软开关变换器修改版课件

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,*,电力电子技术,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,*,电力电子技术,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,*,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,*,现代电源技术,Modern power technologies,第,5,章,学习指导,学习指导,软开关是指，通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零,(,零电压开通,),或开通过程中电流缓慢上升,(,零电流开通,),，或关断前电流先降为零,(,零电流关断,),或关断过程中电压缓慢上升,(,零电压关断,),，就可以消除或减低开关过程中电压、电流的重叠部分的面积，从而减小甚至消除开关损耗和开关噪声。,软开关分为,零电压开关、零电流开关、混合软开关,。根据软开关技术发展的历程，软开关变换器分为,准谐振变换器、,PWM,软开关变换器,。,学习指导,5.1 概述,5.1.1功率电路的开关过程,5.1.2软开关的特征及分类,5.1.3谐振电路的构成及特性,5.2 准谐振软开关变换器,5.2.1零电压开关准谐振变换器,5.2.2零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM软开关变换器,5.3.1零开关PWM变换器,5.3.2零转换PWM变换器,5.3.3移相控制ZVS-PWM全桥变换器,第,5,章,学习指导,学习指导,准谐振变换器（,QRC,）的特点是,谐振元件参与能量变换的某一个阶段,，而不是全程参与。,准谐振变换器分为,零电压开关准谐振变换器,（,ZVS QRC,），,零电流开关准谐振变换器,（,ZCS QRC,），,零电压开关多谐振变换器,（,ZVS MRC,），和用于,逆变器的谐振直流环节,（,Resonant DC,Link,），这类变换器也需要,采用频率调制方法,。,准谐振软开关,DC/DC,变换器,最主要的特点,就是,利用,PFM,调压,，这使得电源的输入滤波器、输出滤波器的设计复杂化，并影响系统的噪声。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,第,5,章,学习指导,学习指导,常规的,PWM,变换器开关频率恒定，控制方法简单。,在准谐振软开关,DC/DC,变换器中，,谐振产生在开关管整个导通或整个关断区间,，若把谐振控制在开关管导通前或关断前很小一段时间内，且,谐振半周期远小于开关周期,，这就构成了,PWM,软开关变换器。,PWM,软开关变换器主要分为,零开关,PWM,变换器、零转换,PWM,变换器和移相全桥软开关,PWM,变换器,。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,第,5,章,学习指导,学习指导,本章主要讨论软开关的基本概念与分类，谐振型软开关变换器、准谐振软开关变换器和,PWM,软开关变换器的电路构成和基本的工作原理。建议,重点,学习以下主要内容：,1,）软开关的基本概念与分类、软开关电路的分类。,2,）准谐振软开关电路的工作原理和电路工作特点。,3,）,零电压、零电流开关电路,的构成特点、工作原理；,零转换开关电路,的构成特点、工作原理；移相控制软开关,PWM,全桥变换器的工作原理。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,第5章 软开关变换器,1,2,3,概述,准谐振软开关变换器,PWM,软开关变换器,基本内容,常规的,DC/DC PWM,功率变换技术进一步提高开关频率会面临许多问题。,随着开关频率的提高，一方面开关管的开关损耗会成正比的上升，使电路的效率大大的降低，从而使变换器处理功率的能力大幅下降；另一方面，系统会对外产生严重的电磁干扰（,EMI,）。,所谓软开关，通常是指零电压开关,ZVS,（,Zero Voltage Switching,）和零电流开关,ZCS,（,Zero Current Switching,）或近似零电压开关与零电流开关。,5.1 概述,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流而完成能量的变换；,而软开关过程是通过,电感,L,和电容,C,的谐振,，使开关器件中的电流（或其两端的电压）,按正弦或准正弦规律变化,，当,电流过零时，使器件关断,，或者当,电压下降到零时，使器件导通,。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使器件的开关损耗在理论上为零。,软开关技术的应用使电力电子变换器可以具有更高的效率，功率密度和可靠性同时得到提高，并有效的减小电能变换装置引起的电磁干扰和噪声等。,5.1,概述,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.1,功率电路的开关过程,在功率变换电路中，每只功率管都要进行开通与关断控制。,功率管在开通时开关管的电压不是瞬时下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是瞬时上升到负载电流，也有一个上升时间。,在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，通常称之为开通损耗（,Turn-on loss,），如图,5-1(a),所示。