软开关技术6-3

1、6-3 准谐振与多谐振准谐振与多谐振DC/DC变换器变换器 准谐振与多谐振变换器是较早提出的一类软准谐振与多谐振变换器是较早提出的一类软开关变换器，它是在常规开关变换器，它是在常规DC/DC开关变换器的基开关变换器的基础上加上谐振电感和谐振电容形成的。由于运行础上加上谐振电感和谐振电容形成的。由于运行中，变换器工作在谐振模式的时间仅占一个开关中，变换器工作在谐振模式的时间仅占一个开关周期的一部分，其余运行在非谐振模式，所以称周期的一部分，其余运行在非谐振模式，所以称之为准谐振变换器。之为准谐振变换器。 零电流与零电压准谐振开关零电流与零电压准谐振开关 零电流开关准谐振变换器（零电流开关准谐振变

2、换器（ZCS-QRCs） 零电压开关准谐振变换器（零电压开关准谐振变换器（ZVS-QRCs） 零电压多谐振变换器（零电压多谐振变换器（ZVS-MRCs） 6-3-16-3-1、零电流与零电压准谐振开关、零电流与零电压准谐振开关 准谐振开关一般由一个开关器件和准谐振开关一般由一个开关器件和LC谐谐振电路构成，分为振电路构成，分为零电流零电流和和零电压零电压两类两类。零电流零电流零电压零电压零电流零电流L型型零电流零电流M型型零电压零电压L型型零电压零电压M型型L型半波型半波L型全波型全波M型半波型半波M型全波型全波L型半波型半波L型全波型全波M型半波型半波M型全波型全波零电流型：零电流型：S1S

3、1开通激发，谐振电流到零开通激发，谐振电流到零S1LrCrLrS1MCr零电流零电流L型型零电流零电流M型型零电压零电压L型型LrS1CrS1LrCr零电压零电压M型型L 型半波、全波模式LrCrS1DQS1LrCrS1DQLrS1CrS1CrLrDQ6-3-2 零电流开关准谐振变换器（零电流开关准谐振变换器（ZCS-QRCs） 特点：特点： 开关在零电流条件下开通和关断，峰值谐开关在零电流条件下开通和关断，峰值谐振电流流经电路开关，振电流流经电路开关， 但峰值电压与普通开但峰值电压与普通开关型变换电路相同。关型变换电路相同。 基本的基本的Buck变换器变换器UiCDSLRUoiSii OLi

4、i iiONoooiOFFoONoiDUUTtUTDUDTUUtUtUU)()()(1Buck 型零电流开关准谐振变换电路型零电流开关准谐振变换电路 1、工作原理工作原理： 开关闭合时，由于电感开关闭合时，由于电感Lr的作用，的作用，Q1在零电流下导通，在零电流下导通，Q1导通后，导通后，电感电感Lr与电容与电容Cr谐振，使谐振，使Q1通过的电流呈近似正弦波，当电感电通过的电流呈近似正弦波，当电感电流谐振到零时，流谐振到零时，Q1可在零电流下关断。可在零电流下关断。（a）半波模式半波模式0D1R0LfCfVVinQ1LriLrvCrCrDQ1（b）全波模式全波模式0D1R0LfCfVVinQ1

5、LriLrvCrCrDQ1（a）半波模式半波模式（b）t1，t2 谐振阶段谐振阶段 LrMMD1LfI0VinQ1iLrvCrCr（a）t0，t1 电感充电阶段电感充电阶段 LrMD1LfI0VinQ1iLrvCrCrI0ttttt1t3t2t0t4at1iLrvCrvdsvgsVinVinin2VVinZr+ +I0串联二极串联二极管所承受管所承受2 2、工作波形、工作波形01( )sin()inrLrrtttIVZi+半波模式半波模式Buck ZCS QRCs 各开关模态各开关模态（a）半波模式半波模式（c）t2，t3 电容放电阶段电容放电阶段 LrMD1I0VinQ1iLrvCrCr（d

6、）t3，t4自然续流阶段自然续流阶段 MD1I0VinQ1LriLrvCrCrI0ttttt1t3t2t0t4at1iLrvCrvdsvgsVinVinin2VVinZr+ +I0串联二极串联二极管所承受管所承受全波模式全波模式Buck ZCS QRCs 各开关模态等效电路各开关模态等效电路 MI0ttttt1t3t2t0t4ta1iLrvCrvdsvgsVinVin2tb1Vin（b）全波模式全波模式（b）t1，t1b 谐振阶段之一谐振阶段之一CrDQ1Q1LriLrD1I0vCr （a）t0，t1 电感充电阶段电感充电阶段 D1I0VinQ1LriLrvCrDQ1Cr全波模式全波模式Buc

7、k ZCS QRCs 各开关模态等效电路各开关模态等效电路 （b）全波模式全波模式（b）全波模式全波模式（c）t1b，t2 谐振阶段之二谐振阶段之二 （d）t2，t3 电容放电阶段电容放电阶段 D1I0VinQ1LriLrvCrCrDQ1MI0ttttt1t3t2t0t4ta1iLrvCrvdsvgsVinVin2tb1VinD1I0VinQ1LriLrvCrCrDQ1（e）t3，t4 自然续流阶段自然续流阶段 S：ZC ON ZC OFF D1：ZV ON ZC OFF全波模式全波模式Buck ZCS QRCs 各开关模态等效电路各开关模态等效电路 D1I0VinQ1LrvCrCrDQ13、

