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文档简介

1、第8章软开关技术第8.1章软开关的基本概念第8.2章软开关电路的分类第8.3章典型软开关电路第8.4章软开关技术的新进展本章概述第2章绪论现代电力电子器件的发展趋势是小型化和轻量化,同时对器件的效率和电磁兼容性提出了更高的要求。电力电子电路的高频化可以减小滤波器和变压器的尺寸和重量,并减小电力电子设备的尺寸和重量。随着开关损耗的增加,电路效率严重下降,电磁干扰增加。软开关技术降低了开关损耗和开关噪声。从而可以大大提高开关频率。3、8.1软开关的基本概念,8.1.1硬开关和软开关,8.1.2零电压开关和零电流开关,4、8.1.1硬开关和软开关,硬开关切换过程中电压和电流不为零,导致重叠和显著的切

2、换损耗。电压和电流变化很快,波形出现明显的过冲,产生开关噪声。开关损耗与开关频率之间存在线性关系,因此当硬电路工作频率不太高时,开关损耗占总损耗的比例不大,但随着开关频率的增加,开关损耗变得越来越显著。图8-1硬切换降压电路和波形a)电路图b)理想化波形,图8-2硬切换期间的电压和电流a)关断过程b)导通过程a),b),5,8.1.1硬切换和软切换,其中增加了谐振电感器Lr和谐振电容器Cr。与滤波电感l和电容c相比,在降压零电压开关准谐振电路中,在开关过程前后引入谐振,使得开关接通前电压降至零,开关断开前电流降至零,消除了开关过程中电压和电流的重叠,从而大大降低甚至消除了开关损耗。同时,谐振过

3、程限制了开关过程中电压和电流的变化率,这也显著降低了开关噪声。图8-3降压零电压开关的准谐振电路和波形a)电路图b)理想化波形a),b)图8-4软开关过程a)关断过程b)导通过程,6.8.1.2零电压开关和零电流开关中的电压和电流。如果零电压开关接通前两端的电压为零,则接通时不会出现损耗和噪声。如果零电流关断开关在关断前电流为零,则关断时不会产生损耗和噪声。在零电压下关闭与开关并联的电容器可以延迟开关关闭后的电压上升速率,从而降低关闭损耗。在零电流下与开关串联的电感器可以延迟开关接通后的电流上升速率,并降低开关损耗。在许多情况下,开关不再指示,只调用零电压开关和零电流开关。软开关电路的分类根据

4、电路中的主要开关元件是零电压导通还是零电流截止,软开关电路可以分为两类:零电压电路和零电流电路。根据软开关技术的发展,软开关电路可以分为准谐振电路、零开关脉宽调制电路和零开关脉宽调制电路。8,8.2软开关电路的分类,图8-5准谐振电路A)零电压开关准谐振电路B)零电流开关准谐振电路C)零电压开关多谐振电路,准谐振电路分类零电压开关准谐振电路(零电流开关准谐振电路)零电压开关准谐振电路(零电流开关准谐振电路)零电压开关多谐振电路(零电压开关多谐振变换器ZVS MRC)用于谐振DC环节开关损耗和开关噪声大大降低,但也存在一些负面问题,如谐振电压峰值高,这就要求必须提高器件的耐压。谐振电流的有效值为

5、谐振周期随着输入电压和负载的变化而变化,因此电路只能由脉冲频率调制(PFM)来控制,而变频的开关频率给电路设计带来困难。10,8.2软开关电路的分类,图8-6零开关脉冲宽度调制电路a)零电压开关脉冲宽度调制电路b)零电流开关脉冲宽度调制电路,其中引入了一个辅助开关来控制谐振的开始时间,因此谐振只发生在开关过程之前和之后。分类零电压开关脉宽调制变换器ZVS脉宽调制电路(零电流开关脉宽调制变换器ZCS脉宽调制)与准谐振电路相比有许多明显的优点:电压和电流基本上是方波,但上升沿和下降沿较慢,开关承受的电压明显降低,因此该电路可以采用开关频率固定的脉宽调制控制方式。11,8.2软开关电路的分类,图8-

