第7章 谐振软开关技术
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第七章谐振软开关技术
第七章谐振软开关技术随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。
然而如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。
80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关损耗和提高开关频率的有效办法。
本章首先从PWM电路开关过程中的损耗分析开始，建立谐振软开关的概念；再从软开关技术发展的历程来区别不同的软开关电路，最后选择零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关PWM电路、零电压转换PWM电路和谐振直流环电路进行运行原理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。
7.1 谐振软开关的基本概念7.1.1 开关过程器件损耗及硬、软开关方式无论是DC—DC变换或是DC—AC变换，电路多按脉宽调制（PWM）方式工作，器件处于重复不断的开通、关断过程。
由于器件上的电压、电流会在开关过程中同时存在，因而会出现开关功率损耗。
以图7-1（a）Buck变换电路为例，设开关器件VT为理想器件，关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。
图7-1（b）为开关过程中VT上的电压、电流及损耗的波形，设负载电流恒定。
图7-1 Buck变换电路开关过程波形当VT关断时，负载电流改由续流二极管VD提供。
若再次触发导通VT，电流从VD向VT转移（换流），故期间上升但，直至才下降为零。
这样就产生了开通损耗。
当停止导通VT时，从零开始上升，在期间维持，直至，才减小为零，这样就产生了关断损耗。
若设器件开关过程中电压、电流线性变化，则有（7-1）图7-2 器件开关轨迹其中为开关频率。
这个开关过程伴随着电压、电流剧烈变化，会产生很大的开关损耗。
例如若，，则开关过程的瞬时功率可达，平均损耗为100W，十分可观。
这种开关方式称为硬开关。
器件开关过程的开关轨迹如图7-2所示，SOA为器件的安全工作区，A为硬开关方式的开关轨迹。
第7章谐振软开关南余荣[103页]
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电压开通； ➢ 使开关关断前电流为零，这种关断方式称为零电流关
断。 ➢ 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，
零电压关断。 ➢ 与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速
率，零电流开通。 ➢ 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
10
电力电子技术
7.1.3 软开关电路的分类
➢ 分成零电压电路和零电 流电路两大类。
第7章 谐振软开关技术
7.1 谐振软开关的基本概念 7.2 准谐振软开关换流器 7.3 零电压开关谐振变换器 7.4 零电压转换PWM电路 7.5 软开关技术新进展 本章小结
1
电力电子技术
第7章 谐振软开关技术
➢ 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化， 同时对装置效率和电磁兼容性也提出了更高要求。
a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开准关电路准谐
12
振电路的基本开关单元 c）零电压开关多谐振电路的基本开关单元
7.1.3 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路 ➢ 分：零电压/电流开关PWM电路,基本开关单元如图7-7。 ➢ 辅助开关使谐振仅发生于开关过程前后，优势：电压
和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开 关承受的电压明显降低，可采用频率固定的PWM控制。
➢ 每一种都可用于降压型、 升压型等不同电路，图 7-5基本开关单元表示
➢ 根据谐振机理可以将软 开关电路分成准谐振电 路、零开关PWM电路 和零转换PWM电路。
电力电子技术
图 7-5 基本开关单元 a）基本单元 b）降压斩波器中的基本单元 c）升压斩波 器中的基本单元d）升降压斩波器的基本开关单元
电力电子技术
i1
P1 关断
断。 ➢ 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，
零电压关断。 ➢ 与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速
率，零电流开通。 ➢ 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
