电力电子技术课件--第8章-软开关技术----2011

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2/29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。3/298.1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4/298.1.1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。UiSVDLCRSuSiSuVDt0t1ttttOOOOa)b)关断过程开通过程图8-1硬开关降压型电路及波形a）电路图b）理想化波形t0uiP0uituuiiP00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)5/298.1.1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，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。UiCrSVDSLrVDLCARSuS(uCr)iLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5iSOOOOOa)b)关断过程开通过程Pui0uitt0uiP0uitt0uu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b)关断过程a)开通过程6/298.1.2零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。7/298.2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。8/298.2软开关电路的分类SVDLrLCrSVDLrLCr1Cr2SLrCrVDLa)b)c)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☞零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）☞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）9/298.2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（PulseFrequencyModulation—PFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。12/298.3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13/298.3.1零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◆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。14/298.3.1零电压开关准谐振电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu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t0~t1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。☞t0~t1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；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rrddCItuLC(8-1)15/298.3.1零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SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu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t1~t2时段等效电路☞t1~t2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。☞t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr改变方向，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。☞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。16/298.3.1零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SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu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],[,,dddd41rirrrrirrr11tttIiUuituCUutiLLttLttCLCCL(8-2)☞t4~t5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。iLr=0后，uVD=0，S才可以开通。☞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rirddLUtiL☞t6~t0时段：S为通态，VD为断态。(8-3)17/298.3.1零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],[,1,)(sin)(41rrri1rrrrtttCLUttICLtuLC☞[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irrpUICLUL☞零电压开关准谐振电路实现软开关的条件irrUICLL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。18/298.3.2谐振直流环图8-12谐振直流环电路原理图图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不存在，S的开关动作采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。19/298.3.2谐振直流环图8-13谐振直流环电路的等效电路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO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。☞t0~t1时段：t0之前，iLr大于IL，S导通，t0时刻S关断（例如，S2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。☞t1~t2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。20/298.3.2谐振直流环☞t2~t3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。☞t3~t4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，直到t4时刻，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零。☞t4~t0时段：驱动S4，电流iLr线性上升，至iLr=0时，S4直零电压开通。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t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图8-14谐振直流环电路的理想化波形21/298.3.3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V1-V4和V2-V3，V1的波形比S4超前0~TS/2时间，而V3的波形比S2超前0~TS/2时间，因此称V1和V3为超前的桥臂，而称V2和V4为滞后的桥臂。22/298.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路在一个开关周期TS内，共有12种开关模式，分析半周期6个开关模式。TS/223/298.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路t0之前：主开关管V1，V4导通。初级电流流经V1、变压器初级绕组、谐振电感Lr、V4。整流二极管DR1导通，DR2截止，初级向次级供电。**8.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路24/29t0-t1：t0时关断V1，电路模式如图，C1充电，C3放电。谐振电感Lr和滤波Lf电感是串联的,且Lf很大，故可以认为iP近似恒定（略微下降），相当于电流源。C1电压：由零线性上升，因此V1是零电压关断（有关断损耗）。在t1时，C3上的电压下降到接近零，D3自然导通。开关模式1结束。持续时间：t0-1=2CUi/I1**urect8.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路25/29t1-t2：t1时D3导通，将V3上的电位箝位到零位，此时驱动V3，则V3是零电压开通，但V3没有电流流过。V1、V3驱动信号死区时间tdt0-1。这段时间，初级电流等于滤波电感折算过来的电流，iP=iLf/K。t2