第8章軟開關技術8.1軟開關的基本概念8.2軟開關電路的分類8.3典型的軟開關電路8.4軟開關技術新進展本章小結,.,2,引言,現代電力電子裝置的發展趨勢是小型化、輕量化，同時對裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求。電力電子電路的高頻化可以減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝置小型化、輕量化。開關損耗增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾增大。軟開關技術降低開關損耗和開關噪聲。使開關頻率可以大幅度提高。,.,3,8.1軟開關的基本概念,8.1.1硬開關與軟開關8.1.2零電壓開關與零電流開關,.,4,8.1.1硬開關與軟開關,硬開關開關過程中電壓、電流均不為零，出現了重疊，有顯著的開關損耗。電壓和電流變化的速度很快，波形出現了明顯的過沖，從而產生了開關噪聲。開關損耗與開關頻率之間呈線性關系，因此當硬電路的工作頻率不太高時，開關損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開關頻率的提高，開關損耗就越來越顯著。,圖8-1硬開關降壓型電路及波形a）電路圖b）理想化波形,圖8-2硬開關過程中的電壓和電流a)關斷過程b)開通過程,a),b),.,5,8.1.1硬開關與軟開關,軟開關軟開關電路中增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr和Cr的值小得多，同時開關S增加了反并聯二極管VDS，而硬開關電路中不需要這個二極管。降壓型零電壓開關準諧振電路中，在開關過程前后引入諧振，使開關開通前電壓先降到零，關斷前電流先降到零，消除了開關過程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開關損耗，同時，諧振過程限值了開關過程中電壓和電流的變化率，這使得開關噪聲也顯著減小。,P,圖8-3降壓型零電壓開關準諧振電路及波形a）電路圖b）理想化波形,a),b),圖8-4軟開關過程中的電壓和電流a)關斷過程b)開通過程,.,6,8.1.2零電壓開關與零電流開關,零電壓開通開關開通前其兩端電壓為零，則開通時不會產生損耗和噪聲。零電流關斷開關關斷前其電流為零，則關斷時不會產生損耗和噪聲。零電壓關斷與開關并聯的電容能延緩開關關斷后電壓上升的速率，從而降低關斷損耗。零電流開通與開關串聯的電感能延緩開關開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。在很多情況下，不再指出開通或關斷，僅稱零電壓開關和零電流開關。,.,7,8.2軟開關電路的分類,軟開關電路的分類根據電路中主要的開關元件是零電壓開通還是零電流關斷，可以將軟開關電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類，個別電路中，有些開關是零電壓開通的，另一些開關是零電流關斷的。根據軟開關技術發展的歷程可以將軟開關電路分成準諧振電路、零開關PWM電路和零轉換PWM電路。,.,8,8.2軟開關電路的分類,圖8-5準諧振電路a）零電壓開關準諧振電路b）零電流開關準諧振電路c）零電壓開關多諧振電路,準諧振電路分類零電壓開關準諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverterZVSQRC）零電流開關準諧振電路（Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverterZCSQRC）零電壓開關多諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverterZVSMRC）用于逆變器的諧振直流環節（ResonantDCLink）,.,9,8.2軟開關電路的分類,準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準諧振。開關損耗和開關噪聲都大大下降，也有一些負面問題諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無功功率的交換，造成電路導通損耗加大。諧振周期隨輸入電壓、負載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調制（PulseFrequencyModulationPFM）方式來控制，變頻的開關頻率給電路設計帶來困難。,.,10,8.2軟開關電路的分類,圖8-6零開關PWM電路a）零電壓開關PWM電路b）零電流開關PWM電路,零開關PWM電路電路中引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發生于開關過程前后。分類零電壓開關PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverterZVSPWM）零電流開關PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverterZCSPWM）同準諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。