电力电子华中科技大学谐振开关型变换器专业知识讲座.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,电力电子学,电力电子变换和控制技术（第二版）,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,电力电子学,电力电子变换和控制技术（第二版）,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,电力电子学,电力电子变换和控制技术（第二版）,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,8 谐振开关型变换器,8.1 硬开关、,LC,缓冲软开关和,LC,谐振零开关基本特性,8.2 谐振开关型变换器的类型,8.3 谐振开关型零电压开通（,ZVS）,变换器,8.4 谐振开关型零电流关断（,ZCS）,变换器,8.5 直流环节并联谐振型逆变器,PRDCLI,小结,8.1 硬开关、,LC,缓冲软开关和,LC,谐振零开关基本特性,硬开关过程,开通（,A,B,C,）,：,在,v,T,=V,D,下,i,T,从,0Io,，然后在,i,T,=Io,下,v,T,从,V,D,0,，,P,on,=v,T,i,T,大。,关断（,C,B,A,）,：,在,i,T,=Io,下,v,T,从,0,V,D,，然后在,v,T,=V,D,下,i,T,从,Io0,，,P,off,=v,T,i,T,大。,图8.1(,a),硬开关电路,开关轨迹,8.1 硬开关、,LC,缓冲软开关和,LC,谐振零开关基本特性,有,LC,缓冲器的软开关过程,开通（,A,Q,E,C,）：L,S,使工作点从,AQ,，在,v,T,V,Q,V,D,下,i,T,从,0Io,，然后从,EC，P,on,P,on,。,关断,（,C,A,P,A,）：i,T,从,Io0,期间,v,T,从,0V,D,，然后在,i,T,=0,下从,APA，P,off,显著减小。,开关轨迹,图8.1(,b),有,LC,复合缓冲的软开关电路,8.1 硬开关、,LC,缓冲软开关和,LC,谐振零开关基本特性,开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变换器的开关损耗会成比例升高。,LC,缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整个变换器的效率不一定能提高。,零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器高频化最理想的技术。,8.1 硬开关、,LC,缓冲软开关和,LC,谐振零开关基本特性,LC,谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断,t,1,时引发,L,r,、C,r,谐振，,t,2,时,v,T,谐振至零，在,t,3,时驱动,T,实现零电压开通。,t,6,时引发,L,r,、C,r,谐振，,t,7,时,i,T,谐振至零，在,t,8,时切除驱动信号实现零电流关断。,开关轨迹,图 8.2 零电压开通、零电流关断时,v,T,、i,T,、r,T,零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。,脉冲宽度调制,PWM,谐振变换器和脉冲频率调制,PFM,谐振变换器,。,零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。,零开关谐振变换器,零转换谐振变换器,LC,谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。,8.2 谐振开关型变换器的类型,8.3 谐振开关型零电压开通（,ZVS）,变换器,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（,ZVS PWM）,变换器工作原理,8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（,ZVS PFM）,变换器工作原理,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,工作原理,关断,T,2,后引发,L,r,C,r,谐振，使主开关管,T,1,的电压,v,T,=0。,再对,T,1,施加驱动信号实现,T,1,的零电压开通。,图 8.4（,a）Buck DC/DC ZVS PWM,变换器电路图,图8.1(,a),硬开关电路,主电路组成,变换器一个周期有五种开关状态。