电力电子技术第6章.软开关技术课件

1、第6章 软开关技术6.1 软开关的基本概念1、硬开关及其缺点 变流电路中的电力电子开关不是理想器件。开通时，开关管的电压不是立即降到零，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，有一个上升时间。在这段时间里，开关元件承受的电压和流过的电流有一个交叠区，会产生开关损耗，称之为开通损耗，其波形如图6-1（a）所示。同样，在开关关断时，开关管的电流也有一个下降过程，电压也有一个上升时间，电压和电流的交叠产生的开关损耗称之为关断损耗，其波形如图6-1（b）所示。开关器件在开关过程中产生的开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。具有这种开关过程的开关称为硬开关。 硬开关进行开关转换时存在的缺点：1）开关损耗大，

2、限制了开关器件的工作频率。2）方波工作方式会产生电磁干扰，存在较大的du/dt和di/dt。3）在桥式电路中，存在着上、下桥臂直通的短路问题。图6-1（b） 关断波形和损耗图6-1（a） 开通波形和损耗2、软开关及其优点 在原来的开关电路中，通过增加小电感、小电容及辅助开关等谐振元件，构成开关器件的辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程。 开关管开通前使其承受的电压先降为零，或关断前使其电流先降为零，就可消除开关过程中电压、电流的重叠，降低电压变化率du/dt或电流变化率di/dt，从而大大减少甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。 （1）零电压开关 开关开通前使其两端电压为

3、零，则开通时就不会产生损耗，该方式称为零电压开通，简称零电压开关，如图6-2(a)所示。(a)开通波形 (b)关断波形图6-2 软开关时电压和电流理想化波形及其开关损耗 （2）零电流开关 开关器件关断前使其电流为零，则开关关断时不会产生损耗，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。如图6-2(b)所示。3、 软开关电路与缓冲电路的区别 缓冲电路也可以减少器件的开关损耗、降低电压峰值和电流峰值、改善du/dt或di/dt。 在开关器件回路中串联电感L等元件，构成开通缓冲电路，开关器件导通时，它可以减缓电流的上升速度，抑制di/dt，降低开通损耗，当L足够大时近似为零电流开通，如图6-3(a)

4、所示。 在开关器件的两端并联电容C等元件，构成关断缓冲电路，开关器件关断时，它可以减缓器件电压上升速度，抑制du/dt，降低关断损耗，当C足够大时近似为零电压关断，如图6-3(b)所示。(a)开通波形 (b)关断波形图6-3 硬开关加缓冲电路时电压和电流理想化波形及其开关损耗 （2）缓冲电路虽减少了开关损耗，但把缓冲电路自身的损耗加进去，整体功耗还是增加了，且这种损耗随频率的增加也在增加。缓冲电路只是部分地改善了开关器件的工作条件，不能提高整体效率。故不将缓冲电路列为软开关技术。 6.2 软开关电路的分类 1、软开关技术分类：根据发展历程，可将其分为4大类：（1）全谐振型变换电路。也称谐振型变

5、换电路。按谐振类型分，可分为串联谐振和并联谐振电路两类。按负载与谐振电路的连接关系分，又可分为串联负载和并联负载谐振电路。（2）准谐振变换电路。可分为零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关多谐振电路和用于逆变器的谐振直流环节电路等4类。（3）零开关PWM电路。可分为零电压开关PWM变换电路和零电流开关PWM变换电路两类。（4）零转换PWM变换电路。它可分为零电压转换PWM变换电路和零电流转换PWM变换电路两类。2、软开关电路的基本单元 图6-4是软开关电路的基本开关单元，每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路。图6-4 基本开关单元的概念 下面分别介绍准谐振电路、零

6、开关PWM电路和零转换PWM电路三类软开关变换电路。 1、准谐振电路（QRC） 准谐振变换电路是在主开关电路中串、并联小电感和小电容，这类变换电路的特点是谐振元件只参与能量变换的某个阶段，而不是全程参与，谐振电路中的电压或电流波形为正弦半波，因此称之为准谐振。准谐振电路可以分为：1)零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching QuasiReson-ant Converter-ZVSQRC）；2)零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching QuasiReson- ant Converter-ZCSQRC）；3)零电压开关多谐振电路（Zero-Vol

7、tage-Switching MultiReson- ant Converter-ZVSMRC）；4)用于逆变器的谐振直流环节电路（Resonant DC Link）。 图6-5给出了前三种软开关电路的基本开关单元，谐振直流环节的电路见图6-10。图6-5 准谐振电路的基本开关单元 2、零开关PWM电路 零开关PWM变换电路是在准谐振变换电路基础上，增加了辅助开关而形成的。辅助开关用于控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，这样，电路就可以采用恒频控制方式即PWM控制方式。零开关PWM电路可分为：1）零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM Con -

