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1、壓開關(guān)和零電流開關(guān)定義目 錄概述53 軟開關(guān)新技術(shù)53.1 軟開關(guān)的基本概念53.1.1 硬開關(guān)與軟開關(guān)53.1.2 零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)53.2 軟開關(guān)電路的分類53.3 典型的軟開關(guān)電路53.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路53.3.2 諧振直流環(huán)53.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路53.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路本章小結(jié)概 述電力電子裝置高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小,電力電子裝置小型化、輕量化。開關(guān)損耗增加,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(jìn)一步提高開關(guān)頻率。 53.1.1 硬開關(guān)與軟開關(guān)硬開關(guān):開關(guān)的開通和關(guān)斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化。產(chǎn)生較大的開關(guān)

2、損耗和開關(guān)噪聲。軟開關(guān):在電路中增加了小電感、電容等諧振元件,在開關(guān)過程前后引入諧振,使開關(guān)條件得以改善。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。軟開關(guān)有時(shí)也被成為諧振開關(guān)。工作原理:軟開關(guān)電路中S關(guān)斷后Lr與Cr間發(fā)生諧振,電路中電壓和電流的波形類似于正弦半波。諧振減緩了開關(guān)過程中電壓、電流的變化,而且使S兩端的電壓在其開通前就降為零。53.1.2 零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)軟開關(guān)分類零電壓開關(guān):使開關(guān)開通前其兩端電壓為零,則開關(guān)開通時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲,這種開通方式稱為零電壓開通,簡(jiǎn)稱零電壓開關(guān)。圖5-1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形a)電路圖 b)理想化波形 (顯示放大圖)零電流開關(guān):使開關(guān)關(guān)斷前其電流為零

3、,則開關(guān)關(guān)斷時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲,這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷,簡(jiǎn)稱零電流開關(guān)。圖5-2 硬開關(guān)電路及波形a)電路圖 b)理想化波形(顯示放大圖)53.1.2 零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)零電壓開通和零電流關(guān)斷要靠電路中的諧振來實(shí)現(xiàn)。零電壓關(guān)斷:與開關(guān)并聯(lián)的電容能使開關(guān)關(guān)斷后電壓上升延緩,從而降低關(guān)斷損耗,有時(shí)稱這種關(guān)斷過程為零電壓關(guān)斷。零電流開通:與開關(guān)相串聯(lián)的電感能使開關(guān)開通后電流上升延緩,降低了開通損耗,有時(shí)稱之為零電流開通。簡(jiǎn)單的利用并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷和利用串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)零電流開通一般會(huì)給電路造成總損耗增加、關(guān)斷過電壓增大等負(fù)面影響,因此是得不償失的。531.2 零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)53

4、.2 軟開關(guān)電路的分類根據(jù)開關(guān)元件開通和關(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。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。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,可以從基本開關(guān)單元導(dǎo)出具體電路。圖 5-3 基本開關(guān)單元的概念(顯示放大圖)a)基本開關(guān)單元 b)降壓斬波器中的基本開關(guān)單元c)升壓斬波器中的基本開關(guān)單元 d)升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元53.2 軟開關(guān)電路的分類1 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,因此稱之為準(zhǔn)諧振。為最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路,可以分為:零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Volta

5、ge-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC);圖 5-4 準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元(顯示放大圖)a)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元c)零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元 53.2 軟開關(guān)電路的分類零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC);零電壓開關(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)(Resonant D

6、C Link)。 特點(diǎn):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,電路中存在大量無功功率的交換,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,因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency ModulationPFM)方式來控制。53.2 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)來控制諧振的開始時(shí)刻,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:零電壓開關(guān)PWM電路(Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM);零電流開關(guān)PWM電路(Zero-Current-Switching PWM Co

7、nverterZCS PWM)。 特點(diǎn):電壓和電流基本上是方波,只是上升沿和下降沿較緩,開關(guān)承受的電壓明顯降低;電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。 圖5-3 零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元a)零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元 b)零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元 (顯示放大圖)53.2 軟開關(guān)電路的分類3 零轉(zhuǎn)換PWM電路采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻,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:零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路(Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM);零電流轉(zhuǎn)換PWM電路(Zero-Current Transiti

