软开关的概念
第十九讲：软开关的基本概念及分类
S
L
u u i 0 P
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i
u
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VD
C
0
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5
பைடு நூலகம்
硬开关过程中的电压和电流 a) 关断过程 b)开通过程
软开关与硬开关的概念
——软开关的概念：
在硬开关电路中增加很小的电感、电容等辅助元件，这一复合开关称 为软开关。
第十九讲：软开关的基本概念及分类 1、 软开关技术产生的背景
2、 软开关与硬开关的概念 3、 软开关的分类
4、 软开关电路的分类
重点掌握：2、3、4
1
软开关技术产生的背景
——现代电力电子装置（电路）的发展趋势是什么？ 体积小型化、重量轻量化、效率高效化、电磁兼容性优良化
——体积小型化、重量轻量化的直接途径：
17
软开关电路的分类
——零转换PWM软开关电路 产生的背景: 为克服零开关PWM电路的缺陷 而产生的. 概念: 所含软开关为零转换PWM软开 关的电路. 零转换PWM软开关单元的分类： （1）零电压转换PWM（ZVT
PWM）软开关
18
软开关电路的分类
——零转换PWM电路 零转换PWM软开关单元的分类： （2）零电流转换PWM（ZVT
零转换PWM软开关电路: 软开关由零转换PWM开关单元来实现,采用调宽控制开关的开通
10
软开关电路的分类
——准谐振软开关电路
概念: 在硬开关单元上增加谐振电感和谐振电容，构造成谐振开关单元， 进而实现软开关功能。 分类：
（1）零电压开关准谐振电路（ZVS QRC）； （2）零电流开关准谐振电路(ZCS QRC)； （3）零电压开关多谐振电路（ZVS MRC）。 （4）用于逆变器的谐振直流环节电路RDCL
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。
软开关
1引言PWM(脉宽调制)功率变换技术省去了庞大笨重的工频变压器，减小了装置的体积重量，提高了电源的功率密度与整机效率。
然而，在硬开关状态下工作的PWM变换器，随着开关频率的上升，一方面开关管的开关损耗会成比例地上升，使电路效率降低，处理功率的能力减小；另一方面，会产生严重的电磁干扰(E MI)。
由于功率开关管并不是理想开关，开通和关断都需要一定时间，在这段时间里，在开关管两端电压(或电流)减小的同时，通过的电流(或电压)上升，形成电压和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗。
本文介绍一种采用软开关技术的PWM变频调速系统，使开关损耗大幅减小。
2软开关技术的优点所谓软开关通常是指零电压开关ZVS(zerovoltageswitching)和零电流开关ZCS(zerocurrentswitchingz)或近似零电压开关与零电流开关。
硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程；而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时器件关断；当电压降到零时，器件导通。
开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，使器件的开关损耗理论上为零。
软开关技术的应用，在理论上使开关管的开关损耗为零，从而可以使开关频率进一步提高，使电力电子变换器具有更高的效率，更高的功率密度，体积、重量大大减小，具有更高的可靠性；并可有效地减小电能变换装置引起的电磁污染(EMI)和环境污染(噪声等)。
3ADRPI变换桥臂的拓扑结构及工作原理辅助二极管变换极逆变器（ADRPI）拓扑结构见图1。
若定义电路中Q1导通、Q2截止为“1”状态，而Q2导通、Q1截止为“0”状态，则这种变换桥臂的基本工作原理是：图1 ADRPI一条变换臂的拓扑结构图（1）设电路的初始状态为“1”状态，即Q1导通、Q2截止，极电压VC2由于箝位二极管Dc的作用被箝位在电源电压Vin，电感电流iL为稳定正值，电感电压VL等于零，这时的电感L作为能量储存元件而存在。
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。
软开关的基本概念
软开关的基本概念软开关的基本概念软开关是一种电子器件，它可以用来控制电路的开关。
与传统的机械式开关不同，软开关使用半导体材料作为其主要材料，并利用电场效应来控制电路的通断。
软开关具有许多优点，如可靠性高、功耗低、体积小等，因此被广泛应用于各种领域中。
一、软开关的基本原理1.1 半导体材料软开关主要由半导体材料制成。
半导体材料是指在温度较低时具有半导体性质的材料。