,开关状态,1,:T,1,关断，,C,r,充电,开关状态,2,:D,0,，D,2,续流,开关状态,3,:T,2,关断，,C,r,、,L,r,谐振,开关状态,4,:T,1,零电压开通,开关状态5,:T,2,零电压开通,图 8.4（,a）Buck DC/DC ZVS PWM,变换器电路图,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,开关状态,1,：,t,0,tt,1,tto,时,T,1,、,T,2,通态，,D,0,截止；,t=t,0,时关断,T,1,，,i,T1,下降，,V,T1,从0上升，因,Cr，T,1,软关断；,t,t,1,时,V,T1,上升到,V,D,，,D,0,正偏导电，,T,1,关断过程结束。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,开关状态,2,：,t,1,tt,2,T,1,断态，,V,cr,V,T1,V,D,。i,L,经,D,2,、,T,2,续流，,Io,经,D,0,续流。,T,off,=t,2,-t,1,可控，用以调控输出电压。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,开关状态,3,：,t,2,tt,3,t=t,2,时，关断,T,2,，,L,r,、,C,r,谐振半个周期到,t,3,，t=t,3,时,V,cr,V,T1,V,D,，,i,L,达到负最大值。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,开关状态,4,：,t,3,tt,8,如,IoZrV,D,则当,V,T1,0,时,i,T1,仍为负值。此后负值,i,L,经,D,1,向,V,D,回送电流，直到,t=t,6,。,在,t,4,t,6,期间，,V,T1,0,。若在,t,5,驱动,T,1,，则为零电压开通。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,开关状态,4（,续）：,t,3,tt,8,t,t,6,时，,i,L,0,，,V,cr,V,T1,0,，,T,2,早已关断，此后,V,D,经,T,1,、,L,r,建立,i,T1,。,t=t,8,时，,i,T1,Io,，,D,0,截止，完成,T,1,开通过程。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,开关状态,5,：,t,8,tt,10,t,t,9,时，开通,T,2,，此时,i,L,=I,0,不变,T,1,已是通态，,v,L,v,T2,0,，,T,2,是零电压开通。,t=t,10,时，关断,T,1,（相当于,t,0,时软关断,T,1,）完成一个开关周期,Ts。,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,在,f,s,1/,Ts,固定时，控制,T,2,的关断时刻,t,2,，即可改变,T,off,，从而改变占空比，调控输出电压。,零电压开通脉冲宽度调制（,ZVS PWM,）变换器，可实现主开关,T,1,和辅助开关,T,2,零电压开通和软关断。,T,1,零电压开通条件：,(8-11),最小负载电流需满足：,V,T1,、,v,cr,最高电压：,(8-13),开通期尽量缩短取：,由（8-11）和（8-13）,可确定,L,r,、C,r,：,8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制,(ZVSPWM),变换器工作原理,图 8.4（,a）Buck DC/DC ZVS,PWM,变换器电路图,工作原理,T,1,通态时,D,0,截止，,v,T1,v,cr,0,，切除,+V,G,，,T,1,关断,i,T1,从,Io0,，并联电容,C,r,使,v,T,v,cr,从,0,逐渐上升，,T,1,软关断。,v,T,v,cr,V,D,后,D,0,导通，,L,r,、,C,r,立即谐振，,所以电路8.5,无开关状态,2,。,图 8.5 零电压开通,ZVS PFM,变换器,图,8.4,（,a,）中，,T,2,导通使,i,L,经,D,2,、,T,2,续流，不能形成,L,r,、,C,r,谐振回路，直到在,t,t,2,时刻关断,T,2,时，才能形成谐振。,主电路组成,8.3.,2,零电压开通脉冲频率调制,(ZVSPFM),变换器工作原理,无,T,2,：,不能控制,L,r,、C,r,谐振起始时刻开关状态2，无,T,off,时区2。,缺点：只有调频,f,s，,才能调压。