《电力电子技术》课件第7章

第7章软开关技术

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。7.1.1硬开关和软开关分析电力电子电路时，开关器件理想化：开关状态的转换是在瞬间完成的，忽略了开关过程对电路的影响。实际电路是存在开关过程，会对电路造成一定影响的。7.1软开关的概念及分类硬开关：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，波形出现明显得过冲，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7.1硬开关的开关过程uiP0uituuiiP007.1.1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7.2软开关的开关过程7.1.1硬开关和软开关零电压开通开通前开关器件两端电压为零，则开通时开关器件就不会产生开通损耗和噪声。零电压关断如在开关器件两端并联电容。则器件关断后，电容能延缓开关器件电压上升的速率du/dt，从而降低关断损耗。图7.3零电压开关7.1.2零电压开关和零电流开关零电流关断关断前开关器件电流为零，则关断时开关器件就不会产生关断损耗和噪声。零电流开通开关器件串联电感。开通后，串联电感能延缓开关器件电流上升的速率di/dt，降低了开通损耗。7.1.2零电压开关和零电流开关图7.4零电流开关根据电路中主要的开关器件是零电压开通还是零电流关断，软开关电路分成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DC/DC变换电路，构成软开关DC/DC变换电路。因此引入开关单元的概念来表示，不必再画出每一种具体电路。7.1.3软开关电路的分类图7.5硬开关单元a）硬开关单元b）降压斩波器中的硬开关单元c）升压斩波器中的硬开关单元d）升降压斩波器中的硬开关单元7.1.3软开关电路的分类软开关电路分为三类1、准谐振电路在硬开关单元上增加谐振电感和谐振电容，构造成谐振开关单元，实现软开关。开关单元与谐振电感、电容的不同组合，可分为：（1）零电压开关准谐振电路（ZVSQRC）；（2）零电流开关准谐振电路(ZCSQRC)；（3）零电压开关多谐振电路（ZVSMRC）；（4）用于逆变器的谐振直流环节电路RDCL。7.1.3软开关电路的分类零电压谐振开关单元谐振电容Cr和开关S是并联。S导通时，Cr两端的电压为0，S关断时，限制S上电压的上升率，实现的零电压关断；在S开通前，Lr和Cr谐振工作使Cr的电压自然回0，实现的零电压开通。7.1.3软开关电路的分类零电流谐振开关谐振电感Lr和开关S是串联的。S开通之前，Lr的电流为0，开通时，Lr限制S中电流的上升率，实现零电流开通；S关断前，Lr和Cr谐振工作使Lr的电流自然回0，实现零电流关断。7.1.3软开关电路的分类谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，造成电路导通损耗加大；谐振周期与输入电压、负载有关。准谐振电路只能采用脉冲频率调制PFM方式来控制。变化的开关频率造成变压器、电感等磁性元件设计不能最优化，给电路设计带来困难。通过谐振电感、电容改变开关S的电压，电流波形，为S提供，零电压开关、零电流开关的条件。谐振使电路的开关损耗和开关噪声都大大下降负面问题：7.1.3软开关电路的分类2.零开关PWM电路准谐振需要采用调频控制，电路设计较为困难，零开关PWM变换，采用恒频控制技术。同时具有PWM控制和准谐振电路的优点：在开关器件开通和关断时，开关器件工作在零电压开关或零电流开关方式；其余时间，开关器件工作在PWM状态。7.1.3软开关电路的分类2.零开关PWM电路电路核心部分是零开关PWM开关单元。包括：零电压开关PWM（ZVSPWM）开关单元；零电流开关PWM（ZCS-PWM）开关单元。零开关PWM电路可分为：零电压开关PWM电路；零电流开关PWM电路。7.1.3软开关电路的分类在零电压谐振开关的谐振电感上并联一个辅助开关在零电流谐振开关的谐振电容上串联一个辅助开关7.1.3软开关电路的分类通过辅助开关S1，控制Lr和Cr的谐振，实现零开关零开关PWM电路与准谐振电路相比实现零开关控制实现PWM控制谐振工作时间要比开关周期短很多。优势：电压和电流基本上是上升沿和下降沿较缓的方波，开关器件承受的电压明显降低。不足：谐振电感Lr与主开关串联，并参与功率传输。这使得实现软开关，增加了开关器件的电压电流应力并受输入电压和负载变化影响。7.1.3软开关电路的分类3、零转换PWM电路零转换PWM电路（Zero-transitionPWMconverters）是软开关技术的又一次飞跃。电路的核心部分仍是零转换PWM开关单元。它包括零电压转换PWM（ZVTPWM）开关单元。零电流转换PWM（ZCT-PWM）开关单元。因此零转换PWM电路可分为：零电压转换PWM电路；零电流转换PWM电路。7.1.3软开关电路的分类谐振电路与主开关相并联，不再参与主要功率的传输，只在主开关通断时工作，损耗较小。辅助开关S1控制谐振。保留了零开关PWM电路的优点。开关器件的电压、电流应力很小且软开关的实现不受输入电压和负载变化的影响。7.1.3软开关电路的分类准谐振电路零电压开关准谐振电路(ZVSQRC）零电流开关准谐振电路(ZCSQRC）零电压开关多谐振电路(ZVSMRC）用于逆变器的谐振直流环节(ResonantDCLink）零开关PWM电路零电压开关PWM电路（ZVSPWM）零电流开关PWM电路（ZCSPWM）零转换PWM电路零电压转换PWM电路（ZVTPWM）零电流转换PWM电路（ZCTPWM）软开关电路一览表7.1.3软开关电路的分类7.2.1零电压开关准谐振电路7.2.2零电压开关PWM电路7.2.3零电压转换PWM电路7.2.4谐振直流环7.2典型的软开关电路输入电源Ui、主开关S、续流二极管VD、输出滤波电感L、电容C构成降压型电路VDS、谐振电感Lr、电容Cr和开关S构成准谐振开关单元。7.2.1零电压开关准谐振电路假设：电感L很大，等效为电流源电容C很大，等效为电压源忽略电路中的损耗。图7.9降压型零电压开关准谐振电路t0~t1：Cr线性充电，S零电压关断t0前，S为通态，VD为断态，ucr=0，iLr=IL。

