开关损耗及软开关技术
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。
减少开关损耗的措施和原理
减少开关损耗的措施和原理
1.采用MOS管或IGBT等低压损耗的器件。
这些器件的开关速度快，损耗小，有效的降低了开关损耗。
2.采用软开关技术。
软开关技术通过改变开关管的工作方式，使之在开关过程中保持输入电流或输出电流为零或接近于零，从而达到降低损耗的效果。
3.采用零电压开关技术。
这种技术利用并联的三极管管路控制开关管，在开关时将其导通，使电容器内的电能通过零电压点数控制器(即ZVS控制器)输出，使开关过程中的损耗降到最小。
4.采用瞬间非零电压开关技术。
这种技术通过对开关管进行合理的极间电压控制，使开通和断开瞬间各自的电压差均较小，从而大大降低了开关损耗。
5.采用逆变型桥式开关电源技术。
这种技术将输入的直流电压通过逆变变压器逆变成高频交流电压，再通过桥式开关电源将电压输出。
这种技术具有开关器件压降小，损耗更小的优点。
以上就是减少开关损耗的措施和原理。
浅论MOSFET的损耗及软开关
浅论MOSFET的损耗及软开关dog72MOSFET等效模型损耗分析导通损耗主要是Rdson上的有效电流产生的损耗，无需多言。
主要分析的是MOS开通和关断造成的损耗。
驱动损耗驱动损耗是栅极对结电容Cgs+Cgd充放电所造成的能量损失，主要和驱动电压的平方成正比，与频率和电容量成正比。
漏极电荷损耗漏极电压存储在Cgd+Cds上的电荷，会在MOS开关时不断的充放电，造成能量损失。
这部分与驱动损耗类似，只是电压为漏极电压的平方。
开通损耗开通损耗主要是因为在开通的过程中漏极因结电容的影响电压不能突变。
这样，开通损耗=0Ton ds d V I ⋅⎰。
假如电路为漏极接电感的Boost 拓扑，考虑最坏情况此处损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。
由于，开通损耗是存在于每个周期的，所以随着开关频率的提高，开通损耗线性增长。
关断损耗关断损耗产生的原因，主要是功率电感上电流不能突变，因而当MOS 关断时造成漏极电压突变（考虑漏极结电容的影响，电压并不会突变，但在大电流模式下因结电容很小所以可以近似为突变）。
与开通损耗类似的，最坏情况损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。
开关损耗开通损耗与关断损耗的和为MOS 的开关损耗，从0Ton ds d V I ⋅⎰可以得出三种方法可以降低开关损耗：1、 提高开关速度2、 开关动作时，使得漏极电压为零（或很低）3、 开关动作时，使得漏极电流为零（或很低） MOSFET 误导通和击穿MOS 的误导通和击穿会造成很大的损耗甚至损坏电路，所以有必要讨论一下。
根据MOS 等效模型，MOS 在关断的情况下有两种可能被强制开通：1、 当漏极出现很强的电压变化率时（即dv/dt 很大），等效网络“Rds-Cgd-Rg-Cgs-驱动内阻”内会产生很高的电流，如果Rg+驱动内阻足够大，则很有可能导致Cgs 上的电压瞬间超过开通门限，导致MOS 误导通2、 与上同样的dv/dt ，会在等效网络“Rds-Cds-Rb ”内产生很高的电流，如果这个电流在Rb 上的电压超过寄生BJT 的导通电压，则会导致BJT 导通形成击穿。
电力电子课件西安交大第8章软开关技术
03
软开关技术能够提高装置的抗电磁干扰能力，保证装置 在复杂电磁环境下的稳定运行。
04 软开关技术的实际应用案例
基于软开关技术的电源设计
开关电源
软开关技术应用于开关电源中，能够降低开关损耗，提高电源效 率，减小体积和重量。
不间断电源
在UPS（不间断电源）中应用软开关技术，可以改善输出电压的波 形，提高供电质量。
谢谢聆听
伺服系统
伺服系统中应用软开关技术，可以减 小系统体积和重量，提高伺服系统的 动态性能和稳定性。
基于软开关技术的电力电子变压器
1 2 3
固态变压器
软开关技术在固态变压器中得到广泛应用，能够 实现高效、灵活的电能转换和传输。
分布式电源系统
在分布式电源系统中，软开关技术可以提高电力 电子变压器的转换效率和可靠性，减小系统的体 积和重量。
适用于中大功率的电源转换，具有较高的输 出电压和较低的效率。
02
01
半桥式
适用于中大功率的电源转换，具有较低的输 出电压和较高的效率。
04
03
软开关技术的控制策略
恒频控制
保持开关频率恒定，通过改变占空比来调节输出 电压或电流的大小。
变频控制
改变开关频率，通过调节占空比来保持输出电压 或电流的大小恒定。
分布式电源系统
软开关技术为分布式电源系统提供高效、可靠的并网控制策略，提 高系统的稳定性和可靠性。
基于软开关技术的电机驱动系统
电机控制器
电动汽车驱动系统
软开关技术应用于电机控制器中，能 够减小电机启动电流和转矩脉动，提 高电机的控制精度和动态响应性能。
在电动汽车驱动系统中应用软开关技 术，能够提高驱动系统的效率和可靠 性，延长电动汽车的续航里程。
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。
一种PWM软开关变流器实现及损耗分析
机传动 。
