DC PWM全桥变换器的软开关技术-第一部分 理论基础
PWM-基本原理及其实现方法PPT课件
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电枢电压“占空比”与平均电 压关系图
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电枢电压“占空比”与平均电 压关系
Vd = Vmax*D
式中，Vd——电机的平均速度；
Vmax——电机全通电时的速度(最大)；
D = t1/T
当我们改变占空比 D = t1/T 时，就可以得到 不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。 严格地讲，平均速度 n 与占空比 D 并不是严 格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近 似地看成线性关系。
{
OCR2 = 70 + (uint8)(((uint16)(0x7f - *(point+1)) * 145)/100);
M2_L;
}
else
{
OCR2 = 70 + (uint8)(((uint16)(*(point+1) - 0x80) * 145)/100);
M2_R;
}
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PWM实现程序
PWM实现程序
初始化
PORTB = 0;
DDRB = 0xff; /比较匹配发生时OC0 清零，计数到TOP 时OC0 置 位,clkT0S/8 ( 来自预分频器)
TCCR0 = _BV(WGM01)|_BV(WGM00)|_BV(COM01)|_BV(CS01); 7KHZ
PWM 基本原理及其实现方法
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PWM 基本原理
PWM 是通过控制固定电压的直流电源开 关频率，从而改变负载两端的电压，进 而达到控制要求的一种电压调整方法。 PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、 温度控制、压力控制等。
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PWM 基本原理
在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一 个固定的频率来接通和断开电源，并根 据需要改变一个周期内“接通”和“断 开”时间的长短。通过改变直流电机电 枢上电压的“占空比”来改变平均电压 的大小，从而控制电动机的转速。因此， PWM 又被称为“开关驱动装置”。
ZVZCS PWM DC／DC全桥变换器的简述和发展
中图分类 号 －Ｍ４ Ｔ ６
文 献标识 码 ： Ｂ
文章编 号 ：２９ ２ １（０７ ０— ０ ９０ ０ １— ７３ ２０ ）４ ０５ — ６
０ 引言
在 ＤＣＤ ／Ｃ变换 器 中 ， 桥变 换 器 一般 用 在 中 全
目前 ， 中大 功 率 Ｄ ／Ｃ变换 器 中 ， 在 ＣＤ 应用 最
Ｚ Ｚ ＳＰ ＣＤ Ｖ Ｃ ＷＭ Ｄ ／ Ｃ全桥变换器 的 简述和发展
杜 少武 ， 丁
（ ｉ＿＆ ： ， 安徽 合） ｒ ｋ学 ６－ 摘
莉
合肥 ２０ ０ ） ３ ０９
要 ：随着 Ｄ ／Ｃ变换 器对 功率 密度提 出了更 高的要 求 ，Ｇ Ｔ代 替 ＭＯ Ｆ Ｔ成 为主 要 的功 率 ＣＤ ＩＢ ＳＥ
ｃ ｍｍｏ ｏ ｏｏ ｉｓａ ｌ ａ ｈ ｉ ａ ｖ ｎａ ｅ ｎ ｒｗ ａ ｋ ｒ ｉｃ ｓｅ ｎ ｎ ｌｚｄ ｏ ｎｔｐ ｌｇｅ ｓｗｅｌ ｓｔｅｒ ｄ ａ ｔｇｓａ ｄ ｄａ ｂ ｃ ｓａｅｄｓｕ ｓｄ ａ ｄａ ａｙｅ ．