t0时刻，S关断，Cr使S电压减缓上升，因此，S关断过程为零电压关断。7.2.1零电压开关准谐振电路S关断后，VD尚未导通，电感Lr+L向Cr充电，L很大，可以等效为电流源。ucr线性上升，uVD逐渐下降直到t1时刻，uVD=0，VD导通。这一时段ucr的上升率为：7.2.1零电压开关准谐振电路t1~t4时段：Lr、Cr谐振t1时刻，VD导通，L通过VD续流，Lr、Cr

、Ui形成谐振回路。Lr向Cr充电，按正弦规律上升，iLr按正弦规律下降，t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。7.2.1零电压开关准谐振电路t2时刻后，Lr、Cr

继续谐振，此时Cr向Lr充电，iLr改变方向上升，u

Cr下降，t3时刻，u

Cr=Ui，Lr两端电压为0，iLr达到反向谐振峰值。

t3以后，Lr向Cr反向充电，u

Cr继续下降，t4时刻u

Cr下降到0，谐振过程结束。7.2.1零电压开关准谐振电路t1~t4时段电路谐振方程为：7.2.1零电压开关准谐振电路由于S的反并联VDS的作用，uCr被钳位于0，Lr两端电压为Ui，i

Lr线性衰减，到t5时刻，i

Lr=0。这一时段S两端电压为零，所以必须在t4~t5时段使S开通（施加驱动信号），实现零电压开通，才不会产生开通损耗。7.2.1零电压开关准谐振电路t4~t6时段：Lr线性充放电，S零电压开通7.2.1零电压开关准谐振电路

