新能源電源變換技術(shù)課件：軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)概述典型電路LLC變換器3.1 軟開(kāi)關(guān)的基本概念3.1.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)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，開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越顯著。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中引入諧振，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，消除了開(kāi)關(guān)損耗，3.1 軟開(kāi)關(guān)的基本概念3.1.1軟開(kāi)關(guān)電路的基本分類準(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”，其開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲都大大下降。問(wèn)題：如諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無(wú)功交換，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，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式來(lái)控制，變化的開(kāi)關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。3.1 軟開(kāi)關(guān)的基本概念3.1.1軟開(kāi)關(guān)電路的基本分類電路中引入了輔助開(kāi)關(guān)，從而使諧振僅發(fā)生于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后。同準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路的電壓和電流基本為方波，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。3.1 軟開(kāi)關(guān)的基本概念3.1.1軟開(kāi)關(guān)電路的基本分類采用輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的起始時(shí)刻；與零開(kāi)關(guān)PWM電路不同的是，諧振電路與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，故輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。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。3.2 軟開(kāi)關(guān)的典型電路——零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路[t0~t1]t0之前，Q導(dǎo)通，D為斷態(tài)，vCr=0，iLr=IL，t0時(shí)刻Q關(guān)斷，Cr使Q關(guān)斷后電壓上升減緩，Q的關(guān)斷損耗減小。Q關(guān)斷后，D尚未導(dǎo)通；Lr+Lf向Cr充電，Lf等效為電流源，vCr線性上升，同時(shí)D兩端電壓vD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，vD=0，D導(dǎo)通；[t1~t2]t1時(shí)刻D導(dǎo)通，Lf通過(guò)D續(xù)流，Cr、Lr、Vin形成諧振回路。諧振過(guò)程中，Lr對(duì)Cr充電，vCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時(shí)刻，iLr下降到零，vCr達(dá)到諧振峰值；[t2~t3]t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，vCr不斷下降，直到t3時(shí)刻，vCr=Vin，這時(shí)，vCr=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，vCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻vCr=0。[t4~t5]vCr被箝位于零，vCr=Vin，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于這一時(shí)段Q兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開(kāi)關(guān)Q開(kāi)通，才不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)通損耗。[t5~t6]Q為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL，D關(guān)斷。[t6~t0]Q為通態(tài)，D為斷態(tài)。3.2 軟開(kāi)關(guān)的典型電路——移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路[t0,t1]：t0時(shí)刻之前Q1、Q4導(dǎo)通，一次側(cè)向二次側(cè)傳遞能量。t0時(shí)刻關(guān)斷Q1，原邊電流ip從Q1轉(zhuǎn)移到C1和C4支路中，給C1充電，為C3放電。電容C1的電壓從零開(kāi)始線性上升，電容C3的電壓從Vin性下降。正因?yàn)镃1和C3的存在，S1實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。[t1,t2]：D3導(dǎo)通后，將Q3的電壓鉗在零電位，此時(shí)開(kāi)通Q3，則Q3實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。[t2,t3]：在t2時(shí)刻，關(guān)斷Q4斷開(kāi)，一次側(cè)電流ip轉(zhuǎn)移到C2和C4中，一方面抽走C4上的電荷，另一方面給C2充電。由于C2和C4的存在，Q4實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。[t3,t4]：t3-時(shí)刻，D2自然導(dǎo)通，Q2-零電壓開(kāi)通。[t4,t5]：t4時(shí)刻，一次側(cè)電流由正值過(guò)零，向負(fù)方向增加，Q2和Q3為一次側(cè)電流提供通路。[t5,t6]：電源給負(fù)載供電。t6時(shí)刻，Q3斷開(kāi)，變換器開(kāi)始另半個(gè)周期的工作，其工作情況與上述半周期類似，不再贅述。3.2 軟開(kāi)關(guān)的典型電路——移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路為了擴(kuò)大滯后臂ZVS的范圍，可以在普通的ZVS移相全橋PWM變換器上增加輔助網(wǎng)絡(luò)。圖(a)中，滯后橋臂增加了一個(gè)電感和兩個(gè)電容，使滯后橋臂更容易實(shí)現(xiàn)ZVS；圖(b)中，一次側(cè)使用兩個(gè)鉗位二極管來(lái)抑制二次側(cè)整流二極管的反向恢復(fù)振蕩，同時(shí)提高整機(jī)轉(zhuǎn)換效率。(a)(b)3.2 軟開(kāi)關(guān)的典型電路——零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路[t0~t1]：輔助開(kāi)關(guān)先于主開(kāi)關(guān)開(kāi)通，由于此時(shí)D尚處于通態(tài)，所以vLr=Vo，iLr按線性迅速增長(zhǎng)，iD以同樣的速率下降，直到t1時(shí)刻，iLr=IL，iD下降到零，二極管自然關(guān)斷。[t1~t2]：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，由于L很大，諧振過(guò)程中其電流基本不變，對(duì)諧振影響很小，可以忽略；諧振過(guò)程中iLr增加而vCr下降，t2時(shí)刻vCr降到零，DS導(dǎo)通，vCr被箝位于零，而iLr保持不變。[t2~t3]：vCr箝位于零，iLr保持不變，該狀態(tài)一直保持到t3時(shí)刻Q開(kāi)通、Qr關(guān)斷。