8、verter-ZVSPWM）；2）零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM Con -verter-ZCSPWM）。 同准谐振电路相比，这类电路的优势是：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，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。 要实现软开关的PWM控制，只需控制Lr与Cr的谐振时刻。其方法是：要么在适当时刻先短接谐振电感，在需要谐振的时刻再断开；要么在适当时刻先断开谐振电容，在需要谐振的时刻再接通。由此得到不同形式的零开关PWM电路的基本开关单元，如图6-6所示，其中S1为辅助开关。图6-6 零开关PWM电路的基本开关

9、单元3、零转换PWM电路准谐振变换器的谐振电感和谐振电容一直参与工作；零开关PWM变换器的谐振元件虽不一直工作，但谐振电感却串在主回路中，损耗较大。为克服这些缺陷，提出了零转换PWM变换器。虽这类变换器也采用对谐振时刻进行控制来实现PWM控制，但与零开关变换器相比具有更突出的优点：（1）辅助电路只在开关管开关时工作，其它时候不工作，且辅助电路不是串在主回路中，而是与主回路并联，从而减小了辅助电路的损耗；（2）由于辅助谐振电路与主开关并联，因此输入电压和负载电流对辅助电路的谐振影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。这是它与零开关PWM变换器的根本区别。零转换P

10、WM电路可以分为：1）零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Con- verter-ZVT PWM）；2）零电流转换PWM电路（Zero-Current-Transition PWM Con- verter-ZCT PWM）。这两种电路的基本开关单元如图6-7所示。图6-76.3 典型的软开关电路6.3.1 准谐振（QRC）变换电路1、零电压开关准谐振电路（ZVS-QRC）（1）电路结构 图6-8(a)为Buck ZVS-QRC变换电路的电气原理图。假设电路中的所有元件均为理想元件，并且LLr，L足够大，在一个开关周期中其电流基本保持不变，为I0。这样，

11、L、C以及负载电阻可看成是一个电流为I0的恒流源。 工作波形如图6-8(b)所示。 下面逐段分析降压式半波型ZVS-QRC的工作过程，在t0时刻之前，开关S为通态，为负载提供电流I0。2、工作过程图6-8 Buck ZVS-QRC的电路图和主要工作波形（1）t0时刻，关断S，Cr充电，由于Cr的电压是从零开始上升的，故S为零电压关断。（2）t0t1期间：Cr以恒流I0充电，ucr线性上升，VD两端电压逐渐下降；直到t1时，uVD=0，VD导通，iLr开始下降。（3）t1t2期间：Lr与Cr谐振，Lr对Cr充电，ucr不断上升，在t2时刻Cr充电到谐振峰值ucr=Ui+I0 Zr，其中 ；而iL

12、r则下降到零。（4）t2t3期间：t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr改变方向，ucr不断下降，直到t3时刻，ucr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。（5）t3t4期间：t3时刻后，Lr向Cr反向充电，ucr继续下降，直到t4时刻ucr=0。（6）t4t5期间：Lr经VDS放电，ucr被钳位于零，Lr两端电压为Ui。iLr线性衰减，到t5时刻iLr=0。这一时段S两端电压为零，这期间开通S，则为零电压开通。（7）t5t6期间：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻iLr=I0，VD关断。此后S为通态，提供I0，VD为断态，直到下一开关周期。2、零电流开关准谐振电路（ZCS-QRC）（1）电路结构

13、图6-9(a)为降压斩波器（Buck）中常用的全波型ZCS-QRC零电流开关准谐振电路图。假设电路中的所有元件均为理想元件，且LLr，L足够大，在一个开关周期中其电流保持不变，为I0。这样，L、C以及负载电阻可看成一个电流为I0的恒流源。 图6-9(a)电路拓扑 图6-9 (b)主要工作波形2、工作过程ZCS-QRC的工作波形如图6-9(b)所示，工作过程如下： （1）在t1时刻，开关管S加驱动信号，开始导通，由于Lr 的限流作用，S为零电流开通。（2）t1t2期间：VD为 I0续流，ucr=0，iLr线性上升，diLr/dt=Ui/Lr。t2时刻，iLr上升到I0。（3）t2t3期间：Lr与

