电力电子10-1ppt课件

1、 软开关技术分析2019第 41讲7-2主要内容： 引言 10.1 软开关的基本概念 10.2 软开关电路的分类 10.3 典型的软开关电路 本章小结7-31. 软开关技术的引言现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。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。 7-42. 软开关的基本概念 10.1.1 硬开关和软开关 10.1.2 零电压开关和零电流开关7-51 ） 硬开关和软开关 硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压、

2、电流变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声大。t0a硬开关的开通过程b硬开关的关断过程图101 硬开关的开关过程uiP0uituuiiP007-61） 硬开关和软开关 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。 降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a软开关的开通过程b软开关的关断过程图102 软开关的开关过程7-72） 零电压开关和零电流开关零电压开通开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。零电压关断与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，

3、从而降低关断损耗。零电流开通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。通常不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。靠电路中的谐振来实现。7-82 . 软开关电路的分类1根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。2根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。3每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。7-92. 软开关电路的分类图103基本开关单元的概念a基本开关单元b降压斩波器中的基本开关单元c升压斩波器中的基本开关单元d升降压斩波器中的基本开

4、关单元7-102. 软开关电路的分类1 1准谐振电路 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。是最早出现的软开关电路。 特点： 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，因此电路只能采用脉冲频率调制Pulse Frequency ModulationPFM方式来控制。分别介绍三类软开关电路：7-112 软开关电路的分类2可分为： 用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link）。图10-4 准谐振电路的基本开关单元c)零电压开关多谐振电路的基本开

5、关单元 零电压开关多谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零电压开关准谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）7-122. 软开关电路的分类3 2零开关PWM电路 引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过

6、程前后。零开关PWM电路可以分为： 特点：特点： 电压和电流基本上是方波，只是上升沿电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低。和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低。电路不采用开关频率固定的电路不采用开关频率固定的PWMPWM控制方控制方式。式。b)零电流开关PWM电路的基本开关单元图105 零开关PWM电路的基本开关单元 零电流开关PWM电路Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）a)零电压开关PWM电路的基本开关单元 零电压开关PWM电路Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS

7、 PWM）7-132. 软开关电路的分类4 3零转换PWM电路 采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。零转换PWM电路可以分为： 特点：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。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。b零电流转换PWM电路的基本开关单元图106 零转换PWM电路的基本开关单元 零电流转换PWM电路Zero-Current Transition PWM ConverterZCT PWM）a零电压转换PWM电路的基本开关单元 零电压转换PWM电路Zero-Voltage-Transition PWM Conver

8、terZVT PWM）7-143 . 典型的软开关电路 10.3.1 零电压开关准谐振电路 10.3.2 谐振直流环 10.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 10.3.4 零电压转换PWM电路7-151） 零电压开关准谐振电路1（1电路结构以降压型为例分析工作原理。假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。图10-7 零电压开关准谐振电路原理图7-161） 零电压开关准谐振电路2选择开关S关断时刻为分析的起点。t0之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL ，t0时刻S关断，与其并联的电容Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小。S关

9、断后，VD未导通，电路的等效电路如图10-9（2工作原理t0t1时段的等效电路SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图10-8零电压开关准谐振电路的理想波形图10-7 零电压开关准谐振电路原理图t0t1时段： S关断后， VD尚未导通。 电感Lr+L向Cr充电， uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降， 直到t1时刻，uVD=0，VD导通。这一时段uCr的上升率： （10-1）rrddCItuLCt1t2时段： t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流， Cr、Lr、Ui形成谐振回路。谐振过程中，Lr对Cr充电，uCr不断上升，iLr不

10、断下降， t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。t1t2时段的等效电路t2t3时段： VD一直导通 t2时刻后， Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui， iLr达到反向谐振峰值。t3t4时段： VD导通着； t3时刻以后， Lr向Cr反向充电， uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。 t1t4时段电路谐振过程的方程是： （10-2）,|,|4111tttIiUuidtduCUudtdiLLttLrittCrLrCrriCrLrrt4t5时段： T4时刻 uCr被箝位于零， iLr线性衰减，直到t5时刻， iLr=0。由于此时开关S两端电压为零，所以必须在此时开通S，才不会产生开

11、通损耗。t5t6时段： t5时刻 S为通态， iLr线性上升，直到t6时刻， iLr=IL， VD关断。 t4t6时段电流iLr的变化率为： （10-3）riLrLUdtdi7-23t6t0时段：S为通态，VD为断态。电路工作的缺点如下：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，增加了对倍，增加了对开关器件耐压的要求。开关器件耐压的要求。 SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图10-8零电压开关准谐振电路的理想波形u（3） t1t4时段电路谐振过程的定量分析 谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，通过对

12、谐振过程的详细分析可以得到很多对软开关电路的分析、设计和应用具有指导意义的重要结论。 通过求解式10-2可求得uCr （即开关S上的电压uS ）的表达式： （10-4） 求其在t1，t4上的最大值就得到uCr的谐振峰值表达式 这一谐振峰值就是开关S承受的峰值电压： （10-5）,1,)(sin)(4112tttCLUttICLturrrirLrrCriLrrpUICLU2 从式10-4可以看出如果正弦项的幅值小于Ui，则uCr就不能谐振到零，S也不能实现零电压开通，因此有式： （10-6） 就是零电压开关准谐振电路实现软开关的条件。 综合10-5式和10-6式，谐振电压峰值将高于输入电压Ui的

