开关电源软开关技术PPT学习教案

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1、会计学1开关电源软开关技术开关电源软开关技术2引言引言第1页/共38页3)()()(titutpSSSiSuSuSiSiSu5.1 5.1 软开关的基本概念软开关的基本概念硬开关：硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠区。开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠区。 电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲和振荡，电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲和振荡，导致开关噪声的产生。导致开关噪声的产生。ttiupb)ttiupa)图5-1 硬开关电路的开关过程 a) 硬开关开通过程 b) 硬开关关断过程第2页/共38页4硬开关过程硬开关过程:产生较大的开关损耗和开关噪声产生较大的

2、开关损耗和开关噪声;2)开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，发热量增大，温升提高，阻碍了开关效率下降，发热量增大，温升提高，阻碍了开关频率的提高；频率的提高；1) 3)开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。响周边电子设备的正常工作。 第3页/共38页5tptiua)uttipb) 图5-2 软开关电路的开关过程 a) 软开关开通过程 b) 软开关关断过程第4页/共38页6第5页/共38页7第6页/共38页8第7页/共38页9SLVDa)SLVDb)d)SVDLc)LVDS第

3、8页/共38页10第9页/共38页11SLVDa) 零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路的基本开关单元rLrCrCrLSLVDb) 零电流开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路的基本开关单元SLVDrL1rC2rCc) 零电压开关多谐振电路的基本开关单元零电压开关多谐振电路的基本开关单元第10页/共38页12SLVDrCrL1Sa) 零电压开关零电压开关PWM电路的基电路的基本开关单元本开关单元SLVDrLrC1Sb) 零电流开关零电流开关PWM电路的基电路的基本开关单元本开关单元第11页/共38页13rLrC1S1VDSLVDa) 零电压转换零电压转换PWM电路的

4、基本电路的基本开关单元开关单元SLVDrLrC1VD1Sb) 零电流转换零电流转换PWM电路的基电路的基本开关单元本开关单元第12页/共38页14第13页/共38页15rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri图图5 - 7降压型降压型零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图第14页/共38页16CruLIiU+rCA图图5-9 零电压开关准谐振电零电压开关准谐振电路在路在 时段等效电路时段等效电路0t1tSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图图5 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐振电路的理想化波形想化波形rCrLSRLAVD+-C

5、iUSVDDuLri图图5 - 7降压型降压型零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路原理图电路原理图第15页/共38页17iUCrurC+rLLri图图5-10 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路在在 时段等效电路时段等效电路1t2tSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图图5 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐振电路的理想化波形想化波形rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri图图5 - 7降压型降压型零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路原理图电路原理图第16页/共38页18 时段：时段： 时刻后，时刻后， 向向 放电，放电， 改变方向，改变

6、方向， 不断不断下降，下降， 直到直到 时刻，时刻， = ， 达到反向谐振峰值。达到反向谐振峰值。 时段：时段： 时刻后，时刻后， 向向 反向充电，反向充电， 继续下降继续下降，直到，直到 时刻时刻 =0。2t3t2trCrLLriCru3tCruiULri3t4t3trLrCCru4tCruSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图图5 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐振电路的理想化波形想化波形rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri图图5 - 7降压型降压型零电压开关准谐振零电压开关准谐振电路原理图电路原理图第17页/共38页19 时段： 被

7、钳位于零， 线性衰减，直到 时刻， =0。由于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。 时段：S为通态， 线性上升，直到 时段， = ，VD关断。 时段：S为通态，VD为断态。4t5tCruLri5tLri5t6t6tLri6tLriLI0t缺点：谐振电压峰值将高于输缺点：谐振电压峰值将高于输入电压的两倍，增加了对开关入电压的两倍，增加了对开关器件耐压的要求，增加了电路器件耐压的要求，增加了电路的成本，降低了可靠性。的成本，降低了可靠性。Sttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图图5 8 零电压开关准谐振电路的理零电压开关准谐

