谐振软开关PWM
《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
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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
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《软开关的概念》PPT课件
a
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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
a
8
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
2）零电压关断：在开关管关断时，使其电压保持在 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
a
5
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。
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
a
1
8.1软开关的概念
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
-软开关技术(soft technique)
（7-5） （7-6）
Poff f s
toff 0
t on t ri t fv
Ploss
toff trv t fi
1 VD I 0 f s (ton toff ) 2
线路电感 Lσ≠ 0 时开通、关断过程
VT
图7.11
安全工作区
Lσ=0时，开通轨迹ABC，关断轨迹 CBA Lσ≠ 0时，开通轨迹AQEC，关断轨 迹CBHPA Lσ改善了开通轨迹，恶化了关断轨 迹
开关状态2：t1<t<t2
T1断态，Vcr＝VT1＝VD。iL经D2、T2 续流，Io经D0续流。Toff=t2-t1可控， 用以调控输出电压。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PW 变换器工作原理（续4）
开关状态3：t2<t<t3
t=t2时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半 个周期到t3， t=t3时 Vcr＝VT1＝VD， iL达到负最大值。
t
VD
D
rT IO iD
T
iT
rT
iD
(a) 电路
t
t 0 t1 vT (v CE ) t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t t10 9
iT
电压限制线
R E
I CM
N C
VD
vT
电流限制线 10us功率限制线
vT
t
td PT t ri
IO
B
t fv
t on PT vT iT
ts
t rv t fi
第8章
谐振开关型变换器 --软开关技术（soft-switch）
1
现代电力电子的发展------高频化
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
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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。
一种新型的软开关正弦波PWM逆变器
ｃｉ ａｄｆｌＰ ｕｔ ｎ ｌ ＷＭ ａ ａ ｉｔ．Ｉｉ ｏ ｇｅｔ ｉ ｉｃｎ ｅｔ ｒｄ ｃ ｌｃ ｏｍａａｅ ｅ ｔｎｅｆ ｅｃ （ ＭＩ ｕ ｃｐｂｌｙ ｔ ｓ ｆ ｒａ ｓ ｎｆ ａ ｃ ｕ ｅｅ ｔ ｎ ｇｍ ｎ ｔ ｅ ｎ ｅ Ｅ ） ｉ ｇ ｉ ｏｅ ｅｒ ｉ ｒｒ
第 ｌ ３卷
增刊 １
电 机 与 控 制 学 报
ＥＬＥＣＴＲＩ Ｍ ＡＣＨＩ Ｃ ＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖ０ ．１ Ｓ ｐ １ １ １ ３ ｕ ｐ ． ＮＯ ． ２ ｏ Ｖ Ｏ ９
２０ ０ ９年 １ 月 １
一
种 新型 的软 开关 正 弦波 Ｐ ＷＭ 逆 变 器
（ ｃｏｌ ｆ ｎｏｍ ｔ ｎＳ ｉ ｃ Ｓｈｏ ｏ ｆｒ ａ ｏ ｃ ｎｅ＆ Ｅ ｇｎｅ ｎ ， ｏ ｈａｔｒ ｎｖｒｉ ， ｈ ｎａｇ１００ ， ｈｎ ） Ｉ ｉ ｅ ｎｉｅｒ ｇ Ｎ ｒ ｅｓ ｎＵ ｉｅ ｔ Ｓ ｅｙｎ １０ ４ Ｃ ｉ ｉ ｔ ｅ ｓｙ ａ
Ａ ｓ ａ ｔ Ｉ ｒｅ ａ ｚ ｉ ｐｅｔ ｏ ｇ ， ｉ ｆｃ ｎｙ ｈｇ ｅｕ ｎ ｙ ｌ ｏ ａｅｓ ｅｓ ｅｓ ｂ ｔ ｃ ： ｎｏｄｒ ｏｒ ｌ ｅａｓ ｌ ｏ ｌ ｙ ｈｇ ｅ ｉ ｅ ｃ ， ｉ ｒ ｔ ｅｉ ｍ ｐ ｏ ｈ ｆｉ ｈ￣ ｑ ｅｃ ， ｏ ｖｌ ｇ ｔ ｓ， ａｙ ｗ ｔ ｒ
