开关电源-软开关技术
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
运用软开关技术的Boost电路原理及实现
运用软开关技术的Boost电路原理及实现1 引言采用硬开关工作方式的Boost电路，在开关频率很高时，其开关损耗增大，电源效率降低。
为了提高开关电源的频率和效率，必须减小开关损耗。
本文提出了一种运用软开关技术的Boost电路，该电路实现简便，开关频率恒定，控制简单。
通过对该电路工作原理的分析，以及仿真及实验的结果，证明该电路具有良好的减少开关损耗及提高电源效率的作用。
2 主电路拓扑及工作原理分析该电路的拓扑如图1所示。
从图中可以看出，它是由传统的Boost 电路与由D2、D3、Lr、Cr组成的谐振电路连接而成的。
该电路工作过程如图2所示。
为了讨论的方便，我们假定L1中的电流和Cf中的电压在一个开关周期内保持不变。
电路工作波形如图3所示。
1) 第一阶段[t0－t1]t0时刻二极管D1导通，能量由电源向负载输送。
2) 第二阶段[t1－t2]S1在ZCS的状态下开通，t2时刻Lr中的电流线性下降到零。
由于D1保持导通，Cr的电压保持在Vo。
3) 第三阶段[t2－t3]t2时刻D1截至，谐振开始，D2导通，电容Cr向Lr充电，Cr上的电压由V o变到－Vi。
4) 第四阶段[t3－t4]t3时刻D3导通，Cr中的电压与输入电压相等。
在这个阶段中，Lr 中的电流线性减小到零。
5) 第五阶段[t4－t5]t4时刻Lr中的电流变为0，D2、D3截至。
6) 第六阶段[t5－t6]t5时刻S1在ZVS的状态下断开，D3为电流ii提供一条通路，电容线性放电。
7) 第七阶段[t6－t7]t6时刻电容Cr上的电压变为（Vo－Vi）时，D1导通。
在此过程中，Lr和Cr又有一次谐振，直至VCr变为V o。
8) 第八阶段[t7－t8]t7时刻VCr=V o时，D2导通，Lr中的电流线性上升，直至电流变为Ii。
该阶段结束后，便开始，下一个周期。
从图3中可以看出，电路是工作在软开关状态下的。
3 电源变换范围的讨论为了便于对电路电压增益进行定量的分析，我们假定所有的元器件都是理想的。
软开关的基本概念
软开关的基本概念
软开关是一种电力电子器件，它能够根据控制信号断开或接通电路，从而实现电力系统的控制和保护。
与传统机械开关相比，软开关具有体积小、能耗低、寿命长、可靠性高和控制精度高等优点，因此被广泛应用于现代电力系统中。
软开关的基本结构包括一个功率半导体器件和一个控制电路。
其中功率半导体器件可以是晶闸管、二极管、MOSFET、IGBT等，用于负责电路上的开关操作。
而控制电路则负责产生指令信号，控制功率半导体器件的开关状态，从而实现电路的控制和保护。
软开关的最大特点是其控制方式。
它利用高频开关技术，将电路开关的操作频率提高到几千赫兹，从而实现电流的快速切换和控制。
与此同时，软开关还可以实现电流的平滑转移，降低电路中的电压和电流波动，从而提高了能量利用率和电路的稳定性。
软开关的应用范围非常广泛，包括但不限于变频器、UPS、电力电子变压器、电机驱动等。
其中，变频器是软开关应用最为广泛的领域之一。
在变频器中，软开关用于实现电机的调速控制，从而提高电机
的效率和运行质量。
此外，软开关还可以用于UPS中的输出电路控制，保证UPS的稳定输出电压和电流。
总之，软开关是一种电力电子新型器件，具有体积小、能耗低、
寿命长、可靠性高等优点，被广泛应用于现代电力系统中。
随着科技
的不断发展和进步，软开关技术也会越来越成熟和完善，为电力系统
的控制和保护提供更加先进的技术手段。
SIMetrix在“开关电源及其软开关技术”教学中的应用
SIMetrix 在“开关电源及其软开关技术”教学中的应用为了完善专业的知识结构、配合学校培养应用型人才的办学思路，华南理工大学广州学院电气工程学院为本科生开设了“开关电源及其软开关技术”这门课程。
该课程是“电力电子技术” 的后续课程，系统地介绍了开关电源电路的结构组成、工作原理、设计方法和开发过程，其综合性、工程性和实用性很强。
目前，课程在教学中存在的主要问题：第一，虽然在课堂教学中使用了多媒体课件，但依然需要花费大量精力对电路工作原理及其波形进行描述和分析，学生仅凭听讲还是很难深入理解。
第二，在本科生中开设该课程的高校较少，在市场上很难找到针对该课程的实验装置，学生学习的理论知识得不到很好的验证。
第三，开关电源的硬件开发是一项知识面要求宽、难度大又危险的复杂技术工作，受时间、空间、物质条件等因素限制，在这方面不能做过多要求，因此学生动手能力得不到真正的锻炼。
为了弥补以上不足，本文提出在课程教学中引入SIMetrix 仿真工具。
借助该仿真软件，学生更容易理解理论知识，还可以在课堂外对所学的知识加以验证以及进行一些设计应用，从而激发学习的兴趣并增强实践能力。
