軟開(kāi)關(guān)的概念課件

1、第8章 軟開(kāi)關(guān)的概念8.1軟開(kāi)關(guān)的概念8.2軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其類(lèi)型8.3諧振電路8.4準(zhǔn)諧振和多諧振變換器8.5軟開(kāi)關(guān)的PWM技術(shù)8.6 零電壓/電流轉(zhuǎn)換PWM變換器返回8.1軟開(kāi)關(guān)的概念 傳統(tǒng)PWM變換器中的開(kāi)關(guān)器件工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，硬開(kāi)關(guān)工作的四大缺陷妨礙了開(kāi)關(guān)器件工作頻率的提高, 它存在如下問(wèn)題： 1）開(kāi)通和關(guān)斷損耗大； 2）感性關(guān)斷問(wèn)題 3）容性開(kāi)通問(wèn)題； 4）二極管反向恢復(fù)問(wèn)題 ；為了提高變換器效率，減小變換器的重量體積，就必須解決上述的四個(gè)問(wèn)題。所謂軟開(kāi)關(guān)就是功率器件在零電壓條件下導(dǎo)通（或關(guān)斷），在零電流條件下關(guān)斷（或?qū)ǎ?。與硬開(kāi)關(guān)相比，軟開(kāi)關(guān)的功率器件在零電壓、零電流條件下工

2、作，功率器件開(kāi)關(guān)損耗大大減小。與此同時(shí)， du/dt和di/dt大為下降，提高了變換器的可靠性，由于軟開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)損耗很小，與硬開(kāi)關(guān)相比，它可以工作于較高的工作頻率，因此減小變換器的體積和重量，同時(shí)提高變換器的變換效率。 軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通有以下幾種方法1）零電流開(kāi)通：在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)。從圖8-2（a）可以看出，由于電流下降時(shí)間的提前，大大減少了電壓與電流的重疊區(qū)間，因而開(kāi)通損耗大大減小。2）零電壓開(kāi)通：在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前，便其電壓下降到零。從圖8-2（b）可以看出，開(kāi)通損耗基本減小到零。3）同時(shí)做到零電流開(kāi)通和零電壓開(kāi)通，在這種情況下，開(kāi)通

3、損耗為零。這種情況最為理想。圖8-2 零電流開(kāi)通和關(guān)斷 軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷幾種方法1）零電流關(guān)斷：在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前，使其電流減小到零。2）零電壓關(guān)斷：在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，使其電壓保持在零，或者限制電壓的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)。3）同時(shí)做到零電流關(guān)斷和零電壓關(guān)斷，在這種情況下，關(guān)斷損耗為零。 返回8.2軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其類(lèi)型 從諧振角度看，所謂諧振變換器或逆變器至少包含有一個(gè)諧振回路，諧振回路至少包含一個(gè)電感和一個(gè)電容，諧振電路的階數(shù)決定于所包含的獨(dú)立的儲(chǔ)能元件數(shù)目。以諧振類(lèi)型劃分，軟開(kāi)關(guān)變換器有諧振型變換器、多諧振/準(zhǔn)諧振變換器、零開(kāi)關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器等；從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，有電

4、流型軟開(kāi)關(guān)變換器、電壓型軟開(kāi)關(guān)變換器。 1）諧振型變換器利用諧振現(xiàn)象，使電子開(kāi)關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開(kāi)通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱(chēng)為諧振變換器。它又可以分為全諧振型變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器三種類(lèi)型。 a）全諧振型變換器：一般稱(chēng)之為諧振變換器(Resonant converters)。該類(lèi)變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器(Series resonant converters, SRCs)和并聯(lián)諧振變換器(Parallel resonant converters, PRCs)兩類(lèi)。在諧振變換器中，諧振元

5、件一直諧振工作，參與諧振工作的全過(guò)程。該變換器與負(fù)載關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。b）準(zhǔn)諧振變換器(Quasi-resonant converters, QRCs)；它是最早出現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路。其特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某一個(gè)階段，不是全程參與。無(wú)論是串聯(lián)LC或并聯(lián)LC都會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)諧振，利用準(zhǔn)諧振現(xiàn)象，使電子開(kāi)關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱(chēng)為準(zhǔn)諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器分為零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(Zero-current-switching Quasi-resonant converters, ZCS-QRCs

6、)和零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS-QRCs)。 c）多諧振變換器(Multi-resonant converters, MRCs)：其特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某一個(gè)階段，不是全程參與。多諧振變換器的諧振回路、參數(shù)可以超過(guò)兩個(gè)、三個(gè)或更多，稱(chēng)為多諧振變換器。準(zhǔn)諧振/多諧振單元與主開(kāi)關(guān)的關(guān)系如圖8-3所示。 a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；c零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路圖 8-3 準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元為保持輸出電壓不隨輸入電壓變化而變化，不隨負(fù)載變化而變化（或基本不變），諧振、準(zhǔn)諧

