第七章软开关技术

PowerElectronics广东工业大学第7章软开关技术7.1软开关的基本概念7.2软开关电路的分类7.3典型的软开关电路

本章小结1PowerElectronics广东工业大学7.1软开关的基本概念7.1.1硬开关与软开关7.1.2零电压开关与零电流开关2PowerElectronics广东工业大学7.1.1硬开关与软开关开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致开关损耗电压和电流的变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声硬开关图7-1硬开关的开关过程a)硬开关的开通过程

b)硬开关的关断过程a)uuiitt00Pb)uuii0tt0P3PowerElectronics广东工业大学软开关在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，可消除开关过程中中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声图7-1软开关的开关过程a)软开关的开通过程

b)软开关的关断过程4PowerElectronics广东工业大学7.1软开关的基本概念7.1.1硬开关与软开关7.1.2零电压开关与零电流开关5PowerElectronics广东工业大学7.1.2零电压开关与零电流开关零电压开关（零电压开通）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零电流开关（零电流关断）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度，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度，降低开通损耗6PowerElectronics广东工业大学第7章软开关技术7.1软开关的基本概念7.2软开关电路的分类7.3典型的软开关电路

本章小结7PowerElectronics广东工业大学7.2软开关电路的分类根据是零电压开通还是零电流关断零电压电路零电流电路根据软开关技术发展的历程准谐振电路零开关PWM电路零转换PWM电路8PowerElectronics广东工业大学图7-3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，可以从基本开关单元导出具体电路9PowerElectronics广东工业大学1．准谐振电路最早出现的软开关电路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用于逆变器的谐振直流环节图7-4准谐电路的基本开关单元a）零电压开关准谐振电路基本开关单元b）零电流开关准谐振电路基本开关单元c）零电压开关多谐振电路基本开关单元d)谐振直流环节电路SVDLrLCr1Cr2c）SVDLrLCrb）SLrCrVDLa）LrUiSCrVDSd）分为10PowerElectronics广东工业大学准谐振准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波优点谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降缺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，电路只能采用脉冲频率调制方式来控制11PowerElectronics广东工业大学

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程前后零电压开关PWM电路零电流开关PWM电路分为图7-4零电压开关PWM电路的基本开关单元a）零电压开关PWM电路基本开关单元b）零电流开关PWM电路基本开关单元SLrCrVDLS1a）SVDLrLCrS1b）2．零开关PWM电路优点电压和电流基本是方波开关承受的电压降低电路可采用开关频率固定的PWM控制12PowerElectronics广东工业大学3．零转换PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路是与主开关并联分为零电流转换PWM电路零电压转换PWM电路SLrVDLS1CrVD1a)LrCrS1SVDVD1Lb)图7-4零转换PWM电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路基本开关单元b）零电流转换PWM电路基本开关单元优点输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响小，电路在很宽的输入电压范围内，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13PowerElectronics广东工业大学第7章软开关技术7.1软开关的基本概念7.2软开关电路的分类7.3典型的软开关电路

本章小结14PowerElectronics广东工业大学7.3典型的软开关电路7.3.1零电压开关准谐振电路7.3.2谐振直流环7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路7.3.4零电压转换PWM电路15PowerElectronics广东工业大学7.3.1零电压开关准谐振电路假设电感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开关电路的工作过程按开关周期重复UiCrSVDsLrVDLCAR图7-8

零电压开关准谐振电路的理想化波形图7-7

零电压开关准谐振电路原理图16PowerElectronics广东工业大学图7-8

零电压开关准谐振电路的理想化波形

t0~t1时段：t0时刻之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=ILt0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关断后，VD尚未导通图7-7

零电压开关准谐振电路原理图UiCrSVDsLrVDLCAR17PowerElectronics广东工业大学CrUi+uCrILA图7-9

零电压开关准谐振电路在t0~t1时段等效电路电路等效为图7-9图7-8

零电压开关准谐振电路的理想化波形电感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（7-1）18PowerElectronics广东工业大学图7-8

零电压开关准谐振电路的理想化波形

t1~t2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

不断下降，t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值图7-10

零电压开关准谐振电路在t1~t2时段等效电路电路等效图为图7-1019PowerElectronics广东工业大学图7-8

零电压开关准谐振电路的理想化波形t2~t3时段：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，Lr两端电压为零，iLr达到反向谐振峰值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时段电路谐振过程的方程为（7-2）20PowerElectronics广东工业大学图7-8