它们具有介于导体和绝缘体之间的电学特性，即在一定条件下既可以传导电流，又可以阻止电流的流动。
1.2 电场效应软开关利用了电场效应来控制电路的通断。
当一个外加电压施加到半导体上时，会在其内部形成一个强烈的电场。
这个电场会影响到半导体中自由载流子（即带负或正电荷的粒子）的运动状态，从而改变其导电性质。
1.3 MOSFET结构MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的软开关结构。
它由金属栅、氧化物和半导体材料组成。
当一个正电压施加到金属栅上时，会在氧化物和半导体之间形成一个电场，从而改变半导体中自由载流子的运动状态，控制电路的通断。
二、软开关的优点2.1 可靠性高软开关使用半导体材料作为其主要材料，没有机械部件，因此具有较高的可靠性。
与传统的机械式开关相比，软开关不容易出现接触不良等问题。
2.2 功耗低软开关具有低功耗的特点。
由于其内部没有机械部件，因此摩擦损耗、惯性负荷等都很小。
此外，在控制电路通断时也只需要很小的电流即可实现。
2.3 体积小软开关具有较小的体积和重量。
这使得它们在集成电路中得到广泛应用，并且可以大大节省空间。
三、软开关的应用领域3.1 电力系统在电力系统中，软开关被广泛应用于电力变压器、断路器、接触器等设备中。
它们可以提高系统的可靠性和效率，并且可以减少能源浪费。
3.2 电动汽车软开关在电动汽车中也得到了广泛应用。
它们可以控制电机的转速和方向，并且可以实现快速切换，提高车辆的性能和安全性。
3.3 通信设备软开关在通信设备中也是必不可少的组成部分。
软开关的基本概念
软开关的基本概念
软开关是一种电力电子器件，它能够根据控制信号断开或接通电路，从而实现电力系统的控制和保护。
与传统机械开关相比，软开关具有体积小、能耗低、寿命长、可靠性高和控制精度高等优点，因此被广泛应用于现代电力系统中。
软开关的基本结构包括一个功率半导体器件和一个控制电路。
其中功率半导体器件可以是晶闸管、二极管、MOSFET、IGBT等，用于负责电路上的开关操作。
而控制电路则负责产生指令信号，控制功率半导体器件的开关状态，从而实现电路的控制和保护。
软开关的最大特点是其控制方式。
它利用高频开关技术，将电路开关的操作频率提高到几千赫兹，从而实现电流的快速切换和控制。
与此同时，软开关还可以实现电流的平滑转移，降低电路中的电压和电流波动，从而提高了能量利用率和电路的稳定性。
软开关的应用范围非常广泛，包括但不限于变频器、UPS、电力电子变压器、电机驱动等。
其中，变频器是软开关应用最为广泛的领域之一。
在变频器中，软开关用于实现电机的调速控制，从而提高电机
的效率和运行质量。
此外，软开关还可以用于UPS中的输出电路控制，保证UPS的稳定输出电压和电流。
总之，软开关是一种电力电子新型器件，具有体积小、能耗低、
寿命长、可靠性高等优点，被广泛应用于现代电力系统中。
随着科技
的不断发展和进步，软开关技术也会越来越成熟和完善，为电力系统
的控制和保护提供更加先进的技术手段。
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。
软开关电路名词解释
软开关电路名词解释
软开关电路名词解释
软开关电路是指一种无源开关电路，它包含若干开关元件，可以用来
实现特定的电路功能，并在外部应用中实现控制和调整功能。
这种电
路主要由几个重要的部分组成，包括控制器、开关管和回路部件，这
些部分之间存在着有着某种特定的功能性关联。
首先，软开关电路中最重要的元件就是控制器，它是一种微型处理器，可以根据外部参数进行编程，以达到控制及调整的功能。
它的功能是
通过对控制信号的处理，实现对电路的控制及调整。
其次，软开关电路中用于实现开关功能的元件是开关管，即双极双压
晶体管，它可以将控制器的输出信号直接映射到开关电路的负载端，
从而实现控制和调整功能。
最后，组成软开关电路的回路部件也很重要，它们可以帮助控制器对
电路进行控制和调整。
这些回路部件主要包括电阻、电容、二极管及
其他元件，它们可以满足不同的应用环境，控制电路的速率和强度，
从而达到较好的性能。
总的来说，软开关电路是一种无源开关电路，它可以实现特定的电路
功能，并将外部控制和调整功能实现在电路中。
我们可以看出，它的
结构相对复杂，但是它的功能实力雄厚。
所以，目前它已经在家用电器、汽车电子设备、工业传感器等行业中得到了广泛的应用。
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Cr L
S
S1
Lr
D1
D
S S1
Lr Cr D1
L D
a零电压转换PWM电路的基本开关单元 b零电流转换PWM电路的基本开关单元 图8-5 零转换PWM电路的基本开关单元
返回
8.3谐振电路
1 串联谐振电路：
串联谐振槽路如图8-6所示，其中是谐振电
感Lr，是谐振电容Cr，谐振电感存在等效阻
2DGraphCon1
0
(T2.V)... R_Loa...
