1、第 7 章 软开关技术引言现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。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。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。 7.1 软开关的基本概念7.1.1 硬开关和软开关硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。a）硬开关的开通过程 b） 硬开关的关断过程图71 硬开关的开关过程软开关：在原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，消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声
2、。a）软开关的开通过程 b）软开关的关断过程图 72 软开关的开关过程uiP0u ituuiiP0uiP0u itt0uiP0uitt07.1.2 零电压开关和零电流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噪声。零电流关断开关关断前其电流为零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。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。靠电路中的谐振来实现。7.2 软开关电路的分类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
3、大类。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。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。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 73 基本开关单元的概念分别介绍三类软开关电路1）准谐振电路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。是最早出现的软开关电路。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
4、而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。2）零开关 PWM 电路 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。零开关 PWM 电路可以分为：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。3）零转换 PWM 电路 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。零转换 PWM 电路可以分为：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
5、了进一步提高。7.3 典型的软开关电路7.3.1 零电压开关准谐振电路1）电路结构以降压型为例分析工作原理。假设电感 L 和电容 C 很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗图 7-4 零电压开关准谐振电路原理图2）工作原理图7-5零电压开关准谐振电路的理想波形SS (uCr)iSiLruVDt 0 t1t2 t3t4 t6 t0tttttt5OOOOOt1t2 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。t2t3 时段：t2 时刻后，Cr 向 Lr 放电，直到 t3 时刻，uCr=U
6、i ，iLr 达到反向谐振峰值。t3t4 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。ut4t5 时段：uCr 被箝位于零，iLr 线性衰减，直到 t5 时刻，iLr=0。由于此时开关 S 两端电压为零，所以必须在此时开通 S，才不会产生开通损耗。t5t6 时段：S 为通态，iLr 线性上升，直到 t6 时刻，iLr=IL，VD 关断。t6t0 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 Ui 的 2 倍，增加了对开关器件耐压的要求。 7.3.2 谐振直流环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（
7、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。1）电路结构图 7-6 谐振直流环电路的等效电路2）工作原理t 0t1 时段：t0 时刻之前，开关 S 处于通态，iLrIL。t0 时刻 S 关断，电路中发生谐振。iLr 对 Cr 充电，t1 时刻，uCr=Ui。t1t2 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。t2t3 时段：uCr 向 Lr 和 L 放电， iLr 降低，到零后反向，直到 t3 时刻 uCr=Ui。t3t4 时段：t3 时刻，iL
8、r 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。t4t0 时段：S 导通，电流 iLr 线性上升，直到 t0 时刻，S 再次关断。电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM 电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单。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。图 7-7 移相全桥零电压开关 PWM 电路1）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
9、/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 0TS/2 时间，而 S2 的波形比S3 超前 0TS/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。2）工作过程：图 7-8 移相全桥电路理想化波形t0t1 时段：S1 与 S4 导通，直到 t1 时刻 S1 关断。t1t2 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 VDS
10、2 续流。t2t3 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。t3t4 时段：t3 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。t4t5 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
11、降到零而关断，电流 IL 全部转移到 VD2 中。t0t5 是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。7.3.4 零电压转换 PWM 电路零电压转换 PWM 电路具有电路简单、效率高等优点。1）工作过程：图 7-9 升压型零电压转换 PWM 电路的原理图辅助开关 S1 超前于主开关 S 开通，S 开通后 S1 关断。t0t1 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。t1t2 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
12、刻 uCr=0， VDS 导通， uCr 被箝位于零，而电流 iLr 保持不变。图 7-10 升压型零电压转换 PWM 电路在 t1t2 时段的等效电路t2t3 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。t3t4 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。t4t5 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。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。
