[电力电子技术(第4版)][王云亮 (6)[57页]

电力电子技术（第4版）电子工业出版社王云亮主编第6章谐振开关电路6.1引言新型的电力电子装置要求体积小、质量小、效率高具有良好的电磁兼容性，而决定装置体积、质量、效率的因素通常取决于滤波电感、电容和变压器的体积及质量。

解决这些问题的主要途径就是提高器件的开关频率。

但是，提高器件的开关频率会增加开关损耗和电磁干扰，开关的转换效率也会下降，而且器件的开关频率也是受限制的。

因此，不能仅仅简单地提高开关频率谐振开关技术是以谐振辅助换流方式来解决开关损耗问题的，提高了器件的开关频率，减小了装置的体积，提高了效率。

谐振开关模式也称软开关模式。

6.2开关模式与谐振变换器分类6.2.1硬开关模式和谐振开关模式电力电子器件在开关过程中同时存在着较高的电压和电流，导致较大的开关损耗；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现明显的过冲，产牛开关噪声。

开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，最终阻碍开关频率的进一步提高。

开关模式下器件的端电压、电流和功率损耗的波形为降低器件的开关损耗，通常加入RCD缓冲电路。

加入缓冲电路后减少了器件的开关损耗。

但实际上，总的损耗并没有降低，只是器件的部分损耗转移到缓冲电路中了。

不同开关模式下在开关过程中器件的电压电流的轨迹曲线谐振开关变换器中的开关器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，改善了开关器件在导通和关断过程的工作条件，因此显著地降低了器件的开关损耗，可以提高了器件的开关频率。

图给出了在谐振开关模式下器件的电压电流的轨迹曲线。

谐振开关技术可以使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高电力电子器件的开关频率，提高装置的效率和减少体积。

目前数兆赫的谐振开关电源已经问世，功率密度可达每立方英寸30-50W，效率大于80％。

6.2.2谐振开关变换器的分类根据拓扑结构和谐振开关方法将谐振变换器划分为如下几种变换器模式。

1.负载谐振变换器谐振电路既可采用串联L-C谐振电路，也可采用并联L-C谐振电路。

通过L-C的谐振，使变换器的开关在零电压与/或零电流时通断。

通过控制谐振电路的阻抗控制流向负载的功率，故称之为负载谐振变换器。

2.准谐振开关变换器L-C谐振能够提供给变换器上的电力电子器件合适的开关电压与电流波形，使器件在零电压与／或零电流下通断。

准谐振式变换器主要分为零电流开关(ZCS)准谐振变换器和零电压开关(ZVS)准谐振变换器3.零开关PWM变换器零开关PWM变换器在准谐振变换器上加入一个辅助开关管控制谐振过程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使主开关管在零电压导通或零电流关断。

由于可以控制谐振电路的工作时刻，因此变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。

4.谐振直流环逆变器是一个幅值固定的直在常规的开关型PWM直流-交流逆变器中，逆变器输入电压Ud流电。

在谐振直流环逆变器中，在输入直流电源和逆变器之间加入谐振电路，利用L-C形成振荡，使逆变器输入电压在某限定时间内为零，在谐振使逆变器的输入电压围绕Ud这段时间内控制电力电子器件通断的状态，从而实现了零电压通断。

6.3 准谐振开关变换器6.3.1 零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振Buck 变换器(ZCS-QRC)有L 型和M 型2种，在L 型准谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“半波模式”，其电路如图(a)所示；若开关器件允许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模式”，其电路如图(b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电容C r 与二极管VD 并联，而谐振电感L r 与开关管串联。

在T 0时刻以前，开关管VT 处于关断状态，输出滤波电感L 与二极管VD 构成续流通道，流过负载电流I o 。

谐振电感L r 中的电流为0，谐振电容C r 电压也为0。

1.电感充电阶段[T 0，T 1]在t ＝T 0时刻，开关管VT 导通，VT 上的电压迅速下降到零后，谐振电感中的电流开始按直线上升，直到t =T 1。

等值电路如图(c)所示。

2. 谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时，谐振电感Lr中的电流iLr＝Io，二极管VD在零电压下关断。

Lr和C r进入谐振状态，L r中的电流i Lr继续增加，谐振电容C r的充电电流是(i Lr-I o)。

当L r电流下降到iLr<I o时，C r放电，放电电流逐渐增大，而i Lr仍逐渐减少。

等值电路如图(d)所示。

3.电容放电阶段[T2，T3]对于半波工作模式，在t＝T2时，iLr＝0，开关管VT自然关断，这时谐振电容Cr通过负载放电，并维持放电电流为Io ，因此Cr上的电压线性下降。

在t＝T3之后，电容电压下降到零。

等值电路如图(e)所示。

4. 续流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，谐振电容Cr上的电压下降到零，续流二极管VD在零电压下导通，负载电流Io通过二极管VD续流。

等值电路如图(f)所示。

L型零电流开关准谐振变换器半波模式的工作波形如图所示。

在ZCS中，要求开关通过一个比负载电流Io 大Ud/Z r的峰值电流。

开关在零电流时自然关断，负载电流Io 不应超过Ud/Z r。

以这里有一个限制，即负载电阻可以低到什么程度的问题。

通过与开关反并联一个二极管，可使输出电压对于负裁变化不再那么敏感。

ZCS QRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。

在开关管VT断开电流为零。

在开关管导通时，电流逐渐上升，实现零电流导通；电容状态谐振电感LrC r、电感L r、开关管VT和电源谐振，电感电流i Lr按正弦变化，当i Lr谐振到由零变负时，二极管VD导通，开关管VT断流，具有零电流关断条件去除开关管VT驱动信号，VTr在零电流下关断。