10
电力电子技术
7.1.3 软开关电路的分类
➢ 分成零电压电路和零电 流电路两大类。
第7章 谐振软开关技术
7.1 谐振软开关的基本概念 7.2 准谐振软开关换流器 7.3 零电压开关谐振变换器 7.4 零电压转换PWM电路 7.5 软开关技术新进展 本章小结
1
电力电子技术
第7章 谐振软开关技术
➢ 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化， 同时对装置效率和电磁兼容性也提出了更高要求。
a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开准关电路准谐
12
振电路的基本开关单元 c）零电压开关多谐振电路的基本开关单元
7.1.3 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路 ➢ 分：零电压/电流开关PWM电路,基本开关单元如图7-7。 ➢ 辅助开关使谐振仅发生于开关过程前后，优势：电压
和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开 关承受的电压明显降低，可采用频率固定的PWM控制。
➢ 每一种都可用于降压型、 升压型等不同电路，图 7-5基本开关单元表示
➢ 根据谐振机理可以将软 开关电路分成准谐振电 路、零开关PWM电路 和零转换PWM电路。
电力电子技术
图 7-5 基本开关单元 a）基本单元 b）降压斩波器中的基本单元 c）升压斩波 器中的基本单元d）升降压斩波器的基本开关单元
电力电子技术
i1
P1 关断
第7章 软开关技术
a）零电压转换PWM电路 的基本开关单元
特点：Βιβλιοθήκη 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
7.3 典型的软开关电路
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
7.3.1 零电压开关准谐振电路
b）硬开关的关断过程 a）硬开关的开通过程 t 图7－1 硬开关的开关过程
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，构成 辅助换流网络，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。
u i 0 P 0 u u i t t u
i
i
0
P 0
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。
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。
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。 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。
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
uAB
t
t
O uLr O iLr O uT1 O uR O iL O iVD1 O iVD2 O t8 t9 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t0
t
t
t
t t
t t
特点：Βιβλιοθήκη 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
7.3 典型的软开关电路
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
7.3.1 零电压开关准谐振电路
b）硬开关的关断过程 a）硬开关的开通过程 t 图7－1 硬开关的开关过程
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，构成 辅助换流网络，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。
u i 0 P 0 u u i t t u
i
i
0
P 0
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。
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。
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。 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。
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
uAB
t
t
O uLr O iLr O uT1 O uR O iL O iVD1 O iVD2 O t8 t9 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t0
t
t
t
t t
