開關(guān)電源08、課件-軟開關(guān).

1、開關(guān)電源中的軟開關(guān)技術(shù)電路方程以及初始條件：EudtudLCiuucclcc2200)0(,)0(令：LC10解此二階方程有： tuELCiEtEuuclcc0000sin)(cos)(0ECLlic0ucu只有電壓源的電路的相平面圖 在以u(píng)c為x軸， 為y軸的相平面上，電壓、電流的關(guān)系為一個(gè)圓,圓心為強(qiáng)迫分量（E，0），通過初始點(diǎn)(uco，0) ，半徑為（E- uco ）。CLlicou電路方程以及初始條件：IidtidLCuIillcl2200)0(,)0(令：LC10解此二階方程有：tIICLuItIIicl0000sin)(cos)(0CLliCLICL0Icu只有電流源的電路的相平面

2、圖 是一個(gè)半徑為（ - ）,圓心為強(qiáng)迫分量（0, ），通過初始點(diǎn)（0, ）的圓。CLICLICLI0CLI0電路方程以及初始條件： IidtidLCEudtudLCIiuullcclcc222200)0(,)0(令：LC10根據(jù)疊加原理可得：ItIItVELCiEtIICLtEuulcc00000000cos)(sin)(sin)(cos)(電壓源和電流源同時(shí)存在的電路的相平面圖 是圓心為強(qiáng)迫分量（E, ）,并通過初始點(diǎn)（uco， ）的圓。 CLI0CLI初始條件為零ET1T2v+-T2導(dǎo)通，T1關(guān)斷T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷CLlicuE2E4E2E-1.T1導(dǎo)通導(dǎo)通,電源電源E,T1,L,C形成諧

3、振回路，強(qiáng)迫分量為形成諧振回路，強(qiáng)迫分量為E,在諧振電流過零時(shí)刻，在諧振電流過零時(shí)刻，T1關(guān)斷；關(guān)斷；2.T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2,L,C形成諧振回路，強(qiáng)迫分量為零，在諧振電流過零時(shí)刻，形成諧振回路，強(qiáng)迫分量為零，在諧振電流過零時(shí)刻，T2關(guān)斷關(guān)斷;3.T1導(dǎo)通導(dǎo)通,電源電源E,T1,L,C形成諧振回路，強(qiáng)迫分量仍為形成諧振回路，強(qiáng)迫分量仍為E,在諧振電流過零時(shí)刻，在諧振電流過零時(shí)刻，T1關(guān)斷關(guān)斷;4.T2導(dǎo)通導(dǎo)通,電容反復(fù)被充電，如果不考慮損耗，電容電壓降趨于無窮大，電容反復(fù)被充電，如果不考慮損耗，電容電壓降趨于無窮大，但考慮電路中存在電阻，電容電壓將穩(wěn)定在某一個(gè)值。但考慮電路中存在電阻，電容電壓

4、將穩(wěn)定在某一個(gè)值。為為x x軸，軸，為為y y軸，分析電路中電壓和電流變軸，分析電路中電壓和電流變化的關(guān)系的一種分析方法。它是化的關(guān)系的一種分析方法。它是諧振諧振零電流諧振開關(guān)零電壓諧振開關(guān)L 型M 型M 型L 型按諧振方式來分按諧振方式來分)序號(hào)時(shí) 間名 稱應(yīng) 用170年代串聯(lián)或并聯(lián)諧振技術(shù)半橋或全橋變換器280年代中準(zhǔn)諧振（QRC）或者多諧振技術(shù)（MRC）單端或橋式變換器380年代末ZCSPWM或ZVSPWM技術(shù)單端或橋式變換器490年代初ZCTPWM或ZVTPWM技術(shù)單端或橋式變換器QRC: quasi-resonant converter MRC: multi-resonant con