8、振电路的理想化波形想化波形第18页/共38页205.3.3 5.3.3 有源钳位正激型电路有源钳位正激型电路 该电路变压器二次侧的结构与普通正激型电路一样，不该电路变压器二次侧的结构与普通正激型电路一样，不同的是一次电路结构。该电路没有复位绕组，而是采用含有同的是一次电路结构。该电路没有复位绕组，而是采用含有反并联二极管的开关反并联二极管的开关S1和电容和电容C1构成复位电路。构成复位电路。iU1C1SLCRS1N2N2VD1VD图5-20 有源钳位正激型电路第19页/共38页211.1.工作过程工作过程0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000图5-22 有源钳位正

9、激型电路的波形iU1N2N1VD2VD1CSCRmi1SSiLi1Dia) 有源钳位正激型电路在 时段的等效电路0t1tiU1N2N1VD2VD1CSCRmi1SLib) 有源钳位正激型电路在 时段的等效电路2t1t1t2t1VD2VD 时段：主开关时段：主开关S开通，二极管开通，二极管 通，通， 断，电感断，电感L的电流增长，变压器的励磁电流的电流增长，变压器的励磁电流 也线性增长。也线性增长。 0t1t1VD2VDmimi1S1C 时段：时段：S关断，二极管关断，二极管 断，断， 通，电感通，电感L的电流下降。变压器的励磁电流的电流下降。变压器的励磁电流 通过通过 的反并二极管向电容的反并

10、二极管向电容 充电。充电。第20页/共38页22iU1CCRS1S1N2N1VD2VDmiLi2Dic) 有源钳位正激型电路在 时段的等效电路2t3tiU1CCRS1S1N2N1VD2VDmi2DiLiDid) 有源钳位正激型电路在 时段的等效电路3t4t 时段：开关时段：开关 开通，由于开通，由于 开通前其反并二极管处于通态，其两端电压为零，因此开通前其反并二极管处于通态，其两端电压为零，因此 为零电压开通。在此期间，变压器励磁电流为零电压开通。在此期间，变压器励磁电流 线性下降，线性下降， 时刻下降到零。时刻下降到零。2t3t3t1S1S1Smi 时段：变压器励磁电流时段：变压器励磁电流

11、到零后反向，到零后反向， 反过来向变压器励磁电感放电，励磁电流由零变为负值，直到反过来向变压器励磁电感放电，励磁电流由零变为负值，直到 时刻时刻 关断。关断。3t4t4t1Smi1C0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000图5-22 有源钳位正激型电路的波形第21页/共38页23iU1CS1N2NmiSiLi2Di1VD2VDRLCe) 有源钳位正激型电路在 时段的等效电路5t4t时段：时段： 关断时，变压器的励磁电流方向为由下向上，关断时，变压器的励磁电流方向为由下向上， 关断后，励磁电流流过主开关的反并联二极管，关断后，励磁电流流过主开关的反并联二极管， 时刻，

12、开通，此时的反并联二极管处于通态，两端电压为零，所以为零电压开通。时刻，开通，此时的反并联二极管处于通态，两端电压为零，所以为零电压开通。4t5t1S1S4t0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000图5-22 有源钳位正激型电路的波形第22页/共38页242.2.特点特点主开关主开关S工作在零电压开通条件，开关损耗显著降工作在零电压开通条件，开关损耗显著降低低。存在变压器励磁电流为负值的工作状态，这意味着存在变压器励磁电流为负值的工作状态，这意味着变压器的磁通在工作过程中可以从正值变化为负值，变压器的磁通在工作过程中可以从正值变化为负值，工作在磁化曲线的工作在磁化曲

13、线的、两个象限。因此两个象限。因此有源钳位正有源钳位正激型电路的变压器的磁心利用率大大提高激型电路的变压器的磁心利用率大大提高，表现为同，表现为同等功率的电路时，磁心尺寸可以很小，绕组匝数可以等功率的电路时，磁心尺寸可以很小，绕组匝数可以减小，从而变压器的体积和重量可降低。减小，从而变压器的体积和重量可降低。省去了复位绕组，变压器的制造工艺可以简化，有省去了复位绕组，变压器的制造工艺可以简化，有利于减低成本。利于减低成本。 由于有源钳位正激型电路具有诸多优点，而且开关数量由于有源钳位正激型电路具有诸多优点，而且开关数量较移相全桥零电压开关较移相全桥零电压开关PWM电路少，电路中的谐振电压和电路

