现代电源实用技术-软开关技术

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1、第五章 开关电源新技术 (参考内容 ) 现代电源实用 技术 电子教案 目 录 概述 5 3 软开关新技术 5 3.1 软开关的基本概念 5 3.1.1 硬开关与软开关 5 3.1.2 零电压开关与零电流开关 5 3.2 软开关电路的分类 5 3.3 典型的软开关电路 5 3.3.1 零电压开关准谐振电路 5 3.3.2 谐振直流环 5 3.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路 5 3.3.4 零电压转换 PWM电路 本章小结 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

2、开关噪声 。 进一步提高开关频率。 5 3.1.1 硬开关与软开关 硬开关： 开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化 。 产生较大的开关损耗和开关噪声 。 软开关： 在电路中增加了小电感 、 电容等谐振元件 ， 在开关过程前后 引入谐振 ， 使开关条件得以改善 。 降低开关损耗和开关噪声 。 软开关有时也被成为 谐振开关 。 工作原理： 软开关电路中 S关断后 Lr与 Cr间发生谐振 ， 电路中电压和电 流的波形类似于正弦半波 。 谐振减缓了开关过程中电压 、 电 流的变化 ， 而且使 S两端的电压在其开通前就降为零 。 5 3.1.2 零电压开关与零电流开关 软开关分类 零电压开关

3、：使开关开通前其两端电压为零 ， 则开关开 通时就不会产生损耗和噪声 ， 这种开通方式称为零电压 开通 ， 简称零电压开关 。 U i C r S VD S L r VD L C A R S u S ( u C r ) i L r u VD t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 6 t 0 t t t t t t 5 i S O O O O O a) b) 图 5-1 零电压开关准谐振电路及波形 a） 电路图 b） 理想化波形 （显示放大图） 零电流开关 ：使开关关断前其电流为零 ， 则开关关断时也 不会产生损耗和噪声 ， 这种关断方式称为零电流关断 ， 简 称零电流开关 。 U i S

4、 VD L C R S u S i S u VD t 0 t 1 t t t t O O O O a) b) 图 5-2 硬开关电路及波形 a） 电路图 b） 理想化波形 （显示放大图） 5 3.1.2 零电压开关与零电流开关 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现 。 零电压关断 ：与开关并联的电容能使开关关断后电 压上升延缓 ， 从而降低关断损耗 ， 有时称这种关断 过程为零电压关断 。 零电流开通 ：与开关相串联的电感能使开关开通后 电流上升延缓 ， 降低了开通损耗 ， 有时称之为零电 流开通 。 简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电 感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗

5、增加 、 关断过电压增大等负面影响 ， 因此是得不偿失的 。 5 31.2 零电压开关与零电流开关 5 3.2 软开关电路的分类 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 两大类 。 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 。 每一种软开关电路都可以用于降压型 、 升压型等不 同电路 ， 可以从基本开关单元导出具体电路 。 图 5-3 基本开关单元的概念 （显示放大图） a） 基本开关单元 b） 降压斩波器中的基本开关单元 c） 升压斩波器中的基本开关单元 d） 升降压斩波器中的基 本开关单元

6、 VD S L L S VD L S VD VD S L a) b) c) d) 5 3.2 软开关电路的分类 1 准谐振电路 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 。 为最早出现的软开关电路 ， 可以分为： 零电压开关准谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Quasi- Resonant Converter ZVS QRC）； S VD L r L C r S VD L r L C r1 C r2 S L r C r VD L a) b) c) 图 5-4 准谐振电路的基本开关单元 （显示放大图） a） 零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b） 零

7、电流开关准谐振电路的基本开关单元 c） 零电压开关多谐振电路的基本开关单元 5 3.2 软开关电路的分类 零电流开关准谐振电路 (Zero-Current-Switching Quasi- Resonant Converter ZCS QRC）； 零电压开关多谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Multi- Resonant Converter ZVS MRC）； 用于逆变器的谐振直流环节 (Resonant DC Link）。 特点 ： 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的交换 ， 电 路导通损耗加大； 谐振周期

8、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 （ Pulse Frequency Modulation PFM） 方式 来控制 。 5 3.2 软开关电路的分类 2 零开关 PWM电路 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 。 零开关 PWM电路可以分为： 零电压开关 PWM 电路 （ Zero-Voltage-Switching PWM Converter ZVS PWM） ； 零电流开关 PWM电路（ Zero-Current-Switching PWM Converter ZCS PWM）。 特点： 电压和电流基本上是方波 ， 只是上

