第8章軟開關(guān)技術(shù)1

電力電子技術(shù)第8章軟開關(guān)技術(shù)1第8章軟開關(guān)技術(shù)?引言現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)小型化、輕量化、對(duì)效率和電磁兼容性也有更高的要求。電力電子裝置高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。2硬開關(guān)降壓型電路及其理想化波形a）電路圖b）理想化波形

8.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)：8.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)38.1軟開關(guān)的基本概念8.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)：開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯的過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。t0a）硬開關(guān)的開通過程b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程圖8－1硬開關(guān)的開關(guān)過程uiP0uituuiiP0048.1軟開關(guān)的基本概念8.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)開關(guān)損耗與開關(guān)頻率開關(guān)損耗與開關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時(shí)，開關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，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)就必須采用軟開關(guān)技術(shù)來(lái)降低開關(guān)損耗。56(1)

開通和關(guān)斷損耗大。(2)

感性關(guān)斷問題：電路中存在感性元件，當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，感應(yīng)出很高的尖峰電壓，易造成擊穿電壓。(3)容性開通問題：開關(guān)器件在很高的電壓下開通時(shí)，存儲(chǔ)在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將全部耗散在該器件內(nèi)，引起過熱損壞。(4)二極管反向恢復(fù)問題：二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，存在著反向恢復(fù)期，此時(shí)，二極管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，若立即開通與其串聯(lián)的開關(guān)器件，容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。

改進(jìn)上述不足的有效辦法，就是發(fā)展軟開關(guān)技術(shù)。

硬開關(guān)工作的諸多缺陷阻礙了開關(guān)器件工作頻率的提高78.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)軟開關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開關(guān)的開通過程b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖8－2軟開關(guān)的開關(guān)過程88.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)軟開關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過程前后引入諧振，開關(guān)在其兩端的電壓為零時(shí)導(dǎo)通，或使流過開關(guān)的電流為零時(shí)關(guān)斷，所以軟開關(guān)技術(shù)也稱為諧振開關(guān)技術(shù).消除電壓、電流的重疊。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。圖8-3降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形a）電路圖b）理想化波形98.1.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)零電壓開通開關(guān)開通前其兩端電壓為零——開通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流關(guān)斷開關(guān)關(guān)斷前其電流為零——關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。uiP0uitt0a）軟開關(guān)的開通過程uiP0uitt0b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖8－2軟開關(guān)的開關(guān)過程108.1.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)當(dāng)不指出是開通或是關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。零電壓開通和零電流關(guān)斷靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。UiCrSVDSLrVDLCAR118.4軟開關(guān)技術(shù)新進(jìn)展■軟開關(guān)技術(shù)出現(xiàn)了以下幾個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)◆新的軟開關(guān)電路拓?fù)涞臄?shù)量仍在不斷增加，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。◆在開關(guān)頻率接近甚至超過1MHz、對(duì)效率要求又很高的場(chǎng)合，曾經(jīng)被遺忘的諧振電路又重新得到應(yīng)用，并且表現(xiàn)出很好的性能。◆采用幾個(gè)簡(jiǎn)單、高效的開關(guān)電路，通過級(jí)聯(lián)、并聯(lián)和串連構(gòu)成組合電路，替代原來(lái)的單一電路成為一種趨勢(shì)，在不少應(yīng)用場(chǎng)合，組合電路的性能比單一電路顯著提高。12舉例：廣州地鐵的ATC系列智能高頻開關(guān)電源充電模塊，就是采用了移相全橋零電壓脈寬控制軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)管為零電壓、零電流開關(guān)，具有理想的軟開關(guān)特性。與硬開關(guān)相比，軟開關(guān)充電模塊的開關(guān)損耗降低了40％，整機(jī)效率提高到94％，由于電壓變化率及電流變化率的減小，提高了電磁兼容性能。軟開關(guān)技術(shù)因其眾多優(yōu)越性，成為降低開關(guān)損耗、提高系統(tǒng)效率、改善電磁干擾、提高系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要手段，受到越來(lái)越多的關(guān)注。13148.2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。每一種軟開關(guān)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(guān)單元導(dǎo)出具體電路。158.2軟開關(guān)電路的分類圖7－3基本開關(guān)單元的概念a）基本開關(guān)單元b）降壓斬波器中的基本開關(guān)單元c）升壓斬波器中的基本開關(guān)單元d）升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元168.2軟開關(guān)電路的分類

1）準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路－準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路。

特點(diǎn)：諧振電壓峰值很高，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(wú)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(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation—PFM）方式來(lái)控制。分別介紹三類軟開關(guān)電路178.2軟開關(guān)電路的分類可分為：用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(ResonantDCLink）。圖7-4準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元c)零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元電壓開關(guān)多諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）a)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）188.2軟開關(guān)電路的分類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)過程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為：

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。b)零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元圖7－5零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）a)零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）198.2軟開關(guān)電路的分類

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：

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。b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元圖7－6零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）208.3典型的軟開關(guān)電路

8.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路

8.3.2諧振直流環(huán)

8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路218.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路1）電路結(jié)構(gòu)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8-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖228.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路選擇開關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。t0~t1時(shí)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(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，

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：2）工作原理t0~t1時(shí)段的等效電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖238.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路t1~t2時(shí)段：t1時(shí)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(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振峰值。t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻uCr=0。t1~t2時(shí)段的等效電路uSS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖248.3.1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路t4~t5時(shí)段：uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于此時(shí)開關(guān)S兩端電壓為零，所以必須在此時(shí)開通S，才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。t5~t6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。t6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。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。SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖258.3.2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。1）電路結(jié)構(gòu)圖7-11諧振直流環(huán)電路原理圖由于電壓型逆變器的負(fù)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(shí)可將電路等效。圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

268.3.2諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

t0~t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開關(guān)S處于通態(tài)，iLr>IL。t0時(shí)刻S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對(duì)Cr充電，t1時(shí)刻，uCr=Ui。t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻，諧振電流iLr達(dá)到峰值。t1時(shí)刻以后，iLr繼續(xù)向Cr充電，直到t2時(shí)刻iLr=IL，uCr達(dá)到諧振峰值。2）工作原理278.3.2諧振直流環(huán)t2~t3時(shí)段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時(shí)刻

uCr=Ui。t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻，iLr達(dá)到反向諧振峰值，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。t4~t0時(shí)段：S導(dǎo)通，電流iLr線性上升，直到t0時(shí)刻，S再次關(guān)斷。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

電壓諧振峰值很高，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。288.3.3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(diǎn)是電路簡(jiǎn)單。同硬開關(guān)全橋電路相比，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。圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路298.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路1）移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)：圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形在開關(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；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)過一定的死區(qū)時(shí)間。308.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0~TS/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7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形318.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路2）工作過程：圖7-16移相全橋電路在t0~t1階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形t0~t1時(shí)段：S1與S4導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。t1~t2時(shí)段：t1時(shí)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。t2~t3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。32t3~t4時(shí)段：t3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Cs3、Cs4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。8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路圖7-17移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形33t4~t5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，t5時(shí)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。t0~t5是開關(guān)周期的一半，另一半工作過程完全對(duì)稱。8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形348.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路1）工作過程：

輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，S開通后S1關(guān)斷。

t0~t1時(shí)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(zhǎng)，VD中的電流以同樣的速率下降。t1時(shí)刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，關(guān)斷。圖7-19圖7-18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。358.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路t1~t2時(shí)段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路