第6章软开关技术

1、第6章 软开关技术,6.1 软开关的基本概念 6.1.1 软开关及其特点 6.1.2 软开关的分类 6.2 基本的软开关电路 6.2.1 准谐振变换电路 6.2.2 零开关PWM变换电路 6.2.3 零转换PWM变换电路,概述,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。,第6章 软开关技术,1、硬开关：,2）特点： 不存在电压和电流的交迭。 降低开关损耗、开关噪声。提高开关频率。,6.1.1 软开关及其特点,2）特点： 开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。

2、产生较大的开关损耗和开关噪声。,2、软开关：,1）定义：开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。,1）定义：开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通），在其电流不为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。,6.1.1 软开关及其特点,图6.1.1 Buck直流变换电路的硬开关特性,硬开关（开关过程）,其中：开关管T开通和关断时存在电压和电流的交迭，即开通时T两端电压uT很大，关断时流过T中的电流iT很大，从而产生较大的开关损耗和开关噪声。,软开关过程（开关过程）,6.1.1 软开关及其特点,1）器件开通：器件两端电压uT首先下降

3、为零，然后施加驱动信号ug，器件的电流iT才开始上升； 2）器件关断：通过某种控制方式使器件中电流iT下降为零后，撤除驱动信号ug ，电压uT才开始上升。,图6.1.2 软开关特性,1、理想软开关：,2、实际软开关:,1）器件开通：对开关管施加驱动信号，电流上升的开通过程中，电压不大且迅速下降为零。 2）器件关断：撤除驱动信号，电流下降的关断过程中，电压不大且上升很缓慢。,(图6.1.2 b),(图6.1.2 a ),2、根据软开关技术发展的历程软开关电路可分为： 1）准谐振变换电路 2）零开关PWM变换电路 3）零转换PWM变换电路,6.1. 软开关的分类,1、根据开关元件开通和关断时电压电

4、流状态， 适应于 DC/DC和DC/AC变换器的软开关技术 大体上可分为两类： 1）零电压开关（ZVS） 2）零电流开关（ZCS）,6.2 基本的软开关电路,1、 准谐振变换电路,1）零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC） 2）零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC） 3）零电压多谐振开关电路（ZVS MRC）,2、 零开关PWM变换电路,1）零电压（开通）开关PWM变换电路（ZVS PWM） 2）零电流（关断）开关PWM变换电路（ZCS PWM）,3、零转换PWM变换电路,1）零电流转换开关PWM变换电路（ZCT PWM） 2）零电压转换开关PWM变换电路（ZVT PWM）,3）准谐振

5、电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此 称之为准谐振。,6.1 准谐振变换电路,2）准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化 而改变，只能采用脉冲频率调制(PFM)调控输出电 压和输出功率，即调频方式。,1） 变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而 不是全过程，且只能改善变换电路中一个开关元件 （如开关管T或二极管D）的开关特性，,电路特点：,6.1,图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),开关管T与谐振电容Cr并联，谐振电感Lr与T串联，如果滤波电感Lf足够大，则输出负载电流为恒定值I。,假定t0,T处于通态，iT=iL=I0，uT

6、=ucr=0，续流二极管D截止。 在t=0时撤除T的驱动信号ug，把一个开关周期Ts中的通、断过程可分为5个开关状态，其电压、电流波形如图6.2.1（b）（e）所示。,1、零电压开关准谐振变换电路,准谐振变换电路,6.1,图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),1)零电压开关准谐振变换电路 开关状态：,准谐振变换电路,(1) t0t1阶段：t=0时，ug=0，it从I0减小，谐振电容电流iC从零开始增大，iL=iC+it=I0 不变，负载电流I0从开关管T转到Cr。由于iT很快下降为零，而uCr=uT还很小，故开关管T软关断，此后iC=IL=I

7、0恒流充电到t=t1 时， uCr=uT=Ud。,其中： tt1时：uCr=uTUd，续流二极管 D反偏截止。 t=t1时：uCr=uT=Ud，续流二极 管D无反偏电压而开始导电。,6.1,图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),准谐振变换电路,t t1后， iL对Cr继续充电,uCrUd ，iL=iC减小，续流二极管 D开始导电，UAB=0 ， Lr 、Cr构成串联谐振电路。 当到串联谐振的1/4周期t2时刻， uCr谐振到峰值，iL=iC=0，此后tt2 ，由于uCrUd ，iL反向，Cr开始经D和Lr向电源Ud放电。,(2) t1tt2阶

