7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结

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1 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结
第7章 软开关技术 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结 Power Electronics 广东工业大学

2 7.1 软开关的基本概念 硬开关与软开关 零电压开关与零电流开关 Power Electronics 广东工业大学

3 a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程
7.1.1 硬开关与软开关 开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致开关损耗 电压和电流的变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声 硬开关 a) u i t P b) u i t P 图7-1 硬开关的开关过程 a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程 Power Electronics 广东工业大学

4 a)软开关的开通过程 b)软开关的关断过程
在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，可消除开关过程中中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声 软开关 图7-1 软开关的开关过程 a)软开关的开通过程 b)软开关的关断过程 Power Electronics 广东工业大学

5 7.1 软开关的基本概念 硬开关与软开关 零电压开关与零电流开关 Power Electronics 广东工业大学

6 7.1.2 零电压开关与零电流开关 Power Electronics
零电压开关与零电流开关 零电压开关（零电压开通） 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 零电流开关（零电流关断） 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 零电压关断 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速度，降低关断损耗 零电流开通 与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速度，降低开通损耗 Power Electronics 广东工业大学

7 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结
第7章 软开关技术 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结 Power Electronics 广东工业大学

8 7.2 软开关电路的分类 Power Electronics 零电压电路 零电流电路 根据是零电压开通还是零电流关断 准谐振电路
7.2 软开关电路的分类 零电压电路 零电流电路 根据是零电压开通还是零电流关断 准谐振电路 零开关PWM电路 零转换PWM电路 根据软开关技术发展的历程 Power Electronics 广东工业大学

9 Power Electronics 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 广东工业大学
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 Power Electronics 广东工业大学

10 Power Electronics L S U C C L S VD 1． 准谐振电路 最早出现的软开关电路 分为 零电压开关准谐振电路
a） 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 L r U i S C V D d） S VD L r C r1 r2 c） S VD L r C b） 图 7-4 准谐电路的基本开关单元 a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元 c）零电压开关多谐振电路基本开关单元 d)谐振直流环节电路 Power Electronics 广东工业大学

11 Power Electronics 准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波 准谐振 优点 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降
优点 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降 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 谐振周期随输入电压、负载变化而改变，电路只能采用脉冲频率调制方式来控制 缺点 Power Electronics 广东工业大学

12 a）零电压开关PWM电路基本开关单元 b）零电流开关PWM电路基本开关单元
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 2．零开关PWM电路    分为 电压和电流基本是方波 开关承受的电压降低 电路可采用开关频率固定的PWM控制 零电压开关PWM电路 零电流开关PWM电路 优点 S L r C VD 1 a） S VD L r C 1 b） 图 7-4零电压开关PWM电路的基本开关单元 a）零电压开关PWM电路基本开关单元 b）零电流开关PWM电路基本开关单元 Power Electronics 广东工业大学

13 a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元
采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路是与主开关并联 3． 零转换PWM电路 分为 输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响小，电路在很宽的输入电压范围内，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 零电流转换PWM电路 零电压转换PWM电路 优点 S L r VD 1 C a) L r C S 1 VD b) 图 7-4零转换PWM电路的基本开关单元 a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元 Power Electronics 广东工业大学

14 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结
第7章 软开关技术 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结 Power Electronics 广东工业大学

15 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路
7.3 典型的软开关电路 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路 Power Electronics 广东工业大学

16 7.3.1 零电压开关准谐振电路 Power Electronics 假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗
Ui C r S VDs Lr VD L A R 图7-7 零电压开关准谐振电路原理图 假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗 开关电路的工作过程按开关周期重复 图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

17 Power Electronics t0~t1时段：t0时刻之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL
Ui C r S VDs Lr VD L A R t0~t1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关断后，VD尚未导通 图7-7 零电压开关准谐振电路原理图 图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

18 图7-9 零电压开关准谐振电路在t0~t1时段等效电路
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 电路等效为图7-9 C r U i + u Cr I L A （7-1） 图7-9 零电压开关准谐振电路在t0~t1时段等效电路 图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

19 图7-10 零电压开关准谐振电路在t1~t2时段等效电路
电路等效图为图7-10 t1~t2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 谐振过程中，Lr对Cr充电uCr 不断上升， iLr 不断下降，t2时刻， iLr下降到零，uCr达到谐振峰值 图7-10 零电压开关准谐振电路在t1~t2时段等效电路 图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

20 t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电， iLr改变方向，uCr不断下降，直到t3时刻，uCr=Ui，Lr两端电压为零，iLr达到反向谐振峰值
t3~t4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） 图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

21 Power Electronics t4~t5时段：uCr被箝位于零，Lr两端电压为Ui，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0
t5~t6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 t6~t0时段：S为通态，VD为断态 （7-3） 图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

22 Power Electronics 零电压开关准谐振电路t1~t4时段的谐振过程定量分析 通过求解式（7-2）可得开关S的电压uS
（7-4） （7-5） Power Electronics 广东工业大学

23 Power Electronics 零电压开关准谐振电路实现软开关的条件 谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，开关S的耐压须相应提高 缺点
（7-6） 谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，开关S的耐压须相应提高 缺点 Power Electronics 广东工业大学

