-软开关技术(soft technique)
软开关技术
+
+
-
-
(5)S4作0压关断
C4充电C3放电续流iLr, B点电位升至Ui, (6)D3导通续流iLr , S3为0压导通
S 1,4 S2,3
10
8.3.4 升压斩波器的零电压转换软开关电路
+ -
主开关S为0压软开关 辅助开关S1为硬开关，但
硬导通时iLr由0上升，功耗不大 硬关断时iLr换流到VD1后S1才受Uo,功耗不大 已在功率因数校正电路应用
硬开关：
开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠---功率损耗 （平均功率～（1/6)断态电压*通态电流） 电压、电流变化很快，波形有过冲，导致开关噪声。 功耗与噪声随着开关频率的提高而增大
uu i
i
0
t
P
0
t
a）硬开关的开通过程
u
i
u
i
0 P
0
b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
3
8.1.1 硬开关和软开关
7
2）工作原理
S通时Cr为0压 S作0压关断后： VD因续流iL而导通 Cr与Lr串联谐振 uC先正后“负”,负值时VDs导通 --等待S零压导通
由波形:Cr电压峰值高 准谐振(—不完整谐振)
8
8.3.3 移相全桥0压开关PWM电路
目前应用最广泛的软开关电路之一 特点:电路简单。 仅增一谐振电感，使四个开关均0压开通。
第8章 软开关技术
1
第8章 软开关技术• 引言
变流装置的发展趋势 ---高频化小型化
优点:滤波器、变压器体积和重量减小 （L=XL/ω,C=GC/ω,φm ∝ U/(Nω) ）
开关灭弧快 问题:开关损耗、电磁干扰增大。
电力电子技术8 软开关技术
丘东元
引 言
电力电子装置的发展趋势 小型化、轻量化 实现途径——电力电子装置高频化 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。 解决办法 —— 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声，满足对装置的效率和电磁 兼容性的高要求 有助于进一步提高开关频率
9
8.2 软开关电路的分类
根据电路中主要开关元件开通和关断时电压电流状态， 分为 零电压电路（零电压开通） 零电流电路（零电流关断） 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 现的软开关电路 零电压开关准谐振电路（ZVS QRC） 零电流开关准谐振电路（ZCS QRC） 零电压开关多谐振电路（ZVS MRC） 用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DC Link）
uCE iC 无缓冲电路时 无 di 抑制电路时 dt iC uCE
有缓冲电路时 O di 有 抑制电路时 dt
t
iC A 无缓冲电路 B
D O
有缓冲电路 C uCE
6
软开关
在电路中增加一些元器件， u 通过在开关过程前后引入谐 i 振，使开关开通前电压先降 0 到零，关断前电流先降到零， P 消除了开关过程中电压、电 0 流的重叠，从而大大减小甚 至消除开关损耗； 同时，谐振过程限制了开关 过程中电压和电流的变化率， 这使得开关噪声也显著减小。
S S1 uS
O O O
t t t IL t
iLr iS1
O
uS1 O iD iS
O O O
t
t t t0 t1 t 2 t3 t4 t5
《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。
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。
什么是电力电子中的软开关技术？
什么是电力电子中的软开关技术？在当今的电力电子领域，软开关技术正扮演着越来越重要的角色。
那么，究竟什么是软开关技术呢？要理解软开关技术，我们首先得从电力电子电路中的开关说起。
在传统的电力电子电路中，开关的开通和关断过程往往不是理想的。
当开关开通时，电流会从零逐渐上升；而当开关关断时，电压会从零逐渐上升。
这种非理想的开关过程会导致开关损耗的产生。
开关损耗主要包括导通损耗和开关过程中的损耗。
导通损耗是由于开关在导通状态下存在一定的电阻，电流通过时会产生功率损耗。
而开关过程中的损耗则更为复杂，在开关开通和关断的瞬间，电压和电流会有重叠的时间段，这期间会产生较大的功率损耗，并且还会引起电磁干扰等问题。
为了降低这些损耗，提高电力电子装置的效率和性能，软开关技术应运而生。
软开关技术的核心思想是让开关在电压或电流为零的时候进行开通或关断，从而减少甚至消除开关过程中的损耗。
具体来说，软开关技术可以分为零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）和零电流开关（Zero Current Switching，ZCS）两种类型。
零电压开关是指在开关开通前，其两端的电压已经降为零，这样在开通瞬间就不会有电压和电流的重叠，从而大大降低了开通损耗。
实现零电压开关的常见方法是在开关两端并联一个电容，利用电路中的电感和电容的谐振，使得开关两端的电压在开通前降为零。
零电流开关则是在开关关断前，通过电路的设计让流过开关的电流先降为零，从而避免了关断时电压和电流的重叠，降低了关断损耗。
通常通过在开关支路串联电感来实现零电流关断。
软开关技术的实现需要依靠合理的电路拓扑结构和控制策略。
常见的软开关电路有准谐振电路、零开关 PWM 电路和零转换 PWM 电路等。
准谐振电路是最早出现的软开关电路之一，它利用电感和电容的谐振来实现软开关，但存在着电压和电流应力大、工作频率不固定等缺点。
零开关 PWM 电路在准谐振电路的基础上进行了改进，通过引入辅助开关，实现了恒定频率的控制，同时降低了电压和电流应力。
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。
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。
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（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
高频化带来的问题及解决方法
Lσ= 0 开关开通、关断过程
Ts
T on
T off
iT
C
v T (v CE )
i f IO
E
IO
vG
V
O
开通 断 态
通态
关断
断态
T
E
iD
Lf
R
Cf
L F
vG
G i G 或v G
(8-13)
由（8-11）和（8-13） L (0.1 ~ 0.05)T V 2I r s D o min 可确定Lr、Cr： Cr (0.1 ~ 0.05)Ts I o min 2VD