5、verterZCT: zero-current-transition ZVT: zero-voltage-transitionnBuck ZCS QRCs在在t0時(shí)刻，時(shí)刻，Tp導(dǎo)通。導(dǎo)通。0UcCLliCL0ID offETp offTp on在在t1時(shí)刻，時(shí)刻，iLr上升到負(fù)載電流上升到負(fù)載電流Io，D自然關(guān)斷，開關(guān)狀態(tài)自然關(guān)斷，開關(guān)狀態(tài)1結(jié)束。根據(jù)式結(jié)束。根據(jù)式 (4.1)可得這個(gè)時(shí)間段的長(zhǎng)度為：可得這個(gè)時(shí)間段的長(zhǎng)度為：orIELT 1 (4.2)(0ttLEirLr(4.1)1. 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)1t0,t1電感恒壓充電電感恒壓充電在這一時(shí)間段內(nèi)，開關(guān)在這一時(shí)間段內(nèi)，開關(guān)Tp導(dǎo)通，續(xù)流

6、二極管導(dǎo)通，續(xù)流二極管D繼續(xù)導(dǎo)通，諧振電容繼續(xù)導(dǎo)通，諧振電容Cr上上電壓被鉗位為電壓被鉗位為0，電感，電感Lr在在E的作用下恒壓充電，的作用下恒壓充電，iLr線性上升。線性上升。這一階段在相平面圖中，對(duì)應(yīng)于曲線沿這一階段在相平面圖中，對(duì)應(yīng)于曲線沿I 軸向上。這段時(shí)間段內(nèi)有：軸向上。這段時(shí)間段內(nèi)有：0UcCLliCL0ID offETp offTp on把初始條件把初始條件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0代入，可解得：代入，可解得：CrLrroLrCrvEdtdiLIidtduCr(4.3)2. 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)2t1,t2電感電容諧振電感電容諧振在時(shí)刻在時(shí)刻t1，續(xù)流二極管，續(xù)流二極管

7、D截止，電感截止，電感Lr和電容和電容Cr開始諧振，電路進(jìn)入諧振工作開始諧振，電路進(jìn)入諧振工作狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0，強(qiáng)迫分量為，強(qiáng)迫分量為E，Io，在相平面圖，在相平面圖中，曲線是從（中，曲線是從（0，Io）開始，以（）開始，以（E，Io）為圓心的一段圓弧。此時(shí)有：）為圓心的一段圓弧。此時(shí)有：0UcCLliCL0ID offETp offTp on式中，諧振角頻率式中，諧振角頻率rrrCL1，諧振電路的特征阻抗諧振電路的特征阻抗rrrCLZ 當(dāng)當(dāng)t=t2時(shí)，時(shí)，iLr諧振到零，此時(shí)可以將諧振到零，此時(shí)可以將Tp在零電流條件下關(guān)斷，

8、諧振狀態(tài)在零電流條件下關(guān)斷，諧振狀態(tài)2結(jié)束。這段時(shí)間的長(zhǎng)度為：結(jié)束。這段時(shí)間的長(zhǎng)度為：)(cos1 )(sin11ttEvIttZEirCrorrLr(4.4)EZIttTror1122sin1(4.5)0UcCLliCL0ID offETp offTp on3. 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)3t2,t3電容恒流放電電容恒流放電當(dāng)當(dāng)t=t2時(shí)，時(shí)，Tp零電流關(guān)斷，續(xù)流二極管零電流關(guān)斷，續(xù)流二極管D仍處在截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載電流通仍處在截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載電流通過電過電 容容Cr流通，電容流通，電容Cr處于恒流放電狀態(tài)。在相平面圖上，這段時(shí)間處于恒流放電狀態(tài)。在相平面圖上，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于u軸上軸上t2到到t3的部

9、分。此時(shí)有：的部分。此時(shí)有：電容上電壓電容上電壓uCr降到零，二極管降到零，二極管D導(dǎo)通續(xù)流，開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通續(xù)流，開關(guān)狀態(tài)3結(jié)束。結(jié)束。oCrrIdtduC(4.6)0UcCLliCL0ID offETp offTp on4.4.開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)4t3,t44t3,t4二極管續(xù)流二極管續(xù)流 在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，二極管在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，二極管D D導(dǎo)通續(xù)流，導(dǎo)通續(xù)流，TpTp仍處在關(guān)斷狀態(tài)，電感電流仍處在關(guān)斷狀態(tài)，電感電流i iLrLr 為零，為零， 電容電壓電容電壓u uCrCr被鉗位為零。這個(gè)時(shí)間段的長(zhǎng)度取決于電路的開關(guān)被鉗位為零。這個(gè)時(shí)間段的長(zhǎng)度取決于電路的開關(guān) 周期，周期， 而這個(gè)長(zhǎng)度將決定輸出

