本科课件开关电源软开关

§1相平面分析法开关电源中的软开关技术§2软开关的意义§3软开关简介§4准谐振变换器§1相平面分析法典型二阶电路

——电路中只有电压源电路方程以及初始条件：令：解此二阶方程有：

相平面分析法是分析软开关电路工作过程的一种十分有效的方法§1相平面分析法只有电压源的电路的相平面图

在以uc为x轴，为y轴的相平面上，电压、电流的关系为一个圆,圆心为强迫分量（E，0），通过初始点(uco，0)，半径为（E-uco）。§1相平面分析法典型二阶电路

——电路中只有电流源电路方程以及初始条件：令：解此二阶方程有：§1相平面分析法只有电流源的电路的相平面图是一个半径为（-）,圆心为强迫分量（0,），通过初始点（0,）的圆。典型二阶电路

——电路中电压源与电流源同时存在电路方程以及初始条件：

令：根据叠加原理可得：§1相平面分析法电压源和电流源同时存在的电路的相平面图

是圆心为强迫分量（E,）,并通过初始点（uco，）的圆。

相平面分析法举例－电容充电电路

(初始条件为零)T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量为E,在谐振电流过零时刻，T1关断；T2导通，T2,L,C形成谐振回路，强迫分量为零，在谐振电流过零时刻，T2关断;T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量仍为E,在谐振电流过零时刻，T1关断;T2导通,电容反复被充电，如果不考虑损耗，电容电压降趋于无穷大，

总结：相平面分析法是以电容电压为为x轴，以电感电流为y轴，分析电路中电压和电流变化的关系的一种分析方法。它是分析谐振电路，进而也是分析软开关电路工作过程的一种十分有效的方法。§3软开关简介谐振开关

给开关器件串联电感或者并联电容等谐振器件，通过谐振电路的作用，使开关管导通或关断时电压或电流为零，使得开通损耗或关断损耗接近为零。谐振开关分类：零电流谐振开关(ZCS)零电压谐振开关(ZVS)

谐振开关原理图零电流谐振开关

零电压谐振开关

L型M型

M型

L型§3软开关简介软开关技术的发展过程(按谐振方式来分)序号时间名称应用170年代串联或并联谐振技术半桥或全桥变换器280年代中准谐振（QRC）或者多谐振技术（MRC）单端或桥式变换器380年代末ZCS－PWM或ZVS－PWM技术单端或桥式变换器490年代初ZCT－PWM或ZVT－PWM技术单端或桥式变换器§3软开关简介QRC:quasi-resonantconverterMRC:multi-resonantconverterZCT:zero-current-transitionZVT:zero-voltage-transition§4

准谐振变换器准谐振变换器(QRCs,quasi-resonant-converters):

80年代提出的一类变换器，根据谐振方式的不同，准谐振变换器可以分为：零电流开关准谐振变换器（ZCSQRCs）零电压开关准谐振变换器（ZVSQRCs）特点：在一个工作周期内，谐振元件只在一部分时间内参与谐振，而其他时间内运行在非谐振状态4.1零电流开关准谐振变换器BuckZCSQRCs工作原理：由于有谐振电感Lr的作用，开关Tp闭合为开关管零电流开通；Tp导通后，谐振电感和谐振电容谐振，当Lr中的电流为零时，将开关Tp断开，从而实现开关管的零电流关断。Lr4.1零电流开关准谐振变换器BuckZCSQRCs初始状态：Tp关断，Io通过二极管D续流，电容Cr上的电压为零，电感中电流为零。在t0时刻，Tp导通。LrCr

在t1时刻，iLr上升到负载电流Io，D自然关断，开关状态1结束。根据式(4.1)可得这个时间段的长度为：

(4.2)(4.1)

LrCr开关状态1[t0,t1]－电感恒压充电在这一时间段内，开关Tp导通，续流二极管D继续导通，谐振电容Cr上电压被钳位为0，电感Lr在E的作用下恒压充电，iLr线性上升。这一阶段在相平面图中，对应于曲线沿I轴向上。这段时间段内有：把初始条件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0代入，可解得：(4.3)LrCr开关状态2[t1,t2]－电感电容谐振在时刻t1，续流二极管D截止，电感Lr和电容Cr开始谐振，电路进入谐振工作状态。谐振初始状态为：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0，强迫分量为E，Io，在相平面图中，曲线是从（0，Io）开始，以（E，Io）为圆心的一段圆弧。此时有：

式中，谐振角频率，谐振电路的特征阻抗当t=t2时，iLr谐振到零，此时可以将Tp在零电流条件下关断，谐振状态2结束。这段时间的长度为：(4.4)(4.5)

开关状态3[t2,t3]－电容恒流放电当t=t2时，Tp零电流关断，续流二极管D仍处在截止状态，负载电流通过电容Cr流通，电容Cr处于恒流放电状态。在相平面图上，这段时间对应于u轴上t2到t3的部分。此时有：电容上电压uCr降到零，二极管D导通续流，开关状态3结束。(4.6)LrCr4.1零电流开关准谐振变换器

