第八章-電力電子技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)課件

本章主要內(nèi)容8.1軟開關(guān)的基本概念8.2軟開關(guān)電路的分類8.3典型的軟開關(guān)電路8.4軟開關(guān)技術(shù)新進(jìn)展本章主要內(nèi)容8.1軟開關(guān)的基本概念1概述現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢小型化、輕量化，對效率和電磁兼容性有更高的要求電力電子電路的高頻化是濾波器、變壓器體積和重量減小、裝置小型化、輕量化的最直接途徑開關(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)頻率概述現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢28.1軟開關(guān)的基本概念硬開關(guān)開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)重疊，有顯著開關(guān)損耗電壓和電流變化快，波形出現(xiàn)明顯過沖，產(chǎn)生開關(guān)噪聲當(dāng)硬開關(guān)電路工作頻率不太高時，開關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗就越來越顯著1.硬開關(guān)和軟開關(guān)t0uiP0uituuiiP00硬開關(guān)降壓型電路及理想波形硬開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中實際電壓和電流a)b)8.1軟開關(guān)的基本概念硬開關(guān)1.硬開關(guān)和軟開關(guān)t0uiP038.1軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)增加了Lr、Cr，與L、C相比小得多，S增加了反并聯(lián)VDS軟開關(guān)電路(降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路)——使開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了電壓、電流的重疊，減小甚至消除開關(guān)損耗，同時，限值了開關(guān)過程電壓和電流變化率，也減小開關(guān)噪聲1.硬開關(guān)和軟開關(guān)降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路及理想波形軟開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中實際電壓和電流Pui0uitt0uiP0uitt0uua)b)8.1軟開關(guān)的基本概念軟開關(guān)1.硬開關(guān)和軟開關(guān)降壓型零電壓48.1軟開關(guān)的基本概念零電壓開通開關(guān)開通前其兩端電壓為零，開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲零電流關(guān)斷開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲零電壓關(guān)斷與開關(guān)并聯(lián)電容能延緩關(guān)斷后電壓上升速率，降低關(guān)斷損耗零電流開通與開關(guān)串聯(lián)電感能延緩開通后電流上升速率，降低開通損耗在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，靠電路中的諧振來實現(xiàn)。2.零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)8.1軟開關(guān)的基本概念零電壓開通2.零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)58.2軟開關(guān)電路的分類分類根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展歷程分為準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路準(zhǔn)諧振電路零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開關(guān)多諧振電路用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)準(zhǔn)諧振——電路中電壓或電流的波形為正弦半波8.2軟開關(guān)電路的分類分類68.2軟開關(guān)電路的分類優(yōu)勢開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降問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，電路中存在大量無功功率交換，造成電路導(dǎo)通損耗加大諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，則只能采用脈沖頻率調(diào)制方式來控制8.2軟開關(guān)電路的分類優(yōu)勢78.2軟開關(guān)電路的分類零開關(guān)PWM電路

引入輔助開關(guān)來控制諧振開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后零電壓開關(guān)PWM電路零電流開關(guān)PWM電路同準(zhǔn)諧振相比，電壓和電流基本上是方波，但上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受電壓明顯降低，采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式零電壓開關(guān)PWM電路零電流開關(guān)PWM電路

8.2軟開關(guān)電路的分類零開關(guān)PWM電路零電壓開關(guān)PWM電路88.2軟開關(guān)電路的分類零轉(zhuǎn)換PWM電路

采用輔助開關(guān)控制諧振開始時刻，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)，輸入電壓和負(fù)載電流對諧振影響小，在較寬輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都工作在軟開關(guān)狀態(tài)，無功功率交換被削減到最小零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路零電流轉(zhuǎn)換PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路零電流轉(zhuǎn)換PWM電路8.2軟開關(guān)電路的分類零轉(zhuǎn)換PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路98.3典型的軟開關(guān)電路零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路諧振直流環(huán)移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路8.3典型的軟開關(guān)電路108.3典型的軟開關(guān)電路電路構(gòu)成降壓型電路L和C很大，等效為電流源和電壓源，并忽略電路中損耗工作原理以S關(guān)斷時刻為分析起點t0~t1

——t0前，S導(dǎo)通，VD斷態(tài),uCr=0,iLr=IL

——t0時，S關(guān)斷，Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，則S關(guān)斷損耗減小，S關(guān)斷后，VD未導(dǎo)通1.零電壓開關(guān)諧振電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu8.3典型的軟開關(guān)電路電路構(gòu)成1.零電壓開關(guān)諧振電路SS118.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t0~t1——Lr+L向Cr充電，L等效為電流源，uCr線性上升，uVD下降

——t1時，uVD=0，VD導(dǎo)通，uCr上升率t1~t2——t1時，VD導(dǎo)通，L續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路，Lr對Cr充電，uCr上升，iLr下降——t2時，iLr下降到0，uCr達(dá)到諧振峰值

1.零電壓開關(guān)諧振電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理1.零電壓開關(guān)諧振電路SS128.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t2~t3——t2后，Cr向Lr放電，iLr變向，uCr下降

——t3時，uCr=Ui，uLr=0，iLr達(dá)到反向諧振峰值t3~t4——t3后，Lr向Cr反向充電，uCr下降——t4時，uCr=0t1~t4間的諧振方程1.零電壓開關(guān)諧振電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理1.零電壓開關(guān)諧振電路SS138.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t4~t5——uCr箝位于0，uLr=Ui，iLr線性衰減

