电力电子技术（第2版）课件第7章谐振软开关

1第7章谐振软开关技术7.1谐振软开关的基本概念7.2准谐振软开关换流器7.3软开关技术新进展本章小结预习检查为什么高频化可以减小滤波器、变压器的体积和重量？前课重点现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，对装置效率和电磁兼容性也提出了更高要求。电力电子电路的高频化可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。使开关频率可以大幅度提高。2第7章谐振软开关技术7.1.1开关过程器件损耗及硬、软开关方式7.1.2零电压开关和零电流开关7.1.3软开关电路的分类37.1谐振软开关的基本概念4图7-1下管控制降压斩波电路图7-2a）示出S1上的电压与电流波形。图7-2感性负载时电路波形与工作轨迹a）波形

分析电感负载时直流／直流变换器的工作状态。图7-1由一个开关元件S1控制，S1开通，Io电流增加，S1关断，Io电流减小。由于电感性负载，在较短期间，可假定电流恒定为Io

。7.1.1开关过程器件损耗及开关方式5S1关断，则S1两端电压u1增加到Ud，S1电流i1衰减到零。S1关断后，Io经VDo流通。关断过程中，关断损耗P1=

u1xi1如图7-2a）。当S1导通时，

i1增加为Io与二极管VD1的反向恢复峰值电流之和，如图7-2a）所示。7.1.1开关过程器件损耗及开关方式图7-1下管控制降压斩波电路图7-2感性负载时电路波形与工作轨迹a）波形

6随后，二极管阻断，电压u1下降接近零伏。电感负载的开关轨迹如图7-2b），近似于矩形。图7-2感性负载时电路波形与工作轨迹a）波形b）工作轨迹同时存在高开关电压与大开关电流，要求器件具有较宽安全工作区（SOA）。因此，应采用良好的设计方案降低SOA要求。7.1.1开关过程器件损耗及开关方式7如图7-3a），由二极管与阻容等元件组成的缓冲电路。有缓冲电路的开关工作轨迹如图7-3b），一部分损耗转移到缓冲电路。图7-3

a）缓冲电路图7-3b）带缓冲电路的开关轨迹7.1.1开关过程器件损耗及开关方式8如果在零电压或零电流时通断，则无损耗。开关轨迹如图7-4b)的实线。并降低开关应力以及减少电磁干扰。图7-4零电压/零电流开关轨迹7.1.1开关过程器件损耗及开关方式91、零电压/零电流开关在20世纪80年代，软开关技术的研究热点在谐振变换器。谐振变换器是应用谐振原理，产生按正弦规律变化的电压（或电流）。当器件零电流开关ZCS或零电压开关ZVS，从而减少开关损耗。许多为传统PWM变换器设计的控制集成电路可应用于软开关变换器中。7.1.2零电压/零电流开关及软开关电路的分类10软开关变换器也为抑制电磁干扰提供了有效解决方法。使开关开通前其两端电压为零，这种开通方式称为零电压开通；使开关关断前电流为零，这种关断方式称为零电流关断。与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，零电压关断。与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，零电流开通。零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。7.1.2零电压/零电流开关及软开关电路的分类112、软开关电路的分类可分成零电压电路和零电流电路两大类。每一种都可用于降压型、升压型等，图7-5基本开关单元。根据谐振机理，分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

图7-5基本开关单元a）基本单元b）降压斩波器中的基本单元c）升压斩波器中的基本单元d）升降压斩波器的基本开关单元7.1.2零电压/零电流开关及软开关电路的分类121）准谐振电路包括零电流/电压开关准谐振电路、零电压开关多谐振电路、谐振直流环节电路，如图7-6。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。采用PFM方式。

