電力電子技術(shù)完整軟開關(guān)技術(shù)ppt課件

第8章軟開關(guān)技術(shù)8.1軟開關(guān)的基本概念8.2軟開關(guān)電路的分類8.3典型的軟開關(guān)電路8.4軟開關(guān)技術(shù)新進展本章小結(jié),.,2,引言,現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)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(guān)損耗增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。使開關(guān)頻率可以大幅度提高。,.,3,8.1軟開關(guān)的基本概念,8.1.1硬開關(guān)與軟開關(guān)8.1.2零電壓開關(guān)與零電流開關(guān),.,4,8.1.1硬開關(guān)與軟開關(guān),硬開關(guān)開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開關(guān)損耗。電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，從而產(chǎn)生了開關(guān)噪聲。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，因此當硬電路的工作頻率不太高時，開關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗就越來越顯著。,圖8-1硬開關(guān)降壓型電路及波形a）電路圖b）理想化波形,圖8-2硬開關(guān)過程中的電壓和電流a)關(guān)斷過程b)開通過程,a),b),.,5,8.1.1硬開關(guān)與軟開關(guān),軟開關(guān)軟開關(guān)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(guān)S增加了反并聯(lián)二極管VDS，而硬開關(guān)電路中不需要這個二極管。降壓型零電壓開關(guān)準諧振電路中，在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗，同時，諧振過程限值了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，這使得開關(guān)噪聲也顯著減小。,P,圖8-3降壓型零電壓開關(guān)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(guān)過程中的電壓和電流a)關(guān)斷過程b)開通過程,.,6,8.1.2零電壓開關(guān)與零電流開關(guān),零電壓開通開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流關(guān)斷開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。零電壓關(guān)斷與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。零電流開通與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)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(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。,.,7,8.2軟開關(guān)電路的分類,軟開關(guān)電路的分類根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)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(guān)是零電壓開通的，另一些開關(guān)是零電流關(guān)斷的。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。,.,8,8.2軟開關(guān)電路的分類,圖8-5準諧振電路a）零電壓開關(guān)準諧振電路b）零電流開關(guān)準諧振電路c）零電壓開關(guān)多諧振電路,準諧振電路分類零電壓開關(guān)準諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverterZVSQRC）零電流開關(guān)準諧振電路（Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverterZCSQRC）零電壓開關(guān)多諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverterZVSMRC）用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)（ResonantDCLink）,.,9,8.2軟開關(guān)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(guān)損耗和開關(guān)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(diào)制（PulseFrequencyModulationPFM）方式來控制，變頻的開關(guān)頻率給電路設(shè)計帶來困難。,.,10,8.2軟開關(guān)電路的分類,圖8-6零開關(guān)PWM電路a）零電壓開關(guān)PWM電路b）零電流開關(guān)PWM電路,零開關(guān)PWM電路電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。分類零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverterZVSPWM）零電流開關(guān)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(yōu)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(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。,.,11,8.2軟開關(guān)電路的分類,圖8-7零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元,零轉(zhuǎn)換PWM電路電路中采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)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(nèi)和從零負載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)，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(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverterZVTPWM）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverterZVTPWM）,.,12,8.3典型的軟開關(guān)電路,8.3.1零電壓開關(guān)準諧振電路8.3.2諧振直流環(huán)8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路8.3.4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路,.,13,8.3.1零電壓開關(guān)準諧振電路,圖8-8零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖,零電壓開關(guān)準諧振電路假設(shè)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(guān)電路的工作過程是按開關(guān)周期重復(fù)的，在分析時可以選擇開關(guān)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(guān)準諧振電路,圖8-9零電壓開關(guān)準諧振電路的理想化波形,圖8-10零電壓開關(guān)準諧振電路在t0t1時段等效電路,圖8-8零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖,工作過程選擇開關(guān)S的關(guān)斷時刻為分析的起點。