——t5時，iLr=0。該段uS=0，則使S開通，不會產(chǎn)生開通損耗t5~t6——S通態(tài)，iLr線性上升——t6時，iLr=IL，VD關(guān)斷t4~t6電流iLr變化率t6~t0：S通態(tài)，VD斷態(tài)1.零電壓開關(guān)諧振電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理1.零電壓開關(guān)諧振電路SS148.3典型的軟開關(guān)電路uCr(即開關(guān)S電壓uS)uCr的諧振峰值，即開關(guān)S的峰值電壓Up零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實現(xiàn)軟開關(guān)條件如正弦項幅值小于Ui，uCr不能諧振到0，S不可能實現(xiàn)零電壓開通諧振電壓峰值高于輸入電壓2倍，S耐壓必須提高，增加了電路成本，降低了可靠性1.零電壓開關(guān)諧振電路8.3典型的軟開關(guān)電路uCr(即開關(guān)S電壓uS)1.零電壓158.3典型的軟開關(guān)電路背景及應(yīng)用用于變頻器作用在交-直-交變換電路的中間直流環(huán)節(jié)，通過引入諧振，使逆變橋中所有開關(guān)工作在零電壓開通條件下電壓型逆變器為感性負(fù)載，在諧振過程中逆變電路開關(guān)狀態(tài)不變，負(fù)載電流為常量工作原理以S關(guān)斷時刻為分析起點2.諧振直流環(huán)8.3典型的軟開關(guān)電路背景及應(yīng)用2.諧振直流環(huán)168.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t0~t1——t0前，iLr>IL，S導(dǎo)通

——t0時,S關(guān)斷，發(fā)生諧振，Lr對Cr充電，uCr升高——t1時，uCr=Uit1~t2

——t1時，uCr=Ui，ULr=0，iLr達(dá)到峰值

——t1后，Lr繼續(xù)向Cr充電并不斷減小，uCr又升高

——t2時刻iLr=IL，uCr達(dá)到諧振峰值2.諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理2.諧振直流環(huán)t0t1t2t178.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t2~t3——t2后，Cr向Lr和L放電，iLr降低至0后反向，Cr繼續(xù)向Lr放電，iLr反向增加

——t3時，uCr=Uit3~t4

——t3時，iLr達(dá)到反向諧振峰值后衰減，uCr繼續(xù)下降

——t4時，uCr=0，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于0t4~t0

——S導(dǎo)通，iLr線性上升，t0時刻，S再次關(guān)斷uCr諧振峰值高增加對開關(guān)的耐壓要求2.諧振直流環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理2.諧振直流環(huán)t0t1t2t188.3典型的軟開關(guān)電路電路構(gòu)成增加一個諧振電感，使四個開關(guān)器件都在零電壓條件下開通控制特點一個TS內(nèi)，每一開關(guān)導(dǎo)通時間都略小于TS/2，關(guān)斷略大于TS/23.移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路同一半橋上下兩個開關(guān)不同時導(dǎo)通，每一個關(guān)斷到另一個開通要經(jīng)過一定死區(qū)時間超前橋臂S1和S2：S1波形比S4超前0~TS/2；滯后橋臂S3和S4：S2比S3超前0~TS/28.3典型的軟開關(guān)電路電路構(gòu)成3.移相全橋型零電壓開關(guān)PW198.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t0~t1

——S1與S4導(dǎo)通，t1時刻S1關(guān)斷t1~t2

——t1時，S1關(guān)斷后，Cs1、Cs2與Lr、L構(gòu)成諧振回路，諧振初始uA(t1)=Ui。諧振時，uA不斷下降至0，VDS2導(dǎo)通，iLr通過VDS2續(xù)流3.移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路rr8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理3.移相全橋型零電壓開關(guān)PW208.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t2~t3

——t2時，開通S2，VDS2導(dǎo)通使S2開通電壓為零，無開關(guān)損耗，且電路狀態(tài)不變，直到t3時S4關(guān)斷t3~t4——t3時，S4關(guān)斷后，Cs3、Cs4與Lr構(gòu)成諧振回路，諧振中iLr不斷減小，uB不斷上升，直到VDS3導(dǎo)通

——t4時，S3開通，由于VDS3導(dǎo)通使得在零電壓下開通，開通損耗為零3.移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路rr8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理3.移相全橋型零電壓開關(guān)PW218.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t4~t5

——S3開通后，iLr繼續(xù)減小到0后反向，不斷增大，t5時iLr=IL/kT，iVD1下降到0而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2t0~t5——是Ts的一半，而在另一半t5~t0時段中，工作過程與該段完全對稱3.移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路rr8.3典型的軟開關(guān)電路工作原理3.移相全橋型零電壓開關(guān)PW228.3典型的軟開關(guān)電路背景及電路構(gòu)成電路簡單、效率高，廣泛用于功率因數(shù)校正電路、斬波器等以升壓電路為例假設(shè)電感L、電容C很大，可以忽略電流和輸出電壓波動，還忽略元件與線路中損耗4.零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通，S開通后S1關(guān)斷，主要諧振過程集中在S開通前后工作原理t0~t1——S1比S先開通，此時VD尚導(dǎo)通，uLr=Uo，iLr線性增長，iVD下降，到t1時，iLr=IL，iVD=0，VD關(guān)斷8.3典型的軟開關(guān)電路背景及電路構(gòu)成4.零電壓轉(zhuǎn)換PWM電238.3典型的軟開關(guān)電路工作原理t1~t2

——Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，L很大使諧振中電流不變；諧振中iLr增加而uCr下降

——t2時，uCr=0，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于0，而iLr保持不變t2~t3

——uCr=0和iLr不變的狀態(tài)保持到t3時刻S開通、S1關(guān)斷t3~t4

——t3時，S開通，uS=0，無開關(guān)損耗。同時S1關(guān)斷，Lr通過VD1向負(fù)載放能，iLr下降，iS線性上升

——t4時,iLr=0,VD