本科課件開關(guān)電源軟開關(guān)

§1相平面分析法開關(guān)電源中的軟開關(guān)技術(shù)§2軟開關(guān)的意義§3軟開關(guān)簡(jiǎn)介§4準(zhǔn)諧振變換器§1相平面分析法典型二階電路

——電路中只有電壓源電路方程以及初始條件：令：解此二階方程有：

相平面分析法是分析軟開關(guān)電路工作過(guò)程的一種十分有效的方法§1相平面分析法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(guò)初始點(diǎn)(uco，0)，半徑為（E-uco）?！?相平面分析法典型二階電路

——電路中只有電流源電路方程以及初始條件：令：解此二階方程有：§1相平面分析法只有電流源的電路的相平面圖是一個(gè)半徑為（-）,圓心為強(qiáng)迫分量（0,），通過(guò)初始點(diǎn)（0,）的圓。典型二階電路

——電路中電壓源與電流源同時(shí)存在電路方程以及初始條件：

令：根據(jù)疊加原理可得：§1相平面分析法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(guò)初始點(diǎn)（uco，）的圓。

相平面分析法舉例－電容充電電路

(初始條件為零)T1導(dǎo)通,電源E,T1,L,C形成諧振回路，強(qiáng)迫分量為E,在諧振電流過(guò)零時(shí)刻，T1關(guān)斷；T2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(guò)零時(shí)刻，T2關(guān)斷;T1導(dǎo)通,電源E,T1,L,C形成諧振回路，強(qiáng)迫分量仍為E,在諧振電流過(guò)零時(shí)刻，T1關(guān)斷;T2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(wú)窮大，

總結(jié)：相平面分析法是以電容電壓為為x軸，以電感電流為y軸，分析電路中電壓和電流變化的關(guān)系的一種分析方法。它是分析諧振電路，進(jìn)而也是分析軟開關(guān)電路工作過(guò)程的一種十分有效的方法?！?軟開關(guān)簡(jiǎn)介諧振開關(guān)

給開關(guān)器件串聯(lián)電感或者并聯(lián)電容等諧振器件，通過(guò)諧振電路的作用，使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)電壓或電流為零，使得開通損耗或關(guān)斷損耗接近為零。諧振開關(guān)分類：零電流諧振開關(guān)(ZCS)零電壓諧振開關(guān)(ZVS)

諧振開關(guān)原理圖零電流諧振開關(guān)

零電壓諧振開關(guān)

L型M型

M型

L型§3軟開關(guān)簡(jiǎn)介軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程(按諧振方式來(lái)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ZCS－PWM或ZVS－PWM技術(shù)單端或橋式變換器490年代初ZCT－PWM或ZVT－PWM技術(shù)單端或橋式變換器§3軟開關(guān)簡(jiǎn)介QRC:quasi-resonantconverterMRC:multi-resonantconverterZCT:zero-current-transitionZVT:zero-voltage-transition§4

準(zhǔn)諧振變換器準(zhǔn)諧振變換器(QRCs,quasi-resonant-converters):

80年代提出的一類變換器，根據(jù)諧振方式的不同，準(zhǔn)諧振變換器可以分為：零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（ZCSQRCs）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（ZVSQRCs）特點(diǎn)：在一個(gè)工作周期內(nèi)，諧振元件只在一部分時(shí)間內(nèi)參與諧振，而其他時(shí)間內(nèi)運(yùn)行在非諧振狀態(tài)4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器BuckZCSQRCs工作原理：由于有諧振電感Lr的作用，開關(guān)Tp閉合為開關(guān)管零電流開通；Tp導(dǎo)通后，諧振電感和諧振電容諧振，當(dāng)Lr中的電流為零時(shí)，將開關(guān)Tp斷開，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流關(guān)斷。Lr4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器BuckZCSQRCs初始狀態(tài)：Tp關(guān)斷，Io通過(guò)二極管D續(xù)流，電容Cr上的電壓為零，電感中電流為零。在t0時(shí)刻，Tp導(dǎo)通。LrCr

在t1時(shí)刻，iLr上升到負(fù)載電流Io，D自然關(guān)斷，開關(guān)狀態(tài)1結(jié)束。根據(jù)式(4.1)可得這個(gè)時(shí)間段的長(zhǎng)度為：

(4.2)(4.1)

LrCr開關(guān)狀態(tài)1[t0,t1]－電感恒壓充電在這一時(shí)間段內(nèi)，開關(guān)Tp導(dǎo)通，續(xù)流二極管D繼續(xù)導(dǎo)通，諧振電容Cr上電壓被鉗位為0，電感Lr在E的作用下恒壓充電，iLr線性上升。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：把初始條件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0代入，可解得：(4.3)LrCr開關(guān)狀態(tài)2[t1,t2]－電感電容諧振在時(shí)刻t1，續(xù)流二極管D截止，電感Lr和電容Cr開始諧振，電路進(jìn)入諧振工作狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0，強(qiáng)迫分量為E，Io，在相平面圖中，曲線是從（0，Io）開始，以（E，Io）為圓心的一段圓弧。此時(shí)有：

式中，諧振角頻率，諧振電路的特征阻抗當(dāng)t=t2時(shí)，iLr諧振到零，此時(shí)可以將Tp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：(4.4)(4.5)

開關(guān)狀態(tài)3[t2,t3]－電容恒流放電當(dāng)t=t2時(shí)，Tp零電流關(guān)斷，續(xù)流二極管D仍處在截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載電流通過(guò)電容Cr流通，電容Cr處于恒流放電狀態(tài)。在相平面圖上，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)于u軸上t2到t3的部分。此時(shí)有：電容上電壓uCr降到零，二極管D導(dǎo)通續(xù)流，開關(guān)狀態(tài)3結(jié)束。(4.6)LrCr4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器