ＰＷ Ｍ Ｓ ｏ ｆ ｔ Ｓｗｉ ｔ ｃ ｈ Ｉ ｎｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｌｏ ｓ ｓ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｕ Ｘ ｉ ａ ｏ ｆ ｅ ｎ ｇ
（ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ １ ３ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｚ ｅ ｒ ｏ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｚ Ｃ Ｔ ）ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｚ ｅ ｒ ｏ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｂ ｙ
开关条件。辅助 电路的引入不会对主电路的控制算法产生影 响， 使得传统 Ｐ ＷＭ控制策略 能够直接应用在软开关变流器上。在分析 Ｚ Ｃ Ｔ软开关工作原理的基础上， 引入的辅助电路 损耗小于减少的开关损耗 ， Ｚ Ｃ Ｔ技术提高变流器 的整机效率。通过一台 ５ ０ ０ ｋ Ｖ Ａ三相 Ｚ Ｃ Ｔ 软开关 Ｐ Ｗ Ｍ 软开关变流器互馈试验平台， 完成了功率 、 软开关试验及不同谐振参数下的效 许 晓峰 （ １ ９ ６ ０ 一） ， 男， 教授 ， 博 士生导
ａ ｃ ｈｉ ｅ ｖ ｅ ｄ，ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｎｔ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎｖ ｅ ｔｅ研 究 方 向 为 电
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。
硬开关与软开关
硬开关：1.开关损耗大。
开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。
电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。
2.感性关断电尖峰大。
当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。
此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。
3.容性开通电流尖峰大。
当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。
频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。
另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。
频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。
4.电磁干扰严重。
随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。
软开关：上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。
近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。
和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。
由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。
理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。
同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。
硬开关是指在固有的周期下进行开关，而软开关则不同，是利用了振荡作用，在电压和电流为零时使开关管打开和关闭，这样大大减少了在开关管上的损耗，提高了效率。
- 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)。
开关损耗及软开关技术
概述
本文简单介绍了开关电路的常见形式，讲述了开关电路开通和截止的过程以及开关损耗产生的原因。
最后介绍了减少开关损耗的办法—软开关技术。
开关电路简介
开关是我们经常碰到的一种物品，如电灯的开关，电源的开关，电闸，继电器等。
现代电子电路中也经常会使用到开关电路。
只不过在电子电路中的开关与上面所提到的机械方式的开关不同,电子电路中的开关一般利用晶体管或场效应管的导通截止特性构成。
开关电路经常出现在电源，功率放大器，电机伺服，音视频切换等电路中。
下面举两个例子
开关电源中的开关管(Q)
D 类音频功率放大器中的开关管(M1,M2)
从上面两个例子可以看出在功率电子电路中是用的开关电路有以下两个特点