8、on PWM ConverterZVT PWM)。 特點(diǎn):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關(guān)狀態(tài)。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(jìn)一步提高。圖 5-6 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元 b)零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元(顯示放大圖)53.2 軟開關(guān)電路的分類53.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖5-7 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖(顯示放大圖)圖7-8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形(顯示放大圖)工作原理 t0t1時(shí)段:t0時(shí)刻之前,開關(guān)S為通態(tài),二極管VD為斷態(tài),uCr=0,iLr=ILt0時(shí)刻S關(guān)斷,與其

9、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(dǎo)通。電感Lr+L向Cr充電, uCr線性上升,同時(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降,直到t1時(shí)刻,uVD=0,VD導(dǎo)通。這一時(shí)段uCr的上升率:(7-1)圖5-9 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t0t1時(shí)段等效電路(顯示放大圖)53.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路53.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路工作原理 t1t2時(shí)段:t1時(shí)刻二極管VD導(dǎo)通,電感L通過VD續(xù)流,Cr、Lr、Ui形成諧振回路。t2時(shí)刻,iLr下降到零,uCr達(dá)到諧振峰值。t2t3時(shí)段:t2時(shí)刻后,Cr向Lr放電,直到t3時(shí)刻,uCr=Ui,iLr達(dá)到反向諧振峰值。

10、圖510 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t1t2時(shí)段等效電路(顯示放大圖)53.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路t3t4時(shí)段:t3時(shí)刻以后,Lr向Cr反向充電,uCr繼續(xù)下降,直到t4時(shí)刻uCr=0。t1到t4時(shí)段電路諧振過程的方程為:(7-2)t4t5時(shí)段:VDS導(dǎo)通,uCr被箝位于零,iLr線性衰減,直到t5時(shí)刻,iLr=0。由于這一時(shí)段S兩端電壓為零,所以必須在這一時(shí)段使開關(guān)S開通,才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。t5t6時(shí)段:S為通態(tài),iLr線性上升,直到t6時(shí)刻,iLr=IL,VD關(guān)斷。t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為:(7-3)t6t0時(shí)段:S為通態(tài),VD為斷態(tài)。 7.3.1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 諧振

11、過程定量分析求解式(7-2)可得uCr(即開關(guān)S的電壓uS)的表達(dá)式:(7-4)uCr的諧振峰值表達(dá)式(即開關(guān)S承受的峰值電壓):(7-5)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件:(7-6)缺點(diǎn):諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍,增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。 7.3.2 諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)電路應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)(DC-Link)。通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振,使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關(guān)的條件下。 圖 5-11 諧振直流環(huán)電路原理圖(顯示放大圖)53.3.2 諧振直流環(huán) 電路的工作過程:將電路等效為圖7-12。 t0t1時(shí)段:t0時(shí)刻之前,開關(guān)S處于通態(tài),iL

12、rIL,。 t0時(shí)刻S關(guān)斷,電路中發(fā)生諧振。iLr對(duì)Cr充電,t1時(shí)刻,uCr=Ui。t1t2時(shí)段:t1時(shí)刻,諧振電流iLr達(dá)到峰值。 t1時(shí)刻以后,iLr繼續(xù)向Cr充電,直到t2時(shí)刻iLr=IL,uCr達(dá)到諧振峰值。圖 5-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路(顯示放大圖)圖 5-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形 (顯示放大圖)53.3.2 諧振直流環(huán)t2t3時(shí)段:uCr向Lr和L放電,iLr降低,到零后反向,直到t3時(shí)刻uCr=Ui。t3t4時(shí)段:t3時(shí)刻,iLr達(dá)到反向諧振峰值,開始衰減,uCr繼續(xù)下降, t4時(shí)刻,uCr=0,S的反并聯(lián)二極管VDS導(dǎo)通,uCr被箝位于零。t4t0時(shí)段:S導(dǎo)通

13、,電流iLr線性上升,直到t0時(shí)刻,S再次關(guān)斷。缺點(diǎn):電壓諧振峰值很高,增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。 圖 5-12 諧振直流環(huán)電路的等效電路(顯示放大圖)圖 5-13 諧振直流環(huán)電路的理想化波形(顯示放大圖) 53.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路同硬開關(guān)全橋電路相比,僅增加了一個(gè)諧振電感,就使四個(gè)開關(guān)均為零電壓開通;移相全橋電路控制方式的特點(diǎn):在開關(guān)周期TS內(nèi),每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于TS/2,而關(guān)斷時(shí)間都略大于TS/2;同一半橋中兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài),每個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間?;閷?duì)角的兩對(duì)開關(guān)S1-S4和S2-S3,S1的波形比S4超前0TS/2時(shí)間,而S2

