第三講軟開關型電力變換器(1)

1、軟開關型電力變換器軟開關型電力變換器 應用背景應用背景 主要思路主要思路緩沖方法、諧振方法緩沖方法、諧振方法 基本概念基本概念開關軌跡、安全工作區(qū)、開關損耗開關軌跡、安全工作區(qū)、開關損耗 典型電路典型電路13.1 硬開關的開通、關斷過程及安全工作區(qū)2n開通：斷態(tài)通態(tài)，rT從 0，iT從0線性上升至Io，VT從VD 0n關斷：通態(tài)斷態(tài)，rT從0，iT從Io線性下降至0，VT從0 VDq 開通過程中工作點如何從開通過程中工作點如何從A過渡到過渡到C？ VT按什么規(guī)律降至按什么規(guī)律降至0？q 關斷過程中工作點從關斷過程中工作點從C如何過渡到如何過渡到A？q VT按什么規(guī)律上升至按什么規(guī)律上升至VD？

2、取決于電？取決于電 路中的電感路中的電感L及開關管的并聯(lián)電容及開關管的并聯(lián)電容C3.1.1 線路電感L=0時開關器件開通關斷過程3開通過程：開通過程：q 有有+VG后延時后延時td，rT，iT Io之之前，前，D仍導電，仍導電，VT=VDq 在在tri期間期間it Io，D仍導電，仍導電，VT VD，AB。 此后，在此后，在tfv期間，期間，iT=Io，D截止，截止，rT，rT從從0 ，VT 0，BC 3.1.1 線路電感L=0時開關器件開通關斷過程4關斷過程：關斷過程：q有有-VG，經存儲時間，經存儲時間trv，然后，然后rT，在在trv期間期間VT VD，D仍截止，仍截止，iT Io，CB

3、 此后，在此后，在tfi期間期間VT=VD，D導電，導電，rT，iT 0，rT 從從0，BA3.1.1 線路電感線路電感L=0時開關器件開通關斷過程時開關器件開通關斷過程(續(xù)續(xù)1)53.1.1 線路電感線路電感L=0時開關器件開通關斷過程時開關器件開通關斷過程(續(xù)續(xù)2)n開通電流iT上升期：iT=Iot/tri n關斷電流iT下降期：iT=Io(1-t/tfi) n若認為vT在開關過程中也呈線性變化，則：offtsoffODsfirvODTTsoffftIVfttIVdtivfP021)(21fvriontttfirvoffttt6ontsonODsfvriODTTsonftIVfttIVdt

4、ivfP021)(213.1.2 線路電感線路電感L 0時開通、關斷過程時開通、關斷過程VT7p 開通過程：開通過程： 斷態(tài)時，斷態(tài)時，VT=VD，iT=0。工作點為。工作點為A，有有VG后，后，rT，iT=Io.t/tri,tri 期間上升時，期間上升時，D仍在導電，仍在導電，VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri =VQVD時，D導電，iT線性減小，vT= VD-LdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工作點立即從BH，在iT從Io 0期間工作點從HP，一旦iT=0，工作點從PA(iT=0，VT=VD)3.1.2 線路電感線路電感L 0時開通、關斷過程時開通、關斷過程(續(xù)

5、續(xù)2)93.1.3 安全工作區(qū)安全工作區(qū)nL=0時，開通軌跡ABC，關斷軌跡CBAnL 0時，開通軌跡AQEC，關斷軌跡CBHPAnL改善了開通軌跡，惡化了關斷軌跡n安全工作區(qū)： vTVCEO，KJ線左側 iTICM，NM線下方 Pt= vT iT，功率限制線左下側103.2 引入引入L、C的緩沖電路的緩沖電路3.2.1 全控型開關管全控型開關管LCRD復合緩沖器復合緩沖器n緩沖電路由緩沖電路由Ls、Cs、Ds、Rs組成，組成，T表示全控型開關管表示全控型開關管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。n串聯(lián)電感串聯(lián)電感Ls用于開通緩沖用于開通緩沖vT，類似于線路電感，類似于線路電感L 0時的開時

6、的開通過程，開通軌跡為圖通過程，開通軌跡為圖2.3(b)中的中的AQEC，開通時，開通時iT，使，使vT =VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri=VQVDCASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvLiTvOD圖2.3（a）RLfLoVfCovofIi oITioICEOAPTV圖2.3（b）BQVQ VD VCEP160V 200V 300V113.2.1 全控型開關管全控型開關管LCRD復合緩沖器復合緩沖器(續(xù)續(xù)1)n并聯(lián)電容Cs用于關斷緩沖vTn關斷T時，rT， vT =rTiT，在vT VD時，D0仍反偏截止。iL=iT+iC Io不變，iT=Io(1-t/tfi)

