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1、第七章第七章 软开关技术软开关技术 引言 第一节 软开关的根本概念 第二节 软开关电路的分类 第三节 典型的软开关电路 本章小结第七章第七章 软开关技术软开关技术 引言引言现代电力电子安装的开展趋势现代电力电子安装的开展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。更高的要求。电力电子安装高频化电力电子安装高频化滤波器、变压器体积和分量减小，电力电子滤波器、变压器体积和分量减小，电力电子安装小型化、轻量化。安装小型化、轻量化。开关损耗添加，电磁干扰增大。开关损耗添加，电磁干扰增大。软开关技术软开关技术降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。

2、进一步提高开关频率。进一步提高开关频率。 第一节第一节 软开关的根本概念软开关的根本概念 一.硬开关和软开关 二. 零电压开关和零电流开关一一. 硬开关和软开关硬开关和软开关l硬开关：硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。导致开关噪声。t0a硬开关的开经过程硬开关的开经过程b硬开关的关断过程硬开关的关断过程图图71 硬开关的开关过程硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00一一. 硬开关和软开关硬开关和软开关l软开关：软开关： 在原电路中添加

3、了小电感、电容等谐振元件，在开在原电路中添加了小电感、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。关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a软开关的开经过程软开关的开经过程b软开关的关断过程软开关的关断过程图图72 软开关的开关过程软开关的开关过程二二. 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关v零电压开通零电压开通v开关开通前其两端电压为零开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗开通时不会产生损耗和噪声。和噪声。v零电流关断零电流关断v开关关断前其电流为零开关关断前其电流为零关断时

4、不会产生损耗和噪关断时不会产生损耗和噪声。声。v零电压关断零电压关断v与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。从而降低关断损耗。v零电流开通零电流开通v与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。降低了开通损耗。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。零电流开关。靠电路中的谐振来实现。靠电路中的谐振来实现。第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类l根据开关元件开通和关断时电压电流形状，分为零根据开

5、关元件开通和关断时电压电流形状，分为零电压电路和零电流电路两大类。电压电路和零电流电路两大类。l根据软开关技术开展的历程可以将软开关电路分成根据软开关技术开展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关准谐振电路、零开关PWM电路和电路和l 零转换零转换PWM电路。电路。l每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从根本开关单元导出详细电路。同电路，可以从根本开关单元导出详细电路。第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类图图7 73 3根本开关单元的概念根本开关单元的概念a根本开关单元根本开关单元b降压斩波器中的根本开关单元降压斩

6、波器中的根本开关单元c升压斩波器中的根本开关单元升压斩波器中的根本开关单元d升降压斩波器中的根本开关单元升降压斩波器中的根本开关单元第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类v 1.准谐振电路准谐振电路v准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。开关电路。v 特点：特点：v谐振电压峰值很高，要求器件耐压必需提高；谐振电压峰值很高，要求器件耐压必需提高；v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

7、；的交换，电路导通损耗加大；v谐振周期随输入电压、负载变化而改动，因此电谐振周期随输入电压、负载变化而改动，因此电路只能采用脉冲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。分别引见三类软开关电路分别引见三类软开关电路第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类可分为：可分为： 用于逆变器的谐振直流环节电路用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link。图图7-4 7-4 准谐振电路的根本开关单元准谐振电路的根本开关单元c)c)零电压开关多谐振电路的根本开关单元零电压开关多谐振电路的根本开关单元 电压开关多谐振

8、电路电压开关多谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRCb)b)零电流开关准谐振电路的根本开关单元零电流开关准谐振电路的根本开关单元 零电流开关准谐振电路零电流开关准谐振电路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC a) a)零电压开关准谐振电路的根本开关单零电压开关准谐振电路的根本开关单元元 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC第二