8、段：,6.1,准谐振变换电路,t t2后， Cr经D和Lr向电源Ud放电。 uCr减小到t=t3时uCr=0,(3) t2tt3阶段：,(4) t3 t t4阶段：,t = t3时, Cr放电到uCr= 0 ，但iL为负值，故二极管D1开始导电，使uCr=uT=0，此后负电流iL通过D1向电源Ud回馈能量，使负向电流iL数值逐渐减小，到t = t4时，iL=0。,图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),6.1,准谐振变换电路,在t3 t4期间，二极管D1导电使、uT =0， iT =0 ，这时给 T施加驱动信号，就可以使开关管T在零电压下开通。

9、 为了使T在零电压下可靠开通，必须选择谐振电路的参数使之满足下列关系式： 上两式中：fr是谐振电路的谐振频率， I0min是负载电流的最小值。,(6.2.1),(6.2.2),图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),6.1,准谐振变换电路,由于T导通iT=iL=I0 ，uCr=uT=0,续流二极管D截止，电源Ud对负载供电。到t=t5时T再次被关断，完成了一个开关周期TS。,(5) t4tt5阶段：,图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),6.1,准谐振变换电路,1) 在一个开关周期TS中，仅在

10、t3 t4期间电源Ud不输出能量，而这段时间段的长短与Lr 、Cr的谐振周期有关。 2) 当Lr 、Cr的值一定时，降低开关频率fS（即增大TS ）将使输出电压、输出功率增大。 3) 零电压开通准谐振变换电路只适宜于改变变换电路的开关频率fS来调控输出电压和输出功率。,图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),总结：,6.1,图6.2.2 以DC/DC降压变换电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（ZCS QRC),Cf足够大，在一个开关周期Ts中输出负载电流IO和输出电压UO都恒定不变。如果滤波电感Lf足够大，则Ts中If = I恒定不变。,假定

11、t0时，ug=0,T处于断态，D续流。iT=iL=0， ID=If = I ， uT=Ud ， ucr=0，续流二极管D截止， 在t=0时T施加的驱动信号ug，把一个开关周期Ts中的通、断过程可分为5个开关状态，其电压、电流波形如图6.2.2（b）（e）所示。,1、零电流开关准谐振变换电路,准谐振变换电路,谐振电感,滤波电容,6.1,t=0时T施加驱动信号ug而导通，iT=iL从零上升至I0。iD=I0-iL从I0下降到零， D截止。,由于在上述过程中电感Lr上的感应电动势为左正右负，所以使T上的电压ur减小。如果电感Lr足够大，则有可能使uT，实现零电压开通。,1)、零电流开关准谐振变换电路

12、开关状态：,准谐振变换电路,(1)tt阶段：,图6.2.2 以DC/DC降压变换电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（ZCS QRC),6.1,tt1时，iT=iLI0 , iL-I0对r充电，使ucr上升r、Cr产生串联谐振。谐振1/4周期后，iT=iL达最大值，ucr=Ud；谐振1/2周期后，iT=iL=I0，ucr=2Ud；此后，iT=iL从I0下降，t=t2时到下降到零，Uducr2Ud。,(2) t1tt2阶段：,准谐振变换电路,图6.2.2 以DC/DC降压变换电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（ZCS QRC),6.1,在此期间由于Lr、Cr谐振，iL为负值，二极管D1导电，u

13、T=0，若此时撤除驱动信号ug， T可以在零电流下关断，无关断损耗。t=t3时，ucrud，二极管D1截止，iT=iL=0，uT=Ud-ucr。,(3) t2tt3阶段：,准谐振变换电路,使T在零电流下关断的谐振电路参数关系式：,(6.2.3),(6.2.4),图6.2.2 以DC/DC降压变换电路为例的零电流开通准谐 振变换电路（ZCS QRC),6.1,由于T、D1均已断流，续流二极管D仍反偏截止，电容Cr的向滤波电感和负载放电，到t=t4时，ucr=0，uT=Ud，续流二极管D导电， 其电流从零突变为I0。,准谐振变换电路,图6.2.2 以DC/DC降压变换电路为例的零电流开通准谐 振变