開關(guān)狀態(tài)4[t3,t4]－二極管續(xù)流在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，二極管D導(dǎo)通續(xù)流，Tp仍處在關(guān)斷狀態(tài)，電感電流iLr

為零，電容電壓uCr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，而這個(gè)長(zhǎng)度將決定輸出電壓的大小。t=t4時(shí)，Tp導(dǎo)通，下一個(gè)開關(guān)周期開始。4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器

BuckZCSQRCs電路主要波形

TpiLruTPuCr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。4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器缺點(diǎn)：和普通的Buck型DC－DC變換器相比，ZCSQRCs

中流過(guò)開關(guān)管的電流峰值增加較大，從而增加了開關(guān)管的電流應(yīng)力。開關(guān)管開關(guān)時(shí)的電壓變換率dv/dt會(huì)造成很大的電磁干擾。優(yōu)點(diǎn)：

功率開關(guān)管Tp與諧振電感Lr串聯(lián)，通過(guò)諧振使得

Tp中通過(guò)的電流在導(dǎo)通或者關(guān)斷時(shí)降為零，避免了I和U的重疊，實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)。4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣

(a)Buck變換器

(b)BuckZCSQRCs變換器

4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣(c)Boost變換器

(d)BoostZCSQRCs變換器4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣

(e)Buck-Boost變換器

(f)Buck-BoostZCSQRCs變換器

4.1零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器ZCSQRCs變換器的推廣

(g)Cuk變換器

(h)CukZCSQRCs變換器

4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器

零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器的對(duì)偶電路：零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（ZVS-QRCs）。仍以Buck型直流變換器為例，將常規(guī)Buck變換器中的開關(guān)用零電壓諧振開關(guān)代替后，就可以得到了零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振Buck變換器。BuckZVSQRCs

BuckZCSQRCs

4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器BuckZVSQRCs工作原理：

Tp導(dǎo)通后，在任意時(shí)刻其兩端電壓可近似視為零，此時(shí)關(guān)斷Tp，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷。由于有諧振的作用，當(dāng)諧振電容Cr中兩端電壓為零時(shí)，開關(guān)Tp閉合，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通。2.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器（a）BuckZVSQRCs全波模式

（b）BuckZVSQRCs半波模式下面分析半波模式下BuckZVSQRCs電路4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器

假設(shè)初始狀態(tài)t0時(shí)刻之前，開關(guān)Tp處于導(dǎo)通狀態(tài)，全部輸出電流Io從開關(guān)管Tp上流過(guò)，電感中電流為Io，續(xù)流二極管D因?yàn)榉雌幱诮刂範(fàn)顟B(tài)，電容Cr上的電壓被開關(guān)管Tp鉗位為零；在t＝t0時(shí)，開關(guān)管Tp在零電壓條件關(guān)斷。

開關(guān)狀態(tài)1[t0,t1]

在時(shí)刻t0，開關(guān)管Tp關(guān)斷，諧振電感Lr電流向諧振電容Cr恒流充電，uCr線性上升。這一階段在相平面圖中，對(duì)應(yīng)于從(Io,0)開始、平行于u軸的一段直線。 這段時(shí)間段內(nèi)有：(4.10)

LriLCr當(dāng)t=t1時(shí)，諧振電容Cr上的電壓上升超過(guò)E，續(xù)流二極管承受正向電壓導(dǎo)通，開關(guān)狀態(tài)1結(jié)束，電容Cr和諧振電感Lr開始諧振。

2.開關(guān)狀態(tài)2[t1,t2]在時(shí)刻t1，續(xù)流二極管D導(dǎo)通續(xù)流，電感Lr和電容Cr開始諧振，電路進(jìn)入諧振工作狀態(tài)。諧振初始狀態(tài)為：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=E，強(qiáng)迫分量為（E,0），在相平面圖中，曲線是從（E,Io）開始，以（E,0）為圓心的一段圓弧。此時(shí)有：

(4.11)iLLrCr

LrCriL把初始條件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=E代入，可解得：

式中，諧振角頻率，諧振電路得特征阻抗(4.12)

uCr諧振到零時(shí)，主管Tp的反并聯(lián)二極管Dp導(dǎo)通，把電容Cr的電容箝制為零，為Tp實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通做好準(zhǔn)備。

4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(4.13)LrCriL開關(guān)狀態(tài)3[t2,t3]

當(dāng)開關(guān)管Tp零電壓導(dǎo)通，其并聯(lián)諧振電容Cr上電壓被鉗位為零，此時(shí)以電源電壓E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u軸上t2到t3的部分。此時(shí)有：在t=t3時(shí)，電感中電流上升到負(fù)載電流Io，二極管D由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗娐坊謴?fù)到初始狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)3結(jié)束。4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器開關(guān)狀態(tài)4[t3,t4]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Ts的長(zhǎng)短。t=t4時(shí)，Tp截止，下一個(gè)開關(guān)周期開始。LrCriL4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器BuckZVSQRCs半波模式主要波形

4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 BuckZVSQRCs全波模式主要波形及相平面圖

4.2零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

功率開關(guān)管Tp與諧振電容Cr并聯(lián)，通過(guò)諧振使得Tp上的電壓在導(dǎo)通或者關(guān)斷以前降為零，避免了ITp和UTp的重疊，實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。開關(guān)管承受的電壓較大，需要選擇高耐壓的開關(guān)管。

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器ZVSQRCs變