第7章-谐振软开关技术

第7章谐振软开关技术为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效可靠地运行，近年来研究并开始应用了软开关技术。教学要求：（1）掌握软开关的基本概念、特性及其类型；（2）掌握准谐振与多谐振变换电路、零开关PWM变换电路、零转换PWM变换电路和直流环节谐振型逆变电路的工作原理及工作过程。7.1谐振软开关的基本概念一、硬开关的开关损耗1、典型的开关损耗suttsusisusionUsIsUonsUIPsiontofft16onsssonPfUIt开通损耗：关断损耗：16offsssoffPfUIt2、Buck电路中器件的开关损耗dUVTuVTioIVTVDtVTuVTioIdUVTuVTiontofft12onsdoonPfUIt12offsdooffPfUItBuck电路中器件的开关损耗更为严重二、软开关特性1、零电压开通、零电流关断VTuVTiguVTuVTitt002、软开通、软关断VTuguVTitt00t0PonPoffPVTVTui三、谐振软开关电路的类型1、准谐振与多谐振变换电路2、零开关PWM变换电路3、零转换PWM变换电路4、直流环节谐振型逆变电（RDCLI）7.2准谐振与多谐振变换电路7.2.1零电流开关准谐振变换电路（ZCSQRC）1.基本工作原理iUVTsVDVDrLfLrCfCR+-+-CruoULri(a)半波模式iUVTVDrLfLrCfCR+-+-CruoULri(b)全波模式若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于“半波模式”；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工作于“全波模式”。2.工作过程分析iUVTsVDVDrLDi(a)oIiUrLrC+-Lri(b)oIiUrLrC+-(c)oIiUVDrL+-(d)oI+-Cru+TuLri--+Ci-+Ci-+Di23[,]tt12[,]tt34[,]tt01[,]ttTuTuTuCruCruCruVTsVDsVDsVD1.半波模式由于有谐振的作用，当谐振电感rL中通过的电流为零时，开关管VT导通，从而实现开关管零电流开通；VT导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，从而实现开关管的零电流关断。当rL中的电流为零时，开关管断开，2.全波模式iUVTVDrL+-CruLri(a)oI+-TuiUsVDrLrC+-Lri(c1)oI+-TuiUVTrLrC+-Lri(b)oI+-TuiUrLrC+-(c2)oI+-TuiUVDrL+-(d)oI+-TuCruCruCruCruDiCi12[,]tt01[,]tt2[,]bttCiCi3[,]btt34[,]ttDisTguttttLriirUZoI0000TuiUiU2iUCru1t2tbt3t4t0tsTguttttLrioI0000TuiUiU2iUCru1t2t3t4t0t(a)半波模式(b)全波模式irUZ和3.(1)阶段01[,]tt0tVT0CruLri在时刻，开关管开通，二极管仍处于导通态，，oIDoLriIioI从零线性上升至，从线性下降为零，二极管自然关断。(2)12[,]tt阶段（谐振阶段）1()sin()iLrorrUitIttZ1()[1cos()]CrirutUtt(3)23[,]tt阶段（电容放电）(4)34[,]tt阶段（续流时期）关断，即在零电流下关断之后，使开关对于半波模式，2ttVT2ttLri对于全波模式，在之后，反向流动，sVDrC导通，电容经rLsD、向电源回馈电流rCrL的设计和选用max2irroULfImax2orriICfU7.2.2零电压开关准谐振变换电路（ZVSQRC）1.基本工作原理iUVTsVDVDrLfLrCfCR+-+-CruoULri+-TuTiciDi+-Du在ZVSQRC中，谐振电容与有源开关并联，谐振电感与有源开关串联。由于有谐振的作用，当谐振电容中两端电压为零时，开关管闭合，从而实现开关管的零电压开通；开关管导通后，在任意时刻其两端电压可近似为零，此时关断可实现开关管的零电压关断。2.工作过程分析假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。iUrLrC+-CruLricioIiUVDrLrC+-CruLriciDi+-DuoI(a)(b)0,1[]tt1,4[]tt零电压开关准谐振变换电路的等效电路iUsVDVDrLLriDi+-DuoI(c)4,5[]ttiUrLrC+-CruLricioIiUVDrLrC+-CruLriciDi+-DuoI(a)(b)0,1[]tt1,4[]ttsTgut0CrTuuroZIoIiUoITi5t1t2t3t4t6t0tLrittt000(1)[t0,t1]阶段VT关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极管VD两端电压线性下降。VD导通，电感通过VD续流，电感、电容和二极管形成谐振回路，t2时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。Lri改变方向，达到反向谐振峰值，CriuU1()cos()LroritItt1()sin()CrirorutUZIttVDs导通，电容电压被钳为零，电感电流线性衰减，直到t4时刻，电感电流为零，这时使开关管开通为零电压下开通。VT为通态，二极管截止，电源对负载供电。