第六章 軟開關(guān)技術(shù)

1、通信電源部分通信電源部分黃小軍黃小軍電磁環(huán)境部分電磁環(huán)境部分李書芳李書芳現(xiàn)代電力電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 小型化、輕量化、效率高、對(duì)電磁兼容性也有更高的要求。電力電子設(shè)備設(shè)備高頻化 設(shè)備的開關(guān)頻率越高，濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置就小型化、輕量化。 設(shè)備的開關(guān)頻率越高，設(shè)備的開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗增加，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。 進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。 硬開關(guān)與開關(guān)損耗： 開關(guān)過(guò)程中，高頻開關(guān)管兩端的電壓和其流過(guò)的電流均不為零，出現(xiàn)了重疊,在開關(guān)過(guò)程中沒(méi)有引入其它電路（或方法）改善電壓和電流的波形來(lái)減少它們的重疊，沒(méi)有減少開關(guān)損耗。 電壓、電流變化很快，波

2、形出現(xiàn)明顯的過(guò)沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。t0a）硬開關(guān)的開通過(guò)程b）硬開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖91 硬開關(guān)的開關(guān)過(guò)程uiP0uituuiiP00 軟開關(guān)： 在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊，從而減少開關(guān)損耗。 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲開關(guān)噪聲。問(wèn)問(wèn):在此以前我們講到的開關(guān)穩(wěn)壓器和開關(guān)直流變換器中的在此以前我們講到的開關(guān)穩(wěn)壓器和開關(guān)直流變換器中的開關(guān)是硬開關(guān)還是軟開關(guān)開關(guān)是硬開關(guān)還是軟開關(guān)?一、零電流開關(guān)（ZCS開關(guān)）開關(guān)） 開通關(guān)斷PuceicPonPoff=000ubettt 圖5.2 零電流開關(guān)波形圖 零電流零電流關(guān)斷關(guān)斷：在開關(guān)管：在開關(guān)管關(guān)斷關(guān)斷前，使

3、其前，使其電流電流減減小到零，然后關(guān)斷，這就是零電流關(guān)斷。小到零，然后關(guān)斷，這就是零電流關(guān)斷。 零電流零電流開通開通：在開關(guān)管開通時(shí)，在開關(guān)管兩端的電壓下降到導(dǎo)通飽和壓：在開關(guān)管開通時(shí)，在開關(guān)管兩端的電壓下降到導(dǎo)通飽和壓降之前降之前,使其流過(guò)的電流保持為零，或者限制電流的上升率，從而減小電流使其流過(guò)的電流保持為零，或者限制電流的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)，大大減小了開通損耗，與電壓的交疊區(qū)，大大減小了開通損耗， 這就是所謂的零電流開通。這就是所謂的零電流開通。實(shí)現(xiàn)的基本思想：給開關(guān)管實(shí)現(xiàn)的基本思想：給開關(guān)管串聯(lián)串聯(lián)一個(gè)一個(gè)電感電感，在開關(guān)管開通時(shí)電感能延緩開，在開關(guān)管開通時(shí)電感能延緩開

4、通后電流上升的速率，減少電壓和電流的重疊，降低了開通損耗。通后電流上升的速率，減少電壓和電流的重疊，降低了開通損耗。 改變開關(guān)管在開關(guān)過(guò)程中的電流波形改變開關(guān)管在開關(guān)過(guò)程中的電流波形,使電流和電壓的沒(méi)有交疊或減少交疊區(qū)使電流和電壓的沒(méi)有交疊或減少交疊區(qū).（LrS1Cr(a) L型LrS1Cr(b) M型圖圖5-15 零電流準(zhǔn)諧振開關(guān)零電流準(zhǔn)諧振開關(guān)開通關(guān)斷PuceicPonPoff=000ubettt 圖5.2 零電流開關(guān)波形圖工作原理工作原理 在在S1導(dǎo)通之前導(dǎo)通之前，Lr的電流為零；的電流為零； 當(dāng)當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，Lr限制限制S1中電流的上升率，從而實(shí)現(xiàn)中電流的上升率，從而實(shí)現(xiàn) S1

