1、1,5.1 软开关的基本概念 5.2 软开关电路的分类 5.3 典型的软开关电路,第5章 软开关技术,2,开关电源的发展趋势 小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性也有很高要求。 电力电子装置高频化 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。 大幅度提高开关频率。,引言,3,5.1.1 硬开关与软开关,5.1 软开关的基本概念,硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠区。 电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲和振荡，导致开关噪声的产生。,图5-1 硬开关电路的开关过程 a) 硬开
2、关开通过程 b) 硬开关关断过程,4,硬开关过程: 产生较大的开关损耗和开关噪声; 2)开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，发热量增大，温升提高，阻碍了开关频率的提高； 3)开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。,5,软开关： 在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，消除开关过程中电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。,图5-2 软开关电路的开关过程 a) 软开关开通过程 b) 软开关关断过程,6,5.1.2 零电压开关与零电压开关,零电压开通 开关开通前其两端电压为零,开通时不会产生损耗和
3、噪声。 零电流关断 开关关断前电流为零,关断时不会产生损耗和噪声。 通常简称零电压开关和零电流开关。零电压开通和零电流关断主要依靠电路中的谐振来实现。 零电压关断 开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速度，降低开关损耗。,7,零电流开通 与开关相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。 简单地在硬开关电路中给开关并联电容或串联电感，不仅不会降低开关损耗，还会带来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题。,8,5.2 软开关电路的分类,根据电路中主开关是零电压开通还是零电流关断，可分成零电压电路和零电流电路两大类。 根据软开关技术发展历程可分为准谐振电路、零电压PWM电路和零转
4、换PWM电路。 每种软开关电路都可用于降压型、升压型等不同电路，因此可以由基本开关单元导出具体电路。,9,图5-3 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) 升压斩波器中的基本开关单元,d),S,VD,L,10,5.2.1 准谐振电路 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。这是最早出现的一类软开关电路，有些现在还在使用。 谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降，但也带来一些负面问题： 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
5、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（PFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。,11,准谐振电路可分为： 零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC） 零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC） 零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switch Multi-Redonant ConverterZVS MRC）,12,5.2.2 零开关PWM电路,引入辅助
6、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。 零开关PWM电路可分为零电压开关PWM电路（ZVS PWM）和零电流开关PWM电路（ZCS PWM）。 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。,13,5.2.3 零转换PWM电路,采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路与主开关并联。 零转换PWM电路可分为零电压转换PWM电路（ZVT PWM）和零电流转换PWM电路（ZCT PWM）。 特点： 输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状态。 电路
7、中无功功率的交换被削弱到最小，这使得电路效率进一步提高。,14,5.3 典型的软开关电路,5.3.1 零电压准谐振电路 5.3.3 有源钳位正激型电路 5.3.4 零电压转换PWM电路 5.3.2 移相全桥型零电压开关PWM电路,15,5.3.1 零电压准谐振电路,1.电路结构 假设电感L和电容C都很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。,16,2.工作原理,17,18, 时段： 时刻后， 向 放电， 改变方向， 不断下降， 直到 时刻， = ， 达到反向谐振峰值。 时段： 时刻后， 向 反向充电， 继续下降，直到 时刻 =0。,19, 时段： 被钳位于零， 线性衰减，直到 时刻，
8、 =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。 时段：S为通态， 线性上升，直到 时段， = ，VD关断。 时段：S为通态，VD为断态。,缺点：谐振电压峰值将高于输入电压的两倍，增加了对开关器件耐压的要求，增加了电路的成本，降低了可靠性。,20,5.3.3 有源钳位正激型电路,该电路变压器二次侧的结构与普通正激型电路一样，不同的是一次电路结构。该电路没有复位绕组，而是采用含有反并联二极管的开关S1和电容C1构成复位电路。,21,1.工作过程, 时段：主开关S开通，二极管 通， 断，电感L的电流增长，变压器的励磁电流 也线性增长。, 时段：S关断，二极管