-565.00 99.00m
99.20m
99.50m
小于谐振频率时负载电压和电流
小于谐振频率时： T1电流 及反并联二极管电流
332.00
200.00
100.00 -2.00 99.00m
T1.I [A] D07.I [A]
99.20m99.30m 99.50m
得到约串联谐振式逆
变器的电源。谐振电
容为
，C1 谐 C2振电感
为L，电阻为R。
L、C1+C2和R构成了 串联谐振电路。
L C R
565.00
2DGraphCon1
0
(T2.V)... R_Loa...
-565.00 499.00m 499.20m
抗R，其导纳为
iLr
Lr
Cr
us
R
图8-6 串联谐振电路
定义串联谐振电路的品质因数为
由于谐振时Y (s) 1 ，因此谐振时负载R R
上的电压等于电源电压，s 是输入正弦电源的频
率，谐振时s r ，
jLrs (1
s
1 r
2
)
Lrs (1
s
j
1 r
2
)
Lrs
j
Lr
r2 s
Lrs
零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与电压 的交叠区。 3）同时做到零电流关断和零电压关断，在这种情况 下，关断损耗为零。
返回
8.2软开关技术的实现及其类型
从谐振角度看，所谓谐振变换器或逆变器 至少包含有一个谐振回路，谐振回路至少 包含一个电感和一个电容，谐振电路的阶 数决定于所包含的独立的储能元件数目。 以谐振类型划分，软开关变换器有谐振型 变换器、多谐振/准谐振变换器、零开关 PWM变换器、零转换PWM变换器等；从 拓扑结构上看，有电流型软开关变换器、 电压型软开关变换器。
1 Crs
1 LrCrs2
1 (s )2
r
j
jCrs
jCrs
1
1
js
1
Cr (s
)2
j s C eq
r
其中Vs1 为方波电压基波分量的幅值，Ud 为方波电压的幅值，在这种情况下谐振槽路电 流iLr 与方波电压同相，因此可以利用电路的谐振特性来滤除谐波。
2 电压型串联谐振式逆变器
半桥电路如图8-8所示，当电路工作频率大于谐振频率时，电压超前 电流相位，回路负载特性呈现感性，设某一时刻，开关管S1处于导通 状态，负载中流过电流（如图8-8中实现表示）
1
C
L
B
C
D1 R
2
D2
S1 4 G1
5 GN DH
S2 6 G2
7 GN DL
3
图8-8 感性负载时的工作过程
当S1关断时，由于电感的储能作用，将通过二极管D2续流，如图8-8 所示。由于D2续流，IGBT（S2）EC之间的电压仅为二极管正向导通 压降，S1承受电源电压，死区时间结束后，开通S2、D2承受反向电 压而关断，如果能够正好在续流结束之前开通S2，则实现了零电压开 通，二极管D2实现零电流关断。
全可靠工作。
负载串联电压谐振逆变器ansoft仿真
T1
D1
C1
C
T2
D2
C2
母线电流测量
R L
图1 负载谐振逆变器主电路Fig1 Series Load
Resonant inverter Power man circuit
半桥负载串联谐振逆 变器主电路如图1所示。
三相交流电源经三相
桥整流，电容滤波后，
499.50m
谐振时负载电流和电压
1.94k 1.00k
0
C1.V [V]
-1.40k 499.00m 499.20m
499.50m
谐振时C1上电压：
Q 0 L2 1 6 0 0 0 4 9 .4 7 1 0 6 4 .9 7
R
1
V c0L*U 4.974001940 V
R
565.00
c）多谐振变换器(Multi-resonant converters, MRCs)：其特点是谐振元件参与能量变换的某一 个阶段，不是全程参与。多谐振变换器的谐振回 路、参数可以超过两个、三个或更多，称为多谐 振变换器。准谐振/多谐振单元与主开关的关系如
图8-3所示。
Cr
Lr
L
Lr
L
Cr1
Lr
L
S
二极管D1导通后，S1实际上已不起作用，当S1关断，S2导通时，D1 将承受反向电压而强迫关断，关断过程中D1将产生较大的反向恢复 电流，此恢复电流将通过D1、S2使电源短路，从而危及IGBT。当S2 导通末期，电流再次提前反向，D2续流，此时如果S1导通，D2将承 受反向电压而强迫关断，二极管D2反向恢复电流和S2使电源短路。
第8章 软开关的概念
8.1软开关的概念 8.2软开关技术的实现及其类型 8.3谐振电路 8.4准谐振和多谐振变换器 8.5软开关的PWM技术 8.6 零电压/电流转换PWM变换器
返回
软开关的开通有以下几种方法