6、7零开关脉宽调制电路的基本开关单元A)零电压开关脉宽调制电路的基本开关单元B)零电流开关脉宽调制电路的基本开关单元其中辅助开关用于控制谐振的开始时间,区别在于谐振电路与主开关并联。因此,输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小。该电路可以在宽输入电压范围内,从零负载到满负载工作在软开关状态,电路中的无功功率交换减少到最小,进一步提高了电路的效率。对零电压转换脉宽调制变换器zvt脉宽调制进行分类,12、8.3典型软开关电路,8.3.1零电压开关准谐振电路,8.3.2谐振DC环,8.3.3移相全桥零电压开关脉宽调制电路,8.3.4零电压转换脉宽调制电路,13、8.3.1零电压开关准谐振电路,图8

7、-8零电压开关准谐振电路示意图,其中假设电感L和电容C较大,可以等效为电流源和切换周期中的任何时间都可以选择作为分析的起点,并且可以通过选择合适的起点来简化分析。14,8.3.1零电压开关准谐振电路,图8-9零电压开关准谐振电路的理想化波形,图8-10 t0t 1周期零电压开关准谐振电路的等效电路,图8-8零电压开关准谐振电路原理图,开关S的关断时间被选为工作过程中分析的起点。T0t1周期:在t0之前,s开启,VD关闭,uCr=0,iLr=IL,s在t0关闭。在s关断后,Cr减缓了电压上升,因此s的关断损耗降低。s关闭后,VD尚未打开。该电路可以等效于图8-10。Lr L对Cr充电,L相当于电

8、流源,uCr线性上升,VD两端的电压uVD逐渐下降,直到t1,uVD=0,VD导通。这段时间uCr的上升速率为(8-1),15,8.3.1零电压开关准谐振电路,图8-8零电压开关准谐振电路原理图,图8-9零电压开关。图8-11 t1 T2周期零电压开关准谐振电路等效电路。t1t2周期:VD在t1接通,L通过VD续流,Cr、Lr和Ui形成谐振电路,如图8-11所示。在共振过程中,Lr给Cr充电,uCr上升,iLr下降,直到t2,iLr下降到零,uCr达到共振峰值。t2t3期:T2后,Cr放电至Lr,iLr改变方向,uCr持续下降,直到t3,uCr=Ui,当uLr=0时,iLr达到反向共振的峰值。

9、t3t4周期:T3之后,Lr对Cr反向充电,uCr继续下降,直到在uCr=0。16、8.3.1零电压开关准谐振电路、图8-8零电压开关准谐振电路原理图、图8-9零电压开关准谐振电路的理想化波形、t1至t4的电路谐振过程方程为(8-2)、t4t5周期:uCr箝位在零,uLr=Ui,iLr线性衰减至t5。由于S两端的电压在此期间为零,因此有必要在此期间接通开关S,以免产生接通损耗。T5t6周期:s开启,iLr线性上升,直到t6,iLr=IL,VD关闭。电流iLr从t4到t6的变化率为0。在t6t0中,s为开,VD为关。(8-3),17,8.3.1零电压开关准谐振电路,谐振过程是软开关电路工作过程中

10、最重要的部分,谐振过程中的基本定量关系是uCr的表达式(即开关S的电压uS),T1和T4上的最大值,即uCr的谐振峰值,是开关S承受的峰值电压,表达式是零电压开关准谐振电路实现软开关。零电压开关准谐振电路的缺点:谐振电压的峰值将高于输入电压Ui的2倍,开关S的耐压必须相应提高,这增加了电路的成本,降低了可靠性。18,8.3.2谐振DC环路,图8-12谐振DC环路的电路原理图,图8-13谐振DC环路的等效电路,应用于交流-DC-交流变换器电路的中间DC环节。通过在DC环节引入谐振,电路中的整流器或逆变器环节在软开关条件下工作。在图8-12中,辅助开关s使逆变桥中的所有开关在零电压接通的情况下工作

