十软开关技术.pptx

合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组概概述述现代电力电子装置的发展趋势发展趋势小型化、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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组硬开关和硬开关和软开关开关硬开关：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，波形出现明显过冲，导致开关噪声。图71 硬开关的开关过程t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程uiP0uituuiiP00合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组硬开关和硬开关和软开关开关合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组硬开关和硬开关和软开关开关软开关：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。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图72 软开关的开关过程合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关与零开关与零电流开关流开关零电压开通开关开通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关断前其电流流为零关断时不会产生损耗和噪声。有时不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关和零电零电流开关流开关。靠电路中的谐振来实现零电压开通和零电流关断。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关与零开关与零电流开关流开关零电压关断与开关并并联的电容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串联的电感感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组软开关开关电路的分路的分类v根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零零电压电路路和零零电流流电路路两大类。v根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准准谐振振电路路、零开关零开关PWM电路路和零零转换PWM电路路。v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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组软开关开关电路的分路的分类图7-3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）升降压斩波器中的基本开关单元合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组软开关开关电路的分路的分类1准准谐振振电路路v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。v为最早出现的软开关电路.v缺点：w谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；w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（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组软开关开关电路的分路的分类可分为：用于逆变器的谐振直流环节电路(ResonantDCLink）。零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverterZVSMRC）零电流开关准谐振电路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverterZCSQRC）零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverterZVSQRC）图7-4 准谐振电路的基本开关单元合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组软开关开关电路的分路的分类2.零开关零开关PWM电路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：电压和电流基本是方波,上升沿和下降沿较缓,开关承受的电压明显降低。可采用开关频率固定的PWM控制方式。b)零电流开关PWM电路的基本开关单元图75 零开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路（Zero-Current-SwitchingPWMConverterZCSPWM）a)零电压开关PWM电路的基本开关单元零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverterZVSPWM）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组软开关开关电路的分路的分类 3 3.零转换零转换PWMPWM电路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：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。a）零电压转换PWM电路的基本开关单元零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverterZVTPWM）b）零电流转换PWM电路的基本开关单元图76 零转换PWM电路的基本开关单元零电流转换PWM电路（Zero-CurrentTransitionPWMConverterZVTPWM）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组软开关电路存在的问题可靠性：为实现软开关，目前的普遍做法是在电路中附加无源或有源电路，增加了电路的复杂程度，并将全控型无换流电路的优点丧失。效率和EMI问题：对软开关电路的效率和EMI水平进行比较实验研究的结果表明，软开关电路的实际效率和EMI水平与期望值差别较大，原因是主电路器件由于软开关所减少的开关损耗中，一部分被附加电路产生的各种损耗所抵消；与此相仿，尽管主电路器件的电压和电流变化率明显下降，与之对应的EMI也相应减低，但由于附加电路的谐振频率远高于PWM的载波频率，附加电路会产生大量的噪声，这一点在软开关电路的研究中常被忽视。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路v电路路结构构以降降压型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。以开关S的关断时刻为分析的起点。图7-7 零电压开关准谐振电路原理图图7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路v工作原理工作原理t0t1时段：t0时刻之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=ILt0时 刻 S关 断，与 其 并 联 的 电 容 Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小。S关断后，VD尚未导通。电感Lr+L向Cr充电，uCr线 性 上 升，同 时 VD两 端 电 压 uVD逐渐下降，直到t1时 刻，uVD=0，VD导 通。这 一 时 段 uCr的上升率：图7-9 零电压开关准谐振电路在t0t1时段等效电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路t1t2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=Ui，iLr达到反向谐振峰值图7-10 零电压开关准谐振电路在t1t2时段等效电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路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。t1到t4时段电路谐振过程的方程为：合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路t4t5时段：VDS导通，uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=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。t5t6时段：S为通态，iLr线 性 上 升，直 到 t6时 刻，iLr=IL，VD关断。t4到t6时段电流iLr的变化率为：t6t0时段：S为通态，VD为断态。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路v谐振振过程定量分析程定量分析uCr（即开关S的电压uS）的表达式：（7-4）uCr的谐振峰值表达式（即开关S承受的峰值电压）：（7-5）零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：（7-6）v缺缺 点点：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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压开关准开关准谐振振电路路缺点：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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组谐振直流振直流环v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（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。图711 谐振直流环电路原理图合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组谐振直流振直流环v电 路路 的的 工工 作作 过 程程：将电路等效为图7-12。t0t1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。图712 谐振直流环电路的等效电路图713谐振直流环电路的理想化波形合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组谐振直流振直流环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，iLr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。v缺点：缺点：电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。图712 谐振直流环电路的等效电路图713 谐振直流环电路的理想化波形合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组移相全移相全桥型零型零电压开关开关PWM电路路v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；v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/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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组移相全移相全桥型零型零电压开关开关PWM电路路工作工作过程：程：图7-16移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路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VDS2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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组移相全移相全桥型零型零电压开关开关PWM电路路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，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。图 7-17移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压转换PWM电路路v零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点。图718 升压型零电压转换PWM电路的原理图合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压转换PWM电路路v工工 作作 过 程程：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时刻uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。图 720 升压型零电压转换PWM电路在t1t2时段的等效电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组零零电压转换PWM电路路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。