8.3.2 零电压开通脉冲频率调制 （ZVS PFM）变换器工作原理
主电路组成
工作原理
Cr
+
VG2 T2
-
D2 Lf
Io
D1
+ Lr T1 VG1 VD
Vo Cf
iL
VL D VD
R
图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图
8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理（续1）
无T2：不能控制Lr、Cr谐振起始时刻开 关状态2，无Toff时区2。 缺点：只有调频fs，才能调压。
安全工作区：
VT<VCEP，KJ线左侧 iT<ICM，NM线下方
Pt=VT×iT，功率限制线左下侧
全控型开关的L-C-R-D i +v i 复合缓冲器工作过程
R
RS
C
C
iT
A
iL
iR
RS
LS
LS
DS iC
CS
+ vC CS
I CM
vT C
E
vo L f
i Iovo
Io
Lf
i f Io
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零 开关基本特性（续3）
LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断
t1时引发Lr、Cr谐振，t2时vT 谐振至零，在t3时驱动T实 现零电压开通。 t6时引发Lr、Cr谐振， t7时iT谐振至零，在t8时切除驱动 信号实现零电流关断。
断 态 开通 过程 通态 关断 过程 断 态
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PW 变换器工作原理（续6）
开关状态4（续）：t3<t<t8
t＝t6时，iL＝0， Vcr＝VT1＝0，T2早已关断， 此后VD经T1、Lr建立iT1。 t=t8时，iT1＝Io，D0截止，完成T1开通过程。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PW 变换器工作原理（续7）
Cr
+
VG2 T2
-
D2 Lf
toff
t
F A
0 VD
X K VCEO
1ms功率限制线
v T (v CE )
（c) iT、vT 轨迹
（b) 波形图
Lσ=0 开通和关断开关损耗
开通电流iT上升期：iT=Io / tri 关断电流iT下降期：iT=I0 (1-t / tfi ) 若认为vT在开通关断过程中也呈线性变化在则：
动画 演示
T1通态时D0截止，vT1＝vcr＝0，切除 +VG，T1关断iT1从Io→0，并联电容Cr 使vT＝vcr从0逐渐上升，T1软关断。 图 8.5 零电压开通ZVS PFM变换器 vT＝vcr→VD后D0导通，Lr、Cr立即谐 振，所以电路8.5无开关状态2。
图8.4（a）中，T2导通使iL经D2、T2续 流，不能形成Lr、Cr谐振回路，直到 在t＝t2时刻关断T2时，才能形成谐振。
D
A i S
iL
iT
C
DS
Vo
Io
i T
iS
iT
T
vT i fE D T
R
Vo R
Cif
D O
Io
C
Io C
E
PC ma
x
E
B
VD
VD O
DO
Cf
VQ
L
L
A
O
O
V Q QD
P
V CE V CE P A O P
O
VT
VT
(a）电路
图7.12(a）
VQ VD (c）开关轨迹
VCEP 160V 200V 300V
图7.12(c）
断态
VD
VQ
开通
vT T
VLS LS Io / tif
通态
关断
VD
断态
开通
vT vG Io C iT VCEP vG iT
t
vT
t1
t2 td
t3 t ri
t fv
t4
t5
ts
t6
t fi
t7 t p
t8
t 21
t 22 t 23
t 24
(b）开通关断过程波形图
软开关的基本概念
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PW 变换器工作原理
主电路组成
+ T V TLf i f=I o Io + R Vo -
工作原理 关断T2后引发LrCr谐振， 使主开关管T1的电压 vT=0。
VD
Do
Cf
图8.1(a) 硬开关电路
再对T1施加驱动信号实 现T1的零电压开通。
图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图
rT vT
rT
iT
Io
零电压开通：A－O－C iT 零电压关断：C－O－A C E B
vT VD
vT iT vT iT t 6 t 7 t8 t 9 t10 t
Q O VQ A P
vT t 2t3 t 4 t5
IO
vT
t1
VD VCEP
图 8.2 零电压开通、零电流关断时vT、iT、rT
开关轨迹
8.2 谐振开关型变换器的类型
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理（续1）
在一个开关周期Ts中，该变换器有五种开关状态。
开关状态1:T1关断， Cr充电
开关状态2:D0，D2续流 开关状态3:T2关断，Cr、Lr谐振 开关状态4:T1零电压开通 开关状态5:T2零电压开通
图 8.4（a）Buck DC/DC ZVS PWM变换器电路图
零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。
脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制 PFM谐振变换器。 零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。
零开关谐振变换器 零转换谐振变换器
LC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。
8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS） 变换器
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理
VD
Do
Cf
R
Vo
Q
-
A
P
vT
O
VQ
VD VCEP
图8.1(a) 硬开关电路
开关轨迹
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零 开关基本特性（续1）
有LC缓冲器的软开关过程
开通（ A→Q→E→C）：LS使工作点从A→Q，在vT＝ VQ<VD下iT从0→Io，然后从E→C，Pon’< Pon。 关断（C→A→P→A）：iT从Io→0期间vT从0→VD，然后 在iT=0下从A→P→A，Poff’显著减小。
开关状态5：t8<t<t10
t＝t9时，开通T2，此时iL=I0不变T1已是通态， vL＝vT2＝0，T2是零电压开通。 t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完 成一个开关周期Ts。