零电压开关准谐振电路的理想化波形

t4~t5时段：uCr被箝位于零，Lr两端电压为Ui，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0t5~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

t6~t0时段：S为通态，VD为断态（7-3）21PowerElectronics广东工业大学零电压开关准谐振电路t1~t4时段的谐振过程定量分析通过求解式（7-2）可得开关S的电压uS开关S承受的峰值电压（7-4）（7-5）22PowerElectronics广东工业大学零电压开关准谐振电路实现软开关的条件（7-6）谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，开关S的耐压须相应提高缺点23PowerElectronics广东工业大学7.3典型的软开关电路7.3.1零电压开关准谐振电路7.3.2谐振直流环7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路7.3.4零电压转换PWM电路24PowerElectronics广东工业大学7.3.2谐振直流环各种交流-直流-交流变换电路中都存在中间直流环节，谐振直流环电路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图7-11

谐振直流环电路原理图LrUiSCrVDS图7-11为用于电压型逆变器的谐振直流环电路它用一个开关S就可使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下25PowerElectronics广东工业大学电压型逆变器的负载通常为感性，在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，电路等效为图7-12，其理想波形如图7-13LrUiSCrVDSLiLr+uCrILR图7-12谐振直流环电路的等效电路t0t1t2t3t4t0iLruCrUiILttOO图7-13谐振直流环电路的理想化波形26PowerElectronics广东工业大学LrUiSCrVDSLiLr+uCr

ILR图7-12谐振直流环电路的等效电路图7-13谐振直流环电路的理想化波形t0t1t2t3t4t0iLruCrUittOOILt0~t1时段

t0时刻之前，Lr的电流iLr大于IL，开关S处于通态，

t0时刻，S关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，uCr不断升高，直到t1时刻，uCr=Ui

t1~t2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，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值

t3~t4时段t3时刻，uCr=Ui

，iLr达到反向谐振峰值，然后开始衰减，uCr继续下降，直到t4时刻，uCr=0，S的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零t4~t0时段S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求27PowerElectronics广东工业大学7.3典型的软开关电路7.3.1零电压开关准谐振电路7.3.2谐振直流环7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路7.3.4零电压转换PWM电路28PowerElectronics广东工业大学7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路移相全桥电路特点电路简单,同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关元件，仅只增加一个谐振电感，就使电路四个开关器件都在零电压的条件下开通S1S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2VD1LrLABUiuRCR+-图7-14移相全桥零电压开关PWM电路29PowerElectronics广东工业大学图7-15移相全桥电路的理想化波形S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路控制方式特点在开关周期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同一半桥中，上下两个开关不同时处于通态，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S1的波形比S4超前0~TS/2时间，S2的波形比S3超前0~TS/2时间，S1和S2为超前的桥臂，S3和S4为滞后的桥臂30PowerElectronics广东工业大学iLriLKr:1CS!S4LrLVD1UiU0+VDS2ARCS2图7-16

移相全桥电路在t1~t2阶段的等效电路图t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，Cs1、Cs2与Lr、L构成谐振回路，谐振开始时uA

（t1)=ui

，在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，iLr通过VDS2续流t2~t3时段：t2时刻VDS2处于导通状态，S2零电压开通电路工作过程31PowerElectronics广东工业大学图7-17

移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路t3~t4时段：t3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的反并联二极管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iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BRt4~t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后便反向，然后不断增大，

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t0~t5时段正好是开关周期的一半，另一半开关周期t5~t0时段中，电路的工作过程与t0~t5时段完全对称32PowerElectronics广东工业大学7.3典型的软开关电路7.3.1零电压开关准谐振电路7.3.2谐振直流环7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路7.3.4零电压转换PWM电路33PowerElectronics广东工业大学7.3.4零电压转换PWM电路图7-18

升压型零电压转换PWM电路的原理图LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路、DC-DC变换器、斩波器等34PowerElectronics广东工业大学图7-19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形电路工作过程t0~t1时段：S1先于S开通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性迅速增长，VD中的电流以同样的速率下降。直到t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，自然关断35PowerElectronics广东工业大学LS1LriLrUiILCrVDS图7-20

升压型零电压转换PWM电路在t1~t2时段的等效电路t1~t2时段：电路等效为图7-20，Lr与Cr构成谐振回路，谐振过程中Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr降为零，VDS导通，uCr被箝位于零，