《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小型化、輕量化、對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)明顯得過沖，導致開關(guān)噪聲。t

2、0a硬開關(guān)的開經(jīng)過程b硬開關(guān)的關(guān)斷過程圖71 硬開關(guān)的開關(guān)過程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)過程b軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖72 軟開關(guān)的開關(guān)過程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)

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)?？侩娐分械闹C振來實現(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)單元導出詳細電路。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準諧振電

4、路 準諧振電路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。是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路。 特點： 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，電路中存在大量無功功率的交換，電路導通損耗加大； 諧振周期隨輸入電壓、負載變化而改動，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制Pulse Frequency ModulationPFM方式來控制。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)準諧振電路的根本開關(guān)單元 零電流開關(guān)準諧振電路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC a)零電壓開關(guān)準諧振電路的根本開關(guān)單元 零電壓開關(guān)準諧振電路 (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)來控制諧振的開場時辰，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為： 特點：特點：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)和從零負載到滿載都能任務(wù)在軟開關(guān)形狀。零負載到滿載都能任務(wù)在軟開關(guān)形狀。電路中無功功率的交換被削減到最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。小，這使得電路效率有了進一步提高。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)控制諧振的開場時辰，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：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負載到滿載都能任務(wù)在軟開關(guān)形狀。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。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)準諧振電路原理圖7.3.1 零電壓開關(guān)準諧振電路選擇開關(guān)S關(guān)斷時辰為分析的起點。t0t1時段：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尚未導通。電感Lr+L向Cr充電， uCr線性上升，同時VD兩端電壓uV

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

10、r繼續(xù)下降，直到t4時辰uCr=0。t1t2時段的等效電路uSS (uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖7.3.1 零電壓開關(guān)準諧振電路t4t5時段：uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時辰，iLr=0。由于此時開關(guān)S兩端電壓為零，所以必需在此時開通S，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時辰，iLr=IL，VD關(guān)斷。t6t0時段：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，添加了對倍，添

11、加了對開關(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)準諧振電路的理想波形圖7-7 零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖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載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)形狀是不變的，因此分析時可將電路等效。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時段：t0時辰之前，開關(guān)S處于通態(tài)，iLrIL。t0時辰S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對Cr充電，t1時辰，uCr=Ui。 t1t2時段：t1時辰，諧振電流iLr到達峰值。 t1時辰以后，iLr繼續(xù)向Cr充電，直到t2時辰iLr=IL，uCr到達諧振峰值。2任務(wù)原理7.3.2 諧振直流環(huán)t2t3時段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時辰 uCr=Ui。t3t4時段：t3時辰，iLr到達反向諧振峰值，開場衰減，uCr繼續(xù)下降， t4時辰，uCr

13、=0，S的反并聯(lián)二極管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用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點是電路簡單。同硬開關(guān)全橋電路相比，僅添加了一個諧振電感，就使四個開關(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：

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)，每個開關(guān)導通時間都略小于TS/2，而關(guān)斷時間都略大于TS/2； 同一半橋中兩個開關(guān)不同時處于通態(tài)，每個開關(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。7.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路互為對角的兩對開關(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

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時段：S

16、1與S4導通，直到t1時辰S1關(guān)斷。 t1t2時段：t1時辰開關(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導通，電流iLr經(jīng)過VDS2續(xù)流。 t2t3時段：t2時辰開關(guān)S2開通，由于此時其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導通形狀，因此S2為零電壓開通。t3t4時段：t3時辰開關(guān) S4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時導通，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零，相當于短路，因此Cs3、Cs4與Lr構(gòu)成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點電壓不斷上升，直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導通。這種形狀維持到t4時辰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)過程完全對稱。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時段：，S1導通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線性增長， VD中的電流以同樣的速率下降。t1時辰，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電路具有電路簡單、效率高等優(yōu)點。7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路t1t2時段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，Lr的電流添加而Cr的電壓下降，t2時辰uCr=0， VDS導通，uCr被箝位于零，而電流iLr堅持不變。 t2t3時段：uCr被箝位于零，而電流iLr堅持不變，這種形狀不斷堅持到t3時辰