軟開關(guān)技術(shù)講解(共12頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上軟開關(guān)技術(shù)綜述摘要 軟開關(guān)技術(shù)是利用在零電壓、零電流條件下控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲因而在電力電子裝置中得到廣泛應(yīng)用。本文在講述軟開關(guān)技術(shù)的原理及分類的基礎(chǔ)上，主要回顧了軟開關(guān)技術(shù)的由來和發(fā)展歷程，以及發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞： 軟開關(guān)技術(shù) 原理 發(fā)展歷程 發(fā)展趨勢一引言：根據(jù)開關(guān)元件的工作狀態(tài)，可以把開關(guān)分成硬開關(guān)和軟開關(guān)兩類。硬開關(guān)是指開關(guān)元件在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，流過器件的電流和元件兩端的電壓在同時變化；軟開關(guān)是指開關(guān)元件在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，電壓或電流之一先保持為零，一個量變化到正常值后，另一個量才開始變化直至導(dǎo)通或關(guān)斷

2、過程結(jié)束。由于硬開關(guān)過程中會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降，阻礙了開關(guān)頻率的提高；開關(guān)噪聲給電路帶來了嚴重的電磁干擾問題，影響周邊電子設(shè)備的正常工作。為了降低開關(guān)的損耗和提高開關(guān)頻率，軟開關(guān)的應(yīng)用越來越多。電力電子裝置中磁性元件的體積和重量占很大比例，從電機學(xué)相關(guān)知識知道，使變壓器、電力電子裝置小型化、輕量化的途徑是電路的高頻化。但是, 傳統(tǒng)的開關(guān)器件工作在硬開關(guān)狀態(tài)，在提高開關(guān)頻率的同時，開關(guān)損耗和電磁干擾也隨之增加。所以，簡單地提高開關(guān)頻率顯然是不行的。軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一, 它應(yīng)用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流

3、(或電壓) 按正弦或準正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時, 使器件關(guān)斷(或電壓為零時, 使器件開通) , 從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題, 而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI 等問題。當(dāng)開關(guān)頻率增大到兆赫茲級范圍, 被抑制的或低頻時可忽視的開關(guān)應(yīng)力和噪聲, 將變得難以接受。諧振變換器雖能為開關(guān)提供零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)狀態(tài), 但工作中會產(chǎn)生較大的循環(huán)能量, 使導(dǎo)電損耗增大。為了在不增大循環(huán)能量的同時, 建立開關(guān)的軟開關(guān)條件, 發(fā)展了許多軟開關(guān)PWM技術(shù)。它們使用某種形式的諧振軟化開關(guān)轉(zhuǎn)換過程,開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后又恢復(fù)到常規(guī)的

4、PWM工作方式,但它的諧振電感串聯(lián)在主電路內(nèi), 因此零開關(guān)條件與電源電壓、負載電流的變化范圍有關(guān), 在輕載下有可能失去零開關(guān)條件。為了改善零開關(guān)條件, 人們將諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)在主開關(guān)管上, 從而發(fā)展成零轉(zhuǎn)換PWM 軟開關(guān)變換器, 它既克服了硬開關(guān)PWM技術(shù)和諧振軟開關(guān)技術(shù)的缺點, 又綜合了它們的優(yōu)點。目前無源無損緩沖電路將成為實現(xiàn)軟開關(guān)的重要技術(shù)之一, 在直流開關(guān)電源中也得到了廣泛的應(yīng)用。二軟開關(guān)的簡介：1軟開關(guān)的原理：所謂“軟開關(guān)”是與“硬開關(guān)”相對應(yīng)的。硬開關(guān)是在控制電路的開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流的變化劇烈，產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和噪聲，開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降；開關(guān)噪

5、聲給電路帶來嚴重的電磁干擾，影響周邊電子設(shè)備的工作。軟開關(guān)是在硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)上，增加了小電感、電容等諧振器件， 構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程前后引入諧振過程，開關(guān)在其兩端的電壓為零時導(dǎo)通；或使流過開關(guān)的電流為零時關(guān)斷，使開關(guān)條件得以改善， 降低傳統(tǒng)硬開關(guān)的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，從而提高了電路的效率。 軟開關(guān)包括軟開通和軟關(guān)斷。理想的軟開通過程是：電壓先下降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值， 所以開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲，軟開通的開關(guān)稱之為零電壓開關(guān)。理想的軟關(guān)斷過程是：電流先下降到零后，電壓再緩慢上升到通態(tài)值，所以關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲，軟關(guān)斷的開關(guān)稱之為零電流開關(guān)。硬開關(guān)、軟開關(guān)的開關(guān)過程如

6、下圖：圖2-1：硬開關(guān)的開關(guān)過程圖2-2：軟開關(guān)的開關(guān)過程2軟開關(guān)的分類：根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時電壓電流狀態(tài)，可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)電路分成準諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。零電壓開關(guān)：零電壓開通：開關(guān)開通前其兩端電壓為零開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。零電壓關(guān)斷：與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。零電流開關(guān)：零電流關(guān)斷：開關(guān)關(guān)斷前其電流為零關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流開通：與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。準諧振電路：準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為

