西安交大电力电子技术ppt讲义_第8章_软开关技术.ppt

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,*,电气学院,*,/29,第,8,章 软开关技术,8.1,软开关的基本概念,8.2,软开关电路的分类,8.3,典型的软开关电路,8.4,软开关技术新进展,本章小结,引言,现代电力电子装置的发展趋势是,小型化,、,轻量化,，同时对装置的,效率,和,电磁兼容性,也提出了更高的要求。,电力电子电路的高频化,可以减小,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。,使开关频率可以大幅度提高。,2,电气学院,8.1,软开关的基本概念,8.1.1,硬开关与软开关,8.1.2,零电压开关与零电流开关,3,电气学院,8.1.1,硬开关与软开关,硬开关,开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的,开关损耗,。,电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了,开关噪声,。,开关损耗与,开关频率,之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。,图,8-1,硬开关降压型电路及波形,a,）电路图,b,）理想化波形,t,0,u,i,P,0,u,i,t,u,u,i,i,P,0,0,图,8-2,硬开关过程中的电压和电流,a),关断过程,b),开通过程,a),b),4,电气学院,8.1.1,硬开关与软开关,软开关,软开关电路中增加了,谐振电感,L,r,和,谐振电容,C,r,，与滤波电感,L,、电容,C,相比，,L,r,和,C,r,的值小得多，同时开关,S,增加了,反并联二极管,VD,S,，而硬开关电路中不需要这个二极管。,降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中,电压、电流的重叠,，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中,电压和电流的变化率,，这使得开关噪声也显著减小。,P,u,i,0,u,i,t,t,0,u,i,P,0,u,i,t,t0,u,u,图,8-3,降压型零电压开关准谐振电路及波形,a,）电路图,b,）理想化波形,a),b),图,8-4,软开关过程中的电压和电流,a),关断过程,b),开通过程,5,电气学院,8.1.2,零电压开关与零电流开关,零电压开通,开关开通前其,两端电压为零,，则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,，则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。,在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。6,电气学院,8.2,软开关电路的分类,软开关电路的分类,根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成,零电压电路,和,零电流电路,两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。,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,。,7,电气学院,8.2,软开关电路的分类,图,8-5,准谐振电路,a,）零电压开关准谐振电路,b,）零电流开关准谐振电路,c,）零电压开关多谐振电路,准谐振电路,分类,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-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC,）,用于逆变器的谐振直流环节（,Resonant DC Link,）,8,电气学院,8.2,软开关电路的分类,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,。,开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题,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,（,Pulse Frequency ModulationPFM,）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。,9,电气学院,8.2,软开关电路的分类,图,8-6,零开关,PWM,电路,a,）零电压开关,PWM,电路,b,）零电流开关,PWM,电路,零开关,PWM,电路,电路中引入了,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。,分类,零电压开关,PWM,电路（,Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM,）,零电流开关,PWM,电路（,Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM,）,同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：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,。