14、Cr谐振，iLr自I0上升到峰值又回到I0，为正弦半波；在t3时刻，Cr充电到峰值ucr=2Ui。2、工作过程（4）t3t4期间：iLr电流继续下降，Cr放电，共同为负载提供I0，在t4时刻iLr下降到零。（5）t4t5期间：Cr放电为负载提供I0，同时与Lr反向谐振，形成反向iLr，iLr流过二极管VD，到t5时iLr回到零。可见，在t4t5期间，VD导通，开关管S中的电流为零，这时关断S，则S是零电流关断。3、谐振直流环节电路（1）电路结构 该电路是交-直-交变换器的中间直流环节(DC-Link)，其电路结构如图6-10(a)所示。它是在直流环节中引入辅助谐振回路Lr和Cr，使电路中逆变环

15、节输入的直流电压不是恒定的直流，而是脉冲电压与零电压交替出现的高频谐振电压，这样逆变器的桥臂开关可以实现零电压转换。逆变器的负载常为电感性，且与谐振过程相比，感性负载的电流变化非常缓慢，负载电流可视为常量I0。其主要工作波形如图6-10(b)所示。 2、工作过程一个开关周期共有2个工作阶段，各阶段工作过程分析如下：在t0时刻之前，S导通，iLr经S续流，iLrI0。（1）t0t1期间：t0时刻，开关管S关断，Lr和Cr发生谐振，iLr对Cr充电，Cr上的电压上升，在t1时刻，ucr达到Ui，iLr达到峰值，随后iLr继续向Cr充电。图6-10 谐振直流环电路的等效电路及理想化波形（2）t1t2

16、期间：t1时刻后，iLr继续向Cr充电。直到t2时刻，iLr=I0，ucr达到谐振峰值。（3）t2t3期间：t2时刻后，ucr接着向Lr和L放电，iLr降低，到零后反向，直到t3时刻ucr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。（4）t3t4期间：自t3时刻开始，iLr从反向谐振峰值衰减，ucr继续下降，t4时刻，ucr=0，S的反并联VDS导通，ucr被箝位于零。（5）t4t0期间：负载电流一部分经VDS续流，iLr线性上升，S两端电压被箝位在零，在这段时间内开通S，开关S零电压开通，电流iLr继续线性上升，t5时刻，iLr=I0，直到t0时刻，S再次关断。t4t0阶段，直流母线电压被箝位成零，若这

17、时逆变桥内开关管换相，则也是零电压开通或关断。6.3.2 零开关PWM变换电路（ZS-PWM）1、零电压开关 PWM变换电路（ZVS-PWM）（1）电路结构以Buck变换器为例，若在准谐振变换器的谐振电容上串接一个可控开关则构成如图6-11(a)所示的零电压开关PWM变换器。 (a)电路拓扑 (b)主要工作波形图6-11 ZVS-PWM拓扑及主要工作波形2、工作过程 一个工作周期分为7个阶段，设电路初始状态为主开关S导通，辅助开关S1关断，续流二极管VD关断，输出电流I0全部流过主开关S和谐振电感Lr，各阶段的工作过程如下：（1）t0t1期间：谐振电容充电阶段。t0时刻，开关S关断，负载电流

18、I0通过S1的本体二极管给电容Cr充电，Cr上的电压线性上升，在t1时刻，ucr达到Ui，iLr开始减小，VD导通。（2）t1t2期间：谐振电感放电阶段。t1时刻，VD导通，负载电流一部分经VD续流，一部分经谐振电感给电容充电，电感电流iLr下降，t2时刻，iLr下降到零，这时电容电压达到峰值。（3）t2t3期间：负载电流续流。t2时刻iLr降到零，ucr达到峰值，随后iLr维持零电流，ucr维持峰值电压，直到t3时刻S1导通。（4）t3t5期间：谐振阶段。t3时刻，S1导通，Lr和Cr开始谐振，ucr开始下降，iLr反向增大，t4时刻，ucr降至Ui，iLr达到反向峰值；随后iLr反向减小，

19、ucr继续下降，直至t5时刻，ucr降到零。（5）t5t6期间：iLr续流阶段。t5时刻，ucr下降到零，iLr经VDS续流，S两端电压ucr被箝在零电压，在这期间开通S，S零电压开通，t6时刻反向电流下降到零。（6）t6t7期间：谐振电感充电。t6时刻，S在零电压下开通，接着流过S的电流线性增大，直到t7时iLr达到I0，VD关断。（7）t7t8期间：能量传递阶段。该阶段完成能量从输入到输出的传递任务，直到t8时刻S关断，进入下一个工作周期。2、零电流开关 PWM变换电路（ZCS-PWM）（1）电路结构以Buck型变换器为例，若在谐振电容上串接一个可控开关则构成如图6-12(a)所示的零电流

