电力电子技术第6章.软开关技术
脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术
在这一章节，本书总结了全桥变换器软开关技术的实验研究结果，并提出了未来研究的方向和建 议。本书强调了软开关技术在全桥变换器中的重要性和应用前景。
在DCDC全桥变换器中，利用脉宽调制技术实现软开关的过程如下：通过反馈电路检测输出电压或 电流，并将其与给定值进行比较；然后，通过控制器计算出占空比，并生成相应的脉宽调制信号； 将脉宽调制信号输入到驱动器中，控制开关的导通和关断时间，从而实现软开关。
为了验证所提出的方法的有效性和优越性，我们进行了一系列实验。实验结果表明，利用脉宽调 制技术实现的DCDC全桥变换器的软开关可以显著降低开关的硬切换带来的功耗和噪声，同时提高 变换器的响应速度和调节精度。该方法还可以实现更高的效率
阅读感受
在电力电子技术快速发展的今天，DCDC变换器作为其重要组成部分，广泛应用于各种领域。而脉 宽调制DCDC全桥变换器及其软开关技术，更是电力电子技术的核心与热点。《脉宽调制DCDC全 桥变换器的软开关技术》这本书，深入浅出地介绍了脉宽调制DCDC全桥变换器的基本原理、设计 方法及应用实例，对于电力电子领域的学习者与实践者，都具有很高的参考价值。
在阅读这本书的过程中，我深感其理论与实例的结合紧密，让我对脉宽调制DCDC全桥变换器的软 开关技术有了更深入的理解。同时，也让我重新审视了电力电子技术在当代社会中的重要地位。 作为一名电子工程专业的学生，我深感自己在这个领域还有许多需要学习和探索的地方。这本书 无疑为我提供了宝贵的学习资源和研究方向。
《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
《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。
电力电子技术课后答案6
第5章逆变电路1．无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是：有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。
而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。
2．换流方式各有那几种？各有什么特点？答：换流方式有4种：器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。
全控型器件采用此换流方式。
电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。
负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。
强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。
通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。
晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。
3．什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。
答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主要特点是：①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
电流型逆变电路的主要特点是：①直流侧串联有大电感，相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。
软开关技术发展现状的研究
技术方案
3、零电压切换软开关技术：该技术通过在开关切换前将电压降至零，实现平 滑切换。其主要优点是可靠性高、电磁干扰小，但存在控制相对复杂、成本较高 等问题。
技术方案
4、零电流切换软开关技术：该技术通过在开关切换前将电流降至零，实现平 滑切换。其主要优点是可靠性高、电磁干扰小，但存在控制相对复杂、成本较高 等问题。
内容摘要
结论与展望：本次演示通过对软开关功率因数校正技术的研究，得出了其在 改善电力质量、提高功率因数和降低谐波污染方面的优势。实验结果表明，软开 关功率因数校正技术具有广泛的应用前景，尤其在新能源、智能电网等领域具有 重要意义。然而，该技术在实际应用中仍存在一定的挑战，如设备成本较高、占 地面积较大等问题。
开关电源技术的分类
开关电源技术的分类
开关电源技术按照不同的分类方式可以分为多种类型。根据工作原理，开关 电源可以分为硬开关和软开关两种。硬开关电源是通过开关器件的通断来实现电 源的开关，这种方式的优点是效率高、成本低，但缺点是开关器件的通断过程中 会产生很大的电流和电压冲击，容易导致电磁干扰和机械应力等问题。软开关电 源则是通过谐振、准谐振或直流叠加等技术实现开关器件的软开关，从而避免了 硬开关电源的这些问题。
背景
背景
软开关技术是一种在开关切换过程中，通过一定的控制策略，使开关器件的 电压和电流得到有效降低，从而实现平滑切换的技术。自20世纪90年代以来，随 着电力电子技术的快速发展，软开关技术得到了广泛和研究。然而，现有的软开 关技术方案在某些方面仍存在一定不足，如控制策略复杂、成本较高等，因此需 要进一步加以研究和完善。
内容摘要
智能软开关技术在配电系统中的应用场景非常广泛，主要体现在以下几个方 面。首先，在工业自动化领域，智能软开关技术可以应用于电力系统的运行监控、 电能质量管理和设备保护等方面，提高工业生产的稳定性和可靠性。其次，在建 筑智能化领域，智能软开关技术可以实现楼宇自动化控制、智能照明、能源管理 等功能，提高建筑的舒适性和节能性能。
软开关技术讲解
软开关技术综述摘要软开关技术是利用在零电压、零电流条件下控制开关器件的导通和关断，有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声因而在电力电子装置中得到广泛应用。
本文在讲述软开关技术的原理及分类的基础上，主要回顾了软开关技术的由来和发展历程，以及发展现状和未来的发展趋势。
关键词：软开关技术原理发展历程发展趋势一．引言：根据开关元件的工作状态，可以把开关分成硬开关和软开关两类。
硬开关是指开关元件在导通和关断过程中，流过器件的电流和元件两端的电压在同时变化；软开关是指开关元件在导通和关断过程中，电压或电流之一先保持为零，一个量变化到正常值后，另一个量才开始变化直至导通或关断过程结束。
由于硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。
开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来了严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。
为了降低开关的损耗和提高开关频率，软开关的应用越来越多。
电力电子装置中磁性元件的体积和重量占很大比例，从电机学相关知识知道，使变压器、电力电子装置小型化、轻量化的途径是电路的高频化。
但是, 传统的开关器件工作在硬开关状态，在提高开关频率的同时，开关损耗和电磁干扰也随之增加。
所以，简单地提高开关频率显然是不行的。
软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。
当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。