t t
第7章软开关技术
(3) Lr,Cr谐振,至Cr电压降0-,VDs导通—0压转换
(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
t
P0t来自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
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
13
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。
(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
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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
t
P0t来自a）硬开关的开通过程u
i
u
i
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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
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。
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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。
第七章谐振开关技术
Pon=fswUIton
(7.11)
式中fsw为开关频Po率ff=。fsw式U(I7to.f1f 1)和(7.12(7).表12)明，
器件的开关损耗同开关频率fsw成正比。随
开关频率增加，开关损耗将成为器件损耗
的主要部分。
21
2 、Buck电路中器件的开关损耗
对于典型的Buck电路，当负载电流保持恒 定时，其电路可等值于图7.6。
直流环节的逆变器中，上下桥臂直通成了一种 合理的工作状态。
12
谐振软开关电路中，零电压和零电流条件 是由辅助的谐振电路所创造的。
因此，本章首先介绍基本串联谐振电路和 并联谐振电路工作原理，然后，分别介绍 软开关技术在开关电源和直流逆变器中的 分类和典型应用。
13
第二节 谐振电路工作原理和开关损耗
ic
Cr
duc dt
Lr Cr
d 2iL dt 2
d 2iL dt 2
2 0
iL
2 0
I
0
式中，ω0为谐振角频率
0 1/ LrCr
15
当t≥t0时方程的解为：
iL
(t)
I0
(I L0
I0 ) cos0
(t
t0
)
Ud
U c0 Z0
sin 0 (t
t0
设二极管的反向恢复时间为l00ns，当 f>50kHz时，影响很大。使用ZCS可省掉这 部分损耗。
30
(3)器件的极间电容
进行高频ZCS动作，器件的极间电容Cs的充放电损耗不能
第七章 谐振开关技术
内容提要与目的要求 第一节 概 述 第二节 谐振电路工作原理和开关损耗 第三节 软开关电路的分类
第7章 谐振软开关技术PPT课件
+
R Uo
-
(a) 半波模式
(b) 全波模式
若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于“半 波模式”；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工 作于“全波模式”。
开关管由V于T 有导谐通振，的从作而用实，现当开谐关振管电零感电L流r 开中通通；过的电流为零时，
V T 导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，当 L r 中的电流为零时，
(2)[ t1 , t 2 ] 阶段（谐振阶段）
iLr(t)IoU Zri sinr(tt1)
u C r(t) U i[ 1 c o sr(t t1 )]
(3)[ t 2 , t 3 ] 阶段（电容放电）
对于半波模式，t t 2 之后，使开关V T 关断，即在零电流下关断
对于全波模式，在 t t 2 之后，i L r 反向流动，V D s 导通，电容 C r 经 D s 、L r 向电源回馈电流
VDs
+ uT -
iT VT
ic
Cr
- + uCr
Lr
Lf
iLr
+
VD uD Cf
iD -
+
R Uo
-
而实现开关管的零电
压开通；开关管导通后，在任意时刻其两端电压可近似为零，
此时关断可实现开关管的零电压关断。
2. 工作过程分析
假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽 略电路中的损耗。
ic Cr
3、零转换PWM变换电路 4、直流环节谐振型逆变电（RDCLI）
t
t Poff
t
7.2 准谐振与多谐振变换电路
7.2.1 零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）
第7章谐振软开关
7.1.3 软开关电路的分类
