开关电源的软开关技术

1、软开关技术初步1开关电源的软开关技术初步软开关技术初步2Hard-switching（硬开关）processTime curves of BSM75GD120DN2 modules at 600V, 150A, 125C, Rg = 3.3 W W, 200 ns/ div.开通过程关断过程软开关技术初步3实际电路中器件的Hard-switching（硬开关）软开关技术初步4功率开关管的开关损耗(阴影部分)软开关技术初步5硬开关的缺点 (Disadvantage)1. 损耗大, 高频工作效率低; (发热)3. 电磁干扰大. (di/dt 和dv/dt)2. 器件允许的电流电压不能充分利用; (

2、安全工作区)软开关技术初步6硬开关的缺点1. 损耗大, 高频工作效率低; (发热)IGBT模块工作时内部热分布EG4x IGBT4x Diode 软开关技术初步7硬开关的缺点2. 器件允许的电流电压不能充分利用; (安全工作区)iCvCESOA(安全工作区)之一onoffonoffSOA(安全工作区)之二软开关技术初步8硬开关的缺点3. 电磁干扰大. (di/dt 和dv/dt)开通di/dt关断dv/dt软开关技术初步9软开关的波形电磁干扰很小. (di/dt 和dv/dt)Soft Switching WaveformsFrequency Spectrum-6001M2M3M4M5M6Mf

3、(Hz)-40-20020dBCurrent in the DC bus(A)060402080-2004080120160200t( s)软开关技术初步10Soft-switching (软开关)概念图解cbiCvbevbevceicPloss(on)Ploss(off)= 0零电流开关evbevceicPloss(on)= 0Ploss(off)零电压开关软开关技术初步11Soft-switching (软开关)概念vceicPloss(on)Ploss(off)= 0零电流开关1. 零电流开关 在开关管开通时, 使其电流保持在零, 或限制电流的上升率,从而减少电流与电压的交叠区, 称零电

4、流开通; 在开关管关断前, 使其电流减少到零,称零电流关断.vceicPloss(on)= 0Ploss(off)零电压开关2. 零电压开关 在开关管关断时, 使其电压保持在零, 或限制电压的上升率,从而减少电流与电压的交叠区, 称零电压关断; 在开关管开通前, 使其电压下降到零,称零电压开通.软开关技术初步12Soft-switching (软开关)优点优点2. 器件的电压电流可得到较好利用(安全工作区)onoffSOA(安全工作区)3. 电磁干扰小04080120 160200(A)060402080-20Soft switchingHard switching1. 开关损耗减小, 可高频

5、化vceichardSoft-switching软开关技术初步13Soft-switching application - DC/DC converter1. Space shuttle converter2. Compatible equipment converter - Cellular phone - notebook computer - etc软开关技术初步14软开关的实现方式(按增加的元器件来分)二. 有源网络实现(增加元器件为电感L, 电容C, 二极管D, 辅助开关管Sa)- ZVS(零电压开关)ZCS(零电流开关) PWM converter- ZVT(零电压转移)ZCT(零

6、电流转移) PWM converter一. 无源网络实现 (增加元器件为电感L, 电容C, 二极管D)- 能量回馈式吸收电路- 谐振式变换器准谐振变换器多谐振变换器软开关技术初步15软开关的实现方式(按谐振方式来分)四. Soft-switching PWM ConvertersZC PWMSZV PWMZero Current ClampZero Current TransitionZero Voltage ClampZero Voltage Transition三. Multi-Resonant Converters (MRCs)ZCSZVS一. Resonant Converters (

7、conventional)Frequency Modulated Duty Cycle Modulated(phase-controlled)ZCSZVSZCSZVS二. Quasi-Resonant Converters (QRCs)ZCSZVSHalf-wave modeFull-wave modeHalf-wave modeFull-wave mode软开关技术初步16软开关的实现方式一. 无源网络实现 (增加元器件为电感L, 电容C, 二极管D)- 谐振式变换器准谐振变换器多谐振变换器VinCfVinCf串联负载串联谐振变换器并联负载串联谐振变换器还有并联谐振电路, 这儿略.软开关技术

8、初步17软开关的实现方式一. 无源网络实现 (增加元器件为电感L, 电容C, 二极管D)- 谐振式变换器准谐振变换器多谐振变换器2. Zero-voltage-switched quasi-resonant converters零电压开关- 电压正弦, 使得开关可在零电牙 条 件下闭合或断开;- 电压和电流波形无重叠IcVce电压1. Zero-current-switched quasi-resonant converters零电流开关- 电流正弦, 使得开关可在零电流 条件下闭合或断开;- 电压和电流波形无重叠VceIc电流软开关技术初步18软开关的实现方式一. 无源网络实现 (增加元器件

9、为电感L, 电容C, 二极管D)- 谐振式变换器准谐振变换器多谐振变换器1. Zero-current-switched quasi-resonant convertersM型L型conceptHalf-waveFull-wave软开关技术初步19软开关的实现方式一. 无源网络实现 (增加元器件为电感L, 电容C, 二极管D)- 谐振式变换器准谐振变换器多谐振变换器ApplicationsFull-waveUIUI软开关技术初步20软开关的实现方式一. 无源网络实现 (增加元器件为电感L, 电容C, 二极管D)- 谐振式变换器准谐振变换器多谐振变换器2. Zero-voltage-switch

10、ed quasi-resonant convertersM型L型conceptHalf-waveFull-wave软开关技术初步21软开关的实现方式一. 无源网络实现 (增加元器件为电感L, 电容C, 二极管D)- 谐振式变换器准谐振变换器多谐振变换器2. Zero-voltage-switched quasi-resonant convertersUIUIFull-wave软开关技术初步2201020304050607050100 150 200 250 300 350 400Collector current(A)Switching losses(mJ)软开关技术初步23ZVS turn-

11、on Ic=400A Cr=0.1u Lr=0.9uMain gate软开关技术初步24ZCS turn-off Ic=400A Cr=1.3u Lr=0.1uVce of main switch(200V/div)Ic of main switch(200A/div)Eoff(34mj/div)12mjMain gate(20V/div)软开关技术初步2501020304050150250350Collector current(A)Switching losses(mJ)Testing Results of Turn-off Loss for Hard & ZCS(Cr=1.3u Lr=0.1u)软开关技术初步26Efficiency comparison between ZCS , ZVS and Improved ZCSZCS&SVMZVS&SVMImp. ZCS & SVM inverter is most favorableImp. ZCS&SVM0.9095020.863059EfficiencyVS Fs()EfficiencyMS Fs()Eff