电力电子第八章

电力电子第八章第1页，共48页，2023年，2月20日，星期一8谐振开关型变换器8.1硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性8.2谐振开关型变换器的类型8.3谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器8.4谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器8.5直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI小结第2页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.1硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性硬开关过程开通（A→B→C

）：在vT=VD下iT从0→Io，然后在iT=Io下vT从VD→0，Pon=vTiT大。关断（C→B→A）：在iT=Io下vT从0→VD，然后在vT=VD下iT从Io→0，Poff=vTiT大。图8.1(a)硬开关电路开关轨迹第3页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.1硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性有LC缓冲器的软开关过程开通（A→Q→E→C）：LS使工作点从A→Q，在vT＝VQ<VD下iT从0→Io，然后从E→C，Pon’<Pon。关断（C→A→P→A）：iT从Io→0期间vT从0→VD，然后在iT=0下从A→P→A，Poff’显著减小。开关轨迹图8.1(b)有LC复合缓冲的软开关电路第4页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.1硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变换器的开关损耗会成比例升高。LC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整个变换器的效率不一定能提高。零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器高频化最理想的技术。第5页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.1硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性

LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断

t1时引发Lr、Cr谐振，t2时vT谐振至零，在t3时驱动T实现零电压开通。

t6时引发Lr、Cr谐振，t7时iT谐振至零，在t8时切除驱动信号实现零电流关断。开关轨迹图8.2零电压开通、零电流关断时vT、iT、rT第6页，共48页，2023年，2月20日，星期一零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制PFM谐振变换器。零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。零开关谐振变换器零转换谐振变换器LC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。8.2谐振开关型变换器的类型第7页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.3谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器8.3.1零电压开通脉冲宽度调制（ZVSPWM）变换器工作原理8.3.2零电压开通脉冲频率调制（ZVSPFM）变换器工作原理第8页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理