一、SIMetrix 仿真软件介绍特点一：包含丰富的器件模型。
模型库不仅包含了理想的电路元件，同时还提供了比较通用的、常见的半导体器件和各类应用广泛的集成电路控制芯片，在此基础上足以构建完整的开关电源系统。
特点二：先进的测量功能。
波形可通过选择检测器然后点击原理图生成，或在原理图上放入固定的检测器生成，可在仿真后甚至仿真时查看波形，非常方便。
特点三：强大的波形处理功能。
为波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多种函数，选择这些函数可获得计算结果并显示在波形旁边。
特点四：具有多种分析功能。
包括瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析、传输函数分析等，每种分析功能下又提供多种扫描模式，如频率扫描、器件扫描、参数扫描、模型参数扫描、温度扫描、蒙特卡罗扫描等等。
软开关技术对通信电源的影响
软开关技术对通信电源的影响当今时代的发展，软开关技术作为一种新型技术的发展和运用使得越来越多的生产厂商受益，这是在信息化时代下，利用科技技术的研发和尝试。
软开关先进技术的使用更是在通信电源的应用中更具有实际的现实意义，其更为安全、操作更为科学化，在通信电源中的应用是如虎添翼。
1通信电源目前存在的弊端通信电源一般会出现问题较多的是整流模块退出、模块不均流、电池久压不保护、空开跳开、防雷器故障、保险管断开等。
而出现直流断电器故障，是由于我们采用的是直流断器，触点使用的是常闭触点，如若对断路器发出断开指令无反应时，易出现直流配电单元故障。
而在另一方面交流配电单元也易出现明显的故障，交流变送器出现了异常，无法正常地运转。
通信电源系统在通信系统所具有的地位不可替代，一旦通信电源系统故障引起对通信设备的供电中断，通信设备就会完全失灵，无法正常工作运转，造成通信电路中断、通信系统瘫痪，从而造成重大的经济损失和社会负面效益。
其中，目前通信电源系统常见的问题和弊端有以下几种：（1）交流配电单元的问题中的防雷器单元，在易发生的故障当中，防雷器易损坏。
（2）交流输入缺相，造成的因素很多，往往无法正确及时分析得出解决方案，其中涉及的是交流变送器的故障。
（3）交流接触器不吸合，造成的因素是交流输入的A相缺相，交流接触器线圈供电保险丝烧坏，交流接触器控制板出现故障。
（4）直流断路器的故障问题，直流电流显示不正确，其电流传感器斜率选择不正确，非常大的电流值显示不正确。
2软开关技术原理及其优越性2、1软开关技术原理硬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。
而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。
软开关其工作原理是，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。
PWM软开关技术简介
1．引言将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电力子技术领域发展方向之一。
在直/直变换器中，则以全桥移相移控制软开关PWM变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。
目前全桥移相控制软开关PWM变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关（ZVS）转向同时实现零压零流软开关（ZVZCS）。
全桥移相控制ZVS方案至少有四点缺陷：全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。
副边存在占空度丢失，最大占空度利用不充分。
在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。
滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。
另外，在功率器件发展领域，IGBT以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍实用化，适合将IGBT的开关方式软化的技术则是零电流开关（ZCS）。
因而，针对全桥移相控制ZVS方案存在的问题，各种全桥相移ZVZCS软开关的方案应运而生。
2．全桥ZVZCS软开关技术方案比较目前，正在研究或已产品化的全桥ZVZCS软开关技术主要有以下3种：变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。
变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。
