軟開關(guān)電路研究與仿真解讀

1、學(xué) 號(hào):01210113504354能力拓展訓(xùn)練題目軟開關(guān)電路研究與仿真學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)電氣1004班姓名張珊指導(dǎo)教師2013 年 7 月 2 日能力拓展訓(xùn)練任務(wù)書學(xué)生姓名:張珊專業(yè)班級(jí)：電氣1004班指導(dǎo)教師:工作單位：武漢理工大學(xué)題目：軟開關(guān)電路研究與仿真初始條件：幾種典型的軟開關(guān)電路為:零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路，諧振直流環(huán)電路,移相全橋零電壓開關(guān)電路等。要求完成的主要任務(wù)：1. 分析軟開關(guān)和硬開關(guān)。2. 分析常見軟開關(guān)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。3. 選擇一種或幾種典型軟開關(guān)電路，設(shè)計(jì)仿真模型及參數(shù)，分析仿真輸出波形。4. 拓展訓(xùn)練說明書不少于5000字，參考文獻(xiàn)不少于5篇

2、，畫出電路圖,仿真模型，給出仿真波形并分析。拓展訓(xùn)練說明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印， 圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國家標(biāo)準(zhǔn),資料齊全，堅(jiān)決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。時(shí)間安排:2013.7.32013.7.4收集拓展訓(xùn)練相關(guān)資料2013.7.52013.7.7系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真2013.7.82013.7.9撰寫論文及答辯指導(dǎo)教師簽名:2013系主任（或責(zé)任教師）簽名:摘要軟開關(guān)技術(shù)是近年來電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) ,采用該技術(shù)可以降低開關(guān)損 耗 ,減小電干擾 ,進(jìn)而提高開關(guān)頻率 ,從而使得開關(guān)電源向體積小、重量輕、能量密 度高的方向發(fā)展。 本文對(duì)軟開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行介紹， 主要對(duì)典型的軟開 關(guān)電路進(jìn)行

3、分析， 了解工作過程， 并且對(duì)降壓型的零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的工作 原理進(jìn)行研究 ,采用 matlab 仿真軟件進(jìn)行仿真得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)波形 ,從得驗(yàn)證軟開 關(guān)技術(shù)在實(shí)際電路中的有效性。關(guān)鍵字：軟開關(guān) 準(zhǔn)諧振 matlab1軟開關(guān)的基本概念1.1硬開關(guān)概念在電路中，開關(guān)開通和關(guān)斷過程中的電壓電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，因此有顯著地開關(guān)損耗，并且電壓電流變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪 音，這樣的開關(guān)過程成為硬開關(guān)，主要的開關(guān)過程為硬開關(guān)的電路成為硬開關(guān)電 路。它的開關(guān)過程如圖1.1所示。fIIAllII0a）硬開關(guān)的開通過程這種方式系指負(fù)載的切斷 逐漸地由大到小完成切斷）硬開關(guān)的關(guān)斷過程b

4、圖1.1硬開關(guān)的開關(guān)過程總結(jié)起來硬開關(guān)具有以下缺點(diǎn)：1）開關(guān)損耗大。開通時(shí)，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行；關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗， 該損耗 隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。2）感性關(guān)斷電尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電路的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓，開關(guān) 頻率愈高，關(guān)斷愈快，該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成器件 擊穿。3）容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時(shí)，儲(chǔ)存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高，開通電流尖峰愈大，從而引起器件過熱損壞。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)期， 開關(guān)管在此期間

5、內(nèi)的開通動(dòng)作，易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流 愈大，對(duì)器件的安全運(yùn)行造成危害。4）電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高，電路中的 di/dt和dv/dt增大，從而導(dǎo)致電磁 干擾（EMI）增大，影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。開關(guān)損耗和開關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系， 因此當(dāng)開關(guān)頻率并不高時(shí)，開關(guān)損耗 占損耗的比例并不大，但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗就越來越顯著，這時(shí)必 須采用軟開關(guān)技術(shù)來降低開關(guān)損耗。1.2軟開關(guān)概念軟開關(guān)是電器回路中用于連通和切斷負(fù)載的一種方式和裝置，和接通不是瞬間突然地完成， 而是逐漸地由小到大完成接通過程， 過程。軟開關(guān)硬開關(guān)電路中加入了小電感、電容等諧振兀件，在開關(guān)過程前后

6、引 入諧振，消除電壓、電流的重疊，因此降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪音。和硬開關(guān)工作不同，理想的軟關(guān)斷過程是電流先降到零，電壓在緩慢上升到 斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已下降到零，解決了感性 關(guān)斷問題。理想的軟開通過程是電壓先降到零，電流在緩慢上升到通態(tài)值，所以 開通損耗近似為零，器件結(jié)電容的電壓亦為零，解決了容性開通問題。同時(shí)，開 通時(shí)，二極管反向恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束，因此二極管方向恢復(fù)問題不存在。軟開關(guān)a）軟開關(guān)的開通過程b圖1.2軟開關(guān)的開關(guān)過程相對(duì)硬開關(guān)，軟開關(guān)提高了開關(guān)頻率，降低甚至是消除了開關(guān)損耗，因此其工作 條件更好。軟開關(guān)分為零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。使開關(guān)開通前其兩端電壓