图7-6谐振电路的基本开关单元a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元b）零电流开准关电路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7.1.2零电压/零电流开关及软开关电路的分类132）零开关PWM电路分为：零电压、电流开关PWM电路，如图7-7。辅助开关使谐振仅发生于开关过程前后，优势：电压和电流基本上是方波，可采用频率固定的PWM控制。图7-7零开关PWM电路的基本开关单元a）零电压开关PWM电路的基本开关单元b）零电流开关PWM电路的基本开关单元7.1.2零电压/零电流开关及软开关电路的分类143）零转换PWM电路分为：零电压/电流转换PWM电路，如图7-8所示。区别是谐振电路是与主开关并联的：输入电压范围宽，负载范围宽。图7-8零转换关PWM电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路的基本开关单元b）零电流转换PWM电路的基本开关单元7.1.2零电压/零电流开关及软开关电路的分类讨论提纲软开关技术使开关频率可以大幅度提高的原因是什么？软开关电路是如何分类的？什么叫硬开关？缓冲电路可以降低开关损耗吗？深度问题：15分析缓冲电路降低开关损耗的原因。总结高频化可以减小滤波器的体积和重量。高频化可以减小变压器的体积和重量。软开关技术使开关损耗减小，频率可以大幅度提高。软开关电路准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路硬开关是指在开关时，同时承受电压、流过电流缓冲电路可以降低开关损耗，但电路总的损耗没有减小。1617一、半波运行半波运行ZCS-QRCS用Buck型来说明。见图7-11。假设电感L足够大，近似为一个电流源。分几个时段分析。图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.1零电流准谐振变换器预习检查什么叫零电流准谐振变换器？前课重点18t0~t1时段：t0之前，VT断开，uCr为零在t0时刻，开关VT零电流开通，UDS=0。在iLr小于iL

(约等于Io)前，uCr=0。由于Us>ucr

，iLr上升这一时段

iLr的上升率为diLr/dt=Us/Lr。7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形19t1~t2时段：t1时刻iLr>Io

,VDf截止，Lr对Cr充电,uCr上升。由于Us>ucr

，iLr不断上升到t2时ucr

=Us

，iLr达到谐振峰值。

7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形20t2~t3时段：t2后，Lr向Cr放电，uCr继续上升iLr下降

直到t3时刻iLr

=Io

，

uCr达到谐振峰值。7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形21t3~t4时段：t3后，iLr下降，iLr<Ioucr下降ucr大于Us，iLr不断下降，直到t4时刻iLr

=0。7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形22

t4~t5时段：电流iLr不反向，iLr

=0ucr继续下降，到t5时刻ucr=Us

。在t4~t5时段应关断管子VT。7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形23t5~t6时段：t5之后，uCr继续下降由于VT关断，虽然uCr小于Us，但Lr无电流通路，电流iLr为0。随着uCr下降，VT电压UDs逐渐增加直到t6时刻，UDs=Us

，uCr=

0。7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形24t6~t`0时段：

t6时刻之后，VDf续流，uCr被钳位为0VDf为通态，VT为断态。在t6~t`0时段，iLr

=0，如果在t`0时刻开通VT，近似于零电流开通。7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形25控制特性取决于谐振电路Lr和Cr的参数设计。电压转换率M、特性阻抗Zr、谐振频率fr、归一化负载电阻r、开关频率fs与谐振频率fr之比的归一化开关频率fn等定义为式(7-1)—(7-5)电压转换率M越小输出电压越低；归一化负载电阻r越小，则负载等效电阻越小；电路中t6~t`0间隔时间可以调节开关频率。7.2.1零电流准谐振变换器（7-1）（7-2）（7-3）（7-4）（7-5）26谐振电流幅值Us

/Zr。有负载，还不是真正的谐振电路。若Io

-Us

/Zr>0，则电流ilr不能自然回到0。规定Io<

Us

/Zr

。开关管关断时刻必须在ucr下降到Us之前。电压ucr与Io有关。7.2.1零电流准谐振变换器图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形27如图7-11c）r为不同值时M和归一化开关频率fn的关系曲线M对负载的变化很敏感。轻载荷时，能量存储在Cr中，输出电压升高，必须控制开关频率。图7-11Buck型半波零电流准谐振变换器

c）M和的关系曲钱7.2.1零电流准谐振变换器28二、全波运行利用体二极管，则变换器工作于全波模式，如图7-12。电感电流iLr

允许反向在iLr反向期间。开关管(带反向二极管的开关管)的电流为零。零电流关断。图7-12Buck型全波零电流准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.1零电流准谐振变换器29在轻载荷时，谐振电路中的能量反馈回电压源Us

降低了Uo对输出载荷的依赖性。如图7-12c）,r为不同值时M和fn关系曲线M对负载变化不敏感。图7-12Buck全波零电流准谐振变换器

c）M和fn的关系曲线7.2.1零电流准谐振变换器30例题7-1某半波运行的Buck型零电流准谐振变换器如图7-11a）所示，已知输入直流电压为36V，谐振电容Cr

=0.25µF、谐振电感Lr

=4µH，要求输出直流电压为12～24V，输出电流为3A，求开关频率范围。解：根据题意Uo=12～24V，Io=3A，Cr=0.25µF，Lr

=4µH，则

当输出电压最小Uo

=12V时

=12/36=0.33

=12/3=4（Ω）

=4/4=17.2.1零电流准谐振变换器31

根据图7-11c），当r=1，M=0.33时，fn大约为0.23，则根据=0.23159=36.6（kHz）7.2.1零电流准谐振变换器32当输出电压最大Uo=24V时=24/36=0.667