20、开关PWM变换器。 图6-12 零电流开关PWM变换器2、工作过程 ZCS-PWM变换器的一个工作周期分为7个阶段。设电路初态为主开关S关断，辅助开关S1关断，续流二极管VD导通，输出电流I0全部经过VD续流，谐振电感电流iLr=0，谐振电容电压ucr =0，各阶段的工作过程分析如下：（1）t0t1期间：谐振电感充电阶段。t0时刻开关S导通，由于VD导通，输入电压Ui全部加在谐振电感Lr上，iLr线性上升，在t1时刻，iLr达到I0，VD关断，ucr开始增大。（2）t1t3期间：电容谐振充电阶段。t1时刻，iLr达到I0，VD关断，Lr和Cr开始第一次谐振，iLr一部分维持负载电流，一部分给电

21、容充电，t2时刻，ucr达到Ui，iLr达到峰值，之后iLr开始下降，ucr 继续上升，t3时刻，iLr下降到等于I0，ucr达到峰值。（3）t3t4期间：电感恒流阶段。t3时刻iLr下降到等于I0，ucr达到峰值，随后iLr维持在I0，ucr维持峰值电压，直到t4时刻S1导通。（4）t4t5期间：电容谐振放电阶段。t4时刻，S1导通，Lr和Cr开始第二次谐振，ucr、iLr均开始下降，某个时刻iLr下降到零并开始反向增大。图中t5时刻iLr下降到零。（5）t5t7期间：电容谐振放电阶段。t5时刻iLr下降到零，随后开始经VDs反向增大，t6时刻，ucr等于Ui，iLr到反向峰值，之后开始下降

22、，t7时刻，iLr再次下降到零，第5阶段结束。在这一阶段关断S，则S零电流关断。（6）t7t8期间：电容线性放电阶段。t7时刻，iLr反向下降到零，谐振电容在负载电流I0的作用下线性放电，t8时刻，ucr=0，VD导通。（7）t8t10期间：续流阶段。该阶段负载电流通过VD续流，t9时刻，S1零电流关断，t10时刻，S再次导通，进入下一个工作周期。6.3.3 零转换PWM变换电路（ZT-PWM）1、零电压转换 PWM变换电路（ZVT-PWM）（1）电路结构 零电压转换（ZVT）PWM变换器是把谐振网络并联在开关上，使得电路中的有源开关（开关管S）和无源开关（二极管）二者都实现零电压开关，且不增

23、加器件的电压、电流容量。理论上说，只要在基本的DC-DC变换器的开关上并联可控的并联谐振环节就能得到相应的零电压转换PWM变换器。 以零电压转换PWM Boost为例来分析变换器的工作原理。该电路如图6-13(a)所示，为简化分析，假设输入滤波电感L足够大，输入电流看成是理想的直流电流源Ii，同时，假定输出滤波电容足够大，输出电压看成是理想的直流电压源U0。 一个开关周期内存在8个不同的工作阶段，其主要工作波形如图6-13(b)所示，各阶段工作过程分析如下：。 图6-13 零电压转换PWM Boost变换器2、工作过程 （1）t0t1期间：谐振电感充电阶段。t0以前，主开关S和辅助开关S1断态

24、，二极管VD导通。t0时刻，S1导通，电感Lr中电流线性上升，VD中的电流线性减小，t1时刻iLr达到 Ii，VD中的电流下降到零，VD在软开关下关断。（2）t1t2期间：谐振阶段。t1时刻iLr达到 Ii，VD中的电流下降到零，VD关断， Lr和Cr开始谐振，Cr中的能量开始向Lr转移，iLr继续增大，ucr开始下降，t2时刻，iLr达到峰值，ucr下降到零。（3）t2t3期间：iLr续流阶段。t2时刻iLr达到峰值，ucr下降到零。随后VDS导通给iLr续流并维持峰值，ucr维持零，直到t3时刻S1关断。（4）t3t4期间：谐振电感放电阶段。t3时刻，S1关断，VD1导通，iLr和VDS中

