軟開關(guān)技術(shù)課程課件

第7章軟開關(guān)技術(shù)

引言

7.1軟開關(guān)的基本概念

7.2軟開關(guān)電路的分類

7.3典型的軟開關(guān)電路

本章小結(jié)1第7章軟開關(guān)技術(shù)?引言現(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也有更高的要求。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。27.1軟開關(guān)的基本概念

硬開關(guān)和軟開關(guān)

零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)37.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)硬開關(guān)：開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。t0a）硬開關(guān)的開通過程b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程圖7－1硬開關(guān)的開關(guān)過程uiP0uituuiiP0047.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)軟開關(guān)：在原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，消除電壓、電流的重疊。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開關(guān)的開通過程b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖7－2軟開關(guān)的開關(guān)過程57.1.2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)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)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。零電流開通與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗。當(dāng)不指出是開通或是關(guān)斷，僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)?？侩娐分械闹C振來實現(xiàn)。67.僻2瘡軟開位關(guān)電記路的雨分類根據(jù)墊開關(guān)然元件澇開通榜和關(guān)碧斷時丟電壓贏電流湊狀態(tài)鎖，分戶為零電秋壓電半路和零電販流電敵路兩大純類。根據(jù)亦軟開俊關(guān)技仙術(shù)發(fā)聰展的裹歷程文可以銜將軟雖開關(guān)火電路斷分成準(zhǔn)諧瓶振電何路、零開明關(guān)PW經(jīng)M電路和零轉(zhuǎn)敘換PW溜M電路。每一構(gòu)種軟獵開關(guān)禍電路蜓都可匯以用灑于降閥壓型息、升搬壓型辮等不殃同電樓路，貞可以般從基本躍開關(guān)嫌單元導(dǎo)出降具體派電路。77.澆2虹軟開儲關(guān)電閱路的欺分類圖7－害3基本虧開關(guān)裕單元片的概閉念a）獸基本干開關(guān)堡單元b）增降壓陽斬波蜓器中踐的基夢本開手關(guān)單婚元c）躺升壓兄?jǐn)夭y器中陰的基愚本開唇關(guān)單撒元d）儉升降玩壓斬芳波器器中的乖基本武開關(guān)晚單元87.宴2哀軟開懶關(guān)電晨路的變分類1）準(zhǔn)諧蜻振電臭路準(zhǔn)諧疤振電速路－準(zhǔn)林諧振互電路腥中電微壓或棟電流挨的波伏形為培正弦納半波鄙，因聰此稱均之為衰準(zhǔn)諧休振。謝是最鄉(xiāng)豐早出封現(xiàn)的乓軟開棚關(guān)電巖路。特點：諧振乓電壓表峰值員很高湖，要病求器糖件耐盾壓必吉須提幅高；諧振葡電流音有效園值很燦大，益電路冠中存青在大穴量無度功功圣率的年交換墻，電類路導(dǎo)效通損敲耗加雷大；諧振放周期藏隨輸致入電紋壓、饒負(fù)載陪變化蜻而改違變，跳因此富電路禍只能乒采用甘脈沖澆頻率耐調(diào)制（Pu付ls零e欺Fr盛eq龍ue底nc總y凈Mo酬du邁la載ti銀on霸—P裳FM）方式穿來控小制。分別態(tài)介紹姻三類餅軟開煎關(guān)電脖路97.峰2貧軟開蔥關(guān)電娃路的逆分類可分幫為：用于循逆變堆器的墻諧振搖直流賞環(huán)節(jié)雞電路(R扯es泡on程an泄t龜DC詞L嗽in恰k）。圖7-4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)單元電壓開關(guān)多諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）a)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）107.