开关电源新技术

第7章 第,*,页,第五章 开关电源新技术,(参考内容,),现代电源实用技术电子教案,目 录,概述,5,3,软开关新技术,5,3.1,软开关的基本概念,5,3.1.1,硬开关与软开关,5,3.1.2,零电压开关与零电流开关,5,3.2,软开关电路的分类,5,3.3,典型的软开关电路,5,3.3.1,零电压开关准谐振电路,5,3.3.2,谐振直流环,5,3.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,5,3.3.4,零电压转换,PWM,电路,本章小结,概 述,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。,5,3.1.1,硬开关与软开关,硬开关：,开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。,产生较大的开关损耗和开关噪声。,软开关：,在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，使开关条件得以改善。,降低开关损耗和开关噪声。,软开关有时也被成为,谐振开关,。,工作原理：,软开关电路中,S,关断后,L,r,与,C,r,间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使,S,两端的电压在其开通前就降为零,。,5,3.1.2,零电压开关与零电流开关,软开关分类,零电压开关,：使开关开通前其两端电压为零，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，简称零电压开关。,图,5-1,零电压开关准谐振电路及波形,a,）,电路图,b,）,理想化波形,（显示放大图）,零电流开关,：使开关关断前其电流为零，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，简称零电流开关。,图,5-2,硬开关电路及波形,a,）,电路图,b,）,理想化波形,（显示放大图）,5,3.1.2,零电压开关与零电流开关,零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。,零电压关断,：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，有时称这种关断过程为零电压关断。,零电流开通,：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，有时称之为零电流开通。,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。,5,31.2,零电压开关与零电流开关,5,3.2,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。,图,5-3,基本开关单元的概念,（显示放大图）,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,5,3.2,软开关电路的分类,1 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。,为最早出现的软开关电路，可以分为：,零电压开关准谐振电路(,Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）；,图,5-4,准谐振电路的基本开关单元,（显示放大图）,a,）,零电压开关准谐振电路的基本开关单元,b,）,零电流开关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,5,3.2,软开关电路的分类,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）。,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。,5,3.2,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：,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）。,特点：,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。,图,5-3,零开关,PWM,电路的基本开关单元,a,）,零电压开关,PWM,电路的基本开关单元,b,）,零电流开关,PWM,电路的基本开关单元,（显示放大图）,5,3.2,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：,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）。,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。,图,5-6,零转换,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,（显示放大图）,5,3.2,软开关电路的分类,5,3.3.1,零电压开关准谐振电路,图,5-7,零电压开关准谐振电路原理图,（显示放大图）,图7-8,零电压开关准谐振电路的理想化波形,（显示放大图）,工作原理,t,0,t,1,时段：,t,0,时刻之前，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：,（7-1）,图,5-9,零电压开关准谐振电路在,t,0,t,1,时段等效电路,（显示放大图）,5,3.3.1,零电压开关准谐振电路,5,3.3.1,零电压开关准谐振电路,工作原理,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。,图,5,10,零电压开关准谐振电路在,t,1,t,2,时段等效电路,（显示放大图）,5,3.3.1,零电压开关准谐振电路,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,到,t,4,时段电路谐振过程的方程为：,（7-2）,t,4,t,5,时段：,VD,S,导通，,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,L,r,线性上升，直到,t,6,时刻，,i,L,r,=,I,L,，VD,关断。,t,4,到,t,6,时段电流,i,L,r,的变化率为：,（7-3）,t,6,t,0,时段：,S,为通态，,VD,为断态。,7.3.1 零电压开关准谐振电路,谐振过程定量分析,求解式（7-2）可得,u,C,r,（,即开关,S,的电压,u,S,）,的表达式：,（7-4）,u,C,r,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）,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。,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。,图,5-11,谐振直流环电路原理图,（显示放大图）,5,3.3.2,谐振直流环,电路的工作过程：,将电路等效为图7-12。,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。,图,5-12,谐振直流环电路的等效电路,（显示放大图）,图,5-13,谐振直流环电路的理想化波形,（显示放大图）,5,3.3.2,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。,缺点：,电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。,图,5-12,谐振直流环电路的等效电路,（显示放大图）,图,5-13,谐振直流环电路的理想化波形,（显示放大图）,5,3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,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；,移相全桥电路控制方式的特点：,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。,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0,T,S,/2,时间，而,S,2,的波形比,S,3,超前0,T,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。,5,3.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,图,5-14,移相全桥零电压开关,PWM,电路,（显示放大图）,图,5-15,移相全桥电路的理想化波形,（显示放大图）,5,3.3.3,移相全桥型零电压开关,PWM,电路,工作过程,t,0,t,1,时段：,S,1,与,S,4,导通，直到,t,1,时刻,S,1,关断。,t,1,t,2,时段：,t,1,时刻开关,S,1,关断后，电容,C,s,1,、,C,s,2,与电感,L,r,、,L,构成谐振回路，,u,A,不断下降，直到,u,A,=0，VD,S2,导通，电流,i,L,r,通过,VD,S2,续流。,t,2,t,3,时段：,t,2,时刻开关,S,2,开通，由