軟開關(guān)電路研究與仿真

1、學(xué) 號(hào)： 0121011350435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(shuō)明書不少于5000字，參

2、考文獻(xiàn)不少于5篇，畫出電路圖，仿真模型，給出仿真波形并分析。拓展訓(xùn)練說(shuō)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(guó)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：2013.7.3 2013.7.4 收集拓展訓(xùn)練相關(guān)資料2013.7.5 2013.7.7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真2013.7.8 2013.7.9 撰寫論文及答辯指導(dǎo)教師簽名： 2013 年 7 月 2 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要軟開關(guān)技術(shù)是近年來(lái)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)

3、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)行分析，了解工作過(guò)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(guò)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(guò)沖，導(dǎo)致開關(guān)噪音，這樣的開關(guān)過(guò)程成為硬開關(guān)，主要的開關(guān)過(guò)程為硬開關(guān)的電路成為硬開關(guān)電路。它的開關(guān)過(guò)程如圖1.1所示。 a)硬開關(guān)的開通過(guò)程 b）硬開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖1.1硬開關(guān)的開關(guān)過(guò)程總結(jié)起來(lái)

4、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(guò)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)管在此期間內(nèi)的開通動(dòng)作，易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈

5、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(lái)越顯著，這時(shí)必須采用軟開關(guān)技術(shù)來(lái)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，這種方式系指負(fù)載的切斷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(guò)程，逐漸地由大到小完成切斷過(guò)程。軟開關(guān)硬開關(guān)電路中加入了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除

6、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(guò)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(wèn)題。理想的軟開通過(guò)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(wèn)題。同時(shí)，開通時(shí)，二極管反向恢復(fù)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，因此二極管方向恢復(fù)問(wèn)題不存在。軟開關(guān)的開關(guān)過(guò)程如圖1.2所示。 a)軟開關(guān)的開通過(guò)程 b）軟開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖1.2 軟開關(guān)的開關(guān)過(guò)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)

7、。 使開關(guān)開通前其兩端電壓為零，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(guò)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(lái)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、零開關(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

8、流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。為最早出現(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（ZVS QRC）b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（ZCS QRC）；c)零電壓開關(guān)多諧振電路（ZVS MRC）；用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)圖2.1 對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)諧振電路基本單元特點(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(wú)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（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來(lái)控制。2）零開關(guān)PWM電路引入了輔助開關(guān)來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)

9、程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為：a)零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）；b)零電流開關(guān)PWM電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）。兩電路的基本單元接線如下圖所示圖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PWM電路可以分為：a)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-V

10、oltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）；b)零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）。兩電路的基本單元接線如下圖所示：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(wú)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)諧振電路是一種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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

11、作時(shí)理想化的波形如圖3.2所示，在分析過(guò)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。圖3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖 圖3.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路理想化波形 工作原理：t0t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0， iLr=IL; t0時(shí)刻, S關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，因此S的關(guān)斷損耗減小。S關(guān)斷后，VD尚未導(dǎo)通， 電感Lr+L向Cr充電，由于L很大，可以等效為電流源。uCr線性上升，同時(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，uVD =0，VD導(dǎo)通。這一時(shí)段uCr的上升率：duCrdt=ILCr 。 t1t2時(shí)

12、段：t1時(shí)刻二極管VD導(dǎo)通，電感L通過(guò)VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路。諧振過(guò)程中，Lr對(duì)Cr充電，uCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。 t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，這時(shí)Lr兩端電壓為零，iLr達(dá)到反向諧振峰值。t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后，Lr對(duì)Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻uCr=0。t1到t4時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為：LrdiLrdt+UCr=UiCrduCrdt=iLrUCr|t=t1=Ui,iLr|t=t1=IL,tt1,t4 t4t5時(shí)段：VDS導(dǎo)

13、通，UCr被箝位于零，Lr兩端電壓為Ui，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr =0。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。 t5t6時(shí)段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr =IL，VD關(guān)斷。t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為：diLrdt=UiLr t6t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。3.1.2諧振過(guò)程定量分析求解式（7-2）可得UCr（即開關(guān)S的電壓US）的表達(dá)式： UCrt=LrCrILsinrt-t1+Ui,r=1LrCr,t=t1,t4 UCr的諧振峰值表達(dá)式（即開關(guān)S承受的峰值電壓）：UP=LrCrIL+Ui,零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振

14、電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件：LrCrILUi 缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui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）。通過(guò)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(guò)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(guò)程相比，感性負(fù)載的電流變化非常緩慢

15、，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。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(guò)程t0t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，電感Lr的電流iLr大于負(fù)載電流IL，開關(guān)S處于通態(tài)；t0時(shí)刻S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。因?yàn)閕Lr>IL,因此iLr對(duì)Cr充電，UCr不斷升高，直到t1時(shí)刻， UCr=Ui。t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻,由于UCr=Ui，Lr兩端電壓差為零，因此諧振電流iLr達(dá)到峰值。t1時(shí)刻以后，iLr繼續(xù)向Cr充電并不斷減小，而UCr進(jìn)一步升高，直到t2時(shí)刻iLr=IL，UCr達(dá)到諧振峰值。 圖 3.6 諧振直流環(huán)電路的等效電路圖 3.7 諧振

16、直流環(huán)電路的理想化波形t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻以后，UCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，Cr繼續(xù)向Lr放電，iLr反向增加，直到t3時(shí)刻UCr=Ui。t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻，UCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振峰值，然后開始衰減，UCr繼續(xù)下降，t4時(shí)刻，UCr =0，S的反并聯(lián)二極管VDS導(dǎo)通，UCr被箝位于零。t4t0時(shí)段：S導(dǎo)通，iLr電流線性上升，直到t0時(shí)刻，S再次關(guān)斷。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(méi)有增加輔助開關(guān)等元件僅增加了一個(gè)諧振電感，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；

17、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(guò)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，S1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S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。圖 3.8 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路在分析過(guò)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(guò)程：t0t1時(shí)段：在這時(shí)段中S1與S4導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻開關(guān)S1關(guān)斷后，電容C1、C2與

18、電感Lr、L構(gòu)成諧振回路，諧振開始時(shí)，UAt1=Ui ,在諧振過(guò)程中UA不斷下降，直到=UA0，VDS2導(dǎo)通，電流iLr通過(guò)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VDS2正處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此S2為零電壓開通。開通過(guò)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t3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。iLr下降到零后反向增大，t