14、少，电路中的谐振电压和电流又明显小于零电压准谐振电路，该电路被广泛应用于中电流又明显小于零电压准谐振电路，该电路被广泛应用于中小功率密度的电源装置中，典型的例子是模块化的隔离型小功率密度的电源装置中，典型的例子是模块化的隔离型DC-DC变换器。变换器。第23页/共38页255.3.4 5.3.4 零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路 零电压转换零电压转换PWM电路是另一种常用的软开关电路，具有电路是另一种常用的软开关电路，具有电路简单、效率高等特点，广泛应用于功率因数校正（电路简单、效率高等特点，广泛应用于功率因数校正（PFC）电路、）电路、DC-DC变换器、斩波器等。由于该电路在升压型变

15、换器、斩波器等。由于该电路在升压型PFC中的广泛应用，特以升压型电路为例，介绍这种软开关中的广泛应用，特以升压型电路为例，介绍这种软开关电路的工作原理。电路的工作原理。iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL图5-23 升压型零电压转换PWM电路的原理图第24页/共38页26工作过程分析：工作过程分析： 在分析中，假设电感L和电容C都很大，并忽略器件与线路中的损耗。iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL图5-23 升压型零电压转换PWM电路的原理图S1SSuLriLI1Si1SuDiSi0t1t2t3t4t5t000000000ttttttttt图5-24

16、 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形 时段：辅助开关时段：辅助开关 先于先于S开通，电感电流开通，电感电流 迅速增长，二极管迅速增长，二极管VD中的电流以同样的速率下降。直到中的电流以同样的速率下降。直到 时刻，二极管时刻，二极管VD中电流下降到零，二极管自然关断。中电流下降到零，二极管自然关断。0t1t1tLri 时段：时段： 与与 构成谐振回路。的电流增加而构成谐振回路。的电流增加而 的电压下降，的电压下降， 时刻，其电压时刻，其电压 刚好下降到零，开关刚好下降到零，开关S的反并二极管的反并二极管 导通，导通， 被钳位于零，而电流被钳位于零，而电流 保持不变。保持不变。1t2t2tLr

17、irLrLrCrCCruCruSVD1t2tiUSVDrCLrL1SLriLI图5-25 升压型电压转换PWM电路在 时段的等效电路第25页/共38页27iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL图5-23 升压型零电压转换PWM电路的原理图 时段：时段： 被钳位于零，而电流被钳位于零，而电流 保持不变，这种状态一直保持到保持不变，这种状态一直保持到 时刻时刻S开通、开通、 关断。关断。2t3t3t1SCruLri 时段：时段： 时刻时刻S开通时，为零电压开通。开通时，为零电压开通。S开通的同时，开通的同时， 中的能量通过中的能量通过 向负载侧输送，主开关向负载侧输送，主开关S

18、中的电流线性上升。中的电流线性上升。 时刻，时刻， ， 关断，电路进入正常导通状态。关断，电路进入正常导通状态。 3t3t4t4trL1VD0Lri1VD 时段：时段： 时刻，时刻，S关断，由于关断，由于 的存在，的存在，S关断时电压上升率受到限制，降低了关断时电压上升率受到限制，降低了S的关断损耗。的关断损耗。4t5t5trCS1SSuLriLI1Si1SuDiSi0t1t2t3t4t5t000000000ttttttttt图5-24 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形第26页/共38页28ABLCR+-.iU1S2S3S4S1TURU1SC2SC3SC4SCrL图图5 11 移相全桥型

19、零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路第27页/共38页29（1）在一个开关周期）在一个开关周期 内，每一个开关处于通态和内，每一个开关处于通态和断态的时间是固定不变的。导通时间略小于断态的时间是固定不变的。导通时间略小于 TS/2，而，而关断时间略大于关断时间略大于TS/2 。（2）同一个半桥，上下两个开关不能同时处于通态）同一个半桥，上下两个开关不能同时处于通态，每一个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的，每一个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。死区时间。（3）互为对角的两对开关）互为对角的两对开关S1- S4 和和 S2- S3的开关函的开关函数的波形，数的波形，S

