軟開(kāi)關(guān)技術(shù)課件

1、第第8 8章章 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 引言引言 8.1 8.1 軟開(kāi)關(guān)的基本概念軟開(kāi)關(guān)的基本概念 8.2 8.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類 8.3 8.3 典型的軟開(kāi)關(guān)電路典型的軟開(kāi)關(guān)電路現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)小型化和輕量化小型化和輕量化 對(duì)效率和電磁兼容性也有更高的要求。對(duì)效率和電磁兼容性也有更高的要求。高頻化高頻化 濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化和輕量化。裝置小型化和輕量化。 開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪

2、聲。 進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。 8.1 8.1 軟開(kāi)關(guān)的基本概念軟開(kāi)關(guān)的基本概念 8.1.1 8.1.1 硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān) 8.1.2 8.1.2 零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)8.1.1 8.1.1 硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)：硬開(kāi)關(guān)： 開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。開(kāi)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)電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過(guò)沖，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)噪聲。致開(kāi)關(guān)噪聲。圖圖8 81 1 硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程t t0 0a a）硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程）硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b b）硬開(kāi)

3、關(guān)的關(guān)斷過(guò)程）硬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程u ui iP P0 0u ui it tu uu ui ii iP P0 00 0軟開(kāi)關(guān)：軟開(kāi)關(guān)： 在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開(kāi)在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。 降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。u ui iP P0 0u ui it tt t0 0u ui iP P0 0u ui it tt t0 0a a）軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程）軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b b）軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程）軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖圖8 82 2 軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程8.

4、1.2 8.1.2 零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān) 零電壓開(kāi)通零電壓開(kāi)通 開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。 零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷 開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其電流為零開(kāi)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。關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。 零電壓關(guān)斷零電壓關(guān)斷 與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。降低關(guān)斷損耗。 零電流開(kāi)通零電流開(kāi)通 與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率，降低與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率，降低了開(kāi)通損耗。

5、了開(kāi)通損耗。8.2 8.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類根據(jù)開(kāi)關(guān)元件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓電流狀根據(jù)開(kāi)關(guān)元件開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWMPWM電路電路和零轉(zhuǎn)換和零轉(zhuǎn)換PWMPWM電路。電路。8.2 8.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類 1 1）準(zhǔn)諧振電路）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(kāi)關(guān)電路。此稱之為

6、準(zhǔn)諧振。是最早出現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路。 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)功功率的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；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，因此電路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頻率調(diào)制只能采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Pulse Frequency ModulationModulationPFMPFM）方式來(lái)控制。方式來(lái)控制。分別介紹三類軟開(kāi)關(guān)電路分別介紹三類軟開(kāi)關(guān)電路 2 2）零開(kāi)關(guān)）

7、零開(kāi)關(guān)PWMPWM電路電路 引入了輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，使諧引入了輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后。振僅發(fā)生于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后。 特點(diǎn)特點(diǎn)： 電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低。沿較緩，開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低。 電路可用開(kāi)關(guān)頻率固定的電路可用開(kāi)關(guān)頻率固定的PWMPWM控制方式?？刂品绞?。3 3）零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路 采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，但諧振電路采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，但諧振電路是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的。是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零

8、負(fù)載到滿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(kāi)關(guān)狀態(tài)。載都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路中無(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。電路效率有了進(jìn)一步提高。8.3 8.3 典型的軟開(kāi)關(guān)電路典型的軟開(kāi)關(guān)電路 8.3.1 8.3.1 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路 8.3.2 8.3.2 諧振直流環(huán)諧振直流環(huán) 8.3.3 8.3.3 移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWMPWM電路電路 8.3.4 8.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路C Cr rT Tr rL LD DD D1 1L Lr rT

9、 Tr r1 1C CO OR RO OI Is sV Vacac高功率因數(shù)校正軟開(kāi)關(guān)高功率因數(shù)校正軟開(kāi)關(guān)AC/DCAC/DC變換主電路變換主電路零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路波形圖電路波形圖 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路一周期內(nèi)各電路一周期內(nèi)各 運(yùn)行模式分析運(yùn)行模式分析 系統(tǒng)的總技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)的總技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓：?jiǎn)蜗嘟涣鬏斎腚妷海簡(jiǎn)蜗嘟涣?2022010%V10%V 輸入頻率：輸入頻率：50Hz/60Hz50Hz/60Hz 輸出電壓：輸出電壓：48V48V 輸出電流：輸出電流：20A20A 電壓調(diào)