1）零电流开通：在开关管开通时， 使其电流保持在零，或者限制电流 的上升率，从而减小电流与电压的 交叠区。从图8-2（a）可以看出， 由于电流下降时间的提前，大大减 少了电压与电流的重叠区间，因而 开通损耗大大减小。
b）准谐振变换器(Quasi-resonant converters, QRCs)；它是最早出现的软开关电路。其特点是 谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程 参与。无论是串联LC或并联LC都会产生准谐振， 利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电 流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流 的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振 变换器。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变 换器(Zero-current-switching Quasi-resonant converters, ZCS-QRCs)和零电压开关准谐振变 换器(Zero-voltage-switching Quasi-resonant converters, ZVS-QRCs)。
Cr
S
S1 L
Lr D
Lr
L
S
D
Cr
S1
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
图8-4 零开关PWM电路的基本开关单元
3）零转换PWM变换器(Zero-transition-converters)
零转换－PWM变换器与零开关－PWM变换器并无本质上 的差别，也是软开关与PWM的结合。采用辅助开关控制 谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。它可分 为零电压转换PWM变换器(Zero-voltage-transition PWM converters, ZVT PWM converters)和零电流开关 PWM变换器(Zero-current-transition PWM converters, ZVT PWM converters)。这类变换器是软开关技术的又 一个飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助 谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关 管的软开关，在其它时间则停止工作，这样辅助谐振电路 的损耗很小。其拓扑结构特点是谐振元件从能量交换主通 道移开，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。
S
S
D
D
Cr
D
Cr 2
a零电压开关准谐振电路；b零电流开关准谐振电路；c零电压开关多谐振电路 图 8-3 准谐振电路的基本开关单元
为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随 负载变化而变化（或基本不变），谐振、准谐振 和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调 频系统。调频系统不如PWM开关变换器那样容易 控制，这是因为调频系统是依靠L、C振荡使得电 路产生谐振和准谐振的，功率器件所受的电压与 电流的应力都要比相应的硬开关PWM变换电路功 率器件承受的压力大，并且该应力随电路的Q值 和负载变化而变化。调频系统是依靠改变开关频 率来改变变换器的输出，开关频率大范围变化使 得滤波器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制， 而且由于调频来调节输出，负载变化大时，相应 的电压和电流调节范围比相应PWM变换电路窄， 超前一定范围后，变换电路不能达到零电压或零 电流开关条件。
1
C
L
B
C
D1 R
2
D2
S1 4 G1
5 GN DH
S2 6 G2
7 GN DL
3
图8-9 容性负载时的工作过程
2
3
4
当电路工作频率小于谐振频率时，电流超前电压相位，回路负载特性 呈现容性，设某一时刻，开关管S1处于导通状态，负载中流过电流 （图8-9中用实线表示），由于电流超前电压相位，因此在S1仍导通 时电流首先过零，之后电流通过二极管D1反向流通（图8-9中用虚线 表示），如图8-9中所示。
小于谐振频率时： T2电流 及反并联二极管电流
332.00
200.00
100.00 -2.00 99.00m
T2.I [A] D08.I [A]