清华大学现代电力电子课件 第四章-1

2.1零电流开关准谐振变换器
n
ZCS QRCs变换器的推广
(g)Cuk 变换器
(h) Cuk ZCS QRCs变换器
2.2零电压开关准谐振变换器
根据电路的对偶原理，如图4.7所示，将 ZCS中跨 接在开关管与谐振电感 Lr串联两端的谐振电容Cr去 掉，直接在开关管两端并联谐振电容 Cr，就可以得到 ZVS的基本拓扑 。
n
–零电压开关准谐振变换器（ZVS QRCs） –零电流开关准谐振变换器（ZCS QRCs）
§2 准谐振变换器
n
基本思想 ：
–在变换器工作过程中出现谐振状态，利用谐 振，使功率开关管获得零电压或零电流开关 的条件，减小了开关损耗
n
特点 ：
–在一个工作周期内，谐振元件只在一部分时 间内参与谐振，而其他时间内运行在非谐振 状态
(4.8)
式中Kc<1
，把式 (4.8)代入，可以得到：
Zr 1 Kc ⋅ E L = = ⋅ r ω ω I o max r r C = 1 = 1 ⋅ I o max r ωr ⋅ Z r ωr Kc ⋅ E
2.1零电流开关准谐振变换器
n
优点：
功率开关管Tp与谐振电感 Lr串联，通过谐振使得 Tp中通过的电流在导通或者关断时降为零，避免 了 I和 U的重叠，在理论上实现了零电流开关 。
ωr =
(4.4)
Lr Cr
式中，谐振角频率
1 ， 谐振电路得特征阻抗 Lr C r
Zr =
对于半波 ZCS QRCs来说，当t=t2时，iLr谐振到零，此时可以将Tp在 零电流条件下关断，谐振状态2结束。这段时间的长度为：
T2 = t2 − t1 = 1 I Z θ sin −1 − o r = ωr E ωr
n
参数设计
谐振电感 Lr和谐振电容 Cr的设计取决于它的谐振频 率和最大输出电流Iomax。要实现开关管的零电流 关断，必须使 iLr在关断前降到零，由式(4.4)可知， 必须满足：
E > I o max Zr
(4.7)
E I o max
可将上式改写为： Z r = K c 而：ω r =
1 Lr C r
半桥或全桥变换器 单端或桥式变换器 单端或桥式变换器 全桥变换器250W 以上 单端或桥式变换器
§2 准谐振变换器
准谐振变换器(QRCs, quasi-resonantconverters) 80年代提出的一类变换器， 在原有的变换器的拓扑上加上谐振元件 （即谐振电感、谐振电容）形成的 n 根据谐振方式的不同，准谐振变换器可 以分为：
n
谐振开关分类：
零电流谐振开关 (ZCS) 零电压谐振开关 (ZVS)
§1 概述
n
谐振开关原理图
零电流谐振开关
零电压谐振开关
§1 概述
n
软开关PWM技术
将 PWM 控制方式和谐振变换器结合起来， 应用谐振原理，使开关变换器的器件在开关 过程中电流（或电压）按正弦或者准正弦规 律变化，当电流过零时关断器件，或者电压 为零时开通器件，实现开关损耗为零 。 软开关将谐振变换器的零电压开关（或者零 电流开关）的优点和PWM恒频控制的优点 结合起来，从而将开关频率提高到兆赫水平
Cr duCr = Io dt
(4.6)
电容上电压uCr降到零，二极管D导通续流，开关状态3结束。
2.1零电流开关准谐振变换器
il L C
Ｄ ｏｆｆ
I0
Ｔｐ ｏｎ
0
L C
Uc
Ｅ Ｔｐ ｏｆｆ
４．开关状态４［ｔ３，ｔ４］ 在这个时间段内，二极管Ｄ导通续流，Ｔｐ仍处在关断状态，电感电流ｉＬｒ 为零， 电容电压ｕＣｒ被钳位为零。这个时间段的长度取决于电路的开关 周期， 而这个长度将决定输出电压的大小。 ｔ＝ｔ４时，Ｔｐ导通，下一个开关周期开始。从主管电压电流波形可见， 没有重叠部分，因此开关损耗为零。
（a）Buck ZVS QRCs半波模式
（b）Buck ZVS QRCs全波模式
2.2零电压开关准谐振变换器
n
Buck ZVS QRCs工作原理 ： 由于有谐振的作用，当谐振电容Cr 中两 端电压为零时，开关Tp闭合，从而实现 开关管零电压开通；Tp导通后，在任意 时刻其两端电压可近似视为零，此时关 断Tp，可以实现开关管的零电压关断。 我们仍把负载看作一个恒流源。
2.1零电流开关准谐振变换器
Tp iLr
uTP
uCr
Buck ZCS QRCs半波模式电路主要波形
2.1零电流开关准谐振变换器
il L C
Ｄ ｏｆｆ
I0 L C
Uc
0
Ｔｐ ｏｎ
Ｅ Ｔｐ ｏｆｆ Ｄｐ ｏｎ
Ｄｐ ｏｆｆ
Buck ZCS QRCs全波模式主要波形及相平面图
2.1零电流开关准谐振变换器
§1 概述
n
发展历史
–1955年 自激振荡推挽晶体管单变压器的直 流变换器 –60年代 出现了晶闸管相位控制式开关电源 –70年代 由分立元件制成的各种开关电源 –70年代后期 高频化、小型化、模块化和智 能化是开关电源的发展方向
§1 概述
n
硬开关工作状态电流电压波形
§1 概述
n
谐振开关
通过给开关器件串联电感或者并联电容等谐 振器件，通过谐振电路的作用，使开关管导 通或关断时电压或电流为零，使得开通损耗 或关断损耗接近为零。
iL
Lr Cr
Tp off
il
L C
Ｄ ｏｎ
L C
I
Ｄｐ ｏｆｆ Ｔｐ ｏｎ
0
Uc
Ｅ
Ｄｐ ｏｎ
1.