5、的零電流開通；的零電流開通； S1關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)，Lr和和Cr諧振工作使諧振工作使Lr的電流回到零，從的電流回到零，從 而實(shí)現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)S1的零電流關(guān)斷。的零電流關(guān)斷。 準(zhǔn)諧振準(zhǔn)諧振ZCS開關(guān)開關(guān)：諧振電：諧振電路中的電流和電壓波形為路中的電流和電壓波形為正弦半波正弦半波，所以為準(zhǔn)諧振，所以為準(zhǔn)諧振零電流開關(guān)。零電流開關(guān)。ZCS(零電流零電流)諧振開關(guān)應(yīng)用在各種開關(guān)變換器中：諧振開關(guān)應(yīng)用在各種開關(guān)變換器中： (a) 升壓型電路中的零電流諧振開關(guān)升壓型電路中的零電流諧振開關(guān)M型L型Cr+RLUiLLrCoS1VD1+UiLLrCoCrRLS1VD1(b) 反相型電路中的零電流諧振開反相型電路中的零電

6、流諧振開關(guān)關(guān)L型M型LrS1CrCoL+UiRLVD1LrS1CrCoL+UiRLVD1(c) 反激型電路中的零電流諧振開關(guān)反激型電路中的零電流諧振開關(guān)L型M型圖圖5-17 零電流諧振開關(guān)在各種開關(guān)變換器中的應(yīng)用零電流諧振開關(guān)在各種開關(guān)變換器中的應(yīng)用Cr+RLUiLrCoS1VD1+RLCoCrUiLrS1VD1請(qǐng)同學(xué)來(lái)畫一下降壓型電路中的零電流諧振開關(guān)準(zhǔn)諧振變換電路準(zhǔn)諧振變換電路zcsZCS準(zhǔn)諧振開關(guān)（L型）LrS1CrLrS1CrS2 （L型） 在準(zhǔn)諧振變換器中引入了一個(gè)輔助開關(guān)管在準(zhǔn)諧振變換器中引入了一個(gè)輔助開關(guān)管S2來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后

7、，諧振元件的諧振工作時(shí)間比準(zhǔn)諧振電路的使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后，諧振元件的諧振工作時(shí)間比準(zhǔn)諧振電路的更短，電路中無(wú)功功率的交換被削減到很小。更短，電路中無(wú)功功率的交換被削減到很小。S2能控制諧振周期，能控制諧振周期，S1的開的開關(guān)就可以用關(guān)就可以用PWM控制?？刂?。比如：降壓型比如：降壓型ZCS-PWM變換器變換器LrS1CrVD1VDUiiLrCoUoL+-uCrRL+-VD2S2降壓型降壓型ZCS PWM變換器變換器b）ZCT開關(guān)ZVT和和ZCT開關(guān)開關(guān)(b) 降壓型SUiUoCoVD1LCrS1VD3LrVD2VDUiUoCoS1VD3LCrS2VDLrVD2VD1(c) 反相型圖5-

8、56 ZCT PWM變換器的基本電路結(jié)構(gòu)3、 ZCT開關(guān)開關(guān) 帶有輔助開關(guān)管的諧振帶有輔助開關(guān)管的諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，諧振電電路與主開關(guān)并聯(lián)，諧振電路只是在主開關(guān)管開關(guān)時(shí)工路只是在主開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作，其他時(shí)候不工作，這樣作，其他時(shí)候不工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小。輔助諧振電路的損耗很小。含有含有ZCT開關(guān)的電路叫開關(guān)的電路叫零電流轉(zhuǎn)換零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器變換器 比如：降壓型比如：降壓型ZCT PWM變換器等。變換器等。二、零電壓開關(guān)（ZVS） tttubeuceic開通關(guān)斷00PPon=0P off 圖5.3 零電壓開關(guān)波形圖 零電壓零電壓開通開通：在開關(guān)管在開關(guān)管開通開通前，先使開關(guān)

9、管兩端的電壓下降到零，然后驅(qū)動(dòng)前，先使開關(guān)管兩端的電壓下降到零，然后驅(qū)動(dòng)開關(guān)管開通開關(guān)管開通,此時(shí)增大的電流與電壓沒(méi)有交疊此時(shí)增大的電流與電壓沒(méi)有交疊,這就是所謂的零電壓開通。這就是所謂的零電壓開通。 零電壓零電壓關(guān)斷關(guān)斷：在開關(guān)管在開關(guān)管關(guān)斷關(guān)斷時(shí)，在電流下降的同時(shí)時(shí)，在電流下降的同時(shí),使其電壓保持在零，或使其電壓保持在零，或者限制者限制電壓電壓的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)，大大減小了關(guān)斷損耗，這的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)，大大減小了關(guān)斷損耗，這就是所謂的零電壓關(guān)斷。實(shí)現(xiàn)的基本思想是給開關(guān)管就是所謂的零電壓關(guān)斷。實(shí)現(xiàn)的基本思想是給開關(guān)管并聯(lián)電容并聯(lián)電容，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，當(dāng)開