3．零转换PWM电路 ➢ 分为：零电压/电流转换PWM电路，其基本开电关单
元如图7-8所示。 ➢ 区别是谐振电路是与主开关并联的，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。
图7-8 零转换关PWM电路的基本开关单元
14
电力电子技术 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
7.1.2 零电压开关和零电流开关
➢ 在20世纪80年代，电力电子软开关技术大部分的研 究集中在谐振变换器的应用上。
➢ 谐振变换器是应用谐振原理，利用开关变换器的谐振 回路（Resonant Tank），使其中的电压（或电流） 按正弦规律变化。
➢ 当电流自然过零时使器件关断ZCS或ZVS，从而减少 开关损耗，提高开关频率，减小磁性元件体积。
UDS=0。 ✓ 由于Us>ucr ， iLr上
升，在iLr小于iL (约
0
Us / Zr
iLr
IO
0
uDS
t0 t1 t2 t3t4 t5t6
TS t0
t t
等于Io )前，uCr=0。
0 uCr
t
Us
✓ 这一时段 iLr的上升 0
b)
t
率为diLr /dt=Us/Lr。
图7-11 Buck型半波零电流准谐振变换器 a）电路 b）电路波形
钳位为0，VDf为通
态，VT为断态。
uG
0
✓ 在t6~t`0时段，iLr =0，
iLr 0
如果在t`0时刻开通 uDS
VT，则iLr从0开始上
0 uCr
升，由于电感Lr的作 用，近似于零电流开
第七章谐振软开关技术
个人收集整理 仅供参考学习(7-1)1 / 10第七章谐振软开关技术随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。
然而 如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、 电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。
80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件 的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、 开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关 损耗和提高开关频率的有效办法。
本章首先从PWM 电路开关过程中的损耗分析开始， 建立谐振软开关的概念； 再从软开 关技术发展的历程来区别不同的软开关电路， 最后选择零电压开关准谐振电路、 零电流开关 准谐振电路、零电压开关 PWM 电路、零电压转换PWM 电路和谐振直流环电路进行运行原 理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。
文档收集自网络，仅用于个人学习7.1谐振软开关的基本概念7.1.1开关过程器件损耗及硬、软开关方式无论是DC — DC 变换或是DC — AC 变换，电路多按脉宽调制（PWM ）方式工作，器件 处于重复不断的开通、 关断过程。
由于器件上的电压 "、电流-会在开关过程中同时存在，因而会出现开关功率损耗。
以图 7-1（ a ）Buck 变换电路为例，设开关器件 VT 为理想器件， 关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。
文档收集自网络，仅用于个人学7-1 （b ）为开关过程中 VT 上的电压、电流及损耗 /的波形，设负载电流L 恒当VT 关断时，负载电流-一改由续流二极管 VD 提供。
若再次触发导通 VT ，电流从VD，直至J' -.1' 才下降为零。
这样就产向VT 转移（换流），故-工期间「上升但- J'-- 生了开通损耗 儿：。
当停止导通 VT 时，"从零开始上升，在 U T = E *图7-1 Buck 变换电路开关过程波形，「才减小为零，这样就产生了关断损耗■八r。
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uT uCs 0 ，开关管在零电压条件下导通，电感电流线 在t=t0时刻， 性增长，直到 iLr I o
(2) [t1, t2]阶段(Lr-Cd谐振——第一次谐振)
二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次振）， 相当于ZCS QRC的谐振阶段，
(3) [t2, t3]阶段(Lr-Cd-Cs谐振——第二次谐振) 在t=t2时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次振） (4) [t3, t4]阶段(Lr-Cs谐振——第三次谐振) 在t=t2时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进 入谐振状态(第三次振)，相当于ZVS QRC的谐振阶段。
(1) [t0 , t1 ] 阶段