,（,a,）开通过程,图,5-1,开关管开通与关断过程的电压电流及功率损耗曲线,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.1,功率电路的开关过程,当开关管关断时，开关管的电压不是瞬时从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是瞬时下降到零，也有一个下降时间。,在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，通常称之为关断损耗（,Turn-off loss,），如图,5-1(b),所示。,（,a,）关断过程,图,5-1,开关管开通与关断过程的电压电流及功率损耗曲线,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.1,功率电路的开关过程,可见当功率管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（,Switching loss,），通常可由一个开关周期的平均开通和关断损耗求出。,假设导通后流入功率管电流为,I,C,，关断后功率管承受的电压为,U,C,，导通时的管压降忽略不计，则由图,5-1,分析，不难求得导通和关断过程功率管的电流、电压瞬时值,i,、,u,。,开通过程：,关断过程：,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.1,功率电路的开关过程,一个开关周期的平均开通和关断损耗,P,S,为：,5-1,式中：,P,S,功率管开关损耗；,t,on,功率管开通时间；,t,off,功率管关断时间；,f ,功率管开关频率；,U,C,关断后功率管承受的电压；,I,C,导通后流入功率管电流。,在工作电压和工作电流一定的条件下，功率管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比。,开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。同时，开关管工作在硬开关时还会产生较高的,di,/,dt,和,dv,/,dt,，从而产生较大的电磁干扰。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.2,软开关的特征及分类,通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使,开关开通前电压先降为零,，或,关断前电流先降为零,，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路称为,软开关电路,。,软开关电路中典型的开关过程如图,5-2,所示，具有这样开关过程的开关称为,软开关,。,图,5-2,软开关的开关过程,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.2,软开关的特征及分类,使开关开通前两端电压为零（且关断过程中电压上升较慢），则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种,开通方式称为零电压开通,(,关断方式称为零电压关断,),，简称,零电压开关,；使开关关断前流过其电流为零,(,且开通过程中电流缓慢上升,),，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种,关断方式称为零电流关断,(,开通方式称为零电流开通,),，简称,零电流开关,；零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。,与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，但断态时功率管的电压应力增大；与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，但通态时功率管的电流应力增大。,这样的开关过程一般给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，是得不偿失的，因此常与零电压开通和零电流关断配合应用,。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.2,软开关的特征及分类,软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，新型的软开关拓扑仍不断的出现。,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。通常，,一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。,。,根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分,成全谐振型变换器或谐振型变换器,、,准谐振变换器,、,零开关,PWM,变换器,和,零转换,PWM,变换器,。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,谐振电路是谐振变换器的基本单元，它包括串联谐振电路和并联谐振电路。,1,）,串联谐振电路,（,1,）基本的串联谐振电路,基本的串联谐振电路如图,5-3,（,a,）所示，,L,r,是谐振电感，,C,r,是谐振电容，,U,i,是输入直流电源。,(a),图,5-3,基本的串联谐振电路,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,根据图,5-3,（,a,），列出电路微分方程为,(a),图,5-3,基本的串联谐振电路,5-2,假设,t,0,时刻，谐振电感的初始电流为,i,Lr,(,t,0,)=,I,Lr0,，谐振电容的初始电压,u,Cr,(,t,0,)=,U,Cr0,，解微分方程组,5-2,得为,5-3,5-4,式中,，谐振角频率；,，特征阻抗。