t0t1時段：t0之前，S導通，VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL，t0時刻S關(guān)斷，Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，因此S的關(guān)斷損耗減小，S關(guān)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(guān)準諧振電路,圖8-8零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖,圖8-9零電壓開關(guān)準諧振電路的理想化波形,圖8-11零電壓開關(guān)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(xù)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(xù)下降，直到t4時刻uCr=0。,.,16,8.3.1零電壓開關(guān)準諧振電路,圖8-8零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖,圖8-9零電壓開關(guān)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(guān)S開通，才不會產(chǎn)生開通損耗。t5t6時段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。t4到t6時段電流iLr的變化率為,t6t0時段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。,(8-3),.,17,8.3.1零電壓開關(guān)準諧振電路,諧振過程是軟開關(guān)電路工作過程中最重要的部分，諧振過程中的基本數(shù)量關(guān)系為uCr（即開關(guān)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(guān)S承受的峰值電壓，表達式為,零電壓開關(guān)準諧振電路實現(xiàn)軟開關(guān)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(xiàn)零電壓開通。,零電壓開關(guān)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(guān)S的耐壓必須相應(yīng)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(huán),圖8-12諧振直流環(huán)電路原理圖,圖8-13諧振直流環(huán)電路的等效電路,諧振直流環(huán)應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)（DC-Link），通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關(guān)的條件下。圖8-12中，輔助開關(guān)S使逆變橋中所有的開關(guān)工作在零電壓開通的條件下，實際電路中開關(guān)S可以不需要，S的開關(guān)動作用逆變電路中開關(guān)的直通與關(guān)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(guān)狀態(tài)是不變的，負載電流視為常量。,.,19,8.3.2諧振直流環(huán),圖8-13諧振直流環(huán)電路的等效電路,圖8-14諧振直流環(huán)電路的理想化波形,工作過程以開關(guān)S關(guān)斷時刻為起點。t0t1時段：t0之前，iLr大于IL，S導通，t0時刻S關(guān)斷，電路中發(fā)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(xù)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(huán),t2t3時段：t2以后，uCr向Lr和IL放電，iLr繼續(xù)降低，到零后反向，Cr繼續(xù)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(xù)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(guān)斷。諧振直流環(huán)電路中電壓uCr的諧振峰值很高，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。,圖8-13諧振直流環(huán)電路的等效電路,圖8-14諧振直流環(huán)電路的理想化波形,.,21,8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路,圖8-15移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路,移相全橋型零電壓開關(guān)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(guān)器件都在零電壓的條件下開通?？刂品绞降奶攸c在一個開關(guān)周期TS內(nèi)，每一個開關(guān)導通的時間都略小于TS/2，而關(guān)斷的時間都略大于TS/2。同一個半橋中上下兩個開關(guān)不同時處于通態(tài)，每一個開關(guān)關(guān)斷到另一個開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間?；閷堑膬蓪﹂_關(guān)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(guān)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(guān)斷。t1t2時段：t1時刻S1關(guān)斷后，C1、C2與Lr、L構(gòu)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(xù)流。,.,23,8.3.3移相全橋型零電壓開關(guān)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(chǎn)生開關(guān)損耗，S2開通后，電路狀態(tài)也不會改變，繼續(xù)保持到t3時刻S4關(guān)斷。t3t4時段：t4時刻開關(guān)S4關(guān)斷后，電路的狀態(tài)變?yōu)閳D8-18所示，這時C3、C4與Lr構(gòu)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(tài)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(guān)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(guān)PWM電路,t4t5時段：S3開通后，iLr繼續(xù)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(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。t0t5時段正好是開關(guān)周期的一半，而在另一半開關(guān)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(zhuǎn)換PWM電路,圖8-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖,零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點，廣泛用于功率因數(shù)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(shè)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(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，而S開通后S1就關(guān)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(zhuǎn)換PWM電路,圖8-20升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形,圖8-21升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1t2時段的等效電路,圖8-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖,工作過程t0t1時段：輔助開關(guān)先于主開關(guān)開通，由于此時VD尚處于通態(tài)，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(guān)斷。t1t2時段：此時電路可以等效為圖8-21，Lr與Cr構(gòu)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(zhuǎn)換PWM電路,圖8-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖,圖8-