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｅ — ｏｔ ｇ ｅ － ｕ ｒ ｎ — ｗｉ ｈｎ ； ／ Ｃ ｃ ｎ ｅ ｔｒ ｆ ｌ ｂ ｄ ｅ ｙ ｒ ｓ ｚ ｒ — ｌ ｅ ｚ ｒ ｃ ｒｅ ｔ ｓ ｔ ｉ ｇ ＤＣ Ｄ ｏ ｖ ｒ ； ｕ ｌ ｒ ｇ ｏ ｖ ａ ｏ — ｃ ｅ ｉ
（ ｅｅ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｅ ｈ ｏｏｙ Ｈ ｆ Ａ ｈ ｉ ２ ０ ０ ， Ｃ ｉ ） Ｈ ｆ ｎｖ ｓｙＯ ｃ ｎ ｌ ， ｅｅ ｎ ｕ ３ ０ ９ ｈｎ ｉ ｅ ｔ Ｔ ｇ ｉ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｗｉ ｈ ｎ ｒ ａ ｉ ｇ ｄ ｍａ ｄ ｆ ｒｈ ｇ ｅ ｏ ｒｄ ｎ ｉ ｏ ｖ ｌｉｎ ＧＢＴ ａ ｅ ｂ ｃ ｍｅ ｐ ｍａｙ ｐ ｗｅ ｅ ｉ ｅ ｔ ｔ ｅ ｉ ｃ ｅ ｓｎ ｅ ｎ ｏ ｉｈ ｒｐ ｗｅ ｅ ｓｔ ｃ ｎ ｅ ｏ ，Ｉ ｈ ｙ ￣ ｓ ｈ ｖ ｅ ｏ ｒ ｒ ｏ ｒ ｄ ｖｃ ｓ ｉ
精选第5章软开关变换器资料
5-3
uCr (t) Ui (UCr0 Ui ) cosr (t t0 ) Zr ILr0 sin r (t t0 )
5-4
式中 r 1/ LrCr ，谐振角频率；Zr Lr / Cr ，特征阻抗。
5.1.3 谐振电路的构成与特性
2Ui Ui/Zr
t0
uCr
t iLr
duCr dt
iLr
5-2
假设t0时刻，谐振电感的初始电流为
(a)
iLr(t0)=ILr0，谐振电容的初始电压
图5-3 基本的串联谐振电路 uCr(t0)=UCr0，解微分方程组5-2得为
iLr (t)
I Lr0
cosr (t
t0)
Ui
U Cr 0 Zr
sin r (t
t0)
5.1.2 软开关的特征及分类
u i
0
ton t
p
0 （a）开通过程 t
u i
0
toff
t
p
0 （b）关断过程 t
图5-2 软开关的开关过程
通过在原来的开关电路中增加很小 的电感、电容等谐振元件，构成辅 助换流网络，在开关过程前后引入 谐振过程，使开关开通前电压先降 为零，或关断前电流先降为零，就 可以消除开关过程中电压、电流的 重叠，降低它们的变化率，从而大 大减小甚至消除开关损耗和开关噪 声，这样的电路称为软开关电路。
为ILrmax=Ui/Zr，仅决定于电源电压Ui
特征阻抗Zr。如果Lr变小或Cr变大和，谐振电感电流的最大值增大，而谐
振电容电压的最大值不变。iLr和uCr分别按正弦和余弦规律变化，如
图5-3(b)所示。表明谐振电感和谐振电容所储的能量相互交换，uCr达
移相全桥软开关直流变换器的设计与实现
· １ ·研制开发移相全桥软开关直流变换器的设计与实现恒，周 焱，肖文英，王（湖南工学院电气与信息工程学院，湖南在电力电子装置小型化、轻量化的趋势下，可以通过提高开关器件频率来减小储能元件体积，但同时会对整机效率造成影响。
针对较大功率的直流变换器，采用移相全桥软开关技术，分析了变换器在整个开关周期中实种典型模式工作状态，通过小信号建模得到变换器输入与输出的传递函数，同时介绍了变换器系统结构和参数设计，在此基础上制作了一台功率为1 kW、开关频率为实现高频开关器件的零电压开通，输出纹波小、动态响应好，验证了设计方案的可行性。
软开关；直流变换器；零电压开关（ZVS）；开关器件Design and Implementation of Phase-Shifting Full-Bridge Soft Switching DC ConvertorDONG Heng, ZHOU Yan, XIAO Wenying, WANG Yang(School of Electrical Information Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang Abstract:Under the trend of miniaturization and light weight of power electronic