第七章软开关技术及其应用

1、第第7章章 软开关技术及其应用软开关技术及其应用 7.1 概述 7.1.1 常规脉宽调制逆变器 所谓的硬开关转换或硬开关（所谓的硬开关转换或硬开关（Hard-Hard-Switching transformationSwitching transformation），），因而存在如因而存在如下的缺点：下的缺点：开关损耗大，限制了开关元件的开关损耗大，限制了开关元件的工作频率工作频率 方波工作方式，产生较大的电磁干扰，电路方波工作方式，产生较大的电磁干扰，电路存在着较大的存在着较大的动态电压动态电压、电流应力电流应力 在开关过程中，要求开关元件有较大的在开关过程中，要求开关元件有较大的安全安全工

2、作区工作区 桥式电路拓扑，存在着上、下桥臂桥式电路拓扑，存在着上、下桥臂直通短路直通短路的问题的问题 图7-1 硬开关转换过程中的电压、电流波形和损耗7.1.2 软开关技术及其基本思想 这种所谓的软开关转换其理论上开关损耗为零 其软开关逆变器的优点如下： 1 振式软开关转换无开关损耗，工作振式软开关转换无开关损耗，工作频率高；频率高； 2 电磁干扰，开关转换过程中动态应电磁干扰，开关转换过程中动态应力小；力小； 3 电能转换效率高，无吸收电路，散电能转换效率高，无吸收电路，散热器小；热器小； 4 上下桥臂直通短路问题不存在了。上下桥臂直通短路问题不存在了。在谐振直流环节的逆变器中，上下桥臂在谐

3、振直流环节的逆变器中，上下桥臂直通成了一种合理的工作状态直通成了一种合理的工作状态。 谐振软开关电路中，零电压和零电流条件是由辅助的谐振电路所创造的。 (a) 零电流型(b) 零电压型图7-2 谐振开关 零电流型开关（ZCT） tZUtULCtCUdtduCitUtLCUtudddCLddc000000sinsin)sin(cos1cos)(零电压型tCLItUtuLdC000sin)cos1 ()()sin(1)(1020tUIZUdLCd00220)cos(tUICLCdtduCidLcC)cos(0220tLCUICLdL)cos(220tULCI0dL7.2 谐振直流环节逆变器 7.2

4、.1 谐振直流环节的基本原理 （a）一般电路 （b）等效电路图7-3 谐振直流环节逆变器 （一）无损耗的谐振槽电路 图7-4 无损耗的谐振槽 )cos1 ()(0tUtuScLC120（二）有损耗的谐振槽路 图7-6 有损耗的谐振槽路teUteUUutStSSCcossin)sin(1teUt0S00arctgarccosarcsin图7-7 衰减振荡波形（三）开关的作用 图7-8 补充损耗的谐振槽路SUA2SLSLUCICUICA110012001 UIZSL0/22CLLRLCRteAteAUuttSCcossin21)sin(11/12200tUIZeUSLtSSLSUIZUarctg0

5、021120tsLOeZUI7.2.2 谐振直流环节逆变器电路分析 图7-9 一个谐振周期中的等效电路 （一）一）S S1 1开通补充能量阶段 图7-10 补充能量阶段等效电路 1010tLUIIIIIItLUISdLmmddSL图7-11 补充能量的电压电流波形 dSLItLUi（二）L、C谐振阶段 图7-12 谐振阶段的等效电路 )sin()(11020tUIZUuSmScdtduCIiIiCdCdL)cos(10200tUIZZUISmSd)cos(10200tUIZZUiSmSC01121120min20maxSmSCSSmSCUIZUuUUIZUumSIZUarctgLCt00max

6、2)2(1mSIZUarctgLCt00min23)23(1图7-13 谐振阶段的电压电流波形 （三）VD1导通箝位阶段 图7-14 VD1导通箝位阶段等效电路 SdULIt 7.3 极谐振型逆变器 谐振型软开关逆变器大致上可分为两类，一类称为DC环节谐振型逆变器，它的特点是在原先硬开关电压源逆变器的逆变桥与直流电压源之前加入一个辅助谐振电路，使DC环节电压产生谐振，周期性的为后面逆变桥开关提供零电压间隔。另一类称为极谐振型逆变器，这一类逆变器的共同特点是，辅助谐振电路从逆变桥之前移到了逆变桥之后。 图7-15 ADRPI原理电路7.3.1 ADRPI无负载时的工作原理 图7-16 ADRPI

