西安交大電力電子技術(shù)ppt講義_第8章_軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

1、第第8章章 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 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 8.4 8.4 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展 本章小結(jié)本章小結(jié)電氣學(xué)院2/29引言引言現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化小型化、輕量化輕量化，同時(shí)，同時(shí)對(duì)裝置的對(duì)裝置的效率效率和和電磁兼容性電磁兼容性也提出了更高的要求。也提出了更高的要求。電力電子電路的高頻化電力電子電路的高頻化 可以減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝可以減小濾波器、變壓器的體積和重量，電力電子裝置小型化、

2、輕量化。置小型化、輕量化。 開(kāi)關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增大。開(kāi)關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，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)噪聲。 使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高。使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高。電氣學(xué)院3/298.1 軟開(kāi)關(guān)的基本概念軟開(kāi)關(guān)的基本概念 8.1.1 硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān) 8.1.2 零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)電氣學(xué)院4/298.1.1 硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān) 開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗。 電壓和電

3、流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖，從而產(chǎn)生了電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖，從而產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)噪聲噪聲。 開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高之間呈線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗就時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗就越來(lái)越顯著。越來(lái)越顯著。 圖圖8-1 硬開(kāi)關(guān)降壓型電路及波形硬開(kāi)關(guān)降壓型電路及波形a）電路圖）電路圖 b）理想化波形）理想化波形 t0uiP0uituuiiP00圖圖8-2 硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓

4、和電流a) 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 b)開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程a)b)電氣學(xué)院5/298.1.1 硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān) 軟開(kāi)關(guān)電路中增加了軟開(kāi)關(guān)電路中增加了諧振電感諧振電感Lr和和諧振電容諧振電容Cr，與濾波電感，與濾波電感L、電容、電容C相相比，比，Lr和和Cr的值小得多，同時(shí)開(kāi)關(guān)的值小得多，同時(shí)開(kāi)關(guān)S增加了增加了反并聯(lián)二極管反并聯(lián)二極管VDS，而硬開(kāi)關(guān)電路，而硬開(kāi)關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管。中不需要這個(gè)二極管。 降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，使開(kāi)關(guān)開(kāi)降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開(kāi)關(guān)過(guò)

5、程中通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的電壓、電流的重疊重疊，從而大大減小甚至消除開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過(guò)程限值了開(kāi)關(guān)過(guò)程中，從而大大減小甚至消除開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過(guò)程限值了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的變化率電壓和電流的變化率，這使得開(kāi)關(guān)噪聲也顯著減小。，這使得開(kāi)關(guān)噪聲也顯著減小。 Pui0uitt0uiP0uitt0uu圖圖8-3 降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形a）電路圖）電路圖 b）理想化波形）理想化波形a)b)圖圖8-4 軟開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流軟開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流a) 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 b)開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程 電氣學(xué)院6/29

6、8.1.2 零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通零電壓開(kāi)通 開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零兩端電壓為零，則開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和，則開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。噪聲。零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷 開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其電流為零電流為零，則關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。，則關(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)與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。從而降低關(guān)斷損耗。零電流開(kāi)通零電流開(kāi)通 與開(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率電流上升的速率，降低了開(kāi)通損耗。降低了開(kāi)

7、通損耗。在很多情況下，不再指出開(kāi)通或關(guān)斷，僅稱零電壓開(kāi)關(guān)在很多情況下，不再指出開(kāi)通或關(guān)斷，僅稱零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)。和零電流開(kāi)關(guān)。 電氣學(xué)院7/298.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類 根據(jù)電路中主要的開(kāi)關(guān)元件是零電壓開(kāi)通還是根據(jù)電路中主要的開(kāi)關(guān)元件是零電壓開(kāi)通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成零電流關(guān)斷，可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成零電壓電路零電壓電路和和零電流電路零電流電路兩大類，個(gè)別電路中，有些開(kāi)關(guān)是兩大類，個(gè)別電路中，有些開(kāi)關(guān)是零電壓開(kāi)通的，另一些開(kāi)關(guān)是零電流關(guān)斷的。零電壓開(kāi)通的，另一些開(kāi)關(guān)是零電流關(guān)斷的。 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)電路根據(jù)軟

8、開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成分成準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)零開(kāi)關(guān)PWM電路電路和和零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM電路電路。 電氣學(xué)院8/298.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類圖圖 8-5 準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路a）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 b）零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路）零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路 c）零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路）零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路 準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路 分類分類 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（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC） 零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路（零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路（Zero-

