本科課件開關(guān)電源軟開關(guān)

§1相平面分析法開關(guān)電源中的軟開關(guān)技術(shù)§2軟開關(guān)的意義§3軟開關(guān)簡介§4準諧振變換器§1相平面分析法典型二階電路

——電路中只有電壓源電路方程以及初始條件：令：解此二階方程有：

相平面分析法是分析軟開關(guān)電路工作過程的一種十分有效的方法§1相平面分析法只有電壓源的電路的相平面圖

在以uc為x軸，為y軸的相平面上，電壓、電流的關(guān)系為一個圓,圓心為強迫分量（E，0），通過初始點(uco，0)，半徑為（E-uco）?！?相平面分析法典型二階電路

——電路中只有電流源電路方程以及初始條件：令：解此二階方程有：§1相平面分析法只有電流源的電路的相平面圖是一個半徑為（-）,圓心為強迫分量（0,），通過初始點（0,）的圓。典型二階電路

——電路中電壓源與電流源同時存在電路方程以及初始條件：

令：根據(jù)疊加原理可得：§1相平面分析法電壓源和電流源同時存在的電路的相平面圖

是圓心為強迫分量（E,）,并通過初始點（uco，）的圓。

相平面分析法舉例－電容充電電路

(初始條件為零)T1導通,電源E,T1,L,C形成諧振回路，強迫分量為E,在諧振電流過零時刻，T1關(guān)斷；T2導通，T2,L,C形成諧振回路，強迫分量為零，在諧振電流過零時刻，T2關(guān)斷;T1導通,電源E,T1,L,C形成諧振回路，強迫分量仍為E,在諧振電流過零時刻，T1關(guān)斷;T2導通,電容反復被充電，如果不考慮損耗，電容電壓降趨于無窮大，

總結(jié)：相平面分析法是以電容電壓為為x軸，以電感電流為y軸，分析電路中電壓和電流變化的關(guān)系的一種分析方法。它是分析諧振電路，進而也是分析軟開關(guān)電路工作過程的一種十分有效的方法?！?軟開關(guān)簡介諧振開關(guān)

給開關(guān)器件串聯(lián)電感或者并聯(lián)電容等諧振器件，通過諧振電路的作用，使開關(guān)管導通或關(guān)斷時電壓或電流為零，使得開通損耗或關(guān)斷損耗接近為零。諧振開關(guān)分類：零電流諧振開關(guān)(ZCS)零電壓諧振開關(guān)(ZVS)

諧振開關(guān)原理圖零電流諧振開關(guān)

零電壓諧振開關(guān)

L型M型

M型

L型§3軟開關(guān)簡介軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展過程(按諧振方式來分)序號時間名稱應用170年代串聯(lián)或并聯(lián)諧振技術(shù)半橋或全橋變換器280年代中準諧振（QRC）或者多諧振技術(shù)（MRC）單端或橋式變換器380年代末ZCS－PWM或ZVS－PWM技術(shù)單端或橋式變換器490年代初ZCT－PWM或ZVT－PWM技術(shù)單端或橋式變換器§3軟開關(guān)簡介QRC:quasi-resonantconverterMRC:multi-resonantconverterZCT:zero-current-transitionZVT:zero-voltage-transition§4

準諧振變換器準諧振變換器(QRCs,quasi-resonant-converters):

80年代提出的一類變換器，根據(jù)諧振方式的不同，準諧振變換器可以分為：零電流開關(guān)準諧振變換器（ZCSQRCs）零電壓開關(guān)準諧振變換器（ZVSQRCs）特點：在一個工作周期內(nèi)，諧振元件只在一部分時間內(nèi)參與諧振，而其他時間內(nèi)運行在非諧振狀態(tài)4.1零電流開關(guān)準諧振變換器BuckZCSQRCs工作原理：由于有諧振電感Lr的作用，開關(guān)Tp閉合為開關(guān)管零電流開通；Tp導通后，諧振電感和諧振電容諧振，當Lr中的電流為零時，將開關(guān)Tp斷開，從而實現(xiàn)開關(guān)管的零電流關(guān)斷。Lr4.1零電流開關(guān)準諧振變換器BuckZCSQRCs初始狀態(tài)：Tp關(guān)斷，Io通過二極管D續(xù)流，電容Cr上的電壓為零，電感中電流為零。在t0時刻，Tp導通。LrCr

