电力电子技术-Chapter7

电电力力电电子子技技术术PowerElectronicsPowerElectronics电力电子技术电力电子技术第第77章章学习指导学习指导Ø软开关是指，通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而减小甚至消除开关损耗和开关噪声。Ø软开关分为零电压开关与零电流开关。根据软开关技术发展的历程，软开关变换器分为准谐振变换器、PWM软开关变换器。电力电子技术电力电子技术第第77章章学习指导学习指导Ø准谐振变换器（QRC）的特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，而不是全程参与。Ø准谐振变换器分为零电压开关准谐振变换器（ZVSQRC），零电流开关准谐振变换器（ZCSQRC），零电压开关多谐振变换器（ZVSMRC），和用于逆变器的谐振直流环节（ResonantDC－Link），这类变换器也需要采用频率调制方法。Ø准谐振软开关DC/DC变换器最主要的特点就是利用PFM调压，这使得电源的输入滤波器、输出滤波器的设计复杂化，并影响系统的噪声。电力电子技术电力电子技术第第77章章学习指导学习指导Ø常规的PWM变换器开关频率恒定，控制方法简单。Ø在准谐振软开关DC/DC变换器中，谐振产生在整个开关管导通或开关管关断过程，若把谐振控制在开关管导通前或关断前很小一段时间内，且谐振半周期远小于开关周期，这就构成了PWM软开关变换器。ØPWM软开关变换器主要分为零开关PWM变换器、零转换PWM变换器和移相全桥软开关PWM变换器。电力电子技术电力电子技术第第77章章学习指导学习指导Ø本章主要讨论软开关的基本概念与分类，谐振型软开关变换器、准谐振软开关变换器和PWM软开关变换器的电路构成和基本的工作原理。建议重点学习以下主要内容：Ø1）软开关的基本概念与分类、软开关电路的分类。Ø2）准谐振软开关电路的工作原理和电路工作特点。Ø3）零电压、零电流开关电路的构成特点、工作原理；零转换开关电路的构成特点、工作原理；移相控制软开关PWM全桥变换器的工作原理。电力电子技术电力电子技术第第77章章软开关变换器软开关变换器123概述准谐振软开关变换器PWM软开关变换器基本内容电力电子技术电力电子技术Ø常规的DC/DCPWM功率变换技术进一步提高开关频率会面临许多问题。Ø随着开关频率的提高，一方面开关管的开关损耗会成正比的上升，使电路的效率大大的降低，从而使变换器处理功率的能力大幅下降；另一方面，系统会对外产生严重的电磁干扰（EMI）。Ø所谓软开关，通常是指零电压开关ZVS（ZeroVoltageSwitching）和零电流开关ZCS（ZeroCurrentSwitching）或近似零电压开关与零电流开关。7.1概述电力电子技术电力电子技术Ø硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流而完成能量的变换；Ø而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中的电流（或其两端的电压）按正弦或准正弦规律变化，当电流过零时，使器件关断，或者当电压下降到零时，使器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使器件的开关损耗在理论上为零。Ø软开关技术的应用使电力电子变换器可以具有更高的效率，功率密度和可靠性同时得到提高，并有效的减小电能变换装置引起的电磁干扰和噪声等。7.1概述电力电子技术电力电子技术7.1.1功率电路的开关过程Ø在功率变换电路中，每只功率管都要进行开通与关断控制。Ø功率管在开通时开关管的电压不是瞬时下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是瞬时上升到负载电流，也有一个上升时间。Ø在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，通常称之为开通损耗（Turn-onloss），如图7-1(a)所示。（a）开通过程图7-1开关管开通与关断过程的电压电流及功率损耗曲线电力电子技术电力电子技术7.1.1功率电路的开关过程Ø当开关管关断时，开关管的电压不是瞬时从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是瞬时下降到零，也有一个下降时间。Ø在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，通常称之为关断损耗（Turn-offloss），如图7-1(b)所示。（a）关断过程图7-1开关管开通与关断过程的电压电流及功率损耗曲线电力电子技术电力电子技术7.1.1功率电路的开关过程Ø可见当功率管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switchingloss），通常可由一个开关周期的平均开通和关断损耗求出。Ø假设导通后流入功率管电流为IC，关断后功率管承受的电压为UC，导通时的管压降忽略不计，则由图7-1分析，不难求得导通和关断过程功率管的电流、电压瞬时值i、u。Ø开通过程：Ø关断过程：ttIionC=ttUUuonCC-=ttIIioffCC-=ttUuoffC=电力电子技术电力电子技术7.1.1功率电路的开关过程Ø一个开关周期的平均开通和关断损耗PS为：][1offon00offonòò+=+=ttSiudtiudtTPPP÷÷øöççèæ-+-*=òòonoff00offCoffCConCCon)()(ttCtdttUttIIdtttUUttIfCCoffon6IfUtt+=7-1式中：PS—功率管开关损耗；ton—功率管开通时间；toff——功率管关断时间；f—功率管开关频率；UC—关断后功率管承受的电压；IC—导通后流入功率管电流。Ø在工作电压和工作电流一定的条件下，功率管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比。Ø开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。同时，开关管工作在硬开关时还会产生较高的di/dt和dv/dt，从而产生较大的电磁干扰。电力电子技术电力电子技术7.1.2软开关的特征及分类Ø通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。Ø软开关电路中典型的开关过程如图7-2所示，具有这样开关过程的开关称为软开关。