,.,11,8.2軟開關電路的分類,圖8-7零轉換PWM電路的基本開關單元a）零電壓轉換PWM電路的基本開關單元b）零電流轉換PWM電路的基本開關單元,零轉換PWM電路電路中采用輔助開關控制諧振的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關并聯的，因此輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內和從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態，而且電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進一步提高。分類零電壓轉換PWM電路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverterZVTPWM）零電流轉換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverterZVTPWM）,.,12,8.3典型的軟開關電路,8.3.1零電壓開關準諧振電路8.3.2諧振直流環8.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路8.3.4零電壓轉換PWM電路,.,13,8.3.1零電壓開關準諧振電路,圖8-8零電壓開關準諧振電路原理圖,零電壓開關準諧振電路假設電感L和電容C很大，可以等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。開關電路的工作過程是按開關周期重復的，在分析時可以選擇開關周期中任意時刻為分析的起點，選擇合適的起點，可以使分析得到簡化。,.,14,8.3.1零電壓開關準諧振電路,圖8-9零電壓開關準諧振電路的理想化波形,圖8-10零電壓開關準諧振電路在t0t1時段等效電路,圖8-8零電壓開關準諧振電路原理圖,工作過程選擇開關S的關斷時刻為分析的起點。t0t1時段：t0之前，S導通，VD為斷態，uCr=0，iLr=IL，t0時刻S關斷，Cr使S關斷后電壓上升減緩，因此S的關斷損耗減小，S關斷后，VD尚未導通，電路可以等效為圖8-10；Lr+L向Cr充電，L等效為電流源，uCr線性上升，同時VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時刻，uVD=0，VD導通，這一時段uCr的上升率為,(8-1),.,15,8.3.1零電壓開關準諧振電路,圖8-8零電壓開關準諧振電路原理圖,圖8-9零電壓開關準諧振電路的理想化波形,圖8-11零電壓開關準諧振電路在t1t2時段等效電路,t1t2時段：t1時刻VD導通，L通過VD續流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路，如圖8-11所示；諧振過程中，Lr對Cr充電，uCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時刻，iLr下降到零，uCr達到諧振峰值。t2t3時段：t2時刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，uCr不斷下降，直到t3時刻，uCr=Ui，這時，uLr=0，iLr達到反向諧振峰值。t3t4時段：t3時刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續下降，直到t4時刻uCr=0。,.,16,8.3.1零電壓開關準諧振電路,圖8-8零電壓開關準諧振電路原理圖,圖8-9零電壓開關準諧振電路的理想化波形,t1到t4時段電路諧振過程的方程為,(8-2),t4t5時段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，iLr線性衰減，直到t5時刻，iLr=0。由于這一時段S兩端電壓為零，所以必須在這一時段使開關S開通，才不會產生開通損耗。t5t6時段：S為通態，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL，VD關斷。t4到t6時段電流iLr的變化率為,t6t0時段：S為通態，VD為斷態。,(8-3),.,17,8.3.1零電壓開關準諧振電路,諧振過程是軟開關電路工作過程中最重要的部分，諧振過程中的基本數量關系為uCr（即開關S的電壓uS）的表達式,t1,t4上的最大值即uCr的諧振峰值，就是開關S承受的峰值電壓，表達式為,零電壓開關準諧振電路實現軟開關的條件,如果正弦項的幅值小于Ui，uCr就不可能諧振到零，S也就不可能實現零電壓開通。,零電壓開關準諧振電路的缺點：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，開關S的耐壓必須相應提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。,.,18,8.3.2諧振直流環,圖8-12諧振直流環電路原理圖,圖8-13諧振直流環電路的等效電路,諧振直流環應用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環節（DC-Link），通過在直流環節中引入諧振，使電路中的整流或逆變環節工作在軟開關的條件下。圖8-12中，輔助開關S使逆變橋中所有的開關工作在零電壓開通的條件下，實際電路中開關S可以不需要，S的開關動作用逆變電路中開關的直通與關斷來代替。電壓型逆變器的負載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關狀態是不變的，負載電流視為常量。