整理电力电子装置高频化.docx
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整理电力电子装置高频化
17.0概述
v电力电子装置高频化
–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。
–开关损耗增加，电磁干扰增大。
v软开关技术
–降低开关损耗和开关噪声。
–进一步提高开关频率。
17.1软开关的基本概念
17.1.1硬开关与软开关
v硬开关：
–开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。
–产生较大的开关损耗和开关噪声。
v软开关：
–在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。
–降低开关损耗和开关噪声。
–软开关有时也被成为谐振开关。
v工作原理：
–软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。
谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。
17.1.2零电压开关与零电流开关
v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。
图7-1零电压开关准谐振电路及波形
a）电路图b）理想化波形
–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7-2硬开关电路及波形
a）电路图b）理想化波形
v零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
v零电压关断：
与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。
v零电流开通：
与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。
v简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。
17.2软开关电路的分类
v根据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。
v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。
v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具体电路
图7-3基本开关单元的概念
a）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元
1．准谐振电路
v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。
v为最早出现的软开关电路，可以分为：
•零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）；
图7-4准谐振电路的基本开关单元
a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元
b）零电流开关准谐振电路的基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路的基本开关单元
•零电流开关准谐振电路（Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）；
•零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）；
•用于逆变器的谐振直流环节（ResonantDCLink）。
v特点：
–谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；
–谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，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（PulseFrequencyModulation—PFM）方式来控制。
2．零开关PWM电路
v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。
v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电路的基本开关单元
a）零电压开关PWM电路的基本开关单元
b）零电流开关PWM电路的基本开关单元
v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。
3．零转换PWM电路
v采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。
v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
v特点：
•电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。
•电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
17.3典型的软开关电路
17.3.1零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的理想化波形
v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）
图7-9零电压开关准谐振电路在t0～t1时段等效电路
v工作原理
–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。
–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。
图7-10零电压开关准谐振电路在t1～t2时段等效电路
– 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。
v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）
v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。
17.3.2谐振直流环
v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
v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。
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
–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。
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
v缺点：
电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。
17.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路
v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；
v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
v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Cs1、Cs2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。
图7－16移相全桥电路在t1～t2阶段的等效电路图
–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Cs3、Cs4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7－17移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路
17.3.4零电压转换PWM电路
v零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点。
图7－18升压型零电压转换PWM电路的原理图
v工作过程：
辅助开关S1超前于主开关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。
图7－20升压型零电压转换PWM电路在t1～t2时段的等效电路
•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7－19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形
本章小结
本章的重点为：
1）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。
2）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。
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。
图7-1零电压开关准谐振电路及波形
a）电路图b）理想化波形
图7-2硬开关电路及波形
a）电路图b）理想化波形
图7-3基本开关单元的概念
a）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元
图7-4准谐振电路的基本开关单元
a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元
b）零电流开关准谐振电路的基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路的基本开关单元
图7-5零开关PWM电路的基本开关单元
a）零电压开关PWM电路的基本开关单元
b）零电流开关PWM电路的基本开关单元
图7-6零转换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
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的理想化波形
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
图7-11谐振直流环电路原理图
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
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
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
图7-18升压型零电压转换PWM电路的原理
图7-19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形
A.环境影响报告表
图7-20升压型零电压转换PWM电路在t1~t2时段的等效电路
2.环境影响评价的概念
（5）法律、行政法规和国务院规定的其他建设项目。
（2）疾病成本法与人力资本法
一、环境影响评价的发展与管理体系、相关法律法规体系和技术导则的应用
疾病成本法和人力资本法将环境污染引起人体健康的经济损失分为直接经济损失和间接经济损失两部分。
直接经济损失有：
预防和医疗费用、死亡丧葬费；间接经济损失有：
影响劳动工时造成的损失（包括病人和非医务人员护理、陪住费）。
这种方法一般通常用在对环境有明显毒害作用的特大型项目。
3）按行业分。
国家污染物排放标准分为跨行业综合性排放标准和行业性排放标准。
《中华人民共和国环境保护法》和其他相关法律还规定：
“建设项目防治污染的设施，必须与主体工程同时设计，同时施工，同时投产使用（简称“三同时”）。
防治污染的设施必须经原审批环境影响报告书的环境保护行政部门验收合格后，该建设项目方可投入生产或者使用。
”“三同时”制度和建设项目竣工环境保护验收是对环境影响评价的延续，从广义上讲，也属于环境影响评价范畴。
建设项目所处环境的敏感性质和敏感程度是确定建设项目环境影响评价类别的重要依据，环境影响评价文件应当就该项目对环境的影响做重点分析。
大纲要求
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