，电感L通过VD续流，Cr、 Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻， iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。 t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放 电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达 到反向谐振峰值。 t3t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr 反向充电，uCr继续下降，直到 t4时刻uCr=0。 t1t2时段的 等效电路 u S S (uCr) iS iLr uVD t 0 t1t2t3t4t6t0 t t t t t t5 O O O O O 图

12、5-8零电压开关准谐振电路的理想波形 图5-5 零电压开关准谐振电路原理图 5.3.1 零电压开关准谐振电路 t4t5时段：uCr被箝位于零，iLr 线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。 由于此时开关S两端电压为零， 所以必须在此时开通S，才不 会产生开通损耗。 t5t6时段：S为通态，iLr线性上 升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关 断。 t6t0时段：S为通态，VD为断 态。 缺点缺点：谐振电压峰值将高于 输入电压Ui的2倍，增加了对 开关器件耐压的要求。 S S (uCr) iS iLr uVD t 0 t1t2t3t4t6t0 t t t t t t5 O O O O O 图5-8

13、零电压开关准谐振电路的理想波形 图5-5 零电压开关准谐振电路原理图 5.3.2 谐振直流环 l谐振直流环电路应用于交流- 直流-交流变换电路的中间直 流环节（DC-Link）。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。 1）电路结构 图 5-11 谐振直流环电路原理图 由于电压型逆变器的负载通 常为感性，而且在谐振过程 中逆变电路的开关状态是不 变的，因此分析时可将电路 等效。 图 5-12 谐振直流环电路的等效电路 5.3.2 谐振直流环 t0t1t2t3t4t0 iLr uCr Uin IL t t O O 图 5-13 谐振直流环电路的理想化波形 图

14、 5-12 谐振直流环电路的等效电路 t 0t1时段：t0时刻之前，开关 S处于通态，iLrIL。t0时刻S 关断，电路中发生谐振。iLr对 Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。 t1t2时段：t1时刻，谐振电流 iLr达到峰值。 t1时刻以后，iLr 继续向Cr充电，直到t2时刻 iLr=IL，uCr达到谐振峰值。 2）工作原理 5.3.2 谐振直流环 t2t3时段：uCr向Lr和L放电， iLr降低，到零后反向，直 到t3时刻 uCr=Ui。 t3t4时段：t3时刻，iLr达到 反向谐振峰值，开始衰减， uCr继续下降， t4时刻， uCr=0，S的反并联二极管 VDS导通，uCr被箝位于零

15、。 t4t0时段：S导通，电流iLr 线性上升，直到t0时刻，S 再次关断。 t0t1t2t3t4t0 iLr uCr Uin IL t t O O 图 5-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 5-12 谐振直流环电路的等效电路 电压谐振峰值很高，增加 了对开关器件耐压耐压的要求。 5.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 l移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一， 它的特点特点是电路简单。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。 图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路 5.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 1）移相全桥电路控制方式 的特点

16、特点： 图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路 S1 S3 S4 S2 uAB uLr iLr uT1 uR iVD1 iVD2 iL t0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8 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 5-15 移相全桥电路的理想化波形 在开关周期TS内，每个开关 导通时间都略小于TS/2，而 关断时间都略大于TS/2； 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。 5.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 互为对角的两对开关S1-S4 和S2-S3，S

17、1的波形比S4超 前0TS/2时间，而S2的波 形比S3超前0TS/2时间， 因此称S1和S2为超前的桥 臂，而称S3和S4为滞后的 桥臂。 图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路 S1 S3 S4 S2 uAB uLr iLr uT1 uR iVD1 iVD2 iL t0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8 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 5-15 移相全桥电路的理想化波形 5.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 2）工作过程： 图 5-16 移相全桥电路在t0t1阶段的等效电路 S1 S3 S4 S2

18、uAB uLr iLr uT1 uR iVD1 iVD2 iL t0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8 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 5-15 移相全桥电路的理想化波形 t0t1时段：S1与S4导通，直到t1时 刻S1关断。 t1t2时段：t1时刻开关S1关断后， 电容C s1 、C s2 与电感Lr、L构成谐振 回路， uA不断下降，直到uA=0， VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。 t2t3时段：t2时刻开关S2开通，由 于此时其反并联二极管VDS2正处于 导通状态，因此S2为零电压开通。 t3t4

19、时段：t3时刻开关 S4关断后， 变压器二次侧VD1和VD2同时导通， 变压器一次侧和二次侧电压均为 零，相当于短路，因此C s3 、C s4 与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断 减小，B点电压不断上升，直到 S3的反并联二极管VDS3导通。这 种状态维持到t4时刻S3开通。因此 S3为零电压开通。 5.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 图 5-15移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路 S1 S3 S4 S2 uAB uLr iLr uT1 uR iVD1 iVD2 iL t0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8 t t t t t t t t t t t t O O O O

20、 O O O O O O O O 图 5-15 移相全桥电路的理想化波形 t4t5时段：S3开通后，Lr的电 流继续减小。iLr下降到零后反 向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压 器二次侧VD1的电流下降到零 而关断，电流IL全部转移到 VD2中。 t0t5是开关周期的一半，另一 半工作过程完全对称。 5.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 图 5-14 移相全桥零电压开关PWM电路 S1 S3 S4 S2 uAB uLr iLr uT1 uR iVD1 iVD2 iL t0t1t2t3t4t5t6t5t8t9t0t9t8 t t t t t t t t t t t t O O O O

21、 O O O O O O O O 图 5-15 移相全桥电路的理想化波形 5.3.4 零电压转换PWM电路 1）工作过程： 辅助开关S1超前于主开关S开通， S开通后S1关断。 t0t1时段：，S1导通，VD尚处于 通态，电感Lr两端电压为Uo，电流 iLr线性增长， VD中的电流以同样 的速率下降。t1时刻，iLr=IL，VD 中电流下降到零，关断。 图5-18 升压型零电压 转换PWM电路的原理图 S S1 uS iLr iS1 uS1 iD iS IL t0t1t2t3t4t5 t t t t t t t t O O O O O O O O 图5-19 升压型零电压转换 PWM电路的理想化波形 l零电压转换PWM电路具有电路简单、 效率高等优点。 5.3.4 零电压转换PWM电路 t1t2时段：Lr与Cr构成谐振回 路，Lr的电流增加而Cr的电压 下降，t2时刻uCr=0， VDS导通， uCr被箝位于零，而电流iLr保持 不变。 t2t3时段：uCr被箝位于零，而 电流iLr保持不变，这种状