25、的电流开始下降，t4时刻，VDS中的电流下降到零，第4阶段结束。t2t4时间段内，S反并联二极管VDS导通，这时开通S，S零电压导通。（5）t4t5期间：谐振电感放电阶段。t4时刻，VDs中的电流下降到零，随后S开始导通，iS增大，iLr减小，t5时刻iS等于Ii，iLr下降到零。（6）t5t6期间：储能电感充电阶段。t5时刻iLr下降到零，iS上升到Ii，随后S为输入电流提供续流回路。该状态维持到t6时刻，S关断。（7）t6t7期间：谐振电容充电阶段。t6时刻，S在谐振电容的作用下软关断(广义)，随后谐振电容两端电压ucr即S两端电压线性上升，t7时刻，ucr上升至U0，随后VD导通。（8）

26、t7t8期间：能量传输阶段。t7时刻，VD导通，ucr电压被箝在U0，直到t8时刻，S1导通，进入下一个工作周期。3、电路特点（1）该方案实现了主开关管S和升压二极管VD的软开关。（2）辅助开关是零电流开通，但是属于硬关断，需要改进其关断条件。（3）主开关管S和升压二极管VD中的电压、电流应力与不加辅助电路一样。（4）辅助电路的工作时间很短，其电流有效值很小，因此损耗小。（5）在任意负载和输入电压范围内均可实现ZVS。（6）实现了恒频率PWM工作方式。2、零电流转换 PWM变换电路（ZCT-PWM）（1）电路结构 ZCT-PWM变换器把谐振网络并联在开关上，使得电路中的有源开关（开关管S）和无

27、源开关（二极管VD）二者都实现零电流开关，且不增加器件的电压、电流容量。理论上说，只要在基本的DC-DC变换器的开关上并联可控的串联谐振环节就能得到相应的零电流转换PWM变换器。 零电流转换PWM Boost变换器的电路如图6-14(a)所示。为简化分析，假设输入滤波电感L足够大，输入电流看成是理想的直流电流源Ii，同时，假定输出滤波电容足够大，输出电压看成是理想的直流电压源U0。 一个开关周期内存在7个不同的工作阶段，其主要工作波形如图6-14(b)所示，各阶段工作过程分析如下： 图6-14 零电流转换PWM Boost变换器 2、工作过程（1）t0t1期间：谐振阶段。t0以前，主开关S通态

28、、辅助开关S1断态，VD断态，ucr=-U0。t0时刻，S1导通，Lr和Cr谐振，iLr上升。ucr反向减小，同时iS减小，t1时刻，iS减小到零。（2）t1t3期间：谐振阶段。t1时刻，iS减小到零，随后S的反并联二极管VDS导通，t2时刻iLr达到最大值。ucr反向下降到零，接着iLr减小，ucr正向增大，流过S的VDS中的电流减小，t3时刻，VDS中的电流降到零，iLr下降到Ii，随后VD开始导通。若S在t1t3期间关断，S为零电流关断。（3）t3t4期间：谐振阶段。t3时刻，VDS中的电流下降到零，VD开始导通，iVD开始增大，直到t4时刻，S1关断。（4）t4t5期间：谐振阶段。t4

29、时刻，S1关断，VD1导通，Lr和Cr通过VD1构成回路继续谐振，iLr继续下降，ucr继续增大，t5时刻iLr下降到零，iVD上升到Ii，ucr上升到最大值(U0)。（5）t5t6期间：能量传输阶段。t5时刻iLr下降到零，iVD上升到Ii，由于iLr没有反向流动的通路，Lr和Cr停止谐振。随后Cr两端电压保持不变，该状态维持到t6时刻，S导通。（6）t6t8期间：谐振电容反向充电阶段。t6时刻，S导通，Lr和Cr通过S构成回路谐振，iLr反向增大，iS正向增大，t7时刻ucr谐振到零，iLr谐振到最大值，iS也达到最大值，t8时刻iLr反方向降到零，ucr达到负的最大值(-U0)，iS回到

30、Ii。（7）t8t9期间：储能电感充电阶段。t8时刻，iLr反向降到零，ucr达到负的最大值(-U0)，iS回到Ii，S继续导通为输入电流Ii提供续流回路，直到t9时刻S1导通，进入下一个工作周期。3、电路特点（1）在任意输入电压和负载范围内，均可实现主开关管的零电流关断，但主开关管不是零电流开通。该方案实现了主开关管S和升压二极管VD的软开关。（2）辅助电路的能量随着负载的变化而调整，并且其工作时间很短，因此损耗小。（3）实现了恒频率PWM工作方式。（4）升压二极管存在反向恢复问题。3、移相全桥型零电压开关ZVS-PWM电路（1）电路结构 移相全桥电路同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使4个开关均为零电压开通，电路结构如图6-15所示。该电路控制方式的特点：（1）在开关周期T内，