电力电子技术第四版第7章软开关技术

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,2018/9/17,#,第,7,章 软开关技术,引言,现代电力电子装置的,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。,7.1,软开关的基本概念,7.1.1,硬开关和软开关,7.1.2,零电压开关和零电流开关,7.1.1,硬开关和软开关,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，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。,t,0,a,）硬开关的开通过程,b,）硬开关的关断过程,图,7,1,硬开关的开关过程,u,i,P,0,u,i,t,u,u,i,i,P,0,0,7.1.1,硬开关和软开关,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。,u,i,P,0,u,i,t,t,0,u,i,P,0,u,i,t,t,0,a,）软开关的开通过程,b,）软开关的关断过程,图,7,2,软开关的开关过程,7.1.2,零电压开关和零电流开关,零电压开通,开关,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,前其,电流,为零,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。,当不指出是开通或是关断，仅称,零电压开关,和,零电流开关,。,靠电路中的谐振来实现。,7.2,软开关电路的分类,根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为,零电压电路,和,零电流电路,两大类。,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,。,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。,7.2,软开关电路的分类,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,7.2,软开关电路的分类,1,）准谐振电路,准谐振电路,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。是最早出现的软开关电路。,特点,：,谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；,谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，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。,分别介绍三类软开关电路,7.2,软开关电路的分类,可分为：,用于逆变器的谐振直流环节电路,(Resonant DC Link,）,。,图,7-4,准谐振电路的基本开关单元,c),零电压开关多谐振电路的基本开关单元,电压开关多谐振电路,(Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC,）,b),零电流开关准谐振电路的基本开关单元,零电流开关准谐振电路,(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC,）,a),零电压开关准谐振电路的基本开关单元,零电压开关准谐振电路,(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC,）,7.2,软开关电路的分类,2,）,零开关,PWM,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。,b),零电流开关,PWM,电路的基本开关单元,图,7,5,零开关,PWM,电路的基本开关单元,零电流开关,PWM,电路,（,Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM,）,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-Switching PWM ConverterZVS PWM,）,7.2,软开关电路的分类,3,）,零转换,PWM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：,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。,b,）零电流转换,PWM,电路的基本开关单元,图,7,6,零转换,PWM,电路的基本开关单元,零电流转换,PWM,电路,（,Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM,）,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-Transition PWM ConverterZVT PWM）,7.3,典型的软开关电路,7.3.1,零电压开关准谐振电路,7.3.2,谐振直流环,7.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,7.3.4,零电压转换,PWM,电路,7.3.1,零电压开关准谐振电路,1,）,电路结构,以,降压型,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。,图,7-7,零电压开关准谐振电路原理图,7.3.1,零电压开关准谐振电路,选择开关,S,关断时刻为分析的起点。,t,0,t,1,时段：,t,0,之前，开关,S,为通态，二极管,VD,为断态，,u,Cr,=0,，,i,L,r,=I,L,，,t,0,时刻,S,关断，与其并联的电容,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。电感,L,r,+,L,向,C,r,充电，,u,C,r,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,C,r,的上升率：,2,）,工作原理,t,0,t,1,时段的等效电路,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,图,7-8,零电压开关准谐振电路的理想波形,图,7-7,零电压开关准谐振电路原理图,7.3.1,零电压开关准谐振电路,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻二极管,VD,导通，电感,L,通过,VD,续流，,C,r,、,L,r,、,U,i,形成谐振回路。,t,2,时刻，,i,L,r,下降到零，,u,C,r,达到谐振峰值。,t,2,t,3,时段：,t,2,时刻后，,C,r,向,L,r,放电，直到,t,3,时刻，,u,C,r,=,U,i,，,i,L,r,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,C,r,继续下降，直到,t,4,时刻,u,C,r,=0,。,t,1,t,2,时段的等效电路,u,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,图,7-8,零电压开关准谐振电路的理想波形,图,7-7,零电压开关准谐振电路原理图,7.3.1,零电压开关准谐振电路,t,4,t,5,时段：,u,C,r,被箝位于零，,i,L,r,线性衰减，直到,t,5,时刻，,i,L,r,=0,。由于此时开关,S,两端电压为零，所以必须在此时开通,S,，才不会产生开通损耗。,t,5,t,6,时段：,S,为通态，,i,L,r,线性上升，直到,t,6,时刻，,i,L,r,=,I,L,，,VD,关断。,t,6,t,0,时段：,S,为通态，,VD,为断态。,缺点,：,谐振电压峰值将高于输入电压,U,i,的,2,倍，增加了对开关器件耐压的要求。,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,图,7-8,零电压开关准谐振电路的理想波形,图,7-7,零电压开关准谐振电路原理图,7.3.2,谐振直流环,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。,1,）,电路结构,图,7-11,谐振直流环电路原理图,由于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，因此分析时可将电路等效。,图,7-12,谐振直流环电路的等效电路,7.3.2,谐振直流环,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,7-13,谐振直流环电路的理想化波形,图,7-12,谐振直流环电路的等效电路,t,0,t,1,时段：,t,0,时刻之前，开关,S,处于通态，,i,L,r,I,L,。,t,0,时刻,S,关断，电路中发生谐振。,i,L,r,对,C,r,充电，,t,1,时刻，,u,C,r,=,U,i,。,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻，谐振电流,i,L,r,达到峰值。,t,1,时刻以后，,i,L,r,继续向,C,r,充电，直到,t,2,时刻,i,L,r,=,I,L,，,u,C,r,达到谐振峰值。,2,）,工作原理,7.3.2,谐振直流环,t,2,t,3,时段：,u,C,r,向,L,r,和,L,放电，,i,L,r,降低，到零后反向，直到,t,3,时刻,u,C,r,=,U,i,。,t,3,t,4,时段：,t,3,时刻，,i,L,r,达到反向谐振峰值，开始衰减，,u,C,r,继续下降，,t,4,时刻，,u,C,r,=0,，,S,的反并联二极管,VD,S,导通，,u,C,r,被箝位于零。,t,4,t,0,时段：,S,导通，电流,i,L,r,线性上升，直到,t,0,时刻，,S,再次关断。,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,7-13,谐振直流环电路的理想化波形,图,7-12,谐振直流环电路的等效电路,电压谐振峰值很高，增加了对开关器件,耐压,的要求。,7.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的,特点,是电路简单。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。,图,7-14,移相全桥零电压开关,PWM,电路,7.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,1,）移相全桥电路控制方式的,特点,：,图,7-14,移相全桥零电压开关,PWM,电路,S,1,S,3,S,4,S,2,u,AB,u,Lr,i,Lr,u,T1,u,R,i,VD1,i,VD2,i,L,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,t,8,t,9,t,0,t,9,t,8,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,t,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,图,7-15,移相全桥电路的理想化波形,在开关周期,T,S,内，每个开关导通时间都略小于,T,S,/2,，而关断时间都略大于,T,S,/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。,7.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,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,