电力电子课件西安交大第章软开关技术

第8章软开关技术

8.1软开关的基本概念

8.2软开关电路的分类

8.3典型的软开关电路

8.4软开关技术新进展

本章小结2/29引言■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。■电力电子电路的高频化

◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。

◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。■软开关技术

◆降低开关损耗和开关噪声。

◆使开关频率可以大幅度提高。3/298.1软开关的基本概念

8.1.1硬开关与软开关

8.1.2零电压开关与零电流开关4/298.1.1硬开关与软开关■硬开关

◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。

◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。

◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此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。

图8-1硬开关降压型电路及波形a）电路图b）理想化波形

t0uiP0uituuiiP00图8-2硬开关过程中的电压和电流a)关断过程b)开通过程a)b)5/298.1.1硬开关与软开关■软开关◆软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。

◆降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。

Pui0uitt0uiP0uitt0uu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a)b)图8-4软开关过程中的电压和电流a)关断过程b)开通过程

6/298.1.2零电压开关与零电流开关■零电压开通

◆开关开通前其两端电压为零，则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，则关断时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率，从而降低关断损耗。■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率，降低了开通损耗。■在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。

7/298.2软开关电路的分类■软开关电路的分类

◆根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。

◆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。

8/298.2软开关电路的分类图8-5准谐振电路a）零电压开关准谐振电路b）零电流开关准谐振电路c）零电压开关多谐振电路

■准谐振电路

◆分类

☞零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）

☞零电流开关准谐振电路（Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）

☞零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）

☞用于逆变器的谐振直流环节（ResonantDCLink）

9/298.2软开关电路的分类◆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。

◆开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题

☞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，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大。

☞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，变频的开关频率给电路设计带来困难。

10/298.2软开关电路的分类图8-6零开关PWM电路a）零电压开关PWM电路b）零电流开关PWM电路

■零开关PWM电路

◆电路中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。

◆分类

☞零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）

☞零电流开关PWM电路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）

◆同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。

11/298.2软开关电路的分类图8-7零转换PWM电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路的基本开关单元b）零电流转换PWM电路的基本开关单元■零转换PWM电路

◆电路中采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，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，而且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。

◆分类

☞零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）

☞零电流转换PWM电路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）

12/298.3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13/298.3.1零电压开关准谐振电路图8-8零电压开关准谐振电路原理图■零电压开关准谐振电路

◆假设电感L和电容C很大，可以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是按开关周期重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到简化。

14/298.3.1零电压开关准谐振电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图8-9零电压开关准谐振电路的理想化波形

图8-10零电压开关准谐振电路在t0~t1时段等效电路图8-8零电压开关准谐振电路原理图◆工作过程

☞选择开关S的关断时刻为分析的起点。

☞t0~t1时段：t0之前，S导通，VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，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，电路可以等效为图8-10；Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，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的上升率为

(8-1)15/298.3.1零电压开关准谐振电路图8-8零电压开关准谐振电路原理图SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图8-9零电压开关准谐振电路的理想化波形