7、无负载时的工作波形7.3.2 ADRPI有负载电流时的工作原理 负载电流负载电流I I0 0 00的工作过程分析的工作过程分析 图7-17 ADRPI工作过程的等效电路10 tt1LSLItLUi)(10011LSdIIULttt21 tt02IZUIirSLLrdCCLLCrttt12)(224312232 ttZrUIiSL/0323dttt43 ttZrUIttLUiSSL03)(344tttdrCCLLCrCrLLZrL1)(/43时间段：时间段：时间段：时间段：54 ttdtduCrIiCL40tZrUIrSsin0455tttdCrLCCLr2)(2124305 tt图7-18 A

8、DRPI负载时的电压电流波形负载电流I I0 0 0的工作过程分析 图7-19 I0 0时，考虑C1、C2影响的等效电路 00I00I图7-21 I00时，考虑C1、C2影响的等效电路 为了保证开关器件为了保证开关器件VTVT1 1和和VTVT2 2实现实现零电压或零电流软开关操作的可靠性，零电压或零电流软开关操作的可靠性，必须要保证开关转换瞬间电容电压一必须要保证开关转换瞬间电容电压一定要过零。为此零电压操作必须要检定要过零。为此零电压操作必须要检测电容电压，只有电容电压过零的时测电容电压，只有电容电压过零的时刻才送并联开关的开通驱动信号，其刻才送并联开关的开通驱动信号，其逻辑电路如图逻辑电

9、路如图7-227-22所示。所示。 图7-22 实现零电压转换的电容电压检测7.3.4 电路参数研究 图7-23 极小输出时电压电流波形 1.1.极谐振逆变器的最小输出电压与极谐振逆变器的最小输出电压与PWMPWM的的频率频率 成正比，成正比， 越高最小输出电压越高最小输出电压 也就越高，但是由于也就越高，但是由于 中包含有死区时中包含有死区时间间 ，因此最低输出电压不能小，即，因此最低输出电压不能小，即 不能小不能小 2. 2. 最高输出电压最高输出电压 与与 成反比，当达成反比，当达到最高极限时，到最高极限时， , ,即即 ；FsFsmin0U4dttminDmax0UFs,2max0SF

10、sUU5 . 0maxD3.系统的系统的PWMPWM工作频率不能取高，因工作频率不能取高，因为工作频率高造成输出电压下降和输为工作频率高造成输出电压下降和输出电压的变化范围缩小出电压的变化范围缩小4 4。谐振频率谐振频率 成正比，但由成正比，但由于有死区时间的限制，于有死区时间的限制， 不能高不能高 即即 不能高。最高的输出频率不能高。最高的输出频率 = =FsFr与FrFsFrFS222. 1maxFr227.3.5 ADRPI的应用电路 图7-24 单相交流电路拓扑 图7-25 ADRPI三相交流电路拓扑 7-4 移相控制软开关PWM变换器（Phase-Shifted Soft-Trans

11、formation PWM Converter） 7.4.1 零电压转换的电路拓扑及工作过程 图7-26全桥变换器主电路1.超前桥臂VT1的关断过程 2. VdVd2, 2, VTVT4 4同时导通的续流阶段 3.滞后桥臂VTVT4 4关断的谐振过程 4. VTVT3 3 VTVT2 2同时导通，负半周传送功率阶段 5.超前桥臂VTVT2 2开关关断过程 图7-28 T T2 2关断时C C1 1C C2 2恒流充放电过程 6. VDVDr rVTVT3 3同时导通的续流阶段 7. VTVT3 3关断，C C3,3,C C4,4,L Lr r的谐振充放电过程 8. VTVT1 1 VTVT4

12、4同时导通，正半周传输功率阶段 7.4.2 副方二极管换流和导通比丢失问题 图7-30 二极管换流过程从工作过程分析可以看出，对于超从工作过程分析可以看出，对于超前桥臂开关实现零电压转换是很容前桥臂开关实现零电压转换是很容易的，因为超前桥臂开关转换时，易的，因为超前桥臂开关转换时，变压器副方的影响是有助于实现零变压器副方的影响是有助于实现零电压转换的，这时副方滤波电感折电压转换的，这时副方滤波电感折算到原方，即副方负载电流也折算算到原方，即副方负载电流也折算到原方，使之转换时到原方，使之转换时C C1 1C C2 2 的谐振充的谐振充放电过程变成了恒流充放电过程。放电过程变成了恒流充放电过程。而滞后桥臂而滞后桥臂VTVT3 3 VTVT4 4转换时，由于副转换时，由于副方二极管换流，变压器副方通过二方二极管换流，变压器副方通过二极管给短路了，实现零电压转换的极管给短