9、Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） 零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路（零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC） 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)（用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)（Resonant DC Link） 電氣學(xué)院9/298.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波正弦半波，因此稱之，因此稱之為為準(zhǔn)諧振準(zhǔn)諧振。 開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲都大大下降，也有一些負(fù)面問(wèn)題開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲都大大下降，也有一

10、些負(fù)面問(wèn)題 諧振諧振電壓峰值電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。很高，要求器件耐壓必須提高。 諧振諧振電流的有效值電流的有效值很大，電路中存在大量的很大，電路中存在大量的無(wú)功功率無(wú)功功率的交換的交換，造成電路導(dǎo)通損耗加大。，造成電路導(dǎo)通損耗加大。 諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用能采用脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式來(lái)控制，變頻的開(kāi)關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困）方式來(lái)控制，變頻的開(kāi)關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。難。 電氣學(xué)院10/298.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類圖圖8-

11、6 零開(kāi)關(guān)零開(kāi)關(guān)PWM電路電路a）零電壓開(kāi)關(guān)）零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路電路 b）零電流開(kāi)關(guān)）零電流開(kāi)關(guān)PWM電路電路 零開(kāi)關(guān)零開(kāi)關(guān)PWM電路電路 電路中引入了電路中引入了輔助開(kāi)關(guān)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)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。程前后。 分類分類 零電壓開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路（電路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM） 零電流開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)PWM電路（電路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM） 同準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：電壓和

12、電流基本上是同準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：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，電路可以采用方波，只是上升沿和下降沿較緩，開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開(kāi)關(guān)頻率固定的開(kāi)關(guān)頻率固定的PWM控制方式控制方式。 電氣學(xué)院11/298.2 軟開(kāi)關(guān)電路的分類軟開(kāi)關(guān)電路的分類圖圖 8-7 零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元電路的基本開(kāi)關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元電路的基本開(kāi)關(guān)單元 b）零電流轉(zhuǎn)換）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元電路的基本開(kāi)關(guān)單元零轉(zhuǎn)換零轉(zhuǎn)換PWM電路電路 電路中采用電路中采用輔助開(kāi)關(guān)輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)

13、始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開(kāi)關(guān)主開(kāi)關(guān)并聯(lián)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程的影響很小，電的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而且都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而且電路中電路中無(wú)功功率的交換無(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。被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。 分類分類 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（電路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT

14、PWM） 零電流轉(zhuǎn)換零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（電路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM） 電氣學(xué)院12/298.3 典型的軟開(kāi)關(guān)電路典型的軟開(kāi)關(guān)電路 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 諧振直流環(huán)諧振直流環(huán) 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)PWM電路電路 8.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路電氣學(xué)院13/298.3.1 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖圖8-8 零電壓開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖準(zhǔn)諧振電路原理圖零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路 假設(shè)假設(shè)電感電感L和和

15、電容電容C很大，可以等效為很大，可以等效為電流源電流源和和電壓源電壓源，并忽略電，并忽略電路中的路中的損耗損耗。 開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程是按開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程是按開(kāi)關(guān)周期開(kāi)關(guān)周期重復(fù)的，在分析時(shí)可以選擇開(kāi)重復(fù)的，在分析時(shí)可以選擇開(kāi)關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn)，選擇關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn)，選擇合適的起點(diǎn)合適的起點(diǎn)，可以使分析得到，可以使分析得到簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化。 電氣學(xué)院14/298.3.1 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SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖圖8-9 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形 圖圖

16、8-10 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在電路在t0t1時(shí)段等效電路時(shí)段等效電路圖圖8-8 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖工作過(guò)程工作過(guò)程 選擇開(kāi)關(guān)選擇開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷時(shí)刻的關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)。為分析的起點(diǎn)。 t0t1時(shí)段：時(shí)段：t0之前，之前，S導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD為斷態(tài)，為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL，t0時(shí)刻時(shí)刻S關(guān)斷，關(guān)斷，Cr使使S關(guān)斷后關(guān)斷后電壓上升減緩，因此電壓上升減緩，因此S的關(guān)斷損耗減小，的關(guān)斷損耗減小，S關(guān)斷后，關(guān)斷后，VD尚未導(dǎo)通，電路可以等效為圖尚未導(dǎo)通，電路可以等效為圖8-10；Lr+L向向Cr充電，充電，L等效為電流源等效為電流源，uCr線性