,10,电气学院,8.2,软开关电路的分类,图,8-7,零转换,PWM,电路的基本开关单元,a,）零电压转换,PWM,电路的基本开关单元,b,）零电流转换,PWM,电路的基本开关单元,零转换,PWM,电路,电路中采用,辅助开关,控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关,并联,的因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和,从零负载到满载,都能工作在软开关状态，而且电路中,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。,分类,零电压转换,PWM,电路（,Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM,）,零电流转换,PWM,电路（,Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM,）,11,电气学院,8.3,典型的软开关电路,8.3.1,零电压开关准谐振电路,8.3.2,谐振直流环,8.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,8.3.4,零电压转换,PWM,电路,12,电气学院,8.3.1,零电压开关准谐振电路,图,8-8,零电压开关准谐振电路原理图,零电压开关准谐振电路,假设,电感,L,和,电容,C,很大，可以等效为,电流源,和,电压源,，并忽略电路中的,损耗,。,开关电路的工作过程是按,开关周期,重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择,合适的起点,，可以使分析得到简化。,13,电气学院,8.3.1,零电压开关准谐振电路,S,S,(,u,C,r,),i,S,i,L,r,u,VD,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,6,t,0,t,t,t,t,t,t,5,O,O,O,O,O,u,图,8-9,零电压开关准谐振电路的理想化波形,图,8-10,零电压开关准谐振电路在,t,0,t,1,时段等效电路,图,8-8,零电压开关准谐振电路原理图,工作过程,选择开关,S,的关断时刻,为分析的起点。,t,0,t,1,时段：,t,0,之前，,S,导通，,VD,为断态，,u,Cr,=0,，,i,Lr,=I,L,，,t,0,时刻,S,关断，,C,r,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，电路可以等效为图,8-10,；,L,r,+L,向,C,r,充电，,L,等效为电流源,，,u,Cr,线性上升，同时,VD,两端电压,u,VD,逐渐下降，直到,t,1,时刻，,u,VD,=0,，,VD,导通，这一时段,u,Cr,的上升率为,(8-1),14,电气学院,8.3.1,零电压开关准谐振电路,图,8-8,零电压开关准谐振电路原理图,S,S,(,u,C,r,),i,S,i,L,r,u,VD,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,6,t,0,t,t,t,t,t,t,5,O,O,O,O,O,u,图,8-9,零电压开关准谐振电路的理想化波形,图,8-11,零电压开关准谐振电路在,t,1,t,2,时段等效电路,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻,VD,导通，,L,通过,VD,续流，,C,r,、,L,r,、,U,i,形成谐振回路,，如图,8-11,所示；谐振过程中，L,r,对,C,r,充电，,u,Cr,不断上升，,i,Lr,不断下降，直到,t,2,时刻，,i,Lr,下降到零，,u,Cr,达到,谐振峰值,。,t,2,t,3,时段：,t,2,时刻后，,C,r,向,L,r,放电，,i,Lr,改变方向，,u,Cr,不断下降，直到,t,3,时刻，,u,Cr,=,U,i,，这时，,u,Lr,=0,，,i,Lr,达到,反向谐振峰值,。,t,3,t,4,时段：,t,3,时刻以后，,L,r,向,C,r,反向充电，,u,Cr,继续下降，直到,t,4,时刻,u,Cr,=0,。,15,电气学院,8.3.1,零电压开关准谐振电路,图,8-8,零电压开关准谐振电路原理图,S,S,u,C,r,),i,S,i,L,r,u,VD,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,6,t,0,t,t,t,t,t,t,5,O,O,O,O,O,u,图,8-9,零电压开关准谐振电路的理想化波形,t,1,到,t,4,时段电路谐振过程的方程为,(8-2),t,4,t,5,时段：,u,Cr,被箝位于零，,u,Lr,=U,i,，,i,Lr,线性衰减，直到,t,5,时刻，,i,Lr,=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,。,t,5,t,6,时段：,S,为通态，,i,Lr,线性上升，直到,t,6,时刻，,i,Lr,=I,L,，,VD,关断。,t,4,到,t,6,时段电流,i,Lr,的变化率为,t,6,t,0,时段：,S,为通态，,VD,为断态。