软开关的概念
第7章 软开关技术
第7章软开关技术引言7.1软开关的基本概念7.2 软开关电路的分类7.3典型的软开关电路本章小结第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。
ta ）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 0ui t uuii P 00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 0ui t tu iuit ta ）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。
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分别介绍三类软开关电路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。
软开关技术
t 0以前等效电路 S导通，VD反偏（iS为VDS与S电流之和） 导通， 反偏 反偏（ 电流之和） 导通 电流之和 L为恒流源 为恒流源
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（3） 零电压开关准谐振电路
在t1~t2时段等效电路 S关断 ，VDs反偏，VD导通，谐振开始 反偏， 导通 导通， 关断 反偏 uCr继续上升， iLr 下降 继续上升，
t2:iLr=0, uCr 最大
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（5） 零电压开关准谐振电路
在t2~t3段等效电路 S关断，VDs反偏，VD导通 关断， 反偏， 导通 关断 反偏 iLr 反向上升，uCr下降 反向上升， t3: uCr=ui,uLr=0,iLr最大
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。
零电流开通 电感电流，初始保持0不突变 电感电流，初始保持 不突变
零电压关断 电容电压，初始保持0不突变 电容电压，初始保持 不突变
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（1） 零电压开关准谐振电路
总体思路：S 以“准软开关”（零电 压关断），产生谐振，使得两端出现 零电压后（其实是与其反并联的二级 管导通，出现很小的负管压降），给S 开通信号，实现零电压开通：“软开 关” 准谐振：仅谐振了半个周期） 准谐振：仅谐振了半个周期）
第7章 软开关技术
电力电子装置高频化 优点： 滤波器、 变压器体积和重量减小， 优点 ： 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。 装置小型化、 轻量化。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。
软开关的基本概念
软开关的基本概念软开关的基本概念软开关是一种电子器件，它可以用来控制电路的开关。
与传统的机械式开关不同，软开关使用半导体材料作为其主要材料，并利用电场效应来控制电路的通断。
软开关具有许多优点，如可靠性高、功耗低、体积小等，因此被广泛应用于各种领域中。
一、软开关的基本原理1.1 半导体材料软开关主要由半导体材料制成。
半导体材料是指在温度较低时具有半导体性质的材料。
它们具有介于导体和绝缘体之间的电学特性，即在一定条件下既可以传导电流，又可以阻止电流的流动。
1.2 电场效应软开关利用了电场效应来控制电路的通断。
当一个外加电压施加到半导体上时，会在其内部形成一个强烈的电场。
这个电场会影响到半导体中自由载流子（即带负或正电荷的粒子）的运动状态，从而改变其导电性质。
1.3 MOSFET结构MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的软开关结构。
它由金属栅、氧化物和半导体材料组成。
当一个正电压施加到金属栅上时，会在氧化物和半导体之间形成一个电场，从而改变半导体中自由载流子的运动状态，控制电路的通断。
二、软开关的优点2.1 可靠性高软开关使用半导体材料作为其主要材料，没有机械部件，因此具有较高的可靠性。
与传统的机械式开关相比，软开关不容易出现接触不良等问题。
2.2 功耗低软开关具有低功耗的特点。
由于其内部没有机械部件，因此摩擦损耗、惯性负荷等都很小。
此外，在控制电路通断时也只需要很小的电流即可实现。
2.3 体积小软开关具有较小的体积和重量。
这使得它们在集成电路中得到广泛应用，并且可以大大节省空间。
三、软开关的应用领域3.1 电力系统在电力系统中，软开关被广泛应用于电力变压器、断路器、接触器等设备中。
它们可以提高系统的可靠性和效率，并且可以减少能源浪费。
3.2 电动汽车软开关在电动汽车中也得到了广泛应用。
它们可以控制电机的转速和方向，并且可以实现快速切换，提高车辆的性能和安全性。
3.3 通信设备软开关在通信设备中也是必不可少的组成部分。
软开关的基本概念
软开关的基本概念
软开关是一种电力电子器件，它能够根据控制信号断开或接通电路，从而实现电力系统的控制和保护。
