西安交大電力電子技術(shù)ppt講義第8章軟開關(guān)技術(shù).ppt

1、第8章 軟開關(guān)技術(shù) 8.1 軟開關(guān)的基本概念 8.2 軟開關(guān)電路的分類 8.3 典型的軟開關(guān)電路 8.4 軟開關(guān)技術(shù)新進(jìn)展 本章小結(jié),電氣學(xué)院,2/29,引言,現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求。 電力電子電路的高頻化 可以減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝置小型化、輕量化。 開關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，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。 使開關(guān)頻率可以大幅度提高。,電氣學(xué)院,3/29,8.1 軟開關(guān)的基本概念,8.1.1 硬開關(guān)與軟開關(guān) 8.1.2 零電壓開關(guān)與零電流開關(guān),電氣學(xué)院,4/29,8.1.1 硬

2、開關(guān)與軟開關(guān),硬開關(guān) 開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開關(guān)損耗。 電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，從而產(chǎn)生了開關(guān)噪聲。 開關(guān)損耗與開關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，因此當(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)損耗就越來越顯著。,圖8-1 硬開關(guān)降壓型電路及波形 a）電路圖 b）理想化波形,圖8-2 硬開關(guān)過程中的電壓和電流 a) 關(guān)斷過程 b)開通過程,a),b),電氣學(xué)院,5/29,8.1.1 硬開關(guān)與軟開關(guān),軟開關(guān) 軟開關(guān)電路中增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr和Cr的值小得多，同時(shí)開關(guān)S增加

3、了反并聯(lián)二極管VDS，而硬開關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管。 降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過程限值了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，這使得開關(guān)噪聲也顯著減小。,P,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,a),b),圖8-4 軟開關(guān)過程中的電壓和電流 a) 關(guān)斷過程 b)開通過程,電氣學(xué)院,6/29,8.1.2 零電壓開關(guān)與零電流開關(guān),零電壓開通 開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開通時(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

4、電流為零，則關(guān)斷時(shí)不會(huì)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。 在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。,電氣學(xué)院,7/29,8.2 軟開關(guān)電路的分類,軟開關(guān)電路的分類 根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類，個(gè)別電路中，有些開關(guān)是零電壓開通的，另一些開關(guān)是零電流關(guān)斷的。 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。,電氣學(xué)院,8/

5、29,8.2 軟開關(guān)電路的分類,圖 8-5 準(zhǔn)諧振電路 a）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 b）零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 c）零電壓開關(guān)多諧振電路,準(zhǔn)諧振電路 分類 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC） 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） 零電壓開關(guān)多諧振電路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC） 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)（Resonant D

6、C Link）,電氣學(xué)院,9/29,8.2 軟開關(guān)電路的分類,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。 開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降，也有一些負(fù)面問題 諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。 諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無功功率的交換，造成電路導(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（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來控制，變頻的開關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來困難。,電氣學(xué)院,10/29,8.2 軟開關(guān)電路的分類,圖8-6 零開關(guān)PWM電路 a）零電壓開關(guān)PWM電路 b）零電流開關(guān)PWM電路,零開關(guān)P

7、WM電路 電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。 分類 零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM） 零電流開關(guān)PWM電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM） 同準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。,電氣學(xué)院,11/29,8.2 軟開關(guān)電路的分類,圖 8-7 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元 a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單

8、元 b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元,零轉(zhuǎn)換PWM電路 電路中采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過程的影響很小，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)，而且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(jìn)一步提高。 分類 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM） 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）,電氣學(xué)院,12/29,8.3 典型的軟開關(guān)電

9、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,電氣學(xué)院,13/29,8.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,圖8-8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖,零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 假設(shè)電感L和電容C很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。 開關(guān)電路的工作過程是按開關(guān)周期重復(fù)的，在分析時(shí)可以選擇開關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn)，選擇合適的起點(diǎn)，可以使分析得到簡化。,電氣學(xué)院,14/29,8.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,圖8-9 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形,圖8-10 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t0t1時(shí)段等

10、效電路,圖8-8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖,工作過程 選擇開關(guān)S的關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。 t0t1時(shí)段：t0之前，S導(dǎo)通，VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL，t0時(shí)刻S關(guān)斷，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，電路可以等效為圖8-10；Lr+L向Cr充電，L等效為電流源，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的上升率為,(8-1),電氣學(xué)院,15/29,8.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,圖8-8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖,圖8-9 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形,圖8-11 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧

11、振電路在t1t2時(shí)段等效電路,t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻VD導(dǎo)通，L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路，如圖8-11所示；諧振過程中，Lr對(duì)Cr充電，uCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。 t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，這時(shí)，uLr=0，iLr達(dá)到反向諧振峰值。 t3t4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。,電氣學(xué)院,16/29,8.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,圖8-8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖,圖8-9 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的

12、理想化波形,t1到t4時(shí)段電路諧振過程的方程為,(8-2),t4t5時(shí)段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于這一時(shí)段S兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開關(guān)S開通，才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。 t5t6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。 t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為,t6t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。,(8-3),電氣學(xué)院,17/29,8.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路,諧振過程是軟開關(guān)電路工作過程中最重要的部分，諧振過程中的基本數(shù)量關(guān)系為 uCr（即開關(guān)S的電壓uS）的表達(dá)式,t1,t4上的最大值即uCr的諧振峰值