9、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。 S L r C r VD L S 1 S VD L r L C r S 1 a) b) 图 5-3 零开关 PWM电路的基本开关单元 a） 零电压开关 PWM电路的基本开关单元 b） 零电流开关 PWM电路的基本开关单元 （显示放大图） 5 3.2 软开关电路的分类 3 零转换 PWM电路 采用辅助开关控制谐振的开始时刻 ， 但谐振电路是与主开关并联的 。 零转换 PWM电路可以分为： 零 电 压 转 换 PWM 电路 （ Zero-Voltage-Transition PWM Converter

10、ZVT PWM） ； 零 电 流 转 换 PWM 电路 （ Zero-Current Transition PWM Converter ZVT PWM） 。 特点： 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 。 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 。 S L r VD LS 1C r VD 1 L r C r S 1 S VDVD 1 L a) b) 图 5-6 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 （显示放大图） 5 3.2 软开关电路的分类 5 3.

11、3.1 零电压开关准谐振电路 U i C r S VD S L r VD L C A R 图 5-7 零电压开关准 谐振电路原理图 （显示放大图） S u S ( u C r ) i S i L r u VD t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 6 t 0 t t t t t t 5 O O O O O 图 7-8 零电压开关准谐振 电路的理想化波形 （显示放大图） 工作原理 t0t1时段： t0时刻之前 ， 开关 S为通态 ， 二极管 VD为断态 ， uCr=0， iLr=IL t0时刻 S关断 ， 与其并联的电容 Cr使 S关断后电压上升减缓 ， 因 此 S的关断损耗减小 。 S关

12、断后 ， VD尚未导通 。 电感 Lr+L向 Cr 充电 ， 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： （ 7-1） C r U i + u Cr I L A 图 5-9 零电压开关准谐振电路在 t 0t1时段 等效电路 （显示放大图） r r d d C I t u LC 5 3.3.1 零电压开关准谐振电路 5 3.3.1 零电压开关准谐振电路 工作原理 t1t2时段： t1时刻二极管 VD导通 ， 电感 L通过 VD续流 ， Cr、 Lr、 Ui形成谐振回路 。 t2时刻 ， iLr下降到零

13、， uCr达到谐振峰值 。 t2t3时段： t2时刻后 ， Cr向 Lr放电 ， 直到 t3时刻 ， uCr=Ui， iLr达 到反向谐振峰值 。 C r U i + u Cr i L r 图 5 10 零电压开关准谐振电路 在 t1t2时段等效电路 （显示放大 图） 5 3.3.1 零电压开关准谐振电路 t3t4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。 t1到 t4时段电路谐振过程的方程为： （ 7-2） t4t5时段： VDS导通 ， uCr被箝位于零 ， iLr线性衰减 ， 直到 t5时 刻 ， iLr=0。 由于这一时段 S两

14、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 。 t5t6时段： S为通态 ， iLr线性上升 ， 直到 t6时刻 ， iLr=IL， VD关 断 。 t4到 t6时段电流 iLr的变化率为： （ 7-3） t6t0时段： S为通态， VD为断态。 , d d d d 41rir r r r ir r r 11 tttIiUu i t u C Uu t i L LttLttC L C C L r irdd LUtiL 7.3.1 零电压开关准谐振电路 谐振过程定量分析 求解式 （ 7-2） 可得 uCr（ 即开关 S的电压 uS） 的表达式： （ 7-4） uCr

15、的谐振峰值表达式 （ 即开关 S承受的峰值电压 ） ： （ 7-5） 零电压开关准谐振电路实现软开关的条件： （ 7-6） 缺点： 谐振电压峰值将高于输入电压 Ui的 2倍 ， 增加了对开关器件 耐压的要求 。 ,1,)(s i n)( 41 rr ri1r r r r tttCLUttIC Ltu LC i r rp UICLU L i r r UI C L L 7.3.2 谐振直流环 谐振直流环电路应用于交流 -直流 -交流变换电路的中间直流环节 （ DC-Link）。 通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或 逆变环节工作在软开关的条件下。 L r U i S C r VD S 图 5

16、-11 谐振直流环电路原理图 （显示放大图） 5 3.3.2 谐振直流环 电路的工作过程： 将电 路等效为图 7-12。 t0t1时段： t0时刻之 前 ， 开关 S处于通态 ， iLrIL， 。 t0时刻 S关断 ， 电 路中发生谐振 。 iLr对 Cr 充电 ， t1 时刻 ， uCr=Ui。 t1t2时段： t1时刻 ， 谐振电流 iLr达到峰值 。 t1时刻以后 ， iLr 继续向 Cr充电 ， 直到 t2时刻 iLr=IL， uCr达到 谐振峰值 。 L r U i S C r VD S L i L r + u C r I L R 图 5-12 谐振直流环电路的等效电路 （显示放大图