哪2腰軟開頸關(guān)電攏路的絡(luò)分類2）零開喘關(guān)PW便M電路引入貨了輔蜓助開趟關(guān)來聯(lián)控制逝諧振計的開鐘始時蟲刻，辭使諧懼振僅企發(fā)生纏于開惠關(guān)過船程前螺后。零開湖關(guān)PW江M電路蘋可以遭分為福：特點蝕：電路詢在很憶寬的奧輸入申電壓心范圍男內(nèi)和豎從零掌負(fù)載費到滿鼠載都急能工垂作在圣軟開卵關(guān)狀漲態(tài)。電路灶中無笨功功危率的船交換寶被削曲減到謎最小毛，這賤使得世電路識效率戰(zhàn)有了宰進(jìn)一己步提蔑高。b)零電流開關(guān)PWM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)單元零電流開關(guān)PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）a)零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）117.銀2昨軟開勝關(guān)電避路的激分類3）零轉(zhuǎn)夜換PW捉M電勾路采用疾輔助乞開關(guān)躁控制嫌諧振四的開諒始時帝刻，恥但諧裁振電爐路是茂與主胞開關(guān)幣并聯(lián)隊的。零轉(zhuǎn)苦換PW款M電路魄可以摔分為律：特點溝：電路齡在很境寬的現(xiàn)輸入辟電壓孟范圍竊內(nèi)和丸從零夏負(fù)載進(jìn)到滿龜載都劍能工活作在樓軟開統(tǒng)關(guān)狀成態(tài)。電路拜中無撈功功帝率的惱交換標(biāo)被削蓮減到之最小病，這紐奉使得器電路勞效率都有了瞧進(jìn)一默步提高腎。b）零電流轉(zhuǎn)換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)單元零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）127.騰3汗典蒙型的圈軟開渾關(guān)電寒路7.趟3.朝1芳零電包壓開趁關(guān)準(zhǔn)烤諧振林電路7.命3.杯2痛諧振否直流獵環(huán)7.匯3.爐3酒移相破全橋理型零借電壓清開關(guān)瞎PW枯M電蝕路7.味3.須4膨零彼電壓徹轉(zhuǎn)換脹PW罰M電激路137.起3.吳1拴零圈電壓豆開關(guān)助準(zhǔn)諧饒振電蓮路1）電路顯結(jié)構(gòu)以降壓型為例分析工作原理。假設(shè)電感L和電容C很大，可等效為電流源和電壓源，并忽略電路中的損耗。圖7-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖147.虛3.梁1昌零電彈壓開錯關(guān)準(zhǔn)飼諧振何電路選擇開關(guān)S關(guān)斷時刻為分析的起點。t0~t1時段：t0之前，開關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=IL，t0時刻S關(guān)斷，與其并聯(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VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時刻，uVD=0，VD導(dǎo)通。這一時段uCr的上升率：2）工作粉原理t0~t1時段的等效電路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖157.漁3.橫1恢零電貞壓開僑關(guān)準(zhǔn)疼諧振斬電路t1~t2時段潤：t1時刻涉二極策管VD導(dǎo)通梳，電附感L通過VD續(xù)流北，Cr、Lr、Ui形成夫諧振鑰回路靈。t2時刻各，iLr下降蜂到零柳，uCr達(dá)到衫諧振間峰值夸。t2~t3時段彼：t2時刻社后，Cr向Lr放電植，直愚到t3時刻辰，uCr=Ui，iLr達(dá)到翼反向取諧振進(jìn)峰值應(yīng)。t3~t4時段鄭：t3時刻到以后布，Lr向Cr反向伸充電謠，uCr繼續(xù)南下降陽，直型到t4時刻uCr=0。t1~t2時段的等效電路uSS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖167.希3.昆1稿零電沫壓開膚關(guān)準(zhǔn)診諧振漲電路t4~t5時段候：uCr被箝忙位于目零，iLr線性捷衰減舍，直妙到t5時刻暖，iLr=0。由于酒此時劇開關(guān)S兩端挺電壓躍為零消，所寒以必相須在戚此時錄開通S，才折不會賄產(chǎn)生訂開通冊損耗繪。t5~t6時段?。篠為通餃態(tài)，iLr線性頃上升宮，直含到t6時刻唱，iLr=IL，VD關(guān)斷靈。t6~t0時段撲：S為通焰態(tài)，VD為斷啟態(tài)。缺點：諧振喉電壓影峰值蹦將高侮于輸賀入電胞壓Ui的2陶倍，辮增加然了對峽開關(guān)輪器件佛耐壓帖的要出求。SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想波形圖7-7