,(8-3),16,电气学院,8.3.1,零电压开关准谐振电路,谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本数量关系为,u,Cr,（即开关,S,的电压,u,S,）的表达式,t,1,t,4,上的最大值即,u,Cr,的谐振峰值,，就是开关,S,承受的峰值电压,，表达式为,零电压开关准谐振电路实现软开关的条件,如果正弦项的幅值小于,U,i,，,u,Cr,就不可能谐振到零，,S,也就不可能实现零电压开通。,零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压,U,i,的,2倍,，开关,S,的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。,17,电气学院,8.3.2,谐振直流环,图,8-12,谐振直流环电路原理图,图,8-13,谐振直流环电路的等效电路,谐振直流环,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,8-12,中，,辅助开关,S,使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下，实际电路中开关,S,可以不需要，,S,的开关动作用逆变电路中开关的直通与关断来代替。,电压型逆变器的负载通常为,感性,，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，负载电流视为常量。,18,电气学院,8.3.2,谐振直流环,图,8-13,谐振直流环电路的等效电路,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,0,i,L,r,u,Cr,U,in,I,L,t,t,O,O,图,8-14,谐振直流环电路的理想化波形,工作过程,以开关,S,关断时刻,为起点。,t,0,t,1,时段：,t,0,之前，,i,Lr,大于,I,L,，,S,导通，,t,0,时刻,S,关断，,电路中发生谐振,，因为,i,Lr,I,L,，因此,i,Lr,对,C,r,充电，,u,Cr,不断升高，直到,t,1,时刻，,u,Cr,=U,i,。,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻由于,u,Cr,=,Ui,，,U,Lr,=0,，因此谐振电流,i,Lr,达到,峰值,，,t,1,以后，,i,Lr,继续向,C,r,充电并不断减小，而,u,Cr,进一步升高，直到,t,2,时刻,i,Lr,=I,L,，,u,Cr,达到,谐振峰值,。,19,电气学院,8.3.2,谐振直流环,t,2,t,3,时段：,t,2,以后，,u,Cr,向,L,r,和,I,L,放电，,i,Lr,继续降低，到零后反向，,C,r,继续向,L,r,放电，,i,Lr,反向增加，直到,t,3,时刻,u,Cr,=U,i,。,t,3,t,4,时段：,t,3,时刻，,u,Cr,=U,i,，,i,Lr,达到,反向谐振峰值,，然后,i,Lr,开始衰减，u,Cr,继续下降，直到,t,4,时刻，,u,Cr,=0,，,VD,S,导通，,u,Cr,被箝位于零,。,t,4,t,0,时段：,S,导通，电流,i,Lr,线性上升,，直到,t,0,时刻，,S,再次关断。,谐振直流环电路中电压,u,Cr,的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。,图,8-13,谐振直流环电路的等效电路,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,0,i,L,r,u,Cr,U,in,I,L,t,t,O,O,图,8-14,谐振直流环电路的理想化波形,20,电气学院,8.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,图,8-15,移相全桥零电压开关,PWM,电路,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,电路简单，仅仅增加了一个,谐振电感,，就使电路中四个开关器件都在零电压的条件下开通。,控制方式的特点,在一个开关周期,T,S,内，每一个开关导通的时间都,略小于,T,S,/2,，而关断的时间都,略大于,T,S,/2,。,同一个半桥中上下两个开关不同时处于通态，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,。,互为对角的两对开关,S,1,-S,4,和,S,2,-S,3,，,S,1,的波形比,S,4,超前,0T,S,/2,时间，而,S,2,的波形比,S,3,超前,0T,S,/2,时间，因此称,S,1,和,S,2,为,超前的桥臂,，而称,S,3,和,S,4,为,滞后的桥臂,。,21,电气学院,8.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,图,8-16,移相全桥电路的理想化波形,图,8-17,移相全桥电路在,t,1,t,2,阶段的等效电路图,工作过程,t,0,t,1,时段：,S,1,与,S,4,都导通，直到,t,1,时刻,S,1,关断。,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻,S,1,关断后，,C,1,、,C,2,与,L,r,、,L,构成谐振回路,，如图,8-17,所示，谐振开始时,u,A,(t,1,)=U,i,，在谐振过程中，,u,A,不断下降，直到,u,A,=0,，,VD,S2,导通，,i,Lr,通过,VD,S2,续流。,22,电气学院,8.