LroiI(2)[t1,t2]阶段(3)[t2,t3]阶段(4)[t3,t4]阶段(5)[t4,t5]阶段(6)[t5,t6]阶段7.2.3零电压开关多谐振变换电路（ZVSMRC）iUVTVDrLfLsCfCR+-+-CsuoULri+-TuTiDi+-DudCiUVDrLLriTiDiiULriTi+-DudCiUrLsC+-CsuLri+-DudCiUVDrLsC+-CsuLriDioI(a)oI(b)oI(c)01[,]tt],[32tt12[,]ttoI(d)],[43ttrL(1)[t0,t1]阶段(Lr充电)在t=t0时刻，，开关管在零电压条件下导通，电感电流线性增长，直到0TCsuuLroiILroiI(2)[t1,t2]阶段(Lr-Cd谐振——第一次谐振)二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次谐振），相当于ZCSQRC的谐振阶段，gu0tt0TuoI0t0t0Lrit01t2t3t4tt0tTioIDuDi(3)[t2,t3]阶段(Lr-Cd-Cs谐振——第二次谐振)(4)[t3,t4]阶段(Lr-Cs谐振——第三次谐振)在t=t2时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次谐振）谐振状态(第三次谐振)，相当于ZVSQRC的谐振阶段在t=t2时刻，二极管上电压下降到零，管导通，电路进入7.3零开关PWM变换电路7.3.1零电流开关PWM变换电路（ZCSPWM）BuckZCSPWM变换电路需要作出如下几点假设：①所有开关管、二极管均为理想器件；iU1VT2VDVDrLfLrCfCR+-+-CruoULri+-1Tu1TiciDi+-Du2VT1VD1gu2gufCfL③假定和都很大，可以等效为电压源和电流源。②电感、电容均为理想元件；设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态，续流二极管导通。变换电路的等值电路oIiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1TiDi+-Du2VT1VDoI(a)iU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1Tici+-Du2VT1VD(b)01[,]tt12[,]tt1VDiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1Ti+-Du2VToI(c)23[,]ttiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1Ti+-Du2VToI(d1)33[,]ttciiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu+-Du2VToI(d2)34[,]ttciiU1VT2VDVDrLrC+-Cru+-1Tu+-Du2VToI(e)45[,]ttciiU1VT2VDVDrLrC+-Cru+-1Tu+-Du2VToI(f)56[,]tt1VD1VD1VD1VDoIiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1TiDi+-Du2VT1VDoI(a)iU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1Tici+-Du2VT1VD(b)01[,]tt12[,]tt1VDiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1Ti+-Du2VToI(c)23[,]ttiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1Ti+-Du2VToI(d1)33[,]ttciiU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu+-Du2VToI(d2)34[,]ttciiU1VT2VDVDrLrC+-Cru+-1Tu+-Du2VToI(e)45[,]ttciiU1VT2VDVDrLrC+-Cru+-1Tu+-Du2VToI(f)56[,]tt1VD1VD1VD1VD变换电路的工作波形1gu0tt0CruoI0t0t0Lrit01t2t3t4tt0t1Tu2gu2TuiU5t6t3tiUiU(1)[t0,t1]阶段（电感线性充电）在t=t0时刻，VT1导通，电感电流线性上升，续流二极管的电流线性下降，当t=t1时刻，续流二极管自然关断。LroiI(2)[t1,t2]阶段（电容谐振充电）在t1tt2期间，VD2导通，电源经VT1、Lr、VD2对Cr谐振充电，当t=t2时刻，LroiI2CriuU1()[1cos()]CrirutUtt1()sin()iLrorrUitIttZ(3)[t2,t3]阶段（电感恒流）LroiI2CriuU(4)[t3,t4]阶段（电容谐振放电）当t=t3时刻，驱动VT2，在期间，负电流经VD1返回电源，开关管VT1的电流且电压，可使VT1在零电流下关断。34[,]ttLri10Ti10Tu(5)[t4,t5]阶段（电容线性放电）(6)[t5,t6]阶段（续流模式）开关管VT1已关断，续流二极管VD截止，Cr经VT2对负载恒流放电，电容电压线性下降到零当t=t5时刻，0Cru，二极管VD导通，DoiI当tt5时，撤除VT2的驱动信号，则VT2也是零电流关断。当t=t6时刻，VT1被驱动，开始下一个开关周期。7.3.2零电压开关PWM变换电路（ZVSPWM）BuckDC/DCZVSPWM变换电路iU1VT2VDVDrLfLrCfCR+-+-CruoULri+-1Tu1TiDi+-Du2VT1VD1gu2gu+-LruoIfCfL③假定和都很大，可以等效为电压源和电流源。①所有开关管、二极管均为理想器件；②电感、电容均为理想元件；为了简化分析，在以下的分析中假设：设初始状态为主开关管VT1和辅助开关管VT2均处于导通状态，续流二极管VD截止，电感电流，电容电压。LroiI0Cru变换电路的工作波形1gu0tt01CrTuuoI0t0t0Lrit01t2t3t4tt0t1Ti2guLruiU5t3tiU0tDuiUoI(1)[t0,t1]阶段（电感线性充电）iU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1TiDi+-Du2VT1VD+-LruoIVT1关断，uCr线性上升，当t=t1时刻，uCr=Ui，VD导通(2)[t1,t2]阶段（自然续流）iLr=I0经VT2、VD2续流，uCr=Ui不变。通过调节VT2的关断时刻t2调控输出电压。iU1VT2VDVDrLrC+-CruLri+-1Tu1TiDi+-Du2VT1VD+-LruoI(3)[t2,t3]阶段（谐振阶段）iU1VT2VDVDrLrC+-Lri+-1Tu1TiDi+-Du2VT1VD+-LruoICruVT2令电压关断关断，Lr和Cr发生谐振，当t=t3时刻，uCr=02()sin()CriorrutUIZtt2()cos()LroritItt(4)[t3,t4]阶段（电感充电）uCr=0，iLr为负值，VD1导通，iLr经VD1