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1、第8章 软开关技术 8.1 软开关的基本概念 8.2 软开关电路的分类 8.3 典型的软开关电路 8.4 软开关技术新进展 本章小结,2,引言,现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。电力电子电路的高频化 可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。使开关频率可以大幅度提高。,3,8.1 软开关的基本概念,8.1.1 硬开关与软开关 8.1.2 零电压开关与零电流开关,4,8.1.1 硬开关与软开关,硬开关 开关过程中电压、电流均不为零，出现
2、了重叠，有显著的开关损耗。电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。,图8-1 硬开关降压型电路及波形a）电路图 b）理想化波形,图8-2 硬开关过程中的电压和电流a)关断过程 b)开通过程,a),b),5,8.1.1 硬开关与软开关,软开关 软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。降压型零电压开关准谐振电路中
3、，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。,P,图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形a）电路图 b）理想化波形,a),b),图8-4 软开关过程中的电压和电流a)关断过程 b)开通过程,6,8.1.2 零电压开关与零电流开关,零电压开通 开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断 开关关断前其电流为零，则关断时不会产生损耗和噪声。零电压关断 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关
4、断损耗。零电流开通 与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。,7,8.2 软开关电路的分类,软开关电路的分类 根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。,8,8.2 软开关电路的分类,图 8-5 准谐振电路a）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路,准谐振电路 分类
5、 零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC）用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DC Link）,9,8.2 软开关电路的分类,准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题 谐振
6、电压峰值很高，要求器件耐压必须提高。谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大。谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。,10,8.2 软开关电路的分类,图8-6 零开关PWM电路a）零电压开关PWM电路 b）零电流开关PWM电路,零开关PWM电路 电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。分类 零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）
7、零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。,11,8.2 软开关电路的分类,图 8-7 零转换PWM电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路的基本开关单元 b）零电流转换PWM电路的基本开关单元,零转换PWM电路 电路中采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和从零
8、负载到满载都能工作在软开关状态，而且电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。分类 零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）,12,8.3 典型的软开关电路,8.3.1 零电压开关准谐振电路 8.3.2 谐振直流环 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 8.3.4 零电压转换PWM电路,13,8.3.1 零电压开关准谐振电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,零电压开关准谐振电路
9、假设电感L和电容C很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。开关电路的工作过程是按开关周期重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到简化。,14,8.3.1 零电压开关准谐振电路,图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形,图8-10 零电压开关准谐振电路在t0t1时段等效电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,工作过程 选择开关S的关断时刻为分析的起点。t0t1时段：t0之前，S导通，VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，S关断后，VD尚未导通，电路可以等效为图8-10
10、；Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0，VD导通，这一时段uCr的上升率为,(8-1),15,8.3.1 零电压开关准谐振电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形,图8-11 零电压开关准谐振电路在t1t2时段等效电路,t1t2时段：t1时刻VD导通，L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，如图8-11所示；谐振过程中，Lr对Cr充电，uCr不断上升，iLr不断下降，直到t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr改变方向
11、，uCr不断下降，直到t3时刻，uCr=Ui，这时，uLr=0，iLr达到反向谐振峰值。t3t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。,16,8.3.1 零电压开关准谐振电路,图8-8 零电压开关准谐振电路原理图,图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形,t1到t4时段电路谐振过程的方程为,(8-2),t4t5时段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。t5t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。t4到
12、t6时段电流iLr的变化率为,t6t0时段：S为通态，VD为断态。,(8-3),17,8.3.1 零电压开关准谐振电路,谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本数量关系为 uCr（即开关S的电压uS）的表达式,t1,t4上的最大值即uCr的谐振峰值，就是开关S承受的峰值电压，表达式为,零电压开关准谐振电路实现软开关的条件,如果正弦项的幅值小于Ui，uCr就不可能谐振到零，S也就不可能实现零电压开通。,零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，开关S的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。,18,8.3.2 谐振直流环,图8-12 谐振直
