電力電子第8章軟開(kāi)關(guān)

第8章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

概述8.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類8.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路引言■現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求?！鲭娏﹄娮与娐返母哳l化

◆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、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?！鲕涢_(kāi)關(guān)技術(shù)

◆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。硬開(kāi)關(guān)降壓型電路硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流a)開(kāi)通過(guò)程b)關(guān)斷過(guò)程■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)損耗。

◆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)噪聲。

◆開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗就越來(lái)越顯著。

8.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)8.1軟開(kāi)關(guān)的基本概念t0uiP0uituuiiP008.1.1硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)■軟開(kāi)關(guān)◆軟開(kāi)關(guān)電路中增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr和Cr的值小得多，同時(shí)開(kāi)關(guān)S增加了反并聯(lián)二極管VDS，而硬開(kāi)關(guān)電路中不需要這個(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)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)程中電壓和電流的變化率，使開(kāi)關(guān)噪聲減小。

ui0uitt0uiP0uitt0uu降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路軟開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流a)開(kāi)通過(guò)程b)關(guān)斷過(guò)程

8.1.2零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)■零電壓開(kāi)通

◆開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零，則開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲?！隽汶娏麝P(guān)斷

◆開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲?！隽汶妷宏P(guān)斷

◆與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗?！隽汶娏鏖_(kāi)通

◆與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率，降低了開(kāi)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)和零電流開(kāi)關(guān)。

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(kāi)通一般會(huì)給電路造成總損耗增加、關(guān)斷過(guò)電壓增大等負(fù)面影響，因此是得不償失的.8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類——根據(jù)開(kāi)關(guān)元件開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。

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?！獮樽钤绯霈F(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路，可以分為：

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路、用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路；圖8-5準(zhǔn)諧振電路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

8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類

——特點(diǎn)：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

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(wú)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（PulseFrequencyModulation—PFM）方式來(lái)控制。8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類2．零開(kāi)關(guān)PWM電路

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。

零開(kāi)關(guān)PWM電路可以分為：

零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路

零電流開(kāi)關(guān)PWM電路8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類圖8-6零開(kāi)關(guān)PWM電路a）零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路b）零電流開(kāi)關(guān)PWM電路

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(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。8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類3．零轉(zhuǎn)換PWM電路

采用輔助開(kāi)關(guān)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)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，而且電路中無(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。

零轉(zhuǎn)換PWM電路分為：

零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路、零電流轉(zhuǎn)換PWM電路8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類圖8-7零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元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電路的基本開(kāi)關(guān)單元特點(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(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。

8.2軟開(kāi)關(guān)電路的分類8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路8.3典型的軟開(kāi)關(guān)電路

◆假設(shè)L、C很大，可等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。

◆開(kāi)關(guān)電路的工作過(guò)程是按開(kāi)關(guān)周期重復(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)，選擇合適的起點(diǎn)，可以使分析得到簡(jiǎn)化。選擇開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn)?！ぷ髟?/p>

t0之前：S為通態(tài)，VD、VDS為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL

零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形

8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

t0~t1：t0時(shí)S關(guān)斷，Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，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，uVD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通。8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

t1~t2：t1時(shí)VD導(dǎo)通，L通過(guò)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。

8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

t2~t3：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，uCr

=0，iLr達(dá)到反向諧振峰值。

t3~t4：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。8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路t1到t4時(shí)段電路諧振過(guò)程的方程為：

8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

t4~t5：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(kāi)關(guān)S開(kāi)通，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通損耗。

8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路

t5~t6：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路——諧振過(guò)程定量分析

求解式uCr的諧振峰值表達(dá)式（即開(kāi)關(guān)S承受的峰值電壓）：

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：

——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(kāi)關(guān)器件耐壓的要求。

8.3.1零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路8.3.2諧振直流環(huán)圖8-12諧振直流環(huán)電路原理圖圖8-13諧振直流環(huán)電路的等效電路■諧振直流環(huán)

◆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(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?！糨o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)通的條件下，實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)S可以不需要，S的開(kāi)關(guān)動(dòng)作用逆變電路中開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷來(lái)代替?！綦妷盒湍孀兤鞯呢?fù)載通常為感性，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。8.3.2諧振直流環(huán)

t0~t1：t0之前，S處于通態(tài)，iLr>IL，

t0時(shí)S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對(duì)Cr充電，t1時(shí)刻，uCr=Ui。

t1~t2：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，iLr=IL，uCr達(dá)到諧振峰值。8.3.2諧振直流環(huán)

t2~t2′：Cr和Lr向L放電，UCr、iLr降低，到

t2′，iLr=0以后反向

t2′~t3：Cr向Lr、L放電，iLr反向增加，到

t3，iLr達(dá)到反向峰值8.3.2諧振直流環(huán)

t3~t4：t3時(shí)刻，iLr達(dá)到反向諧振峰值，開(kāi)始衰