开关电源08、课件-软开关.

1、开关电源中的软开关技术电路方程以及初始条件：EudtudLCiuucclcc2200)0(,)0(令：LC10解此二阶方程有： tuELCiEtEuuclcc0000sin)(cos)(0ECLlic0ucu只有电压源的电路的相平面图 在以uc为x轴， 为y轴的相平面上，电压、电流的关系为一个圆,圆心为强迫分量（E，0），通过初始点(uco，0) ，半径为（E- uco ）。CLlicou电路方程以及初始条件：IidtidLCuIillcl2200)0(,)0(令：LC10解此二阶方程有：tIICLuItIIicl0000sin)(cos)(0CLliCLICL0Icu只有电流源的电路的相平面

2、图 是一个半径为（ - ）,圆心为强迫分量（0, ），通过初始点（0, ）的圆。CLICLICLI0CLI0电路方程以及初始条件： IidtidLCEudtudLCIiuullcclcc222200)0(,)0(令：LC10根据叠加原理可得：ItIItVELCiEtIICLtEuulcc00000000cos)(sin)(sin)(cos)(电压源和电流源同时存在的电路的相平面图 是圆心为强迫分量（E, ）,并通过初始点（uco， ）的圆。 CLI0CLI初始条件为零ET1T2v+-T2导通，T1关断T1导通，T2关断CLlicuE2E4E2E-1.T1导通导通,电源电源E,T1,L,C形成谐

3、振回路，强迫分量为形成谐振回路，强迫分量为E,在谐振电流过零时刻，在谐振电流过零时刻，T1关断；关断；2.T2导通，导通，T2,L,C形成谐振回路，强迫分量为零，在谐振电流过零时刻，形成谐振回路，强迫分量为零，在谐振电流过零时刻，T2关断关断;3.T1导通导通,电源电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量仍为形成谐振回路，强迫分量仍为E,在谐振电流过零时刻，在谐振电流过零时刻，T1关断关断;4.T2导通导通,电容反复被充电，如果不考虑损耗，电容电压降趋于无穷大，电容反复被充电，如果不考虑损耗，电容电压降趋于无穷大，但考虑电路中存在电阻，电容电压将稳定在某一个值。但考虑电路中存在电阻，电容电压

4、将稳定在某一个值。为为x x轴，轴，为为y y轴，分析电路中电压和电流变轴，分析电路中电压和电流变化的关系的一种分析方法。它是化的关系的一种分析方法。它是谐振谐振零电流谐振开关零电压谐振开关L 型M 型M 型L 型按谐振方式来分按谐振方式来分)序号时 间名 称应 用170年代串联或并联谐振技术半桥或全桥变换器280年代中准谐振（QRC）或者多谐振技术（MRC）单端或桥式变换器380年代末ZCSPWM或ZVSPWM技术单端或桥式变换器490年代初ZCTPWM或ZVTPWM技术单端或桥式变换器QRC: quasi-resonant converter MRC: multi-resonant con

5、verterZCT: zero-current-transition ZVT: zero-voltage-transitionnBuck ZCS QRCs在在t0时刻，时刻，Tp导通。导通。0UcCLliCL0ID offETp offTp on在在t1时刻，时刻，iLr上升到负载电流上升到负载电流Io，D自然关断，开关状态自然关断，开关状态1结束。根据式结束。根据式 (4.1)可得这个时间段的长度为：可得这个时间段的长度为：orIELT 1 (4.2)(0ttLEirLr(4.1)1. 开关状态开关状态1t0,t1电感恒压充电电感恒压充电在这一时间段内，开关在这一时间段内，开关Tp导通，续流

6、二极管导通，续流二极管D继续导通，谐振电容继续导通，谐振电容Cr上上电压被钳位为电压被钳位为0，电感，电感Lr在在E的作用下恒压充电，的作用下恒压充电，iLr线性上升。线性上升。这一阶段在相平面图中，对应于曲线沿这一阶段在相平面图中，对应于曲线沿I 轴向上。这段时间段内有：轴向上。这段时间段内有：0UcCLliCL0ID offETp offTp on把初始条件把初始条件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0代入，可解得：代入，可解得：CrLrroLrCrvEdtdiLIidtduCr(4.3)2. 开关状态开关状态2t1,t2电感电容谐振电感电容谐振在时刻在时刻t1，续流二极管，续流二极管