与传统机械开关相比，软开关具有体积小、能耗低、寿命长、可靠性高和控制精度高等优点，因此被广泛应用于现代电力系统中。
软开关的基本结构包括一个功率半导体器件和一个控制电路。
其中功率半导体器件可以是晶闸管、二极管、MOSFET、IGBT等，用于负责电路上的开关操作。
而控制电路则负责产生指令信号，控制功率半导体器件的开关状态，从而实现电路的控制和保护。
软开关的最大特点是其控制方式。
它利用高频开关技术，将电路开关的操作频率提高到几千赫兹，从而实现电流的快速切换和控制。
与此同时，软开关还可以实现电流的平滑转移，降低电路中的电压和电流波动，从而提高了能量利用率和电路的稳定性。
软开关的应用范围非常广泛，包括但不限于变频器、UPS、电力电子变压器、电机驱动等。
其中，变频器是软开关应用最为广泛的领域之一。
在变频器中，软开关用于实现电机的调速控制，从而提高电机
的效率和运行质量。
此外，软开关还可以用于UPS中的输出电路控制，保证UPS的稳定输出电压和电流。
总之，软开关是一种电力电子新型器件，具有体积小、能耗低、
寿命长、可靠性高等优点，被广泛应用于现代电力系统中。
随着科技
的不断发展和进步，软开关技术也会越来越成熟和完善，为电力系统
的控制和保护提供更加先进的技术手段。
电力电子技术第6章.软开关技术
图6-5给出了前三种软开关电路的基本开关单元，谐振直流 环节的电路见图6-10。
图6-5 准谐振电路的基本开关单元
2、零开关PWM电路
零开关PWM变换电路是在准谐振变换电路基础上，增加了 辅助开关而形成的。辅助开关用于控制谐振的开始时刻，使谐 振仅发生于开关过程前后，这样，电路就可以采用恒频控制方 式即PWM控制方式。零开关PWM电路可分为：
图6-6 零开关PWM电路的基本开关单元
3、零转换PWM电路
准谐振变换器的谐振电感和谐振电容一直参与工作；零开关 PWM变换器的谐振元件虽不一直工作，但谐振电感却串在主回 路中，损耗较大。为克服这些缺陷，提出了零转换PWM变换器。 虽这类变换器也采用对谐振时刻进行控制来实现PWM控制，但 与零开关变换器相比具有更突出的优点：
要 实 现 软 开 关 的 PWM 控制，只需控制Lr与Cr的 谐振时刻。其方法是：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 6-6 所 示，其 中 S1为辅助开关。
第6章 软开关技术
6.1 软开关的基本概念 1、硬开关及其缺点
变流电路中的电力电子开关不是理想器件。开通时，开关 管的电压不是立即降到零，同时它的电流也不是立即上升到 负载电流，有一个上升时间。在这段时间里，开关元件承受 的电压和流过的电流有一个交叠区，会产生开关损耗，称之 为开通损耗，其波形如图6-1（a）所示。同样，在开关关断 时，开关管的电流也有一个下降过程，电压也有一个上升时 间，电压和电流的交叠产生的开关损耗称之为关断损耗，其 波形如图6-1（b）所示。开关器件在开关过程中产生的开通 损耗和关断损耗，统称为开关损耗。具有这种开关过程的开 关称为硬开关。
什么是软开关-软开关的分类
什么是软开关?软开关的分类凡用控制的方法使电子开关在其两端的电压为零时导通电流,或使流过电子开关的电流为零时关断,则此开关称为软开关。
它能克服传统的硬开关的开关损耗,理想的软开关的开关损耗为零,从而可提高功率变换器的传输效率。
一、软开关概述硬开关是在控制电路的开通和关断过程中，电压和电流的变化剧烈，产生较大的开关损耗和噪声，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的工作。
软开关是在硬开关电路的根底上，增加了小电感、电容等谐振器件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通；或使流过开关的电流为零时关断，使开关条件得以改善，降低传统硬开关的开关损耗和开关噪声，从而提高了电路的效率。
软开关包括软开通和软关断。
理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通时不会产生损耗和噪声，软开通的开关称之为零电压开关。
理想的软关断过程是：电流先下降到零后，电压再缓慢上升软开关技术大体上分为零电压开关和零电流开关，到通态值，所以关断时不会产生损耗和噪声，软关断的开关称之为零电流开关。
二、软开关的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，可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。
1.零电压开关①零电压开通：开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声。
②零电压关断：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。
2.零电流开关①零电流关断：开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。
②零电流开通：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。
3.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。