uCr 0 ， iLr 在 t 0时刻，开关管 VT 开通，二极管仍处于导通态，
从零线性上升至 I o， iD I o iLr 从
I o 线性下降为零，二极管自然关断。
(2) [t1, t2 ] 阶段（谐振阶段）
Ui iLr (t ) I o sin r (t t1 ) Zr
uVT iVT Ud
uVT
Io
iVT uVT
iVT Io ton
Ud
VT
VD
toff
t
1 P f sU d I oton on 2
1 Poff f sU d Iotoff 2
Buck电路中器件的开 关损耗更为严重
二、软开关特性 1、零电压开通、零电流关断
ug
uVT iVT uVT
2、软开通、软关断
uD
+ uT 1
Io iT 1
-
Lr iLr
VT1
Ui
VT2
Cr ic
VD2
+
uD
Io
Ui
+ Cr uCr
VD
-
-
iD
+ uCr
VD
-
-
(a) [t0 , t1 ]
VD1 VD1
(b) [t1, t2 ]
(a) [t0 , t1 ]
VD1
iT 1
c
-
(b) [t1 , t2 ]
VD1
+ uT 1
VT1
第7章 谐振软开关技术
为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效 可靠地运行，近年来研究并开始应用了软开关技术。 教学要求： （1）掌握软开关的基本概念、特性及其类型； （2）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关PWM变 换电路、零转换PWM变换电路和直流环节谐振型逆变 电路的工作原理及工作过程。
iLr I o 二极管截止，电源对负载供电。 (6) [t5, t6]阶段 VT为通态，
7.2.3 零电压开关多谐振变换电路（ZVS MRC）
+
Cs
uT + iT VT
- u -
Cs
Lr iLr uD
Lf
+
iD Cd
+
Cf
R
Ui
VD
Uo
iLr I o
-
-
(1) [t0, t1]阶段(Lr充电)
Lr
VT
Ui
VT
VDs
iLr
iC Cr
+
uCr
Io
(a) [t0 , t1 ]
+ uT
Ui
-
(b) [t1 , t2 ]
+ uT
iC
VDs
Lr
VDs
Lr
+
Cr
Io uCr Ui
+
VD
iD uCr
Io
-
(d) [t3 , t4 ]
(c) [t2 , t3 ]
2） 全波模式
+ uT
-
Lr iLr iD
uCr 2U i
uCr (t ) Ui [1 cos r (t t1 )]
Ui iLr (t ) I o sin r (t t1 ) Zr
(3) [t2, t3]阶段（电感恒流）
iLr I o
uCr 2U i
(4) [t3, t4]阶段（电容谐振放电） , t4 ]期间，负电流 iLr经VD1返回电 当t=t3时刻，驱动VT2，在 [t3 源，开关管VT1的电流 iT 1 0 且电压 uT 1 0 ，可使VT1在零电流 下关断。 (5) [t4, t5]阶段（电容线性放电） 开关管VT1已关断，续流二极管VD截止，Cr经VT2对负载 恒流放电，电容电压线性下降到零 (6) [t5, t6]阶段（续流模式） 当t=t5时刻，uCr 0 ，二极管VD导通， iD I o 当t>t5时，撤除VT2的驱动信号，则VT2也是零电流关断。
ug
uVT iVT u VT
0
0
iVT
t
iVT
t t t
0
t
0 P 0
Pon
Poff
三、谐振软开关电路的类型 1、准谐振与多谐振变换电路 2、零开关PWM变换电路 3、零转换PWM变换电路
4、直流环节谐振型逆变电路（RDCLI）
7.2 准谐振与多谐振变换电路 7.2.1 零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）
(1) [t0, t1]阶段（电容线性充电）
+
uCr Cr
变换电路的工作波形
u g1
t0 t1 t2 t3 t 4 t5
-
(a) [t0,t1 ]
t
(b) [t1,t4 ]
VDs
Lr iLr iD
t6 t
+
uD
Io
Ui
VD
(c) [t4,t5 ]
(1) [t0, t1]阶段 VT关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极 管VD两端电压线性下降。 (2) [t1, t2]阶段 VD导通，电感通过VD续流，电感、电容和二极管形成谐 振回路，t2时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。 (3) [t2, t3]阶段 iLr 改变方向，达到反向谐振峰值，uCr U i
-
Lr iLr
+ uT 1
VT2
Cr
VD 2
+
uD VD
Io
iT 1
-
Lr iLr
VT1
Ui
VT2
Cr ic
VD 2
+
uD
Io
Ui
+ uCr
-
+ uCr
VD
VD1
-
VD1
(c) [t2 , t3 ]
] (d1) [t3 , t3
+ uT 1
Io
-
+ uT 1
VT1
Ui
-
Lr iLr
+
VT2
Cr ic
零电压开关准谐振变换电路的等效电路
