電力電子基礎8

1、電力電子基礎電力電子基礎 Fundamental Power Electronics 第八講 諧振軟開關技術(shù)東南大學電氣工程學院2010年- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)2諧振軟開關電路諧振軟開關電路n引言n軟開關的基本概念n軟開關電路的分類n典型的軟開關電路n小結(jié)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)31.引言引言n單純提高開關頻率使電力電子裝置高頻化n濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化n開關損耗增加，效率下降，頻率提高受限n電磁干擾增大，電磁兼容變差n軟開關技術(shù)n降低開關損耗和開關噪聲n進一步提高開關頻率- -電力電子技術(shù)

2、電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)42.軟開關的基本概念軟開關的基本概念硬開關：硬開關：n 開關過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。n 電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過沖，導致開關噪聲。t0a）硬開關的開通過程b）硬開關的關斷過程硬開關的開關過程uiP0uituuiiP00- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)5軟開關的基本概念軟開關的基本概念軟開關：軟開關：n 在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。n 降低開關損耗和開關噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開關的開通過程b）軟開關的關斷過程軟開關的開關

3、過程- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)6軟開關的基本概念軟開關的基本概念n 零電壓開通零電壓開通：開關開通開通前其兩端電壓電壓為零開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。n 零電流關斷零電流關斷：開關關斷關斷前其電流電流為零關斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。n 零電壓關斷零電壓關斷：與開關并聯(lián)并聯(lián)的電容電容能延緩開關關斷后電壓上升的速率，從而降低關斷損耗。n 零電流開通零電流開通：與開關串聯(lián)串聯(lián)的電感電感能延緩開關開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。n 當不指出是開通或是關斷，僅稱零電壓開關零電壓開關和零電流零電流開關開關?？侩娐分械闹C振來實現(xiàn)。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講

4、諧振軟開關技術(shù)7軟開關電路的分類軟開關電路的分類n 根據(jù)開關元件開通和關斷時電壓電流狀態(tài)，分為零電零電壓電路壓電路和零電流電路零電流電路兩大類。n 根據(jù)軟開關技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關電路分成準準諧振電路諧振電路、零開關零開關PWM電路電路和零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM電路電路。n 每一種軟開關電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從基本開關單元基本開關單元導出具體電路。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)8軟開關電路的分類軟開關電路的分類基本開關單元的概念a）基本開關單元b）降壓斬波器中的基本開關單元c）升壓斬波器中的基本開關單元d）升降壓斬波器中的基本開關單元- -電力電

5、子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)9軟開關電路的分類軟開關電路的分類三類軟開關電路三類軟開關電路1. 1. 準諧振電路準諧振電路準諧振電路準諧振電路準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準諧振。是最早出現(xiàn)的軟開關電路。n 特點特點：n 諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；n 諧振電流有效值很大，電路中存在大量無功功率的交換，電路導通損耗加大；n 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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)10軟開關電路的分類軟開關電

6、路的分類準諧振電路準諧振電路n 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(Resonant DC Link）。準諧振電路的基本開關單元c)零電壓開關多諧振電路的基本開關單元n電壓開關多諧振電路 (Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)零電流開關準諧振電路的基本開關單元n零電流開關準諧振電路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） a)零電壓開關準諧振電路的基本開關單元n零電壓開關準諧振電路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Reson

7、ant ConverterZVS QRC）- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)11軟開關電路的分類軟開關電路的分類2.2.零開關零開關PWMPWM電路電路 n 引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關過程前后。n 零開關PWM電路可以分為：n 零電壓開關PWM電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）n 零電流開關PWM電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）n 特點：n 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狀態(tài)。n 電路中無功功率

8、的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進一步提高。b)零電流開關PWM電路的基本開關單元零開關零開關PWMPWM電路的基本開關單元電路的基本開關單元a)零電壓開關PWM電路的基本開關單元- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)12軟開關電路的分類軟開關電路的分類b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關單元零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關單元3.3.零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路 n 采用輔助開關控制諧振的開始時刻，但諧振電路是與主開關并聯(lián)的。n 零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為：n 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-Transition PW

9、M ConverterZVT PWM）n 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）n 特點：n 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狀態(tài)。n 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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)133.典型的軟開關電路典型的軟開關電路n零電壓開關準諧振電路n諧振直流環(huán)n移相全橋型零電壓開關PWM電路n零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)14零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路降壓型降壓型

10、 ZVSQRC階段階段01()tt階段階段12()tt23()tt階段階段34()tt階段階段- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)15零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路工作原理工作原理n t0t1時段：t0之前開關S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL ，t0時刻S關斷，與其并聯(lián)的電容Cr使S關斷后電壓上升減緩，因此S的關斷損耗減小。S關斷后，VD尚未導通。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，uVD=0，VD導通。n t1t2時段：t1時刻二極管VD導通，電感L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路