零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖177.廟3.蜂2猛諧振平直流爭環(huán)諧振答直流都環(huán)電晃路應(yīng)策用于鎮(zhèn)交流-直流-交流惠變換熟電路橫的中圣間直芬流環(huán)倉節(jié)（DC勵-L議in句k）。通過胡在直制流環(huán)飄節(jié)中模引入劣諧振泉，使在電路畜中的洽整流騾或逆惜變環(huán)鉗節(jié)工龜作在致軟開布關(guān)的遙條件液下。1）電路叉結(jié)構(gòu)圖7-11諧振直流環(huán)電路原理圖由于電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性，而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)狀態(tài)是不變的，因此分析時可將電路等效。圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

187.釘3.呼2伍諧振右直流屆環(huán)t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

t0~t1時段為：t0時刻器之前災(zāi)，開湊關(guān)S處于儲通態(tài)脂，iLr>IL。t0時刻S關(guān)斷質(zhì)，電爸路中保發(fā)生梳諧振律。iLr對Cr充電尸，t1時刻咐，uCr=Ui。t1~t2時段恒：t1時刻繞，諧鄰振電期流iLr達(dá)到被峰值頸。t1時刻邪以后繩，iLr繼續(xù)鵲向Cr充電耕，直午到t2時刻iLr=IL，uCr達(dá)到劑諧振剝峰值味。2）工作明原理197.暮3.振2雨諧振嚇直流講環(huán)t2~t3時段獅：uCr向Lr和L放電站，iLr降低唉，到山零后凝反向夜，直加到t3時刻uCr=Ui。t3~t4時段杏：t3時刻討，iLr達(dá)到缺反向天諧振役峰值修，開堅始衰閃減，uCr繼續(xù)什下降伶，t4時刻爺，uCr=0，S的反漿并聯(lián)低二極耳管VDS導(dǎo)通良，uCr被箝進(jìn)位于俊零。t4~t0時段距：S導(dǎo)通盜，電再流iLr線性岸上升贊，直加到t0時刻啊，S再次以關(guān)斷社。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形

圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路

電壓壟諧振焦峰值涉很高東，增滑加了窩對開殃關(guān)器永件耐壓的要蛾求。207.或3.噴3振移相費全橋蜜型零究電壓遣開關(guān)甚PW啞M電擴(kuò)路移相溝全橋木電路抗是目脅前應(yīng)乘用最謀廣泛大的軟貢開關(guān)餅電路蛾之一妖，它浸的特點是電非路簡康單。轟同硬京開關(guān)盜全橋醫(yī)電路沃相比叉，僅裁增加忠了一奪個諧良振電屯感，罵就使托四個逆開關(guān)漏均為免零電確壓開抬通。圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路217.擊3.華3館移相沾全橋浴型零慘電壓需開關(guān)濁PW把M電夏路1）移相努全橋盈電路委控制買方式抱的特點：圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形在開怖關(guān)周摸期TS內(nèi)，法每個閣開關(guān)挑導(dǎo)通街時間票都略男小于TS/2，而關(guān)疾斷時堵間都旅略大群于TS/2；同一侄半橋戚中兩怪個開哈關(guān)不忍同時仆處于邀通態(tài)鉤，每蹲個開咬關(guān)關(guān)蠻斷到予另一難個開脫關(guān)開舟通都扯要經(jīng)覽過一釣定的余死區(qū)澡時間桿。227.濃3.勵3錯移相網(wǎng)全橋高型零痕電壓脹開關(guān)漏PW孔M電孫路互為露對角贏的兩淡對開山關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波己形比楊S4超前趟0~TS/2貪時間生，而飯S2的波揪形比扒S3超前紐奉0~TS/2覺時間董，因迅此稱柴S1和S2為超舞前的鞭橋臂細(xì)，而懲稱S3和S4為滯榜后的洲橋臂變。圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形237.殺3.依3乖移相問全橋易型零籃電壓遵開關(guān)舌PW粱M電磚路2）工作蘭過程峰：圖7-16移相全橋電路在t0~t1階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形t0~t1時段易：S1與S4導(dǎo)通穴，直銀到t1時刻S1關(guān)斷脹。t1~t2時段刊：t1時刻書開關(guān)S1關(guān)斷心后，染電容Cs1、Cs2與電鴿感Lr、L構(gòu)成設(shè)諧振輕回路篩，uA不斷任下降缸，直屋到uA=0，VDS2導(dǎo)通嚇，電投流iLr通過VDS2續(xù)流紋。t2~t3時段恢：t2時刻射開關(guān)S2開通債，由誼于此洲時其加反并看聯(lián)二程極管VDS2正處直于導(dǎo)突通狀查態(tài)，瞇因此S2為零活電壓聯(lián)開通秒。24t3~t4時段預(yù)：t3時刻濕開關(guān)賊S4關(guān)斷蚊后，級變壓購器二嫂次側(cè)就VD1和V轉(zhuǎn)D2同時屆導(dǎo)通娘，變否壓器傾一次仔側(cè)和做二次注側(cè)電杯壓均錢為零竟，相纏當(dāng)于營短路作，因蘆此Cs3、Cs4與Lr構(gòu)成穿諧振扒回路懸。Lr的電牢流不輔斷減扣小，B點電優(yōu)壓不標(biāo)斷上秒升，輕直到漆S3的反抄并聯(lián)償二極隸管V冰DS3導(dǎo)通院。這埋種狀序態(tài)維熊持到t4時刻尿S3開通蹤蝶。因唱此S3為零惰電壓粱開通斜。7.飾3.荒3塊移相咸全橋駛型零屋電壓屑開關(guān)跪PW淺M電部路圖7-17移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形25t4~t5時段帶：S3開通曲后，Lr的電體流繼淡續(xù)減欄小。iLr下降綠到零勢后反梳向增移大，t5時刻iLr=IL/kT，變責(zé)壓器孟二次神側(cè)V河D1的電搞流下現(xiàn)降到亂零而仿關(guān)斷平，電忽流IL全部盯轉(zhuǎn)移窗到V佛D2中。t0~t5是開膽關(guān)周校期的素一半朗，另拆一半繪工作夜過程社完全抹對稱挪。7.假3.亦3俗移相眨全橋買型零黨電壓川開關(guān)相PW外M電燃路圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO圖7-15移相全橋電路的理想化波形267.院3.伏4體零包電壓默轉(zhuǎn)換批PW講M電斥路1）工作唯過程鴨：輔助丘開關(guān)癢S1超前棍于主爭開關(guān)影S開指通，疼S開未通后謙S1關(guān)斷概。t0~t1時段騾：，濕S1導(dǎo)通靠，V標(biāo)D尚趨處于汪通態(tài)國，電凝感Lr兩端破電壓遙為Uo，電摩流iLr線性澇增長帶，虧VD康中的名電流紫以同匙樣的肅速率長下降風(fēng)。t1時刻水，iLr=IL，V燥D中抬電流詞下降使到零姓，關(guān)盾斷。圖7雨-1彼9圖7島-1捷8辭升租壓型墊零電劑壓轉(zhuǎn)答換P至WM貓電路奮的原慮理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形零電繪壓轉(zhuǎn)武換PW邁M電路慚具有舟電路扛簡單杯、效考率高接等優(yōu)扎點。277.普3.刷4杠零淘電壓責(zé)轉(zhuǎn)換城PW碧M電葛路t1~t2時段茶：Lr與Cr構(gòu)成臟諧振墾回路滿，Lr的電暖流增群加而Cr的電途壓下逝降，t2時刻uCr=0線，搖VDS導(dǎo)通定，uCr被箝夸位于裂零，衰而電老流iLr保持姻不變灰。t2~t3時段漠：uCr被箝畜位于瘋零，付而電醒流iLr保持鍛不變氏，這為種狀若態(tài)一馬直保像持到t3時刻區(qū)S開憶通、魚S1關(guān)斷濤。圖7-20

升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1~t2時段的等效電路圖7擇-1牢8駛升孟壓型佩零電冊壓轉(zhuǎn)晝換P撒WM者電路襖的原范理圖SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO圖7-19