[t3~t4]：t3時(shí)刻Q開(kāi)通時(shí)，vQ為零，因此沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗，Q開(kāi)通的同時(shí)Qr關(guān)斷，Lr中的能量通過(guò)D1向負(fù)載側(cè)輸送，vLr下降，而iQ線性上升，到t4時(shí)刻iLr=0，D1關(guān)斷，iQ=IL，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。

[t4~t5]：t5時(shí)刻Q關(guān)斷，由于Cr的存在，Q關(guān)斷時(shí)的電壓上升率受到限制，降低了Q的關(guān)斷損耗。3.3 LLC諧振變換器目的：

在諧振時(shí)電流或電壓周期性過(guò)零，利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高功率變換器的效率。分類：

串聯(lián)諧振變換器（SeriesResonanceCircuit，簡(jiǎn)稱SRC）

并聯(lián)諧振電路（ParallelResonanceCircuit，簡(jiǎn)稱PRC）

串并聯(lián)諧振電路（Series-ParallelResonanceCircuit，簡(jiǎn)稱SPRC）。3.3.1 LLC諧振變換器概述SRC變換器PRC變換器LCC變換器LLC變換器3.3.1 LLC諧振變換器概述1）方波發(fā)生器：通過(guò)每次切換都以0.5占空比交替驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)Q1和Q2產(chǎn)生方波電壓，方波發(fā)生器可設(shè)計(jì)成全橋或半橋型。2）諧振網(wǎng)絡(luò)包括諧振電容Cr，串聯(lián)諧振電感Lr及并聯(lián)諧振電感Lm。諧振網(wǎng)絡(luò)可以濾除高次諧波電流。3）整流網(wǎng)絡(luò)由整流二極管DR1、DR2和輸出濾波電容Co構(gòu)成。存在兩個(gè)諧振頻率3.3.2 分體諧振電容型LLC單體諧振電容型LLC諧振變換器分體諧振電容型LLC諧振變換器分體諧振電容型LLC諧振變換器的輸入電流紋波較小；通過(guò)分體諧振電容上并聯(lián)鉗位二極管的方法可以達(dá)到簡(jiǎn)單的過(guò)載保護(hù)分體諧振電容可以有效地減少功率開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)前端輸入電容上的電流應(yīng)力3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析分體諧振電容型LLC諧振變換器存在兩個(gè)諧振頻率分體諧振電容型LLC諧振變換器具有三個(gè)工作區(qū)間3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t0-t1]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t1-t2]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t2-t3]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t3-t4]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t4-t5]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t5-t6]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t6-t7]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t7-t8]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t0-t1]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t1-t2]3.3.2 分體諧振電容型LLC