利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现ZCS软开关。
除方案3为有限双极性控制方式以外，其它几种方案的控制方式全为相移PWM方式。
上述几种方案都能解决全桥相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低电路内部的自循环能量，提高变换效率；减少副边的占空度丢失，提高最大占空度的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。
为提高电路的开关频率准备了条件，使整机的轻量化，小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。
-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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
7
§5.2 软开关电路的分类
❖ 根据电路中主开关是零电压开通还是零电流关断， 可分成零电压电路和零电流电路两大类。
❖ 根据软开关技术发展历程可分为准谐振电路、零 电压PWM电路和零转换PWM电路。
❖ 每种软开关电路都可用于降压型、升压型等不同 电路，因此可以由基本开关单元导出具体电路。
S
0
S1
0
iS
0
im
0
iS1
u
0
S
0
u S1
0
t0
t1 t2 t3 t4 t5
图5-22 有源钳位正激型电路的波形
23
2.特点
➢主开关S工作在零电压开通条件，开关损耗显著降低。
➢存在变压器励磁电流为负值的工作状态，这意味着变 压器的磁通在工作过程中可以从正值变化为负值，工作 在磁化曲线的Ⅰ、Ⅲ两个象限。因此有源钳位正激型电 路的变压器的磁心利用率大大提高，表现为同等功率的 电路时，磁心尺寸可以很小，绕组匝数可以减小，从而 变压器的体积和重量可降低。
iS
uS
iS
uS
t
iSuS
u t
t
p
t
a)
b)
图5-1 硬开关电路的开关过程
a) 硬开关开通过程 b) 硬开关关
3
硬开关过程: 1)产生较大的开关损耗和开关噪声; 2)开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率
下降，发热量增大，温升提高，阻碍了开关频率的 提高； 3)开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周 边电子设备的正常工作。
零电压转换PWM电路是另一种常用的软开关电路，具 有电路简单、效率高等特点，广泛应用于功率因数校正（PFC） 电路、DC-DC变换器、斩波器等。由于该电路在升压型PFC中 的广泛应用，特以升压型电路为例，介绍这种软开关电路的 工作原理。
IL
iD
VD
L
Ui
S
Lr iLr VD1
Cr
C
R
VDS
S1
UO
图5-23 升压型零电压转换PWM电路的原理图
25
工作过程分析：
在分析中，假设电感L和电容C都 很大，并忽略器件与线路中的损耗。
t~0 时t1 段：辅助开关 先于S开通，电
感电流 迅速增iLr长，二极管VD中的电流以
同样的速率下降。直到 时刻，t1二极管VD中 电流下降到零，二极管自然关断。
t~1 时t2 段： 与Lr 构C成r 谐振回路。的Lr
Cr
S
Lr A L
U i VDS
iLr
+
VD
u
-
D
C
R
图5 - 7降压型零电压开关准谐振电路原理图
15
2.工作原理 S
Cr
S
U i VDS
Lr A L
iLr
V
+u D
C
D-
uS (uCr )
R iS
图5 - 7降压型零电压开关准谐振 电路原理图
· uCr
+
IL
A
Cr Ui
iLr
u D t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
t0
t
图5 – 8 零电压开关准谐振电路的理 想化波形
18
t4 t5 ~ 时uC段r ：
被钳
位于i零Lr ， 线性衰减，t5直到
S
时刻i，Lr =0。由于这一时段S
t
两端电压为零，所以必须在这 uS (uCr )
一时段使开关S开通，才不会
t
产生开通损耗。
iS
t5 t6 ~ 时段：S为通iL态r ，
4
软开关：
✓ 在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件， 构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，消除 开关过程中电压、电流的重叠。
✓ 降低开关损耗和开关噪声。
u
u
i
i
t
t
p
关断过程
tp
t
a)
b)
图5-2 软开关电路的开关过程
a) 软开关开通过程 b) 软开关
5
❖ 5.1.2 零电压开关与零电压开关
0
t0
