软开关关键技术.docx
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软开关关键技术
第7章软开关技术
重要内容：
软开关技术分类，各种软开关电路原理及应用。
电力电子装置高频化
长处：
滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。
缺陷：
开关损耗增长，电磁干扰增大。
软开关技术作用：
减少开关损耗和开关噪声；进一步提高开关频率。
1软开关基本概念
（1）硬开关与软开关
硬开关：
开关开通和关断过程随着着电压和电流激烈变化，产生较大开关损耗和开关噪声。
软开关：
在电路中增长了小电感、电容等谐振元件，在开关过程先后引入谐振，使开关条件得以改进。
减少开关损耗和开关噪声，软开关有时也被称为谐振开关。
工作原理：
软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流波形类似于正弦半波。
谐振减缓了开关过程中电压、电流变化，并且使S两端电压在其开通前就降为零。
（2）零电压开关与零电流开关
软开关分类：
零电压开关：
使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。
零电流开关：
使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。
图7-1零电压开关准谐振电路及波形
a）电路图b）抱负化波形
图7-2硬开关电路及波形
a）电路图b）抱负化波形
零电压开通和零电流关断要靠电路中谐振来实现。
零电压关断：
与开关并联电容能使开关关断后电压上升延缓，从而减少关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。
零电流开通：
与开关相串联电感能使开关开通后电流上升延缓，减少了开通损耗，有时称之为零电流开通。
简朴运用并联电容实现零电压关断和运用串联电感实现零电流开通普通会给电路导致总损耗增长、关断过电压增大等负面影响，因而是得不偿失。
2软开关电路分类
依照开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。
依照软开关技术发展历程可以将软开关电路提成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出详细电路。
图7-3基本开关单元概念
a）基本开关单元b）降压斩波器中基本开关单元
c）升压斩波器中基本开关单元d）升降压斩波器中基本开关单元
（1）准谐振电路
准谐振电路中电压或电流波形为正弦半波，因而称之为准谐振。
为最早浮现软开关电路，可以分为：
零电压开关准谐振电路（ZVSQRC）；
零电流开关准谐振电路（ZCSQRC）；
零电压开关多谐振电路（ZVSMRC）；
用于逆变器谐振直流环节
（ResonantDCLink）。
图7-4准谐振电路基本开关单元
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元
特点：
谐振电压峰值很高，规定器件耐压必要提高；
谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率互换，电路导通损耗加大；
谐振周期随输入电压、负载变化而变化，因而电路只能采用脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation—PFM）方式来控制。
（2）零开关PWM电路
引入了辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于开关过程先后。
零开关PWM电路可以分为：
零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）；
零电流开关PWM电路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）。
图7-5零开关PWM电路基本开关单元
a）零电压开关PWM电路基本开关单元b）零电流开关PWM电路基本开关单元
特点：
电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受电压明显减少；
电路可以采用开关频率固定PWM控制方式。
（3）零转换PWM电路
采用辅助开关控制谐振开始时刻，但谐振电路是与主开关并联。
零转换PWM电路可以分为：
零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）；
零电流转换PWM电路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）。
图7-6零转换PWM电路基本开关单元
a）零电压转换PWM电路基本开关单元b）零电流转换PWM电路基本开关单元
特点：
电路在很宽输入电压范畴内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。
电路中无功功率互换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
3典型软开关电路
（1）零电压开关准谐振电路
图7-7零电压开关准谐振电路原理图
图7-8零电压开关准谐振电路抱负化波形
工作原理：
t0~t1时段：
t0时刻之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL
t0时刻S关断，与其并联电容Cr使S关断后电压上升减缓，因而S关断损耗减小。
S关断后，VD尚未导通。
电感Lr+L向Cr充电，uCr线性上升，同步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上升率：
（7-1）
t1~t2时段：
t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。
t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。
t2~t3时段：
t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。
图7-9零电压开关准谐振电路在t0~t1时段等效电路
图7-10零电压开关准谐振电路在t1~t2时段等效电路
t3~t4时段：
t3时刻后来，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。
t1到t4时段电路谐振过程方程为：
（7-2）
t4~t5时段：