,.,19,8.3.2諧振直流環,圖8-13諧振直流環電路的等效電路,圖8-14諧振直流環電路的理想化波形,工作過程以開關S關斷時刻為起點。t0t1時段：t0之前，iLr大于IL，S導通，t0時刻S關斷，電路中發生諧振，因為iLrIL，因此iLr對Cr充電，uCr不斷升高，直到t1時刻，uCr=Ui。t1t2時段：t1時刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此諧振電流iLr達到峰值，t1以后，iLr繼續向Cr充電并不斷減小，而uCr進一步升高，直到t2時刻iLr=IL，uCr達到諧振峰值。,.,20,8.3.2諧振直流環,t2t3時段：t2以后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續降低，到零后反向，Cr繼續向Lr放電，iLr反向增加，直到t3時刻uCr=Ui。t3t4時段：t3時刻，uCr=Ui，iLr達到反向諧振峰值，然后iLr開始衰減，uCr繼續下降，直到t4時刻，uCr=0，VDS導通，uCr被箝位于零。t4t0時段：S導通，電流iLr線性上升，直到t0時刻，S再次關斷。諧振直流環電路中電壓uCr的諧振峰值很高，增加了對開關器件耐壓的要求。,圖8-13諧振直流環電路的等效電路,圖8-14諧振直流環電路的理想化波形,.,21,8.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路,圖8-15移相全橋零電壓開關PWM電路,移相全橋型零電壓開關PWM電路電路簡單，僅僅增加了一個諧振電感，就使電路中四個開關器件都在零電壓的條件下開通。控制方式的特點在一個開關周期TS內，每一個開關導通的時間都略小于TS/2，而關斷的時間都略大于TS/2。同一個半橋中上下兩個開關不同時處于通態，每一個開關關斷到另一個開關開通都要經過一定的死區時間。互為對角的兩對開關S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2時間，而S2的波形比S3超前0TS/2時間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。,.,22,8.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路,圖8-16移相全橋電路的理想化波形,圖8-17移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖,工作過程t0t1時段：S1與S4都導通，直到t1時刻S1關斷。t1t2時段：t1時刻S1關斷后，C1、C2與Lr、L構成諧振回路，如圖8-17所示，諧振開始時uA(t1)=Ui，在諧振過程中，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導通，iLr通過VDS2續流。,.,23,8.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路,圖8-16移相全橋電路的理想化波形,圖8-18移相全橋電路在t3t4階段的等效電路,t2t3時段：t2時刻S2開通，由于VDS2導通，因此S2開通時電壓為零，開通過程中不會產生開關損耗，S2開通后，電路狀態也不會改變，繼續保持到t3時刻S4關斷。t3t4時段：t4時刻開關S4關斷后，電路的狀態變為圖8-18所示，這時C3、C4與Lr構成諧振回路，諧振過程中iLr不斷減小，B點電壓不斷上升，直到VDS3導通；這種狀態維持到t4時刻S3開通，S3開通時VDS3導通，因此S3是在零電壓的條件下開通，開通損耗為零。,.,24,8.3.3移相全橋型零電壓開關PWM電路,圖8-16移相全橋電路的理想化波形,圖8-15移相全橋零電壓開關PWM電路,t4t5時段：S3開通后，iLr繼續減小，下降到零后反向，再不斷增大，直到t5時刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而關斷，電流IL全部轉移到VD2中。t0t5時段正好是開關周期的一半，而在另一半開關周期t5t0時段中，電路的工作的過程與t0t5時段完全對稱。,.,25,8.3.4零電壓轉換PWM電路,圖8-19升壓型零電壓轉換PWM電路的原理圖,零電壓轉換PWM電路具有電路簡單、效率高等優點，廣泛用于功率因數校正電路（PFC）、DC-DC變換器、斬波器等。以升壓電路為例，在分析中假設電感L、電容C很大，可以忽略電流和輸出電壓的波動，在分析中還忽略元件與線路中的損耗。在零電壓轉換PWM電路中，輔助開關S1超前于主開關S開通，而S開通后S1就關斷了，主要的諧振過程都集中在S開通前后。,.,26,8.3.4零電壓轉換PWM電路,圖8-20升壓型零電壓轉換PWM電路的理想化波形,圖8-21升壓型零電壓轉換PWM電路在t1t2時段的等效電路,圖8-19升壓型零電壓轉換PWM電路的原理圖,工作過程t0t1時段：輔助開關先于主開關開通，由于此時VD尚處于通態，所以uLr=Uo，iLr按線性迅速增長，iVD以同樣的速率下降，直到t1時刻，iLr=IL，iVD下降到零，二極管自然關斷。t1t2時段：此時電路可以等效為圖8-21，Lr與Cr構成諧振回路，由于L很大，諧振過程中其電流基本不變，對諧振影響很小，可以忽略；諧振過程中iLr增加而uCr下降，t2時刻uCr降到零，VDS導通，uCr被箝位于零，而iLr保持不變。,.,27,8.3.4零電壓轉換PWM電路,圖8-19升壓型零電壓轉換PWM電路的原理圖,圖8-