图7-2软开关的开关过程电力电子技术电力电子技术7.1.2软开关的特征及分类Ø使开关开通前两端电压为零，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；使开关关断前流过其电流为零，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；零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。Ø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，但断态时功率管的电压应力增大；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，但通态时功率管的电流应力增大。这样的开关过程一般给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，是得不偿失的，因此常与零电压开通和零电流关断配合应用。电力电子技术电力电子技术7.1.2软开关的特征及分类Ø软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，新型的软开关拓扑仍不断的出现。Ø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。通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。Ø根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成全谐振型变换器或谐振型变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器和零转换PWM变换器。电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性Ø谐振电路是谐振变换器的基本单元，它包括串联谐振电路和并联谐振电路。Ø1）串联谐振电路Ø（1）基本的串联谐振电路基本的串联谐振电路如图7-3（a）所示，Lr是谐振电感，Cr是谐振电容，Ui是输入直流电源。LrCriLruCrUi(a)图7-3基本的串联谐振电路电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性Ø根据图7-3（a），列出电路微分方程为LrCriLruCrUi(a)图7-3基本的串联谐振电路ïïîïïíì==+LrCrrCrLrridtduCUudtdiLi7-2Ø假设t0时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t0)=ILr0，谐振电容的初始电压uCr(t0)=UCr0，解微分方程组7-2得为)(sin)(cos)(0rr0Cri0r0LrLrttZUUttIti--+-=ww)(sin)(cos)()(0r0Lrr0r0CriiCrttIZttUUUtu-+---=ww7-37-4rrr/1CL=wrrr/CLZ=式中，谐振角频率；，特征阻抗。电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性Ø若电路的初始状态为零初始状态，即ILr0=iLr(t0)=0，UCr0=uCr(t0)=0，则(b)图7-3基本的串联谐振电路)(sin)(0rriLrttZUti-=w)(cos)(0riiCrttUUtu--=w7-57-6Ø此时，谐振电容电压最大值为UCrmax=2Ui，谐振电感电流的最大值为ILrmax=Ui/Zr，仅决定于电源电压Ui和特征阻抗Zr。如果Lr变小或Cr变大，谐振电感电流的最大值增大，而谐振电容电压的最大值不变。iLr和uCr分别按正弦和余弦规律变化，如图7-3(b)所示。表明谐振电感和谐振电容所储的能量相互交换，uCr达到最大值时，iLr则正好为零。电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性Ø（2）谐振电容并联电流源的串联谐振电路Ø在串联谐振电路的谐振电容上并联一个电流源，即构成另一类串联谐振电路，其电路结构如图7-4（a）所示。Ø根据图7-4（a），列出电路微分方程为(a)图7-4谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路ïïîïïíì-==+0LrCrriCrrIidtduCUudtdiLLr7-7电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性Ø假设在t0时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t0)=ILr0，谐振电容的初始电压uCr(t0)=UCr0，解微分方程组（7-7），得到(a)图7-4谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路)(sin)(cos)()(0rr0Cri0r00Lr0LrttZUUttIIIti--+--+=ww7-8)(sin)()(cos)()(0r00Lrr0r0CriiCrttIIZttUUUtu--+---=ww7-9rrr/1CL=wrrr/CLZ=式中，谐振角频率；，特征阻抗。电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性Ø由式7-10、式7-11可知，谐振电容并联电流源的串联谐振电路，仅在谐振电感电流中增加了一个直流分量Io，如图7-4（b）所示。图7-4谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路)(sin)(0rri0LrttZUIti-+=w7-10)(cos)(0riiCrttUUtu--=w7-11Ø假设电路初始状态为零初始状态，即ILr0=iLr(t0)=I0，UCr0=uCr(t0)=0，则(a)Ui/Zr+I02UiuCriLrt0I0t(b)电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性Ø2）并联谐振电路Ø基本的并联谐振电路如图7-5(a)所示，图中Lr是谐振电感，Cr是谐振电容,Ii是输入直流电流源。Ø根据图7-5(a)，列出电路微分方程为图7-5基本的并联谐振电路(a)ïïîïïíì==+CrLrriCrrLrudtdiLIdtduCi7-12电力电子技术电力电子技术7.1.3谐振电路的构成与特性图7-5基本的并联谐振电路Ø假设在t0时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t0)=ILr0，谐振电容的初始电压uCr(t0)=UCr0，解微分方程组7-12得(a))(sin)(cos)()(0rr0Cr0ri0LriLrttZUttIIIti-+--+=ww7-13)(sin)()(cos)(0r0Lrir0r0Cr0CrttII