其电压峰值很高，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方式来控制。
软开关工作原理
软开关工作原理
软开关是一种电子开关设备，其工作原理是利用电容器和电感器来提高交流电的功率因数，从而达到节能和保护设备的目的。
其主要优点是可以在高频率下使用，而且不会受到电弧击穿的影响，使得设备寿命更长。
软开关的工作原理如下：在正半周的电流通过电容器和电感器时，电流的值会增大，同时电压的值会减小。
而在反半周的电流通过同样的电路时，则是电流减小而电压增加。
通过这种方式，软开关可以快速控制交流电的上升和下降沿，避免电压尖峰和电流谷底，从而实现节能和保护设备的目的。
除此之外，软开关还可以应用在灯光、空调等家用电器中，可以实现电器开关的平稳启动和停止。
此外，随着科技的不断发展，软开关也在智能家居领域得到了广泛应用，可以实现定时开关、远程控制等功能，为我们的生活带来了更多便利。
电力电子技术 第8章 软开关技术
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
7
8.1软开关的基本概念
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
8
8.1软开关的基本概念
和移相控制软开关PWM全桥变换器。 电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
4
学习指导
➢本章主要讨论软开关的基本概念与分类，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）零电压开关准谐振变换器的工作原理和换流过程； （3）零电压开关PWM变换器的工作原理和换流过程； （4）零电压转换PWM变换器的工作原理和换流过程； （5）移相控制软开关PWM全桥变换器的工作原理和换流过程。
电力电子技术
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
第8章 软开关技术
1 学习指导 2 软开关的基本概念 3 软开关电路的分类 4 典型的软开关电路
5 本章小结
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
2
学习指导
பைடு நூலகம்
➢ 电力电子技术当前正在朝着小型化、高频化的方向发展。开关损 耗和电磁干扰阻碍了进一步的高频应用。
电 力 电 子 技 术（“十二五普通高等教育本科国家级规划教材”）
5
8.1软开关的基本概念
➢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， 由于杂散电感、杂散电容的存在，开关器件会出现电压、电流过冲，系统 会对外产生严重的电磁干扰（EMI）。 ➢所谓软开关是指开关管通断过程中不存在电压电流交叠区，通常是指
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
软开关的关断几种方法 1）零电流关断：在开关管关断前，使其电流减小到 零。 2）零电压关断：在开关管关断时，使其电压保持在 零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压 的交叠区。 3）同时做到零电流关断和零电压关断，在这种情况 下，关断损耗为零。
返回
8.2软开关技术的实现及其类型
为了提高变换器效率，减小变换器的重量 体积，就必须解决上述的四个问题。 所谓软开关就是功率器件在零电压条件下 导通（或关断），在零电流条件下关断 （或导通）。与硬开关相比，软开关的功 率器件在零电压、零电流条件下工作，功 率器件开关损耗大大减小。 与此同时， du/dt和di/dt大为下降，提高 了变换器的可靠性，由于软开关开关损耗 很小，与硬开关相比，它可以工作于较高 的工作频率，因此减小变换器的体积和重 量，同时提高变换器的变换效率。
为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随 负载变化而变化（或基本不变），谐振、准谐振 和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调 频系统。调频系统不如PWM开关变换器那样容易控 制，这是因为调频系统是依靠 L 、 C 振荡使得电路 产生谐振和准谐振的，功率器件所受的电压与电 流的应力都要比相应的硬开关PWM变换电路功率器 件承受的压力大，并且该应力随电路的Q值和负载 变化而变化。调频系统是依靠改变开关频率来改 变变换器的输出，开关频率大范围变化使得滤波 器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制，而且 由于调频来调节输出，负载变化大时，相应的电 压和电流调节范围比相应PWM变换电路窄，超前一 定范围后，变换电路不能达到零电压或零电流开 关条件。
从谐振角度看，所谓谐振变换器或逆变器 至少包含有一个谐振回路，谐振回路至少 包含一个电感和一个电容，谐振电路的阶 数决定于所包含的独立的储能元件数目。 以谐振类型划分，软开关变换器有谐振型 变换器、多谐振/准谐振变换器、零开关 PWM变换器、零转换PWM变换器等；从拓扑 结构上看，有电流型软开关变换器、电压 型软开关变换器。