在t1時刻，iLr上升到負載電流Io，D自然關(guān)斷，開關(guān)狀態(tài)1結(jié)束。根據(jù)式(4.1)可得這個時間段的長度為：

(4.2)(4.1)

LrCr開關(guān)狀態(tài)1[t0,t1]－電感恒壓充電在這一時間段內(nèi)，開關(guān)Tp導通，續(xù)流二極管D繼續(xù)導通，諧振電容Cr上電壓被鉗位為0，電感Lr在E的作用下恒壓充電，iLr線性上升。這一階段在相平面圖中，對應于曲線沿I軸向上。這段時間段內(nèi)有：把初始條件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0代入，可解得：(4.3)LrCr開關(guān)狀態(tài)2[t1,t2]－電感電容諧振在時刻t1，續(xù)流二極管D截止，電感Lr和電容Cr開始諧振，電路進入諧振工作狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0，強迫分量為E，Io，在相平面圖中，曲線是從（0，Io）開始，以（E，Io）為圓心的一段圓弧。此時有：

式中，諧振角頻率，諧振電路的特征阻抗當t=t2時，iLr諧振到零，此時可以將Tp在零電流條件下關(guān)斷，諧振狀態(tài)2結(jié)束。這段時間的長度為：(4.4)(4.5)

開關(guān)狀態(tài)3[t2,t3]－電容恒流放電當t=t2時，Tp零電流關(guān)斷，續(xù)流二極管D仍處在截止狀態(tài)，負載電流通過電容Cr流通，電容Cr處于恒流放電狀態(tài)。在相平面圖上，這段時間對應于u軸上t2到t3的部分。此時有：電容上電壓uCr降到零，二極管D導通續(xù)流，開關(guān)狀態(tài)3結(jié)束。(4.6)LrCr4.1零電流開關(guān)準諧振變換器

開關(guān)狀態(tài)4[t3,t4]－二極管續(xù)流在這個時間段內(nèi)，二極管D導通續(xù)流，Tp仍處在關(guān)斷狀態(tài)，電感電流iLr

為零，電容電壓uCr被鉗位為零。這個時間段的長度取決于電路的開關(guān)周期，而這個長度將決定輸出電壓的大小。t=t4時，Tp導通，下一個開關(guān)周期開始。4.1零電流開關(guān)準諧振變換器

BuckZCSQRCs電路主要波形

TpiLruTPuCr從主管電壓電流波形可見，沒有重疊部分，因此開關(guān)損耗為零。4.1零電流開關(guān)準諧振變換器缺點：和普通的Buck型DC－DC變換器相比，ZCSQRCs

中流過開關(guān)管的電流峰值增加較大，從而增加了開關(guān)管的電流應力。開關(guān)管開關(guān)時的電壓變換率dv/dt會造成很大的電磁干擾。優(yōu)點：

功率開關(guān)管Tp與諧振電感Lr串聯(lián)，通過諧振使得

Tp中通過的電流在導通或者關(guān)斷時降為零，避免了I和U的重疊，實現(xiàn)了零電流開關(guān)。4.1零電流開關(guān)準諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣

(a)Buck變換器

(b)BuckZCSQRCs變換器

4.1零電流開關(guān)準諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣(c)Boost變換器

(d)BoostZCSQRCs變換器4.1零電流開關(guān)準諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣

