第八章-电力电子技术软开关技术课件

本章主要内容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主要内容8.1软开关的基本概念1概述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有更高的要求电力电子电路的高频化是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的最直接途径开关损耗增加，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概述现代电力电子装置的发展趋势28.1软开关的基本概念硬开关开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著1.硬开关和软开关t0uiP0uituuiiP00硬开关降压型电路及理想波形硬开关导通和关断过程中实际电压和电流a)b)8.1软开关的基本概念硬开关1.硬开关和软开关t0uiP038.1软开关的基本概念软开关增加了Lr、Cr，与L、C相比小得多，S增加了反并联VDS软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路)——使开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减小甚至消除开关损耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化率，也减小开关噪声1.硬开关和软开关降压型零电压开关准谐振电路及理想波形软开关导通和关断过程中实际电压和电流Pui0uitt0uiP0uitt0uua)b)8.1软开关的基本概念软开关1.硬开关和软开关降压型零电压48.1软开关的基本概念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零电压关断与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗零电流开通与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低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，靠电路中的谐振来实现。2.零电压开关和零电流开关8.1软开关的基本概念零电压开通2.零电压开关和零电流开关58.2软开关电路的分类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根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路准谐振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准谐振——电路中电压或电流的波形为正弦半波8.2软开关电路的分类分类68.2软开关电路的分类优势开关损耗和开关噪声都大大下降问题谐振电压峰值很高，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，则只能采用脉冲频率调制方式来控制8.2软开关电路的分类优势78.2软开关电路的分类零开关PWM电路

引入辅助开关来控制谐振开始时刻，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电路同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿和下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频率固定的PWM控制方式零电压开关PWM电路零电流开关PWM电路

8.2软开关电路的分类零开关PWM电路零电压开关PWM电路88.2软开关电路的分类零转换PWM电路

采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状态，无功功率交换被削减到最小零电压转换PWM电路零电流转换PWM电路零电压转换PWM电路零电流转换PWM电路8.2软开关电路的分类零转换PWM电路零电压转换PWM电路98.3典型的软开关电路零电压开关准谐振电路谐振直流环移相全桥型零电压开关PWM电路零电压转换PWM电路8.3典型的软开关电路108.3典型的软开关电路电路构成降压型电路L和C很大，等效为电流源和电压源，并忽略电路中损耗工作原理以S关断时刻为分析起点t0~t1

——t0前，S导通，VD断态,uCr=0,iLr=IL

——t0时，S关断，Cr使S关断后电压上升减缓，则S关断损耗减小，S关断后，VD未导通1.零电压开关谐振电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu8.3典型的软开关电路电路构成1.零电压开关谐振电路SS118.3典型的软开关电路工作原理t0~t1——Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr线性上升，uVD下降

——t1时，uVD=0，VD导通，uCr上升率t1~t2——t1时，VD导通，L续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，Lr对Cr充电，uCr上升，iLr下降——t2时，iLr下降到0，uCr达到谐振峰值

1.零电压开关谐振电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi8.3典型的软开关电路工作原理1.零电压开关谐振电路SS128.3典型的软开关电路工作原理t2~t3——t2后，Cr向Lr放电，iLr变向，uCr下降

——t3时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐振峰值t3~t4——t3后，Lr向Cr反向充电，uCr下降——t4时，uCr=0t1~t4间的谐振方程1.零电压开关谐振电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi8.3典型的软开关电路工作原理1.零电压开关谐振电路SS138.3典型的软开关电路工作原理t4~t5——uCr箝位于0，uLr=Ui，iLr线性衰减

——t5时，iLr=0。该段uS=0，则使S开通，不会产生开通损耗t5~t6——S通态，iLr线性上升——t6时，iLr=IL，VD关断t4~t6电流iLr变化率t6~t0：S通态，VD断态1.零电压开关谐振电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi8.3典型的软开关电路工作原理1.零电压开关谐振电路SS148.3典型的软开关电路uCr(即开关S电压uS)uCr的谐振峰值，即开关S的峰值电压Up零电压开关准谐振电路实现软开关条件如正弦项幅值小于Ui，uCr不能谐振到0，S不可能实现零电压开通谐振电压峰值高于输入电压2倍，S耐压必须提高，增加了电路成本，降低了可靠性1.零电压开关谐振电路8.3典型的软开关电路uCr(即开关S电压uS)1.零电压158.3典型的软开关电路背景及应用用于变频器作用在交-直-交变换电路的中间直流环节，通过引入谐振，使逆变桥中所有开关工作在零电压开通条件下电压型逆变器为感性负载，在谐振过程中逆变电路开关状态不变，负载电流为常量工作原理以S关断时刻为分析起点2.谐振直流环8.3典型的软开关电路背景及应用2.谐振直流环168.3典型的软开关电路工作原理t0~t1——t0前，iLr>IL，S导通