ic Cr Lr ic Io Cr
ug
+u
Ui
Cr
-
iLr
+u
Ui
Cr
-
0
uCr uT
Ui 0 iLr Io
Ts
t
(a) [t0,t1 ]
ic Cr Lr ic Cr Lr
Zr Io
+u
Ui
Cr
-
iLr
t
Io
+u
Ui
Cr
-
iLr
iD
+
uD
Io
VD
0 iT Io 0
VD1
+ uT 1
iT 1
-
Lr iLr ug 2
+ Lf
VT2
Cr ic
+
VT1 u g1
Ui
VD 2
VD
uD iD
Cf
+ uCr
R Uo
-
-
-
设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态， 续流二极管导通。 变换电路的等值电路
VD1
iT 1
VD1
+ uT 1
VT1
-
Lr iLr
+
VT2
VD2
ug
iLr
Buck多谐振开关电路工作波形
t
0
Io 0 iT Io 0 iD
t
t
0
uT
t
uD
0 0
t
t0
t1
t2
t3 t 4
t
7.3 零开关PWM变换电路
7.3.1 零电流开关PWM变换电路（ZCS PWM） Buck ZCS PWM变换电路
需要作出如下几点假设：
①所有开关管、二极管均为理想器件； ②电感、电容均为理想元件； ③假定 L f 和 C f 都很大，可以等效为电压源和电流源。
7.1 谐振软开关的基本概念
一、硬开关的开关损耗 1、典型的开关损耗
u s is Us Is is us
开通损耗：
t
Pon
1 f sU s I s ton 6
1 f sU s I s toff 6
is us
U on
P
U on I s
ton
关断损耗：
t
P off
toff
2、Buck电路中器件的开关损耗
由于有谐振的作用，当谐振电感 Lr 中通过的电流为零时，
开关管VT导通， 从而实现开关管零电流开通；
当VT导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，
Lr 中的电流为零时， 开关管断开， 从而实现开关管的零电流关断。
2. 工作过程分析 1）半波模式
+ uT
-
(2) [t1, t2]阶段(Lr-Cd谐振——第一次谐振)
二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次振）， 相当于ZCS QRC的谐振阶段，
(3) [t2, t3]阶段(Lr-Cd-Cs谐振——第二次谐振) 在t=t2时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次振） (4) [t3, t4]阶段(Lr-Cs谐振——第三次谐振) 在t=t2时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进 入谐振状态(第三次振)，相当于ZVS QRC的谐振阶段。
(1) [t0 , t1 ] 阶段
uCr 0 ， iLr 在 t 0时刻，开关管 VT 开通，二极管仍处于导通态，
从零线性上升至 I o， iD I o iLr 从
I o 线性下降为零，二极管自然关断。
(2) [t1, t2 ] 阶段（谐振阶段）
Ui iLr (t ) I o sin r (t t1 ) Zr
uVT iVT Ud
uVT
Io
iVT uVT
iVT Io ton
Ud
VT
VD
toff
t
1 P f sU d I oton on 2
1 Poff f sU d Iotoff 2
Buck电路中器件的开 关损耗更为严重
二、软开关特性 1、零电压开通、零电流关断
ug
uVT iVT uVT
2、软开通、软关断
uD
+ uT 1
Io iT 1
-
Lr iLr
VT1
Ui
VT2
Cr ic
VD2
+
uD
Io
Ui
+ Cr uCr
VD
-
-
iD
+ uCr
VD
-
-
(a) [t0 , t1 ]
VD1 VD1
(b) [t1, t2 ]
(a) [t0 , t1 ]
VD1
iT 1
c
-
(b) [t1 , t2 ]
VD1
+ uT 1
VT1
第7章 谐振软开关技术
为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效 可靠地运行，近年来研究并开始应用了软开关技术。 教学要求： （1）掌握软开关的基本概念、特性及其类型； （2）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关PWM变 换电路、零转换PWM变换电路和直流环节谐振型逆变 电路的工作原理及工作过程。
iLr I o 二极管截止，电源对负载供电。 (6) [t5, t6]阶段 VT为通态，
7.2.3 零电压开关多谐振变换电路（ZVS MRC）
+
Cs
uT + iT VT
- u -
Cs
Lr iLr uD
Lf
+
iD Cd
+
Cf
R
Ui
VD
Uo
iLr I o
-
-
(1) [t0, t1]阶段(Lr充电)
Lr
VT
Ui
VT
VDs
iLr
iC Cr
+
uCr
Io
(a) [t0 , t1 ]
+ uT
Ui
-