20、1的波形比的波形比S4超前，而超前，而S2的波形比的波形比S3超超前，因此称前，因此称S1和和S2为超前桥臂，而称为超前桥臂，而称S3和和S4为滞后为滞后桥臂。桥臂。ST1.移相全桥开关移相全桥开关PWM电路控制方式特点：电路控制方式特点：（4）超前时间）超前时间tt，则占空比为，则占空比为1/2stDT 第28页/共38页30ttttttttt1S2S3S4SLriABu1TuLruRuLi1Di2Di8t9t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t图图5-12 移相全桥型电压开关移相全桥型电压开关PWM电路的电路的理想化波形理想化波形2.工作过程：工作过程： t0 t1时段：S1与S4

21、都处于通态，直到 t1时刻，S1关断。 t1 t2时段：t1时刻，开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流 iLr通过VDS2续流。 t2 t3时段：t2时刻S2开通，由于此时其反并二极管VDS2 处于通态，因此S2为零电压开通。ALCR.+-iULriLi1SC2SCrL4S2SVD1:TkOU图5-13 移相全桥型零电压开关PWM电路在 阶段的等效电路1t2t1S第29页/共38页31BLCR+-.iU2SLrirL3SC4SC3SVD1VD2VDLi图5-14 移相全桥型零电压开关PWM电路在 阶段的等效电路3t4t t

22、3t4时段：时段：t4时刻时刻 S4 关断，变压器一次侧整流二极关断，变压器一次侧整流二极管管VD1和和VD2同时导通，变压同时导通，变压器一次和二次电压均为零，相器一次和二次电压均为零，相当于短路，因此变压器一次侧当于短路，因此变压器一次侧CS3、CS4与与Lr构成谐振回路。构成谐振回路。谐振电感谐振电感Lr的电流不断减小，的电流不断减小，B点电压不断上升，直到点电压不断上升，直到S3的的反并二极管反并二极管VDS3导通。这种状导通。这种状态维持到态维持到t4时刻，时刻，S3开通，因开通，因此此S3是零电压开通。是零电压开通。ttttttttt1S2S3S4SLriABu1TuLruRuLi

23、1Di2Di8t9t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t图图5-12 移相全桥型电压开关移相全桥型电压开关PWM电路的电路的理想化波形理想化波形第30页/共38页32ABLCR+-.iU1S2S3S4S1TURU1SC2SC3SC4SCrL图图5 11 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 t4 t5时段：时段：S3开通后，开通后，谐振电感谐振电感Lr的电流继续减小的电流继续减小。电感电流。电感电流 iLr下降到零后反下降到零后反向增大，直到向增大，直到t5时，时，iLr=IL/kT，变压器二次侧整流管，变压器二次侧整流管VD1的电流下降到零而关断，电的电流下降到零而

24、关断，电流流IL全部转移到全部转移到VD2中。中。 t0 t5时段正好是开关周时段正好是开关周期的一半，另一半开关周期期的一半，另一半开关周期电路的工作过程与其完全对电路的工作过程与其完全对称。称。ttttttttt1S2S3S4SLriABu1TuLruRuLi1Di2Di8t9t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t图图5-12 移相全桥型电压开关移相全桥型电压开关PWM电路的电路的理想化波形理想化波形第31页/共38页333.3.移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWMPWM电路存在的问题：电路存在的问题：占空比丢失现象占空比丢失现象 在变压器支路中串入了谐振电感在变压器支路

25、中串入了谐振电感Lr，电感两端压降会导，电感两端压降会导致实际输出电压比按占空比计算得到的值有所降低。表现为致实际输出电压比按占空比计算得到的值有所降低。表现为变压器二次侧的实际占空比小于一次侧开关电路的占空比，变压器二次侧的实际占空比小于一次侧开关电路的占空比，即部分占空比丢失。即部分占空比丢失。占空比定义为占空比定义为： 在在 t3 t5和和t8 t0的时段内，电路处于续流状态，因此的时段内，电路处于续流状态，因此这两个时段被称为占空比丢失时间，丢失的占空比为：这两个时段被称为占空比丢失时间，丢失的占空比为： 21STtDSiTLrTUkILD2第32页/共38页34第33页/共38页35