17、） t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 0 i L r u Cr U i I L t t O O 图 5-13 谐振直流环电路的理 想化波形 （显示放大图） 5 3.3.2 谐振直流环 t2t3时段： uCr向 Lr和 L放电 ， iLr 降低 ， 到零后反向 ， 直到 t3时刻 uCr=Ui。 t3t4时段： t3时刻 ， iLr达到反向 谐振峰值 ， 开始衰减 ， uCr继续 下降 ， t4时刻 ， uCr=0， S的反 并联二极管 VDS导通 ， uCr被箝 位于零 。 t4t0时段： S导通 ， 电流 iLr线性 上升 ， 直到 t0时刻 ， S再次关断 。 缺点： 电压谐振峰

18、值很高，增加了 对开关器件耐压的要求。 L r U i S C r VD S L i L r + u C r I L R 图 5-12 谐振直流环电路的等 效电路 （显示放大图） t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 0 i L r u Cr U in I L t t O O 图 5-13 谐振直流环电路的理 想化波形 （显示放大图） 5 3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路 同硬开关全桥电路相比 ， 仅增加了一个谐振电感 ， 就使四个开关 均为零电压开通； 移相全桥电路控制方式的特点： 在开关周期 TS内 ， 每个开关导通时间都略小于 TS/2， 而关断时 间都略大于 TS/2；

19、同一半桥中两个开关不同时处于通态 ， 每个开关关断到另一 个开关开通都要经过一定的死区时间 。 互为对角的两对开关 S1-S4和 S2-S3， S1的波形比 S4超前 0TS/2时 间 ， 而 S2的波形比 S3超前 0TS/2时间 ， 因此称 S1和 S2为超前的 桥臂 ， 而称 S3和 S4为滞后的桥臂 。 5 3.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电 路 S 1 S 2 S 3 S 4 C S1 C S4 C S2 C S3 VD 2 VD 1 L r L A B U i u R C R + - 图 5-14 移相全桥零电压开 关 PWM电路 （显示放大图） S 1 S 3 S 4 S

20、 2 u AB u Lr i Lr u T1 u R i V D 1 i V D 2 i L t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 0 t 9 t 8 t t t t t t t t t t t t O O O O O O O O O O O O 图 5-15 移相全桥电路的理想化波形 （显示放大图） 5 3.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路 工作过程 t0t1时段： S1与 S4导通，直到 t1时 刻 S1关断。 t1t2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

21、=0， VDS2导通，电流 iLr通过 VDS2续流。 t2t3时段： t2时刻开关 S2开通 ， 由 于此时其反并联二极管 VDS2正处 于导通状态 ， 因此 S2为零电压开 通 。 i L r i L k T : 1C S1 S 4 L r L VD 1 U i U o + C S2 VD S2 A R 图 5-16 移相全桥电路在 t1t2阶段 的等效电路图 （显示放大图） 5 3.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路 t3t4时段： t4时刻开关 S4关断后，变压 器二次侧 VD1和 VD2同时导通，变压器 一次侧和二次侧电压均为零，相当于短 路，因此 Cs3、 Cs4与 Lr构成

22、谐振回路。 Lr 的电流不断减小， B点电压不断上升， 直到 S3的反并联二极管 VDS3导通。这种 状态维持到 t4时刻 S3开通。因此 S3为零 电压开通。 t4t5时段： S3开通后， Lr的电流继续减 小。 iLr下降到零后反向增大， t5时刻 iLr=IL/kT， 变压器二次侧 VD1的电流下降 到零而关断，电流 IL全部转移到 VD2中。 i L r i L C S3 S 2 L r L VD 1 U i U o + C S4 VD S3 VD 2 B R 图 5-17 移相全桥电路在 t3t4阶段的等效电路 （显示放大图） 5 3.3.4 零电压转换 PWM电路 零电压转换 PW

23、M电路具有电路简单 、 效率高等优点 。 L S C r S 1 L r VD 1 VD C U i + U o I L i L r i VD VD S R 图 5-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理图 （显示放大图） 7.3.4 零电压转换 PWM电路 工作过程 ：辅助开关 S1超前于主开关 S开通 ， S开通后 S1关断 。 t0t1时段： ， S1导通 ， VD尚处于通态 ， 电感 Lr两端电压为 Uo， 电流 iLr线性增长 ， VD中的电流以同样的速率下降 。 t1时刻 ， iLr=IL， VD中电流下降到零 ， 关断 。 t1t2时段： Lr与 Cr构成谐振回路， Lr的电

