压开关与零电流开关的定义

第五章开关电源新技术(参考内容)

《现代电源实用技术》

电子教案目录概述5－3软开关新技术5－3.1软开关的基本概念5－3.1.1硬开关与软开关5－3.1.2零电压开关与零电流开关5－3.2软开关电路的分类5－3.3典型的软开关电路5－3.3.1零电压开关准谐振电路5－3.3.2谐振直流环5－3.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路5－3.3.4零电压转换PWM电路本章小结概述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。5－3.1.1硬开关与软开关硬开关：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。产生较大的开关损耗和开关噪声。软开关：在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，使开关条件得以改善。降低开关损耗和开关噪声。软开关有时也被成为谐振开关。工作原理：软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。5－3.1.2零电压开关与零电流开关软开关分类零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。图5-1

零电压开关准谐振电路及波形a）电路图b）理想化波形（显示放大图）零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。图5-2

硬开关电路及波形a）电路图b）理想化波形（显示放大图）5－3.1.2零电压开关与零电流开关零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。5－31.2零电压开关与零电流开关5－3.2软开关电路的分类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。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。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。图5-3基本开关单元的概念（显示放大图）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关单元5－3.2软开关电路的分类1．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。为最早出现的软开关电路，可以分为：零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）；图5-4

准谐振电路的基本开关单元（显示放大图）a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元b）零电流开关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关单元5－3.2软开关电路的分类零电流流开关关准谐谐振电电路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）；；零电压压开关关多谐谐振电电路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）；；用于逆逆变器器的谐谐振直直流环环节(ResonantDCLink））。特点：谐振电电压峰峰值很很高，，要求求器件件耐压压必须须提高高；谐振电电流有有效值值很大大，电电路中中存在在大量量无功功功率率的交交换，，电路路导通通损耗耗加大大；谐振周周期随随输入入电压压、负负载变变化而而改变变，因因此电电路只只能采采用脉脉冲频频率调调制（（PulseFrequencyModulation——PFM））方式来来控制制。5－3.2软开关关电路路的分分类2．零零开开关PWM电路引入了了辅助助开关关来控控制谐谐振的的开始始时刻刻，使使谐振振仅发发生于于开关关过程程前后后。零开关关PWM电路可可以分分为：：零电压压开关关PWM电路（（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter——ZVSPWM））；零电流流开关关PWM电路（（Zero-Current-SwitchingPWMConverter——ZCSPWM））。特点：：电压和和电流流基本本上是是方波波，只只是上上升沿沿和下下降沿沿较缓缓，开开关承承受的的电压压明显显降低低；电路可可以采采用开开关频频率固固定的的PWM控制方方式。。图5-3零开关关PWM电路的的基本本开关关单元元a）零电压压开关关PWM电路的的基本本开关关单元元b）零电流流开关关PWM电路的的基本本开关关单元元（显示示放大大图））5－3.2软开关关电路路的分分类3．零零转转换PWM电路采用辅辅助开开关控控制谐谐振的的开始始时刻刻，但但谐振振电路路是与与主开开关并并联的的。