17、上升，同時(shí)線性上升，同時(shí)VD兩端電壓兩端電壓uVD逐漸下降，逐漸下降，直到直到t1時(shí)刻，時(shí)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通，這一時(shí)段導(dǎo)通，這一時(shí)段uCr的上升率為的上升率為 rrddCItuLC(8-1)電氣學(xué)院15/298.3.1 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖圖8-8 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖圖8-9 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形 圖圖8-11 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路在電路在t1t2時(shí)段等效電路時(shí)段等效電路t1t2時(shí)段：

18、時(shí)段：t1時(shí)刻時(shí)刻VD導(dǎo)通，導(dǎo)通，L通過(guò)通過(guò)VD續(xù)續(xù)流，流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路形成諧振回路，如圖，如圖8-11所示；諧振過(guò)程中，所示；諧振過(guò)程中，Lr對(duì)對(duì)Cr充電，充電，uCr不不斷上升，斷上升，iLr不斷下降，直到不斷下降，直到t2時(shí)刻，時(shí)刻，iLr下下降到零，降到零，uCr達(dá)到達(dá)到諧振峰值諧振峰值。t2t3時(shí)段：時(shí)段：t2時(shí)刻后，時(shí)刻后，Cr向向Lr放電，放電，iLr改變方向，改變方向，uCr不斷下降，直到不斷下降，直到t3時(shí)刻，時(shí)刻，uCr=Ui，這時(shí)，這時(shí)，uLr=0，iLr達(dá)到達(dá)到反向諧振峰反向諧振峰值值。t3t4時(shí)段：時(shí)段：t3時(shí)刻以后，時(shí)刻以后，Lr向向Cr反向充反向充

19、電，電，uCr繼續(xù)下降，直到繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻時(shí)刻uCr=0。電氣學(xué)院16/298.3.1 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖圖8-8 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu圖圖8-9 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形 t1到到t4時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為 ,dddd41rirrrrirrr11tttIiUuituCUutiLLttLttCLCCL(8-2)t4t5時(shí)段：時(shí)段：uCr被箝位于零，被箝位于零，uLr=Ui，iLr

20、線性衰減，直到線性衰減，直到t5時(shí)刻，時(shí)刻，iLr=0。由于。由于這一時(shí)段這一時(shí)段S兩端電壓為零兩端電壓為零，所以必須在，所以必須在這一時(shí)段使開(kāi)關(guān)這一時(shí)段使開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)開(kāi)通損耗通損耗。 t5t6時(shí)段：時(shí)段：S為通態(tài)，為通態(tài)，iLr線性上升，直線性上升，直到到t6時(shí)刻，時(shí)刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。關(guān)斷。t4到到t6時(shí)段電流時(shí)段電流iLr的變化率為的變化率為 rirddLUtiLt6t0時(shí)段：時(shí)段：S為通態(tài)，為通態(tài)，VD為斷態(tài)。為斷態(tài)。 (8-3)電氣學(xué)院17/298.3.1 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路諧振過(guò)程是軟開(kāi)關(guān)電路工作過(guò)程中最重要的部分，諧振過(guò)程

21、中的基本數(shù)量諧振過(guò)程是軟開(kāi)關(guān)電路工作過(guò)程中最重要的部分，諧振過(guò)程中的基本數(shù)量關(guān)系為關(guān)系為 uCr（即開(kāi)關(guān)（即開(kāi)關(guān)S的電壓的電壓uS）的表達(dá)式）的表達(dá)式 ,1,)(sin)(41rrri1rrrrtttCLUttICLtuLC t1,t4上的最大值即上的最大值即uCr的諧振峰值的諧振峰值，就是開(kāi)關(guān)，就是開(kāi)關(guān)S承受的峰值電壓承受的峰值電壓，表達(dá)式，表達(dá)式為為 irrpUICLUL零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件 irrUICLL如果正弦項(xiàng)的幅值小于如果正弦項(xiàng)的幅值小于Ui，uCr就不可能諧振到零，就不可能諧振到零，S也就不可能實(shí)現(xiàn)零也就不可能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

22、電壓開(kāi)通。 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的的2倍倍，開(kāi)，開(kāi)關(guān)關(guān)S的耐壓必須相應(yīng)提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。的耐壓必須相應(yīng)提高，這增加了電路的成本，降低了可靠性。 電氣學(xué)院18/298.3.2 諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)圖圖8-12 諧振直流環(huán)電路原理圖諧振直流環(huán)電路原理圖圖圖8-13 諧振直流環(huán)電路的等效電路諧振直流環(huán)電路的等效電路諧振直流環(huán)諧振直流環(huán) 應(yīng)用于交流應(yīng)用于交流-直流直流-交流變換電路的交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)（中間直流環(huán)節(jié)（DC-Link），通過(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)