11、。t2時刻，iLr下降到零，uCr達到諧振峰值。105SS (uC r)iSiLruVDt0t t2t3t4t6tttttttOOOOO零電壓開關準諧振電路的理想波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)16零電壓開關準諧振電路零電壓開關準諧振電路n 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。n 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。n 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

12、損耗。n t5t6時段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL，VD關斷。n t6t0時段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。n 電路的缺點電路的缺點：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，增加了對開關器件耐壓的要求。105SS (uC r)iSiLruVDt0t t2t3t4t6tttttttOOOOO零電壓開關準諧振電路的理想波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)17零電流開關準諧振電路零電流開關準諧振電路階段階段01()tt階段階段12()tt23()tt階段階段34()tt階段階段- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)18諧振直流環(huán)諧振直流

13、環(huán)基本思想基本思想：n 在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使直流母線電壓高頻振蕩，出現(xiàn)電壓過零時刻，為逆變電路功率器件提供了實現(xiàn)軟開關的條件。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)19諧振直流環(huán)節(jié)諧振直流環(huán)節(jié)特點：特點：n 逆變器直流母線電壓不再平直。n 逆變器的功率開關器件應安排在過零時刻進行開關狀態(tài)切換，實現(xiàn)零電壓軟開關操作。n 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狀態(tài)是不變的，因此分析時可將電路等效。n 直流環(huán)節(jié)諧振電壓峰值很高，增加了對開關器件的耐壓要求。等效電路諧振電路- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)20諧振直流環(huán)節(jié)諧振直

14、流環(huán)節(jié)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO諧振直流環(huán)電路的理想化波形 諧振直流環(huán)電路的等效電路 工作原理工作原理n t 0t1時段：t0時刻之前，開關S處于通態(tài)，iLrIL。t0時刻S關斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對Cr充電，t1時刻，uCr=Ui。n t1t2時段：t1時刻，諧振電流iLr達到峰值。 t1時刻以后，iLr繼續(xù)向Cr充電，直到t2時刻iLr=IL，uCr達到諧振峰值。n 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。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)21諧振直流環(huán)節(jié)諧振直流環(huán)節(jié)n t3t4時段：t

15、3時刻，iLr達到反向諧振峰值，開始衰減，uCr繼續(xù)下降， t4時刻，uCr=0，S的反并聯(lián)二極管VDS導通，uCr被箝位于零。n t4t0時段：S導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關斷。n 電壓諧振峰值很高，增加了對開關器件耐壓耐壓的要求。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO諧振直流環(huán)電路的理想化波形 諧振直流環(huán)電路的等效電路 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)22移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWM電路電路n移相全橋電路是目前應用最廣泛的軟開關電路之一，它的特點特點是電路簡單。同硬開關全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，就使四

16、個開關均為零電壓開通。移相全橋零電壓開關PWM電路- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)23移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWM電路電路電路控制方式的特點電路控制方式的特點：n 在開關周期TS內(nèi)，每個開關導通時間都略小于TS/2，而關斷時間都略大于TS/2；n 同一半橋中兩個開關不同時處于通態(tài)，每個開關關斷到另一個開關開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間。n 互為對角的兩對開關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。S1S3S4S2uABuLriLruT1uR

17、iVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形移相全橋電路的理想化波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)24移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWM電路電路移相全橋電路在t0t1階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形 工作過程：工作過程：n t0t1時段：S1與S4導通，直到t1時刻S1關斷。n t1t2時

18、段：t1時刻開關S1關斷后，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導通，電流iLr通過VDS2續(xù)流。n t2t3時段：t2時刻開關S2開通，由于此時其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導通狀態(tài)，因此S2為零電壓開通。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)25移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWM電路電路n t3t4時段：t3時刻開關 S4關斷后，變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時導通，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零，相當于短路，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

19、導通。這種狀態(tài)維持到t4時刻S3開通。因此S3為零電壓開通。移相全橋電路在t3t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)26移相全橋型零電壓開關移相全橋型零電壓開關PWM電路電路n 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斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。n t0t5是開關周期的一半

20、，另一半工作過程完全對稱。移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)27零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路工作過程：工作過程：n輔助開關S1超前于主開關S開通，S開通后S1關斷。n t0t1時段：，S1導通，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，關斷。SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路及波形LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSRn 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第八講 諧振軟開關技術(shù)28零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路n t1t2時段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，Lr的電流增