9、节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类 2.零开关零开关PWM电路电路 引入了辅助开关来控制谐振的开场时辰，引入了辅助开关来控制谐振的开场时辰，使谐振仅发生于开关过程前后。使谐振仅发生于开关过程前后。零开关零开关PWM电路可以分为：电路可以分为： 特点：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能任务在软开关形状。零负载到满载都能任务在软开关形状。电路中无功功率的交换被削减到最电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。小，这使得电路效率有了进一步提高。b)零电流开关零电流开关PWM电路电路的根本开关单元的根本开关单元图图75 零开

10、关零开关PWM电路电路的根本开关单元的根本开关单元 零电流开关零电流开关PWM电路电路Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWMa)零电压开关零电压开关PWM电路电路的根本开关单元的根本开关单元 零电压开关零电压开关PWMPWM电路电路Zero-Voltage-Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS Switching PWM ConverterZVS PWMPWM第二节第二节. 软开关电路的分类软开关电路的分类 3.零转换零转换PWM电路电路 采用辅助开关控制谐振的开场时辰，采用辅助开关控制谐振的开场时辰，但

11、谐振电路是与主开关并联的。但谐振电路是与主开关并联的。零转换零转换PWM电路可以分为：电路可以分为： 特点：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能任务在软开关形状。零负载到满载都能任务在软开关形状。电路中无功功率的交换被削减到最电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。小，这使得电路效率有了进一步提高。b零电流转换零电流转换PWM电路电路的根本开关单元的根本开关单元图图7 76 6 零转换零转换PWMPWM电路电路的根本开关单元的根本开关单元 零电流转换零电流转换PWM电路电路Zero-Current Transition PW

12、M ConverterZVT PWMa a零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路的根本开关单元的根本开关单元 零电压转换零电压转换PWM电路电路Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM第三节第三节 典型的软开关电路典型的软开关电路v 一一. 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路v 二二. 谐振直流环谐振直流环v 三三. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路v 四四. 零电压转换零电压转换PWM电路电路一一. 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路1.电路构造电路构造以以降降压压型型为为例例分分析析任任务务原原理。理。假假

13、设设电电感感L和和电电容容C很很大，大，可可等等效效为为电电流流源源和和电电压压源，源，并并忽忽略略电电路路中中的的损损耗。耗。图图7-7 零电零电压开压开关准关准谐振谐振电路电路原理原理图图一一. 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路选择开关选择开关S关断时辰为分析的起点。关断时辰为分析的起点。t0t1时段：时段：t0之前，开关之前，开关S为通态，为通态，二极管二极管VD为断态，为断态，uCr=0，iLr=IL ，t0时辰时辰S关断，与其并联的电容关断，与其并联的电容Cr使使S关断后电压上升减缓，因此关断后电压上升减缓，因此S的关的关断损耗减小。断损耗减小。S关断后，关断后，VD尚未导通

14、。尚未导通。电感电感Lr+L向向Cr充电，充电， uCr线性上升，线性上升，同时同时VD两端电压两端电压uVD逐渐下降，直逐渐下降，直到到t1时辰，时辰，uVD=0，VD导通。这一导通。这一时段时段uCr的上升率：的上升率：rrddCItuLC2.任务原理任务原理t0t1时段的时段的等效电路等效电路SS (uCr)iSiL ruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图7-87-8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形图图7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图一一.零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路vt1t2时段：时段：t1时

15、辰二极管时辰二极管VD导通，导通，电感电感L经过经过VD续流，续流，Cr、Lr、Ui构构成谐振回路。成谐振回路。t2时辰，时辰，iLr下降到零，下降到零，uCr到达谐振峰值。到达谐振峰值。vt2t3时段：时段：t2时辰后，时辰后，Cr向向Lr放电，放电，直到直到t3时辰，时辰，uCr=Ui，iLr到达反向到达反向谐振峰值。谐振峰值。vt3t4时段：时段：t3时辰以后，时辰以后，Lr向向Cr反反向充电，向充电，uCr继续下降，直到继续下降，直到t4时辰时辰uCr=0。t1t2时段的时段的等效电路等效电路uSS (uCr)iSiL ruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图7