7、下降，iC=Iot/tfi上升， vc= vT充電上升。若在tfi期間，iT0，iCIo，使f fi iC CT Tt tC CT Tc cD D 0 0S SS SD Df fi iDD1 1V VV Vi i d dt tV V臨臨 界界 關關 斷斷 緩緩 沖沖C C2 2I Io ot t( () )則則 C C t t ， v v v vV Vt tf fi i2 2V V工工 作作 點點 從從 C CA ACASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvLiTvOD圖2.3（a）RLfLoVfCovofIi oITioICEOAPTV圖2.3（b）BQVQ VD VCEP1

8、60V 200V 300V123.2.1 全控型開關管全控型開關管LCRD復合緩沖器復合緩沖器(續(xù)續(xù)2)此后，此后，T已關斷，已關斷，iL繼續(xù)對繼續(xù)對Cs充電到充電到iL=0，VC=VT=VCEP，解解VD、LS、CS電路微分方程，得到：電路微分方程，得到：O OS SS S/ /2 2a ao om mm mD DC CE EP PI IC CL Le eV VV VV VV V,最后，最后，Vo=VCEP經經RS對電源放電，使對電源放電，使iC=iR0。VC=VT=VD，關斷軌跡為關斷軌跡為CAPA。22001/,1/2,ssssC LR C133.2.1 全控型開關管全控型開關管LCRD

9、復合緩沖器復合緩沖器(續(xù)續(xù)3)圖 7.13 復合緩沖器TiCMIm axCPoICEQOAPDVCEPVCEOVTVQV(c）開關軌跡CASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvLiTvOD(a）電路RLfLoVfCovofIi oI(b）開通關斷過程波形圖開通通態(tài)關斷斷態(tài)開通斷態(tài)1t2t3t4t5t6t7tpt8t21t22t23tTrTvGvTioIDVQVdtritfvtfitTiGvTvstCEPVCtifoSLStILV/Tv24tDVoffofft t0 0s soffoffO OD DT TT Ts soffofff ft tI IV V2 21 1dtdti iv

10、 vf fP P無關斷緩沖時：無關斷緩沖時：關斷損耗：關斷損耗：s sfi fio oDDt t0 0T TT Ts st t0 0T TT Ts s offofff ft tI IV V12121 1dtdtv vi if fdtdtv vi if fP Pfi fioffoff缺點：通態(tài)缺點：通態(tài)vC=0，斷態(tài)，斷態(tài)vC= vD，開開關一次，關一次，C充放電一次。充放電一次。14例題3.1(Book P.254) BUCK DC/DC變換器VD=200V，Io=10A，Vo=100V，fs=20KHz，Po=1KW。tri=tfr=tfi=trv=0.75s，Ls=3H，Cs取為臨界關斷電

11、容，Rs=40， 求開關損耗并畫出開關軌跡。解：無緩沖電路時，Pon=37.5W，Poff=37.5W 臨界關斷緩沖電容Cs=0.01875F 計算得：有復合緩沖器電路時，VCEP=300V，比VD高50 VQ=160V，只比VD小20 Poff=3.125WPoff=37.5W pon=30W，僅比Pon小20CASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvLiTvOD圖 2.3（ a）RLfLoVfCovofIi oITioICEOAPTV圖 2.3（ b）BQVQ VD VCEP(300V)160V 200V 300V153.2.2 電力二極管、晶閘管的電力二極管、晶閘管的RC

12、緩沖器緩沖器n由上例，串聯(lián)電感由上例，串聯(lián)電感Ls(開通緩沖開通緩沖)對對減少開通損耗作用不大，同時減少開通損耗作用不大，同時Ls使使關斷時關斷時vT增大到增大到VCEP(超過超過VD 50)，為了簡化緩沖電路，常不引入串聯(lián)為了簡化緩沖電路，常不引入串聯(lián)電感電感Ls，這時圖，這時圖2.3(a)變?yōu)樽優(yōu)?.4(a)。n圖圖2.4(a)所示所示R、C、D緩沖電路常緩沖電路常用于保護用于保護IGBT、晶閘管等。、晶閘管等。n圖圖2.4(a)再取消再取消DS，僅有，僅有RS、CS的的緩沖電路常用于保護電力二極管。緩沖電路常用于保護電力二極管。CASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvL

13、iTvOD圖2.3（a）RLfLoVfCovofIi oIATTEOTvOD圖2.4（a）RLfLoVfCovoISDSRDVSC163.2.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器:C、D、Rn關斷過程：關斷過程： rT，在，在vT從從0 VD期間期間D0、D仍反偏仍反偏截止，截止， iL=iT=Io，工作點從，工作點從CB vT略大于略大于VD后，后，D0導電，導電，iT 0的的tfi期期間，間，iC經經D使使C充電，充電，VC=VT，D導電導電使使iT從從Io 0PCiLL oR oDCRTTvTiEI oDVALiiD o( a )電 路BCvPLOLORDCTT

14、vTiEOIDVALiBCviDoicD oD o( c )下 降 期 間的 等 值 電 路iTt tf il通態(tài)時，iL=iT=Io，D0、D截止，C充電到VC=VDTi0(1 cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt可求得： 時工作點從PCiLL oR oDCRTTvTiEI oDVALiiDo( a )電路BCvPLOLORDCTTvTiEOIDVALiBCviDoicD oD o( c )下降期間的等值電路iTt tf i圖2.5VTMVTP(b)開關軌跡FBCTFVDVAMPOTvTi，關斷軌跡：開通軌跡：，關斷軌跡：開通軌跡：tritfi(VCM) (V

15、CP)C-B-AA-F-CC-B-M-P-AA-B-C0L0L1717nCB BMnMP，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，后，T關斷，關斷，iL繼續(xù)對繼續(xù)對C充電充電, iL=0時時vC=vT=VTP=VCP3.2.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)1)7.14( ):0,2(1 cos)LOTPCPDo fifiLIdiVVVtt由圖時PCiLLoRoDCRTTvTiEIoDVALiiDo(a)電路BCvDo183.2.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)2)nPA，vC=vT經經L、電源、電源、R放電至放電至VD ，

16、關斷軌跡為：關斷軌跡為：CBMPAPCiLLoRoDCRTTvTiEIoDVALiiDo(a)電路BCvDoVTMVTP(b)開關軌跡FBCTFVDVAMPOTvTi，關斷軌跡：開通軌跡：，關斷軌跡：開通軌跡：tritfi(VCM)(VCP)C-B-AA-F-CC-B-M-P-AA-B-C0L0LVcf193.2.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)3)200e( 1)( 1)1,1( 1)1( 1)r iLTT FDRtOLDr iRtOLDr iTr iCC FDRooLcDr iRooLDr ittr ittr ittr ir itr id ivVVLd

17、tL IVetL IVetiI ottVVVCL IL ILid tVeR CR CRtL IL ILVeR CR CRtr iT0T由圖(）得到i從0It = t時的v:時，由于阻尼放電電阻DC FDR2,CVVVr iLtC 在期間，從放電很少，僅略小于開通過程開通過程： 斷態(tài)時，斷態(tài)時，iT=0，VT=VC=VD，D0續(xù)流續(xù)流 開通過程：開通過程：AF，加，加VG后，后，rT，iT=iL Io的的tri期間，期間，D0仍仍導電，導電，vT，C經經T、R放電，放電，D截截止，止，iT=Io時，工作點從時，工作點從AFVTMVTP(b)開關軌跡FBCTFVDVAMPOTvTi，關斷軌跡：開通

18、軌跡：，關斷軌跡：開通軌跡：tritfi(VCM)(VCP)C-B-AA-F-CC-B-M-P-AA-B-C0L0LVcf3.2.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)4)開通過程開通過程中：中：FC，iT=Io 時，時，vT=VTF，D0、D截止，截止， rT， iTIo ，vT0， vCVD，工作點從，工作點從FCPCiLLoRoDCRTTvTiEIoDVALiiDo(a)電路BCvDoVTMVTP(b)開關軌跡FBCTFVDVAMPOTvTi，關斷軌跡：開通軌跡：，關斷軌跡：開通軌跡：tritfi(VCM)(VCP)C-B-AA-F-CC-B-M-P-AA-B-C0L0L213.2.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)5)n無論通態(tài)、斷態(tài)，無論通態(tài)、斷態(tài)，vC都為都為VD，開關過，開關過程中程中vC變化也不大，變化也不大，僅在關斷過程中僅在關斷過程中vT超過超過VD后，后，C才起才起作用作用限幅緩沖，限幅緩沖，廣泛應用于廣泛應用于IGBT的的 DC/DC、DC/AC變換器