第7章软开关技术
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。
软开关技术
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。
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7章 软开关技术.ppt
谢谢关注
图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
uCr
Uin
O
t
iLr
O
ILt
t0 t1 t2 t3 t4 t0
图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形
7－20
7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一， 它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增 加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。
谢谢关注
7－8
7.2 软开关电路的分类
分别介绍三类软开关电路
1）准谐振电路
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。是最早出现的软开关 电路。
特点：
谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交 换，电路导通损耗加大； 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（Pulse Frequency Modulation—PFM）方式来控制。
图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
2019-10-31
谢谢关注
7－18
7.3.2 谐振直流环
2）工作原理
t 0~t1时段：t0时刻之前，开关 S处于通态，iLr>IL。t0时刻S 关断，电路中发生谐振。iLr对 Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。 t1~t2时段：t1时刻，谐振电流 iLr达到峰值。 t1时刻以后，iLr 继续向Cr充电，直到t2时刻 iLr=IL，uCr达到谐振峰值。
7－22
7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
互为对角的两对开关S1-S4 和S2-S3，S1的波形比S4超 前 0~TS/2 时 间 ， 而 S2 的 波 形 比 S3 超 前 0~TS/2 时 间 ， 因此称S1和S2为超前的桥 臂，而称S3和S4为滞后的 桥臂。
007软开关技术
Cr
Lr
L
S VD
Lr
L
S
Cr
VD
Cr1
Lr
L
S
Cr2
VD
零电压开关准谐振 零电流开关准谐振
零电压开关多谐振
7.2 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路
引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后
零开关PWM电路可以分为：
•零 电 压 开 关 PWM 电 路 （ Zero-Voltage-Switching PWM Converter-ZVS PWM）
O
t t
Ui
Lr B
VD2
CR
uLr O
iLr
t
S2 CS2 S4 CS4
O uT1
t
O
t
uR
图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路
O iL
t
O
t
iVD1
O iVD2
t
O
t8 t9 t0
t1 t2 t3t4 t5
t6 t7 t8t9 t0
t
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
t1~t2阶段的等效电路图
CS3 iLr
VDS3
iL
L VD1
+ Uo
Ui
Lr B
R
S2 CS4
VD2
–t4~t5：S3开通后，Lr的电流继续减小。 iLr降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT， T二次侧VD1的电流下降到零而关断，IL全
t3~t4阶段的等效电路
7.3.4 零电压转换PWM电路
软构开成关辅：助•换在流电网路络中，增在加开了关小过电程感前、后电引容入等谐振过元程件，开在关开开关 通前电压过先程降前为后零引，入或谐关振断，前使电开流关先条降件为得零以，改就善可。以消除开
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