第三講軟開關(guān)型電力變換器(2)

1、3.3 LC諧振零開關(guān)基本特性諧振零開關(guān)基本特性n采用硬開關(guān)時，提高變換器 的開關(guān)頻率fs可改善變換器的特性(如SPWM改善輸出波形)，減小LC濾波器及變壓器的重量和體積。但使硬開關(guān)變換器的開關(guān)損耗成比例的提高。n引入LC緩沖器后軟開關(guān)能降低開關(guān)器件的功耗，但L、C、R的功耗不一定能使整個變換器的效率提高很多。n零開關(guān)技術(shù)可消除開通關(guān)斷損耗，是電力電子變換器高頻化比較理想的技術(shù)。13.3 LC諧振零開關(guān)基本特性諧振零開關(guān)基本特性(續(xù)續(xù)1)開關(guān)過程：開關(guān)過程：開通開通：加入：加入+VG后開關(guān)管從后開關(guān)管從斷態(tài)（斷態(tài)（rT） 通態(tài)（通態(tài)（rT 0 0）的過程的過程關(guān)斷關(guān)斷：無：無VG后開關(guān)管后開關(guān)

2、管從從rT0的通態(tài)的通態(tài) rT的斷態(tài)的過程。的斷態(tài)的過程。iTBLfVD+ VT -AIf = IoCfTDIoVo23.3 LC諧振零開關(guān)基本特性諧振零開關(guān)基本特性(續(xù)續(xù)2)n主電路開關(guān)管處于主電路開關(guān)管處于斷態(tài)時斷態(tài)時，引發(fā)，引發(fā)Lr，Cr諧振使諧振使vT0，再，再加加VG開通開關(guān)管，開通開關(guān)管， rT從從00期間，期間，v vT T0 0，零電壓開通零電壓開通。n主電路處于主電路處于通態(tài)時通態(tài)時引發(fā)引發(fā)Lr，Cr諧振使諧振使iT0，再撤除，再撤除VG關(guān)關(guān)斷開關(guān)管，斷開關(guān)管， rT從從0期間，期間，i iT T0 0，零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷。iTBLfVD+ VT -AIf = IoCfTD

3、IoVoTvTrTiOI1t2t3t4t5t6t7t8t9t10tTvTvDVTvTiTrTvTit態(tài)斷過程開通通態(tài)過程關(guān)斷態(tài)斷圖2.6 零電壓開通、零電流關(guān)斷時圖2.6 零電壓開通、零電流關(guān)斷時33.3 LC諧振零開關(guān)基本特性諧振零開關(guān)基本特性(續(xù)續(xù)3)在在斷態(tài)期斷態(tài)期tt1時時引發(fā)引發(fā)Lr、Cr諧振諧振，t=t2使使vT0后，在后，在t3時加時加VG，rT從從0，在，在vT從從0的開通過程的開通過程中，因中，因vT0，Pon0，tt4建立建立iT時，時，rT已為已為0，Pon0，實現(xiàn)，實現(xiàn)零電零電壓開通壓開通。在在通態(tài)期通態(tài)期tt6時時引發(fā)引發(fā)Lr、Cr諧振，諧振， t=t7使使iT0后，

4、在后，在t8時撤除時撤除+VG，rT從從0的關(guān)斷過程中的關(guān)斷過程中iT0，Poff0，tt9建立建立vT時，時，rT已為已為，iT0，Poff=0，實現(xiàn)，實現(xiàn)零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷。圖8.3 硬開關(guān)、緩沖軟開關(guān)、零電壓開關(guān)軌跡TvTrTiOI1t2t3t4t5t6t7t8t9t10tTvTvDVTvTiTrTvTit態(tài)斷過程開通通態(tài)過程關(guān)斷態(tài)斷圖圖2 2. .6 6 零零電電壓壓開開通通、零零電電流流關(guān)關(guān)斷斷時時TTTriv、4一、零開關(guān)（ZERO-SWITCHING）諧振變換器諧振電感Lr串接在主電路中 1. 零電壓開通ZVS PFM(QRC)：必須IoZrVD,VT2VD 2. 零電壓開通

5、ZVS PWM ：必須IoZrVD,VT2VD 3. 零電流關(guān)斷ZCS PFM(QRC)：必須VD/ZrIo,IT2Io 4. 零電流關(guān)斷 ZCS PWM ：必須VD/ZrIo,IT2Io二、零轉(zhuǎn)換(Zero-Transition)諧振變換器：變換器主電路輸入電流不經(jīng)過諧振電感Lr ，Lr在電路中不參與對負(fù)載通態(tài)供電。 1. 零電流轉(zhuǎn)換：ZCT 2. 零電壓轉(zhuǎn)換：ZVT3.4 諧振零開關(guān)類型諧振零開關(guān)類型5VDD1DT1T2iLLrLfCf+R-VDVLVg1VoD2Vg2CrIoIo+-3.5 ZVS和和ZCS電路電路ZCS-PFMZVS-PWM6ZCS-PWMZVS-PFM3.5.1 零電