9、 断， 通，电感L的电流下降。变压器的励磁电流 通过 的反并二极管向电容 充电。,22, 时段：开关 开通，由于 开通前其反并二极管处于通态，其两端电压为零，因此 为零电压开通。在此期间，变压器励磁电流 线性下降， 时刻下降到零。, 时段：变压器励磁电流 到零后反向， 反过来向变压器励磁电感放电，励磁电流由零变为负值，直到 时刻 关断。,23,时段： 关断时，变压器的励磁电流方向为由下向上， 关断后，励磁电流流过主开关的反并联二极管， 时刻，开通，此时的反并联二极管处于通态，两端电压为零，所以为零电压开通。,24,2.特点,主开关S工作在零电压开通条件，开关损耗显著降低。 存在变压器励磁电流为
10、负值的工作状态，这意味着变压器的磁通在工作过程中可以从正值变化为负值，工作在磁化曲线的、两个象限。因此有源钳位正激型电路的变压器的磁心利用率大大提高，表现为同等功率的电路时，磁心尺寸可以很小，绕组匝数可以减小，从而变压器的体积和重量可降低。 省去了复位绕组，变压器的制造工艺可以简化，有利于减低成本。,由于有源钳位正激型电路具有诸多优点，而且开关数量较移相全桥零电压开关PWM电路少，电路中的谐振电压和电流又明显小于零电压准谐振电路，该电路被广泛应用于中小功率密度的电源装置中，典型的例子是模块化的隔离型DC-DC变换器。,25,5.3.4 零电压转换PWM电路,零电压转换PWM电路是另一种常用的软
11、开关电路，具有电路简单、效率高等特点，广泛应用于功率因数校正（PFC）电路、DC-DC变换器、斩波器等。由于该电路在升压型PFC中的广泛应用，特以升压型电路为例，介绍这种软开关电路的工作原理。,26,工作过程分析：,在分析中，假设电感L和电容C都很大，并忽略器件与线路中的损耗。, 时段：辅助开关 先于S开通，电感电流 迅速增长，二极管VD中的电流以同样的速率下降。直到 时刻，二极管VD中电流下降到零，二极管自然关断。, 时段： 与 构成谐振回路。的电流增加而 的电压下降， 时刻，其电压 刚好下降到零，开关S的反并二极管 导通， 被钳位于零，而电流 保持不变。,27, 时段： 被钳位于零，而电流
12、 保持不变，这种状态一直保持到 时刻S开通、 关断。, 时段： 时刻S开通时，为零电压开通。S开通的同时， 中的能量通过 向负载侧输送，主开关S中的电流线性上升。 时刻， ， 关断，电路进入正常导通状态。, 时段： 时刻，S关断，由于 的存在，S关断时电压上升率受到限制，降低了S的关断损耗。,28,5.3.2 移相全桥型零电压开关PWM电路,29,（1）在一个开关周期 内，每一个开关处于通态和断态的时间是固定不变的。导通时间略小于 TS/2，而关断时间略大于TS/2 。 （2）同一个半桥，上下两个开关不能同时处于通态，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。 （3）互为对角的两对
13、开关S1- S4 和 S2- S3的开关函数的波形，S1的波形比S4超前，而S2的波形比S3超前，因此称S1和S2为超前桥臂，而称S3和S4为滞后桥臂。,1.移相全桥开关PWM电路控制方式特点：,（4）超前时间t，则占空比为,30,2.工作过程：,t0 t1时段：S1与S4都处于通态，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S2开通，由于此时其反并二极管VDS2 处于通态，因此S2为零电压开通。,31,图5-14 移相全桥
14、型零电压开关PWM电路在 阶段的等效电路,t3t4时段：t4时刻 S4 关断，变压器一次侧整流二极管VD1和VD2同时导通，变压器一次和二次电压均为零，相当于短路，因此变压器一次侧CS3、CS4与Lr构成谐振回路。谐振电感Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻，S3开通，因此S3是零电压开通。,32,t4 t5时段：S3开通后，谐振电感Lr的电流继续减小。电感电流 iLr下降到零后反向增大，直到t5时，iLr=IL/kT，变压器二次侧整流管VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。,t0 t5时段正好是开关周期的一半，另一半
15、开关周期电路的工作过程与其完全对称。,33,3.移相全桥型零电压开关PWM电路存在的问题：,占空比丢失现象 在变压器支路中串入了谐振电感Lr，电感两端压降会导致实际输出电压比按占空比计算得到的值有所降低。表现为变压器二次侧的实际占空比小于一次侧开关电路的占空比，即部分占空比丢失。 占空比定义为： 在 t3 t5和t8 t0的时段内，电路处于续流状态，因此这两个时段被称为占空比丢失时间，丢失的占空比为：,34,占空比丢失给电路性能带来不利影响，为了保证在丢失占空比的情况下，电路仍能达到所要求的输出电压，变压器的电压比必须适当减小，而这又会导致变压器一次电流增大，加重了一次电路的负担。 设计时，应
16、按照最恶劣的情况计算，并保证在最大占空比丢失的情况下，电路仍能输出所要求的电压。另一方面，在满足电路软开关要求的前提下，谐振电感应尽量小，以减小占空比丢失。,35,电路的软开关条件,以超前桥臂中 S1 S2的换相过程为例， t1 t2时段内，将变压器二次侧的元件参数及变量按电压比kT折算到变压器一次侧，有 。计算电压 从 降为零的时间 的波动很小，可以认为 ，则有 只有超前桥臂换相的死区时间 大于谐振时间 ，才能使S2开通前，其两端电压降为零。所以超前桥臂的零电压开关条件为：,36,以滞后桥臂S4 S3 的换相过程为例，不考虑二极管 和电压源Ui支路的存在，电路是二阶振荡电路，B点的电压 的初
17、值为零，可得 的解析表达式为： 式中 为谐振电压峰值。 要使S3能在开通时电压为零，必要条件为： 即 或 为了能够最大限度利用谐振峰值，开关S4 应正好在谐振达到峰值时开通，所以滞后桥臂的换相时间 ，应满足,37,几种改进的移相全桥型零电压开关PWM电路,38,本章小结,1. 软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关器件的开关条件，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电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。每一类电路都包含基本的拓扑和众多的派生拓扑。 3. 介绍了零电压准谐振电路、移相全桥型零电压开关PWM电路、有源钳位正激型电路和零电压转换PWM电路等几种在开关电源中广泛应用的软开关电路。,