ｔ ｏ ｔｏ ｏ ｗｉｃ ｉ ｇ ｔｒ ｅ ｐ ａ ｅ ｉ ｖ ｒｅ ，ａ ｎ ｖ ｌｒ ｓ ｎ ｎ ｏ ｅ ｔｒ ｅ ｐ ｓ ｏ ｗｉｃ ｉ ｇ ＰＷ Ｍ ｎ‘ ｏ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｆ ｓ ｔｈ ｎ ｈ ｅ ｈ ｓ ｎ ｅ ｔｒ ｏ ｅ ｅ ｏ ａ ｔｐ ｌ ｈ ｅ ｈａ ｅ ｓ ｆ ｓ ｔｈ ｎ ｔ ｔ ｉ ｖ ｒｅ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔｄ ｉ ｈｅｐ ｐ ｒ ｔａ ｏｄ ｈ ｕ ｋ ｃ ｐ ｃ ｔｒｏ ｅ ａ ｘ ｌａ ｙｒ ｓ ｎ ｎ ｏ ｅ ｔｒ ｉ ｒ ｓ ｎｅ ｎ ｔ ａ ｅ ．Ｉ ｖ ｉｓｔ ｅ ｂ ｌ ａ ａ ｉ ｆｔ ｕ ｉｉｒ ｅ ｏ ａ ｔｃ ｍｍｕｔｔｄ ｐ ｌ ｎ— ｏ ｈ ａ ｅ ｏｅ ｉ
PWM技术
PWM技术PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。
中文名：脉宽调制技术外文名：Pulse Width Modulation简称：PWM技术优点：被控系统信号都是数字形式的目录.1简介.2优点.3几种PWM控制方法.▪等脉宽PWM法.▪随机PWM.▪ SPWM法.▪低次谐波消去法.▪梯形波与三角波比较法.▪线电压控制PWM.▪电流控制PWM.▪空间电压矢量控制PWM.▪矢量控制PWM.▪直接转矩控制PWM.▪非线性控制PWM.▪谐振软开关PWM简介脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中 [1]。
优点PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，在进行数模转换。
可将噪声影响降到最低（可以跟电脑一样}。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。
现代电力电子技术中的软开关技术
现代电力电子技术中的软开关技术摘要：论述了现代电力电子技术的软开关技术及其新发展，论述了由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的软开关技术。
关键词：软开关谐振现象变换器一、引言电力电子技术利用无源功率器件和半导体功率器件、大规模集成电路和微处理器、传感与信息处理技术、现代控制理论、计算机仿真与辅助设计技术，以功率变化电路为对象，研究对电能进行变换和控制的规律，以其独特的、不可取代的特殊功能，广泛应用于国民经济的各个领域。
开关电源的高频化是实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量的重要途径。
开关电源的高频化增大了变换器的功率密度和性能价格比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的音频噪声。
软开关（softswitching）技术是近年来电力电子学领域中的一个主要研究方向。
对软开关理论的深入研究，使软开关技术成为电力电子变换技术的核心内容尤其是能有效地减小电能变换装置引起的环境污染（噪声等）和电磁污染（emi），为发展无公害电力电子产品提供了有效的方法和途径。
二、谐振软开关的工作原理，种类及特点谐振软开关是八十年代提出并用于dc-dc变换器中[2]。
它利用电路发生谐振时，电流或电压形成周期性地过零点，并使开关器件在在零电流或零电压条件下接通或切断，因此理论上它的开关损耗为零，避免了硬开关由于电压电流波形交叠而产生开通及关断损耗。
软开关包括软关断和软开通。
按驱动信号的时序来分又可以分为零电压开通、零电压关断与零电流开通、零电流关断。
各种软开关与硬开关的波形比较如下：图1 软开关和硬开关的波形比较图中零电流关断信号在t2或t2以后发出，零电压关断信号在t1发出。
零电流开通信号在t2或t2以后发出，零电压开通信号在t1发出。
谐振软开关电路中的零电流和零电压条件是由辅助的谐振电路提供的，辅助电路一般由辅助谐振元件l和c和电力电子开关器件s构成。
辅助谐振电路中的开关器件s也是在零电流或零电压条件下实现通断。
软开关
电源技术概述直流变换器分类非隔离：Buck 、Boost 、Buck/Boost 、Cuk 、Zeta 、Sepic隔离： 单管正激Forward 、单管反激Flyback 、双管正激、双管反激、推挽、半桥、全桥 通常变压器隔离在功率开关管电压和电流定额相同时，变换器的输出功串通常与所用开关管的数量 成正比，故四管变换器的输出功率最大，而单管变换器的输出功率最小。
硬开关：承受电流、电压的情况下接通或断开电路。
开关损耗，频率越高损耗越大。
