第三讲软开关型电力变换器(2)

1、3.3 LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性n采用硬开关时，提高变换器 的开关频率fs可改善变换器的特性(如SPWM改善输出波形)，减小LC滤波器及变压器的重量和体积。但使硬开关变换器的开关损耗成比例的提高。n引入LC缓冲器后软开关能降低开关器件的功耗，但L、C、R的功耗不一定能使整个变换器的效率提高很多。n零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器高频化比较理想的技术。13.3 LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性(续续1)开关过程：开关过程：开通开通：加入：加入+VG后开关管从后开关管从断态（断态（rT） 通态（通态（rT 0 0）的过程的过程关断关断：无：无VG后开关管后开关

2、管从从rT0的通态的通态 rT的断态的过程。的断态的过程。iTBLfVD+ VT -AIf = IoCfTDIoVo23.3 LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性(续续2)n主电路开关管处于主电路开关管处于断态时断态时，引发，引发Lr，Cr谐振使谐振使vT0，再，再加加VG开通开关管，开通开关管， rT从从00期间，期间，v vT T0 0，零电压开通零电压开通。n主电路处于主电路处于通态时通态时引发引发Lr，Cr谐振使谐振使iT0，再撤除，再撤除VG关关断开关管，断开关管， rT从从0期间，期间，i iT T0 0，零电流关断零电流关断。iTBLfVD+ VT -AIf = IoCfTD

3、IoVoTvTrTiOI1t2t3t4t5t6t7t8t9t10tTvTvDVTvTiTrTvTit态断过程开通通态过程关断态断图2.6 零电压开通、零电流关断时图2.6 零电压开通、零电流关断时33.3 LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性(续续3)在在断态期断态期tt1时时引发引发Lr、Cr谐振谐振，t=t2使使vT0后，在后，在t3时加时加VG，rT从从0，在，在vT从从0的开通过程的开通过程中，因中，因vT0，Pon0，tt4建立建立iT时，时，rT已为已为0，Pon0，实现，实现零电零电压开通压开通。在在通态期通态期tt6时时引发引发Lr、Cr谐振，谐振， t=t7使使iT0后，

4、在后，在t8时撤除时撤除+VG，rT从从0的关断过程中的关断过程中iT0，Poff0，tt9建立建立vT时，时，rT已为已为，iT0，Poff=0，实现，实现零电流关断零电流关断。图8.3 硬开关、缓冲软开关、零电压开关轨迹TvTrTiOI1t2t3t4t5t6t7t8t9t10tTvTvDVTvTiTrTvTit态断过程开通通态过程关断态断图图2 2. .6 6 零零电电压压开开通通、零零电电流流关关断断时时TTTriv、4一、零开关（ZERO-SWITCHING）谐振变换器谐振电感Lr串接在主电路中 1. 零电压开通ZVS PFM(QRC)：必须IoZrVD,VT2VD 2. 零电压开通

5、ZVS PWM ：必须IoZrVD,VT2VD 3. 零电流关断ZCS PFM(QRC)：必须VD/ZrIo,IT2Io 4. 零电流关断 ZCS PWM ：必须VD/ZrIo,IT2Io二、零转换(Zero-Transition)谐振变换器：变换器主电路输入电流不经过谐振电感Lr ，Lr在电路中不参与对负载通态供电。 1. 零电流转换：ZCT 2. 零电压转换：ZVT3.4 谐振零开关类型谐振零开关类型5VDD1DT1T2iLLrLfCf+R-VDVLVg1VoD2Vg2CrIoIo+-3.5 ZVS和和ZCS电路电路ZCS-PFMZVS-PWM6ZCS-PWMZVS-PFM3.5.1 零电