若保证开关S工作于零电压开通，则开关S的驱动控制信号低电平时间小于t5-t0差，t5-t0差值与谐振电路振荡频率有关。实际S关断时间toff=t6-t0

，斩波电路输出电压平均值为(T-toff)Ui/T,若改变输出电压，只能调节控制周期T。S开通后，i

Lr线性上升，直到t6时刻，i

Lr=IL

，VD关断。这一时段iLr电流的变化率为：t6~t0时段S继续导通，VD关断，

iLr=IL

，uCr=0。t0时刻关断S，开始下一个开关周期。7.2.1零电压开关准谐振电路谐振过程是实现软的必要条件。下面就对零电压开关准谐振电路t1~t4时段的谐振过程进行定量分析。7.2.1零电压开关准谐振电路7.2.1零电压开关准谐振电路通过求解式可得uCr，即开关S两端的电压us的表达式为：7.2.1零电压开关准谐振电路

求其在［t1，t4］上的最大值得到uCr的谐振峰值表达式，也就是开关S承受的峰值电压：7.2.1零电压开关准谐振电路由上式可以看出，如果正弦项的幅值小于Ui，ucr就不可能谐振到0，不可能实现零电压开通，因此

此即准谐振电路实现软开关的条件。谐振电压峰值将高于输入电压的两倍，开关的耐压必须相应提高。它是零电压开关准谐振电路的一大缺点。移相全桥型电路是目前应用最广泛的软开关电路之一。特点:电路结构简单，仅增加了一个谐振电感，电路中四个开关器件都在零电压的条件下开通。7.2.2移相全桥型零电压开关PWM电路移相全桥开关PWM电路的控制方式有几个特点：（１）在一个开关周期内T，开关处于通态和断态的时间固定不变。导通的时间略小于T/2，而关断的时间略大于T/2。（２）同一个半桥中，上下两个开关互补控制，有死区时间。7.2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

（３）比较互为对角的2对开关S1、S4和S2、S3开关函数波形，S1波形超前S40~T/2，而S2波形比S3波形超前0~T/2，因此S1和S2称超前桥臂而S3和S4称滞后桥臂。在一个T内，电路的工作过程可分为10个时段描述，t0~t5和t5~t0两时段工作过程完全对称，只分析半个开关周期时段。假设开关都是理想的，并忽略电路中的损耗。t0~t1：S1、S4通态。t1~t2：t1时，S1关断，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路，其中二次电感L折算到一次回路参与谐振。谐振开始时，uA(t1)=Ui，在谐振过程中，uA下降，直到uA=0，S2的反并联VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。7.2.2移相全桥型零电压开关PWM电路t1~t2等效电路t2~t3时段：t2时刻，S2开通，此时VDS2处于通态，因故S2开通时电压为零，为零电压开通。S2开通后，电路状态也不变，到t3时刻，S4关断。7.2.2移相全桥型零电压开关PWM电路t3~t4：S4关断后，VD1和VD2导通，变压器一次和二次电压均为零，相当于短路。变压器一次侧Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。谐振过程中，Lr的电流减小，B点电压上升，直到VDs3导通。这种状态维持到t4时刻，S3开通，因此S3是在零电压的条件下开通。7.2.2移相全桥型零电压开关PWM电路t4~t5：S3开通后，Lr的电流iLr继续减小，下降到0后反向，并不断增大，到t5时刻，iLr=IL/kT，变压器二次侧整流管VD1的电流下降到0而关断，电流全部转移到VD2中。t0~t5时段正好是开关周期的一半，而在另一半开关周期t5~t0时段中，电路的工作过程与时段完全对称。7.2.2移相全桥型零电压开关PWM电路以升压型零电压转换（BoostZVT-PWM）电路为例输入电源Ui、主开关S、升压二极管VD、升压电感L和滤波电容C构成升压型电路。VDs是S的反并联二极管。辅助开关S1、二极管VD1、谐振电感Lr、Cr构成的辅助谐振电路与主开关S并联，构成零电压转换PWM开关单元。7.2.3零电压转换PWM电路在一个开关周期内，工作过程可分7个时段。假定所有元件都是理想的。升压电感L足够大，即电路的输入电流保持不变，可等效为恒流源。滤波电容C也足够大，在一个开关周期中，C两端电压保持不变，即电路的输出电压保持不变，可等效为恒压源。7.2.3零电压转换PWM电路选择辅助开关的开通时刻为起点t0~t1时段:谐振电感充电，S1和VD换流t0以前，S、S1关断，VD导通。在t0时刻，S1开通，Lr正向充电，电流iLr从0开始线性上升，变化规律为：7.2.3零电压转换PWM电路因此，辅助开关S1的开通过程为零电流开通。由于iLr从0逐渐上升，升压二极管VD上电流IL开始下降，其变化规律为：7.2.3零电压转换PWM电路到t1时刻，iLr上升到IL，iVD下降到0，S1和VD换流过程结束，VD零电流关断。持续的时间为：7.2.3零电压转换PWM电路t1~t2时段:Lr、Cr谐振阶段t1时刻，VD关断，Lr和Cr开始谐振，iLr由IL继续谐振上升，谐振电容电压ucr由输出电压Uo谐振下降。iLr和ucr的变化规律为：7.2.3零电压转换PWM电路其中特征阻抗谐振角频率t2时刻，ucr下降到0，主开关S的反并联二极管导通，将S两端电压箝位为0，即us=0，此时谐振电感电流为：持续的时间为1/4谐振周期为：7.2.3零电压转换PWM电路t2~t3时段:主开关零电压开通t2时刻，VDs导通，S端电压箝位于0，在该时段给S加驱动信号，S为零电压开通。因此主开关S滞后于辅助开关S1开通时刻，滞后时间应该稍大于Δt1+Δt2。同时，该时间段Lr和Cr停止谐振，iLr保持不变。7.2.3零电压转换PWM电路t3~t4时段：谐振电感放电