23、節(jié)工作在軟開(kāi)通過(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)工作在軟開(kāi)關(guān)的條件下。關(guān)的條件下。 圖圖8-12中，輔助開(kāi)關(guān)中，輔助開(kāi)關(guān)S使逆變橋中所有的開(kāi)關(guān)工作在零電壓開(kāi)通使逆變橋中所有的開(kāi)關(guān)工作在零電壓開(kāi)通的條件下，實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)的條件下，實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)S可以不需要，可以不需要，S的開(kāi)關(guān)動(dòng)作用逆變電路中的開(kāi)關(guān)動(dòng)作用逆變電路中開(kāi)關(guān)的直通與關(guān)斷來(lái)代替。開(kāi)關(guān)的直通與關(guān)斷來(lái)代替。 電壓型逆變器的負(fù)載通常為電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性感性，而且在諧振過(guò)程中逆變電路的，而且在諧振過(guò)程中逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不變的，負(fù)載電流視為常量。開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不變的，負(fù)載電流視為常量。 電氣學(xué)院19/298.3.2 諧振直

24、流環(huán)諧振直流環(huán)圖圖8-13 諧振直流環(huán)電路的等效電路諧振直流環(huán)電路的等效電路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖圖8-14 諧振直流環(huán)電路的理想化波形諧振直流環(huán)電路的理想化波形工作過(guò)程工作過(guò)程 以開(kāi)關(guān)以開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)。為起點(diǎn)。 t0t1時(shí)段：時(shí)段：t0之前，之前，iLr大于大于IL，S導(dǎo)通，導(dǎo)通，t0時(shí)刻時(shí)刻S關(guān)斷，關(guān)斷，電路電路中發(fā)生諧振中發(fā)生諧振，因?yàn)?，因?yàn)閕LrIL，因此，因此iLr對(duì)對(duì)Cr充電，充電，uCr不斷升高，直不斷升高，直到到t1時(shí)刻，時(shí)刻，uCr=Ui。 t1t2時(shí)段：時(shí)段：t1時(shí)刻由于時(shí)刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此諧振電流，因此諧振

25、電流iLr達(dá)到達(dá)到峰值峰值，t1以后，以后，iLr繼續(xù)向繼續(xù)向Cr充電并不斷減小，而充電并不斷減小，而uCr進(jìn)一進(jìn)一步升高，直到步升高，直到t2時(shí)刻時(shí)刻iLr=IL，uCr達(dá)到達(dá)到諧振峰值諧振峰值。 電氣學(xué)院20/298.3.2 諧振直流環(huán)諧振直流環(huán) t2t3時(shí)段：時(shí)段：t2以后，以后，uCr向向Lr和和IL放電，放電，iLr繼續(xù)降低，到零后反向，繼續(xù)降低，到零后反向，Cr繼續(xù)向繼續(xù)向Lr放電，放電，iLr反向增加，反向增加，直到直到t3時(shí)刻時(shí)刻uCr=Ui。 t3t4時(shí)段：時(shí)段：t3時(shí)刻，時(shí)刻，uCr=Ui，iLr達(dá)到達(dá)到反向諧振峰值反向諧振峰值，然后，然后iLr開(kāi)始開(kāi)始衰減，衰減，uCr繼

26、續(xù)下降，直到繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻，時(shí)刻，uCr=0，VDS導(dǎo)通，導(dǎo)通，uCr被箝位于被箝位于零零。 t4t0時(shí)段：時(shí)段：S導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流iLr線性線性上升上升，直到，直到t0時(shí)刻，時(shí)刻，S再次關(guān)斷。再次關(guān)斷。諧振直流環(huán)電路中電壓諧振直流環(huán)電路中電壓uCr的諧振的諧振峰值很高，增加了對(duì)開(kāi)關(guān)器件耐峰值很高，增加了對(duì)開(kāi)關(guān)器件耐壓的要求。壓的要求。圖圖8-13 諧振直流環(huán)電路的等效電路諧振直流環(huán)電路的等效電路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖圖8-14 諧振直流環(huán)電路的理想化波形諧振直流環(huán)電路的理想化波形電氣學(xué)院21/298.3.3 移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋型零電壓開(kāi)