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,若电路的初始状态为零初始状态，即,I,Lr0,=,i,Lr,(,t,0,)=0,，,U,Cr0,=,u,Cr,(,t,0,)=0,，则,(b),图,5-3,基本的串联谐振电路,5-5,5-6,此时，谐振电容电压最大值为,U,Crmax,=2,U,i,，谐振电感电流的最大值为,I,Lrmax,=,U,i,/,Z,r,，仅决定于电源电压,U,i,和,特征阻抗,Z,r,。如果,L,r,变小或,C,r,变大，谐振电感电流的最大值增大，而谐振电容电压的最大值不变。,i,Lr,和,u,Cr,分别按正弦和余弦规律变化，如图,5-3(b),所示。表明谐振电感和谐振电容所储的能量相互交换，,u,Cr,达到最大值时，,i,Lr,则正好为零。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,（,2,）谐振电容并联电流源的串联谐振电路,在串联谐振电路的谐振电容上并联一个电流源，即构成另一类串联谐振电路，其电路结构如图,5-4,（,a,）所示。,根据图,5-4,（,a,），列出电路微分方程为,(a),图,5-4,谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路,5-5,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,假设在,t,0,时刻，谐振电感的初始电流为,i,Lr,(,t,0,)=,I,Lr0,，谐振电容的初始电压,u,Cr,(,t,0)=,U,Cr0,，解微分方程组（,5-5,），得到,(a),图,5-4,谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路,5-8,5-9,式中,，谐振角频率；,，特征阻抗。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,由式,5-10,、式,5-11,可知，谐振电容并联电流源的串联谐振电路，仅在谐振电感电流中增加了一个直流分量,I,o,，如图,5-4,（,b,）所示。,图,5-4,谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路,5-10,5-11,假设电路初始状态为零初始状态，即,I,Lr0,=,i,Lr,(,t,0)=,I,0,，,U,Cr,0=,u,Cr,(,t,0)=0,，则,(a),(b),学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,2,）并联谐振电路,基本的并联谐振电路如图,5-5(a),所示，图中,L,r,是谐振电感，,C,r,是谐振电容,I,i,是输入直流电流源。,根据图,5-5(a),，列出电路微分方程为,图,5-5,基本的并联谐振电路,(a),5-12,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,图,5-5,基本的并联谐振电路,假设在,t,0,时刻，谐振电感的初始电流为,i,Lr,(,t,0)=,I,Lr,0,，谐振电容的初始电压,u,Cr,(,t,0)=,U,Cr0,，解微分方程组,5-12,得,(a),5-13,5-14,式中,，谐振角频率；,，特征阻抗。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.1.3,谐振电路的构成与特性,图,5-5,基本的并联谐振电路,若电路初始状态为零初始状态，即,I,Lr0,=,i,Lr,(,t,0)=0,，,U,Cr,0=,u,Cr,(,t,0)=0,，则,(b),5-15,5-16,此时，谐振电感中电流最大值为,I,Lrmax,=2,I,i,，谐振电容两端的电压最大,值为,U,Crmax,=,Z,r,I,i,，仅决定于电源电压,I,i,和特征阻抗,Z,r,。如果,L,r,变小或,C,r,变大，谐振电感电流的最大值不变，而谐振电容电压两端电压最大值减小。,u,Cr,和,i,Lr,分别按正弦和余弦规律变化，如图,5-5,（,b,）所示。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2,准谐振软开关变换器,零电流开关准谐振变换器（,Zero Current Switching Quasi Resonant Converter,，,ZCS QRC,），对应的基本开关单元如图,5-6(a),所示。,按照开关电流方向又可以分成半波型,5-6(b),和全波型,5-6(c),，半波型主要在开关支路上串联一个二极管，使电流仅能单向流动，而全波型则在开关管上反并联一个二极管实现电流双向流动；,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,图,5-6,零电流准谐振电路的基本开关单元,:,导通区间内谐振，关断区间时间可调,5.2,准谐振软开关变换器,零电压开关准谐振变换器（,Zero Voltage Switching,Quasi Resonant Converter,，,ZVS QRC,），对应的基本开关单元如图,5-7(a),所示；,与零电流开关准谐振变换器相似，根据开关上并联电容的工作过程又可以分成半波型,5-7(b),和全波型,5-7(c),两种。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,图,5-7,零电压准谐振电路的基本开关单元：,关断区间内谐振，导通区间时间可调,5.2,准谐振软开关变换器,零电压开关多谐振变换器（,Zero Voltage Switching Multi Resonant Converter,，,ZVS MRC,），对应的基本开关单元如图,5-8,所示。