10、電壓的大小。而這個(gè)長(zhǎng)度將決定輸出電壓的大小。t=tt=t4 4時(shí)，時(shí)，TpTp導(dǎo)通，下一個(gè)開關(guān)周期開始。導(dǎo)通，下一個(gè)開關(guān)周期開始。Buck ZCS QRCs電路主要波形從主管電壓電流波形可見，沒有重疊部分，因此開關(guān)損耗為零。從主管電壓電流波形可見，沒有重疊部分，因此開關(guān)損耗為零。0UcCLliCL0ID offETp offTp on(a)Buck變換器(b)Buck ZCS QRCs變換器(c)Boost 變換器(d)Boost ZCS QRCs變換器(e)Buck-Boost 變換器(f) Buck-Boost ZCS QRCs變換器(g)Cuk 變換器(h) Cuk ZCS QRCs變換

11、器Buck ZVS QRCsBuck ZCS QRCs（a） Buck ZVS QRCs全波模式 （b） Buck ZVS QRCs半波模式0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp on0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp on)(0ttCIurLCr(4.10)當(dāng)當(dāng)t=tt=t1 1時(shí)，諧振電容時(shí)，諧振電容CrCr上的電壓上升超過上的電壓上升超過E E，續(xù)流二極管承受正，續(xù)流二極管承受正向電壓導(dǎo)通，開關(guān)狀態(tài)向電壓導(dǎo)通，開關(guān)狀態(tài)1 1結(jié)束，電容結(jié)束，電容CrCr和諧振電感和諧振電感LrLr開始諧振。開始諧振。0UcCLlioffTpCLI

12、D onEDp onDp offTp on2. 2. 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)2t2t1 1,t,t2 2 在時(shí)刻在時(shí)刻t1t1，續(xù)流二極管，續(xù)流二極管D D導(dǎo)通續(xù)流，電感導(dǎo)通續(xù)流，電感LrLr和電容和電容CrCr開始諧振，電路開始諧振，電路 進(jìn)入諧振工作狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：進(jìn)入諧振工作狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：i iLrLr(t(t1 1)=Io)=Io，u uCrCr(t(t1 1)=E)=E，強(qiáng)迫，強(qiáng)迫 分量為（分量為（E,0E,0），在相平面圖中，曲線是從（），在相平面圖中，曲線是從（E,IoE,Io）開始，以（）開始，以（E,0E,0） 為圓心的一段圓弧。此時(shí)有：為圓心的一段圓弧。此時(shí)有：Cr

13、LrrLrCrvEdtdiLidtduCr0(4.11)0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp on把初始條件把初始條件i iLrLr(t(t1 1)=Io)=Io，u uCrCr(t(t1 1)=E)=E代入，可解得：代入，可解得：式中，諧振角頻率式中，諧振角頻率rrrCL1，諧振電路得特征阻抗諧振電路得特征阻抗rrrCLZ tItitZIVtvroLrroicrrcos)(sin)(4.12)u uCrCr諧振到零時(shí)，主管諧振到零時(shí)，主管TpTp的反并聯(lián)二極管的反并聯(lián)二極管D Dp p導(dǎo)通，把電容導(dǎo)通，把電容CrCr的的電容箝制為零，為電容箝制為零，為TpTp實(shí)

14、現(xiàn)零電壓導(dǎo)通做好準(zhǔn)備。實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通做好準(zhǔn)備。 0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp onEdtdiLLrr(4.13)3.3.開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)3t3t2 2,t,t3 3 當(dāng)開關(guān)管當(dāng)開關(guān)管TpTp零電壓導(dǎo)通，其并聯(lián)諧振電容零電壓導(dǎo)通，其并聯(lián)諧振電容CrCr上電壓被鉗位為零，上電壓被鉗位為零， 此時(shí)以電源電壓此時(shí)以電源電壓E E向諧振電感恒壓充電，電感中電流線性上升。向諧振電感恒壓充電，電感中電流線性上升。 在相平面圖上，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)于在相平面圖上，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)于u u軸上軸上t2t2到到t3t3的部分。此時(shí)有：的部分。此時(shí)有：在在t=t3t=t3時(shí)，電感中電流上