24、流增加而 Cr的电压下降， t2时刻 uCr=0， VDS导通， uCr被箝位于零，而电流 iLr保持 不变。 L S 1 L r i L r U i I L C rVD S 图 5-20 升压型零电 压转换 PWM电路在 t1t2时段的等效电路 （显示放大图） 7.3.4 零电压转换 PWM电路 t2t3时段： uCr被箝位于零 ， 而电 流 iLr保持不变 ， 这种状态一直保 持到 t3时刻 S开通 、 S1关断 。 t3t4时段： t3时刻 S开通时 ， 为零 电压开通 。 S开通的同时 S1关断 ， Lr中的能量通过 VD1向负载侧输送 ， 其电流线性下降 ， 主开关 S中的电 流线性

25、上升 。 t4时刻 iLr=0， VD1关 断 ， 主开关 S中的电流 iS=IL， 电路 进入正常导通状态 。 t4t5时段： t5时刻 S关断 。 Cr限制 了 S电压的上升率 ， 降低了 S的关 断损耗 。 S S 1 u S i Lr i S1 u S1 i D i S I L t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t t t t t t O O O O O O O O 图 5-19 升压型零电压转换 PWM电 路的理想化波形 （显示放大图） 本章小结 本章的重点为 ： 1） 软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件 ， 大大 降低了硬开关电路存在的开关损耗

26、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流两类 。 按照其出现 的先后 ， 可以将其分为准谐振 、 零开关 PWM和零转换 PWM三大 类 。 每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑 。 3） 零电压开关准谐振电路 、 零电压开关 PWM电路和零电压转换 PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开 关技术在逆变电路中的典型应用 。 图 7-1 零电压开关准谐振电路及波形 U i C r S VD S L r VD L C A R S u S ( u C r ) i L r u VD t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 6 t 0 t t t t t

27、 t 5 i S O O O O O a) b) a） 电路图 b） 理想化波形 图 7-2 硬开关电路及波形 U i S VD L C R S u S i S u VD t 0 t 1 t t t t O O O O a) b) a） 电路图 b） 理想化波形 图 7-3 基本开关单元的概念 a） 基本开关单元 b） 降压斩波器中的基本开关单元 c） 升压斩波器中的基本开关单元 d） 升降压斩波器中的基本开关单 元 VD S L L S VD L S VD VD S L a) b) c) d) 图 7-4 准谐振电路的基本开关单元 S VD L r L C r S VD L r L C r1

28、 C r2 S L r C r VD L a) b) c) a） 零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b） 零电流开关准谐振电路的基本开关单元 c） 零电压开关多谐振电路的基本开关单元 图 7-5 零开关 PWM电路的基本开关单元 S L r C r VD L S 1 S VD L r L C r S 1 a) b) a） 零电压开关 PWM电路的基本开关单元 b） 零电流开关 PWM电路的基本开关单元 图 7-6 零转换 PWM电路的基本开关单元 S L r VD L S 1 C r VD 1 L r C r S 1 S VDVD 1 L a) b) a） 零电压转换 PWM电路的基本开关单

29、元 b） 零电流转换 PWM电路的基本开关单元 图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图 U i C r S VD S L r VD L C A R 图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形 S u S ( u C r ) i S i L r u VD t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 6 t 0 t t t t t t 5 O O O O O 图 7-910准谐振电路等效电路 C r U i + u Cr I L A 图 7-9 零电压开关准谐振电路 在 t0t1时段等效电路 C r U i + u Cr i L r 图 7-10 零电压开关准谐振电路 在 t1t2时段等效电路

30、图 7-11 谐振直流环电路原理图 L r U i S C r VD S 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路 L r U i S C r VD S L i L r + u C r I L R 图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 0 i L r u Cr U i I L t t O O 图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路 S 1 S 2 S 3 S 4 C S1 C S4 C S2 C S3 VD 2 VD 1 L r L A B U i u R C R + - 图 7-15 移相全桥电路的理想化波形 S 1 S 3 S 4 S 2

31、 u A B u L r i L r u T 1 u R i V D 1 i V D 2 i L t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 0 t 9 t 8 t t t t t t t t t t t t O O O O O O O O O O O O 图 7-16 移相全桥电路在 t1t2阶段的等效电路图 i L r i L k T : 1C S1 S 4 L r L VD 1 U i U o + C S2 VD S2 A R 图 7-17 移相全桥电路在 t3t4阶段的等效电路 i L r i L C S3 S 2 L r L VD 1 U i U o + C S4 VD S3 VD 2 B R 图 7-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理 L S C r S 1 L r VD 1 VD C U i + U o I L i L r i VD VD S R 图 7-19 升压型零电压转换 PWM电路的理想化波形 S S 1 u S i Lr i S1 u S1 i D i S I L t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t t t t t t O O O O O O O O 图 7-20 升压型零电压转换 PWM电路在 t1t2时段的等效电路 L S 1 L r i L r U i I L C rVD S