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,图,8-16,移相全桥电路的理想化波形,图,8-18,移相全桥电路在,t,3,t,4,阶段的等效电路,t,2,t,3,时段：,t,2,时刻,S,2,开通，由于,VD,S2,导通，因此,S,2,开通时电压为零，开通过程中不会产生开关损耗,，,S,2,开通后，电路状态也不会改变，继续保持到,t,3,时刻,S,4,关断。,t,3,t,4,时段：,t,4,时刻开关,S,4,关断后，电路的状态变为图,8-18,所示，这时,C,3,、,C,4,与,L,r,构成谐振回路,，谐振过程中,i,Lr,不断减小，,B,点电压不断上升，直到,VD,S3,导通；这种状态维持到,t,4,时刻S,3,开通，,S,3,开通时,VD,S3,导通，因此,S,3,是在零电压的条件下开通，开通损耗为零,。,23,电气学院,8.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,图,8-16,移相全桥电路的理想化波形,图,8-15,移相全桥零电压开关,PWM,电路,t,4,t,5,时段：,S,3,开通后，,i,Lr,继续减小，下降到零后反向，再不断增大，直到,t,5,时刻,i,Lr,=I,L,/,kT,，,i,VD1,下降到零而关断，电流,IL,全部转移到,VD,2,中。,t,0,t,5,时段正好是开关周期的一半，而在另一半开关周期,t,5,t,0,时段中，电路的工作的过程与,t,0,t,5,时段完全对称。,24,电气学院,8.3.4,零电压转换,PWM,电路,图,8-19,升压型零电压转换,PWM,电路的原理图,零电压转换,PWM,电路,具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路（,PFC,）、,DC-DC,变换器、斩波器等。,以升压电路为例，在分析中假设,电感,L,、,电容,C,很大，可以忽略电流和输出电压的波动，在分析中还忽略元件与线路中的损耗。,在零电压转换,PWM,电路中，辅助开关,S,1,超前于主开关,S,开通，而,S,开通后,S,1,就关断了，主要的谐振过程都集中在,S,开通前后。,25,电气学院,8.3.4,零电压转换,PWM,电路,S,S,1,u,S,i,Lri,S1,u,S1,i,D,i,S,I,L,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,t,t,t,t,t,t,t,O,O,O,O,O,O,O,O,图,8-20,升压型零电压转换,PWM,电路的理想化波形,图,8-21,升压型零电压转换,PWM,电路在,t,1,t,2,时段的等效电路,图,8-19,升压型零电压转换,PWM,电路的原理图,工作过程,t,0,t,1,时段：辅助开关先于主开关开通，由于此时,VD,尚处于通态，所以,u,Lr,=,U,o,，,i,Lr,按线性迅速增长,，,i,VD,以同样的速率下降,，直到,t,1,时刻，,i,Lr,=I,L,，,i,VD,下降到零，二极管自然关断。,t,1,t,2,时段：此时电路可以等效为图,8-21,，,L,r,与,C,r,构成谐振回路,，由于,L,很大，谐振过程中其电流基本不变，对谐振影响很小，可以忽略；谐振过程中,i,Lr,增加而,u,Cr,下降，,t,2,时刻,u,Cr,降到零，,VD,S,导通，,u,Cr,被箝位于零，而,i,Lr,保持不变。,26,电气学院,8.3.4,零电压转换,PWM,电路,S,S,1,u,S,i,Lr,i,S1,u,S1,i,D,i,S,I,L,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,t,t,t,t,t,t,t,O,O,O,O,O,O,O,O,图,8-19,升压型零电压转换,PWM,电路的原理图,图,8-20,升压型零电压转换,PWM,电路的理想化波形,t,2,t,3,时段：,u,Cr,被箝位于零，而,i,Lr,保持不变，这种状态一直保持到,t,3,时刻,S,开通、,S,1,关断。,t,3,t,4,时段：,t,3,时刻,S,开通时，,u,S,为零，因此没有开关损耗，,S,开通的同时,S,1,关断，,L,r,中的能量通过,VD,1,向负载侧输送,，,u,Lr,下降，而,i,S,线性上升，到,t,4,时刻,i,Lr,=0,，,VD,1,关断，,i,S,=I,L,，电路进入正常导通状态。,t,4,t,5,时段：,t,5,时刻,S,关断，由于,C,r,的存在，,S,关断时的电压上升率受到限制，降低了,S,的,关断损耗,。,27,电气学院,8.4,软开关技术新进展,软开关技术出现了以下几个重要的发展趋势,新的软开关电路拓扑的数量仍在不断增加，软开关技术的应用也越来越普遍。,在开关频率接近甚至超过,1MHz,、对效率要求又很高的场合，曾经被遗忘的,谐振电路,又重新得到应用，并且表现出很好的性能。,采用几个简单、高效的开关电路，通过级联、并联和串连构成组合电路，替代原来的单一电路成为一种趋势，在不少应用场合，,组合电路,的性能比单一电路显著提高。,28,电气学院,本章小结,本章的重点为：,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。,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。,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,。,29,电气学院,