电力电子技术第7章 软开关技术
《软开关技术》课件
03
CHAPTER
软开关技术在不同领域的应 用
电力电子领域
软开关技术介绍
在电力电子领域，软开关技术是一种用于控制开关电源的先进技术。它通过在开关过程中引入谐振原 理，实现了开关器件的零电压或零电流开通与关断，从而减小了开关损耗和电磁干扰，提高了电源的 效率。
应用实例
在逆变器、直流-直流转换器、不间断电源等电力电子设备中，软开关技术被广泛应用于减小开关损耗 、提高电源效率、降低电磁干扰等方面。
智能电网
在智能电网建设中，软开关技术将发挥重要作用，保障电网的稳定 运行和节能减排。
轨道交通
在轨道交通领域，软开关技术的应用将提升列车运行的稳定性和安 全性。
产业前景
市场规模
随着软开关技术的广泛应用，其 市场规模将不断扩大，吸引更多 企业投入研发和生产。
产业链完善
软开关技术的产业链将逐渐完善 ，形成完整的研发、生产、销售 和服务体系。
降低电磁干扰有助于提高电子设备的性能稳定性，减少对周 围其他设备的干扰，同时也符合现代电子产品绿色环保的要 求。
延长设备寿命
软开关技术能够减小开关过程中产生的应力，从而降低对设备中元器件的损耗， 延长了设备的使用寿命。
设备寿命的延长有助于减少维修和更换成本，同时也减少了电子废弃物的产生， 有利于环境保护。
元器件选择
01
02
03
电力电子器件
如绝缘栅双极晶体管（ IGBT）、功率MOSFET等 ，具有高耐压、大电流、 低导通电阻等优点。
无源元件
如电容、电感等，用于实 现能量的储存和转换。
控制电路
用于产生控制信号，调节 开关的导通和关断时间。
电路设计
01
02
电子技术基础课件第7章 软开关技术
D1D4
2018/9/3
电力电子技术 t1
26
(d ) fs < fo 处于容性工作状态
Inverter bridge variations
zFull bridge
S1
S2
S3
S4
io
R
zHalf bridge
2018/9/3
S1 and S2 gate signal are complement 50% Duty cycle Voltage on C1 and C2 are constant, =Vs/2
2018/9/3
on 电力电o子ff技术
10
实际元件构成的Buck变换器(Practical Buck converter)
Ideal
Practice
Square Waveforms No Switching Loss
Parasitic Oscillations Switching Loss Snubber Loss
uDS
-
-
u gs
uDS , iDS
iD
Ii
I RM
2018/9/3
Ii Vd
t
Reverse recovery charge Qrr
vs.
dI F dt
Vo
¾ Turn-on loss in switch and boost diode
∫ Aturn _ on
=
QrrVo
+
trr
Ii uDSdt
0
简化:分析基波分量之间的关系，而忽略谐波分量的作用 Vi: square waveform Amplitude: ±Vdc freq: fs Amplitude of fundamental component
电力电子系统的软开关技术应用
电力电子系统的软开关技术应用电力电子系统是现代电力系统中一种重要的组成部分，在能量转换和电力控制方面发挥着关键的作用。
然而，传统的硬开关技术存在着一些问题，如能量损耗大、温升高、开关速度慢等。
为了克服这些问题，软开关技术应运而生。
本文将介绍电力电子系统中软开关技术的应用。
一、软开关技术概述软开关技术是通过控制电流和电压的相位和频率来实现开关过程的一种技术。
相较于硬开关技术，软开关技术具有以下优点：能量损耗小、温升低、开关速度快、抗干扰能力强等。
软开关技术在电力电子系统中得到了广泛的应用和推广。
二、软开关技术在电力电子系统中的应用1. 可逆变器可逆变器是一种电力电子系统，用于将直流电转换为交流电。
传统的硬开关技术在可逆变器中存在能量损耗大、谐波干扰大的问题。
而软开关技术可以有效解决这些问题，提高可逆变器的性能和效率。
2. 无线电频率功率放大器无线电频率功率放大器是一种用于放大和调节无线电频率信号的设备。
传统的硬开关技术在功率放大器中会产生较大的谐波干扰和电磁干扰。
而软开关技术可以通过精确地控制开关时间和频率，减少谐波干扰，并提高功率放大器的效率。
3. 交流输电系统交流输电系统是通过变压器将电能从发电站输送到用户的系统。
传统的硬开关技术在交流输电系统中存在能量损耗大和电流调节精度低的问题。
软开关技术可以通过控制开关的相位和频率，实现电流和电压的精确调节，提高交流输电系统的效率和稳定性。
4. 电动汽车充电系统电动汽车充电系统是将电能传输到电动汽车中进行充电的系统。
传统的硬开关技术在电动汽车充电系统中存在能量损耗大和充电速度慢的问题。
而软开关技术可以减少能量损耗，并通过提高充电器的开关速度，实现快速充电。
三、软开关技术的发展趋势随着电力电子系统的不断进步和发展，软开关技术也在不断发展和完善。
未来，软开关技术将更加智能化和自动化，能够根据实际情况自行调节开关时间和频率，以提高电力电子系统的性能和效率。
此外，软开关技术还有望应用于更多的领域，如光伏发电系统、风力发电系统等。
《软开关技术》课件
混合型软开关电路
结合电压型和电流型电路的特点，实现更高效的软开关。
控制策略
恒定电压控制
保持输出电压恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒定电流控制