——t0时,S关断，发生谐振，Lr对Cr充电，uCr升高——t1时，uCr=Uit1~t2

——t1时，uCr=Ui，ULr=0，iLr达到峰值

——t1后，Lr继续向Cr充电并不断减小，uCr又升高

——t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值2.谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO8.3典型的软开关电路工作原理2.谐振直流环t0t1t2t178.3典型的软开关电路工作原理t2~t3——t2后，Cr向Lr和L放电，iLr降低至0后反向，Cr继续向Lr放电，iLr反向增加

——t3时，uCr=Uit3~t4

——t3时，iLr达到反向谐振峰值后衰减，uCr继续下降

——t4时，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于0t4~t0

——S导通，iLr线性上升，t0时刻，S再次关断uCr谐振峰值高增加对开关的耐压要求2.谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO8.3典型的软开关电路工作原理2.谐振直流环t0t1t2t188.3典型的软开关电路电路构成增加一个谐振电感，使四个开关器件都在零电压条件下开通控制特点一个TS内，每一开关导通时间都略小于TS/2，关断略大于TS/23.移相全桥型零电压开关PWM电路同一半桥上下两个开关不同时导通，每一个关断到另一个开通要经过一定死区时间超前桥臂S1和S2：S1波形比S4超前0~TS/2；滞后桥臂S3和S4：S2比S3超前0~TS/28.3典型的软开关电路电路构成3.移相全桥型零电压开关PW198.3典型的软开关电路工作原理t0~t1

——S1与S4导通，t1时刻S1关断t1~t2

——t1时，S1关断后，Cs1、Cs2与Lr、L构成谐振回路，谐振初始uA(t1)=Ui。谐振时，uA不断下降至0，VDS2导通，iLr通过VDS2续流3.移相全桥型零电压开关PWM电路rr8.3典型的软开关电路工作原理3.移相全桥型零电压开关PW208.3典型的软开关电路工作原理t2~t3

——t2时，开通S2，VDS2导通使S2开通电压为零，无开关损耗，且电路状态不变，直到t3时S4关断t3~t4——t3时，S4关断后，Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路，谐振中iLr不断减小，uB不断上升，直到VDS3导通

——t4时，S3开通，由于VDS3导通使得在零电压下开通，开通损耗为零3.移相全桥型零电压开关PWM电路rr8.3典型的软开关电路工作原理3.移相全桥型零电压开关PW218.3典型的软开关电路工作原理t4~t5

——S3开通后，iLr继续减小到0后反向，不断增大，t5时iLr=IL/kT，iVD1下降到0而关断，电流IL全部转移到VD2t0~t5——是Ts的一半，而在另一半t5~t0时段中，工作过程与该段完全对称3.移相全桥型零电压开关PWM电路rr8.3典型的软开关电路工作原理3.移相全桥型零电压开关PW228.3典型的软开关电路背景及电路构成电路简单、效率高，广泛用于功率因数校正电路、斩波器等以升压电路为例假设电感L、电容C很大，可以忽略电流和输出电压波动，还忽略元件与线路中损耗4.零电压转换PWM电路辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断，主要谐振过程集中在S开通前后工作原理t0~t1——S1比S先开通，此时VD尚导通，uLr=Uo，iLr线性增长，iVD下降，到t1时，iLr=IL，iVD=0，VD关断8.3典型的软开关电路背景及电路构成4.零电压转换PWM电238.3典型的软开关电路工作原理t1~t2

——Lr与Cr构成谐振回路，L很大使谐振中电流不变；谐振中iLr增加而uCr下降

——t2时，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于0，而iLr保持不变t2~t3

——uCr=0和iLr不变的状态保持到t3时刻S开通、S1关断t3~t4

——t3时，S开通，uS=0，无开关损耗。同时S1关断，Lr通过VD1向负载放能，iLr下降，iS线性上升

——t4时,iLr=0,VD