26、电路的软开关条件 以超前桥臂中以超前桥臂中 S1 S2的换相过的换相过程为例，程为例， t1 t2时段内，将变压器二时段内，将变压器二次侧的元件参数及变量按电压比次侧的元件参数及变量按电压比kT折折算到变压器一次侧，有算到变压器一次侧，有 。计。计算电压算电压 从从 降为零的时间降为零的时间 的波动很小，可以认为的波动很小，可以认为 ，则有，则有只有超前桥臂换相的死区时间只有超前桥臂换相的死区时间 大于谐振时间大于谐振时间 ，才能使，才能使S2开通前开通前，其两端电压降为零。所以超前桥臂，其两端电压降为零。所以超前桥臂的零电压开关条件为的零电压开关条件为： TLLrkii)(tuAiULrIi

27、CCUt)(21LioLIi oiTICCUkt)(21121ttttOiTICCUkt)(211A+-+-iU1SC2SCLrirL2SVD4STLkiLkT2oCRoTUk图5-15 将变压器二次侧折算到一次侧后的等效电路A+-iULri1C2C图5-16 超前桥臂的谐振过程第34页/共38页36 以滞后桥臂以滞后桥臂S4 S3 的换相过程为例的换相过程为例，不考虑二极管，不考虑二极管 和电压源和电压源Ui支路的存在支路的存在，电路是二阶振荡电路，电路是二阶振荡电路，B点的电压点的电压 的的初值为零，可得初值为零，可得 的解析表达式为：的解析表达式为：式中式中 为谐振电压峰值。为谐振电压峰

28、值。 要使要使S3能在开通时电压为零，必要条能在开通时电压为零，必要条件为：件为：即即 或或 为了能够最大限度利用谐振峰值，开为了能够最大限度利用谐振峰值，开关关S4 应正好在谐振达到峰值时开通，所应正好在谐振达到峰值时开通，所以滞后桥臂的换相时间以滞后桥臂的换相时间 ，应满足，应满足3SVDBu)(tuB)(sin)(ArpBttwUtu,54ttt)(143CCLwrr)(243CCTrPUILrrPUtiCCLU)(443iPUU24342)(21)(21iLrrUCCtiL4S452tttrTt212B+-iU2SrLLri3SVD3C4C图5-17 滞后桥臂的谐振等效电路B+-iU2

29、SrLLri43CC 图5-18 化简后的等效电路第35页/共38页37q几种改进的移相全桥型零电压开关几种改进的移相全桥型零电压开关PWMPWM电路电路c) 零电压零电压-零电流软开关移相全桥电零电流软开关移相全桥电路路iU1S2S3S4S1C2CbCrLfLLdR3VD4VDfC3RVD4RVDd) 滞后桥臂串入二极管的电路滞后桥臂串入二极管的电路iU1S2S3S4S1C2CbCrLfLLdRfC3RVD4RVDb) 变压器二次侧采用有源钳位电路变压器二次侧采用有源钳位电路iU1S2S3S4S1C2CfLLdR3VD4VDfC1:NcScCcVDkL1a) 谐振电感采用饱和电抗器的全桥电谐

30、振电感采用饱和电抗器的全桥电路路iU1S2S3S4S1C2CCR3VD4VD3RVD4RVDsL第36页/共38页38本章小结本章小结 1. 软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关器件的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的关器件的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。开关损耗和开关噪声问题。 2. 软开关技术总的来说可以分为零电压和零电软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。按照其出现的先后，可以将其分为准谐振流两类。按照其出现的先后，可以将其分为准谐振电路、零开关电路、零开关PWM电路和零转换电路和零转换PWM电路。每一电路。每一类电路都包含基本的拓扑和众多的派生拓扑。类电路都包含基本的拓扑和众多的派生拓扑。 3. 介绍了零电压准谐振电路、移相全桥型零电介绍了零电压准谐振电路、移相全桥型零电压开关压开关PWM电路、有源钳位正激型电路和零电压转电路、有源钳位正激型电路和零电压转换换PWM电路等几种在开关电源中广泛应用的软开关电路等几种在开关电源中广泛应用的软开关电路。电路。第37页/共38页