开关状态4[t3,t4]－二极管续流在这个时间段内，二极管D导通续流，Tp仍处在关断状态，电感电流iLr

为零，电容电压uCr被钳位为零。这个时间段的长度取决于电路的开关周期，而这个长度将决定输出电压的大小。t=t4时，Tp导通，下一个开关周期开始。4.1零电流开关准谐振变换器

BuckZCSQRCs电路主要波形

TpiLruTPuCr从主管电压电流波形可见，没有重叠部分，因此开关损耗为零。4.1零电流开关准谐振变换器缺点：和普通的Buck型DC－DC变换器相比，ZCSQRCs

中流过开关管的电流峰值增加较大，从而增加了开关管的电流应力。开关管开关时的电压变换率dv/dt会造成很大的电磁干扰。优点：

功率开关管Tp与谐振电感Lr串联，通过谐振使得

Tp中通过的电流在导通或者关断时降为零，避免了I和U的重叠，实现了零电流开关。4.1零电流开关准谐振变换器ZCSQRCs变换器的推广

(a)Buck变换器

(b)BuckZCSQRCs变换器

4.1零电流开关准谐振变换器ZCSQRCs变换器的推广(c)Boost变换器

(d)BoostZCSQRCs变换器4.1零电流开关准谐振变换器ZCSQRCs变换器的推广

(e)Buck-Boost变换器

(f)Buck-BoostZCSQRCs变换器

4.1零电流开关准谐振变换器ZCSQRCs变换器的推广

(g)Cuk变换器

(h)CukZCSQRCs变换器

4.2零电压开关准谐振变换器

零电流开关准谐振变换器的对偶电路：零电压开关准谐振变换器（ZVS-QRCs）。仍以Buck型直流变换器为例，将常规Buck变换器中的开关用零电压谐振开关代替后，就可以得到了零电压开关准谐振Buck变换器。BuckZVSQRCs

BuckZCSQRCs

4.2零电压开关准谐振变换器BuckZVSQRCs工作原理：

Tp导通后，在任意时刻其两端电压可近似视为零，此时关断Tp，可以实现开关管的零电压关断。由于有谐振的作用，当谐振电容Cr中两端电压为零时，开关Tp闭合，从而实现开关管零电压开通。2.2零电压开关准谐振变换器（a）BuckZVSQRCs全波模式

（b）BuckZVSQRCs半波模式下面分析半波模式下BuckZVSQRCs电路4.2零电压开关准谐振变换器

假设初始状态t0时刻之前，开关Tp处于导通状态，全部输出电流Io从开关管Tp上流过，电感中电流为Io，续流二极管D因为反偏处于截止状态，电容Cr上的电压被开关管Tp钳位为零；在t＝t0时，开关管Tp在零电压条件关断。

开关状态1[t0,t1]

在时刻t0，开关管Tp关断，谐振电感Lr电流向谐振电容Cr恒流充电，uCr线性上升。这一阶段在相平面图中，对应于从(Io,0)开始、平行于u轴的一段直线。 这段时间段内有：(4.10)

LriLCr当t=t1时，谐振电容Cr上的电压上升超过E，续流二极管承受正向电压导通，开关状态1结束，电容Cr和谐振电感Lr开始谐振。

2.开关状态2[t1,t2]在时刻t1，续流二极管D导通续流，电感Lr和电容Cr开始谐振，电路进入谐振工作状态。谐振初始状态为：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=E，强迫分量为（E,0），在相平面图中，曲线是从（E,Io）开始，以（E,0）为圆心的一段圆弧。此时有：

(4.11)iLLrCr

LrCriL把初始条件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=E代入，可解得：

式中，谐振角频率，谐振电路得特征阻抗(4.12)

uCr谐振到零时，主管Tp的反并联二极管Dp导通，把电容Cr的电容箝制为零，为Tp实现零电压导通做好准备。

4.2零电压开关准谐振变换器(4.13)LrCriL开关状态3[t2,t3]

当开关管Tp零电压导通，其并联谐振电容Cr上电压被钳位为零，此时以电源电压E向谐振电感恒压充电，电感中电流线性上升。在相平面图上，这段时间对应于u轴上t2到t3的部分。此时有：在t=t3时，电感中电流上升到负载电流Io，二极管D由导通变为截止，电路恢复到初始状态，开关状态3结束。4.2零电压开关准谐振变换器开关状态4[t3,t4]在这个时间段内，电路保持上个状态结束时的状态。处于这个状态的时间长度取决于开关周期Ts的长短。t=t4时，Tp截止，下一个开关周期开始。LrCriL4.2零电压开关准谐振变换器BuckZVSQRCs半波模式主要波形

4.2零电压开关准谐振变换器 BuckZVSQRCs全波模式主要波形及相平面图

4.2零电压开关准谐振变换器缺点

优点

功率开关管Tp与谐振电容Cr并联，通过谐振使得Tp上的电压在导通或者关断以前降为零，避免了ITp和UTp的重叠，实现了零电压开关。开关管承受的电压较大，需要选择高耐压的开关管。

零电压开关准谐振变换器ZVSQRCs变