它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。
当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应力和噪声, 将变得难以接受。
谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。
为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM技术。
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。
第6讲软开关技术
软开关技术
1
第6讲
概述
软开关技术
1 软开关的基本概念 硬开关与软开关 零电压开关与零电流开关 2 软开关电路的分类
3 典型的软开关电路
零电压开关准谐振电路
第6讲软开关技术~概述
电力电子装置高频化趋势 •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。
基本开关单元的概念
S
L VD
S
L VD
L S
VD L S VD
基本开 a) 关单元
降压斩中的 b) 基本开关单元
升压斩波器中的 c) 基本开关单元
升降压斩波器中 d) 的基本开关单元
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 Converter—ZVS QRC）; 特点： •零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant • 谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； Converter—ZVS MRC）； • 零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching • 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功交换，导通损耗加大； • Quasi-Resonant Converter—ZCS QRC）； 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 Modulation—PFM）方式来控制。 • 用于逆变器的谐振直流环节(Resonant DC Link）
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。
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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。
1）零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM Con -verter-ZVSPWM）；
2）零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM Con -verter-ZCSPWM）。
同准谐振电路相比，这类电路的优势是：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。
开关管开通前使其承受的电压先降为零，或关断前使其电 流先降为零，就可消除开关过程中电压、电流的重叠，降低 电压变化率du/dt或电流变化率di/dt，从而大大减少甚至消除 开关损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。
（1）零电压开关 开关开通前使其两端电压为零，则开通时就不会产生损耗，
该方式称为零电压开通，简称零电压开关，如图6-2(a)所示。
在开关器件回路中串联电感L等元件，构成开通缓冲电路， 开关器件导通时，它可以减缓电流的上升速度，抑制di/dt， 降低开通损耗，当L足够大时近似为零电流开通，如图6-3(a) 所示。
在开关器件的两端并联电容C等元件，构成关断缓冲电路， 开关器件关断时，它可以减缓器件电压上升速度，抑制du/dt， 降低关断损耗，当C足够大时近似为零电压关断，如图6-3(b) 所示。
2、软开关电路的基本单元
图6-4是软开关电路的基本开关单元，每一种软开关电路都 可以用于降压型、升压型等不同电路。
图6-4 基本开关单元的概念
下面分别介绍准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM 电路三类软开关变换电路。
1、准谐振电路（QRC）
准谐振变换电路是在主开关电路中串、并联小电感和小电 容，这类变换电路的特点是谐振元件只参与能量变换的某个阶 段，而不是全程参与，谐振电路中的电压或电流波形为正弦半 波，因此称之为准谐振。准谐振电路可以分为：
1)零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching QuasiResonant Converter--ZVSQRC）； 2)零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching QuasiResonant Converter--ZCSQRC）； 3)零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching MultiResonant Converter--ZVSMRC）； 4)用于逆变器的谐振直流环节电路（Resonant DC Link）。
6.2 软开关电路的分类
1、软开关技术分类：根据发展历程，可将其分为4大类： （1）全谐振型变换电路。也称谐振型变换电路。按谐振类型 分，可分为串联谐振和并联谐振电路两类。按负载与谐振电路 的连接关系分，又可分为串联负载和并联负载谐振电路。 （2）准谐振变换电路。可分为零电压开关准谐振电路、零电 流开关准谐振电路、零电压开关多谐振电路和用于逆变器的谐 振直流环节电路等4类。 （3）零开关PWM电路。可分为零电压开关PWM变换电路和 零电流开关PWM变换电路两类。 （4）零转换PWM变换电路。它可分为零电压转换PWM变换 电路和零电流形
(b)关断波形
图6-2 软开关时电压和电流理想化波形及其开关损耗
（2）零电流开关 开关器件关断前使其电流为零，则开关关断时不会产生损
耗，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。如图 6-2(b)所示。
3、 软开关电路与缓冲电路的区别
缓冲电路也可以减少器件的开关损耗、降低电压峰值和电 流峰值、改善du/dt或di/dt。
(a)开通波形
(b)关断波形
图6-3 硬开关加缓冲电路时电压和电流理想化波形及其开关损耗
（2）缓冲电路虽减少了开关损耗，但把缓冲电路自身的损 耗加进去，整体功耗还是增加了，且这种损耗随频率的增加 也在增加。缓冲电路只是部分地改善了开关器件的工作条件， 不能提高整体效率。故不将缓冲电路列为软开关技术。
图6-1（a） 开通波形和损耗
图6-1（b） 关断波形和损耗
硬开关进行开关转换时存在的缺点： 1）开关损耗大，限制了开关器件的工作频率。 2）方波工作方式会产生电磁干扰，存在较大的du/dt和di/dt。 3）在桥式电路中，存在着上、下桥臂直通的短路问题。
2、软开关及其优点
在原来的开关电路中，通过增加小电感、小电容及辅助开 关等谐振元件，构成开关器件的辅助换流网络，在开关过程 前后引入谐振过程。