14、换电路（ZCS QRC),(4) t3tt4阶段：,(5) t4tt5阶段：,续流二极管D导电，到t=t5时，T再次被驱动，经历一个完整的周期TS。,6.1,1) 在一个开关周期TS中，仅在0t2期间电源输出功率，t2t3期间Cr向电源回馈能量。 2) 当Cr、Lr的值一定时谐振周期Tr=1/fr是不变的，变换电路的开关频率fS越高，Ts就越小，T的相对导通时间（电源输出功率的时间）t2/TS增长，将使输出电压、输出功率增大。 3) 零电流开关准谐振变换电路只适宜于改变变换电路的开关频率fS来调控输出电压和输出功率。,准谐振变换电路,图6.2.2 以DC/DC降压变换电路为例的零电流开通准谐

15、振变换电路（ZCS QRC),总结：,6.2,零开关PWM变换电路,1）是PWM电路与QRC电路的结合,它在准谐振型变 换电路基础上加入一个辅助开关管来控制谐振元件的谐振过 程，仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，造成开关管 的零压开通或零流关断条件。 2）谐振电感L与主开关器件串联在电路中，开通时 承受负载电流，因此，变换电路可按恒定频率PWM方式 调控输出电压，利用启动准谐振变换电路创造零压或零 流条件，开通或关断开关器件。 3）既可以像QRC电路一样通过谐振为主功率开关 管创造零电压或零电流开关条件，又可以使电路像常规 PWM电路一样，通过恒频占空比调制来调节输出电压。,电路特点：,6

16、.2,1、零电压(开通)开关PWM 变换电路结构及工作原理：,图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形,零开关PWM变换电路,ZVS PWM变换电路是在 ZVS QRC电路的谐振电感Lr上并联一个辅助开关管D2和T2组成的。 若tt0时，主开关管T1和辅助开关T2都是导通的，续流二极管D截止，iL=If=I0，ucr=0。在一个开关周期T5中，可分5个阶段来分析电路的工作过程；,6.2,1、零电压(开通)开关PWM 变换电路工作原理：,图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形,零开关PWM变换电路,t=t0 时，ucr=0,撤除T1的驱动 信号ug1使零电压T1

17、关断，电流 立即从 T1转移到Cr，给Cr充电， 由于iL=If=I0恒定，ucrUd时，续 流二极管D仍处于反偏截止。 t=t1，Cr充电到ucr=Ud，续流 二极管D不再反偏而导电。,1） t0tt1阶段：,6.2,1、零电压(开通)开关PWM 变换电路工作原理：,图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形,零开关PWM变换电路,由于续流二极管D导电，经 T2、D2续流，这段时期是可以 通过改变辅助开关T2的关断时 刻t2控制的，因此续流二极管D 导电的占空比是可以实施PWM 控制的，用它来调控输出电压。,2） t1tt2阶段：,6.2,1、零电压(开通)开关PWM 变换电路

18、工作原理：,图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形,零开关PWM变换电路,由于在t=t2时刻撤除辅助开 关管T2的驱动信号而关断，Cr、 Lr产生谐振。在T2关断前瞬间， 由于T1已关断，ucr=Ud，所以 T2为零电压关断。 从t=t2后到1/4谐振周期时， ucr到达最大值Ud+I0Zr，此后电 容Cr放电，ucr下降，到t=t3时， 此期间iL为负值。,3） t2tt3阶段：,6.2,1、零电压(开通)开关PWM 变换电路工作原理：,图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形,零开关PWM变换电路,负电流iL经二极管D、D1向电源Ud回馈能量。 由于导通的

19、D1与主开关管T1并联，在此期间若对T1施加驱动信号则T1 将在零电压下开通。 T1 开通后负iL反向从零线性增大，到t=t4时iL=I0，续流二极管D的电流iD=I0=iL从I0减小到零而自然关断。,4） t3tt4阶段：,6.2,1、零电压(开通)开关PWM 变换电路工作原理：,图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形,零开关PWM变换电路,使T1在零电压下开通，必须选择谐振电路的参数使之满足下列关系：,4） t3tt4阶段（续）：,(6.2.5),(6.2.6),式中： 是谐振电路的谐振频率， 是负载电流的最小值。,6.2,1、零电压(开通)开关PWM 变换电路工作原理：

20、,图6.2.4 Buck ZVS PWM变换电路和工作波形,零开关PWM变换电路,t=t4时，主开关管下T1已处于通态,D反偏截止 ,电源Ud向负载恒流供电。 在t=t5时，撤除T1的驱动信号，T1关断，（因为T1关断时ucr=uT1很小，T1也是软关断）完成一个开关周期T5。,5） t4tt5阶段:,2、零电流(关断)开关PWM变换电路,图6.2.5 Buck ZCS PWM变换电路 的原理图和主要电量波形图,ZCS PWM变换电路是在 ZCS QRC电路的谐振电容Cr上并联一个辅助开关管T2和其并联的D2组成的 。,零开关PWM变换电路,6.2,2、零电流(关断)开关PWM 变换电路,Bu