工作原理关断T2后引发LrCr谐振，使主开关管T1的电压vT=0。再对T1施加驱动信号实现T1的零电压开通。图8.4（a）BuckDC/DCZVSPWM变换器电路图图8.1(a)硬开关电路主电路组成第9页，共48页，2023年，2月20日，星期一变换器一个周期有五种开关状态。开关状态1:T1关断，Cr充电开关状态2:D0，D2续流开关状态3:T2关断，Cr、Lr谐振开关状态4:T1零电压开通开关状态5:T2零电压开通图8.4（a）BuckDC/DCZVSPWM变换器电路图8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第10页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态1：t0<t<t1t<to时T1、T2通态，D0截止；t=t0时关断T1，iT1下降，VT1从0上升，因Cr，T1软关断；t＝t1时VT1上升到VD，D0正偏导电，T1关断过程结束。8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第11页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态2：t1<t<t2T1断态，Vcr＝VT1＝VD。iL经D2、T2续流，Io经D0续流。Toff=t2-t1可控，用以调控输出电压。8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第12页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态3：t2<t<t3t=t2时，关断T2，Lr、Cr谐振半个周期到t3，t=t3时Vcr＝VT1＝VD，iL达到负最大值。8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第13页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态4：t3<t<t8如IoZr<VD,则VT1不可能为零。如IoZr>VD,则当VT1＝0时,iT1仍为负值。此后负值iL经D1向VD回送电流，直到t=t6。在t4~t6期间，VT1＝0。若在t5驱动T1，则为零电压开通。8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第14页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态4（续）：t3<t<t8t＝t6时，iL＝0，Vcr＝VT1＝0，T2早已关断，此后VD经T1、Lr建立iT1。t=t8时，iT1＝Io，D0截止，完成T1开通过程。8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第15页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态5：t8<t<t10t＝t9时，开通T2，此时iL=I0不变T1已是通态，vL＝vT2＝0，T2是零电压开通。t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完成一个开关周期Ts。8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第16页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理在fs＝1/Ts固定时，控制T2的关断时刻t2，即可改变Toff，从而改变占空比，调控输出电压。零电压开通脉冲宽度调制（ZVSPWM）变换器，可实现主开关T1和辅助开关T2零电压开通和软关断。第17页，共48页，2023年，2月20日，星期一T1零电压开通条件：(8-11)最小负载电流需满足：VT1、vcr最高电压：(8-13)开通期尽量缩短取：由（8-11）和（8-13）可确定Lr、Cr：8.3.1零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理第18页，共48页，2023年，2月20日，星期一图8.4（a）BuckDC/DCZVSPWM变换器电路图工作原理T1通态时D0截止，vT1＝vcr＝0，切除+VG，T1关断iT1从Io→0，并联电容Cr使vT＝vcr从0逐渐上升，T1软关断。vT＝vcr→VD后D0导通，Lr、Cr立即谐振，所以电路8.5无开关状态2。图8.5零电压开通ZVSPFM变换器图8.4（a）中，T2导通使iL经D2、T2续流，不能形成Lr、Cr谐振回路，直到在t＝t2时刻关断T2时，才能形成谐振。主电路组成8.3.2零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理第19页，共48页，2023年，2月20日，星期一无T2：不能控制Lr、Cr谐振起始时刻开关状态2，无Toff时区2。缺点：只有调频fs，才能调压。图8.5零电压开通ZVSPFM变换器图8.4（a）BuckDC/DCZVSPWM变换器电路图8.3.2零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理第20页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.3.2零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理本节小结：ZVSPWM：有辅助开关管T2及Lr、Cr，可实现主开关T1及辅助开关T2零电压开通及软关断，可采用PWM调压；ZVSPFM：无辅助开关T2，仅有Lr、Cr，靠主开关关断引起Lr、Cr谐振造成主开关管的零电压开通，只能PFM调压。图8.5零电压开通ZVSPFM变换器图8.4（a）BuckDC/DCZVSPWM变换器电路图第21页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.3.2零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理共同点：实现零电压开通的条件都是：主开关管及电容最高电压都是：第22页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.4谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器8.4.1零电流关断脉冲宽度调制（ZCSPWM）变换器工作原理8.4.2零电流关断脉冲频率调制（ZCSPFM）变换器工作原理第23页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.4.1零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理5种开关状态开关状态1：电感充磁开关状态2：谐振阶段Ⅰ开关状态3：VD向负载供电开关状态4：谐振阶段Ⅱ开关状态5：T1断态，Do续流主电路组成图8.6(a)ZCSPWMBuckDC/DC变换器

第24页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态1：t0<t<t1t0时加VG1，T1软开通(因为有Lr)，iT1↑iD0↓，t＝t1时D0截止。8.4.1零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理第25页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态2：t1<t<t2VD、T1、Lr、D2、Cr谐振半周至t2，iT1=iL=Io，icr＝0，vcr＝2VD8.4.1零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理第26页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态3：t2<t<t3T2处于断态，Cr不能放电，电源VD经T1对负载放电。8.4.1零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理第27页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态4：t3<t<t8t3时刻T2被驱动软开通（由于有Lr），Cr谐振放电。若VD/Zr>Io则iL变负经D1返回电源，T1断流。在t4-t6期间撤除VG1使T1零电流关断。8.4.1零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理第28页，共48页，2023年，2月20日，星期一开关状态5：t8<t<t10T1处于断态，在t9时刻撤除+VG2，零电流关断T2（iT2早已为零），t=t10时开通T1开始新周期。8.4.1零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理第29页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.4.1零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理控制T2的开通时刻t3即可改变通态时间2，实现PWM控制Vo。缺点：T1零电流关断条件：第30页，共48页，2023年，2月20日，星期一工作原理控制T1的开通，形成LrCr谐振使iL过零反向，在此期间撤除T1的驱动信号使其零电流关断。无辅助开关T2，与图8.6(a)相比则无开关状态3。主电路组成图8.7零电流关断PWM变换器图8.6(a)ZCSPWMBuckDC/DC变换器