11、。在实际电路中,开关s是不必要的,s的开关动作被逆变器电路中开关的接通和断开所代替。电压源逆变器的负载通常是感性的,谐振时逆变器电路的开关状态是恒定的,负载电流被认为是恒定的。19,8.3.2谐振DC回路,图8-13谐振DC回路的等效电路,图8-14谐振DC回路的理想化波形,工作过程从开关S断开时开始。T0t1周期:在t0之前,iLr大于ILl,在t0时s导通,s截止,电路发生谐振。由于iLrIL,iLr对Cr充电,并且uCr持续上升直到t1,此时uCr=Ui。T1t2周期:在t1,因为uCr=Ui,ULr=0,所以谐振电流iLr达到峰值。t1之后,iLr继续对Cr充电并持续下降,而uCr进一

12、步上升,直到iLr=IL且uCr在t2达到其共振峰值。20,8.3.2谐振DC环路,t2t3周期:t2之后,uCr向Lr和IL放电,iLr继续降低,然后当达到零时反转,Cr继续向Lr放电,iLr反向增加,直到时间uCr=Ui。t3t4周期:在T3,uCr=Ui,iLr达到反向谐振的峰值,然后iLr开始衰减,uCr继续下降,直到t4,uCr=0,VDS接通,uCr箝位在零。T4t0周期:s开启,电流iLr线性上升,直到t0,此时s再次关闭。谐振DC环路中电压uCr的谐振峰值很高,这就增加了开关器件的耐压要求。图8-13谐振DC环路等效电路,图8-14谐振DC环路理想化波形,21,8.3.3移相全

13、桥零电压开关脉宽调制电路,图8-15移相全桥零电压开关脉宽调制电路。电路简单,只增加了一个谐振电感,使得电路中的四个开关器件都在零电压的情况下导通。控制模式的特点是在一个开关周期内,每个开关的接通时间略小于TS/2,而断开时间略长于TS/2。同一半桥中的上、下开关不是同时处于导通状态,每个开关都需要一定的死区时间才能断开,另一个开关才能导通。两对对角相对的开关S1-S4和S2-S3,S1的波形比S4提前0.0TS/2倍,而S2的波形比S3提前0.0TS/2倍。因此,S1和S2被称为发达国家,而S3和S4被称为落后国家。22,8.3.3移相全桥零电压开关脉宽调制电路,图8-16移相全桥电路的理想

14、化波形,图8-17移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路图,工作过程t0t1周期:S1和S4都导通,直到S1在t1截止。T1t2周期:S1在t1关闭后,C1和C2与Lr和l形成一个谐振回路,如图8-17所示,uA(t1)=Ui在谐振开始时,uA在谐振期间持续下降,直到uA=0,VDS2开启,iLr通过VDS2续流。,23,8.3.3移相全桥零电压开关脉宽调制电路,图8-16移相全桥电路的理想化波形、图8-18移相全桥电路在t3t4级、t2t3周期的等效电路:S2在t2时刻导通,因为VDS2导通,S2导通时电压为零,在导通过程中不会出现开关损耗。S2打开后,电路状态不会改变。T3t4周期:在t4时

15、开关S4断开后,电路的状态变为如图8-18所示。此时,C3、C4和Lr形成谐振回路,在谐振过程中iLr持续下降,b点电压持续上升,直到VDS3导通;这种状态一直保持到t4时S3接通,S3接通时VDS3接通,因此S3在零电压条件下接通,接通损耗为零。24,8.3.3移相全桥零电压开关脉宽调制电路,图8-16移相全桥电路的理想化波形,图8-15移相全桥零电压开关脉宽调制电路,t4t5周期:S3接通后,iLr继续降低,降至零,然后反向,然后持续增加,直到t5,iLr=IL/kT,iVD1降至零并关闭,电流T0t5周期正好是开关周期的一半,在开关周期t5t的另一半,25,8.3.4零电压转换脉宽调制电路,图8-19升压型零电压转换脉宽调制电路原理图,具有电路简单、效率高的优点,广泛应用于功率因数校正电路、DC-DC变换器、斩波器等。以升压电路为例,在分析中假设电感L和电容C很大,因此在分析中可以忽略电流和输出电压的波动,也可以忽略元件和线路的损耗。在零电压转换脉宽调制电路中,辅助开关S1在主开关S之前接通,S1在主开关S接通之后断开,主谐振过程集中在主开关S接通之前和之后。26,8.3.4零电压转换脉宽调制电路,图8-20升压型零电压转换脉宽调制电路的理想化波形,图8-21 t1 T2周期升

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