VDS导通，uCr被箝位于零，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，因此必要在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。
t5~t6时段：
S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。
t4到t6时段电流iLr变化率为：
（7-3）
t6~t0时段：
S为通态，VD为断态。
谐振过程定量分析
求解式（7-2）可得uCr（即开关S电压uS）表达式：
（7-4）
uCr谐振峰值表达式（即开关S承受峰值电压）：
（7-5）
零电压开关准谐振电路实现软开关条件：
（7-6）
缺陷：
谐振电压峰值将高于输入电压Ui2倍，增长了对开关器件耐压规定。
（2）谐振直流环
谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路中间直流环节（DC-Link）。
通过在直流环节中引入谐振，使电路中整流或逆变环节工作在软开关条件下。
图7-11谐振直流环电路原理图
电路工作过程：
将电路等效为图7-12。
t0~t1时段：
t0时刻之前，开关S处在通态，iLr>IL。
t0时刻S关断，电路中发生谐振。
iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。
t1~t2时段：
t1时刻，谐振电流iLr达到峰值。
t1时刻后来，iLr继续向Cr充电，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。
t2~t3时段：
uCr向Lr和L放电，iLr减少，到零后反向，直到t3时刻uCr=Ui。
t3~t4时段：
t3时刻，iLr达到反向谐振峰值，开始衰减，uCr继续下降，t4时刻，uCr=0，S反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零。
t4~t0时段：
S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断。
缺陷：
电压谐振峰值很高，增长了对开关器件耐压规定。
图7-12谐振直流环电路等效电路
图7-13谐振直流环电路抱负化波形
（3）移相全桥型零电压开关PWM电路
同硬开关全桥电路相比，仅增长了一种谐振电感，就使四个开关均为零电压开通；
移相全桥电路控制方式特点：
在开关周期TS内，每个开关导通时间都略不大于TS/2，而关断时间都略不不大于TS/2；
同一半桥中两个开关不同步处在通态，每个开关关断到另一种开关开通都要通过一定死区时间。
互为对角两对开关S1-S4和S2-S3，S1波形比S4超前0~TS/2时间，而S2波形比S3超前0~TS/2时间，因而称S1和S2为超前桥臂，而称S3和S4为滞后桥臂。
图7-14移相全桥零电压开关PWM电路
图7-15移相全桥电路抱负化波形
工作过程：
t0~t1时段：
S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。
t1~t2时段：
t1时刻开关S1关断后，电容C1、C2与电感Lr、L构成谐振回路，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。
t2~t3时段：
t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处在导通状态，因而S2为零电压开通。
t3~t4时段：
t4时刻开关S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同步导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相称于短路，因而C3、C4与Lr构成谐振回路。
Lr电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3反并联二极管VDS3导通。
这种状态维持到t4时刻S3开通。
因而S3为零电压开通。
t4~t5时段：
S3开通后，Lr电流继续减小。
iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1电流下降到零而关断，电流IL所有转移到VD2中。
图7-16移相全桥电路在t1~t2阶段等效电路图
图7-17移相全桥电路在t3~t4阶段等效电路
（4）零电压转换PWM电路
零电压转换PWM电路具备电路简朴、效率高等长处。
工作过程：
辅助开关S1超前与主开关S开通，S开通后S1关断。
t0~t1时段：
S1导通，VD尚处在通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长，VD中电流以同样速率下降。
t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。
t1~t2时段：
Lr与Cr构成谐振回路，Lr电流增长而Cr电压下降，t2时刻uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。
t2~t3时段：
uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变，这种状态始终保持到t3时刻S开通、S1关断。
t3~t4时段：
t3时刻S开通时，为零电压开通。
S开通同步S1关断，Lr中能量通过VD1向负载侧输送，其电流线性下降，主开关S中电流线性上升。
t4时刻iLr=0，VD1关断，主开关S中电流iS=IL，电路进入正常导通状态。
t4~t5时段：
t5时刻S关断。
Cr限制了S电压上升率，减少了S关断损耗。
图7-18升压型零电压转换PWM电路原理图
图7-19升压型零电压转换PWM电路抱负化波形
图7-20升压型零电压转换PWM电路在t1~t2时段等效电路
本章小结
本章重点为：
1）软开关技术通过在电路中引入谐振改进了开关开关条件，大大减少了硬开关电路存在开关损耗和开关噪声问题。
2）软开关技术总来说可以分为零电压和零电流两类。
按照其浮现先后，可以将其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类。
每一类都包括基本拓扑和众多派生拓扑。
3）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代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中典型应用。
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