,用于逆变器的谐振直流环节（,Resonant DC,Link,），对应的基本开关单元如图,5-10,所示，这类变换器需要采用频率调制方法，也属于零电压开关准谐振变换器。,图,5-10,谐振直流环电路,等效电路,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,图,5-8,零电压开关多谐振,基本开关单元,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,将输入部分看作恒流源，输出负载部分看作电压负载,U,o,。开关管,VT,S,导通时，有输入电流,I,i,，二极管,VD,关断，没有电流注入电压负载，在,t,0,时间，开关管,VT,S,关断，输入电流流入电容,C,r,，给电容充电。,图,5-5,（,b,）给出零电压准谐振,buck,型电流变换器的典型的工作波形。,图,5-5,零电压开关准谐振电流型,buck,变换器的简化电路及其工作波形,(a),电路拓扑,（,b,）主要工作波形,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,在稳态工作下，一个完整的开关周期分为,4,个阶段，各阶段工作过程分析如下：,（,1,）,t,0,t,1,阶段，电容充电阶段，电流路径示意图如图,5-8(a),所示。,t,0,之前，,VT,S,导通，输入电流,I,i,经,VT,S,续流，,t,0,时刻，开关管,VT,S,关断，电容,C,r,充电，,C,r,上的电压线性上升，在,t,1,时刻，,u,Cr,达到,U,o,，二极管,VD,导通。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,（,2,）,t,1,t,4,阶段，谐振阶段，电流路径示意图如图,5-8(b),所示。,t,1,时刻，二极管,VD,导通，一部分,I,i,流入,U,o,，一部分,I,i,给电容充电，,t,2,时刻，,i,Lr,达到,I,i,，这时电容电压达到峰值；随后谐振电容开始放电，当电容电压,u,Cr,降到,U,o,，,i,Lr,达到峰值，随后,i,Lr,开始减小，直到,u,Cr,降到零，谐振过程结束，这时,VD,S,导通流过反向电流。 。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,（,3,）,t,4,t,6,阶段，电感放电阶段，电流路径示意图如图,5-8(c),所示。,t,4,t,5,期间，电感电流经,VD,S,续流，将,VT,S,两端电压箝位成零电压，这段期间开通,VT,S,，,VT,S,零电压开通。这段时间电感电流,i,Lr,线性下降，,i,S,线性增大,t,5,时刻，,i,Lr,下降到等于,I,i,，接着,i,Lr,I,o,，,t,0,时刻，开关管,VT,S,关断，,L,r,和,C,r,发生谐振，,i,Lr,对,C,r,充电，,C,r,上的电压上升。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,在,t,1,时刻，,u,Cr,达到,U,i,，,i,Lr,达到峰值，随后,i,Lr,继续向,C,r,充电，直到,t,2,时刻,i,Lr,=,I,o,，,u,Cr,达到谐振峰值,接着，,u,Cr,和,L,r,向,L,放电，,i,Lr,降低，到零后反向，直到,t,3,时刻,u,Cr,=,U,i,，,i,Lr,达到反向谐振峰值，开始衰减，,u,Cr,继续下降，,t,4,时刻，,u,Cr,= 0,，,VT,S,的反并联二极管,VD,S,导通，,u,Cr,被箝位于零。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,（,2,）,t,4,t,0,阶段，电感充电阶段。,t,4,t,5,阶段，负载电流一部分经,VD,S,续流，,i,Lr,线性上升，,VT,S,两端电压被箝位在零，在这段时间内开通,VT,S,，,VT,S,零电压开通，电流,i,Lr,继续线性上升，,t,5,时刻，,i,Lr,=,I,o,直到,t,0,时刻，,VT,S,再次关断。,t,4,t,0,阶段，直流母线电压被箝位成零，若这时逆变桥内开关管换相，则也是零电压开通或关断。,缺点：电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,用准谐振零电流开关代替,Buck,变换器中的开关就构成了零电流开关准谐振,Buck,变换器，如图,5-11(a),所示，其工作波形如图,5-11(b),所示。,开关周期分为,4,个阶段，假定在开关,VTS,导通以前，负载电流经二极管,VD,续流，电容,C,r,上电压箝位到零。,（,a,）电路拓扑,（,b,）主要工作波形,图,5-11,零电流开关准谐振,Buck,变换器电路拓扑及其工作波形,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,（,1,）,t,0,t,1,阶段，电感充电阶段，电流路径示意图如图,5-12(a),所示。,t,0,之前，,VT,S,不导通，输出电流,I,o,经,VD,续流,t,0,时刻，开关管,VT,S,开通，电感,L,r,充电，,L,r,中的电流线性上升，在,t,1,时刻，,i,Lr,达到,I,o,，随后,i,Lr,分成两部分，一部分维持负载电流，一部分给谐振电容充电，二极管,VD,截止。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,（,2,）,t,1,t,4,阶段，谐振阶段，电流路径示意图如图,5-12(b),所示。