(b) [t1 , t2 ]
+ uT
iC
VDs
Lr
VDs
Lr
+
Cr
Io uCr Ui
+
VD
iD uCr
Io
-
(d) [t3 , t4 ]
(c) [t2 , t3 ]
2） 全波模式
+ uT
-
Lr iLr iD
uCr 2U i
uCr (t ) Ui [1 cos r (t t1 )]
Ui iLr (t ) I o sin r (t t1 ) Zr
(3) [t2, t3]阶段（电感恒流）
iLr I o
uCr 2U i
(4) [t3, t4]阶段（电容谐振放电） , t4 ]期间，负电流 iLr经VD1返回电 当t=t3时刻，驱动VT2，在 [t3 源，开关管VT1的电流 iT 1 0 且电压 uT 1 0 ，可使VT1在零电流 下关断。 (5) [t4, t5]阶段（电容线性放电） 开关管VT1已关断，续流二极管VD截止，Cr经VT2对负载 恒流放电，电容电压线性下降到零 (6) [t5, t6]阶段（续流模式） 当t=t5时刻，uCr 0 ，二极管VD导通， iD I o 当t>t5时，撤除VT2的驱动信号，则VT2也是零电流关断。
ug
uVT iVT u VT
0
0
iVT
t
iVT
t t t
0
t
0 P 0
Pon
Poff
三、谐振软开关电路的类型 1、准谐振与多谐振变换电路 2、零开关PWM变换电路 3、零转换PWM变换电路
4、直流环节谐振型逆变电路（RDCLI）
7.2 准谐振与多谐振变换电路 7.2.1 零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）
(1) [t0, t1]阶段（电容线性充电）
+
uCr Cr
变换电路的工作波形
u g1
t0 t1 t2 t3 t 4 t5
-
(a) [t0,t1 ]
t
(b) [t1,t4 ]
VDs
Lr iLr iD
t6 t
+
uD
Io
Ui
VD
(c) [t4,t5 ]
(1) [t0, t1]阶段 VT关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极 管VD两端电压线性下降。 (2) [t1, t2]阶段 VD导通，电感通过VD续流，电感、电容和二极管形成谐 振回路，t2时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。 (3) [t2, t3]阶段 iLr 改变方向，达到反向谐振峰值，uCr U i
-
Lr iLr
+ uT 1
VT2
Cr
VD 2
+
uD VD
Io
iT 1
-
Lr iLr
VT1
Ui
VT2
Cr ic
VD 2
+
uD
Io
Ui
+ uCr
-
+ uCr
VD
VD1
-
VD1
(c) [t2 , t3 ]
] (d1) [t3 , t3
+ uT 1
Io
-
+ uT 1
VT1
Ui
-
Lr iLr
+
VT2
Cr ic
零电压开关准谐振变换电路的等效电路
ic Cr Lr ic Io Cr
ug
+u
Ui
Cr
-
iLr
+u
Ui
Cr
-
0
uCr uT
Ui 0 iLr Io
Ts
t
(a) [t0,t1 ]
ic Cr Lr ic Cr Lr
Zr Io
+u
Ui
Cr
-
iLr
t
Io
+u
Ui
Cr
-
iLr
iD
+
uD
Io
VD
0 iT Io 0
VD1
+ uT 1
iT 1
-
Lr iLr ug 2
+ Lf
VT2
Cr ic
+
VT1 u g1
Ui
VD 2
VD
uD iD
Cf
+ uCr
R Uo
-
-
-
设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态， 续流二极管导通。 变换电路的等值电路
VD1
iT 1
VD1
+ uT 1
VT1
-
Lr iLr
+
VT2
VD2
ug
iLr
Buck多谐振开关电路工作波形
t
0
Io 0 iT Io 0 iD
t
t
0
uT
t
uD
0 0
t
t0
t1
t2
t3 t 4
t
7.3 零开关PWM变换电路
7.3.1 零电流开关PWM变换电路（ZCS PWM） Buck ZCS PWM变换电路
需要作出如下几点假设：
①所有开关管、二极管均为理想器件； ②电感、电容均为理想元件； ③假定 L f 和 C f 都很大，可以等效为电压源和电流源。
7.1 谐振软开关的基本概念
一、硬开关的开关损耗 1、典型的开关损耗
u s is Us Is is us
开通损耗：
t
Pon
1 f sU s I s ton 6
1 f sU s I s toff 6
is us
U on
P
U on I s
ton
关断损耗：
t
P off
toff
2、Buck电路中器件的开关损耗
由于有谐振的作用，当谐振电感 Lr 中通过的电流为零时，
开关管VT导通， 从而实现开关管零电流开通；
当VT导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，
Lr 中的电流为零时， 开关管断开， 从而实现开关管的零电流关断。
2. 工作过程分析 1）半波模式
+ uT
-