8.4.2零电流关断脉冲频率调制(ZCSPFM)变换器工作原理第31页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.4.2零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPFM)变换器工作原理无开关状态3，仅在t0-t2和t3-t4期间iL>0，VD输出功率输出电压Vo，而此时间只与Lr、Cr有关而不能被调控，故只有调频fs才能调压。图8.7零电流关断PWM变换器图8.6(a)ZCSPWMBuckDC/DC变换器

第32页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.4小结本节小结：ZCSPWM：有辅助开关管T2，可采用PWM调压。ZCSPFM：无辅助开关T2，靠主开关开通引起Lr、Cr谐振造成主开关管的零电流关断条件，只能PFM调压。实现零电流关断的条件都是：图8.7零电流关断PWM变换器图8.6(a)ZCSPWMBuckDC/DC变换器

第33页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI8.5.1工作原理8.5.2参数计算8.5.3直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI的控制策略第34页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理开通、关断T0、Ta、Tb形成LC谐振，使vPN降为零，实现T1-T6的零电压开通和零电压、零电流关断。谐振电感L不参加主开关电路的能量转换，仅在主开关开关状态转换时谐振工作。该变换器又被称为零电压转换ZVT和零电流转换ZCT谐振变换器。第35页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理（续1）为简化分析，可假设：谐振电感L远小于负载电感，在一个谐振周期中，从直流母线侧来看负载电流为恒流源I0。

主开关管两端并联电容在直流母线上等效为一个电容C。一个完整的谐振开关过程中有6个工作状态。第36页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理（续2）开关状态1：t0<t<t1To通态，Ta、Tb断开，谐振电路不工作，VD通过To对逆变器供电，vC=VD第37页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理（续3）开关状态2：t1<t<t2t1时Ta、Tb被施加驱动信号而软开通（有L），iL从0→IT。t2时关断T0，由于vC＝VD，T0零电压关断。第38页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理（续4）开关状态3：t2<t<t3t2时关断To后，vc对L谐振放电Vc>0时，iL继续增大，直到t=t3vc=0时，iL达到IM第39页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理（续5）开关状态4：t3<t<t4t3时刻后vc＝0，Io经D续流。iL经Ta、Da、Tb、Db续流，到t4时关断Ta、Tb；在t3-t4期间改变T1-T6开关状态可实现零电压关断、开通。第40页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理（续6）开关状态5：t4<t<t5T4时刻关断Ta、Tb(零电压关断)后，iL供电给电容C和负载供电流Iox。为确保t5时刻vc达到VD，iL则需满足：第41页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.1工作原理（续7）开关状态6：t5<t<t8t7之前iL>Iox，iL产生is经D0流回电源VD，在此期间的t6加VG0可使T0零电压开通。t8时刻IL减小到零，Da、Db截止，负载Iox完全由T0供给。第42页，共48页，2023年，2月20日，星期一需在线计算：电感预充电流终值IT

换相后的直流负载电流IoxIT需足够大以确保在C充电后电压升到VD的t5时刻iL=I5>Iox，使D0导通实现T0零电压开通，由此推出：8.5.2在线计算第43页，共48页，2023年，2月20日，星期一8.5.2在线计算（续1）谐振周期很短，直流负载电流Iox可预测为：逆变器开关状态组合处于通态的开关器件逆变器输入电流IOX1(SaSbSc)=(000)T6T4T2io=ia+ib+ic=02(SaSbSc)=(100)T6T1T2io=ia3(SaSbSc)=(110)T1T2T3io=ia+ib=-ic4(SaSbSc)=(010)T2T3T4io=ib5(SaSbSc)=(011)T3T4T5io=ib+ic=-ia6(SaSbSc)=(001)T4T5T6io=ic7(SaSbSc)=(101)T5T6T1io=ia+ic=-ib8(SaSbSc)=(111)T5T3