16、-87-8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形图图7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图一一.零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路vt4t5时段：时段：uCr被箝位于零，被箝位于零，iLr线性衰减，直到线性衰减，直到t5时辰，时辰，iLr=0。由于此时开关。由于此时开关S两端电两端电压为零，所以必需在此时开通压为零，所以必需在此时开通S，才不会产生开通损耗。，才不会产生开通损耗。vt5t6时段：时段：S为通态，为通态，iLr线性线性上升，直到上升，直到t6时辰，时辰，iLr=IL，VD关断。关断。vt6t0时段：时段：S为通态，为通态，VD为断

17、为断态。态。缺陷：谐振电压峰值将高于缺陷：谐振电压峰值将高于输入电压输入电压Ui的的2倍，添加了对倍，添加了对开关器件耐压的要求。开关器件耐压的要求。 SS (uCr)iSiL ruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图7-87-8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形图图7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图二二. 谐振直流环谐振直流环v谐振直流环电路运用于交流谐振直流环电路运用于交流-直流直流-交流变换电路的中间直流环节交流变换电路的中间直流环节DC-Link。经过在直流环节中。经过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆引

18、入谐振，使电路中的整流或逆变环节任务在软开关的条件下。变环节任务在软开关的条件下。1. 电路构造电路构造图图 7-11 7-11 谐振直流环电路原理图谐振直流环电路原理图 由于电压型逆变器的负载通由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关形状是不中逆变电路的开关形状是不变的，因此分析时可将电路变的，因此分析时可将电路等效。等效。图图 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 二二. 谐振直流环谐振直流环t0t1t2t3t4t0iL ruCrUinILttOO图图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 图图

19、 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 t 0t1时段：时段：t0时辰之前，开时辰之前，开关关S处于通态，处于通态，iLrIL。t0时时辰辰S关断，电路中发生谐振。关断，电路中发生谐振。iLr对对Cr充电，充电，t1时辰，时辰，uCr=Ui。 t1t2时段：时段：t1时辰，谐振电时辰，谐振电流流iLr到达峰值。到达峰值。 t1时辰以后，时辰以后，iLr继续向继续向Cr充电，直到充电，直到t2时时辰辰iLr=IL，uCr到达谐振峰值。到达谐振峰值。2.任务原理任务原理二二. 谐振直流环谐振直流环vt2t3时段：时段：uCr向向Lr和和L放放电，电，iLr降低，到零后反向，降

20、低，到零后反向，直到直到t3时辰时辰 uCr=Ui。vt3t4时段：时段：t3时辰，时辰，iLr到到达反向谐振峰值，开场衰达反向谐振峰值，开场衰减，减，uCr继续下降，继续下降， t4时时辰，辰，uCr=0，S的反并联二的反并联二极管极管VDS导通，导通，uCr被箝被箝位于零。位于零。vt4t0时段：时段：S导通，电流导通，电流iLr线性上升，直到线性上升，直到t0时辰，时辰，S再次关断。再次关断。t0t1t2t3t4t0iL ruCrUinILttOO图图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 图图 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 电压谐

21、振峰值很高，添加电压谐振峰值很高，添加了对开关器件耐压的要求。了对开关器件耐压的要求。三三. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路l移相全桥电路是目前运用最广泛的软开关电路之一，移相全桥电路是目前运用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅添加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开添加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。通。图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路三三. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路1.移相全桥电路控制方式的移相

22、全桥电路控制方式的特点：特点：图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形 在开关周期在开关周期TS内，每个开内，每个开关导通时间都略小于关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于而关断时间都略大于TS/2； 同一半桥中两个开关不同同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要断到另一个