8、不同模式工作波形比较不同模式工作波形比较（b）全波模式全波模式 （a）半波模式半波模式 I0ttttt1t3t2t0t4at1iLrvCrvdsvgsVinVinin2VVinZr+ +I0串联二极串联二极管所承受管所承受MI0ttttt1t3t2t0t4ta1iLrvCrvdsvgsVinVin2tb1Vin4、Buck ZCS QRCs 仿真电路及主要波形仿真电路及主要波形DbreakD1V2TD = 0.01uTF = 0.01uPW = 1uPER = 2uV1 = 0TR = 0.01uV2 = 15Cr64nR14Q1IRFP460Lf100uH120Cf10uLr1.6uH12R

9、310V120VdcDbreakD2R210k半波模式半波模式半波模式半波模式半波模式没有谐振到零半波模式没有谐振到零V120VdcQ 1IRFP460R210kDbreakD2Lr1.6uH12R310DbreakD1Cr64n0Lf100uH12Cf10uR16V2TD = 0.001uTF = 0.001uPW = 1.55uPER = 2.8uV1 = 0TR = 0.001uV2 = 15全波模式全波模式全波模式没有谐振到零全波模式没有谐振到零5、参数设计：、参数设计：（1 1） 和和 的设计的设计LrCr 任意负载下均能实现零电流开关，则有任意负载下均能实现零电流开关，则有IZVr

10、inmaxo或或IVZoinrmaxIVKZoincrmax改写为：改写为：式中式中 KC1CLfrrr21而：而：则有：则有：min22rVinrorrVZKLffIomin1122rrvinrrICffVZKminminooiinV IIV2 2、开关管和二极管的选取开关管和二极管的选取maxmax2LriIImaxmaxmin(1)oirvCroooIVVVI ZKI+Q11maxQiII：DQ11maxmaxDQiII1max2QoVV12DQoVV正向正向D11maxmax2DiII3 3、电压转换比、电压转换比 M M与与 有关与负载无关（全波）有关与负载无关（全波）MDQ1R0L

11、fCfV0VinQ1LriLrvCrCrD11DoVVminminooiroroinVVVIZIZV4 4. . 零电压条件改写零电压条件改写: :mininorVIZSrff小小 结结 (1) ZVS-QRCs实现了零电压导通、关断，与普通实现了零电压导通、关断，与普通 Boost DC/DC 变换电路相比，流过开关管的电压应力增大，负载比变换电路相比，流过开关管的电压应力增大，负载比值越大，谐振电容上的电压越高，开关管两端电压应力越大，值越大，谐振电容上的电压越高，开关管两端电压应力越大，限制了负载的变化。限制了负载的变化。(2) 零电压开关条件若零电压开关条件若 ，则，则vCr不可能自然

12、谐振回零，从不可能自然谐振回零，从 而造成开关器件零电压导通失败，只有满足而造成开关器件零电压导通失败，只有满足 ， 才能保证才能保证软开关操作。在谐振参数、输入输出确定后，负载电流保证在软开关操作。在谐振参数、输入输出确定后，负载电流保证在大于某一数值范围内变化，负载不能过轻。大于某一数值范围内变化，负载不能过轻。(3) ZVS-QRCs也是通过调节脉冲频率来调节输出的。可调时间也是通过调节脉冲频率来调节输出的。可调时间段是（段是（t3-t4）导通时间导通时间。电压转换比：电压转换比：1关系图关系图(4) 电磁干扰减小电磁干扰减小ZIVri0ZIVri0二、二、ZCS-QRCs与与ZVS-Q

13、RCs的比较的比较(1) 对偶关系（见教材对偶关系（见教材P109）(2) 输出调节均通过改变开关频率，零电流改变关断时间，零输出调节均通过改变开关频率，零电流改变关断时间，零 电压改变导通时间。电压改变导通时间。(3) ZCS-QRCs中，开关通过的峰值电流为中，开关通过的峰值电流为 ，零流关断必，零流关断必须满足须满足 ，负载不能过重；，负载不能过重；ZVS-QRCs中，开关承受的电中，开关承受的电压为压为 ，为保证零压导通，必须满足，为保证零压导通，必须满足 ，即，即 ，负，负载不能过轻，当负载变化较大时，开关会承受很高电压，因此载不能过轻，当负载变化较大时，开关会承受很高电压，因此适用

14、于恒定负载。适用于恒定负载。(4) 频率高时频率高时ZVS-QRCs优于优于ZCS-QRCs，因因ZCS开通损耗与频开通损耗与频率有关，率有关，ZVS无这部分损耗。无这部分损耗。ZVIrin+0ZVIrin0ZIVri+0ZIVri0ZVIrin0Integrated ZCS Quasi-Resonant Power Factor Correction Converter Based on Flyback Topology应用举例应用举例工作波形和模态分析工作波形和模态分析 工作波形和模态分析工作波形和模态分析 工作波形和模态分析工作波形和模态分析 实验波形实验波形课后完成的报告课后完成的报告Buck ZV