【精品】第7章软开关技术
第7章软开关技术
主要内容：软开关技术的分类，各种软开关电路的原理及应用。
电力电子装置高频化
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.
缺点：开关损耗增加,电磁干扰增大。
软开关技术的作用：降低开关损耗和开关噪声；进一步提高开关频率。
1软开关的基本概念
（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，软开关有时也被称为谐振开关。
工作原理:软开关电路中S关断后Lr与Cr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。
（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。
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7—1零电压开关准谐振电路
及波形
a）电路图b）理想化波形
图7—2硬开关电路及波形
a）电路图b）理想化波形
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。
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
（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（ZVSQRC）;
零电流开关准谐振电路（ZCSQRC）；
零电压开关多谐振电路（ZVSMRC）；
用于逆变器的谐振直流环节
(ResonantDCLink）。
图7-4准谐
振电路的基本开关单元
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
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(PulseFrequencyModulation—PFM)方式来控制.
(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—SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）；
零电流开关PWM电路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM)。
图7—5零开关
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
【精品】第7章软开关技术
第7章软开关技术 主要内容：软开关技术的分类，各种软开关电路的原理及应用。 电力电子装置高频化 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. 缺点：开关损耗增加,电磁干扰增大。 软开关技术的作用：降低开关损耗和开关噪声；进一步提高开关频率。 1软开关的基本概念 （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，软开关有时也被称为谐振开关。 工作原理:软开关电路中S关断后Lr与Cr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。 （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。 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7—1零电压开关准谐振电路 及波形 a）电路图b）理想化波形
图7—2硬开关电路及波形 a）电路图b）理想化波形 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。 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 （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（ZVSQRC）;
第七章谐振软开关技术
个人收集整理 仅供参考学习 (7-1) 1 / 10 第七章谐振软开关技术 随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。然而 如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、 电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。 80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件 的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、 开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关 损耗和提高开关频率的有效办法。 本章首先从PWM 电路开关过程中的损耗分析开始， 建立谐振软开关的概念； 再从软开 关技术发展的历程来区别不同的软开关电路， 最后选择零电压开关准谐振电路、 零电流开关 准谐振电路、零电压开关 PWM 电路、零电压转换PWM 电路和谐振直流环电路进行运行原 理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。 文档收集自网络，仅用于个人学习 7.1谐振软开关的基本概念 7.1.1开关过程器件损耗及硬、软开关方式 无论是DC — DC 变换或是DC — AC 变换，电路多按脉宽调制（PWM ）方式工作，器件 处于重复不断的开通、 关断过程。由于器件上的电压 "、电流-会在开关过程中同时存在， 因而会出现开关功率损耗。以图 7-1（ a ）Buck 变换电路为例，设开关器件 VT 为理想器件， 关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。 文档收集自网络，仅用于个人学 7-1 （b ）为开关过程中 VT 上的电压、电流及损耗 /的波形，设负载电流L 恒 当VT 关断时，负载电流- 一改由续流二极管 VD 提供。若再次触发导通 VT ，电流从VD ，直至J' -.1' 才下降为零。这 样就产 向VT 转移（换流），故-工期间「上升但- J'-- 生了开通损耗 儿：。当停止导通 VT 时，"从零开始上升，在 U T = E * 图7-1 Buck 变换电路开关过程波形
第七章谐振软开关技术
第七章谐振软开关技术 随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。然而如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关损耗和提高开关频率的有效办法。 本章首先从PWM电路开关过程中的损耗分析开始，建立谐振软开关的概念；再从软开关技术发展的历程来区别不同的软开关电路，最后选择零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关PWM电路、零电压转换PWM电路和谐振直流环电路进行运行原理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。 7.1 谐振软开关的基本概念 7.1.1 开关过程器件损耗及硬、软开关方式 无论是DC—DC变换或是DC—AC变换，电路多按脉宽调制（PWM）方式工作，器件 处于重复不断的开通、关断过程。由于器件上的电压、电流会在开关过程中同时存在，因而会出现开关功率损耗。以图7-1（a）Buck变换电路为例，设开关器件VT为理想器件，关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。 图7-1（b）为开关过程中VT上的电压、电流及损耗的波形，设负载电流恒定。 图7-1 Buck变换电路开关过程波形 当VT关断时，负载电流改由续流二极管VD提供。若再次触发导通VT，电流从 VD向VT转移（换流），故期间上升但，直至才下降为零。这 样就产生了开通损耗。当停止导通VT时，从零开始上升，在期间维持， 直至，才减小为零，这样就产生了关断损耗。 若设器件开关过程中电压、电流线性变化，则有 （7-1） 图7-2 器件开关轨迹
第七章：电力电子习题解答
第七章软开关技术 习题及思考题 １．高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量？为什么提高开关频率可以减小变压器的体积和重量？ 答：高频化可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重量。使装置小型化、轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率，周期变短，可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小，从而减轻了滤波器的体积和重量；对于变压器来说，当输入电压为正弦波时，U＝4.44·f·N·B·S，当频率f提高时，可减小N，S参数值，从而减小了变压器的体积和重量。 ２．软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样子的？各有什么特点？ 答：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态，可将软开关电路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将软开关电路分为准谐振电路，零开关PWM电路和零转换PWM电路。 准谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，电路结构比较简单，但谐振电压或谐振电流很大，对器件要求高，只能采用脉冲频率调制控制方式。 零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路的基本开关单元零开关PWM电路：这类电路中引入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，此电路的电压和电流基本上是方波，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。 零电压开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路的基本开关单元零转换PWM电路：这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满负载都能工作在软开关状态，无功功率的交换被消减到最小。