24 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路
7.3 典型的软开关电路 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路 Power Electronics 广东工业大学

25 7.3.2 谐振直流环 Power Electronics L S U C
谐振直流环 各种交流-直流-交流变换电路中都存在中间直流环节，谐振直流环电路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 图7-11为用于电压型逆变器的谐振直流环电路 它用一个开关S就可使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下 L r U i S C V D 图 谐振直流环电路原理图 Power Electronics 广东工业大学

26 电压型逆变器的负载通常为感性，在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，电路等效为图7-12，其理想波形如图7-13
L r U i S C VD + u I R t 1 2 3 4 i L r u Cr U I O 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路 图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

27 Power Electronics t3~t4时段
Lr Ui S C r VDS L iLr + uCr I R t3~t4时段 t3时刻，uCr=Ui ， iLr达到反向谐振峰值，然后开始衰减，uCr继续下降，直到t4时刻，uCr=0，S的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零 t4~t0时段 S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断 电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求 t 0~t1时段 t0时刻之前，Lr的电流iLr大于IL，开关S处于通态， t0时刻，S关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，uCr不断升高，直到t1时刻，uCr=Ui t1~t2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 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路 t 1 2 3 4 i L r u Cr U O IL 图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

28 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路
7.3 典型的软开关电路 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路 Power Electronics 广东工业大学

29 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 Power Electronics
移相全桥电路特点电路简单,同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关元件，仅只增加一个谐振电感，就使电路四个开关器件都在零电压的条件下开通 S 1 2 3 4 C S1 S4 S2 S3 VD L r A B U i u R + - 图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路 Power Electronics 广东工业大学

30 Power Electronics 移相全桥电路控制方式特点 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
同一半桥中，上下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 S1的波形比S4超前0~TS/2时间，S2的波形比S3超前0~TS/2时间，S1和S2为超前的桥臂，S3和S4为滞后的桥臂 S 1 3 4 2 u AB Lr i T1 R VD1 VD2 L t 5 6 7 8 9 O 图 7-15 移相全桥电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

31 图7-16 移相全桥电路在t1~t2阶段的等效电路图
电路工作过程 t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断 t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，Cs1、Cs2与Lr、L构成谐振回路，谐振开始时uA （t1)= ui ，在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，iLr通过VDS2续流 t2~t3时段：t2时刻VDS2处于导通状态，S2零电压开通 iLr iL Kr:1 CS! S4 Lr L VD1 Ui U0 + VDS2 A R CS2 图7-16 移相全桥电路在t1~t2阶段的等效电路图 Power Electronics 广东工业大学

32 t4~t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后便反向，然后不断增大， 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
t0~t5时段正好是开关周期的一半，另一半开关周期t5~t0时段中，电路的工作过程与t0~t5时段完全对称 t 3~t4时段：t3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 i L r C S3 S 2 VD 1 U o + S4 B R 图7-17 移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路 Power Electronics 广东工业大学

33 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路
7.3 典型的软开关电路 7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路 Power Electronics 广东工业大学

34 7.3.4 零电压转换PWM电路 Power Electronics
Cr S1 r VD1 VD C Ui + Uo IL iLr iVD VDS R 零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路、DC-DC变换器、斩波器等 图7-18 升压型零电压转换PWM电路的原理图 Power Electronics 广东工业大学

35 图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形
电路工作过程 t0~t1时段：S1先于S开通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性迅速增长， VD中的电流以同样的速率下降。直到t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，自然关断 图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

36 Power Electronics I L i U C VD S
t1~t2时段：电路等效为图7-20，Lr与Cr构成谐振回路，谐振过程中Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr降为零， VDS导通，uCr被箝位于零，iLr保持不变 L S 1 r i U I C VD 图 7-20 升压型零电压转换PWM电路在t1~t2时段的等效电路 图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

37 图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形
t2~t3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 t3~t4时段：t3时刻S开通时，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，S中的电流线性上升。t4时刻iLr=0，VD1关断，S中的电流iS=IL，电路进入正常导通状态 t4~t5时段：t5时刻S关断。Cr的存在，S关断时的电压的上升率被限制，降低了S的关断损耗 图7-19 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形 Power Electronics 广东工业大学

38 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结
第7章 软开关技术 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结 Power Electronics 广东工业大学

39 本 章 小 结 Power Electronics 软开关技术在电路中引入谐振 开关损耗 较好解决 开关噪声 软开关技术 零电压 总的分为
零电流 又可分为 准谐振 零开关PWM 零转换PWM 包含基本拓扑和 众多的派生拓扑 Power Electronics 广东工业大学

40 Power Electronics 零电压开关准谐振电路 准谐振 零电压开关PWM电路 零开关PWM 的代表 零电压转换PWM电路 分别是
软开关技术在逆变电路中的典型应用 谐振直流环电路 Power Electronics 广东工业大学

41 目 录 Power Electronics 绪论 1 电力电子器件 2 整流电路 3 直流斩波电路 4 交流电力控制电路和交交变频电路
目 录 绪论 1 电力电子器件 2 整流电路 3 直流斩波电路 4 交流电力控制电路和交交变频电路 5 逆变电路 6 PWM控制技术 7 软开关技术 8 组合变流技术 Power Electronics 广东工业大学