7、振和多諧振變換器主要靠調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，所以是調(diào)頻系統(tǒng)。調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開(kāi)關(guān)變換器那樣容易控制，這是因?yàn)檎{(diào)頻系統(tǒng)是依靠L、C振蕩使得電路產(chǎn)生諧振和準(zhǔn)諧振的，功率器件所受的電壓與電流的應(yīng)力都要比相應(yīng)的硬開(kāi)關(guān)PWM變換電路功率器件承受的壓力大，并且該應(yīng)力隨電路的Q值和負(fù)載變化而變化。調(diào)頻系統(tǒng)是依靠改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變變換器的輸出，開(kāi)關(guān)頻率大范圍變化使得濾波器、變壓器設(shè)計(jì)難以?xún)?yōu)化，干擾難以抑制，而且由于調(diào)頻來(lái)調(diào)節(jié)輸出，負(fù)載變化大時(shí)，相應(yīng)的電壓和電流調(diào)節(jié)范圍比相應(yīng)PWM變換電路窄，超前一定范圍后，變換電路不能達(dá)到零電壓或零電流開(kāi)關(guān)條件。2）零開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero-switching-PWM-conv

8、erters)分為零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero-voltage-switching PWM converters，ZVS PWM)和零電流開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero-current-switching PWM converters，ZCS-PWM)。該類(lèi)變換器是在準(zhǔn)諧振/多諧振變換器的基礎(chǔ)上，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，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn)PWM控制。這樣，變換器既有電壓過(guò)零（或電流過(guò)零）控制的軟開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，又有PWM恒頻調(diào)寬的特點(diǎn)。這時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)中的電感是與主開(kāi)關(guān)串聯(lián)的。與準(zhǔn)諧振/多諧振變換器不同的是，諧振元件的諧振工作時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期相比很短，一般為開(kāi)

9、關(guān)周期的1/101/5，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；電路可以采用開(kāi)關(guān)頻率固定的PWM控制方式。 a）零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元 b）零電流開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元圖8-4 零開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元3）零轉(zhuǎn)換PWM變換器(Zero-transition-converters)零轉(zhuǎn)換PWM變換器與零開(kāi)關(guān)PWM變換器并無(wú)本質(zhì)上的差別，也是軟開(kāi)關(guān)與PWM的結(jié)合。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。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器(Zero-voltage-transition PWM converters, ZVT P

10、WM converters)和零電流開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero-current-transition PWM converters, ZVT PWM converters)。這類(lèi)變換器是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的又一個(gè)飛躍。它的特點(diǎn)是變換器工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，在其它時(shí)間則停止工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是諧振元件從能量交換主通道移開(kāi)，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿(mǎn)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，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。a零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元 b零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基

11、本開(kāi)關(guān)單元圖8-5 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元返回8.3諧振電路 1 串聯(lián)諧振電路：串聯(lián)諧振槽路如圖8-6所示，其中是諧振電感Lr，是諧振電容Cr，諧振電感存在等效阻抗R，其導(dǎo)納為 圖8-6 串聯(lián)諧振電路定義串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為 2 電壓型串聯(lián)諧振式逆變器半橋電路如圖8-8所示，當(dāng)電路工作頻率大于諧振頻率時(shí)，電壓超前電流相位，回路負(fù)載特性呈現(xiàn)感性，設(shè)某一時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載中流過(guò)電流（如圖8-8中實(shí)現(xiàn)表示） 圖8-8 感性負(fù)載時(shí)的工作過(guò)程當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，由于電感的儲(chǔ)能作用，將通過(guò)二極管D2續(xù)流，如圖8-8所示。由于D2續(xù)流，IGBT（S2）EC之間的電壓僅為二極管正向?qū)▔?/p>

12、降，S1承受電源電壓，死區(qū)時(shí)間結(jié)束后，開(kāi)通S2、D2承受反向電壓而關(guān)斷，如果能夠正好在續(xù)流結(jié)束之前開(kāi)通S2，則實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，二極管D2實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。圖8-9 容性負(fù)載時(shí)的工作過(guò)程當(dāng)電路工作頻率小于諧振頻率時(shí)，電流超前電壓相位，回路負(fù)載特性呈現(xiàn)容性，設(shè)某一時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載中流過(guò)電流（圖8-9中用實(shí)線(xiàn)表示），由于電流超前電壓相位，因此在S1仍導(dǎo)通時(shí)電流首先過(guò)零，之后電流通過(guò)二極管D1反向流通（圖8-9中用虛線(xiàn)表示），如圖8-9中所示。二極管D1導(dǎo)通后，S1實(shí)際上已不起作用，當(dāng)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時(shí)，D1將承受反向電壓而強(qiáng)迫關(guān)斷，關(guān)斷過(guò)程中D1將產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流，此恢復(fù)電