27、關(guān)PWM電路電路圖圖8-15 移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路電路 移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路電路 電路簡(jiǎn)單，僅僅增加了一個(gè)電路簡(jiǎn)單，僅僅增加了一個(gè)諧振電諧振電感感，就使電路中四個(gè)開(kāi)關(guān)器件都在零電，就使電路中四個(gè)開(kāi)關(guān)器件都在零電壓的條件下開(kāi)通。壓的條件下開(kāi)通。 控制方式的特點(diǎn)控制方式的特點(diǎn) 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS內(nèi)，每一個(gè)開(kāi)內(nèi)，每一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間都關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間都略小于略小于TS/2，而關(guān)斷的，而關(guān)斷的時(shí)間都時(shí)間都略大于略大于TS/2。 同一個(gè)半橋中上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)不同同一個(gè)半橋中上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每一個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)時(shí)處于通態(tài)，每一個(gè)開(kāi)

28、關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通都要經(jīng)過(guò)一定的開(kāi)關(guān)開(kāi)通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間死區(qū)時(shí)間。 互為對(duì)角的兩對(duì)開(kāi)關(guān)互為對(duì)角的兩對(duì)開(kāi)關(guān)S1-S4和和S2-S3，S1的波形比的波形比S4超前超前0TS/2時(shí)間，而時(shí)間，而S2的波的波形比形比S3超前超前0TS/2時(shí)間，因此稱時(shí)間，因此稱S1和和S2為為超前的橋臂超前的橋臂，而稱，而稱S3和和S4為為滯后的橋臂滯后的橋臂。電氣學(xué)院22/298.3.3 移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路電路S1S3S4S2uA BuL riL ruT 1uRiV D 1iV D 2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOO

29、OOOOOOOiLriLkT:1CS1S4LrLVD1UiUo+CS2VDS2AR圖圖8-16 移相全橋電路的理想化波形移相全橋電路的理想化波形圖圖8-17 移相全橋電路在移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖階段的等效電路圖工作過(guò)程工作過(guò)程 t0t1時(shí)段：時(shí)段：S1與與S4都導(dǎo)通，直都導(dǎo)通，直到到t1時(shí)刻時(shí)刻S1關(guān)斷。關(guān)斷。 t1t2時(shí)段：時(shí)段：t1時(shí)刻時(shí)刻S1關(guān)斷后，關(guān)斷后，C1、C2與與Lr、L構(gòu)成諧振回路構(gòu)成諧振回路，如，如圖圖8-17所示，諧振開(kāi)始時(shí)所示，諧振開(kāi)始時(shí)uA(t1)=Ui，在諧振過(guò)程中，在諧振過(guò)程中，uA不斷下降，直到不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，導(dǎo)通，iLr通過(guò)

30、通過(guò)VDS2續(xù)續(xù)流。流。 電氣學(xué)院23/298.3.3 移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路電路S1S3S4S2uA BuL riL ruT 1uRiV D 1iV D 2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖圖8-16 移相全橋電路的理想化波形移相全橋電路的理想化波形iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BR圖圖8-18 移相全橋電路在移相全橋電路在t3t4階段的等效電路階段的等效電路 t2t3時(shí)段：時(shí)段：t2時(shí)刻時(shí)刻S2開(kāi)通，由于開(kāi)通，由于VDS2導(dǎo)導(dǎo)通，因此通，因此S2開(kāi)通時(shí)電壓為零

31、，開(kāi)通過(guò)程中開(kāi)通時(shí)電壓為零，開(kāi)通過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，S2開(kāi)通后，電路狀態(tài)開(kāi)通后，電路狀態(tài)也不會(huì)改變，繼續(xù)保持到也不會(huì)改變，繼續(xù)保持到t3時(shí)刻時(shí)刻S4關(guān)斷。關(guān)斷。t3t4時(shí)段：時(shí)段：t4時(shí)刻開(kāi)關(guān)時(shí)刻開(kāi)關(guān)S4關(guān)斷后，電路的關(guān)斷后，電路的狀態(tài)變?yōu)閳D狀態(tài)變?yōu)閳D8-18所示，這時(shí)所示，這時(shí)C3、C4與與Lr構(gòu)構(gòu)成諧振回路成諧振回路，諧振過(guò)程中，諧振過(guò)程中iLr不斷減小，不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，直到點(diǎn)電壓不斷上升，直到VDS3導(dǎo)通；這種狀導(dǎo)通；這種狀態(tài)維持到態(tài)維持到t4時(shí)刻時(shí)刻S3開(kāi)通，開(kāi)通，S3開(kāi)通時(shí)開(kāi)通時(shí)VDS3導(dǎo)導(dǎo)通，因此通，因此S3是在零電壓的條件下開(kāi)通，開(kāi)是在零電壓的條件