,t,1,时刻，输入电流上升到,I,o,，,VD,关断，,L,r,和,C,r,开始谐振，,t,2,时刻，,u,Cr,(,t,2) =,U,i,，,i,Lr,达到峰值,随后,i,Lr,减小，,t,3,时刻，,i,Lr,减小到,I,o,，,u,Cr,达到峰值，接着,C,r,开始放电，直到,t,4,时刻，,i,Lr,下降到零。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,（,3,）,t,4,t,6,阶段，电容放电阶段，电流路径示意图如图,5-12(c),所示。,t,4,t,5,期间，电容电压高于,U,i,，继续经,VD,向负载放电，将,VT,S,中的电流箝位成零，在这段期间关断,VT,S,，,VT,S,将是零电流关断。,t,5,时刻，,u,Cr,下降到等于,U,i,由于负载为电流源，,u,Cr,继续放电，这时开关管两端的电压开始上升，直到,t,6,时刻，,u,Cr,两端电压下降到零，,u,S,上升到等于,U,i,。,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,（,4,）,t,6,t,0,阶段，续流阶段，电流路径示意图如图,5-12(d),所示。,t,6,时刻，,u,Cr,放电完，,u,Cr,= 0,，输出电流经二极管,VD,续流，直到,t,0,时刻,VT,S,再次导通，进入下一工作周期。,很明显，当,Lr,和,Cr,选定后，谐振半周期,t1 t4,时间固定（忽略,t0 t1,这段时间）。也就是说，,VTS,的导通时间固定，可以通过调节,VTS,的关断时间来调节占空比，从而达到调节输出电压的目的。因此，零电流开关准谐振变换器也是通过脉冲频率调制来调节输出电压。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.3,PWM,软开关变换器,准谐振软开关,DC/DC,变换器与常规的,PWM,硬开关变换器相比，由于开关器件在零电压或零电流条件下完成开通与关断过程，电路的开关损耗大大降低；电磁干扰,(EMI),大大减小；变换电路可以以更高的开关频率工作；相应变换器的功率密度可以大大提高等。,明显的不足：器件可能承受过高的电压应力和电流应力；利用,PFM,（,Pulse Frequency Modulation,）调压，用改变开关频率来进行控制，这使得电源的输入滤波器、输出滤波器的设计复杂化，并影响系统的噪声。,常规的,PWM,变换器开关频率恒定，当输入电压或负载变化时，通常靠调节开关的占空比来调节输出电压，属恒频控制，控制方法简单。,若将两种拓扑的优点组合在一起，就形成一种新的软开关电路拓扑,PWM,软开关变换器。主要分为零开关,PWM,变换器、零转换,PWM,变换器和移相控制软开关,PWM,全桥变换器。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,在准谐振软开关,DC/DC,变换器中，以准谐振软开关,Buck,变换器为例，与常规的,PWM Buck,变换器相比，电路拓扑中仅仅多了一个谐振电感和一个谐振电容。,对零电压准谐振,Buck,变换器，如果没有谐振，开关管一关断，,C,r,两端的电压很快增大到等于,U,i,，并维持到下一次开关管开通，开关管,VTS,硬开通；增加了,L,r,、,C,r,，则开关管一关断，,L,r,与,C,r,就开始谐振，谐振结果使,C,r,两端的电压为零，并通过,VD,S,给,L,r,续流使,VT,S,（,C,r,）两端电压箝位成零，这时（图,5-9(b),的,t,4,t,5,期间）开通,VT,S,，则,VT,S,零电压开通。,如果在,t,4,t,5,期间没有开通,VT,S,，,t,5,时刻,i,Lr,(t,5,)=0,，随后,U,i,将使,C,r,两端电压快速充电至,U,i,，这时再开通,VT,S,，则,VT,S,将不是零电压开通。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,若在,VT,S,关断之前用开关,S,1,将,L,r,短接，如图,5-13(a),所示，使,L,r,中的电流经,S1,续流保持不变，,VT,S,关断时，,C,r,两端电压很快充电至,U,i,，随后保持不变，如图,5-13(b),所示的,t,1,t,2,期间。,t,2,时刻，,S,1,关断，,L,r,与,C,r,开始谐振，谐振结果使,C,r,两端的电压为零，并通过,VD,S,给,L,r,续流使,VT,S,（,C,r,）两端电压箝位成零，如图,5-13(b),所示的,t,4,t,5,期间，在这期间内开通,VT,S,，则,VT,S,零电压开通。这样，如果,S,1,的关断时刻和,VT,S,的开通时刻保持不变，改变,VT,S,的关断时刻，则可以实现,PWM,控制。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2.2,零电流开关准谐振变换器,5.3 PWM,软开关变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,5.3.2,零转换,PWM,变换器,5.3.3,移相控制,ZVS-PWM,全桥变换器,5.3.1,零开关,PWM,变换器,由以上分析可知，要实现软开关变换器的,PWM,控制，只需控制,L,r,与,C,r,的谐振时刻。控制谐振时刻的方法就是，,要么在适当时刻先短接谐振电感,，在需要谐振的时刻再断开；要么在,适当时刻先断开谐振电容,，在需要谐振的时刻再接通。由此得到不同形式的零开关,PWM,电路的基本开关单元，如图,5-14,所示。,学习指导,5.1,概述,5.1.1,功率电路的开关过程,5.1.2,软开关的特征及分类,5.1.3,谐振电路的构成及特性,5.2,准谐振软开关变换器,5.2.1,零电压开关准谐振变换器,5.2