chapter软开关技术应用
《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
第7章软开关技术主要内容：软开关技术的分类，各种软开关电路的原理及应用。
电力电子装置高频化优点：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。
缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。
软开关技术的作用：降低开关损耗和开关噪声；进一步提高开关频率。
1 软开关的基本概念（1）硬开关与软开关硬开关：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化，产生较大的开关损耗和开关噪声。
软开关：在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，使开关条件得以改善。
降低开关损耗和开关噪声，软开关有时也被称为谐振开关。
工作原理：软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。
谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。
（2）零电压开关与零电流开关软开关分类：零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。
零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。
图7-1 零电压开关准谐振电路及波形a）电路图 b）理想化波形图7-2 硬开关电路及波形a）电路图 b）理想化波形零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。
零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。
简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电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。
2 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。
电力电子系统的软开关技术应用
电力电子系统的软开关技术应用电力电子系统是现代电力系统中一种重要的组成部分，在能量转换和电力控制方面发挥着关键的作用。
然而，传统的硬开关技术存在着一些问题，如能量损耗大、温升高、开关速度慢等。
为了克服这些问题，软开关技术应运而生。
本文将介绍电力电子系统中软开关技术的应用。
一、软开关技术概述软开关技术是通过控制电流和电压的相位和频率来实现开关过程的一种技术。
相较于硬开关技术，软开关技术具有以下优点：能量损耗小、温升低、开关速度快、抗干扰能力强等。
软开关技术在电力电子系统中得到了广泛的应用和推广。
二、软开关技术在电力电子系统中的应用1. 可逆变器可逆变器是一种电力电子系统，用于将直流电转换为交流电。
传统的硬开关技术在可逆变器中存在能量损耗大、谐波干扰大的问题。
而软开关技术可以有效解决这些问题，提高可逆变器的性能和效率。
2. 无线电频率功率放大器无线电频率功率放大器是一种用于放大和调节无线电频率信号的设备。
传统的硬开关技术在功率放大器中会产生较大的谐波干扰和电磁干扰。
而软开关技术可以通过精确地控制开关时间和频率，减少谐波干扰，并提高功率放大器的效率。
3. 交流输电系统交流输电系统是通过变压器将电能从发电站输送到用户的系统。
传统的硬开关技术在交流输电系统中存在能量损耗大和电流调节精度低的问题。
软开关技术可以通过控制开关的相位和频率，实现电流和电压的精确调节，提高交流输电系统的效率和稳定性。
4. 电动汽车充电系统电动汽车充电系统是将电能传输到电动汽车中进行充电的系统。
传统的硬开关技术在电动汽车充电系统中存在能量损耗大和充电速度慢的问题。
而软开关技术可以减少能量损耗，并通过提高充电器的开关速度，实现快速充电。
三、软开关技术的发展趋势随着电力电子系统的不断进步和发展，软开关技术也在不断发展和完善。
未来，软开关技术将更加智能化和自动化，能够根据实际情况自行调节开关时间和频率，以提高电力电子系统的性能和效率。
此外，软开关技术还有望应用于更多的领域，如光伏发电系统、风力发电系统等。
第7章软开关技术
(4) S为0压导通,
(5)S1硬关断,由VD1续流, iLr在Uo作用下很快降0
已在功率因数校正电路应用
12
作业10X
10．1 简述变流装置高频化优点、问题、解决方法。 10．2 简述理想软开关过程与特点。 10．3 简述常用软开关过程与特点。 10．4 简述实现0压开关基本电路。 *10．5 移相逆变全桥0压软开关电路中
降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。
2
7.1.1 硬开关和软开关
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 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
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P0t来自a）硬开关的开通过程u
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0 P
0
b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
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
7.3 典型的软开关电路
7
7.3.1 零电压开关准谐振电路
1）电路结构
例降压型斩波器的 零电压开关准谐振电路。 设L、C很大，可等效为 电流源和电压源，忽略 电路中的损耗。
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
S1断S2通过程简述: S1断Lr恒压/恒流C1充电/放电A点电位上 升/下降(C2充电/放电)UA</>0D2导通/关 断S2可0压导通
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3
7.1.1 硬开关和软开关
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。
《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8章 软开关技术