10、整率電壓調(diào)整率2 2 ，紋波電壓峰，紋波電壓峰- -峰值小于峰值小于240mV240mV 效率大于效率大于90%90%，功率因數(shù)大于，功率因數(shù)大于98%98% 開(kāi)關(guān)頻率：開(kāi)關(guān)頻率：f=100kHzf=100kHz零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路技術(shù)指標(biāo)電路技術(shù)指標(biāo) 單相交流單相交流:220:22010%V10%V 輸入頻率：輸入頻率：50/60Hz50/60Hz 輸出電壓：直流輸出電壓：直流380V380V 效率：大于效率：大于95%95% 功率因數(shù)：功率因數(shù)：PF99%PF99% 開(kāi)關(guān)頻率：開(kāi)關(guān)頻率：f=100kHzf=100kHz零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路參數(shù)設(shè)計(jì)電路參數(shù)設(shè)計(jì)

11、根據(jù)普通升壓型（根據(jù)普通升壓型（ BoostBoost）變換器計(jì)算下列參數(shù)）變換器計(jì)算下列參數(shù)1.1.升壓電感設(shè)計(jì)升壓電感設(shè)計(jì)L L 計(jì)算出計(jì)算出L=470uHL=470uH2.2.輸出電容輸出電容CoCo 計(jì)算出計(jì)算出Co=2200uFCo=2200uF3.3.諧振電感設(shè)計(jì)諧振電感設(shè)計(jì)LrLr 計(jì)算出計(jì)算出Lr=8.3uHLr=8.3uH4.4.諧振電容諧振電容CrCr 計(jì)算出計(jì)算出Cr=479pFCr=479pF 為了驗(yàn)證零電壓轉(zhuǎn)換為了驗(yàn)證零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路元器件參數(shù)的正確性，電路元器件參數(shù)的正確性，在在PspicePspice軟件中進(jìn)行了仿真分析。下圖所示為零電壓軟件中進(jìn)行了仿真

12、分析。下圖所示為零電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換PWMPWM電路的電路的PspicePspice仿真模型圖。仿真模型圖。 根據(jù)前面的理論分析，最后的仿真及實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：根據(jù)前面的理論分析，最后的仿真及實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入電壓輸入電壓VinVin為單相為單相220V220V，升壓電感，升壓電感L L為為470uH470uH，諧振電，諧振電感感LrLr為為8.3uH8.3uH，諧振電感，諧振電感CrCr為為479pF479pF，輸出濾波電容，輸出濾波電容CoCo為為2200uF2200uF，開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率f f為為100kHz100kHz。零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路在電路在PspicePspice中的中的仿

13、真分析仿真分析零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWMPWM電路電路PspicePspice仿真模型仿真模型 主開(kāi)關(guān)管主開(kāi)關(guān)管TrTr和輔助開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管Tr1Tr1驅(qū)動(dòng)波形圖驅(qū)動(dòng)波形圖主開(kāi)關(guān)管主開(kāi)關(guān)管TrTr驅(qū)動(dòng)波形、漏源電流波形驅(qū)動(dòng)波形、漏源電流波形和電壓波形圖和電壓波形圖 輸入交流電壓和交流波形圖輸入交流電壓和交流波形圖 輸出電壓和輸出電流波形圖輸出電壓和輸出電流波形圖 移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWMPWM電路理想工作波形圖電路理想工作波形圖移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 基本條件：電路形式：全橋移相基本條件：電路形式：全橋移相 變壓器工作頻率：變壓器工作頻率：100kHz100kHz 變壓器輸入電壓：變壓器輸入電壓：380V380V 輸出電壓：直流輸出電壓：直流48V48V 輸出電流：輸出電流：20A20A 整流電路形式：中心抽頭全波整流整流電路形式：中心抽頭全波整流移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWMPWM電路參數(shù)設(shè)計(jì)電路參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)根據(jù)移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWMPWM電路計(jì)算下列參數(shù)電路計(jì)算下列參數(shù)1.1.變壓器原和副邊匝數(shù)比變壓器原和副邊匝數(shù)比計(jì)算出計(jì)算出32:632:62.2.輸出濾波電感設(shè)計(jì)輸出濾波電感設(shè)計(jì)LfLf 計(jì)算出計(jì)算出Lf=18.4uHLf=18.4uH3.3.輸出濾波電容輸出濾波電容C