b）准谐振变换器(Quasi-resonant converters, QRCs)；它是最早出现的软开关电路。其特点是谐 振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参 与。无论是串联LC或并联LC都会产生准谐振，利 用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流 按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的 条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变 换器。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换 器(Zero-current-switching Quasi-resonant converters, ZCS-QRCs)和零电压开关准谐振变换 器(Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS-QRCs)。
第8章 软开关的概念
8.1软开关的概念 8.2软开关技术的实现及其类型 8.3谐振电路 8.4准谐振和多谐振变换器 8.5软开关的PWM技术 8.6 零电压/电流转换PWM变换器
返回
8.1软开关的概念
传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关 工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高, 它存在 如下问题： 1）开通和关断损耗大； 2）感性关断问题 3）容性开通问题； 4）二极管反向恢下几种方法 1）零电流开通：在开关管开通时， 使其电流保持在零，或者限制电流 的上升率，从而减小电流与电压的 交叠区。从图 8-2 （ a ）可以看出， 由于电流下降时间的提前，大大减 少了电压与电流的重叠区间，因而 开通损耗大大减小。 2）零电压开通：在开关管开通前， 便其电压下降到零。从图 8-2 （ b ） 可以看出，开通损耗基本减小到零。 3）同时做到零电流开通和零电压开 通，在这种情况下，开通损耗为零。 这种情况最为理想。
c）多谐振变换器(Multi-resonant converters, MRCs)：其特点是谐振元件参与能量变换的某一个 阶段，不是全程参与。多谐振变换器的谐振回路、 参数可以超过两个、三个或更多，称为多谐振变 换器。准谐振/多谐振单元与主开关的关系如图83所示。
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 图 8-3 准谐振电路的基本开关单元
1）谐振型变换器 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按 正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断 的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变 换器。它又可以分为全谐振型变换器、准谐振变 换器和多谐振变换器三种类型。 a）全谐振型变换器：一般称之为谐振变换器 (Resonant converters)。该类变换器实际上是负 载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分 为串联谐振变换器(Series resonant converters, SRCs) 和 并 联 谐 振 变 换 器 (Parallel resonant converters, PRCs)两类。在谐振变换器中，谐振 元件一直谐振工作，参与谐振工作的全过程。该 变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感， 一般采用频率调制方法。
2）零开关PWM变换器(Zero-switching-PWM-converters) 分为零电压开关PWM变换器(Zero-voltage-switching PWM converters ， ZVS PWM) 和 零 电 流 开 关 PWM 变 换 器 (Zerocurrent-switching PWM converters ， ZCS-PWM) 。该类变 换器是在准谐振 /多谐振变换器的基础上，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， 实现恒定频率控制，即实现 PWM 控制。这样，变换器既有 电压过零（或电流过零）控制的软开关特点，又有 PWM 恒 频调宽的特点。这时谐振网络中的电感是与主开关串联的。 与准谐振 / 多谐振变换器不同的是，谐振元件的谐振工作 时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1/10~1/5， 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。