15、升到負(fù)載電流時(shí)，電感中電流上升到負(fù)載電流IoIo，二極管，二極管D D由導(dǎo)通由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，電路恢?fù)到初始狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)變?yōu)榻刂?，電路恢?fù)到初始狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)3 3結(jié)束。結(jié)束。4.4.開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)4t4t3 3,t,t4 4 在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電路保持上個(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。處于這個(gè)狀態(tài)在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電路保持上個(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。處于這個(gè)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度取決于開關(guān)周期的時(shí)間長(zhǎng)度取決于開關(guān)周期TsTs的長(zhǎng)短。的長(zhǎng)短。t=tt=t4 4時(shí)時(shí)，TpTp截止，下一個(gè)開截止，下一個(gè)開關(guān)周期開始。關(guān)周期開始。0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp onBuck ZVS QRCs

16、半波模式主要波形0UcCLlioffTpCLID onEDp onDp offTp onBuck ZVS QRCs全波模式主要波形及相平面圖(a)Buck變換器 (b)Buck ZVS QRCs變換器 (c)Boost 變換器(d)Boost ZVS QRCs變換器(e)Buck-Boost 變換器(f) Buck-Boost ZVS QRCs變換器(g)Cuk 變換器 (h) Cuk ZVS QRCs變換器Buck ZCS電路ZCS-PWM電路0UcCLliCLIt1D off Da onEt4Dp offTp offDp ont0 Tp ont2(t3)Da off Ta on1.1. t

17、0-t1 t0-t1 電感恒壓充電階段電感恒壓充電階段t=t0t=t0時(shí)刻，觸發(fā)時(shí)刻，觸發(fā)TpTp導(dǎo)通，諧振電感恒壓充電，其電流線性上升。導(dǎo)通，諧振電感恒壓充電，其電流線性上升。t=t1t=t1時(shí)刻，時(shí)刻，電感電流等于負(fù)載電流，二極管電感電流等于負(fù)載電流，二極管D D截止。截止。2.2. t1-t2 t1-t2 準(zhǔn)諧振階段準(zhǔn)諧振階段t=t1t=t1時(shí)刻，二極管時(shí)刻，二極管D D截止，截止，TaTa的反并聯(lián)二極管的反并聯(lián)二極管DaDa導(dǎo)通，導(dǎo)通，L L，C C諧振，強(qiáng)迫諧振，強(qiáng)迫分量為（分量為（E E，I I），），t=t2t=t2時(shí)刻，諧振電流再次等于負(fù)載電流時(shí)候，時(shí)刻，諧振電流再次等于負(fù)載電

18、流時(shí)候，TaTa的的反并聯(lián)二極管反并聯(lián)二極管DaDa截止。截止。3.3. t2-t3 t2-t3 恒流階段恒流階段t=t2t=t2時(shí)刻，諧振電容支路不通，電感電路電流保持恒定，時(shí)刻，諧振電容支路不通，電感電路電流保持恒定，電容上電壓為電容上電壓為2E2E保持不變。保持不變。4.4. t3-t4 t3-t4 準(zhǔn)諧振階段準(zhǔn)諧振階段t=t3t=t3時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)TaTa導(dǎo)通，導(dǎo)通，L L，C C諧振，強(qiáng)迫分量為（諧振，強(qiáng)迫分量為（E E，I I），），當(dāng)電感電流過零時(shí)刻可以關(guān)斷當(dāng)電感電流過零時(shí)刻可以關(guān)斷TpTp，其上反并聯(lián)二極管，其上反并聯(lián)二極管DpDp導(dǎo)通，導(dǎo)通，t=t4t=t4時(shí)刻，電感電流再次為零，時(shí)刻，電感電流再次為零，DpDp截止。截止。5.5. t