devices, the volume of energy storage components can be reduced by increasing the frequency of switching devices, but at the same time it will have an D 3D 4D 2BL rT rU sect 1U sect 2-+DR 1DR 2L oC 0R 0+-AQ 3Q 4Q 2Q 1D 1U 1VBUSC oss 3C oss 4C oss 2C oss 1图1 ZVS-PWM DC/DC 全桥变换器原理图1.2 移相全桥ZVS DC/DC 变换器原理分析在分析之前，设定所有的开关管均为理想器件，可以瞬间开通或者关断；设定所有的电感、电容以及变压器也均为理想器件，不随着功率大小、环境变化oss 。
PWM DC
维普资讯
Ｗ ｅ ｉｇＴ ｃ ｎｌ ｙ Ｖｏ ３ Ｎ ． ｕ ． ０ ２ ｌ ｎ ｅｈ ｏ ｇ １ ｏ４ Ａ ｇ２ ０ ｄ ｏ ．１
文 章 编 号 ： １０ －２ Ｘ（０ ２ ０ —３ －３ ０ ２０ ５ ２ ０ ）４０ ３０
・ 接 设 备 与 材 料 ・ ３ 焊 ３
．
Ｄ
一 二
Ｄｌ
￡
为 了 减 小 变 换 器 的 体 积 ．减 轻 重 量 ，必 须 提 高 开 关 频 率 ， 这就要求采用软 开关技术 ，以降低开关管 的开通和关断损耗 。
本 文 介 绍 了基 本 Ｐ Ｍ 变 换 技 术 、 谐 振 软 开 关 技 术 并 重 点 Ｗ 分析 了 Ｐ ＷＭ 移 相 全 桥 软 开 关 技 术 的 基 本 原 理 及 其 技 术 特 点 。
一
步高频化 。
（） 压型 Ｚ Ｓ ａ电 Ｖ
口 Ｊ
－
般 用 于 小 功 率 场 合 ．而 全 桥 电路 由于 电 应 力 低 及 磁 性 元 件 利 用 率 高 则 比较 适 合 于 大 功 率 场 合 。 基 本 Ｐ ＷＭ ＤＣ／ＤＣ变 换 器 其
开关 管 由于 工 作 在 硬 开 关 方 式 ，开 关 损 耗 大 ，效 率 低 ，需 要 接 入 Ｓ ｕ ｂ ｒ电 路 以 吸 收 尖 峰 电 压 和 浪 涌 电 流 。 ｎｂｅ
第8章软开关技术1214
• 所谓软开关就是功率器件在零电压条件下导通 （或关断），在零电流条件下关断（或导通）。 与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零 电流条件下工作，功率器件开关损耗大大减小。
• 与此同时， du/dt和di/dt大为下降，提高了变换 器的可靠性，由于软开关开关损耗很小，与硬开 关相比，它可以工作于较高的工作频率，因此减 小变换器的体积和重量，同时提高变换器的变换 效率。
● 输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小； ● 电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都
能工作在软开关状态；开关损耗最小,使得电路效率 有了进一步提高。 ● 与以往软开关技术相比，零转换PWM技术更适合高电 压、大功率的变换电路。
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5．谐振型直流环节逆变电路
谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间 直流环节（DC-Link）。它通过在直流环节中引入谐振， 使电路中的整流或逆变环节工L VD
Lr Cr S1
S VD1
L VD
a)
b)
a）零电压转换PWM电路基本开关单元 b）零电流转换PWM电路基本开关单元 图 8-6 零转换PWM电路的基本开关单元
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➢零转换PWM电路在保留零开关PWM电路的优点 基础上，还有如下特点：
● 在实现软开关的同时又不增加开关器件的电压电流 应力；