6、压开通脉冲宽度调制（零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器）变换器(1)开关状态开关状态1 1：t t0 0tttt1 1ttotto：T T1 1、T T2 2都通态，都通态，i iT1T1=i=iL L=I=Io o, i, iT2T2=0=0， D D0 0截止截止t=tt=t0 0：关断关断T T1 1，i iT1T1下降，下降，v vT1T1= =v vcrcr从零上升，从零上升，CrCr使使T T1 1软关断软关断t tt t1 1：i iT T下降到零，下降到零，icic使使CrCr充电，充电，v vcrcrv vT1T1上升到上升到V VD D，i iL L经经D D2

7、 2、T T2 2续流，续流，I I0 0经经D D0 0续流，续流，T T1 1关断过程结束，电路进入断态，关断过程结束，电路进入断态，v vo =0=073.5.1 零电压开通脉冲宽度调制（零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器（）变换器（2）开关状态开关状态2 2：t t1 1tttt2 2T T1 1断态，断态，v vcrcrv vT1T1V VD D，i iL L经经D D2 2、T T2 2续流。续流。IoIo经经D D0 0续流。在续流。在T Toffoff期间输出电压断态，期间输出电压断态，v v0 0=0=083.5.1零电压开通脉冲宽度调制（零电压开通脉冲宽度调制（

8、ZVS PWM）变换器（）变换器（3）开关状态开关状态3：t2tt3t=t2：关断关断T2时，时，iL ， D0在导电，在导电， vLVT2很小，很小， T2软关断软关断 关断关断T2，VD、Cr、Lr谐振半个周谐振半个周期到期到t3 t=t3： vcrVT1VD，iL达到负最大值达到负最大值93.5.1零电压开通脉冲宽度调制（零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器（）变换器（4）开关状态开关状态4：t3tt8 如果如果IoZrVD,则当则当vT1 vcr0时时iT1仍为负值。此后负值仍为负值。此后负值iL经经D1向向VD回送电回送电流，直到流，直到t=t6，在在t4t6期，期，vT1

9、0。若在。若在t5加加VG1开通开通T1，则为零电压开通。，则为零电压开通。103.5.1零电压开通脉冲宽度调制（零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器（）变换器（5）开关状态开关状态4：t3tt8tt6：T1导通，导通，iL0， vcrvT10，T2早已关断，此后早已关断，此后VD经经T1、Lr建立建立iT1t=t8：iT1Io，D0截止，完成截止，完成T1开通过程；开通过程；113.5.1零电压开通脉冲宽度调制（零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器（）变换器（6）开关状态开关状态5：t8tVVVIoVZrIocrVIoZr2DLrLrCrCrVVV零电压开通的条件是最小负

10、载电流：或、最高电压：为使开通期过渡过程尽量短些，取：为使开通期过渡过程尽量短些，取：2(0.10.05)(0.10.05)/2rrrSrrSTL CTL CT143.5.2零电压开通准谐振变换器零电压开通准谐振变换器ZVS QRCs D1T1VdiLiTLrDCfARCric+-( a )电路LfIf=Io1. 0tt1 谐振电容充电到Vd 2. t1 tt2 开始谐振过程 3. t2tt3 iL反向， 谐振过程继续4. t3tt4 vcr等于零,ZVS5. t4tt5 电源对负载供电)(cos10ttIirL)(sin10ttZIVvvrrdTcrVgTsVgtttt0000t1t2t3t

11、3t4t4t5iT iDiT iDiD1iT Io( c )iT、iD波形( d )iL波形iLiLiLicIoVdvT=vcIoZr零电压开通准谐振BUCK DC/DC( b )驱动波形( e )vc波形15ZVS的特性VgTsVgtttt0000t1t2t3t3t4t4t5iT iDiT iDiD1iT Io( c )iT、iD波形( d )iL波形iLiLiLicIoVdvT=vcIoZr图8.8 零电压开通准谐振BUCK DC/DC变换器工作原理( b )驱动波形( e )vc波形零开关条件：（电压应力大）rdZVI 0Lr、Cr的取值：min021IVfLdrrdrrVIfCmin0