32、下開(kāi)通，開(kāi)通損耗為零通損耗為零。 電氣學(xué)院24/298.3.3 移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路電路S1S3S4S2uA BuL riL ruT 1uRiV D 1iV D 2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖圖8-16 移相全橋電路的理想化波形移相全橋電路的理想化波形圖圖8-15 移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路電路 t4t5時(shí)段：時(shí)段：S3開(kāi)通后，開(kāi)通后，iLr繼續(xù)減小，繼續(xù)減小，下降到零后反向，再不斷增大，直下降到零后反向，再不斷增大，直到到t5時(shí)刻時(shí)刻iLr=IL/kT，iVD1下降

33、到零而關(guān)下降到零而關(guān)斷，電流斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到全部轉(zhuǎn)移到VD2中。中。 t0t5時(shí)段正好是開(kāi)關(guān)周期的一半，時(shí)段正好是開(kāi)關(guān)周期的一半，而在另一半開(kāi)關(guān)周期而在另一半開(kāi)關(guān)周期t5t0時(shí)段中，電時(shí)段中，電路的工作的過(guò)程與路的工作的過(guò)程與t0t5時(shí)段完全對(duì)稱。時(shí)段完全對(duì)稱。 電氣學(xué)院25/298.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路圖圖8-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖電路的原理圖零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路 具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于功率因數(shù)校正電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于功率因數(shù)校正電路（PFC）、）、DC-DC變換器、斬波器等。變換器

34、、斬波器等。 以升壓電路為例，在分析中假設(shè)以升壓電路為例，在分析中假設(shè)電感電感L、電容電容C很大，可以忽略電很大，可以忽略電流和輸出電壓的波動(dòng)，在分析中還忽略元件與線路中的損耗。流和輸出電壓的波動(dòng)，在分析中還忽略元件與線路中的損耗。 在零電壓轉(zhuǎn)換在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開(kāi)關(guān)電路中，輔助開(kāi)關(guān)S1超前于主開(kāi)關(guān)超前于主開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，而開(kāi)通，而S開(kāi)通后開(kāi)通后S1就關(guān)斷了，主要的諧振過(guò)程都集中在就關(guān)斷了，主要的諧振過(guò)程都集中在S開(kāi)通前后。開(kāi)通前后。 LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR電氣學(xué)院26/298.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路SS1uSiLriS1uS

35、1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖圖8-20 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想電路的理想化波形化波形 LS1LriLrUiILCrVDS圖圖 8-21 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在電路在t1t2時(shí)段的等效電路時(shí)段的等效電路LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR圖圖8-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖電路的原理圖 工作過(guò)程工作過(guò)程 t0t1時(shí)段：輔助開(kāi)關(guān)先于主開(kāi)關(guān)開(kāi)通，由時(shí)段：輔助開(kāi)關(guān)先于主開(kāi)關(guān)開(kāi)通，由于此時(shí)于此時(shí)VD尚處于通態(tài)，所以尚處于通態(tài)，所以u(píng)Lr=Uo，iLr按線按線性

36、迅速增長(zhǎng)性迅速增長(zhǎng)，iVD以同樣的速率下降以同樣的速率下降，直到，直到t1時(shí)時(shí)刻，刻，iLr=IL，iVD下降到零，二極管自然關(guān)斷。下降到零，二極管自然關(guān)斷。 t1t2時(shí)段：此時(shí)電路可以等效為圖時(shí)段：此時(shí)電路可以等效為圖8-21，Lr與與Cr構(gòu)成諧振回路構(gòu)成諧振回路，由于，由于L很大，諧振過(guò)程很大，諧振過(guò)程中其電流基本不變，對(duì)諧振影響很小，可以忽中其電流基本不變，對(duì)諧振影響很小，可以忽略；諧振過(guò)程中略；諧振過(guò)程中iLr增加而增加而uCr下降，下降，t2時(shí)刻時(shí)刻uCr降降到零，到零，VDS導(dǎo)通，導(dǎo)通，uCr被箝位于零，而被箝位于零，而iLr保持不保持不變。變。電氣學(xué)院27/298.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路電路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOOLSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR圖圖8-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖電路