保持输出电流恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
恒功率控制
保持输出功率恒定，通过调节占空比或频率来实现软 开关。
软开关技术
CATALOGUE
目 录
• 软开关技术概述 • 软开关技术的优点 • 软开关技术的应用领域 • 软开关技术的实现方式 • 软开关技术的发展趋势 • 软开关技术的前景展望
01
CATALOGUE
软开关技术概述
软开关技术的定义
软开关技术是指在电力电子变换器中 ，利用控制技术实现功率开关管的零 电压开通和零电流关断的一种新型开 关技术。
01
通过调节脉冲宽度来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲频率调制（PFM）
02
通过调节脉冲频率来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
脉冲相位调制（PPM）
03
通过调节脉冲相位来控制开关的导通和关断时间，实现软开关
。
电路拓扑结构
电压型软开关电路
通过在开关管两端并联电容来实现软开关。
电流型软开关电路
高效率的电源能够减小散热需求，降低散热成本，同时减小电源体积和重 量，提高电源的便携性和可靠性。
降低电磁干扰
01
软开关技术能够减小开关过程 中电压和电流的突变，从而降 低电磁干扰(EMI)。
02
降低电磁干扰有助于提高电子 设备的电磁兼容性(EMC)，使 其在复杂电磁环境中稳定工作 。
03
降低电磁干扰还可以减小对周 围电子设备的干扰，提高整个 系统的稳定性。
-软开关技术(soft technique)
（7-5） （7-6）
Poff f s
toff 0
t on t ri t fv
Ploss
toff trv t fi
1 VD I 0 f s (ton toff ) 2
线路电感 Lσ≠ 0 时开通、关断过程
VT
图7.11
安全工作区
Lσ=0时，开通轨迹ABC，关断轨迹 CBA Lσ≠ 0时，开通轨迹AQEC，关断轨 迹CBHPA Lσ改善了开通轨迹，恶化了关断轨 迹
开关状态2：t1<t<t2
T1断态，Vcr＝VT1＝VD。iL经D2、T2 续流，Io经D0续流。Toff=t2-t1可控， 用以调控输出电压。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PW 变换器工作原理（续4）
开关状态3：t2<t<t3
t=t2时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半 个周期到t3， t=t3时 Vcr＝VT1＝VD， iL达到负最大值。
t
VD
D
rT IO iD
T
iT
rT
iD
(a) 电路
t
t 0 t1 vT (v CE ) t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t t10 9
iT
电压限制线
R E
I CM
N C
VD
vT
电流限制线 10us功率限制线
vT
t
td PT t ri
IO
B
t fv
t on PT vT iT
ts
t rv t fi
第8章
谐振开关型变换器 --软开关技术（soft-switch）
1
现代电力电子的发展------高频化
第7章软开关技术
第7章软开关技术一. 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。
1.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。
2.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。
3.零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。
4.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。
5.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。
6.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PFM方式来控制。
分类：零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、电压开关多谐振电路、用于逆变器的谐振直流环节电路7.零开关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电路零电流开关PWM电路●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。
现代电力电子技术中的软开关技术
现代电力电子技术中的软开关技术摘要：论述了现代电力电子技术的软开关技术及其新发展，论述了由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的软开关技术。
关键词：软开关谐振现象变换器一、引言电力电子技术利用无源功率器件和半导体功率器件、大规模集成电路和微处理器、传感与信息处理技术、现代控制理论、计算机仿真与辅助设计技术，以功率变化电路为对象，研究对电能进行变换和控制的规律，以其独特的、不可取代的特殊功能，广泛应用于国民经济的各个领域。