7、D截止，电感截止，电感Lr和电容和电容Cr开始谐振，电路进入谐振工作开始谐振，电路进入谐振工作状态。谐振初始状态为：状态。谐振初始状态为：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0，强迫分量为，强迫分量为E，Io，在相平面图，在相平面图中，曲线是从（中，曲线是从（0，Io）开始，以（）开始，以（E，Io）为圆心的一段圆弧。此时有：）为圆心的一段圆弧。此时有：0UcCLliCL0ID offETp offTp on式中，谐振角频率式中，谐振角频率rrrCL1，谐振电路的特征阻抗谐振电路的特征阻抗rrrCLZ 当当t=t2时，时，iLr谐振到零，此时可以将谐振到零，此时可以将Tp在零电流条件下关断，

8、谐振状态在零电流条件下关断，谐振状态2结束。这段时间的长度为：结束。这段时间的长度为：)(cos1 )(sin11ttEvIttZEirCrorrLr(4.4)EZIttTror1122sin1(4.5)0UcCLliCL0ID offETp offTp on3. 开关状态开关状态3t2,t3电容恒流放电电容恒流放电当当t=t2时，时，Tp零电流关断，续流二极管零电流关断，续流二极管D仍处在截止状态，负载电流通仍处在截止状态，负载电流通过电过电 容容Cr流通，电容流通，电容Cr处于恒流放电状态。在相平面图上，这段时间处于恒流放电状态。在相平面图上，这段时间对应于对应于u轴上轴上t2到到t3的部

9、分。此时有：的部分。此时有：电容上电压电容上电压uCr降到零，二极管降到零，二极管D导通续流，开关状态导通续流，开关状态3结束。结束。oCrrIdtduC(4.6)0UcCLliCL0ID offETp offTp on4.4.开关状态开关状态4t3,t44t3,t4二极管续流二极管续流 在这个时间段内，二极管在这个时间段内，二极管D D导通续流，导通续流，TpTp仍处在关断状态，电感电流仍处在关断状态，电感电流i iLrLr 为零，为零， 电容电压电容电压u uCrCr被钳位为零。这个时间段的长度取决于电路的开关被钳位为零。这个时间段的长度取决于电路的开关 周期，周期， 而这个长度将决定输出

10、电压的大小。而这个长度将决定输出电压的大小。t=tt=t4 4时，时，TpTp导通，下一个开关周期开始。导通，下一个开关周期开始。Buck ZCS QRCs电路主要波形从主管电压电流波形可见，没有重叠部分，因此开关损耗为零。从主管电压电流波形可见，没有重叠部分，因此开关损耗为零。0UcCLliCL0ID offETp offTp on(a)Buck变换器(b)Buck ZCS QRCs变换器(c)Boost 变换器(d)Boost ZCS QRCs变换器(e)Buck-Boost 变换器(f) Buck-Boost ZCS QRCs变换器(g)Cuk 变换器(h) Cuk ZCS QRCs变换

11、器Buck ZVS QRCsBuck ZCS QRCs（a） Buck ZVS QRCs全波模式 （b） Buck ZVS QRCs半波模式0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp on0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp on)(0ttCIurLCr(4.10)当当t=tt=t1 1时，谐振电容时，谐振电容CrCr上的电压上升超过上的电压上升超过E E，续流二极管承受正，续流二极管承受正向电压导通，开关状态向电压导通，开关状态1 1结束，电容结束，电容CrCr和谐振电感和谐振电感LrLr开始谐振。开始谐振。0UcCLlioffTpCLI

12、D onEDp onDp offTp on2. 2. 开关状态开关状态2t2t1 1,t,t2 2 在时刻在时刻t1t1，续流二极管，续流二极管D D导通续流，电感导通续流，电感LrLr和电容和电容CrCr开始谐振，电路开始谐振，电路 进入谐振工作状态。谐振初始状态为：进入谐振工作状态。谐振初始状态为：i iLrLr(t(t1 1)=Io)=Io，u uCrCr(t(t1 1)=E)=E，强迫，强迫 分量为（分量为（E,0E,0），在相平面图中，曲线是从（），在相平面图中，曲线是从（E,IoE,Io）开始，以（）开始，以（E,0E,0） 为圆心的一段圆弧。此时有：为圆心的一段圆弧。此时有：Cr