图8-11零电压开关准谐振电路在t1~t2时段等效电路☞t1~t2时段：t1时刻VD导通，L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，如图8-11所示；谐振过程中，Lr对Cr充电，uCr不断上升，iLr不断下降，直到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，iLr改变方向，uCr不断下降，直到t3时刻，uCr=Ui，这时，uLr=0，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。16/2仗98.妄3.呼1零电理压开迹关准横谐振止电路图8-矿8零电见压开沃关准镇谐振桶电路宝原理率图SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图8-隔9零电异压开访关准箭谐振智电路忙的理先想化掠波形☞t1到t4时段该电路苍谐振晨过程押的方晴程为(8卫-2税)☞t4~t5时段兴：uCr被箝荷位于笛零，uLr=Ui，iLr线性竖衰减诱，直陵到t5时刻弃，iLr=0。由矛于这杰一时类段S两端哗电压适为零，所含以必娇须在易这一而时段虑使开隶关S开通井，才爱不会考产生开通群损耗。☞t5~t6时段阻：S为通米态，iLr线性拨上升处，直选到t6时刻子，iLr=IL，VD关断石。☞t4到t6时段返电流iLr的变涝化率摩为☞t6~t0时段况：S为通卷态，VD为断宁态。(8剪-3瓦)17/2蕉98.冒3.段1零电读压开脉关准汤谐振绩电路◆谐振向过程盛是软绵开关尸电路刃工作展过程五中最悉重要绪的部获分，蛇谐振遍过程血中的赵基本尸数量溜关系晴为☞uCr（即拣开关S的电洽压uS）的锣表达浆式☞[t1,t4]上的受最大施值即uCr的谐霜振峰择值，就断是开滩关S承受丽的峰狐值电帖压，表沾达式赤为☞零电翅压开赠关准恭谐振意电路睁实现盘软开摔关的黑条件如果腔正弦述项的裁幅值卷小于Ui，uCr就不贡可能赞谐振借到零法，S也就幅不可殊能实理现零冻电压牲开通孩。◆零电莫压开群关准虎谐振问电路驼的缺积点：茅谐振漂电压贴峰值正将高喂于输巨入电笋压Ui的2倍，开报关S的耐败压必大须相令应提欠高，吨这增胳加了孙电路哨的成铁本，法降低恰了可神靠性灶。18/2绩98.器3.营2谐振沙直流配环图8-扛12谐振深直流胜环电钳路原践理图图8-纤13谐振欢直流年环电拢路的线等效岩电路■谐振良直流守环◆应用深于交眯流-直流-交流稼变换组电路避的中间讽直流丑环节甜（DC肉-L艰in司k），通垮过在哨直流腥环节湖中引舅入谐武振，凑使电医路中家的整疮流或僵逆变宴环节锣工作古在软租开关活的条疯件下宰。◆图8-躺12中，辅助裳开关S使逆点变桥伸中所白有的约开关六工作丽在零报电压室开通书的条劝件下紧，实元际电眠路中升开关S可以抬不需毛要，S的开序关动封作用线逆变董电路榴中开余关的数直通割与关舍断来耕代替帝。◆电压殿型逆歉变器守的负派载通台常为感性，而便且在角谐振疫过程型中逆肯变电捏路的候开关棒状态永是不壤变的熄，负载秒电流容视为宇常量亦。19/2蛾98.串3.偏2谐振昆直流墨环图8-着13谐振郊直流烛环电桂路的蚀等效鸡电路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图8-哲14谐振帐直流烈环电迷路的言理想削化波剃形◆工作竹过程☞以开邪关S关断伐时刻为起售点。☞t0~t1时段耗：t0之前川，iLr大于IL，S导通舌，t0时刻S关断促，电路蒜中发布生谐留振，因象为iLr>IL，因贝此iLr对Cr充电我，uCr不断房诚升高呢，直挂到t1时刻桂，uCr=Ui。☞t1~t2时段声：t1时刻缺由于uCr=Ui，ULr=0，因惜此谐卵振电缸流iLr达到峰值，t1以后揉，iLr继续肾向Cr充电酒并不梳断减赛小，辣而uCr进一笋步升肃高，气直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振谣峰值。20/2改98.血3.拘2谐振棚直流秀环☞t2~t3时段页：t2以后呜，uCr向Lr和IL放电雪，iLr继续阵降低成，到叶零后奖反向坛，Cr继续离向Lr放电页，iLr反向载增加扩，直染到t3时刻uCr=Ui。☞t3~t4时段诵：t3时刻所，uCr=Ui，iLr达到反向预谐振况峰值，然攻后iLr开始夫衰减敞，uCr继续爱下降寒，直消到t4时刻拾，uCr=0，VDS导通具，uCr被箝帆位于妹零。☞t4~t0时段抢：S导通景，电盒流iLr线性旅上升，直加到t0时刻代，S再次福关断阅。◆谐振棍直流竖环电缩慧路中京电压uCr的谐栗振峰遍值很赏高，译增加浸了对夺开关宪器件屯耐压术的要铺求。图8-明13谐振造直流快环电鲜路的愈等效柄电路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图8-壮14谐振尼直流密环电蠢路的广理想看化波螺形21/2往98.岛3.拍3移相蔽全桥袋型零工电压据开关PW誉M电路图8-谅15移相裳全桥男零电杜压开军关PW欺M电路■移相罪全桥必型零稍电压帜开关PW聋M电路◆电路炕简单合，仅昨仅增登加了她一个谐振包电感，就巾使电牛路中支四个倚开关所器件苏都在起零电仗压的赢条件景下开寄通。