t1 t2 t3 t4 t5
图5-22 有源钳位正激型电路的波形
N1 N 2 VD1
●●
C1
Ui
im
VD2
iL
iD2
C
R
S1 S
c) 有源钳位正激型电路在 t2~ t3时段的等效电路
N1 N 2 VD1
●●
C1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱim
Ui
VD2
i
D
i
2
L
C
R
S1
S
iD
d) 有源钳位正激型电路在t3~ t4时段的等效电路
电流增加而 的Cr电压下降， 时t2刻，其电压 刚好uC下r 降到零，开关S的反并二极管 导通，VD
S
被钳位u于Cr零，而电流 保持不变iLr。
IL Ui
L
VDS
iLr Lr Cr
S1
图5-25 升压型电压转换PWM电路在 t1~ t2时段的等效电路
降低了可靠性。
19
5.3.3 有源钳位正激型电路
该电路变压器二次侧的结构与普通正激型电路一样， 不同的是一次电路结构。该电路没有复位绕组，而是采用含 有反并联二极管的开关S1和电容C1构成复位电路。
N1 N2
L
●●
C1
Ui
VD1
VD2
C
R
S1
S
图5-20 有源钳位正激型电路
20
1.工作过程
t~0 t时1 段：主开关S开通，二极管 VD1
➢省去了复位绕组，变压器的制造工艺可以简化，有利 于减低成本。
由于有源钳位正激型电路具有诸多优点，而且开关数
量较移相全桥零电压开关PWM电路少，电路中的谐振电压和电
流又明显小于零电压准谐振电路，该电路被广泛应用于中小
功率密度的电源装置中，典型的例子是模块化的隔离型DC-DC
变换器。
24
5.3.4 零电压转换PWM电路
t t t t
t0
t
图5-9 零电压开关准谐振电 路在 t0 ~t1 时段等效电路
图5 – 8 零电压开关准谐振电路的理 想化波形
16
Cr
S Lr A L
U i VDS
iLr
V
+u D
C
D-
R
图5 - 7降压型零电压开关准谐振 电路原理图
S
uS (uCr )
iS
iLr
u+ Cr
iLr
Ui Cr
Lr
22
t4 ～ t5 时段：S1关断时，变压器的励
磁电流方向为由下向上，S1关断后，励磁
电流流过主开关Ｓ的反并联二极管，t4 时
刻，Ｓ开通，此时Ｓ的反并联二极管处
于通态，Ｓ两端电压为零，所以Ｓ为零
电压开通。
N1 N 2 VD1
L
●●
C1
Ui
im
VD2
iL
iD2
C
R
iS
S
e) 有源钳位正激型电路在t～4 t5时段的等效电路
8
S
L
VD
S
L
VD
a)
b)
L
VD
S
L
S
VD
c)
d)
图5-3 基本开关单元的概念
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) 升压斩波器中的基本开关单元
9
5.2.1 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。这是最早出现的一类软开 关电路，有些现在还在使用。
t
线性上升，直到t6 时段，
iLr
iLr= I L ，VD关断。
t
t6 t0 ~ 时段：S为通态，
VD为断态。
u D t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
t0
t
缺点：谐振电压峰值将高于输入 图5 – 8 零电压开关准谐振电路的理 电压的两倍，增加了对开关器件 想化波形
耐压的要求，增加了电路的成本，
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
开关关断前电流为零,关断时不会产生损耗和噪声。
通常简称零电压开关和零电流开关。零电压开通 和零电流关断主要依靠电路中的谐振来实现。
零电压关断 开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速
度，降低开关损耗。
6
零电流开通 与开关相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。 简单地在硬开关电路中给开关并联电容或串联电感，不仅不会降
开关单元
开关单元
13
§5.3 典型的软开关电路
❖ 5.3.1 零电压准谐振电路 ❖ 5.3.3 有源钳位正激型电路 ❖ 5.3.4 零电压转换PWM电路 ❖ 5.3.2 移相全桥型零电压开关PWM电路
14
5.3.1 零电压准谐振电路
1.电路结构
假设电感L和电容C都很大，可以等效为电 流源和电压源，并忽略电路中的损耗。
通，VD2断，电感L的电流增长，变压器的
励磁电流 也im线性增长。
t1 t2 ~ 时段：S关断，二VD极1 管 VD2
断， 通，电感L的电流下降。变压器的励磁im
电流 S1 通过 的反并二C极1 管向电容 充电。
S
0
S1
0
iS
0
im
0