新能源电源变换技术课件：软开关技术

软开关技术概述典型电路LLC变换器3.1 软开关的基本概念3.1.1硬开关和软开关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，开关频率越高，开关损耗就越显著。在开关过程中引入谐振，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，消除了开关损耗，3.1 软开关的基本概念3.1.1软开关电路的基本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”，其开关损耗和开关噪声都大大下降。问题：如谐振电压峰值很高，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（PFM）方式来控制，变化的开关频率给电路设计带来困难。3.1 软开关的基本概念3.1.1软开关电路的基本分类电路中引入了辅助开关，从而使谐振仅发生于开关过程前后。同准谐振电路相比，这类电路的电压和电流基本为方波，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。3.1 软开关的基本概念3.1.1软开关电路的基本分类采用辅助开关来控制谐振的起始时刻；与零开关PWM电路不同的是，谐振电路与主开关并联，故输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能实现软开关。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。3.2 软开关的典型电路——零电压开关准谐振电路[t0~t1]t0之前，Q导通，D为断态，vCr=0，iLr=IL，t0时刻Q关断，Cr使Q关断后电压上升减缓，Q的关断损耗减小。Q关断后，D尚未导通；Lr+Lf向Cr充电，Lf等效为电流源，vCr线性上升，同时D两端电压vD逐渐下降，直到t1时刻，vD=0，D导通；[t1~t2]t1时刻D导通，Lf通过D续流，Cr、Lr、Vin形成谐振回路。谐振过程中，Lr对Cr充电，vCr不断上升，iLr不断下降，直到t2时刻，iLr下降到零，vCr达到谐振峰值；[t2~t3]t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr改变方向，vCr不断下降，直到t3时刻，vCr=Vin，这时，vCr=0，iLr达到反向谐振峰值；[t3~t4]t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，vCr继续下降，直到t4时刻vCr=0。[t4~t5]vCr被箝位于零，vCr=Vin，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于这一时段Q两端电压为零，所以必须在这一时段使开关Q开通，才不会产生开通损耗。[t5~t6]Q为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，D关断。[t6~t0]Q为通态，D为断态。3.2 软开关的典型电路——移相全桥零电压开关PWM电路[t0,t1]：t0时刻之前Q1、Q4导通，一次侧向二次侧传递能量。t0时刻关断Q1，原边电流ip从Q1转移到C1和C4支路中，给C1充电，为C3放电。电容C1的电压从零开始线性上升，电容C3的电压从Vin性下降。正因为C1和C3的存在，S1实现了零电压关断。[t1,t2]：D3导通后，将Q3的电压钳在零电位，此时开通Q3，则Q3实现零电压开通。[t2,t3]：在t2时刻，关断Q4断开，一次侧电流ip转移到C2和C4中，一方面抽走C4上的电荷，另一方面给C2充电。由于C2和C4的存在，Q4实现了零电压关断。[t3,t4]：t3­时刻，D2自然导通，Q2­零电压开通。[t4,t5]：t4时刻，一次侧电流由正值过零，向负方向增加，Q2和Q3为一次侧电流提供通路。[t5,t6]：电源给负载供电。t6时刻，Q3断开，变换器开始另半个周期的工作，其工作情况与上述半周期类似，不再赘述。3.2 软开关的典型电路——移相全桥零电压开关PWM电路为了扩大滞后臂ZVS的范围，可以在普通的ZVS移相全桥PWM变换器上增加辅助网络。图(a)中，滞后桥臂增加了一个电感和两个电容，使滞后桥臂更容易实现ZVS；图(b)中，一次侧使用两个钳位二极管来抑制二次侧整流二极管的反向恢复振荡，同时提高整机转换效率。(a)(b)3.2 软开关的典型电路——零电压转换PWM电路[t0~t1]：辅助开关先于主开关开通，由于此时D尚处于通态，所以vLr=Vo，iLr按线性迅速增长，iD以同样的速率下降，直到t1时刻，iLr=IL，iD下降到零，二极管自然关断。[t1~t2]：Lr与Cr构成谐振回路，由于L很大，谐振过程中其电流基本不变，对谐振影响很小，可以忽略；谐振过程中iLr增加而vCr下降，t2时刻vCr降到零，DS导通，vCr被箝位于零，而iLr保持不变。[t2~t3]：vCr箝位于零，iLr保持不变，该状态一直保持到t3时刻Q开通、Qr关断。

[t3~t4]：t3时刻Q开通时，vQ为零，因此没有开关损耗，Q开通的同时Qr关断，Lr中的能量通过D1向负载侧输送，vLr下降，而iQ线性上升，到t4时刻iLr=0，D1关断，iQ=IL，电路进入正常导通状态。

[t4~t5]：t5时刻Q关断，由于Cr的存在，Q关断时的电压上升率受到限制，降低了Q的关断损耗。3.3 LLC谐振变换器目的：

在谐振时电流或电压周期性过零，利用这一点实现软开关，可以降低开关损耗，提高功率变换器的效率。分类：

串联谐振变换器（SeriesResonanceCircuit，简称SRC）

并联谐振电路（ParallelResonanceCircuit，简称PRC）

串并联谐振电路（Series-ParallelResonanceCircuit，简称SPRC）。3.3.1 LLC谐振变换器概述SRC变换器PRC变换器LCC变换器LLC变换器3.3.1 LLC谐振变换器概述1）方波发生器：通过每次切换都以0.5占空比交替驱动开关Q1和Q2产生方波电压，方波发生器可设计成全桥或半桥型。2）谐振网络包括谐振电容Cr，串联谐振电感Lr及并联谐振电感Lm。谐振网络可以滤除高次谐波电流。3）整流网络由整流二极管DR1、DR2和输出滤波电容Co构成。存在两个谐振频率3.3.2 分体谐振电容型LLC单体谐振电容型LLC谐振变换器分体谐振电容型LLC谐振变换器分体谐振电容型LLC谐振变换器的输入电流纹波较小；通过分体谐振电容上并联钳位二极管的方法可以达到简单的过载保护分体谐振电容可以有效地减少功率开关网络前端输入电容上的电流应力3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析分体谐振电容型LLC谐振变换器存在两个谐振频率分体谐振电容型LLC谐振变换器具有三个工作区间3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t0-t1]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t1-t2]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t2-t3]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t3-t4]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t4-t5]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t5-t6]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t6-t7]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t7-t8]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t0-t1]3.3.2 分体谐振电容型LLC——模态分析[t1-t2]3.3.2 分体谐振电容型LLC