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文档简介

电力电子技术第8章软开关技术1第8章软开关技术•引言现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。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。2硬开关降压型电路及其理想化波形a)电路图b)理想化波形

8.1.1硬开关和软开关硬开关:8.1.1硬开关和软开关38.1软开关的基本概念8.1.1硬开关和软开关硬开关:开关过程中电压和电流均不为零,出现了重叠。电压、电流变化很快,波形出现明显的过冲,导致开关噪声。t0a)硬开关的开通过程b)硬开关的关断过程图8-1硬开关的开关过程uiP0uituuiiP0048.1软开关的基本概念8.1.1硬开关和软开关开关损耗与开关频率开关损耗与开关频率之间呈线性关系,当硬电路的工作频率不太高时,开关损耗占总损耗的比例并不大,但随着开关频率的提高,开关损耗就越来越显著,这时就必须采用软开关技术来降低开关损耗。56(1)

开通和关断损耗大。(2)

感性关断问题:电路中存在感性元件,当开关器件关断时,感应出很高的尖峰电压,易造成击穿电压。(3)容性开通问题:开关器件在很高的电压下开通时,存储在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该器件内,引起过热损坏。(4)二极管反向恢复问题:二极管由导通变为截止时,存在着反向恢复期,此时,二极管仍处于导通状态,若立即开通与其串联的开关器件,容易产生很大的冲击电流。

改进上述不足的有效办法,就是发展软开关技术。

硬开关工作的诸多缺陷阻碍了开关器件工作频率的提高78.1.1硬开关和软开关软开关:在原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,消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a)软开关的开通过程b)软开关的关断过程图8-2软开关的开关过程88.1.1硬开关和软开关软开关:在原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,开关在其两端的电压为零时导通,或使流过开关的电流为零时关断,所以软开关技术也称为谐振开关技术.消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。图8-3降压型零电压开关准谐振电路及波形a)电路图b)理想化波形98.1.2零电压开关和零电流开关零电压开通开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。uiP0uitt0a)软开关的开通过程uiP0uitt0b)软开关的关断过程图8-2软开关的开关过程108.1.2零电压开关和零电流开关当不指出是开通或是关断,仅称零电压开关和零电流开关。零电压开通和零电流关断靠电路中的谐振来实现。UiCrSVDSLrVDLCAR118.4软开关技术新进展■软开关技术出现了以下几个重要的发展趋势◆新的软开关电路拓扑的数量仍在不断增加,软开关技术的应用也越来越普遍。◆在开关频率接近甚至超过1MHz、对效率要求又很高的场合,曾经被遗忘的谐振电路又重新得到应用,并且表现出很好的性能。◆采用几个简单、高效的开关电路,通过级联、并联和串连构成组合电路,替代原来的单一电路成为一种趋势,在不少应用场合,组合电路的性能比单一电路显著提高。12举例:广州地铁的ATC系列智能高频开关电源充电模块,就是采用了移相全桥零电压脉宽控制软开关技术,开关管为零电压、零电流开关,具有理想的软开关特性。与硬开关相比,软开关充电模块的开关损耗降低了40%,整机效率提高到94%,由于电压变化率及电流变化率的减小,提高了电磁兼容性能。软开关技术因其众多优越性,成为降低开关损耗、提高系统效率、改善电磁干扰、提高系统可靠性的一个重要手段,受到越来越多的关注。13148.2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。158.2软开关电路的分类图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168.2软开关电路的分类

1)准谐振电路准谐振电路-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。是最早出现的软开关电路。

特点: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,因此电路只能采用脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation—PFM)方式来控制。分别介绍三类软开关电路178.2软开关电路的分类可分为:用于逆变器的谐振直流环节电路(ResonantDCLink)。图7-4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电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC)b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC)a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC)188.2软开关电路的分类2)零开关PWM电路

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。零开关PWM电路可以分为:

特点:电路在很宽的输入电压范围内和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,这使得电路效率有了进一步提高。b)零电流开关PWM电路的基本开关单元图7-5零开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路(Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM)a)零电压开关PWM电路的基本开关单元零电压开关PWM电路(Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM)198.2软开关电路的分类