13、LrrLrCrvEdtdiLidtduCr0(4.11)0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp on把初始条件把初始条件i iLrLr(t(t1 1)=Io)=Io，u uCrCr(t(t1 1)=E)=E代入，可解得：代入，可解得：式中，谐振角频率式中，谐振角频率rrrCL1，谐振电路得特征阻抗谐振电路得特征阻抗rrrCLZ tItitZIVtvroLrroicrrcos)(sin)(4.12)u uCrCr谐振到零时，主管谐振到零时，主管TpTp的反并联二极管的反并联二极管D Dp p导通，把电容导通，把电容CrCr的的电容箝制为零，为电容箝制为零，为TpTp实

14、现零电压导通做好准备。实现零电压导通做好准备。 0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp onEdtdiLLrr(4.13)3.3.开关状态开关状态3t3t2 2,t,t3 3 当开关管当开关管TpTp零电压导通，其并联谐振电容零电压导通，其并联谐振电容CrCr上电压被钳位为零，上电压被钳位为零， 此时以电源电压此时以电源电压E E向谐振电感恒压充电，电感中电流线性上升。向谐振电感恒压充电，电感中电流线性上升。 在相平面图上，这段时间对应于在相平面图上，这段时间对应于u u轴上轴上t2t2到到t3t3的部分。此时有：的部分。此时有：在在t=t3t=t3时，电感中电流上

15、升到负载电流时，电感中电流上升到负载电流IoIo，二极管，二极管D D由导通由导通变为截止，电路恢复到初始状态，开关状态变为截止，电路恢复到初始状态，开关状态3 3结束。结束。4.4.开关状态开关状态4t4t3 3,t,t4 4 在这个时间段内，电路保持上个状态结束时的状态。处于这个状态在这个时间段内，电路保持上个状态结束时的状态。处于这个状态的时间长度取决于开关周期的时间长度取决于开关周期TsTs的长短。的长短。t=tt=t4 4时时，TpTp截止，下一个开截止，下一个开关周期开始。关周期开始。0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp onBuck ZVS QRCs

16、半波模式主要波形0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp onBuck ZVS QRCs全波模式主要波形及相平面图(a)Buck变换器 (b)Buck ZVS QRCs变换器 (c)Boost 变换器(d)Boost ZVS QRCs变换器(e)Buck-Boost 变换器(f) Buck-Boost ZVS QRCs变换器(g)Cuk 变换器 (h) Cuk ZVS QRCs变换器Buck ZCS电路ZCS-PWM电路0UcCLliCLIt1D off Da onEt4Dp offTp offDp ont0 Tp ont2(t3)Da off Ta on1.1. t

17、0-t1 t0-t1 电感恒压充电阶段电感恒压充电阶段t=t0t=t0时刻，触发时刻，触发TpTp导通，谐振电感恒压充电，其电流线性上升。导通，谐振电感恒压充电，其电流线性上升。t=t1t=t1时刻，时刻，电感电流等于负载电流，二极管电感电流等于负载电流，二极管D D截止。截止。2.2. t1-t2 t1-t2 准谐振阶段准谐振阶段t=t1t=t1时刻，二极管时刻，二极管D D截止，截止，TaTa的反并联二极管的反并联二极管DaDa导通，导通，L L，C C谐振，强迫谐振，强迫分量为（分量为（E E，I I），），t=t2t=t2时刻，谐振电流再次等于负载电流时候，时刻，谐振电流再次等于负载电

18、流时候，TaTa的的反并联二极管反并联二极管DaDa截止。截止。3.3. t2-t3 t2-t3 恒流阶段恒流阶段t=t2t=t2时刻，谐振电容支路不通，电感电路电流保持恒定，时刻，谐振电容支路不通，电感电路电流保持恒定，电容上电压为电容上电压为2E2E保持不变。保持不变。4.4. t3-t4 t3-t4 准谐振阶段准谐振阶段t=t3t=t3时刻，驱动时刻，驱动TaTa导通，导通，L L，C C谐振，强迫分量为（谐振，强迫分量为（E E，I I），），当电感电流过零时刻可以关断当电感电流过零时刻可以关断TpTp，其上反并联二极管，其上反并联二极管DpDp导通，导通，t=t4t=t4时刻，电感电流再次为零，时刻，电感电流再次为零，DpDp截止。截止。5.5. t