10、關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電容能延緩關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。電容能延緩關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。 只要能實(shí)現(xiàn)上面兩點(diǎn)中的任何之一，都稱為只要能實(shí)現(xiàn)上面兩點(diǎn)中的任何之一，都稱為零電壓開關(guān)（零電壓開關(guān)（ZVS開關(guān)）開關(guān)）。 改變開關(guān)管在開關(guān)過(guò)程中的電改變開關(guān)管在開關(guān)過(guò)程中的電壓波形壓波形,使電壓和電流沒(méi)有交疊或減使電壓和電流沒(méi)有交疊或減少交疊區(qū)少交疊區(qū).工作原理：在S1導(dǎo)通過(guò)程中，Cr上的電壓為零； 當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，Cr限制S1上電壓的上升率，從而實(shí)現(xiàn) S1的零電壓關(guān)斷； S1導(dǎo)通之前，Lr和Cr諧振工作先使Cr的電壓回到零時(shí)， 才開通S1，從而實(shí)現(xiàn)S1的零電壓 開通。 LrS1Cr

11、LrS1Cr(a) M型(b) L型圖圖5-18 零電壓諧振開關(guān)零電壓諧振開關(guān)tttubeuceic開通關(guān)斷00PPon=0P off 圖5.3 零電壓開關(guān)波形圖準(zhǔn)諧振準(zhǔn)諧振ZVS開關(guān)開關(guān)：諧振電路中：諧振電路中的電流和電壓波形為正弦半波，的電流和電壓波形為正弦半波，所以為準(zhǔn)諧振零電壓開關(guān)。所以為準(zhǔn)諧振零電壓開關(guān)。ZVS(零電壓零電壓)諧振開關(guān)應(yīng)用在各種開關(guān)變換器中 ：(a) 反相型電路中的零電壓諧振開關(guān)反相型電路中的零電壓諧振開關(guān)L型M型LrS1CrCoL+UiRLVD1VD1LrS1CrCoL+UiRL(c) 反激型電路中的零電壓諧振開關(guān)反激型電路中的零電壓諧振開關(guān)L型M型圖圖5-20 零

12、電壓諧振開關(guān)在各種開關(guān)變換器中的應(yīng)用零電壓諧振開關(guān)在各種開關(guān)變換器中的應(yīng)用+RLCoUiLrS1CrVD1+CoCrUiLrS1VD1RL請(qǐng)同學(xué)來(lái)畫一下零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振升壓型變換器主電路零電壓準(zhǔn)諧振變換器零電壓準(zhǔn)諧振變換器ZVS含有ZVS準(zhǔn)諧振開關(guān)的變換器叫準(zhǔn)諧振變換 特點(diǎn)特點(diǎn)： 諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高； 諧振電流有效值很大，電路中存在大量無(wú)功功率諧振電流有效值很大，電路中存在大量無(wú)功功率的交換，電路導(dǎo)通損耗加大；的交換，電路導(dǎo)通損耗加大； 諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖

13、頻率調(diào)制路只能采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來(lái)控制。方式來(lái)控制。 比如：零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振降壓型變換器、半橋式比如：零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振降壓型變換器、半橋式零電壓準(zhǔn)諧振變換器、零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振升壓型變換零電壓準(zhǔn)諧振變換器、零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振升壓型變換器等等。器等等。ZVS準(zhǔn)諧振開關(guān)（M型）LrS1CrZVS-PWM開關(guān)（M型）LrS1CrCrS2 在準(zhǔn)諧振變換器中引入了一個(gè)輔助開關(guān)管在準(zhǔn)諧振變換器中引入了一個(gè)輔助開關(guān)管S2來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后，諧振元件的諧振工作時(shí)間比準(zhǔn)諧振電路的使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程

14、前后，諧振元件的諧振工作時(shí)間比準(zhǔn)諧振電路的更短，電路中無(wú)功功率的交換被削減到很小。更短，電路中無(wú)功功率的交換被削減到很小。S2能控制諧振周期，能控制諧振周期，S1的開的開關(guān)就可以用關(guān)就可以用PWM控制?？刂?。 比如：比如：正激型零電壓正激型零電壓PWM變換器等等。變換器等等。3、 ZVT開關(guān)開關(guān) a）ZVT開關(guān) 帶有輔助開關(guān)管的諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，諧振電路只帶有輔助開關(guān)管的諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，諧振電路只是在主開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作，其他時(shí)候不工作，這樣輔助諧振是在主開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作，其他時(shí)候不工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小。電路的損耗很小。SUiUoCoVD1LCrS1VDLr(b) 降壓型U