21、ck ZCS PWM变换电路一个开关周期可分为 6个时间段描述： 1）t0tt1阶段 2）t1tt2阶段 3）t2tt3阶段 4）t3tt4阶段 5）t4tt5阶段 6）t5tt6阶段 设定tt0时，主开关管T1和辅助开关管T2都是断开的，续流二极管D导通使iD=I0，谐振电容Cr上的电压为零。,零开关PWM变换电路,6.2,2、零电流(关断)开关PWM变换 电路工作过程,对T1施加驱动信号ug1使其导通，iT1=iL线性上升至I0，iD=iL-I0下降到零，t=t1时，D截止。 在T1导通瞬间，由于谐振电感Lr上的电压uLr=Ud，则T1为软开通 。,零开关PWM变换电路,1）t0tt1阶段

22、：,6.2,2、零电流(关断)开关PWM变换 电路工作过程,6.2,在D截止后，Lr、Cr产生谐振，iLI0，经过半个谐振周期Tr后到t=t2时刻，iL=I0，ucr=2Ud（最大值）。,零开关PWM变换电路,2） t1tt2阶段：,t=t2时，D2的电流iD2=iL-I0 而自然关断，电源对负载供电， iL=if=I0。,3）t2tt3阶段：,6.2,t=t3时, 对T2施加驱动信号ug2使其导通, Cr处于放电状态,Cr 、Lr将继续谐振。t=t3以后,电感电流iL由正方向谐振衰减到零之后，D1导通，iL通过D1继续向反方向谐振，并将能量反馈回电源Ud。在t=t4时刻，电感电流iL由反方向

23、谐振衰减到零。,零开关PWM变换电路,4） t3tt4阶段：,2、零电流(关断)开关PWM变换 电路工作过程,6.2,t=t3以后,电感电流iL由正方向谐振衰减到零之后， D1导通， iL通过D1继续向反方向谐振，并将能量反馈回电源Ud 。 t=t4时，电感电流iL由反方向谐振衰减到零。显然，在iL反方向运行期间，撤除驱动信号ug1主开关管T1可以在零电压、零电流下完成关断过程。 使T1在零电流下关断，谐振电路的参数关系式为：,零开关PWM变换电路,4） t3tt4阶段：,2、零电流(关断)开关PWM变换 电路工作过程,式中： 是谐振电路的谐振频率， 是负载电流的最小值。,6.2,在此期间，T

24、1已关断，D仍截止，Cr经T2对负载放电到t=t5时，ucr=0。,零开关PWM变换电路,5） t4tt5阶段：,2、零电流(关断)开关PWM 变换电路工作过程,图6.2.5 Buck ZCS PWM 变换电路原理图及波形图,6.2,t=t5时，ucr=0，续流二极管D立即导电，iD=I0，此后电路也将以标准的PWM模式运行，因续流二极管D导电的占空比是可以实施PWM控制的，用它来调控输出电压。 tt5后，撤除驱动信号ug2 使T2关断，则T1在零电流下完成关断。 t=t6时，驱动信号ug1又使主开关管T1开通，开始下一个开关周期。,零开关PWM变换电路,6） t5tt6阶段：,2、零电流(关

25、断)开关PWM变换 电路工作过程,6.3,零转换PWM变换电路,将谐振电感Lr及辅助开关T2与主开关并联，控制辅助开关的开通、截止产生LC振荡，使主开关实现零流关断或零电压开通。这种变换器被称为零电流转换（关断）开关PWM变换电路（ZCT PWM）和零电压转换（开通）开关PWM变换电路（ZVT PWM）。,定义：,图6.2.9 Boost ZVT PWM 电路的原理图,图6.2.7 Boost ZCT PWM 电路的原理图,6.3,1、零电流转换开关PWM变换电路,图6.2.6 基本零电流转换开关,图中辅助谐振网络由辅助开关管T1、谐振电感Lr、谐振电容Cr及辅助整流二极管D1构成。 将此开关应用到其它PWM变换电路中，可以得到不同的零电流转换开关PWM变换电路。,零转换PWM变换电路,1）基本零电流转换开关,6.3,1、零电流转换开关PWM变换电路,图6.2.7 (a) Boost ZCT PWM 电路的原理图,电路中所有元器件都是理想的； 电路中输入滤波电感足够大，故在一个开关周期内