1、 开关管的负载都是感性负载(开关电源电路中的f L 和音频功放中的1L )
2、 都有相应的续流二极管(如开关电源电路中的D)
*在音频功放中的续流二极管实际上是功率场效应管的体二极管。
开关电路的开关过程及开关损耗
以开关电源电路中的开关电路为例介绍一下开关的过程。
在这里假定电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。
开通过程
下图描述了开关管开通时电压电流的关系，其中CE V 指得是开关管Q 发射极和集电极之间的电压，对场效应管就是源极(S)和漏极(D)之间的电压。
L I 是关断前电感流过的电流。
在0t 时刻开关管Q 开始流过电流，开关管逐渐开通。
在10~t t 时刻流过开关管Q 的电流逐渐增大，同时流过二极管D 的电流逐渐减小。
在此时刻Q 一直工作在放大状态，即流过开关管的电流的大小是由流过基极的电流大小决定的。
在1t 时刻开关管Q 流过了所有的L I ，这时流过二极管的电流为零。
但是由于二极管反向恢复时间的原因，二极管不会立即进入截止状态，而是要继续保持一段时间的导通。
在21~t t 时刻流过开关管的电流继续增大，Q 还是工作在放大状态。
二极管处于反向恢复期流过反向的电流。
在2t 时刻二极管的反向电流开始减小。
在此时刻流过开关管的电流已经不再由Q 基极电流的大小决定，所以在此时刻Q 工作在放大和饱和的临界状态。
在32~t t 时刻流过开关管的电流开始减小，同时开关管两端的电压也开始急剧下降，电压下降的速度主要取决于二极管的反向恢复过程。
在3t 时刻二极管完全截止。
在43~t t 时刻里开关管处于动态饱和区CE 端的压降受三极管本身的特性，积极驱动电流，和结温影响。
这里不再讨论。
关断过程
关断过程可以分成两部分
10~t t 时刻开关管逐渐退出饱和状态两端电压不断上升。
但是流过其中的电流大小没有明显变化。
21~t t 时刻开关管逐渐关断，而二极管逐渐导通。
在关断过程中开关管决定了电流和电压的变化率。
开关损耗
开关管在开通和关断过程中的损耗是在这两个过程中电压和电流曲线相交部分的面积，也就是开关管电压、电流不同时为零而导致的开关管的功耗。
开关损耗在计算的时候可以实际测量电压电流的波形并通过折线法近似求出，关于开关损耗的计算可以参考《功率晶体管和开关二极管的应用技巧》一书
减小开关损耗的方法和软开关技术
为了减小开关损耗可以减小开关过程所占用的时间，改善开关管的驱动技术、选用快恢复的二极管是可以考虑的方法。
在这里介绍另一种减少开关损耗的方法—软开关技术。
因为开关损耗的产生都是因为加在开关管两端的电压电流不同时为零，如果要消除开关损耗可以使开关管在其两端的电压电流两者之一或是同时为零的时候进行开关状态的转换。
这种方法就是软开关技术
通过软开关的方法减少开关损耗
实现软开关的方法有很多，在这里介绍一种称为零电压谐振开关的技术。
零电压开关的基本形式如下图所示:
零电压开关的基本形式
其基本思想是：1S 导通时r C 两端的电压为零，这样在1S 关断的时候就可以实现零电压关断；在关断期间利用r C 和r L 的谐振使1S 两端的电压变为零，这样在1S 开通的时候就可以实现零电压开通。
下面以开关电源中的开关电路为例介绍一下零电压谐振开关的工作过程
零电压开关准谐振变换器电路图
因为电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。
所以可以将电感f L 当成一个衡流源来分析。
下图表示了零电压开关准谐振变换器的主要波形
零电压开关准谐振变换器的主要波形
在0t 时刻之前开关管导通，电感f L 的电流全部流过开关管，电感r L 上没有电流流过。
0t 之前电流的分布
在0t 时刻开关管关断，因为电容r C 的存在，开关管两端的电压是缓慢上升的所以开关管是零电压开通。
10~t t 阶段是电容r C 的充电阶段，电容r C 两端的电压逐渐上升。
电路中的电流如下图所示流动。
10~t t 电容充电阶段
在1t 时刻电容两端的电压r c V 达到了输出电压o V 这时二极管1D 开始导通，电感r L 开始
流过电流。
21~t t 阶段是谐振阶段，电流如下图所示流动。
21~t t 谐振阶段
a t t 11~阶段流过r L 的电流小于流过f L 的电流，这时电容r C 继续充电。
在a t 1时刻流过r L 的电流等于流过f L 的电流，这时电容r C 停止充电。
21~t t a 时刻流过r L 的电流大于流过f L 的电流。
电容r C 放电。
在2t 时刻电容r C 的电压降为零伏。
但是电感r L 的电流还是大于流过f L 的电流，这时1Q D 导通。
32~t t 时刻电感持续放电。
当1Q D 导通时，开关管两端的压降可以认为零伏，这时开通开关管1Q 就实现了零电压开通。
电流如下图所示
32~t t 时刻电感放电
在3t 时刻电感电流降为零。
电路电流的分布又回到了0t 之前的状态。
总结
本文简单介绍了开关损耗的产生原因，及减小开关损耗的方法。
如果对该内容需要更深的了解的话可以参考相应的参考书目。
参考书目
《直流开关电源的软开关技术》 阮新波 严仰光
《功率晶体管和开关二极管的应用技巧》 [法]让·玛里·皮特 等。