13、，就是開關(guān)S承受的峰值電壓，表達(dá)式為,零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件,如果正弦項(xiàng)的幅值小于Ui，uCr就不可能諧振到零，S也就不可能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。,零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開關(guān)S的耐壓必須相應(yīng)提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。,電氣學(xué)院,18/29,8.3.2 諧振直流環(huán),圖8-12 諧振直流環(huán)電路原理圖,圖8-13 諧振直流環(huán)電路的等效電路,諧振直流環(huán) 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。 圖8-12中，輔助開關(guān)S使逆變橋中所有的開關(guān)工作

14、在零電壓開通的條件下，實(shí)際電路中開關(guān)S可以不需要，S的開關(guān)動(dòng)作用逆變電路中開關(guān)的直通與關(guān)斷來代替。 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，負(fù)載電流視為常量。,電氣學(xué)院,19/29,8.3.2 諧振直流環(huán),圖8-13 諧振直流環(huán)電路的等效電路,圖8-14 諧振直流環(huán)電路的理想化波形,工作過程 以開關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)。 t0t1時(shí)段：t0之前，iLr大于IL，S導(dǎo)通，t0時(shí)刻S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振，因?yàn)閕LrIL，因此iLr對(duì)Cr充電，uCr不斷升高，直到t1時(shí)刻，uCr=Ui。 t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此諧振電流iLr達(dá)到峰值，t

15、1以后，iLr繼續(xù)向Cr充電并不斷減小，而uCr進(jìn)一步升高，直到t2時(shí)刻iLr=IL，uCr達(dá)到諧振峰值。,電氣學(xué)院,20/29,8.3.2 諧振直流環(huán),t2t3時(shí)段：t2以后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續(xù)降低，到零后反向，Cr繼續(xù)向Lr放電，iLr反向增加，直到t3時(shí)刻uCr=Ui。 t3t4時(shí)段：t3時(shí)刻，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振峰值，然后iLr開始衰減，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻，uCr=0，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零。 t4t0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。 諧振直流環(huán)電路中電壓uCr的諧振峰值很高，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。,圖8-1

16、3 諧振直流環(huán)電路的等效電路,圖8-14 諧振直流環(huán)電路的理想化波形,電氣學(xué)院,21/29,8.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,圖8-15 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路,移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 電路簡單，僅僅增加了一個(gè)諧振電感，就使電路中四個(gè)開關(guān)器件都在零電壓的條件下開通。 控制方式的特點(diǎn) 在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)，每一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間都略小于TS/2，而關(guān)斷的時(shí)間都略大于TS/2。 同一個(gè)半橋中上下兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每一個(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。 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0TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0T

17、S/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。,電氣學(xué)院,22/29,8.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,圖8-16 移相全橋電路的理想化波形,圖8-17 移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖,工作過程 t0t1時(shí)段：S1與S4都導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。 t1t2時(shí)段：t1時(shí)刻S1關(guān)斷后，C1、C2與Lr、L構(gòu)成諧振回路，如圖8-17所示，諧振開始時(shí)uA(t1)=Ui，在諧振過程中，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，iLr通過VDS2續(xù)流。,電氣學(xué)院,23/29,8.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,圖8-16 移相全橋電路的理想化波形,圖8

18、-18 移相全橋電路在t3t4階段的等效電路,t2t3時(shí)段：t2時(shí)刻S2開通，由于VDS2導(dǎo)通，因此S2開通時(shí)電壓為零，開通過程中不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗，S2開通后，電路狀態(tài)也不會(huì)改變，繼續(xù)保持到t3時(shí)刻S4關(guān)斷。 t3t4時(shí)段：t4時(shí)刻開關(guān)S4關(guān)斷后，電路的狀態(tài)變?yōu)閳D8-18所示，這時(shí)C3、C4與Lr構(gòu)成諧振回路，諧振過程中iLr不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，直到VDS3導(dǎo)通；這種狀態(tài)維持到t4時(shí)刻S3開通，S3開通時(shí)VDS3導(dǎo)通，因此S3是在零電壓的條件下開通，開通損耗為零。,電氣學(xué)院,24/29,8.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,圖8-16 移相全橋電路的理想化波形,圖8-15 移相全

19、橋零電壓開關(guān)PWM電路,t4t5時(shí)段：S3開通后，iLr繼續(xù)減小，下降到零后反向，再不斷增大，直到t5時(shí)刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。 t0t5時(shí)段正好是開關(guān)周期的一半，而在另一半開關(guān)周期t5t0時(shí)段中，電路的工作的過程與t0t5時(shí)段完全對(duì)稱。,電氣學(xué)院,25/29,8.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,圖8-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖,零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 具有電路簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于功率因數(shù)校正電路（PFC）、DC-DC變換器、斬波器等。 以升壓電路為例，在分析中假設(shè)電感L、電容C很大，可以忽略電流和輸出電壓的波動(dòng)，在分析中還忽

20、略元件與線路中的損耗。 在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，而S開通后S1就關(guān)斷了，主要的諧振過程都集中在S開通前后。,電氣學(xué)院,26/29,8.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,圖8-20 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形,圖 8-21 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1t2時(shí)段的等效電路,圖8-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖,工作過程 t0t1時(shí)段：輔助開關(guān)先于主開關(guān)開通，由于此時(shí)VD尚處于通態(tài)，所以u(píng)Lr=Uo，iLr按線性迅速增長，iVD以同樣的速率下降，直到t1時(shí)刻，iLr=IL，iVD下降到零，二極管自然關(guān)斷。 t1t2時(shí)段：此時(shí)電路可以等效為圖8-21，Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，由于L很大，諧振過程中其電流基本不變，對(duì)諧振影響很小，可以忽略；諧振過程中iLr增加而uCr下降，t2時(shí)刻uCr降到零，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，而iLr保持不變。,電氣學(xué)院,27/29,8.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,圖8-19 升壓型零電