23、开关开通都要经过一定的死区时间。经过一定的死区时间。三三. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路互为对角的两对开关互为对角的两对开关S1-S4和和S2-S3，S1的波形的波形比比S4超前超前0TS/2时间，时间，而而S2的波形比的波形比S3超前超前0TS/2时间，因此称时间，因此称S1和和S2为超前的桥臂，而为超前的桥臂，而称称S3和和S4为滞后的桥臂。为滞后的桥臂。图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttt

24、tttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形三三. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 2.任务过程：任务过程：图图 7-16 7-16 移相全桥电路在移相全桥电路在t0t1t0t1阶段的等效电阶段的等效电路路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形 t0t1时段：时段：S1与与S4导通，直到导通，直到t1时辰时辰S1关断。关断。 t1

25、t2时段：时段：t1时辰开关时辰开关S1关断后，关断后，电容电容Cs1、Cs2与电感与电感Lr、L构成谐构成谐振回路，振回路， uA不断下降，直到不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流导通，电流iLr经过经过VDS2续续流。流。 t2t3时段：时段：t2时辰开关时辰开关S2开通，开通，由于此时其反并联二极管由于此时其反并联二极管VDS2正正处于导通形状，因此处于导通形状，因此S2为零电压开为零电压开通。通。t3t4时段：时段：t3时辰开关时辰开关 S4关断关断后，变压器二次侧后，变压器二次侧VD1和和VD2同同时导通，变压器一次侧和二次侧时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，

26、因此电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与与Lr构成谐振回路。构成谐振回路。Lr的电流不断减小，的电流不断减小，B点电压不点电压不断上升，直到断上升，直到S3的反并联二极管的反并联二极管VDS3导通。这种形状维持到导通。这种形状维持到t4时时辰辰S3开通。因此开通。因此S3为零电压开通。为零电压开通。三三. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路图图 7-177-17移相全桥电路在移相全桥电路在t3t4t3t4阶段的等效电阶段的等效电路路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8tttttttttt

27、ttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形t4t5时段：时段：S3开通后，开通后，Lr的的电流继续减小。电流继续减小。iLr下降到零下降到零后反向增大，后反向增大，t5时辰时辰iLr=IL/kT，变压器二次侧，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，的电流下降到零而关断，电流电流IL全部转移到全部转移到VD2中。中。t0t5是开关周期的一半，另是开关周期的一半，另一半任务过程完全对称。一半任务过程完全对称。三三. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路

28、电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形四四. 零电压转换零电压转换PWM电路电路1.任务过程：任务过程： 辅助开关辅助开关S1超前于主开关超前于主开关S开通，开通，S开通后开通后S1关断。关断。 t0t1时段：，时段：，S1导通，导通，VD尚处于尚处于通态，电感通态，电感Lr两端电压为两端电压为Uo，电，电流流iLr线性增长，线性增长， VD中的电流以中的电流以同样的速率下降。同样的速率下降。t1时辰，

29、时辰，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。中电流下降到零，关断。图图7-18 7-18 升压型零电压升压型零电压转换转换PWMPWM电路的原理图电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图7-19 7-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWMPWM电路的理想化波形电路的理想化波形l零电压转换零电压转换PWMPWM电路具有电路简单、电路具有电路简单、效率高等优点。效率高等优点。四四. 零电压转换零电压转换PWM电路电路t1t2时段：时段：Lr与与Cr构成谐振回构成谐振回路，路，Lr的电流添加而的电流添加而Cr的电压下的电压下降，降，t2时辰时辰uCr=0， VDS导通，导通，uCr被箝位于零，而电流被箝位于零，而电流iLr坚持坚持不变。不变。 t2t3时段：时段：uCr被箝位于零，而被箝位于零，而电流电流iLr坚持不变，这种形状不坚持不变，这种形状不断坚持到断坚持到t3时辰时辰S开通、开通、S1关断。关断。图图 7-20 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路电路在在t1t2时段的等效电路时段的等效电路图图7-