13、流將通過(guò)D1、S2使電源短路，從而危及IGBT。當(dāng)S2導(dǎo)通末期，電流再次提前反向，D2續(xù)流，此時(shí)如果S1導(dǎo)通，D2將承受反向電壓而強(qiáng)迫關(guān)斷，二極管D2反向恢復(fù)電流和S2使電源短路。通過(guò)上面分析可以看出，當(dāng)電路工作于容性狀態(tài)時(shí)，IGBT的交替導(dǎo)通，由于二極管反向恢復(fù)電流較大，IGBT損耗較大，不適合頻繁起動(dòng)的工作場(chǎng)合，容易導(dǎo)致IGBT的損壞。當(dāng)電路工作于感性狀態(tài)時(shí)，IGBT可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)損耗取決于電流滯后的角度。因此，要讓諧振回路工作于略感性負(fù)載的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，保證電路的安全可靠工作。 負(fù)載串聯(lián)電壓諧振逆變器ansoft仿真圖1 負(fù)載諧振逆變器主電路Fig1 Series Load Re

14、sonant inverter Power man circuit半橋負(fù)載串聯(lián)諧振逆變器主電路如圖1所示。三相交流電源經(jīng)三相橋整流，電容濾波后，得到約520V左右的直流電源，此直流即為電壓型串聯(lián)諧振式逆變器的電源。諧振電容為 ，諧振電感為L(zhǎng)，電阻為R。 L、C1+C2和R構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。諧振時(shí)負(fù)載電流和電壓諧振時(shí)C1上電壓：小于諧振頻率時(shí)負(fù)載電壓和電流小于諧振頻率時(shí)：T1電流及反并聯(lián)二極管電流小于諧振頻率時(shí)：T2電流及反并聯(lián)二極管電流小于諧振時(shí)C1上電壓小于諧振時(shí)C2上電壓小于諧振頻率時(shí)直流母線(xiàn)電流大于諧振頻率時(shí)負(fù)載電壓和電流一種基于直流母線(xiàn)電流的負(fù)載串聯(lián)諧振逆變器諧振頻率跟蹤方法 諧振時(shí)

15、母線(xiàn)電流 從上述分析可知，負(fù)載串聯(lián)諧振逆變器的諧振頻率跟蹤問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為直流母線(xiàn)電流大于零時(shí)間的問(wèn)題，它與電流大小無(wú)關(guān)，只與電流極性有關(guān)，因此，直流母線(xiàn)電流極性判斷可以通過(guò)過(guò)零比較器，母線(xiàn)電流正向流動(dòng)時(shí)比較器輸出高電平，反向流動(dòng)時(shí)，比較器輸出低電平，電路諧振時(shí)，比較器輸出總為高電平，非諧振時(shí)，比較器輸出為方波信號(hào)，工作頻率越靠近諧振頻率，輸出方波的占空比越大，即低電平持續(xù)時(shí)間越短。比較器輸出平均值作為諧振頻率跟蹤的依據(jù)，若比較器輸出高電平幅度為，低電平為零，則低通濾波后的輸出電壓的幅度在之間，對(duì)應(yīng)于非諧振頻率和諧振頻率?？刂屏鞒虉D如圖所示，由圖中可以看出此法只需采樣比較器輸出平均值，通過(guò)周期性地

16、增加或減少工作頻率的，并觀察、比較變動(dòng)前后的比較器輸出平均電壓的大小，以決定下一步頻率的增、減動(dòng)作。假使輸出較變動(dòng)前大的話(huà)，則將頻率繼續(xù)朝同一方向變動(dòng)；反之，若輸出較變動(dòng)前小的話(huà)，則表示需要在下一周期改變頻率變動(dòng)的方向。如此反復(fù)地?cái)_動(dòng)、觀察及比較，使串聯(lián)諧振逆變器工作到諧振點(diǎn)。 3 串聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振DC-DC變換器Q24 并聯(lián)諧振電路5 并聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振DC-DC變換器6 E類(lèi)變換器返回8.4準(zhǔn)諧振和多諧振變換器 1 零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（ZCS QRC）2 多諧振開(kāi)關(guān)(MRS: Multi-resonant switch)變換器返回8.5軟開(kāi)關(guān)的PWM技術(shù) 由于準(zhǔn)諧振/多諧振變換器采用調(diào)頻

17、調(diào)制，變化的頻率使變換器的磁性電路設(shè)計(jì)十分困難，為了便于控制和設(shè)計(jì)電路，希望在軟開(kāi)關(guān)變換器中，采用恒定頻率控制，即PWM控制，能實(shí)現(xiàn)PWM的軟開(kāi)關(guān)變換器稱(chēng)之為零電壓PWM變換器（ZVS-PWM）或者零電流變換器（ZCS-PWM）。其基本原理是在在準(zhǔn)諧振型變換電路基礎(chǔ)上加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，僅在需要開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)才啟動(dòng)諧振電路，創(chuàng)造開(kāi)關(guān)管的零壓開(kāi)通或零流關(guān)斷條件，其余時(shí)間，諧振電路處于不工作狀態(tài)。諧振電感與主開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)在電路中，開(kāi)通時(shí)承受負(fù)載電流，因此，變換電路可按恒定頻率PWM方式調(diào)控輸出電壓。既可以像QRC電路一樣通過(guò)諧振為主功率開(kāi)關(guān)管創(chuàng)造零電壓或零電流開(kāi)關(guān)條件，又可以使電路像常規(guī)PWM電路一樣，通過(guò)恒頻占空比