第六章 软开关技术

1、通信电源部分通信电源部分黄小军黄小军电磁环境部分电磁环境部分李书芳李书芳现代电力电子设备的发展趋势发展趋势 小型化、轻量化、效率高、对电磁兼容性也有更高的要求。电力电子设备设备高频化 设备的开关频率越高，滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置就小型化、轻量化。 设备的开关频率越高，设备的开关频率越高，开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。 硬开关与开关损耗： 开关过程中，高频开关管两端的电压和其流过的电流均不为零，出现了重叠,在开关过程中没有引入其它电路（或方法）改善电压和电流的波形来减少它们的重叠，没有减少开关损耗。 电压、电流变化很快，波

2、形出现明显的过冲，导致开关噪声。t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程图91 硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00 软开关： 在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠，从而减少开关损耗。 降低开关损耗和开关噪声开关噪声。问问:在此以前我们讲到的开关稳压器和开关直流变换器中的在此以前我们讲到的开关稳压器和开关直流变换器中的开关是硬开关还是软开关开关是硬开关还是软开关?一、零电流开关（ZCS开关）开关） 开通关断PuceicPonPoff=000ubettt 图5.2 零电流开关波形图 零电流零电流关断关断：在开关管：在开关管关断关断前，使

3、其前，使其电流电流减减小到零，然后关断，这就是零电流关断。小到零，然后关断，这就是零电流关断。 零电流零电流开通开通：在开关管开通时，在开关管两端的电压下降到导通饱和压：在开关管开通时，在开关管两端的电压下降到导通饱和压降之前降之前,使其流过的电流保持为零，或者限制电流的上升率，从而减小电流使其流过的电流保持为零，或者限制电流的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，大大减小了开通损耗，与电压的交叠区，大大减小了开通损耗， 这就是所谓的零电流开通。这就是所谓的零电流开通。实现的基本思想：给开关管实现的基本思想：给开关管串联串联一个一个电感电感，在开关管开通时电感能延缓开，在开关管开通时电感能延缓开

4、通后电流上升的速率，减少电压和电流的重叠，降低了开通损耗。通后电流上升的速率，减少电压和电流的重叠，降低了开通损耗。 改变开关管在开关过程中的电流波形改变开关管在开关过程中的电流波形,使电流和电压的没有交叠或减少交叠区使电流和电压的没有交叠或减少交叠区.（LrS1Cr(a) L型LrS1Cr(b) M型图图5-15 零电流准谐振开关零电流准谐振开关开通关断PuceicPonPoff=000ubettt 图5.2 零电流开关波形图工作原理工作原理 在在S1导通之前导通之前，Lr的电流为零；的电流为零； 当当S1导通时，导通时，Lr限制限制S1中电流的上升率，从而实现中电流的上升率，从而实现 S1

5、的零电流开通；的零电流开通； S1关断时，关断时，Lr和和Cr谐振工作使谐振工作使Lr的电流回到零，从的电流回到零，从 而实现而实现S1的零电流关断。的零电流关断。 准谐振准谐振ZCS开关开关：谐振电：谐振电路中的电流和电压波形为路中的电流和电压波形为正弦半波正弦半波，所以为准谐振，所以为准谐振零电流开关。零电流开关。ZCS(零电流零电流)谐振开关应用在各种开关变换器中：谐振开关应用在各种开关变换器中： (a) 升压型电路中的零电流谐振开关升压型电路中的零电流谐振开关M型L型Cr+RLUiLLrCoS1VD1+UiLLrCoCrRLS1VD1(b) 反相型电路中的零电流谐振开反相型电路中的零电

6、流谐振开关关L型M型LrS1CrCoL+UiRLVD1LrS1CrCoL+UiRLVD1(c) 反激型电路中的零电流谐振开关反激型电路中的零电流谐振开关L型M型图图5-17 零电流谐振开关在各种开关变换器中的应用零电流谐振开关在各种开关变换器中的应用Cr+RLUiLrCoS1VD1+RLCoCrUiLrS1VD1请同学来画一下降压型电路中的零电流谐振开关准谐振变换电路准谐振变换电路zcsZCS准谐振开关（L型）LrS1CrLrS1CrS2 （L型） 在准谐振变换器中引入了一个辅助开关管在准谐振变换器中引入了一个辅助开关管S2来控制谐振的开始时刻，来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后