14、的波形比S3超前0TS/2時(shí)間,因此稱S1和S2為超前的橋臂,而稱S3和S4為滯后的橋臂。53.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路圖 5-14 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路(顯示放大圖)圖 5-15 移相全橋電路的理想化波形(顯示放大圖)53.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路工作過程t0t1時(shí)段:S1與S4導(dǎo)通,直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。t1t2時(shí)段:t1時(shí)刻開關(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(dǎo)通,電流iLr通過VDS2續(xù)流。t2t3時(shí)段:t2時(shí)刻開關(guān)S2開通,由于此時(shí)其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導(dǎo)通狀態(tài),因此S2為零電壓

15、開通。圖5-16 移相全橋電路在t1t2階段的等效電路圖(顯示放大圖)53.3.3 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路t3t4時(shí)段:t4時(shí)刻開關(guān) S4關(guān)斷后,變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通,變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零,相當(dāng)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(diǎn)電壓不斷上升,直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導(dǎo)通。這種狀態(tài)維持到t4時(shí)刻S3開通。因此S3為零電壓開通。t4t5時(shí)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(shí)刻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。圖5-17 移相全橋電路在t3t

16、4階段的等效電路(顯示放大圖)53.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。圖5-18 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖(顯示放大圖)7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路工作過程: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(shí)段:,S1導(dǎo)通,VD尚處于通態(tài),電感Lr兩端電壓為Uo,電流iLr線性增長(zhǎng), VD中的電流以同樣的速率下降。t1時(shí)刻,iLr=IL,VD中電流下降到零,關(guān)斷。t1t2時(shí)段:Lr與Cr構(gòu)成諧振回路,Lr的電流增加而Cr的電壓下降,t2時(shí)刻uCr=0, VDS導(dǎo)通,uCr被箝位于零,而電流iLr保持不變。 圖 5-20 升壓型

17、零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1t2時(shí)段的等效電路(顯示放大圖)7.3.4 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路t2t3時(shí)段:uCr被箝位于零,而電流iLr保持不變,這種狀態(tài)一直保持到t3時(shí)刻S開通、S1關(guān)斷。t3t4時(shí)段:t3時(shí)刻S開通時(shí),為零電壓開通。S開通的同時(shí)S1關(guān)斷,Lr中的能量通過VD1向負(fù)載側(cè)輸送,其電流線性下降,主開關(guān)S中的電流線性上升。t4時(shí)刻iLr=0,VD1關(guān)斷,主開關(guān)S中的電流iS=IL,電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。t4t5時(shí)段:t5時(shí)刻S關(guān)斷。Cr限制了S電壓的上升率,降低了S的關(guān)斷損耗。圖5-19 升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形(顯示放大圖) 本章小結(jié)本章的重點(diǎn)為:1)軟開關(guān)技術(shù)通過在

18、電路中引入諧振改善了開關(guān)的開關(guān)條件,大大降低了硬開關(guān)電路存在的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題。2)軟開關(guān)技術(shù)總的來說可以分為零電壓和零電流兩類。按照其出現(xiàn)的先后,可以將其分為準(zhǔn)諧振、零開關(guān)PWM和零轉(zhuǎn)換PWM三大類。每一類都包含基本拓?fù)浜捅姸嗟呐缮負(fù)洹?)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電壓開關(guān)PWM電路和零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路分別是三類軟開關(guān)電路的代表;諧振直流環(huán)電路是軟開關(guān)技術(shù)在逆變電路中的典型應(yīng)用。圖7-1 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形a)電路圖 b)理想化波形 圖7-2 硬開關(guān)電路及波形a)電路圖 b)理想化波形圖 7-3 基本開關(guān)單元的概念a)基本開關(guān)單元 b)降壓斬波器中的基本開關(guān)單元c)升壓斬波器中的基本開關(guān)單元 d)升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元圖 7-4 準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元a)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元c)零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元 圖7-5 零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元a)零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元 b)零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元 圖 7-6 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元 b)零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元圖7-7 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖圖7-8 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理

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