=24/3=8（Ω）=8/4=2

根据图7-11c），查出fn大约为0.45，则：

=0.45х159=71.6（kHz）故开关频率范围为36.6～71.6kHz。7.2.1零电流准谐振变换器33图中只给出了几条曲线，如果需更多曲线，请参考相关文献。7.2.1零电流准谐振变换器讨论提纲负载变化时，零电流准谐振变换器的开关频率恒定吗？零电流准谐振变换器的谐振频率是多少？简述归一化负载电阻r的含义?零电流准谐振变换器的特性阻抗Zr是多少？归一化负载电阻r恒定时M和归一化开关频率fn的有什么样关系。深度问题：34Buck型半波零电流准谐振变换器的工作原理分析总结零电流准谐振变换器的开关频率不是恒定的（关断时间可调节）零电流准谐振变换器的谐振频率简述归一化负载电阻r与负载电阻R的关系。零电流准谐振变换器的特性阻抗Zr按谐振电路计算归一化负载电阻r恒定时M和归一化开关频率fn的关系可按曲线图查找。3536ZVS-QRC中，谐振电容为开关提供零电压的条件。图7-14a）是半波运行的Buck型准谐振变换器。零电压谐振开关波形如图7-14b）。7.2.2

零电压准谐振变换器图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形预习检查什么叫零电压准谐振变换器？前课重点37VT导通后,

VT电流与Io相等,

VDf

反偏截止。VT零电压关断后，电流流过谐振电容Cr

，Ucr上升。t0~t1时段：

t0之前，VT导通，ucr=0，iLr

=iL

t0时VT关断，Cr电压上升，VDr未通。图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.2

零电压准谐振变换器38Lr+L向Cr充电，电流源ucr线性上升，同时uDf下降。直到t1时，uDf=0，VDf导通。图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.2

零电压准谐振变换器39t1~t2时段t1时VDf导通，L通过VDf续流，

CrLrUs形成谐振；iLr对Cr充电,

ucr上升iLr下降t2时，iLr=0，Ucr达到谐振峰值。图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.2

零电压准谐振变换器0V40t2~t3时段：t2后，Cr向Lr放电，

ucr下降iLr反向到t3时，ucr=Us，这时，ULr

=0，

iLr达反峰值。图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.2

零电压准谐振变换器41t3~t4时段：t3后,Lr向Cr反向充电，ucr下降。到t4时ucr=0。

t1到t4,谐振方程为图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形（7-9）（7-8）（7-7）7.2.2

零电压准谐振变换器42t4~t5时段：uCr被钳位于0。uLr=Us，iLr线性衰减，到t5时，iLr=0。uT为零，必须在此期间使VT开通。图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.2

零电压准谐振变换器43t5~t6时段：由于VT导通，iLr上升。到t6时,iLr

=IL

，

VDf关断。t5到t6时段电流iLr的变化率为图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形（7-10）7.2.2

零电压准谐振变换器44t6~t`0时段：VT通态，通过VT电流与iLr以及IL相等。谐振电感Lr上的压降很小，udf=Us。可零电压关断。是零电压电路。图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.2

零电压准谐振变换器45图7-14c）为M和fn的关系曲线。电压转换率对负载敏感。对不同的负载Ro，开关频率有相应的变化。图7-14Buck型半波零电压准谐振变换器

c）M和的关系曲线7.2.2

零电压准谐振变换器r=46谐振过程中ucr（即开关VT的电压）的表达式[t1~t4

]上uCr的谐振峰值为（7-11）（7-12）（7-13）7.2.2

零电压准谐振变换器虚线实际不存在47

零电压开关准谐振电路实现软开关的条件否则，VT也就不可能实现零电压开通。缺点：谐振电压峰值将高于输入电压的2倍。7.2.2

零电压准谐振变换器虚线实际不存在

若没有被钳位，uCr的最小值为48变换器可工作于全波模式，图7-15a）。图7-15b)为稳态波形图，VT无反向电流。在t4~t5时段，VT导通。全波模式有容性开通损耗问题。图7-15Buck型全波零电压准谐振变换器a）电路b）电路波形7.2.2

零电压准谐振变换器49如图7-15c）所示是当r为不同值时M和fn的关系曲线。全波模式下M对负载不敏感。ZVS-QRC通常工作于半波模式。