开关电源的高频化是实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量的重要途径。
开关电源的高频化增大了变换器的功率密度和性能价格比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的音频噪声。
软开关（softswitching）技术是近年来电力电子学领域中的一个主要研究方向。
对软开关理论的深入研究，使软开关技术成为电力电子变换技术的核心内容尤其是能有效地减小电能变换装置引起的环境污染（噪声等）和电磁污染（emi），为发展无公害电力电子产品提供了有效的方法和途径。
二、谐振软开关的工作原理，种类及特点谐振软开关是八十年代提出并用于dc-dc变换器中[2]。
它利用电路发生谐振时，电流或电压形成周期性地过零点，并使开关器件在在零电流或零电压条件下接通或切断，因此理论上它的开关损耗为零，避免了硬开关由于电压电流波形交叠而产生开通及关断损耗。
软开关包括软关断和软开通。
按驱动信号的时序来分又可以分为零电压开通、零电压关断与零电流开通、零电流关断。
各种软开关与硬开关的波形比较如下：图1 软开关和硬开关的波形比较图中零电流关断信号在t2或t2以后发出，零电压关断信号在t1发出。
零电流开通信号在t2或t2以后发出，零电压开通信号在t1发出。
谐振软开关电路中的零电流和零电压条件是由辅助的谐振电路提供的，辅助电路一般由辅助谐振元件l和c和电力电子开关器件s构成。
辅助谐振电路中的开关器件s也是在零电流或零电压条件下实现通断。
开关电源 软开关技术
对元件性能要求高
软开关技术要求电路元件具有 更高的耐压和耐流能力，以及
更快的开关速度。
兼容性问题
在某些应用中，软开关技术可 能与现有硬件或标准不兼容，
需要进行适配或修改。
05
软开关技术的实际应用案例
案例一：LED驱本
详细描述
降低开关损耗
通过控制开关的电压和 电流，软开关技术可以 有效地降低开关过程中 的电压和电流应力，从 而减小开关损耗，提高
电源效率。
减小电磁干扰
由于软开关技术可以控 制开关过程中的电压和 电流波形，因此可以减 小开关过程中产生的电 磁干扰，提高电源的电
磁兼容性。
延长开关寿命
通过降低开关过程中的 电压和电流应力，软开 关技术可以延长开关器 件的寿命，降低电源维
03
软开关技术的工作原理
软开关技术的电路结构
电路组成
软开关技术通常由主电路、控制电路和辅助电路组成。主电路负责实现电能转 换，控制电路负责调节开关状态，辅助电路则提供必要的支持功能。
工作模式
根据电路结构和控制方式的不同，软开关技术有多种工作模式，如零电压开通、 零电流关断、零电压关断等。
软开关技术的控制方式
01
脉冲宽度调制（PWM）
通过调节脉冲宽度来控制开关的占空比，从而实现电压和电流的调节。
PWM控制方式简单、易于实现，但可能会产生较高的开关损耗。
02
脉冲频率调制（PFM）
通过调节脉冲频率来控制输出电压或电流，PFM控制方式具有较低的开
关频率，可以减小电磁干扰和开关损耗，但可能会影响输出性能。
03
混合调制（PWM+PFM）
开关电源的应用与发展
应用
- 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)。
（1） 零电压开关准谐振电路
ug
VDT
关断过程 开通过程
uT (uCr)
Lr
O
t t t t t0 t1 t2 t3t4t5 t6 t0 t
L
+
T
iT iLr
O uVD
ui
Cr
VD
C
R
uo
-
◆其中开关管T和谐振电容 Cr并联，谐振电感 Lr 与T串联。假设电 路中电感L和电容C值很大。 ◆假设电感L和电容C很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略 电路中的损耗。 ◆开关电路的工作过程是按开关周期重复的，在分析时可以选择开 关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到 简化。
（1） 零电压开关准谐振电路
ug
VDT
关断过程 开通过程
uT (uCr)
Lr
O
t t t t t0 t1 t2 t3t4t5 t6 t0 t
L
+
T
iT iLr
O uVD
ui
Cr
VD
C
R
uo
-
◆工作过程 ☞选择开关关断时刻为分析的起点。 ☞t0~t1时段：t0之前，S导通，VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻T关 断，Cr使T关断后电压上升减缓，因此T的关断损耗减小，T关断后， VD尚未导通；Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr线性上升，同时 VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0，VD导通。
（1） 零电压开关准谐振电路
ug
VDT
关断过程 开通过程
uT (uCr)
Lr
O
t t t t t0 t1 t2 t3t4t5 t6 t0 t
L
+
T
iT iLr
O uVD
ui
Cr
VD
C
R
uo
-