15、iUoCoSVD1LCrS1VDLr(c) 反相型圖5-52 ZVT PWM變換器的基本電路結(jié)構(gòu)含有含有ZVT開關(guān)的電開關(guān)的電路叫路叫零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器變換器 比如：升壓型比如：升壓型ZVT PWM變換器等。變換器等。 準(zhǔn)諧振準(zhǔn)諧振ZVS/ZCS開關(guān)開關(guān) ：諧振電路中的電流和電壓波形為正弦半波。這諧振電路中的電流和電壓波形為正弦半波。這類變換器的特點(diǎn)是采用變頻控制。而且電壓和電流應(yīng)力很大，一般應(yīng)用于小功率、類變換器的特點(diǎn)是采用變頻控制。而且電壓和電流應(yīng)力很大，一般應(yīng)用于小功率、低電壓的場(chǎng)合。在開關(guān)電源中低電壓的場(chǎng)合。在開關(guān)電源中,含有準(zhǔn)諧振含有準(zhǔn)諧振ZVS/ZCS開關(guān)的電路叫開關(guān)

16、的電路叫準(zhǔn)諧振變換電路準(zhǔn)諧振變換電路。多諧振開關(guān)多諧振開關(guān)：應(yīng)用兩個(gè)以上的元件，實(shí)現(xiàn)多個(gè)諧振頻率，含有多諧振開關(guān)的電路：應(yīng)用兩個(gè)以上的元件，實(shí)現(xiàn)多個(gè)諧振頻率，含有多諧振開關(guān)的電路稱為多諧振變換器。稱為多諧振變換器。 ZVS-PWM和和ZCS-PWM開關(guān)開關(guān) ：在準(zhǔn)諧振變換器中引入了一個(gè)輔助開關(guān)管來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后，諧振元件的諧振工作時(shí)間比準(zhǔn)諧振電路的更短，電路中無(wú)功功率的交換被削減到很小。采用PWM控制。含有ZVS-PWM和和ZCS-PWM開關(guān)的電路叫開關(guān)的電路叫零開關(guān)PWM變換器 ZVT和和ZCT開關(guān)開關(guān) ：帶有輔助開關(guān)管的諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，諧振電路帶有輔助

17、開關(guān)管的諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，諧振電路只是在主開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作，其他時(shí)候不工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小。只是在主開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作，其他時(shí)候不工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小。輔助電路的工作不會(huì)增加主開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力，主開關(guān)管的電壓和電流輔助電路的工作不會(huì)增加主開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力，主開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力很小。采用應(yīng)力很小。采用PWM控制，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都控制，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。含有能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。含有ZVT和和ZCT開關(guān)的電路叫開關(guān)的電路叫零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM變換器變換器一、軟開關(guān)一、軟開關(guān):零電流開關(guān)和

18、零電壓開關(guān)。零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)。二、軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路有以下三種：二、軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路有以下三種：準(zhǔn)諧振變換器準(zhǔn)諧振變換器：零電流準(zhǔn)諧振變換器零電流準(zhǔn)諧振變換器零電壓準(zhǔn)諧振變換器零電壓準(zhǔn)諧振變換器零開關(guān)零開關(guān)PWM變換器：變換器：ZCS PWM 變換器變換器ZVS PWM 變換器變換器零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM變換器變換器:ZCT PWM 變換器變換器ZVT PWM 變換器變換器三、軟開關(guān)技術(shù)三種實(shí)現(xiàn)電路的不同之處：三、軟開關(guān)技術(shù)三種實(shí)現(xiàn)電路的不同之處：1、引入、引入LC電路結(jié)構(gòu)不同電路結(jié)構(gòu)不同2、諧振時(shí)間在開關(guān)周期中的長(zhǎng)短不同、諧振時(shí)間在開關(guān)周期中的長(zhǎng)短不同3、無(wú)功功率的大小不同、無(wú)功功率的大小不同4、諧振電壓的峰值不同，對(duì)器件耐壓的要求不同、諧振電壓的峰值不同，對(duì)器件耐壓的要求不同 LrS1 LCrVDCoUiRL iLr VD1問(wèn)題問(wèn)題:電路的全稱？電路的全稱？零電流或零電壓軟開關(guān)分為諧振開關(guān)和非諧振開關(guān)。諧振開關(guān)諧振開關(guān)可分為以下幾類： 準(zhǔn)諧振準(zhǔn)諧振ZVS/ZCS