7、準諧振。是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路。其電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；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；諧振周期隨輸入電壓、負載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來控制。準諧振電路可分類為零電壓開關(guān)準諧振電路、零電流開關(guān)準諧振電路、電壓開關(guān)多諧振電路、用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路。其拓撲圖如下： 零電壓開關(guān)準諧振電路的基本開關(guān)單元 零電流開關(guān)準諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元零開關(guān)PWM電路：引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。其電路在很

8、寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負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一步提高。零開關(guān)PWM電路可分類為零電壓開關(guān)PWM電路、零電流開關(guān)PWM電路。其拓撲圖如下： 零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元 零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零轉(zhuǎn)換PWM電路：采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻，但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的。其特點為電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負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一步提高。零轉(zhuǎn)換PWM電路可分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路、零電流轉(zhuǎn)換PWM電路。其拓撲如如下： 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)

9、單元 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元3幾種典型的軟開關(guān)電路：零電壓開關(guān)準諧振電路：以降壓型為例分析工作原理。假設(shè)電感L和電容C很大，可等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。圖2-3：零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖其工作過程：選擇開關(guān)S關(guān)斷時刻為分析的起點。t0t1時段：t0之前，開關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，UCr=0，iLr=IL ，t0時刻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， UCr線性上升，同時VD兩端電壓UVD逐漸下降，直到t1時刻，UVD=0，VD導(dǎo)通。這一時段UCr的上升率：。t1t2時段：t

10、1時刻二極管VD導(dǎo)通，電感L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路。t2時刻，iLr下降到零，UCr達到諧振峰值。t2t3時段：t2時刻后，Cr向Lr放電，直到t3時刻，UCr=Ui，iLr達到反向諧振峰值。t3t4時段：t3時刻以后，Lr向Cr反向充電，UCr繼續(xù)下降，直到t4時刻UCr=0。t4t5時段：UCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時刻，iLr=0。由于此時開關(guān)S兩端電壓為零，所以必須在此時開通S，才不會產(chǎn)生開通損耗。t5t6時段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。t6t0時段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。圖2-4：零電壓開關(guān)準諧振電路的理想波形零

11、電壓開關(guān)準諧振電路的缺點是諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。 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。由于電壓型逆變器的負載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時可將電路等效為如圖2-5所示電路。圖2-5：諧振直流環(huán)電路原理圖圖2-6：諧振直流環(huán)電路的等效電路其工作過程：t2t3時段：UCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時刻UCr=Ui。t3t4時段：t3時刻，iLr達到反向諧振峰值，開始衰減，U

12、Cr繼續(xù)下降，t4時刻，UCr=0，S的反并聯(lián)二極管VDS導(dǎo)通，UCr被箝位于零。t4t0時段：S導(dǎo)通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關(guān)斷。圖2-7：諧振直流環(huán)電路的理想化波形 諧振直流環(huán)電壓諧振峰值很高，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路：移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點是電路簡單。同硬開關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，就使四個開關(guān)均為零電壓開通?；閷堑膬蓪﹂_關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2時間，而S2的波形比S3超前0TS/2時間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。圖2-8：移

13、相全橋零電壓開關(guān)PWM電路其工作過程：互為對角的兩對開關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2時間，而S2的波形比S3超前0TS/2時間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。t0t1時段：S1與S4導(dǎo)通，直到t1時刻S1關(guān)斷。t1t2時段：t1時刻開關(guān)S1關(guān)斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路， UA不斷下降，直到UA=0，VDS2導(dǎo)通，電流iLr通過VDS2續(xù)流。t2t3時段：t2時刻開關(guān)S2開通，由于此時其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此S2為零電壓開通。t3t4時段：t3時刻開關(guān) S4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時導(dǎo)通，

14、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Cs3、Cs4與Lr構(gòu)成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點電壓不斷上升，直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導(dǎo)通。這種狀態(tài)維持到t4時刻S3開通。因此S3為零電壓開通。t4t5時段：S3開通后，Lr的電流繼續(xù)減小。iLr下降到零后反向增大，t5時刻iLr=IL/kT，變壓器二次側(cè)VD1的電流下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。t0t5是開關(guān)周期的一半，另一半工作過程完全對稱。圖2-9：移相全橋電路的理想化波形零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路：零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點。圖2-10：升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖其工作過程：輔助開關(guān)S

15、1超前于主開關(guān)S開通，S開通后S1關(guān)斷。 t0t1時段：S1導(dǎo)通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線性增長， VD中的電流以同樣的速率下降。t1時刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，關(guān)斷。t1t2時段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時刻UCr=0， VDS導(dǎo)通，UCr被箝位于零，而電流iLr保持不變。 t2t3時段：UCr被箝位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時刻S開通、S1關(guān)斷。t3t4時段：t3時刻S開通時，為零電壓開通。S開通的同時S1關(guān)斷，Lr中的能量通過VD1向負載側(cè)輸送，其電流線性下降，主開關(guān)S中的電流線性上升。t