Cr Lr L
S VD a）
Lr
L
S
Cr VD
Cr1 Lr L
S Cr2 VD
b）
c）
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元
图 8-4 准谐电路的基本开关单元
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准谐振
无刷直流电机逆变器的软开关技术
无刷直流电机逆变器的软开关技术无刷直流电机逆变器是一种将直流电能转换成交流电能并驱动无刷直流电机的电子设备。
在无刷直流电机逆变器中，软开关技术在提高电机效率、减少电机噪音、降低电机振动等方面起着重要的作用。
本文将介绍无刷直流电机逆变器软开关技术的原理、分类、现有研究进展，并分析其优缺点。
无刷直流电机逆变器的原理是将直流电能通过逆变器转换成交流电能，然后通过交流电能驱动无刷直流电机运转。
在逆变器中，开关管承担着很重要的作用，其具体工作模式在很大程度上决定了逆变器的性能。
传统的硬开关技术在开关管关断时会产生较大的开关损耗和电磁干扰，不利于逆变器的安全和稳定运行。
而软开关技术可以在开关管关断时通过一系列控制策略提高开关管的效率和工作稳定性，减小开关损耗和电磁干扰。
根据开关管的工作原理和逆变器的拓扑结构，可以将软开关技术分为多种类型。
常见的软开关技术包括零电压切换（ZVS）技术、零电流切换（ZCS）技术、有限电压切换（FZVS）技术等。
其中，ZVS技术是指在开关管关断时通过调节电压或电流使其达到零值的技术，可以减小开关管关断时的开关损耗，提高逆变器的效率。
ZCS技术是指在开关管关断时通过调节电流使其达到零值的技术，可以减小开关管关断时的电流压力，降低电磁干扰。
FZVS技术是指在开关管关断时通过控制电压保持在一定范围内的技术，可以降低开关管关断时的电压应力，延长其使用寿命。
当前，软开关技术在无刷直流电机逆变器中得到了广泛的应用和研究。
根据控制策略的不同，可以将软开关技术进一步分类为PWM控制技术、谐振控制技术、混合控制技术等。
PWM控制技术是指通过调节开关管的通断时间比例来控制输出电压或电流的技术，可以实现电机的高效驱动和精确控制。
谐振控制技术是指通过共振电路和谐振元件来控制开关管的开关瞬间，减小开关损耗和电磁干扰。
混合控制技术是指将PWM控制技术和谐振控制技术相结合的技术，可以实现更高的性能和更低的成本。
开关电源 软开关技术
通过减小电压和电流的突变，软开关技术可以有效降低电 磁干扰，提高电源的电磁兼容性。
减小开关损耗
软开关技术可以减小开关过程中的电压和电流变化率，从 而降低开关损耗。
提高电源效率
开关损耗的减小可以提高电源效率，使得电源在转换效率 上有更好的表现。
软开关技术的应用与发展
应用
软开关技术广泛应用于各种开关电源领域，如通信电源、电 力电子、电动汽车等。通过采用软开关技术，可以提高电源 的性能和可靠性，满足各种高效率、高功率密度的应用需求 。
功率波形
分析软开关技术中功率波 形的变化规律，研究功率 波形与电路参数之间的关 系。
04 软开关技术的优势与挑战
软开关技术的优势
高效节能
软开关技术能够减少开 关损耗，提高电源效率，
从而降低能源消耗。
降低噪声
软开关技术可以降低电 源产生的电磁干扰和噪 声，提高电源的电磁兼
容性。
延长寿命
软开关技术能够减少开 关器件的应力，降低其 温度，从而延长其使用
脉冲频率调制（PFM）
通过调节脉冲频率，控制开关管导通和截止时间，实现电压和电流 的软切换。
混合调制
结合PWM和PFM的优点，通过优化控制方式，提高软开关技术的 性能。
软开关技术的波形分析
01
02
03
电压波形
分析软开关技术中电压波 形的变化规律，研究电压 波形与电路参数之间的关 系。
电流波形
分析软开关技术中电流波 形的变化规律，研究电流 波形与电路参数之间的关 系。
特点
高效节能、体积小、重量轻、可 靠性高、稳压范围宽等。
开关电源的应用与发展
应用
广泛应用于计算机、通信、家电、工 业控制等领域。
DC-DC直流变换器