,图 8.5 零电压开通,ZVS PFM,变换器,图 8.4（,a）Buck DC/DC ZVS,PWM,变换器电路图,8.3.,2,零电压开通脉冲频率调制,(ZVSPFM),变换器工作原理,8.3.,2,零电压开通脉冲频率调制,(ZVSPFM),变换器工作原理,本节小结：,ZVS PWM,：,有辅助开关管,T,2,及,L,r,、,C,r,，,可实现主开关,T,1,及辅助开关,T,2,零电压开通及软关断，可采用,PWM,调压；,ZVS PFM,：,无辅助开关,T,2,，仅有,L,r,、,C,r,，,靠主开关关断引起,L,r,、,C,r,谐振造成主开关管的零电压开通，只能,PFM,调压。,图 8.5 零电压开通,ZVS,PFM,变换器,图 8.4（,a）Buck DC/DC ZVS,PWM,变换器电路图,8.3.,2,零电压开通脉冲频率调制,(ZVSPFM),变换器工作原理,共同点：,实现零电压开通的条件都是：,主开关管及电容最高电压都是：,8.4 谐振开关型零电流关断,（ZCS）,变换器,8.4.1,零电流关断脉冲宽度调制（,ZCSPWM）,变换器工作原理,8.4.2,零电流关断脉冲频率调制（,ZCSPFM）,变换器工作原理,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制,(ZCSPWM),变换器工作原理,5种开关状态,开关状态1,：电感充磁,开关状态2,：谐振阶段,开关状态3,：,V,D,向负载供电,开关状态4,：谐振阶段,开关状态5,：,T,1,断态，,D,o,续流,主电路组成,图 8.6(,a)ZCS PWM Buck DC/DC,变换器,开关状态,1,：,t,0,tt,1,t,0,时加,V,G1,，,T,1,软开通,(,因为有,Lr),，,i,T1,i,D0,，,t,t,1,时,D,0,截止。,8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制,(ZCSPWM),变换器工作原理,开关状态,2,：,t,1,tt,2,V,D,、,T,1,、,L,r,、,D,2,、,C,r,谐振半周至,t,2,，,i,T1,=i,L,=Io,，,i,cr,0,，,v,cr,2V,D,8.4.,1,零电流关断脉冲宽度调制,(ZCSPWM),变换器工作原理,开关状态,3,：,t,2,tt,3,T,2,处于断态，,C,r,不能放电，电源,V,D,经,T,1,对负载放电。,8.4.,1,零电流关断脉冲宽度调制,(ZCSPWM),变换器工作原理,开关状态,4,：,t,3,tI,o,则,i,L,变负经,D,1,返回电源，,T,1,断流,。,在,t,4,-t,6,期间撤除,V,G1,使,T,1,零电流关断。,8.4.,1,零电流关断脉冲宽度调制,(ZCSPWM),变换器工作原理,开关状态,5,：,t,8,t0,，,V,D,输出功率输出电压,V,o,，而此时间只与,L,r,、,C,r,有关而不能被调控，故只有调频,f,s,才能调压。,图 8.7 零电流关断,PWM,变换器,图 8.6(,a)ZCS PWM Buck DC/DC,变换器,8.4,小结,本节小结：,ZCS PWM,：,有辅助开关管,T,2,，可采用,PWM,调压。,ZCS PFM,：,无辅助开关,T,2,，靠主开关开通引起,Lr,、,Cr,谐振造成主开关管的零电流关断条件，只能,PFM,调压。,实现零电流关断的条件都是：,图 8.7 零电流关断,PWM,变换器,图 8.6(,a)ZCS PWM Buck DC/DC,变换器,8.5 直流环节并联谐振型逆变器,PRDCLI,8.5.1 工作原理,8.5.2 参数计算,8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器,PRDCLI,的控制策略,8.5.1 工作原理,开通、关断,T,0,、T,a,、T,b,形成,LC,谐振，使,v,PN,降为零，实现,T,1,-T,6,的零电压开通和零电压、零电流关断。,谐振电感,L,不参加主开关电路的能量转换，仅在主开关开关状态转换时谐振工作。该变换器又被称为零电压转换,ZVT,和零电流转换,ZCT,谐振变换器。,8.5.1 工作原理（续,1,）,为简化分析，可假设：,谐振电感,L,远小于负载电感，在一个谐振周期中，从直流母线侧来看负载电流为恒流源,I,0,。,主开关管两端并联电容在直流母线上等效为一个电容,C。,一个完整的谐振开关过程中有,6,个工作状态。