16、4時刻iLr=0，VD1關(guān)斷，主開關(guān)S中的電流iS=IL，電路進入正常導(dǎo)通狀態(tài)。t4t5時段：t5時刻S關(guān)斷。Cr限制了S電壓的上升率，降低了S的關(guān)斷損耗。圖2-11：升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形三軟開關(guān)的發(fā)展由來、現(xiàn)狀、未來趨勢自上世紀70年代以來，國內(nèi)外電力電子和電源技術(shù)領(lǐng)域不斷研制開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)，到目前為止，已提出了多種不同的軟開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)，實際應(yīng)用也取得了一系列成功。最先出現(xiàn)的軟開關(guān)的電路是零電壓零電流準諧振電路拓撲結(jié)構(gòu)，20 世紀70 年代末 80 年代初準諧振技術(shù)得到廣泛關(guān)注, 因為它能夠通過諧振來整定電壓和電流的波形, 使大電壓和大電流不能同時出現(xiàn),這樣就大大減少了

17、開關(guān)應(yīng)力和功率損耗。但是它也存在自身的缺點:諧振使電壓峰值很高, 要求其大的所用的器件耐壓性能好；電流的有效值很大, 另外,它要求對脈沖頻率調(diào)制, 變化的頻率為電路設(shè)計造成了困難。軟開關(guān)技術(shù)先后經(jīng)歷了串聯(lián)或并聯(lián)諧振技術(shù)（20世紀70年代）、準諧振或多諧振技術(shù)（20世紀80年代中期）、ZCS-PWM 或ZVS-PWM技術(shù)（20世紀80年代末期）、移相全橋ZVS-PWM技術(shù)（20世紀 80年代末期）、ZCT-PWM 或ZVT-PWM技術(shù)（20世紀90年代初期）、全橋移相ZVZCS-PWM技術(shù)（20世紀90年代中期）等發(fā)展階段。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,目前對電力電子裝置的要求愈加趨向于小型化, 輕量

18、化,并希望能提高開關(guān)頻率,但是目前開關(guān)器件的頻率已接近于極限,并且隨著頻率的提高又帶來了噪聲污染、 電磁干擾、開關(guān)應(yīng)力、 開關(guān)損耗等一系列問題。目前的研究仍是針對解決上述問題而進行的, 最近的研究成果包括新型電路結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和應(yīng)用范圍的不斷擴大等。Chien- ming Wang提出了一種新型的功率因數(shù)校正器。這種功率因數(shù)校正器采用傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制,軟換相技術(shù)及瞬時平均線電流控制方法。他設(shè)計了一種新的零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制(ZVS- PWM)輔助電路,可實現(xiàn)主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電壓開關(guān), 輔助開關(guān)實現(xiàn)零電流開關(guān), 其主開關(guān)軟換相時電流應(yīng)力小,傳輸損耗小。H1Ogiwara, M1Itoi 和M1Nak

19、aoka 設(shè)計出一種新型的單端推挽式軟開關(guān)高頻逆變器,該逆變器應(yīng)用于高頻感應(yīng)加熱裝置。這一新模型是在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上加上諧振電路。這樣可實現(xiàn)軟開關(guān)并且在對稱的PWM輔助電路下能在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出功率,其工作頻率固定為20kHz,用在家用加熱電器中具有很好的安全性和高效性。C1M1Wang, H1J1Chiu和D1R1Chen提出了一種新型的零電流 PWM 開關(guān)單元, 這種開關(guān)單元可以使主開關(guān)和輔助開關(guān)都能在零電流時開通和關(guān)斷。這種變換器的優(yōu)點是：工作于固定頻率,減少了換相損耗,只采用了一個諧振電感使電路的結(jié)構(gòu)簡單且電流應(yīng)力小,它適用于采用IGBT的大功率場合。如今,軟開關(guān)變換器都應(yīng)用了諧振

20、原理, 在電路中并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò), 勢必產(chǎn)生諧振損耗, 并使電路受到固有問題的影響。為此, 人們提出了組合軟開關(guān)功率變換器的理論。組合軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合了無損耗吸收技術(shù)與諧振式零電壓技術(shù)、 零電流技術(shù)的優(yōu)點,電路中既可以存在零電壓開通, 也可以存在零電流關(guān)斷, 同時既可以包含零電流開通, 也可以包含零電壓關(guān)斷, 是這4種狀態(tài)的任意組合。目前，軟開關(guān)技術(shù)的進展主要在小功率開關(guān)電源領(lǐng)域，對于中大功率電源，特別是焊接電源，由于工作環(huán)境惡劣，器件容量及可靠性等方面的原因，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用還比較少。但從長遠觀點來看，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到逆變焊接電源中是焊接電源的發(fā)展方向。目前已研制出產(chǎn)品，如雙 IGBT 管正激零電壓轉(zhuǎn)換-脈寬調(diào)制（ZVT-PWM）軟開關(guān)焊接電源，輸出 20 kW,500A,開關(guān)頻率