《軟開關(guān)技術(shù)》 ppt課件

1、第7章 軟開關(guān)技術(shù) 引言 7.1 軟開關(guān)的根本概念 7.2 軟開關(guān)電路的分類 7.3 典型的軟開關(guān)電路 本章小結(jié)第7章 軟開關(guān)技術(shù) 引言現(xiàn)代電力電子安裝的開展趨勢(shì)小型化、輕量化、對(duì)效率和電磁兼容性也有更高的要求。電力電子安裝高頻化濾波器、變壓器體積和分量減小，電力電子安裝小型化、輕量化。開關(guān)損耗添加，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。 7.1 軟開關(guān)的根本概念 7.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān) 7.1.2 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)7.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān)l 硬開關(guān)： 開關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。 電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過(guò)沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。t

2、0a硬開關(guān)的開經(jīng)過(guò)程b硬開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖71 硬開關(guān)的開關(guān)過(guò)程uiP0uituuiiP007.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān)l 軟開關(guān)： 在原電路中添加了小電感、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。 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a軟開關(guān)的開經(jīng)過(guò)程b軟開關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖72 軟開關(guān)的開關(guān)過(guò)程7.1.2 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) 零電壓開通 開關(guān)開通前其兩端電壓為零開通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。 零電流關(guān)斷 開關(guān)關(guān)斷前其電流為零關(guān)斷時(shí)不會(huì)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)

3、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。當(dāng)不指出是開通或是關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。7.2 軟開關(guān)電路的分類l 根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時(shí)電壓電流形狀，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。l 根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)開展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和l 零轉(zhuǎn)換PWM電路。l 每一種軟開關(guān)電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從根本開關(guān)單元導(dǎo)出詳細(xì)電路。7.2 軟開關(guān)電路的分類圖73根本開關(guān)單元的概念a根本開關(guān)單元b降壓斬波器中的根本開關(guān)單元c升壓斬波器中的根本開關(guān)單元d升降壓斬波器中的根本開關(guān)單元7.2 軟開關(guān)電路的分類 1準(zhǔn)諧振電

4、路 準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路。 特點(diǎn)： 諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必需提高； 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； 諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改動(dòng)，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制Pulse Frequency ModulationPFM方式來(lái)控制。分別引見三類軟開關(guān)電路7.2 軟開關(guān)電路的分類可分為： 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(Resonant DC Link。圖7-4 準(zhǔn)諧振電路的根本開關(guān)單元c)零電壓開關(guān)多諧振電路的根本開關(guān)單元 電壓開關(guān)多諧振電路 (Zero-Voltage-Swi

5、tching Multi-ResonantConverterZVS MRCb)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的根本開關(guān)單元 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC a)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的根本開關(guān)單元 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC7.2 軟開關(guān)電路的分類 2零開關(guān)PWM電路 引入了輔助開關(guān)來(lái)控制諧振的開場(chǎng)時(shí)辰，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過(guò)程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從

6、電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能任務(wù)在軟開關(guān)形狀。零負(fù)載到滿載都能任務(wù)在軟開關(guān)形狀。電路中無(wú)功功率的交換被削減到最電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。b)零電流開關(guān)PWM電路的根本開關(guān)單元圖75 零開關(guān)PWM電路的根本開關(guān)單元 零電流開關(guān)PWM電路Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWMa)零電壓開關(guān)PWM電路的根本開關(guān)單元 零電壓開關(guān)PWM電路Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM7.2 軟開關(guān)電路的分類 3零轉(zhuǎn)換PWM電路

7、 采用輔助開關(guān)控制諧振的開場(chǎng)時(shí)辰，但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的。零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為： 特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能任務(wù)在軟開關(guān)形狀。電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。b零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的根本開關(guān)單元圖76 零轉(zhuǎn)換PWM電路的根本開關(guān)單元 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWMa零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的根本開關(guān)單元 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM7.3 典型的軟開關(guān)電路 7.3.1 零電壓開

8、關(guān)準(zhǔn)諧振電路 7.3.2 諧振直流環(huán) 7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路1電路構(gòu)造以降壓型為例分析任務(wù)原理。假設(shè)電感L和電容C很大，可等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。圖7-7 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路選擇開關(guān)S關(guān)斷時(shí)辰為分析的起點(diǎn)。t0t1時(shí)段：t0之前，開關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL ，t0時(shí)辰S關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容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(dǎo)通。電感Lr+L向Cr充電， uCr線性上升，同時(shí)VD兩端電壓uV

9、D逐漸下降，直到t1時(shí)辰，uVD=0，VD導(dǎo)通。這一時(shí)段uCr的上升率：rrddCItuLC2任務(wù)原理t0t1時(shí)段的等效電路SS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 t1t2時(shí)段：t1時(shí)辰二極管VD導(dǎo)通，電感L經(jīng)過(guò)VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui構(gòu)成諧振回路。t2時(shí)辰，iLr下降到零，uCr到達(dá)諧振峰值。 t2t3時(shí)段：t2時(shí)辰后，Cr向Lr放電，直到t3時(shí)辰，uCr=Ui，iLr到達(dá)反向諧振峰值。 t3t4時(shí)段：t3時(shí)辰以后，Lr向Cr反向充電，uC