☞t1~t2时段：t1时刻VD导通，L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振 回路；谐振过程中，Lr对Cr充电，uCr不断上升，iLr不断下降，直到 t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。 ☞t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr改变方向，uCr不断下降，直 到t3时刻，uCr=Ui，这时，uLr=0，iLr达到反向谐振峰值。 ☞t3~t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时 刻uCr=0。
第7章 软开关技术
7.1 软开关技术概述
7.2 软开关技术的典型电路
引言
■开关损耗、开关频率及其引起的电磁干等是影响电力电子 电路性能的重要因素，针对这些问题出现了软开关技术。 ■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装 置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。 ■电力电子电路的高频化 ◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小 型化、轻量化。 ◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。 ■软开关技术
7.1.2 软开关的特性
■硬开关在电力电子装置中存在 以下问题：
uT iT ， uT
iT
uT
◆开关损耗大 ：开关端电压电流波形的 开通 关断 t 0 (a) 交叠致使器件的开关损耗随着开关频率的 P 升高逐渐增大。 ◆开通时容性问题 ：当开关器件在很高 (b) 0 t 的电压下开通时，储藏在开关器件结电容 中的能量将会全部耗散在开关器件内，易 图7.1 硬开关特性 引起器件过热损坏。 ◆关断时过电压问题：当开关器件关断时，通过电路中感性元件的电压 电流变化率会很大，易产生较大的电磁干扰，尖峰过电压也易造成器件过 热损坏。
0 uT iT ，
uT
开通
iT
t
uT
关断
0
t
图7.3 实际软开关特性
7.1.3 软开关电路的分类
■软开关电路的分类
◆根据电路中开关元件开关时电压电流状态，可 以分为零电压开通电路和零电流关断电路两类。 ◆根据软开关技术的发展历程，可以分为准谐振 型电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。
7.2 软开关技术的典型电路
◆降低开关损耗和开关噪声。
◆使开关频率可以大幅度提高。
7.1 软开关技术概述
7.1.1 软开关的概念 7.1.2 软开关的特性 7.1.3 软开关的分类
7.1.1 软开关的概念
■硬开关 硬开通 硬 开 关 开关器件在其端电压不为零时开通
硬关断
开关器件在其电流不为零时关断
◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。 ◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开 关噪声。 ◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太 高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损 耗就越来越显著。
T
硬开关在开关过程中的这些问题，主要是由于在开关过程中同时有 电压电流产生的
7.1.2 软开关的特性
ug
■理想软开关
◆开关器件开通时，两端电压 uT 先降为零，
然后施加驱动信号，使电流 iT 逐渐上升 ◆器件关断时，使器件中电流 iT 先降为零， 然后再撤销驱动信号，电压 uT 开始上升 ◆由于不存在电压和电流的交叠，没有开关 损耗，这是一种理想的软开关。
0 iT uT
uT
零电压 开通
iT
t
uT
零电流 关断
0
t
图7.2 理想软开关特性
ug
■实际软开关
◆软开通：开通过程时，对开关器件施加驱 动u g 信号后，电流 iT 开始上升，电压 uT 不大 且迅速下降为零，开通损耗不大； ◆软关断：关断时，电流 iT 下降，电压 uT 不 大且上升缓慢，关断损耗也不大。
7.1.1 软开关的概念
■为解决硬开关频率不能太高、有电磁干扰的问题，出现了软开关技术。
零电压开通 软 开 关
在器件开通过程中，其端电压为零，则 称为零电压开通
零电流关断
如果在器件关断过程中，其承载的电流为 零，则称为零电流关断
◆零电压开通和零电流关断是理想的软开关，其开关过程中没有开关损 耗和噪声。 ◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，当开关频率较低时，开关损耗 占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的升高，开关损耗占的比重就越 来越大，这时候必须采用软开关技术来降低开关损耗。
7.2.1 准谐振电路 7.2.2移相全桥型零电压软开关PWM电路 7.2.3零转换PWM电路
7.2.1 准谐振型电路
准谐振型电路是最早出现的软开关电路，其中有些现 在还在大量使用。 ◆谐振型变换电路：利用谐振现象，使开关器件上电压 或电流按照正弦规律变化，为实现零电压开通或零电流关 断创造条件。 ◆谐振型变换电路可以分为全谐振、准谐振和多谐振变 换三种类型。 ◆在软开关技术中应用较多的是准谐振变换电路。 ◆ 准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，故称之 为准谐振。 ◆准谐振电路可以分为零电压开关准谐振电路和零电流 开关准谐振电路。