电力电子 软开关技术
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软开关技术
.2零电压开关准谐振电路（2） 零电压开关准谐振电路
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。
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。
第六章 软开关技术(移相全桥ZVS软开关电路分析)
td (lead ) 2CleadVin / I1
在这段时间里，原边电流等于折算到 原边的滤波电 ) / K
4.开关模态3 在 t2 时刻，关断 Q4，原边电流 i p 转 移到 C2和 C4中，一方面抽走 C2上的 电荷，另一方面又给 C4充电。 由于C2 和C4 的存在，Q4的电压是从零 慢慢上升的，因此 Q4是零电压关 断。这段时间里谐振电感 Lr 和C2 及 C4在谐振工作。原边电流 i p 和 C4 的电压分别为： 电容C2 ，
2.开关模态1 在 t 0 时刻关断Q 1，原边电流 i p 从 Q 1中转移到到 C3和 C1 支路中，给
C1充电，同时 C3被放电。 电容 C1 的电压从零开始线性上升
电容 C3 的电压从 Vin开始线性下降 Q 1是零电压关断。
i p (t ) I p (t0 ) I1
vC1 (t )
到 t4 时刻，原边电流从 I p (t3 )下降到 零，二极管 D2和 D3自然关断。 持续时间为： t L I (t ) / V
34 r P 3
Vin i p (t ) I p (t3 ) (t t3 ) Lr
in
6. 开关模态5 在 t 4 时刻，原边电流流经 Q2和 Q3。 由于原边电流仍不足以提供负载 电流，负载电流仍由两个整流管 提供回路，因此原边绕组电压仍 然为零，加在谐振电感两端电压 是电源电压Vin ，原边电流反向线 性增加。
到 t5 时刻，原边电流达到折算到原 I Lf (t5 ) / K 值，该开 边的负载电流 关模态结束。 持续时间为： L I (t ) / K
Vin i p (t ) (t t4 ) Lr
t45
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。
电子技术基础课件第7章 软开关技术
D1D4
2018/9/3
电力电子技术 t1
26
(d ) fs < fo 处于容性工作状态
Inverter bridge variations
zFull bridge
S1
S2
S3
S4
io
R
zHalf bridge
2018/9/3
S1 and S2 gate signal are complement 50% Duty cycle Voltage on C1 and C2 are constant, =Vs/2
2018/9/3
on 电力电o子ff技术
10
实际元件构成的Buck变换器(Practical Buck converter)
Ideal
Practice
Square Waveforms No Switching Loss
Parasitic Oscillations Switching Loss Snubber Loss
uDS
-
-
u gs
uDS , iDS
iD
Ii
I RM
2018/9/3
Ii Vd
t
Reverse recovery charge Qrr
vs.
dI F dt
Vo
¾ Turn-on loss in switch and boost diode
∫ Aturn _ on
=
QrrVo
+
trr
Ii uDSdt
0
简化:分析基波分量之间的关系，而忽略谐波分量的作用 Vi: square waveform Amplitude: ±Vdc freq: fs Amplitude of fundamental component
第8章软开关技术1214
9
• 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。
20
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
19
➢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
15
准谐振
• 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
2022年软开关技术2(1)
8.2.3 ZVS PWM变换电路
(1) t0~ t1时段(模式1) 在该时段，S1和S4全部导通，直到t1时刻S1关断。 (2) t1~ t2时段(模式2) t1时刻开关S1关断。之后，电容CS1、CS2与电感Lr、L 构成的谐振电路开始谐振(如图8.12所示)。谐振开始时 uA(t1)=Ui，在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0， VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。 (3) t2~ t3时段(模式3) t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处 于导通状态，因此S2开通时两端电压为零，开通过程中不 会产生开关损耗，S2开通后，电路状态也不会改变，继续 保持到t3时刻S4关断。
针对这种影响出现了软开关技术，它利用泛的应用。
3 ZVS PWM关变换器电路件会出现很可观的内部功率损耗。这种做法使系统的
效率难以提高，因此工作频率也难以提高。此外，组成缓 1 ZVS准谐振变换电路
在t2之后，反向电流iL经二极管Vr流通，谐振电容电压uC被二极管Vr钳位至零。
8.1 软开关的基本概念
8.1.1 硬开关的局限性 8.1.2 软开关及其特点 8.1.3 软开关的分类
8.1 软开关的基本概念
电力电子电路处理电能有两种不同的方式： 一是硬开关电路，所谓硬开关电路指的是， 电路中的开关器件，是在电压和电流均不 为零的情况下开通和关断，引起很大的损 耗。二是软开关电路，所谓软开关电路是 指，电路中的开关器件，是在电流(或电压) 变为零的情况下开通和关断，从而使开关 器件的功耗大大降低。 本节主要介绍几种软开关电路及其特点。
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。
软开关技术
2015/11/23 14
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。
2015/11/23
11
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。
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
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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
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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。
开关电源 软开关技术
06
详细描述
软开关技术能够降低开关电源内部的热损耗， 减少器件的温升，从而延长开关电源的使用寿 命。
软开关技术在DC/DC转换中的应用
总结词
高效率、高功率密度
详细描述
软开关技术在DC/DC转换中 能够实现高效率、高功率密 度的输出，尤其在高压、大 电流的电源应用中具有显著
优势。
总结词
降低噪声、减小振动
未来软开关技术将进一步向集成化和智能化方向发展，实现更小体积、
更高可靠性和智能化的电源设计。
03
多功能化和定制化趋势
随着电子设备功能的多样化，对电源的需求也越来越多样化，软开关技
术将进一步实现多功能化和定制化设计，以满足不同领域和不同应用场
景的需求。
05
结论
总结软开关技术在开关电源中的重要地位
软开关技术能够降低开关损耗，提高电源效率，减小散热需求，从而减小电源体积 和重量，提高电源的可靠性和稳定性。
工作原理
开关电源通过将输入直流电压转换为 高频交流电压，再通过整流和滤波电 路，将高频交流电压转换为直流输出 电压。
开关电源的分类与特点
分类
根据工作频率、电路结构、控制 方式等不同，开关电源可分为多 种类型，如恒压式、恒流式、脉 冲宽度调制式等。
特点
开关电源具有效率高、体积小、 重量轻、动态响应快等优点，广 泛应用于电子设备、通信设备、 电力设备等领域。
03
软开关技术在开关电源 中的应用
软开关技术在AC/DC转换中的应用
总结词
提高效率、降低损耗
01
02
详细描述
软开关技术在AC/DC转换中应用广泛，通过 降低开关损耗、提高转换效率，有效解决了 传统硬开关模式下的能效问题。