t3时刻，S1关断。由于关断时，其上电流为谐振电感电流iLr(t2)，不为0；且S1关断后，VD1导通，S1的电压立刻被箝位为U0，因此S1为硬关断，将会产生较大的关断损耗。7.2.3零电压转换PWM电路S1关断后，Lr两端电压为-Uo，Lr反向放电，其能量释放给负载。iLr线性下降，主开关电流is线性上升，其变化规律分别为：7.2.3零电压转换PWM电路到t4时刻，iLr线性下降到0，is线性上升到IL。持续的时间为：7.2.3零电压转换PWM电路t4~t5时段:PWM工作t4时刻，iLr线性下降到0，VD1关断。该时段，S始终导通，升压电感L通过S储能，is=IL，负载由C供电。此时段电路的工作情况和升压电路中开关开通时段的工作情况一样。7.2.3零电压转换PWM电路t5~t6时段:谐振电容充电，主开关零电压关断，t5时刻，关断S。谐振电容Cr通过升压电感L恒流充电，谐振电容电压uCr，即主开关电压us从0开始线性上升，其变化规律为：7.2.3零电压转换PWM电路7.2.3零电压转换PWM电路可见，主开关S的关断过程为零电压关断。到t6时刻ucr充电上升到Uo，VD导通。持续的时间为：t6~t0时段:PWM工作该时段，S和S1均处于关断状态，VD导通。输入电压和升压电感通过VD给滤波电容和负载供电。t0时刻，触发开通辅助开关，开始下一个开关周期。7.2.3零电压转换PWM电路通过以上分析可知：一个开关周期T中：t4~t5、t6~t0

升压电路的PWM工作过程。t0~t1谐振电感充电时段t1~t2谐振工作时段t2~t3主开关的零电压开通t3~t4谐振电感放电时段t5~t6零电压关断。为了实现电路的PWM控制，在设计参数时，应使t0~t4、t5~t6相对于t4~t5、t6~t0的时间很短，这样谐振元件的工作对电路的PWM特性影响就很小。7.2.3零电压转换PWM电路7.2.4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。

7.2.4谐振直流环谐振直流环电路:电路等效图谐振直流环电路的等效电路7.2.4谐振直流环

电路的工作过程：

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。iL