零转换换PWM电路可可以分分为：：零电压压转换换PWM电路（（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）；；零电流流转换换PWM电路（（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）。。特点：：电路在在很宽宽的输输入电电压范范围内内和从从零负负载到到满载载都能能工作作在软软开关关状态态。电路中中无功功功率率的交交换被被削减减到最最小，，这使使得电电路效效率有有了进进一步步提高高。图5-6零转换换PWM电路的的基本本开关关单元元a）零电压压转换换PWM电路的的基本本开关关单元元b）零电流流转换换PWM电路的的基本本开关关单元元（显示示放大大图））5－3.2软开关关电路路的分分类5－3.3.1零电压压开关关准谐谐振电电路图5-7零电压压开关关准谐谐振电电路原原理图图（显示示放大大图））图7-8零电压压开关关准谐谐振电电路的的理想想化波波形（显示示放大大图））工作原原理t0~t1时段：：t0时刻之之前，，开关关S为通态态，二二极管管VD为断态态，uCr=0，，iLr=ILt0时刻S关断，，与其其并联联的电电容Cr使S关断后后电压压上升升减缓缓，因因此S的关断断损耗耗减小小。S关断后后，VD尚未导导通。。电感感Lr+L向Cr充电，，uCr线性上上升，，同时时VD两端电电压uVD逐渐下下降，，直到到t1时刻，，uVD=0，，VD导通。。这一一时段段uCr的上升升率：：（7-1））图5-9零电压压开关关准谐谐振电电路在在t0~t1时段等等效电电路（显示示放大大图））5－3.3.1零电压压开关关准谐谐振电电路5－3.3.1零电压压开关关准谐谐振电电路工作原原理t1~t2时段：：t1时刻二二极管管VD导通，，电感感L通过VD续流，，Cr、Lr、Ui形成谐谐振回回路。。t2时刻，，iLr下降到到零，，uCr达到谐谐振峰峰值。。t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐谐振峰值。。图5－10零电压开关关准谐振电电路在t1~t2时段等效电电路（显示放大大图）5－3.3.1零电压开关关准谐振电电路t3~t4时段：t3时刻以后，，Lr向Cr反向充电，，uCr继续下降，，直到t4时刻uCr=0。t1到t4时段电路谐谐振过程的的方程为：：（7-2））t4~t5时段：VDS导通，uCr被箝位于零零，iLr线性衰减，，直到t5时刻，iLr=0。由于这一时时段S两端电压为为零，所以以必须在这这一时段使使开关S开通，才不不会产生开开通损耗。。t5~t6时段：S为通态，iLr线性上升，，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。t4到t6时段电流iLr的变化率为为：（7-3））t6~t0时段：S为通态，VD为断态。7.3.1零电电压开关准准谐振电路路谐振过程定定量分析求解式（7-2）可可得uCr（即开关S的电压uS）的表达式：：（7-4））uCr的谐振峰值值表达式（（即开关S承受的峰值值电压）：：（7-5））零电压开关关准谐振电电路实现软软开关的条条件：（7-6））缺点：谐振电压峰峰值将高于于输入电压压Ui的2倍，增增加了对开开关器件耐耐压的要求求。7.3.2谐振振直流环谐振直流环环电路应用用于交流-直流-交交流变换电电路的中间间直流环节节（DC-Link）。。通过在直流流环节中引引入谐振，，使电路中中的整流或或逆变环节节工作在软软开关的条条件下。图5-11谐振直流环环电路原理理图（显示放大大图）5－3.3.2谐振直流环环电路的工作作过程：将电路等效效为图7-12。t0~t1时段：t0时刻之前，，开关S处于通态，，iLr>IL，。t0时刻S关断，电路路中发生谐谐振。iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。t1~t2时段：t1时刻，谐振振电流iLr达到峰值。。t1时刻以后，，iLr继续向Cr充电，直到到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰峰值。图5-12谐振直流环环电路的等等效电路（显示放大大图）图5-13谐振直流环环电路的理理想化波形形（显示放大大图）5－3.3.2谐振直流环环t2~t3时段：uCr向Lr和L放电，iLr降低，到零零后反向，，直到t3时刻uCr=Ui。t3~t4时段段：：t3时刻刻，，iLr达到到反反向向谐谐振振峰峰值值，，开开始始衰衰减减，，uCr继续续下下降降，，t4时刻刻，，uCr=0，，S的反反并并联联二二极极管管VDS导通通，，uCr被箝箝位位于于零零。。t4~t0时段段：：S导通通，，电电流流iLr线性性上上升升，，直直到到t0时刻刻，，S再次次关关断断。。缺点点：：电压压谐谐振振峰峰值值很很高高，，增增加加了了对对开开关关器器件件耐耐压压的的要要求求。。图5-12谐振振直直流流环环电电路路的的等等效效电电路路（显显示示放放大大图图））图5-13谐振振直直流流环环电电路路的的理理想想化化波波形形（显显示示放放大大图图））5－3.3移相相全全桥桥型型零零电电压压开开关关PWM电路路同硬硬开开关关全全桥桥电电路路相相比比，，仅仅增增加加了了一一个个谐谐振振电电感感，，就就使使四四个个开开关关均均为为零零电电压压开开通通；；移相相全全桥桥电电路路控控制制方方式式的的特特点点：：在开开关关周周期期TS内，，每每个个开开关关导导通通时时间间都都略略小小于于TS/2，，而关关断断时时间间都都略略大大于于TS/2；；同一一半半桥桥中中两两个个开开关关不不同同时时处处于于通通态态，，每每个个开开关关关关断断到到另另一一个个开开关关开开通通都都要要经经过过一一定定的的死死区区时时间间。。