,8.5.1 工作原理（续,2,）,开关状态,1,：,t,0,tt,1,T,o,通态，,T,a,、,T,b,断开,，,谐振电路不工作，,V,D,通过,T,o,对逆变器供电，,v,C,=V,D,8.5.1 工作原理（续,3,）,开关状态,2,：,t,1,tt,2,t,1,时,T,a,、,T,b,被施加驱动信号而软开通（有,L,），,i,L,从,0I,T,。,t,2,时关断,T,0,，由于,v,C,V,D,，,T,0,零电压关断。,8.5.1 工作原理（续,4,）,开关状态,3,：,t,2,t0,时，,i,L,继续增大，直到,t=t,3,v,c,=0,时，,i,L,达到,I,M,8.5.1 工作原理（续,5,）,开关状态,4,：,t,3,tt,4,t,3,时刻后,v,c,0,，,I,o,经,D,续流。,i,L,经,T,a,、,D,a,、T,b,、,D,b,续流，到,t,4,时关断,T,a,、,T,b,；,在,t,3,-t,4,期间改变,T,1,-T,6,开关状态可实现零电压关断、开通。,8.5.1 工作原理（续,6,）,开关状态,5,：,t,4,tt,5,T,4,时刻关断,T,a,、,T,b,(,零电压关断)后，,i,L,供电给电容,C,和负载供电流,I,ox,。,为确保,t,5,时刻,v,c,达到,V,D,，,i,L,则需满足：,8.5.1 工作原理（续,7,）,开关状态,6,：,t,5,tI,ox,，,i,L,产生,i,s,经,D,0,流回电源,V,D,，在此期间的,t,6,加,V,G0,可使,T,0,零电压开通。,t,8,时刻,I,L,减小到零，,D,a,、,D,b,截止，负载,Iox,完全由,T,0,供给。,需在线计算：,电感预充电流终值,I,T,换相后的直流负载电流,I,ox,I,T,需足够大以确保在,C,充电后电压升到,V,D,的,t,5,时刻,i,L,=I,5,I,ox,，使,D,0,导通实现,T,0,零电压开通，由此推出：,8.5.2 在线计算,8.5.2 在线计算（续,1,）,谐振周期很短，直流负载电流,I,ox,可预测为,：,逆变器开关状态组合,处于通态的开关器件,逆变器输入电流,I,O,X,1(Sa Sb Sc)=(000),T6 T4 T2,i,o,=i,a,+i,b,+i,c,=0,2(Sa Sb Sc)=(100),T6 T1 T2,i,o,=i,a,3(Sa Sb Sc)=(110),T1 T2 T3,i,o,=i,a,+i,b,=-i,c,4(Sa Sb Sc)=(010),T2 T3 T4,i,o,=i,b,5(Sa Sb Sc)=(011),T3 T4 T5,i,o,=i,b,+i,c,=-i,a,6(Sa Sb Sc)=(001),T4 T5 T6,i,o,=i,c,7(Sa Sb Sc)=(101),T5 T6 T1,i,o,=i,a,+i,c,=-i,b,8(Sa Sb Sc)=(111),T5 T3 T1,i,o,=i,a,+i,b,+i,c,=0,8.5.2 在线计算（续,2,）,主开关器件的控制与,T,o,、,T,a,、,T,b,开通关断时间配合：,若,T,1,-,T,6,需在,t,3,点换相，则应提前,t,1,+t,2,即,t,1,时刻开通,Ta,、,Tb,，在,t,2,时刻关断,T,0,，使,t=t,3,时,v,c,0,，使,T,1,-,T,6,零电压开关。,t,1,及,t,1,+t,2,计算：,8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器,PRDCLI,的控制策略,两个控制电路：,PWM,逆变控器制电路和谐振电路的控制电路。,PWM,逆变控制器电路与常规的,PWM,控制电路类似。同时需附加一个时序控制电路，做好谐振电路与,T,o,、,T,a,、,T,b,与主开关,T,1,-T,6,的开通关断时间配合。,小结,零开关、软开关是电力电子变换高频化最重要的技术措施。,引入,L,r,、C,r,和辅助开关管,T,2,，,对,T,2,进行通断控制可以实现零电压开通,ZVS PWM，,零电流关断,ZCS PWM,以及零电压转换,ZVT PWM,和零电流转换,ZCS PWM,控制。,ZVS,和,ZCS,变换器中,L,r,串联在主电路中，,ZVS PWM,变换器谐振电压峰值超过,2,倍电源电压，,ZCS PWM,变换器谐振电流超过两倍负载电流。,ZCT PWM、ZVT PWM,变换器中,L,r,与变换器主开关并联，,L,r,不在变换器主通道上，开关器件所承受电压不超过,V,D,。,仅引入,L,r,、C,r,靠主开关的开通或关断引发谐振来实现零电流关断或零电压开通，只能采用脉冲频率调制,PFM,调控输出电压。该变换器又被称为准谐振变换器，如零电压开通准谐振,ZVS QRC,和零电流关断准谐振,ZCS QRC,变换器。,小结（续）,