7、為零，則開關(guān)開通時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪音，這種開 通方式為零電壓開通；使開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗 和噪音，這種關(guān)斷方式為零電流開通。與開關(guān)并聯(lián)的電容能使開關(guān)關(guān)斷后電壓上 升延緩，從而降低關(guān)斷損耗，有時(shí)稱這種關(guān)斷過程為零電壓關(guān)斷； 與開關(guān)相串聯(lián) 的電感能使開關(guān)開通后電流上升延緩，降低了開通損耗，有時(shí)稱之為零電流開通。 是要靠電路中的諧振來實(shí)現(xiàn)。2軟開關(guān)電路的分類根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時(shí)電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換 PWM電路。1）準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，

8、現(xiàn)的軟開關(guān)電路，可以分為：a）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（b）零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（C）零電壓開關(guān)多諧振電路（ 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)Cx廣TO因此稱之為準(zhǔn)諧振。零開為最早出a)圖2.1ZVS QRC)ZCS QRC)；ZVS MRC)；b）對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)諧振電路基本單元J 4S rciZSVDr20特點(diǎn)：1）諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；2）諧振電流有效值很大，電路中存在大量無功功率的交換，電路導(dǎo)通損耗加大;3）諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（P ulse Freque ncy Modulation PFM）方式來控制。2）零開關(guān)PWM電路電路可以分為：PW

9、M 電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。 零開關(guān)PWMa）零電壓開關(guān)PWM ）；PWM 電路（Zero-Curre nt-Switchi ng PWM Con verierZCSb）零電流開關(guān)PWM ）。LzW兩電路的基本單元接線如下圖所示LryrryVDa）b）圖2.2對(duì)應(yīng)的零開關(guān)PWM電路基本單元特點(diǎn)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低; 電路可以采用開關(guān)頻率固定的 PWM控制方式。3）零轉(zhuǎn)換PWM電路電路可以分為：PWM 電路（Zero-Vo

10、ltage-Transition PWM ConverterZVT采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的。 零轉(zhuǎn)換PWMa）零電壓轉(zhuǎn)換PWM）；PWM 電路（Zero-Curre nt Tran sition PWM Con verier ZVTb）零電流轉(zhuǎn)換PWM ）。兩電路的基本單元接線如下圖所示:VDSVDN ZSVDa)b)圖2.3零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本單元特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。3典型的軟開關(guān)電路3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路3.1.1原理分析零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振

11、電路是一種結(jié)構(gòu)較為簡單的軟開關(guān)電路，容易分析和理解。以降壓型電路為例，分析其工作原理，電路原理如圖3.1所示，電路工作時(shí)理想化的波形如圖3.2所示，在分析過程中假設(shè)電感和電容很大，可以等效 為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。LrmVD圖3.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路理想化波形f叫圖3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖工作原理：時(shí)段：時(shí)刻之前，開關(guān)S為通態(tài)，時(shí)刻，S關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容的關(guān)斷損耗減小。S關(guān)斷后，VD尚未導(dǎo)通，電感 可以等效為電流源。線性上升，同時(shí)VD兩端電壓二極管VD為斷態(tài)，使S關(guān)斷后電壓上升減緩，因此 S 向充電，由于L很大， 逐漸下降，直到時(shí)刻，=0，VD導(dǎo)通。這一時(shí)段的上升率:

12、時(shí)段： 時(shí)刻二極管VD導(dǎo)通， 成諧振回路。諧振過程中， 對(duì) 充電， 刻， 下降到零， 達(dá)到諧振峰值。時(shí)段：時(shí)刻后，向放電，刻，這時(shí)兩端電壓為零，電感L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形不斷上升，不斷下降，直到t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后， 對(duì) 反向充電, tl到t4時(shí)段電路諧振過程的方程為：改變方向，不斷下降，直到達(dá)到反向諧振峰值。繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻t3時(shí)=00線性衰減，直t4t5時(shí)段：VDs導(dǎo)通，被箝位于零，兩端電壓為到t5時(shí)刻，=0o由于這一時(shí)段S兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開關(guān)S開通，才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。,VD關(guān)斷。t5t6時(shí)段：S為通態(tài)，線性上升，直到t6時(shí)刻，t4到t6時(shí)段電流

13、 的變化率為:t6to時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。3.1.2諧振過程定量分析求解式（7-2）可得 （即開關(guān)S的電壓 ）的表達(dá)式:的諧振峰值表達(dá)式（即開關(guān)S承受的峰值電壓）：零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件:缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓的2 倍,增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。這增加了電路的成本，降低了可靠性，時(shí)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的一大缺點(diǎn)。3.2諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)電路應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)（DC-Link八 通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關(guān)的條件下。 原理圖如圖3.5所示，它用一個(gè)輔助開關(guān)S就可以使逆變橋中所有的開關(guān)工作在 零電壓開通