7、，谐振元件的谐振工作时间比准谐振电路的使谐振仅发生于开关过程前后，谐振元件的谐振工作时间比准谐振电路的更短，电路中无功功率的交换被削减到很小。更短，电路中无功功率的交换被削减到很小。S2能控制谐振周期，能控制谐振周期，S1的开的开关就可以用关就可以用PWM控制。控制。比如：降压型比如：降压型ZCS-PWM变换器变换器LrS1CrVD1VDUiiLrCoUoL+-uCrRL+-VD2S2降压型降压型ZCS PWM变换器变换器b）ZCT开关ZVT和和ZCT开关开关(b) 降压型SUiUoCoVD1LCrS1VD3LrVD2VDUiUoCoS1VD3LCrS2VDLrVD2VD1(c) 反相型图5-

8、56 ZCT PWM变换器的基本电路结构3、 ZCT开关开关 带有辅助开关管的谐振带有辅助开关管的谐振电路与主开关并联，谐振电电路与主开关并联，谐振电路只是在主开关管开关时工路只是在主开关管开关时工作，其他时候不工作，这样作，其他时候不工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。辅助谐振电路的损耗很小。含有含有ZCT开关的电路叫开关的电路叫零电流转换零电流转换PWM变换器变换器 比如：降压型比如：降压型ZCT PWM变换器等。变换器等。二、零电压开关（ZVS） tttubeuceic开通关断00PPon=0P off 图5.3 零电压开关波形图 零电压零电压开通开通：在开关管在开关管开通开通前，先使开关

9、管两端的电压下降到零，然后驱动前，先使开关管两端的电压下降到零，然后驱动开关管开通开关管开通,此时增大的电流与电压没有交叠此时增大的电流与电压没有交叠,这就是所谓的零电压开通。这就是所谓的零电压开通。 零电压零电压关断关断：在开关管在开关管关断关断时，在电流下降的同时时，在电流下降的同时,使其电压保持在零，或使其电压保持在零，或者限制者限制电压电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，大大减小了关断损耗，这的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，大大减小了关断损耗，这就是所谓的零电压关断。实现的基本思想是给开关管就是所谓的零电压关断。实现的基本思想是给开关管并联电容并联电容，当开关管关断时，当开

10、关管关断时，电容能延缓关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。电容能延缓关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。 只要能实现上面两点中的任何之一，都称为只要能实现上面两点中的任何之一，都称为零电压开关（零电压开关（ZVS开关）开关）。 改变开关管在开关过程中的电改变开关管在开关过程中的电压波形压波形,使电压和电流没有交叠或减使电压和电流没有交叠或减少交叠区少交叠区.工作原理：在S1导通过程中，Cr上的电压为零； 当S1关断时，Cr限制S1上电压的上升率，从而实现 S1的零电压关断； S1导通之前，Lr和Cr谐振工作先使Cr的电压回到零时， 才开通S1，从而实现S1的零电压 开通。 LrS1Cr

11、LrS1Cr(a) M型(b) L型图图5-18 零电压谐振开关零电压谐振开关tttubeuceic开通关断00PPon=0P off 图5.3 零电压开关波形图准谐振准谐振ZVS开关开关：谐振电路中：谐振电路中的电流和电压波形为正弦半波，的电流和电压波形为正弦半波，所以为准谐振零电压开关。所以为准谐振零电压开关。ZVS(零电压零电压)谐振开关应用在各种开关变换器中 ：(a) 反相型电路中的零电压谐振开关反相型电路中的零电压谐振开关L型M型LrS1CrCoL+UiRLVD1VD1LrS1CrCoL+UiRL(c) 反激型电路中的零电压谐振开关反激型电路中的零电压谐振开关L型M型图图5-20 零

12、电压谐振开关在各种开关变换器中的应用零电压谐振开关在各种开关变换器中的应用+RLCoUiLrS1CrVD1+CoCrUiLrS1VD1RL请同学来画一下零电压开关准谐振升压型变换器主电路零电压准谐振变换器零电压准谐振变换器ZVS含有ZVS准谐振开关的变换器叫准谐振变换 特点特点： 谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；的交换，电路导通损耗加大； 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲

13、频率调制路只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。方式来控制。 比如：零电压开关准谐振降压型变换器、半桥式比如：零电压开关准谐振降压型变换器、半桥式零电压准谐振变换器、零电压开关准谐振升压型变换零电压准谐振变换器、零电压开关准谐振升压型变换器等等。器等等。ZVS准谐振开关（M型）LrS1CrZVS-PWM开关（M型）LrS1CrCrS2 在准谐振变换器中引入了一个辅助开关管在准谐振变换器中引入了一个辅助开关管S2来控制谐振的开始时刻，来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，谐振元件的谐振工作时间比准谐振电路的使谐振仅发生于开关过程

14、前后，谐振元件的谐振工作时间比准谐振电路的更短，电路中无功功率的交换被削减到很小。更短，电路中无功功率的交换被削减到很小。S2能控制谐振周期，能控制谐振周期，S1的开的开关就可以用关就可以用PWM控制。控制。 比如：比如：正激型零电压正激型零电压PWM变换器等等。变换器等等。3、 ZVT开关开关 a）ZVT开关 带有辅助开关管的谐振电路与主开关并联，谐振电路只带有辅助开关管的谐振电路与主开关并联，谐振电路只是在主开关管开关时工作，其他时候不工作，这样辅助谐振是在主开关管开关时工作，其他时候不工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。电路的损耗很小。SUiUoCoVD1LCrS1VDLr(b) 降压型U

15、iUoCoSVD1LCrS1VDLr(c) 反相型图5-52 ZVT PWM变换器的基本电路结构含有含有ZVT开关的电开关的电路叫路叫零电压转换零电压转换PWM变换器变换器 比如：升压型比如：升压型ZVT PWM变换器等。变换器等。 准谐振准谐振ZVS/ZCS开关开关 ：谐振电路中的电流和电压波形为正弦半波。这谐振电路中的电流和电压波形为正弦半波。这类变换器的特点是采用变频控制。而且电压和电流应力很大，一般应用于小功率、类变换器的特点是采用变频控制。而且电压和电流应力很大，一般应用于小功率、低电压的场合。在开关电源中低电压的场合。在开关电源中,含有准谐振含有准谐振ZVS/ZCS开关的电路叫开关

16、的电路叫准谐振变换电路准谐振变换电路。多谐振开关多谐振开关：应用两个以上的元件，实现多个谐振频率，含有多谐振开关的电路：应用两个以上的元件，实现多个谐振频率，含有多谐振开关的电路称为多谐振变换器。称为多谐振变换器。 ZVS-PWM和和ZCS-PWM开关开关 ：在准谐振变换器中引入了一个辅助开关管来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，谐振元件的谐振工作时间比准谐振电路的更短，电路中无功功率的交换被削减到很小。采用PWM控制。含有ZVS-PWM和和ZCS-PWM开关的电路叫开关的电路叫零开关PWM变换器 ZVT和和ZCT开关开关 ：带有辅助开关管的谐振电路与主开关并联，谐振电路带有辅助

17、开关管的谐振电路与主开关并联，谐振电路只是在主开关管开关时工作，其他时候不工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。只是在主开关管开关时工作，其他时候不工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力，主开关管的电压和电流辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力，主开关管的电压和电流应力很小。采用应力很小。采用PWM控制，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都控制，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。含有能工作在软开关状态。含有ZVT和和ZCT开关的电路叫开关的电路叫零转换零转换PWM变换器变换器一、软开关一、软开关:零电流开关和

18、零电压开关。零电流开关和零电压开关。二、软开关技术实现电路有以下三种：二、软开关技术实现电路有以下三种：准谐振变换器准谐振变换器：零电流准谐振变换器零电流准谐振变换器零电压准谐振变换器零电压准谐振变换器零开关零开关PWM变换器：变换器：ZCS PWM 变换器变换器ZVS PWM 变换器变换器零转换零转换PWM变换器变换器:ZCT PWM 变换器变换器ZVT PWM 变换器变换器三、软开关技术三种实现电路的不同之处：三、软开关技术三种实现电路的不同之处：1、引入、引入LC电路结构不同电路结构不同2、谐振时间在开关周期中的长短不同、谐振时间在开关周期中的长短不同3、无功功率的大小不同、无功功率的大小不同4、谐振电压的峰值不同，对器件耐压的要求不同、谐振电压的峰值不同，对器件耐压的要求不同 LrS1 LCrVDCoUiRL iLr VD1问题问题:电路的全称？电路的全称？零电流或零电压软开关分为谐振开关和非谐振开关。谐振开关谐振开关可分为以下几类： 准谐振准谐振ZVS/ZCS