(e)Buck-Boost變換器

(f)Buck-BoostZCSQRCs變換器

4.1零電流開關(guān)準諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣

(g)Cuk變換器

(h)CukZCSQRCs變換器

4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器

零電流開關(guān)準諧振變換器的對偶電路：零電壓開關(guān)準諧振變換器（ZVS-QRCs）。仍以Buck型直流變換器為例，將常規(guī)Buck變換器中的開關(guān)用零電壓諧振開關(guān)代替后，就可以得到了零電壓開關(guān)準諧振Buck變換器。BuckZVSQRCs

BuckZCSQRCs

4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器BuckZVSQRCs工作原理：

Tp導通后，在任意時刻其兩端電壓可近似視為零，此時關(guān)斷Tp，可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷。由于有諧振的作用，當諧振電容Cr中兩端電壓為零時，開關(guān)Tp閉合，從而實現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通。2.2零電壓開關(guān)準諧振變換器（a）BuckZVSQRCs全波模式

（b）BuckZVSQRCs半波模式下面分析半波模式下BuckZVSQRCs電路4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器

假設(shè)初始狀態(tài)t0時刻之前，開關(guān)Tp處于導通狀態(tài)，全部輸出電流Io從開關(guān)管Tp上流過，電感中電流為Io，續(xù)流二極管D因為反偏處于截止狀態(tài)，電容Cr上的電壓被開關(guān)管Tp鉗位為零；在t＝t0時，開關(guān)管Tp在零電壓條件關(guān)斷。

開關(guān)狀態(tài)1[t0,t1]

在時刻t0，開關(guān)管Tp關(guān)斷，諧振電感Lr電流向諧振電容Cr恒流充電，uCr線性上升。這一階段在相平面圖中，對應于從(Io,0)開始、平行于u軸的一段直線。 這段時間段內(nèi)有：(4.10)

LriLCr當t=t1時，諧振電容Cr上的電壓上升超過E，續(xù)流二極管承受正向電壓導通，開關(guān)狀態(tài)1結(jié)束，電容Cr和諧振電感Lr開始諧振。

2.開關(guān)狀態(tài)2[t1,t2]在時刻t1，續(xù)流二極管D導通續(xù)流，電感Lr和電容Cr開始諧振，電路進入諧振工作狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=E，強迫分量為（E,0），在相平面圖中，曲線是從（E,Io）開始，以（E,0）為圓心的一段圓弧。此時有：

(4.11)iLLrCr

LrCriL把初始條件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=E代入，可解得：

式中，諧振角頻率，諧振電路得特征阻抗(4.12)

uCr諧振到零時，主管Tp的反并聯(lián)二極管Dp導通，把電容Cr的電容箝制為零，為Tp實現(xiàn)零電壓導通做好準備。

4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器(4.13)LrCriL開關(guān)狀態(tài)3[t2,t3]

當開關(guān)管Tp零電壓導通，其并聯(lián)諧振電容Cr上電壓被鉗位為零，此時以電源電壓E向諧振電感恒壓充電，電感中電流線性上升。在相平面圖上，這段時間對應于u軸上t2到t3的部分。此時有：在t=t3時，電感中電流上升到負載電流Io，二極管D由導通變?yōu)榻刂?，電路恢復到初始狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)3結(jié)束。4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器開關(guān)狀態(tài)4[t3,t4]在這個時間段內(nèi)，電路保持上個狀態(tài)結(jié)束時的狀態(tài)。處于這個狀態(tài)的時間長度取決于開關(guān)周期Ts的長短。t=t4時，Tp截止，下一個開關(guān)周期開始。LrCriL4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器BuckZVSQRCs半波模式主要波形

4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器 BuckZVSQRCs全波模式主要波形及相平面圖

4.2零電壓開關(guān)準諧振變換器缺點

優(yōu)點

功率開關(guān)管Tp與諧振電容Cr并聯(lián)，通過諧振使得Tp上的電壓在導通或者關(guān)斷以前降為零，避免了ITp和UTp的重疊，實現(xiàn)了零電壓開關(guān)。開關(guān)管承受的電壓較大，需要選擇高耐壓的開關(guān)管。

零電壓開關(guān)準諧振變換器ZVSQRCs變