DC-DC直流变换器第⼀章绪论本章介绍了双向DC/DC变换器（Bi-directional DC/DC Converter，BDC)的基本原理概述、研究背景和应⽤前景，并指出了⽬前双向直流变换器在应⽤中遇到的主要问题。
1.1 双向DC/DC变换器概述所谓双向DC/DC变换器就是在保持输⼊、输出电压极性不变的情况下，根据具体需要改变电流的⽅向，实现双象限运⾏的双向直流/直流变换器。
相⽐于我们所熟悉的单向DC/DC 变换器实现了能量的双向传输。
实际上，要实现能量的双向传输，也可以通过将两台单向DC/DC变换器反并联连接，由于单向变换器主功率传输通路上⼀般都需要⼆极管，因此单个变换器能量的流通⽅向仍是单向的，且这样的连接⽅式会使系统体积和重量庞⼤，效率低下，且成本⾼。
所以，最好的⽅式就是通过⼀台变换器来实现能量的双向流动，BDC就是通过将单向开关和⼆极管改为双向开关，再加上合理的控制来实现能量的双向流动。
1.2 双向直流变换器的研究背景在20世纪80年代初期，由于⼈造卫星太阳能电源系统的体积和重量很⼤，美国学者提出了⽤双向Buck/Boost直流变换器来代替原有的充、放电器，从⽽实现汇流条电压的稳定。
之后，发表了⼤量⽂章对⼈造卫星应⽤蓄电池调节器进⾏了系统的研究，并应⽤到了实体中。
1994年，⾹港⼤学陈清泉教授将双向直流变换器应⽤到了电动车上，同年，F.Caricchi 等教授研制成功了⽤20kW⽔冷式双向直流变换器应⽤到电动车驱动，由于双向直流变换器的输⼊输出电压极性相反，不适合于电动车，所以他提出了⼀种Buck-Boost级联型双向直流变换器，其输⼊输出的负端共⽤。
1998年，美国弗吉尼亚⼤学李泽元教授开始研究双向直流变换器在燃料电池上的配套应⽤。
可见，航天电源和电动车辆的技术更新对双向直流变换器的发展应⽤具有很⼤的推动⼒，⽽开关直流变换器技术为双向DC/DC变换器的发展奠定了基础。
1994年，澳⼤利亚Felix A.Himmelstoss发表论⽂，总结出了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。
软开关技术
8.2.3
功率因数校正电路分类
• APFC电路结构主要分为双极式和单极式。 • 双极式电路的前极的Boost Converter电路实现功率因数 校正，后极的DC/DC变换器实现隔离和降压。其优点是 每极电路可单独分析、设计和控制。 • 单极式电路集功率因数校正和输出隔离、电压稳定一体， 2015/11/23 15 结构简单，效率高，但分析控制复杂
2015/11/23 27
8.4.2
反激电路
• 反激电路的工作模式：
• 电流连续模式：当 S 开通时， N2 绕组中的电流尚 未下降到零。
– 输出电压关系：
Uo N 2 t on Ui N 1 t off
(8-3)
• 电流断续模式： S 开通前， N2 绕组中的电流已经 下降到零。
– 输出电压高于式（ 8-3）的计算值，并随负载减小而升 高，在负载为零的极限情况下， U o ，因此反激电 路不应工作于负载开路状态。
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8.2.2
整流电路功率因数畸变原因
• 全波整流电路输出端一般 都会加一个滤波电容来减 小输出电压的脉动 • 滤波电容使输入电流波形 畸变导致功率因数下降， 并产生高次谐波分量，污 染电网 • 采用有源功率因数校正技 术是解决上述问题的有效 途径
2015/11/23 12
8.2.3
8.3.3
无工频变压器开关稳压电源缺点
无工频变压器开关稳压电源的不足之处： 1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值； 2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变 化率大； 3.控制电路比较复杂，对元器件要求高； 4.动态响应时间至少要大于一个开关周期， 不如串联式晶体管线性稳压电源。