13、2倍，开关S的耐压必须相应地提高。 这就增加了电路的成本，降低了可靠性。 这是零电压开关准谐振电路的一大缺点。iLrrUICL2 这样电路实现了在零电压时由断到通的一个过程。 此时开通S，才不会产生开通损耗。 第41讲到此结束。 同学们，再见。典型的软开关电路谐振直流环2019第42-43讲-17-29 谐振直流环1谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节DC- Link）。通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。1电路结构图 10-11 谐振直流环电路原理图谐振直流环2 由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不

14、变的，因此分析时可将电路等效。 利用辅助开关S和Lr， Cr就可以使逆变桥中所有的开关工作再零电压开通的条件下。 怎样工作的?图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 7-31谐振直流环3t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 10-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 如右图的等效电路 t0时刻之前， 开关S处于通态， iLrIL。 即:电感Lr的电流iLr大于负载电流IL2工作原理t 0t1时段： t0时刻 S关断，电路中发生谐振。因为iLrIL ，因此iLr对Cr充电，使电容器上电压不断升高。充电电流增大；到t1时刻， uCr=Ui

15、。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 10-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 t1t2时段： t1时刻，谐振电流iLr达到峰值。 t1时刻以后， iLr继续向Cr充电，但电流减小直到t2时刻电容器Cr充电结束，充电电流为零 iLr=IL， uCr达到谐振峰值。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 10-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 t2t3时段： t2时刻后， uCr向Lr和L放电，放电电流增大引起iLr降低，到零后自动反向，uCr继续向Lr放电，其电压值下降直到t

16、3时刻 uCr=Ui。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 10-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 t3t4时段： t3时刻， iLr达到反向谐振峰值，开始衰减， uCr继续下降， t4时刻，并联在开关S两端的电容器上电压uCr=0， S的反并联二极管VDS导通， uCr被箝位于零。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 10-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 7-36t4t0时段：这段时间，控制S导通，是在零电压下开通的。S再次导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再

17、次关断。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 10-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。 我们叙述了开关S从断开始引出的控制运动过程。在t4时刻后，S可在零电压下开通，开关噪声和损耗小。 而硬开关就不一样了。 同零电压开关准谐振电路一样，谐振直流环电路中并联在开关管两端的电容器上所充的电压很高，达到了Ui的两倍值。 这样对管子的耐压提出了更高的要求。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图 10-13 谐振直流环电路的理想化波形 图 10-12 谐振直流环电路的等效电路 典

18、型的软开关电路移相全桥型零电压开关PWM电路2019第42-43讲-27-393） 移相全桥型零电压开关PWM电路 移相全桥电路是目前应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，仅增加了一个谐振电感Lr ，就使四个开关均为零电压开通。图 10-14 移相全桥零电压开关PWM电路7-40移相全桥型零电压开关PWM电路11移相全桥电路控制方式的特点：（1在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；（2同一半桥中两个开关不能同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。图 10-14 移相全桥零电压开关PWM电路7-

19、413） 移相全桥型零电压开关PWM电路2 （3互为对角的两对开关S1、S4和S2、S3，S1的波形比S4超前0TS/2时间，而S2的波形比S3超前0TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 10-15 移相全桥电路的理想化波形图 10-14 移相全桥零电压开关PWM电路7-423 移相全桥型零电压开关PWM电路3 2工作过程：S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1

20、t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 10-15 移相全桥电路的理想化波形 t0t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻开关S1关断。图 10-16 移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路t1t2时段：时段： t1时刻前S2处于关断状态，开关S1关断后，其等效电路如下图电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路， uA不断下降，到t2时刻，uA=0，原来已关断的S2上并联的二极管VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。t2t3时段：t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态，因此S2为零电压开通。所以开通S2无损

21、耗；S2开通后，电路状态不会改变，电流iLr通过VDS2续流。iLr下降，直到t3时刻，S4关断，7-45t3时刻开关 S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。因此S3为零电压开通。t3t4时段：时段：S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 10-15 移相全桥电路的理想化波形

22、图 10-17移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路7-46S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。t4t5时段：图 10-14 移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 10-15 移相全桥电路的理想化波形需要说明的是：t0t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。t5t6时段是S2和S3导通的， iLr电流反向t5t6时段：

23、这一时段，S2与S3导通，直到t6时刻开关S2关断。t6t7时刻：t6时刻前S1处于关断状态，开关S2关断后，其等效电路如下图电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路， uB不断下降，到t7时刻，uB=0，原来已关断的S1上并联的二极管VDS1导通，电流iLr通过VDS1续流。t7t8时刻：t7时刻开关S1开通，由于此时其反并联二极管VDS1正处于导通状态，因此S1为零电压开通。所以开通S1无损耗；S1开通后，电路状态不会改变，电流iLr通过VDS1续流。iLr下降，直到t8时刻，S3关断，t8t9时刻：t8时刻开关 S3关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压

24、均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断减小，B点电压不断下降，直到S4反并联二极管VDS4导通。这种状态维持到t9时刻S4开通。因此S4为零电压开通。t9t0时刻：S4开通后，Lr的电流继续增大。iLr增大到零后下向增大，t时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD1中后面电路稳定在S1和S4导通阶段.典型的软开关电路零电压转换PWM电路2019-6第42-43讲3 零电压转换PWM电路是另一种软开关电路，具有电路简单、效率高等优点。7-551零电压转换PWM电路工作过程： 在图10-8的升压斩波电路中，辅助开关S1

25、超前于主开关S开通，S开通后S1关断。下面分析电路的工作过程：图10-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图10-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形t0t1时段： 这一时段：S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长， 二极管VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图10-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形7-57t1t2时段：Lr与Cr构成谐振回路，Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr=0， VDS导通，电容器上电压uCr被箝位于零，而电流