13、流环电路原理图,图8-13 谐振直流环电路的等效电路,谐振直流环 应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link），通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。图8-12中，辅助开关S使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下，实际电路中开关S可以不需要，S的开关动作用逆变电路中开关的直通与关断来代替。电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，负载电流视为常量。,19,8.3.2 谐振直流环,图8-13 谐振直流环电路的等效电路,图8-14 谐振直流环电路的理想化波形,工作过程 以开关S关断时刻为起点。t0t1时段：t
14、0之前，iLr大于IL，S导通，t0时刻S关断，电路中发生谐振，因为iLrIL，因此iLr对Cr充电，uCr不断升高，直到t1时刻，uCr=Ui。t1t2时段：t1时刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此谐振电流iLr达到峰值，t1以后，iLr继续向Cr充电并不断减小，而uCr进一步升高，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。,20,8.3.2 谐振直流环,t2t3时段：t2以后，uCr向Lr和IL放电，iLr继续降低，到零后反向，Cr继续向Lr放电，iLr反向增加，直到t3时刻uCr=Ui。t3t4时段：t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值，然后iLr开始衰减，uCr继续下降
15、，直到t4时刻，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零。t4t0时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断。谐振直流环电路中电压uCr的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。,图8-13 谐振直流环电路的等效电路,图8-14 谐振直流环电路的理想化波形,21,8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路,图8-15 移相全桥零电压开关PWM电路,移相全桥型零电压开关PWM电路 电路简单，仅仅增加了一个谐振电感，就使电路中四个开关器件都在零电压的条件下开通。控制方式的特点 在一个开关周期TS内，每一个开关导通的时间都略小于TS/2，而关断的时间都略大于TS/2。同一个半桥中上
16、下两个开关不同时处于通态，每一个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0TS/2时间，而S2的波形比S3超前0TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。,22,8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路,图8-16 移相全桥电路的理想化波形,图8-17 移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路图,工作过程 t0t1时段：S1与S4都导通，直到t1时刻S1关断。t1t2时段：t1时刻S1关断后，C1、C2与Lr、L构成谐振回路，如图8-17所示，谐振开始时uA(t1)=Ui，在谐振过程中，uA不断下
17、降，直到uA=0，VDS2导通，iLr通过VDS2续流。,23,8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路,图8-16 移相全桥电路的理想化波形,图8-18 移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路,t2t3时段：t2时刻S2开通，由于VDS2导通，因此S2开通时电压为零，开通过程中不会产生开关损耗，S2开通后，电路状态也不会改变，继续保持到t3时刻S4关断。t3t4时段：t4时刻开关S4关断后，电路的状态变为图8-18所示，这时C3、C4与Lr构成谐振回路，谐振过程中iLr不断减小，B点电压不断上升，直到VDS3导通；这种状态维持到t4时刻S3开通，S3开通时VDS3导通，因此S3是在零电压的条
18、件下开通，开通损耗为零。,24,8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路,图8-16 移相全桥电路的理想化波形,图8-15 移相全桥零电压开关PWM电路,t4t5时段：S3开通后，iLr继续减小，下降到零后反向，再不断增大，直到t5时刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。t0t5时段正好是开关周期的一半，而在另一半开关周期t5t0时段中，电路的工作的过程与t0t5时段完全对称。,25,8.3.4 零电压转换PWM电路,图8-19 升压型零电压转换PWM电路的原理图,零电压转换PWM电路 具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路（PFC）、DC-
19、DC变换器、斩波器等。以升压电路为例，在分析中假设电感L、电容C很大，可以忽略电流和输出电压的波动，在分析中还忽略元件与线路中的损耗。在零电压转换PWM电路中，辅助开关S1超前于主开关S开通，而S开通后S1就关断了，主要的谐振过程都集中在S开通前后。,26,8.3.4 零电压转换PWM电路,图8-20 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形,图 8-21 升压型零电压转换PWM电路在t1t2时段的等效电路,图8-19 升压型零电压转换PWM电路的原理图,工作过程 t0t1时段：辅助开关先于主开关开通，由于此时VD尚处于通态，所以uLr=Uo，iLr按线性迅速增长，iVD以同样的速率下降，直到t
20、1时刻，iLr=IL，iVD下降到零，二极管自然关断。t1t2时段：此时电路可以等效为图8-21，Lr与Cr构成谐振回路，由于L很大，谐振过程中其电流基本不变，对谐振影响很小，可以忽略；谐振过程中iLr增加而uCr下降，t2时刻uCr降到零，VDS导通，uCr被箝位于零，而iLr保持不变。,27,8.3.4 零电压转换PWM电路,图8-19 升压型零电压转换PWM电路的原理图,图8-20 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形,t2t3时段：uCr被箝位于零，而iLr保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断。t3t4时段：t3时刻S开通时，uS为零，因此没有开关损耗，S开通的同时S
21、1关断，Lr中的能量通过VD1向负载侧输送，uLr下降，而iS线性上升，到t4时刻iLr=0，VD1关断，iS=IL，电路进入正常导通状态。t4t5时段：t5时刻S关断，由于Cr的存在，S关断时的电压上升率受到限制，降低了S的关断损耗。,28,8.4 软开关技术新进展,软开关技术出现了以下几个重要的发展趋势 新的软开关电路拓扑的数量仍在不断增加，软开关技术的应用也越来越普遍。在开关频率接近甚至超过1MHz、对效率要求又很高的场合，曾经被遗忘的谐振电路又重新得到应用，并且表现出很好的性能。采用几个简单、高效的开关电路，通过级联、并联和串连构成组合电路，替代原来的单一电路成为一种趋势，在不少应用场合，组合电路的性能比单一电路显著提高。,29,本章小结,本章的重点为：软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类；按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类；每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。,