6、壓開通脈沖寬度調(diào)制（零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（ZVS PWM）變換器）變換器(1)開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)1 1：t t0 0tttt1 1ttotto：T T1 1、T T2 2都通態(tài)，都通態(tài)，i iT1T1=i=iL L=I=Io o, i, iT2T2=0=0， D D0 0截止截止t=tt=t0 0：關(guān)斷關(guān)斷T T1 1，i iT1T1下降，下降，v vT1T1= =v vcrcr從零上升，從零上升，CrCr使使T T1 1軟關(guān)斷軟關(guān)斷t tt t1 1：i iT T下降到零，下降到零，icic使使CrCr充電，充電，v vcrcrv vT1T1上升到上升到V VD D，i iL L經(jīng)經(jīng)D D2

7、 2、T T2 2續(xù)流，續(xù)流，I I0 0經(jīng)經(jīng)D D0 0續(xù)流，續(xù)流，T T1 1關(guān)斷過程結(jié)束，電路進(jìn)入斷態(tài)，關(guān)斷過程結(jié)束，電路進(jìn)入斷態(tài)，v vo =0=073.5.1 零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（ZVS PWM）變換器（）變換器（2）開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)2 2：t t1 1tttt2 2T T1 1斷態(tài)，斷態(tài)，v vcrcrv vT1T1V VD D，i iL L經(jīng)經(jīng)D D2 2、T T2 2續(xù)流。續(xù)流。IoIo經(jīng)經(jīng)D D0 0續(xù)流。在續(xù)流。在T Toffoff期間輸出電壓斷態(tài)，期間輸出電壓斷態(tài)，v v0 0=0=083.5.1零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（

8、ZVS PWM）變換器（）變換器（3）開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)3：t2tt3t=t2：關(guān)斷關(guān)斷T2時，時，iL ， D0在導(dǎo)電，在導(dǎo)電， vLVT2很小，很小， T2軟關(guān)斷軟關(guān)斷 關(guān)斷關(guān)斷T2，VD、Cr、Lr諧振半個周諧振半個周期到期到t3 t=t3： vcrVT1VD，iL達(dá)到負(fù)最大值達(dá)到負(fù)最大值93.5.1零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（ZVS PWM）變換器（）變換器（4）開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)4：t3tt8 如果如果IoZrVD,則當(dāng)則當(dāng)vT1 vcr0時時iT1仍為負(fù)值。此后負(fù)值仍為負(fù)值。此后負(fù)值iL經(jīng)經(jīng)D1向向VD回送電回送電流，直到流，直到t=t6，在在t4t6期，期，vT1

9、0。若在。若在t5加加VG1開通開通T1，則為零電壓開通。，則為零電壓開通。103.5.1零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（ZVS PWM）變換器（）變換器（5）開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)4：t3tt8tt6：T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，iL0， vcrvT10，T2早已關(guān)斷，此后早已關(guān)斷，此后VD經(jīng)經(jīng)T1、Lr建立建立iT1t=t8：iT1Io，D0截止，完成截止，完成T1開通過程；開通過程；113.5.1零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（零電壓開通脈沖寬度調(diào)制（ZVS PWM）變換器（）變換器（6）開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)5：t8tVVVIoVZrIocrVIoZr2DLrLrCrCrVVV零電壓開通的條件是最小負(fù)

10、載電流：或、最高電壓：為使開通期過渡過程盡量短些，?。簽槭归_通期過渡過程盡量短些，?。?(0.10.05)(0.10.05)/2rrrSrrSTL CTL CT143.5.2零電壓開通準(zhǔn)諧振變換器零電壓開通準(zhǔn)諧振變換器ZVS QRCs D1T1VdiLiTLrDCfARCric+-( a )電路LfIf=Io1. 0tt1 諧振電容充電到Vd 2. t1 tt2 開始諧振過程 3. t2tt3 iL反向， 諧振過程繼續(xù)4. t3tt4 vcr等于零,ZVS5. t4tt5 電源對負(fù)載供電)(cos10ttIirL)(sin10ttZIVvvrrdTcrVgTsVgtttt0000t1t2t3t

11、3t4t4t5iT iDiT iDiD1iT Io( c )iT、iD波形( d )iL波形iLiLiLicIoVdvT=vcIoZr零電壓開通準(zhǔn)諧振BUCK DC/DC( b )驅(qū)動波形( e )vc波形15ZVS的特性VgTsVgtttt0000t1t2t3t3t4t4t5iT iDiT iDiD1iT Io( c )iT、iD波形( d )iL波形iLiLiLicIoVdvT=vcIoZr圖8.8 零電壓開通準(zhǔn)諧振BUCK DC/DC變換器工作原理( b )驅(qū)動波形( e )vc波形零開關(guān)條件：（電壓應(yīng)力大）rdZVI 0Lr、Cr的取值：min021IVfLdrrdrrVIfCmin0