软开关：开关管开通或关断过程中，电压为零或电流为零。
硬开关Buck电流连续输出：D V V in O ⨯=脉动：28)1(V s f f Of C L V D -=∆（理论）、ESR )1(V ∙-=∆sf Of L V D （电容损耗、等效串联电阻ESR ）Q 、D 承受电压VinBoost电流连续 输出：D-11V V in O ⨯= 脉动：sf Of C D I V =∆ Q 、D 承受电压VoBuck/Boost连续输出：D DV in -∙=1V O Q 、D 承受电压：DO V脉动：sf O f C D I V =∆Cuk连续输出：D D V in -∙=1V OQ 、D 承受电压：O in V +VZeta输出：D D V in -∙=1V OQ 、D 承受电压：O in V +V脉动：28)1(V s f f Of C L V D -=∆Sepic输出：D D V in -∙=1V O Q 、D 承受电压：DOV正激磁复位方法：输入端接复位绕组、RCD 复位、LCD 复位、有源箝位W3复位绕组输出：12D V W W V in O ∙∙= in D V W W ∙=122V in D V W W ∙=321V in D V W W ∙+=1313W V 复位条件：311max D W W W +=反激铁芯必须有气隙，保证铁芯不饱和。
由于电路简洁，所用元器件少，适合于多输出场合使用。
软开关技术及其应用
软开关技术及其应用1.软开关技术的简介1.1软开关技术的基本概念软开关：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。
近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。
和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。
由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。
理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。
同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。
1.2软开关技术的工作原理图一软开关的开关、关断过程通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除开关消耗。
同时，谐振过程限制了开关过程中电压电流的变化率，这使得开关噪声显著减小。
理想开关过程：零压导通零压关断，开通和关断零损耗零噪声。
2.软开关电路的种类及特点根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。
通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。
但也有个别电路中，有些开关是零电压开通，另一些开关是零电流关断的。
根据软开关技术发展的历程，可以将软开关电路分成以下三种：1）准谐振电路. 是最早出现的软开关电路。
准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声大大下降，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。
准谐振电路可以分为零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关多谐振电路和用于逆变器的谐振直流环。
2) 零开关PWM电路.电流和电压基本上是方波。
开关承受的电压明显降低。
电路不采用开关频率固定的PWM控制方式。
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谐振软开关PWM
传统的PWM逆变电路中,电力电子开关器件硬开关的工作方式,大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高,而高频化是电力电子主要发展趋势之一,它能使变换器体积减小,重量减轻,成本下降,性能提高,特别当开关频率在18kHz以上时,噪声将已超过人类听觉范围,使无噪声传动系统成为可能.
谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上,附加一个谐振网络,谐振网络一般由谐振电感,谐振电容和功率开关组成.开关转换时,谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程,谐振过程极短,基本不影响PWM技术的实现.从而既保持了PWM技术的特点,又实现了软开关技术.但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗,并使电路受固有问题的影响,从而限制了该方法的应用。