软开关技术.docx

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软开关技术

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，与其并联的电容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。

电感Lr+L向Cr充电，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：

（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时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。

t1到t4时段电路谐振过程的方程为：

（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，所以必须在这一时段使开关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的变化率为：

（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的电压uS）的表达式：

（7-4）

uCr的谐振峰值表达式（即开关S承受的峰值电压）：

（7-5）

零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：

（7-6）

缺点：

谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。

（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7-11谐振直流环电路原理图

电路的工作过程：

将电路等效为图7-12。

t0~t1时段：

t0时刻之前，开关S处于通态，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时刻以后，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降低，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的反并联二极管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。

缺点：

电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。

图7-12谐振直流环电路的等效电路

图7-13谐振直流环电路的理想化波形

（3）移相全桥型零电压开关PWM电路

同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通；

移相全桥电路控制方式的特点：

在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；

同一半桥中两个开关不同时处于通态，每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0~TS/2时间，而S2的波形比S3超前0~TS/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。

图7-14移相全桥零电压开关PWM电路

图7-15移相全桥电路的理想化波形

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正处于导通状态，因此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同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此C3、C4与Lr构成谐振回路。

Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。

这种状态维持到t4时刻S3开通。

因此S3为零电压开通。

t4~t5时段：

S3开通后，Lr的电流继续减小。

iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。

图7-16移相全桥电路在t1~t2阶段的等效电路图

图7-17移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路

（4）零电压转换PWM电路

零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点。

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尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长，VD中的电流以同样的速率下降。

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的电流增加而Cr的电压下降，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，这种状态一直保持到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开通的同时S1关断，Lr中的能量通过VD1向负载侧输送，其电流线性下降，主开关S中的电流线性上升。

t4时刻iLr=0，VD1关断，主开关S中的电流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电压的上升率，降低了S的关断损耗。

图7-18升压型零电压转换PWM电路的原理图

图7-19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形

图7-20升压型零电压转换PWM电路在t1~t2时段的等效电路