开关电源结构图
10
8.2 电力电子技术应用
三、功率因数校正
功率因数校正PFC (Power Factor Correction)技术即对电
流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术，
分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。 无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、 电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉冲进行抑 制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。 有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对 输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦 波。
11
8.2 电力电子技术应用
单相有源PFC电路及主要原理波形
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8.2 电力电子技术应用
四、高压直流 输电
13
8.2 电力电子技术应用
五、无功功率控制
晶闸管投切电容
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8.2 电力电子技术应用
五、无功功率控制
静止无功发生器
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8.2 电力电子技术应用
五、无功功率控制
有源电力滤波器
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8.2 电力电子技术应用
电子装置。
UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是 指输出为交流的情况，广泛应用于各种对交流供电可靠性和
供电质量要求高的场合。
7
8.2 电力电子技术应用
UPS基本结构
具有旁路开关的UPS结构
8
8.2 电力电子技术应用
二、开关电源
在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需 要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要±12V、±15V等， 这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源
软开关：
改变拓扑结构或控制策略，在原电路中增加电感、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。
第8章 软开关技术
图8.1 GTR在软、硬开关状态时的开关轨迹
8.1.1 硬开关的局限性
3. 电磁干扰限制 在高频状态下运行时，电力电子器件本身的极间电容将成 为极为重要的参数。尤其对MOSFET来说，因为其门极采 用了绝缘栅结构，它的极间电容较大，因此引起的开关能 量损耗和密勒效应更为严重。
8.1.2 软开关及其特点
软开关是由电力电子开关器件S及辅助谐振元件Lr 和Cr组成的子电路，如图8.3所示。图8.3(a)为零 电流开关(ZCS)，也称为电流型开关。 图8.3(b)为零电压开关(ZVS)，也称为电压型开关。
图8.3 零电压与零电流开关基本单元电路
8.1.3 软开关的分类
1. 准谐振电路
3. 零转换PWM电路
(a)零电压转换PWM电路 (b)零电流转换PWM电路 图8.6 零转换PWM电路的基本单元
8.2 基本软开关电路
8.2.1 ZVS准谐振变换电路
8.2.2 ZCS准谐振变换电路 8.2.3 ZVS PWM变换电路 8.2.4 ZCS PWM变换电路
8.2.1 ZVS准谐振变换电路
8.2.2 ZCS准谐振变换电路
(3) t2~ t3时段(模式3) t2之后，电流IO经谐振电容Cr流通，Cr被线性充 电。当t=t3时，uC=UD，续流二极管又开始导通。 (4) t3 ~ t4时段(模式4) t3之后，续流二极管又恢复到导通状态。在t=t4之 前，加在Cr两端的电压一直保持为UD，在t4时， 开关S再次开始导通，电路进入下一周期开始工 作。可以看出，通过控制关断时间，即(t4– t3)的 差，或者说控制开关的频率，即可控制输出的平 均功率。
软开关的原理及应用实例
软开关的原理及应用实例1. 软开关的原理软开关是指通过软件控制来实现开关的功能，而不需要通过硬件开关来完成。
它基于计算机程序的控制，能够更灵活地实现开关的操作，例如自动开关、定时开关、远程开关等。
软开关的原理主要包括以下几个方面：1.1 软件控制软开关通过软件程序来控制开关的状态。
程序可以根据特定的条件来判断开关的打开或关闭，并通过软件命令来实现控制。
1.2 状态切换软开关可以实现开关的状态切换。
通过改变软件程序中的状态变量，可以控制开关的打开或关闭。
例如，将变量设置为1表示开关打开，将变量设置为0表示开关关闭。
1.3 灵活性软开关具有较高的灵活性。
软件程序可以根据需求进行修改，实现自定义的开关功能。
例如，可以根据时间来控制开关的打开和关闭，或者根据传感器的信号来实现自动开关。
2. 软开关的应用实例软开关在各个领域都有广泛的应用，下面列举了一些典型的应用实例：2.1 家庭自动化软开关可以应用于家庭自动化系统中，实现智能家居的控制功能。
通过编写软件程序，可以实现家电设备的远程开关、定时开关和自动开关。
例如，可以通过手机App来控制家中的灯光和空调，实现远程控制。
2.2 工业控制软开关在工业控制领域也有重要的应用。
通过软件编程，可以实现生产线上设备的自动化控制。
例如，自动化生产线上的某个设备在特定条件下发生故障时，可以通过软开关自动切换到备用设备，保证生产线的正常运行。
2.3 网络管理软开关在网络管理中也发挥着重要作用。
例如，在服务器集群中，可以利用软开关来实现服务器的负载均衡和故障转移。
当某台服务器故障时，软开关可以自动将请求转发到其他可用的服务器上，保证网络的可用性和稳定性。
2.4 电力系统软开关在电力系统中也有广泛的应用。
例如，在智能电网中，可以利用软开关来实现对电能的调度和控制。
软开关可以根据电网的负荷情况，自动控制电力设备的开关状态，实现对电力的高效调度和管理。
2.5 交通系统软开关可以应用于交通系统中，实现交通信号灯的控制。
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3）零转换PWM电路