6.3.2 零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振Buck变换器(ZVS-QRC)也有全波模式和半波模式2种电路。

若开关器件只能承受单方向电压，则ZVS-QRC工作于半波模式，其电路如图(a)所示；若开关器件能承受双向电压，则ZVS-QRC工作于全波模式，其电路如图(b)所示。

在ZVS-QRC中，谐振电容C r与开关管并联，谐振电感L r与二极管VD串联。

在T 0时刻以前，开关管VT 处于导通状态，VD 已关断，滤波电感L 与谐振电感L r 流过负载电流I o ，谐振电容C r 电压也为0。

1.电容充电阶段[T 0，T 1]若在t ＝T 0时刻，使开关管VT 断开，以电流I o 向谐振电容C r 充电，因此，C r 上电压按直线规律上升，直到u Cr ＝U d 为止。

等值电路如图(c)所示。

2. 谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时刻，VD管导通，这时Lr和Cr进入谐振状态。

对于半波工作模式，在t＝T2时刻,uCr电压被箝位于零。

对于全波工作模式，电容上电压继续朝反向振荡，并在t＝T2时刻反向回零。

在这期间的电感电流iLr下降到零后反向。

等值电路如图(d)所示。

3. 电感充电阶段[T 2，T 3]在t ＝T 2之后，电感电流直线上升，并在t ＝T 3时刻达到I o 。

通常，对于半波工作模式，开关管在T 2之后和电感电流i Lr 变正之前这段期间被激励导通，否则将损失零电压关断条件。

对于全波工作模式，开关管VT 可在u Cr 电压为负期间加上激励信号。

等值电路如图(e)所示。

4.恒流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，VD管关断，负载电流Io通过开关管VT，并一直维持到t＝T4时刻。

等值电路如图(f)所示。

在ZVS中，要求开关承受一个比Ud高I o Z r的正向电压。

开关在零电压导通时，负载电流Io 必须大于Ud／Zr，所以，如果输出负载电流Io在一个很大的范围内变动，则上述两种情况会在开关上产生一个很大的电压值。

所以，这个方法限于应用在基本上是恒定的负载上。

为克服这一限制，在有关参考文献中介绍了一种零电压通断的多谐振技术。

ZVS QRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。

在开关管VT 导通期间电感L储能，和开关管并联的谐振电容电压为零。

在开关管关断时，由于两端电压为零，实现零电压关断；VT关断后，电容Cr 以电感电流iL充电，电容电压上升，当uCr 大于输出电压Uo时，二极管VD导通，电容Cr和电感Lr开始谐振，电容两端电压按正弦变化，当uCr谐振到零时，开关管VT具有零电压导通条件，驱动开关管VT，VT在零电压下导通。

通常，在高通断频率时，ZVS比ZCS更可取，原因在于开关的内部电容。

当开关在零电流但在一定电压下闭合时，内部电容上的电荷耗散在开关中。

当通断频率很高时，这种损耗变得很大。

但是，如果开关是在零电压时闭合就不存在这种损耗。

从上述的电路分析可知，开关准谐振变换器可以有效地降低器件的开关损耗，使得ZCS-QRC的实际工作频率达到1-2MHz，ZVS-QRC的实际工作频率达到10MHz，但器件的电压或电流应力都比较大，这是一个缺点，也是应用中一个重要的限制因素，值得进一步研究。

当谐振电感和谐振电容一定时，为保证开关管实现软开关模式，ZVS开关准谐振变换器关断时间一定，ZCS开关准谐振变换器导通时间一定，因此要实现改变占空比D，就需要改变开关周期，也就是改变开关频率，因此不适于工作在PWM方式，而要工作在DC-DC变换器中的第2种调制方式，即脉冲频率调制方式。

6.4 零开关PWM变换器零开关PWM变换器包括零电压开关PWM变换器(ZVS PWM)与零电流开关PWM变换器(ZCS PWM)。

这类变换器在前面介绍的准谐振变换器基础上加入一个辅助开关管控制谐振元件的谐振过程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使主开关管在零电压导通或零电流关断。

由于可以控制谐振电路的工作时刻，因此，变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。

6.4.1 ZVS PWM 变换器由输入电源U d 、主开关管VT(包括与其反并联的二极管VD r )、续流二极管VD 、滤波电感L 、滤波电容C 、负载电阻R L 、谐振电感L r 、谐振电容C r 和辅助开关管VT 1(包括与其串联的二极管VD 1)构成。

从图可知，ZVS PWM 变换器是在ZVS QRC 电路的谐振电感L r 上并联了一个辅助开关管VT 1和VD 1。

降压ZVS PWM 变换器的原理图。

若t<T0时，主开关管VT导通，给辅助开关管VT1驱动信号。

续流二极管VD截止，iLr=I L=I o，u Cr=0。

在一个开关周期T s中，分5个阶段来分析电路的工作过程。

等效电路如图(b)所示。

1.谐振电容充电阶段[T0,T1]t=T0时，u Cr=0，关断VT，VT零电压关断，电流i Lr立即从VT转移到谐振电容C r，给Cr 充电。