14、的條件下。由于電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)狀 態(tài)是不變的，所以在分析時(shí)可將電路等效為圖3.6,由于同諧振過程相比，感性負(fù)載的電流變化非常緩慢，因此可以將負(fù)載電流是常量，而且忽略電路中的損耗。 其理想化波形如圖3.7所示。1小J圖3.5諧振直流環(huán)電路原理圖由圖3.6分析電路的工作過程toti時(shí)段：to時(shí)刻之前，電感 的電流 大于負(fù)載電流 to時(shí)刻S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。因?yàn)?，因?對(duì)直到ti時(shí)刻，。tlt2時(shí)段：tl時(shí)刻，由于， 兩端電壓差為零，峰值。tl時(shí)刻以后，繼續(xù)向 充電并不斷減小，而刻，達(dá)到諧振峰值。，開關(guān)S處于通態(tài)；充電， 不斷升高,因此諧振電流達(dá)到進(jìn)一

15、步升高，直到t2時(shí)s2k Z圖3.6諧振直流環(huán)電路的等效電路圖3.7諧振直流環(huán)電路的理想化波形向和L放電，降低，到零后反向，繼續(xù)向放 t3時(shí)刻0達(dá)到反向諧振峰值，然后開始衰減，=0, S的反并聯(lián)二極管VDs導(dǎo)通，被箝位于零。電流線性上升，直到to時(shí)刻，S再次關(guān)斷。Sl和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4S打 Csis汕 C；S3VDt2t3時(shí)段： 時(shí)刻以后， 電，反向增加，直到t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻，續(xù)下降，t4時(shí)刻，：t4to時(shí)段：S導(dǎo)通，缺點(diǎn)：電壓諧振峰值很高，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路同硬開關(guān)全橋電路相比，并沒有增加輔助開關(guān)等元件僅增加了一個(gè)諧振電感，

16、 就使四個(gè)開關(guān)均為零電壓開通，它的電路結(jié)構(gòu)如圖3.8所示；移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)：1） 在開關(guān)周期Ts內(nèi)，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于 Ts/2,而關(guān)斷時(shí)間都略大 于 Ts/2；2）同一半橋中兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通 都要經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間；3）互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)S1-S4和S2-S3, Si的波形比S4超前0Ts/2時(shí)間，而 S2的波形比S3超前0Ts/2時(shí)間，因此稱 為滯后的橋臂。S4圖3.8移相全橋零電壓開關(guān) PWM電路 在分析過程中假設(shè)開關(guān)器件都是理想的，并忽略電路中的損耗 工作過程：toti時(shí)段：在這時(shí)段中Si與S4導(dǎo)通，直到ti時(shí)刻Si關(guān)斷。tit2時(shí)段

17、：ti時(shí)刻開關(guān)Si關(guān)斷后，電容Ci、C2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路， 諧振開始時(shí)，,在諧振過程中 不斷下降，直到=0，VDS2導(dǎo)通，電流 通過VDS2續(xù)流。t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻開關(guān)S2開通，由于此時(shí)其反并聯(lián)二極管 VD S2正處于導(dǎo)通 狀態(tài)，因此S2為零電壓開通。開通過程中不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗， S2開通后電路狀 態(tài)也不會(huì)改變，繼續(xù)保持到 時(shí)刻S4關(guān)斷。t3t4時(shí)段：t4時(shí)刻開關(guān)S4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè) VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通，變 壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零，相當(dāng)于短路，因此C3、C4與Lr構(gòu)成諧振回路。 Lr的電流不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，直到S3的反并聯(lián)二極管VDs3導(dǎo)通。這 種狀態(tài)維持

18、到t4時(shí)刻S3開通。因此S3為零電壓開通。t4t5時(shí)段：S3開通后，Lr的電流繼續(xù)減小。下降到零后反向增大，t5時(shí)，變壓器二次側(cè)VD1的電流下降到零而關(guān)斷，電流II全部轉(zhuǎn)移到VD2中。Q 53WasOVD2fOa/O叫】/O%OOvDlO 亠O % +OLt圖3.9移相全橋電路的理想化波形4仿真設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)仿真模型及參數(shù)，并進(jìn)行分析，得到合理的波形。前面已經(jīng)介紹過零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，下面再介紹一下HhLrmS一 叫T U.圖4.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖4、我所學(xué)到的任何有價(jià)值的知識(shí)都是由自學(xué)中得來的。一一達(dá)爾文選取參數(shù)：輸入直流電源為1)20V;2)諧振電容；諧振電感3)諧振頻率為500KHZ4)濾波電容C=10在matlab中畫出仿真模型，濾波電感L=0.15mH,開關(guān)頻率為225 KHZ讀書的好處1、行萬里路，讀萬卷書2、書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟3、讀書破萬卷，下筆如有神。5、少壯不努力，老大徒悲傷20、讀書給人以快樂、給人以