12、21工作方式：PFM开关频率将随着输出电压变化而变化。rrrCLZ rrrCLf2116 一、一、ZVS PWMZVS PWM：有辅助开关管有辅助开关管T T2 2及及LrLr、CrCr；关断辅助开关管关断辅助开关管T T2 2可可 实现实现T T1 1的零电压开通的零电压开通 可实现主开关可实现主开关T T1 1及辅助开关及辅助开关T T2 2零电压开通及软关断零电压开通及软关断 可采用可采用PWMPWM调压调压二、二、ZVS PFM：无辅助开关无辅助开关T2，仅有，仅有Lr、Cr 靠主开关关断引起靠主开关关断引起Lr、Cr谐振造成主开关管的谐振造成主开关管的 零电压开通，只能零电压开通，只

13、能PFM调压调压 三、共同点：三、共同点：实现零电压开通的条件都是：实现零电压开通的条件都是：IoZrVD， 主开关管及电容最高电压都是：主开关管及电容最高电压都是：VDIoZr2VDminDIoVrrLC3.5.3 ZVS-PWM和和ZVS-PFM比较比较17开关状态开关状态： t0- t1tt0时，加时，加VG1，T1软开通软开通(因为有因为有 Lr)，iT1，tt1，iT1iLIo，D0断态断态3.5.4 零电流关断脉冲宽度调制（零电流关断脉冲宽度调制（ZCS PWM）变换器（）变换器（1）图2.11 ZCSPWM tIo则则iL变负时（变负时（iT10） vcr还大于还大于VD，在，在

14、t5时刻撤除时刻撤除VG1，则则T1零电流关断零电流关断. T1零电流关断条件：零电流关断条件：VD/ZrIoi iT1maxT1maxi iLmaxLmaxV VD D/Zr+Io2Io/Zr+Io2Io若若V VD D/ZrIo/Zr2Io3.5.4 零电流关断脉冲宽度调制（零电流关断脉冲宽度调制（ZCS-PWM）变换器（）变换器（7）243.5.5 零电流关断ZCSQRCsB( a )电路D1iD1iLT1LrCrVdACfDRLfIf=IoiT1.0tt1 ,T1导电，VAB=0。2. t1tt2 ,iL=iT从Io增加再降为零。3. t2tt3 , iL从零变负，又回到零。在此期间D

15、1导电，T1断流且加有1-2伏反压。(撤驱动信号，零电流关断)4. t3tt4 ，电容Cr经Lf继续放电至零。5. t4tt5 ,在此期间，续流二极管D导电，直到t= t5时T1再次被驱动开通。开始新的谐振过程。 )(sin10ttZVIiirrdLT)-(cos-11ttVvrdcr( b )驱动波形VGttttiTIo0000t1t1t1t2t2t2t3t3t4t5Vd/ZrvTEFAvcr2Vd( c )iT波形(d) vT波形( e )vcr波形图8.7 零电流关断准谐振BUCKDC/DC变换器工作原理t4t5VdVDTs253.5.5 ZCS的特性( b )驱动波形VGttttiTI

16、o0000t1t1t1t2t2t2t3t3t4t5Vd/ZrvTEFAvcr2Vd( c )iT波形(d) vT波形( e )vcr波形图8.7 零电流关断准谐振BUCKDC/DC变换器工作原理t4t5VdVDTsmax0/ICLVZVrrdrd零开关条件：（电流应力大）rrrrCLf12121Lr、Cr的取值：max021IVfLdrrdrrVIfCmax021工作方式：PFM开关管承受电流至少是最大负载电流的2倍26一、一、ZCS PWMZCS PWM：有辅助开关管有辅助开关管T T2 2及及LrLr、CrCr； T T2 2开通可实现开通可实现T T1 1零电流零电流 关断，可实现主开关关断，可实现主开关T T1 1及辅助开关及辅助开关T T2 2零电流关断及零电流关断及 软开关开通；可采用软开关开通；可采用PWMPWM调压调压二、二、ZCS PFM：无辅助