开关状态1[t0,t1] 在时刻t0，开关管 Tp关断，续流二极管D继续关断，电流继续流 过负载，谐振电感Lr电流可视为不变，向谐振电容Cr恒流充 电，uCr线性上升。这一阶段在相 平面图中，对应于从(Io,0)开 始、平行于u轴的一段直线。 这段时间段内有：
du Cr − Cr + i Lr = I o dt L r di Lr = E − v Cr dt
(4.3)
把初始条件iLr(t1)=Io， uCr(t1)=0代入，可解得：
il
L C
Ｄ ｏｆｆ
I0
Ｔｐ ｏｎ
0
L C
Uc
Ｅ Ｔｐ ｏｆｆ
E sin ω r (t − t1 ) + I o iLr = Z r v = E[1 − cos ω (t − t )] r 1 Cr
2.1 零电流开关准谐振变换器
Buck ZCS QRCs半波模式
Buck ZCS QRCs全波模式
2.1零电流开关准谐振变换器
n
工作原理 ：
–由于有谐振的作用，当谐振电感Lr 中通过的 电流为零时，开关Tp闭合，从而实现开关管 零电流开通；Tp导通后，谐振电感和谐振电 容谐振，当Lr中的电流为零时，将开关Tp断 开，从而实现开关管的零电流关断
duCr − Cr + i Lr = 0 dt L diLr = E − v r Cr dt
(4.11)
iL
Lr Cr
Tp off
il
L C
L C
Ｄ ｏｎ
I
Ｄｐ ｏｆｆ Ｔｐ ｏｎ
0
Uc
Ｅ
Ｄｐ ｏｎ
把初始条件ｉＬｒ（ｔ１）＝Ｉｏ，ｕＣｒ（ｔ１）＝Ｅ代入，可解得：
v c r (t ) = V i + I o Z r sin ω r t i L r (t ) = I o cos ω r t
2.1零电流开关准谐振变换器
n
Buck ZCS QRCs半波模式初始状态：
– Tp 关断， Io通过二极管D续流 ，电容 Cr上的电 压为零，电感中电流为零。
Lr
Cr
il
Lr
Ｄ ｏｆｆ
I0
L C
Cr
Ｔｐ ｏｎ
0
L C
Uc
Ｅ Ｔｐ ｏｆｆ
1. 开关状态1[t0,t1] 在这一时间段内，开关 Tp导通，续流二极管D继续导通，谐振电容Cr上 电压被钳位为0，电感Lr在E的作用下恒压充电，iLr线性上升。 这一阶段在相平面图中，对应于曲线沿 I 轴向上。这段时间段内有：
3 π <θ < π 2
(4.5)
式中，
θ = ωrT2 ，并且有
il
Lr
Ｄ ｏｆｆ
I0
L C
Cr
Ｔｐ ｏｎ
0
L C
Uc
Ｅ Ｔｐ ｏｆｆ
3. 开关状态3[t2,t3] 当t=t2时， Tp零电流关断，续流二极管D仍处在截止状态，负载电流通 过电 容 Cr流通，电容 Cr处于恒流放电状态。在相平面图上，这段时间 对应于u轴上t2到t3的部分。此时有：
(b)Buck ZCS QRCs 变换器
2.1零电流开关准谐振变换器
n
ZCS QRCs变换器的推广
(c)Boost 变换器
(d)Boost ZCS QRCs变换器
2.1零电流开关准谐振变换器
n
ZCS QRCs变换器的推广
(e)Buck-Boost 变换器
(f) Buck-Boost ZCS QRCs 变换器
u Cr = IL (t − t0 ) Cr
(4.10)
当ｔ＝ｔ１时，谐振电容Ｃｒ上的电压达到Ｅ，续流二极管承受正向 电压导通，开关状态１结束，电容Ｃｒ和谐振电感Ｌｒ开始谐振。
iL
Lr Cr
Tp off
il
L C
L C
Ｄ ｏｎ
I
Ｄｐ ｏｆｆ Ｔｐ ｏｎ
0
Uc
Ｅ
Ｄｐ ｏ ｎ