3)零转换PWM电路

采用辅助开关控制谐振的开始时刻,但谐振电路是与主开关并联的。零转换PWM电路可以分为:

特点:电路在很宽的输入电压范围内和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,这使得电路效率有了进一步提高。b)零电流转换PWM电路的基本开关单元图7-6零转换PWM电路的基本开关单元零电流转换PWM电路(Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM)a)零电压转换PWM电路的基本开关单元零电压转换PWM电路(Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM)208.3典型的软开关电路

8.3.1零电压开关准谐振电路

8.3.2谐振直流环

8.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路

8.3.4零电压转换PWM电路218.3.1零电压开关准谐振电路1)电路结构以降压型为例分析工作原理。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。图8-7

零电压开关准谐振电路原理图228.3.1零电压开关准谐振电路选择开关S关断时刻为分析的起点。t0~t1时段:t0之前,开关S为通态,二极管VD为断态,uCr=0,iLr=IL,t0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。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:2)工作原理t0~t1时段的等效电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7

零电压开关准谐振电路原理图238.3.1零电压开关准谐振电路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。t2时刻,iLr下降到零,uCr达到谐振峰值。t2~t3时段:t2时刻后,Cr向Lr放电,直到t3时刻,uCr=Ui,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~t2时段的等效电路uSS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7

零电压开关准谐振电路原理图248.3.1零电压开关准谐振电路t4~t5时段:uCr被箝位于零,iLr线性衰减,直到t5时刻,iLr=0。由于此时开关S两端电压为零,所以必须在此时开通S,才不会产生开通损耗。t5~t6时段:S为通态,iLr线性上升,直到t6时刻,iLr=IL,VD关断。t6~t0时段:S为通态,VD为断态。缺点:谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍,增加了对开关器件耐压的要求。SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7

零电压开关准谐振电路原理图258.3.2谐振直流环谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节(DC-Link)。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。1)电路结构图7-11谐振直流环电路原理图由于电压型逆变器的负载通常为感性,而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的,因此分析时可将电路等效。图7-12谐振直流环电路的等效电路

268.3.2谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图7-13谐振直流环电路的理想化波形

图7-12谐振直流环电路的等效电路

t0~t1时段:t0时刻之前,开关S处于通态,iLr>IL。t0时刻S关断,电路中发生谐振。iLr对Cr充电,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。2)工作原理278.3.2谐振直流环t2~t3时段:uCr向Lr和L放电,iLr降低,到零后反向,直到t3时刻

uCr=Ui。t3~t4时段:t3时刻,iLr达到反向谐振峰值,开始衰减,uCr继续下降,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。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图7-13谐振直流环电路的理想化波形

图7-12谐振直流环电路的等效电路

电压谐振峰值很高,增加了对开关器件耐压的要求。288.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一,它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比,仅增加了一个谐振电感,就使四个开关均为零电压开通。图7-14移相全桥零电压开关PWM电路298.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路1)移相全桥电路控制方式的特点:图7-14移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形在开关周期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。308.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3,S1的波形比S4超前0~TS/2时间,而S2的波形比S3超前0~TS/2时间,因此称S1和S2为超前的桥臂,而称S3和S4为滞后的桥臂。图7-14移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形318.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路2)工作过程:图7-16移相全桥电路在t0~t1阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形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,电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路,

uA不断下降,直到uA=0,VDS2导通,电流iLr通过VDS2续流。t2~t3时段:t2时刻开关S2开通,由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态,因此S2为零电压开通。32t3~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。8.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路图7-17移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形33t4~t5时段:S3开通后,Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大,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是开关周期的一半,另一半工作过程完全对称。8.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路图7-14移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形348.3.4零电压转换PWM电路1)工作过程:

辅助开关S1超前于主开关S开通,S开通后S1关断。

t0~t1时段:,S1导通,VD尚处于通态,电感Lr两端电压为Uo,电流iLr线性增长,VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻,iLr=IL,VD中电流下降到零,关断。图7-19图7-18升压型零电压转换PWM电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图7-19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点。358.3.4零电压转换PWM电路t1~t2时段:Lr与Cr构成谐振回路

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