• 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。
• 零转换PWM电路可以分为：
零电压转换PWM电路（ZeroVoltage-Transition PWM Converter—ZVT PWM）
零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM Converter—ZVT PWM）
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a）软开关的开通过程
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b）软开关的关断过程
图7－2 软开关的开关过程
chapter软开关技术应用 5
7.1.2 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。
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。
chapter软开关技术应用 8
7.2 软开关电路的分类
a）基本开关单元
b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
图7－3基本开关单元的概念
chapter软开关技术应用 9
致开关噪声。
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a）硬开关的开通过程
u
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0
b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
chapter软开关技术应用 4
7.1.1 硬开关和软开关
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。
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。
chapter软开关技术应用 6
7.1.2 零电压开关和零电流开关
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。
• 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。
chapter软开关PWM电路 的基本开关单元
图7－5 零开关PWM电路 的基本开关单元
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7.2 软开关电路的分类
第7章 软开关技术
引言 7.1 软开关的基本概念 7.2 软开关电路的分类 7.3 典型的软开关电路 本章小结
chapter软开关技术应用 1
第7章 软开关技术• 引言
现代电力电子装置的发展趋势
• 小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也 有更高的要求。
电力电子装置高频化
• 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。
7.2 软开关电路的分类
分别介绍三类软开关电路
1）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（Pulse Frequency Modulation—PFM）方式来控制。
(Resonant DC Link） chapter软开关技术应用
图7-4 准谐振电路的基本开关单元
11
7.2 软开关电路的分类
2）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（Zero-VoltageSwitching PWM Converter—ZVS PWM） 零电流开关PWM电路（Zero-CurrentSwitching PWM Converter—ZCS PWM）
实际应用中通常不是简单地使用并联电容实现零 电压关断和利用串联电感实现零电流开通，而是 与零电压开通和零电路关断配合使用。
chapter软开关技术应用 7
7.2 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。
• 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。
chapter软开关技术应用
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7－6 零转换PWM电路 的基本开关单元
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7.3 典型的软开关电路
Quasi-Resonant Converter—ZCS QRC）
b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元
电压开关多谐振电路
(Zero-Voltage-Switching MultiResonant Converter—ZVS MRC）
用于逆变器的谐振直流环节电路 c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元
7.3.1 零电压开关准谐振电路 7.3.2 谐振直流环 7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 7.3.4 零电压转换PWM电路
chapter软开关技术应用 14
7.3.1 零电压开关准谐振电路
chapter软开关技术应用 10
7.2 软开关电路的分类
• 准谐振电路可分为：
零电压开关准谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter— ZVS QRC）
a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元
零电流开关准谐振电路
(Zero-Current-Switching
• 开关损耗增加，电磁干扰增大。
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。
chapter软开关技术应用 2
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关和软开关 7.1.2 零电压开关和零电流开关
chapter软开关技术应用 3
7.1.1 硬开关和软开关
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