【正文】 電 力 電 子 技 術(shù) Power Electronic Technology 杜少武 概述 軟開關(guān)的基本概念 軟開關(guān)電路的分類 典型的軟開關(guān)電路 第七講 軟開關(guān)技術(shù) ? 電力電子裝置高頻化 ? 濾波器 、 變壓器體積和重量減小 ， 電力電子裝置小型化 、 輕量化 。 ? 開關(guān)損耗增加 ， 電磁干擾增大 。 ? 軟開關(guān)技術(shù) ? 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲 。 ? 進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。 概 述 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 ? 軟開關(guān)過程 是通過電感 L和電容 C的諧振 ， 使開關(guān)器件中的電流 （ 或兩端的電壓 ） 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化 ， 當(dāng)電流過零時 ， 使器件關(guān)斷 ， 或者當(dāng)電壓下降到零時 ， 使器件導(dǎo)通 。 ? 開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷 ， 使器件的 開關(guān)損耗在理論上為零 。 ? 軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使電力電子變換器可以具有更高的效率 ， 功率密度和可靠性同時得到提高 ， 并有效的減小電能變換裝置引起的電磁干擾和噪聲等 。 概 述 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 ? 硬開關(guān)： ? 開關(guān)的開通和關(guān)斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化 。 ? 產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲 。 功率電路的開關(guān)過程 iu00ptttoniu0ptt0to ff概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 功率電路的開關(guān)過程 ? 開通損耗 ：開通過程電流和電壓有一個交疊區(qū) ， 產(chǎn)生損耗 ， 稱為開通損耗 （ Turnon loss） ， 如下圖 (a)所示 。 ? 關(guān)斷損耗 ：關(guān)斷過程電流和電壓有一個交疊區(qū) ， 產(chǎn)生損耗 ， 稱為關(guān)斷損耗 （ Turnoff loss） ， 如下圖 (b)所示 。 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 iu00ptttoniu0ptt0to ff 功率電路的開關(guān)過程 ? 假設(shè)導(dǎo)通后流入功率管電流為 IC， 關(guān)斷后功率管承受的電壓為 UC， 導(dǎo)通時管壓降忽略不計 ，則導(dǎo)通過程功率管得電流 、 電壓瞬時值 i、 u。 ? 開通損耗為： CCon0onCCon0on 6)(][1 onon IfUtdtttUUttIfi udtTPt Ct ????? ??ttIionC?ttUUuonCC ??? 開通過程： 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 iu0 tton 功率電路的開關(guān)過程 ? 假設(shè)導(dǎo)通后流入功率管電流為 IC， 關(guān)斷后功率管承受的電壓為 UC， 導(dǎo)通時管壓降忽略不計 ，則關(guān)斷過程功率管得電流 、 電壓瞬時值 i、 u。 ttIIio ffCC ??ttUuoffC?? 關(guān)斷過程： CCof f0of fCof fCC0of f 6)(1 of fof f IfUtt dttUttIIfi ud tTPtt ????? ??? 關(guān)斷損耗為： 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 iu0 tto ff 功率電路的開關(guān)過程 ? 則 一個開關(guān)周期的平均開通和關(guān)斷損耗 PS為： o f fon PPP S ??CCof fon6 IfUtt ??? 除此之外，管子在關(guān)斷期間輸出電容儲存的能量，在管子導(dǎo)通時，損耗在器件內(nèi)部，在高的輸入電壓下，開通損耗是很大的，尤其當(dāng)開關(guān)頻率高到 MHz量級時，電容放電引起的開通損耗占決定性因素 。這部分損耗為： fCU 221概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 軟開關(guān)的特征及分類 ? 軟開關(guān)電路： ? 通過在原來的開關(guān)電路中增加很小的電感 、電容等諧振元件 ， 構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò) ， 在開關(guān)過程前后引入諧振過程 ， 使開關(guān)開通前電壓先降為零 ， 或關(guān)斷前電流先降為零 ， 就可以消除開關(guān)過程中電壓 、 電流的重疊 ， 降低它們的變化率 ， 從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲 ， 稱為軟開關(guān)電路 。 ui00ptttonui00ptttof f概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 軟開關(guān)的特征及分類 ? 軟開關(guān)： ? 具有 如下圖所示的 開關(guān)過程的開關(guān)稱為軟開關(guān) 。 ui00ptttonui00ptttof f? 使開關(guān)開通前兩端電壓為零 ， 這種開通方式稱為零電壓開通 ， 簡稱零電壓開關(guān) ? 使開關(guān)關(guān)斷前流過其電流為零 ， 這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷 ， 簡稱零電流開關(guān) 。 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 軟開關(guān)的特征及分類 ? 軟開關(guān)分為： – 零電壓開關(guān) – 零電流開關(guān) ? 軟開關(guān)技術(shù)問世以來，經(jīng)歷了不斷的發(fā)展和完善，前后出現(xiàn)了許多種軟開關(guān)電路，新型的軟開關(guān)拓?fù)淙圆粩嗟某霈F(xiàn)。 ? 根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷， 軟開關(guān)電路分為 ： – 零電壓電路 – 零電流電路 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 軟開關(guān)的特征及分類 ? 根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程，可以將軟開關(guān)電路分為 – 諧振型變換器 – 準(zhǔn)諧振變換器 – 零開關(guān) PWM變換器 – 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 – 移相全橋 PWM軟開關(guān)變換器 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 ? 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器－ 準(zhǔn)諧振電路 ? 準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波 ， 因此稱之為準(zhǔn)諧振 。 ? 為最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路 ? 特點 ： – 諧振電壓峰值很高 ， 要求器件耐壓必須提高； – 諧振電流有效值很大 ， 電路中存在大量無功功率的交換 ， 電路導(dǎo)通損耗加大； – 諧振周期隨輸入電壓 、 負(fù)載變化而改變 ， 因此 電 路 只 能 采 用 脈 沖 頻 率 調(diào) 制 （ Pulse Frequency Modulation—PFM） 方式來控制 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 ? 準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓準(zhǔn)諧振開關(guān) 零電流準(zhǔn)諧振開關(guān) LL rC rVDSLL rC r VDS零電壓多諧振開關(guān) LL rC r2 VDSC r1概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 ? 將 Boost變換器中的開關(guān)用準(zhǔn)諧振零電壓開關(guān)代替就構(gòu)成了 Boost型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 (ZVS－ QRC)， 其簡化電路如下圖所示 。 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 U iSVDLC RU iC rSVD SL rVDLC R概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 ? 工作過程分析 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 ? t0之前：開關(guān) S為通態(tài) ， 二極管 VD為斷態(tài) ，uCr=0， iLr=IL St00000uCriSiLrUiuVDt0t5t4t3t2t1t6ttttU iC rSVD SL r LC R概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 FB PWM軟開關(guān)變換器 ? 工作過程分析 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 St00000uCriSiLrUiuVDt0t5t4t3t2t1t6tttt? t0~t1時段： t0時刻 S關(guān)斷 ， S關(guān)斷后 ， VD尚未導(dǎo)通 。 電感 Lr+L向 Cr充電 ， uCr線性上升 ， 同時 VD兩端電壓 uVD逐漸下降 ， 直到 t1時刻 ，uVD=0。 U iC rSVD SL rVDLC RrrCIdtdu LC ?概述 功率電路的開關(guān)過程 軟開關(guān)的特征及分類 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)變換器 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 PWM軟開關(guān)變換器 零開關(guān) PWM變換器