10、r繼續(xù)下降，直到t4時(shí)辰uCr=0。t1t2時(shí)段的等效電路uSS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路t4t5時(shí)段：uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時(shí)辰，iLr=0。由于此時(shí)開關(guān)S兩端電壓為零，所以必需在此時(shí)開通S，才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。t5t6時(shí)段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時(shí)辰，iLr=IL，VD關(guān)斷。t6t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。缺陷：諧振電壓峰值將高于缺陷：諧振電壓峰值將高于輸入電壓輸入電壓Ui的的2倍，添加了對(duì)倍，添

11、加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。開關(guān)器件耐壓的要求。 SS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖7.3.2 諧振直流環(huán) 諧振直流環(huán)電路運(yùn)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)DC-Link。經(jīng)過(guò)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)任務(wù)在軟開關(guān)的條件下。1電路構(gòu)造圖 7-11 諧振直流環(huán)電路原理圖 由于電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，而且在諧振過(guò)程中逆變電路的開關(guān)形狀是不變的，因此分析時(shí)可將電路等效。圖 7-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路 7.3.2 諧振直流環(huán)t0t1t2t

12、3t4t0iLruCrUinILttOO圖 7-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形 圖 7-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路 t 0t1時(shí)段：t0時(shí)辰之前，開關(guān)S處于通態(tài)，iLrIL。t0時(shí)辰S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對(duì)Cr充電，t1時(shí)辰，uCr=Ui。 t1t2時(shí)段：t1時(shí)辰，諧振電流iLr到達(dá)峰值。 t1時(shí)辰以后，iLr繼續(xù)向Cr充電，直到t2時(shí)辰iLr=IL，uCr到達(dá)諧振峰值。2任務(wù)原理7.3.2 諧振直流環(huán)t2t3時(shí)段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時(shí)辰 uCr=Ui。t3t4時(shí)段：t3時(shí)辰，iLr到達(dá)反向諧振峰值，開場(chǎng)衰減，uCr繼續(xù)下降， t4時(shí)辰，uCr

13、=0，S的反并聯(lián)二極管VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零。t4t0時(shí)段：S導(dǎo)通，電流iLr線性上升，直到t0時(shí)辰，S再次關(guān)斷。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖 7-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形 圖 7-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路 電壓諧振峰值很高，添加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路l 移相全橋電路是目前運(yùn)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單。同硬開關(guān)全橋電路相比，僅添加了一個(gè)諧振電感，就使四個(gè)開關(guān)均為零電壓開通。圖 7-14 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路1移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)：

14、圖 7-14 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形 在開關(guān)周期TS內(nèi)，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于TS/2，而關(guān)斷時(shí)間都略大于TS/2； 同一半橋中兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間。7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0TS/2時(shí)間，因此稱S1和S2為超前的橋臂

15、，而稱S3和S4為滯后的橋臂。圖 7-14 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 2任務(wù)過(guò)程：圖 7-16 移相全橋電路在t0t1階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形 t0t1時(shí)段：S

16、1與S4導(dǎo)通，直到t1時(shí)辰S1關(guān)斷。 t1t2時(shí)段：t1時(shí)辰開關(guān)S1關(guān)斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路， uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，電流iLr經(jīng)過(guò)VDS2續(xù)流。 t2t3時(shí)段：t2時(shí)辰開關(guān)S2開通，由于此時(shí)其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導(dǎo)通形狀，因此S2為零電壓開通。t3t4時(shí)段：t3時(shí)辰開關(guān) S4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零，相當(dāng)于短路，因此Cs3、Cs4與Lr構(gòu)成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導(dǎo)通。這種形狀維持到t4時(shí)辰S3開通。因此S3為零電壓開通。7.3.3 移

17、相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路圖 7-17移相全橋電路在t3t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形t4t5時(shí)段：S3開通后，Lr的電流繼續(xù)減小。iLr下降到零后反向增大，t5時(shí)辰iLr=IL/kT，變壓器二次側(cè)VD1的電流下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。t0t5是開關(guān)周期的一半，另一半任務(wù)過(guò)程完全對(duì)稱。7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路圖 7-14 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uA

18、BuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖 7-15 移相全橋電路的理想化波形7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路1任務(wù)過(guò)程： 輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，S開通后S1關(guān)斷。 t0t1時(shí)段：，S1導(dǎo)通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線性增長(zhǎng)， VD中的電流以同樣的速率下降。t1時(shí)辰，iLr=IL，VD中電流下降到零，關(guān)斷。圖7-18 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形l零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路t1t2時(shí)段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，Lr的電流添加而Cr的電壓下降，t2時(shí)辰uCr=0， VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，而電流iLr堅(jiān)持不變。 t2t3時(shí)段：uCr被箝位于零，而電流iLr堅(jiān)持不變，這種形狀不斷堅(jiān)持到t3時(shí)辰