互为为对对角角的的两两对对开开关关S1-S4和S2-S3，S1的波波形形比比S4超前前0~TS/2时间间，，而而S2的波波形形比比S3超前前0~TS/2时间间，，因因此此称称S1和S2为超超前前的的桥桥臂臂，，而而称称S3和S4为滞滞后后的的桥桥臂臂。。5－3.3.3移相相全全桥桥型型零零电电压压开开关关PWM电路路图5-14移相相全全桥桥零零电电压压开开关关PWM电路路（显显示示放放大大图图））图5-15移相相全全桥桥电电路路的的理理想想化化波波形形（显显示示放放大大图图））5－3.3.3移相相全全桥桥型型零零电电压压开开关关PWM电路路工作作过过程程t0~t1时段段：：S1与S4导通通，，直直到到t1时刻刻S1关断断。。t1~t2时段段：：t1时刻刻开开关关S1关断断后后，，电电容容Cs1、Cs2与电电感感Lr、L构成成谐谐振振回回路路，，uA不断断下下降降，，直直到到uA=0，，VDS2导通通，，电电流流iLr通过过VDS2续流流。。t2~t3时段段：：t2时刻刻开开关关S2开通通，，由由于于此此时时其其反反并并联联二二极极管管VDS2正处处于于导导通通状状态态，，因因此此S2为零零电电压压开开通通。。图5-16移相相全全桥桥电电路路在在t1~t2阶段段的的等等效效电电路路图图（显显示示放放大大图图））5－3.3.3移相相全全桥桥型型零零电电压压开开关关PWM电路路t3~t4时段段：：t4时刻刻开开关关S4关断断后后，，变变压压器器二二次次侧侧VD1和VD2同时时导导通通，，变变压压器器一一次次侧侧和和二二次次侧侧电电压压均均为为零零，，相相当当于于短短路路，，因因此此Cs3、Cs4与Lr构成成谐谐振振回回路路。。Lr的电电流流不不断断减减小小，，B点电电压压不不断断上上升升，，直直到到S3的反反并并联联二二极极管管VDS3导通通。。这这种种状状态态维维持持到到t4时刻刻S3开通通。。因因此此S3为零零电电压压开开通通。。t4~t5时段段：：S3开通通后后，，Lr的电电流流继继续续减减小小。。iLr下降降到到零零后后反反向向增增大大，，t5时刻刻iLr=IL/kT，变压压器器二二次次侧侧VD1的电电流流下下降降到到零零而而关关断断，，电电流流IL全部部转转移移到到VD2中。。图5-17移相相全全桥桥电电路路在在t3~t4阶段段的的等等效效电电路路（显显示示放放大大图图））5－3.3.4零电电压压转转换换PWM电路路零电电压压转转换换PWM电路路具具有有电电路路简简单单、、效效率率高高等等优优点点。。图5-18升压压型型零零电电压压转转换换PWM电路路的的原原理理图图（显显示示放放大大图图））7.3.4零零电电压压转转换换PWM电路路工作作过过程程：辅辅助助开开关关S1超前前于于主主开开关关S开通通，，S开通通后后S1关断断。。t0~t1时段段：：，，S1导通通，，VD尚处处于于通通态态，，电电感感Lr两端端电电压压为为Uo，电流流iLr线性性增增长长，，VD中的的电电流流以以同同样样的的速速率率下下降降。。t1时刻刻，，iLr=IL，VD中电流流下降降到零零，关关断。。t1~t2时段：：Lr与Cr构成谐谐振回回路，，Lr的电流流增加加而Cr的电压压下降降，t2时刻uCr=0，，VDS导通，，uCr被箝位位于零零，而而电流流iLr保持不不变。。图5-20升压型型零电电压转转换PWM电路在在t1~t2时段的的等效效电路路（显示示放大大图））7.3.4零零电压压转换换PWM电路t2~t3时段：：uCr被箝位位于零零，而而电流流iLr保持不不变，，这种种状态态一直直保持持到t3时刻S开通、、S1关断。。t3~t4时段：：t3时刻S开通时时，为为零电电压开开通。。S开通的的同时时S1关断，，Lr中的能能量通通过VD1向负载载侧输输送，，其电电流线线性下下降，，主开开关S中的电电流线线性上上升。。t4时刻iLr=0，，VD1关断，，主开开关S中的电电流iS=IL，电路进进入正正常导导通状状态。。t4~t5时段：：t5时刻S关断。。Cr限制了了S电压的的上升升率，，降低低了S的关断断损耗耗。图5-19升压型型零电电压转转换PWM电路的的理想想化波波形（显示示放大大图））本章小小结本章的的重点点为：1）软软开关关技术术通过过在电电路中中引入入谐振振改善善了开开关的的开关关条件件，大大大降降低了了硬开开关电电路存存在的的开关关损耗耗和开开关噪噪声问问题。。2）软软开关关技术术总的的来说说可以以分为为零电电压和和零电电流两两类。。按照照其出出现的的先后后，可可以将将其分分为准准谐振振、零零开关关PWM和零转转换PWM三大类类。每每一类类都包包含基基本拓拓扑和和众多多的派派生拓拓扑。。3）零零电压压开关关准谐谐振电电路、、零电电压开开关PWM电路和和零电电压转转换PWM电路分分别是是三类类软开开关电电路的的代表表；谐谐振直直流环环电路路是软软开关关技术术在逆逆变电电路中中的典典型应应用。。图7-1零零电压压开关关准谐谐振电电路及及波形形a）电路图图b）理想化波