12、21工作方式：PFM開關(guān)頻率將隨著輸出電壓變化而變化。rrrCLZ rrrCLf2116 一、一、ZVS PWMZVS PWM：有輔助開關(guān)管有輔助開關(guān)管T T2 2及及LrLr、CrCr；關(guān)斷輔助開關(guān)管關(guān)斷輔助開關(guān)管T T2 2可可 實現(xiàn)實現(xiàn)T T1 1的零電壓開通的零電壓開通 可實現(xiàn)主開關(guān)可實現(xiàn)主開關(guān)T T1 1及輔助開關(guān)及輔助開關(guān)T T2 2零電壓開通及軟關(guān)斷零電壓開通及軟關(guān)斷 可采用可采用PWMPWM調(diào)壓調(diào)壓二、二、ZVS PFM：無輔助開關(guān)無輔助開關(guān)T2，僅有，僅有Lr、Cr 靠主開關(guān)關(guān)斷引起靠主開關(guān)關(guān)斷引起Lr、Cr諧振造成主開關(guān)管的諧振造成主開關(guān)管的 零電壓開通，只能零電壓開通，只

13、能PFM調(diào)壓調(diào)壓 三、共同點：三、共同點：實現(xiàn)零電壓開通的條件都是：實現(xiàn)零電壓開通的條件都是：IoZrVD， 主開關(guān)管及電容最高電壓都是：主開關(guān)管及電容最高電壓都是：VDIoZr2VDminDIoVrrLC3.5.3 ZVS-PWM和和ZVS-PFM比較比較17開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)： t0- t1tt0時，加時，加VG1，T1軟開通軟開通(因為有因為有 Lr)，iT1，tt1，iT1iLIo，D0斷態(tài)斷態(tài)3.5.4 零電流關(guān)斷脈沖寬度調(diào)制（零電流關(guān)斷脈沖寬度調(diào)制（ZCS PWM）變換器（）變換器（1）圖2.11 ZCSPWM tIo則則iL變負(fù)時（變負(fù)時（iT10） vcr還大于還大于VD，在，在

14、t5時刻撤除時刻撤除VG1，則則T1零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷. T1零電流關(guān)斷條件：零電流關(guān)斷條件：VD/ZrIoi iT1maxT1maxi iLmaxLmaxV VD D/Zr+Io2Io/Zr+Io2Io若若V VD D/ZrIo/Zr2Io3.5.4 零電流關(guān)斷脈沖寬度調(diào)制（零電流關(guān)斷脈沖寬度調(diào)制（ZCS-PWM）變換器（）變換器（7）243.5.5 零電流關(guān)斷ZCSQRCsB( a )電路D1iD1iLT1LrCrVdACfDRLfIf=IoiT1.0tt1 ,T1導(dǎo)電，VAB=0。2. t1tt2 ,iL=iT從Io增加再降為零。3. t2tt3 , iL從零變負(fù)，又回到零。在此期間D

15、1導(dǎo)電，T1斷流且加有1-2伏反壓。(撤驅(qū)動信號，零電流關(guān)斷)4. t3tt4 ，電容Cr經(jīng)Lf繼續(xù)放電至零。5. t4tt5 ,在此期間，續(xù)流二極管D導(dǎo)電，直到t= t5時T1再次被驅(qū)動開通。開始新的諧振過程。 )(sin10ttZVIiirrdLT)-(cos-11ttVvrdcr( b )驅(qū)動波形VGttttiTIo0000t1t1t1t2t2t2t3t3t4t5Vd/ZrvTEFAvcr2Vd( c )iT波形(d) vT波形( e )vcr波形圖8.7 零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振BUCKDC/DC變換器工作原理t4t5VdVDTs253.5.5 ZCS的特性( b )驅(qū)動波形VGttttiTI

16、o0000t1t1t1t2t2t2t3t3t4t5Vd/ZrvTEFAvcr2Vd( c )iT波形(d) vT波形( e )vcr波形圖8.7 零電流關(guān)斷準(zhǔn)諧振BUCKDC/DC變換器工作原理t4t5VdVDTsmax0/ICLVZVrrdrd零開關(guān)條件：（電流應(yīng)力大）rrrrCLf12121Lr、Cr的取值：max021IVfLdrrdrrVIfCmax021工作方式：PFM開關(guān)管承受電流至少是最大負(fù)載電流的2倍26一、一、ZCS PWMZCS PWM：有輔助開關(guān)管有輔助開關(guān)管T T2 2及及LrLr、CrCr； T T2 2開通可實現(xiàn)開通可實現(xiàn)T T1 1零電流零電流 關(guān)斷，可實現(xiàn)主開關(guān)關(guān)斷，可實現(xiàn)主開關(guān)T T1 1及輔助開關(guān)及輔助開關(guān)T T2 2零電流關(guān)斷及零電流關(guān)斷及 軟開關(guān)開通；可采用軟開關(guān)開通；可采用PWMPWM調(diào)壓調(diào)壓二、二、ZCS PFM：無輔助