◆控制撇方式千的特隶点☞在一传个开哄关周锻期TS内，正每一解个开扶关导宴通的驴时间丘都略小闲于TS/2，而尽关断盗的时斤间都略大诵于TS/2。☞同一活个半租桥中煎上下诸两个锋开关植不同妄时处欲于通伞态，以每一鞭个开眠关关醒断到造另一卡个开乱关开幼通都询要经良过一晓定的死区抚时间。☞互为勤对角败的两拌对开侵关S1-S4和S2-S3，S1的波鸟形比S4超前0~出TS/2时间馆，而S2的波止形比S3超前0~果TS/2时间赶，因鼓此称S1和S2为超前购的桥杆臂，而榨称S3和S4为滞后获的桥阶臂。22/2光98.从3.靠3移相饲全桥塘型零国电压键开关PW登M电路图8-题16移相橡全桥场电路催的理筹想化兵波形图8-悲17移相驼全桥尤电路由在t1~t2阶段季的等枝效电说路图◆工作学过程☞t0~t1时段屑：S1与S4都导惕通，围直到t1时刻S1关断百。☞t1~t2时段晓：t1时刻S1关断德后，C1、C2与Lr、L构成恭谐振啄回路，如交图8-椒17所示视，谐阅振开蜜始时uA(t1)=冒Ui，在像谐振泊过程仁中，uA不断酬下降快，直粉到uA=0，VDS2导通希，iLr通过VDS2续流踢。23/2先98.帆3.静3移相虚全桥淋型零际电压型开关PW蓄M电路图8-狐16移相杏全桥幕电路欺的理邻想化迷波形图8-阴18移相展全桥区电路特在t3~t4阶段骗的等裂效电渴路☞t2~t3时段钟：t2时刻S2开通钩，由欠于VDS2导通女，因弹此S2开通捎时电塔压为宁零，痕开通树过程谎中不戒会产吴生开续关损逢耗，S2开通痒后，较电路绵状态祸也不睁会改西变，猎继续谨保持糕到t3时刻S4关断农。☞t3~t4时段类：t4时刻录开关S4关断露后，灾电路辽的状蜓态变撒为图8-碰18所示球，这倒时C3、C4与Lr构成溉谐振骆回路，谐炎振过腹程中iLr不断译减小坝，B点电惹压不巡寿断上施升，厅直到VDS3导通惕；这庄种状欢态维瓦持到t4时刻S3开通近，S3开通落时VDS3导通惭，因爹此S3是在的零电挤压的婶条件要下开辛通，默开通递损耗浴为零。24/2省98.湾3.洪3移相贞全桥痕型零巩电压侧开关PW肢M电路图8-竭16移相捐全桥签电路场的理局想化册波形图8-忧15移相巴全桥拼零电候压开阴关PW女M电路☞t4~t5时段启：S3开通猾后，iLr继续桐减小袖，下谊降到撒零后园反向居，再妖不断俗增大条，直允到t5时刻iLr=IL/k禾T，iVD采1下降解到零允而关票断，鸽电流IL全部行转移蹲到VD2中。☞t0~t5时段脸正好尿是开鹿关周膀期的症一半端，而抛在另舰一半盒开关霸周期t5~t0时段侍中，槐电路斧的工顾作的招过程刃与t0~t5时段书完全感对称犯。25/2到98.素3.饶4零电歼压转土换PW蜘M电路图8-钟19升压稀型零粥电压妖转换PW乐M电路老的原忍理图■零电萌压转谅换PW染M电路◆具有绘电路利简单狗、效艳率高痒等优中点，占广泛蝴用于吐功率弦因数但校正爸电路愤（PF鄙C）、DC轰-D砖C变换似器、厉斩波侮器等饲。◆以升吩压电荐路为长例，色在分查析中糖假设电感L、电容C很大通，可刑以忽胃略电幕流和违输出掌电压社的波筹动，另在分笑析中形还忽晴略元泉件与旬线路局中的晓损耗膊。◆在零最电压贿转换PW陶M电路喜中，肠辅助准开关S1超前薯于主性开关S开通馆，而S开通幻玉后S1就关检断了仰，主页要的案谐振员过程舅都集碗中在S开通悼前后掘。26/2饰98.舍3.截4零电纲压转垮换PW笛M电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图8-叨20升压波型零剩电压姑转换PW身M电路钱的理航想化遣波形图8-勺21升压剥型零忍电压养转换PW木M电路赞在t1~t2时段校的等泰效电坛路图8-分19升压滨型零云电压载转换PW士M电路塔的原茂理图◆工作讽过程☞t0~t1时段寨：辅简助开疗关先表于主窃开关堆开通传，由搁于此抗时VD尚处皮于通清态，浅所以uLr=Uo，iLr按线嫌性迅俩速增蜜长，iVD以同讲样的交速率异下降，直位到t1时刻迅，iLr=IL，iVD下降饱到零挑，二蚂极管沸自然透关断或。☞t1~t2时段领：此掌时电汇路可吩以等据效为朗图8-著21，Lr与Cr构成答谐振都回路，由盛于L很大薄，谐举振过偏程中拴其电趴流基固本不献变，华对谐习振影亏响很妻小，芝可以摊忽略体；谐堤振过词程中iLr增加外而uCr下降例，t2时刻uCr降到秋零，VDS导通封，uCr被箝劣位于估零，稠而iLr保持色不变书。27/2乖98.到3.方4零电汉压转宽换PW烘M电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图8-区19升压百型零乐电压妹转换PW芝M电路习的原湿理图图8-迅20升压绵型零堆电压观转换PW租M电路秧的理帝想化迁波形☞t2~t3时段馒：uCr被箝益位于盏零，傻而iLr保持滤不变丑，这郑种状撤态一租直保社持到t3时刻S开通捞、S1关断渐。☞t3~t4时段惑：t3时刻S开通细时，uS为零虹，因倡此没啦有开棍关损却耗，S开通任的同拾时S1关断雕，Lr中