直流开关电源的软开关技术

1电力变换系统的软开关技术直流开关电源2•软开关电力电子变换技术是近年来电力电子学领域中的一个热门话题。对软开关（softswitching)理论的深入研究，以及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换器的设计出现了革命性的变化。１．变换器具有更高的效率——自身损耗大大降低２．变换器具有更高的功率密度——自身的体积和重量大大减小，以及更高的可靠性３．有效地减小电力变换装置引起的电磁污染（EMI）和环境污染（噪声等），为未来大力发展绿色（无公害或低公害的电力电子产品提供了有效的方式和方法。正因为软开关技术的诸多优点使其理论一出现就显示出了蓬勃的生命力，并受到各国专家学者的广泛重视。现在每年在世界上都有大量的相关论文发表，应用软开关技术的电力电子变换器也越来越多地推向市场，将来也必将取代传统的硬开关电力电子变换器。•本课特点：理论与实际相结合。•学习方法：理解消化原理、理解过程、掌握分析方法•教材：《直流开关电源的软开关技术》阮新波等主编3课时要求•本课总学时：32学时，每次3学时•成绩评定：试卷80分；平时成绩20分•平时成绩包括：讨论、出勤率等4讲课主要内容•1.直流开关电源的基本电路拓扑•2.谐振变换器•3.准谐振变换器•4.多谐振变换器•5.ZCSPWM变换器和ZVSPWM变换器•6.零电压转换（ZVT）PWM变换器•7.零电流转换（ZCT）PWM变换器•8.正激变换器的磁复位技术•9.移相控制ZCSZVSPWMDC/DC全桥变换器•10.移相控制ZCSPWMDC/DC全桥变换器•11.现代软开关电源应用设计举例51.1概述1.开关电源的分类（1）现代开关电源：①直流开关电源——输出质量较高的直流电②交流开关电源——输出质量较高的交流电核心：电力电子变换器——应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置（2）按转换电能的种类：①直流—直流变换器：它是一种将直流电能转变成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件②逆变器：是将直流电转换为交流电的电能转换是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件③整流器：是将交流电转换为直流电的电能变换器④交交变频器：是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器一、直流开关电源的基本电路拓扑61.直流变换器的分类（1）根据输入与输出间是否有电气隔离①非隔离式直流变换器•单管直流变换器降压式（Buck)、升压式（Boost)、升压式/降压式（Buck/Boost)、Cuk、Zeta、Sepic在六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生出来的。•双管串接的升降压式（Buck/Boost)变换器•四管直流变换器全桥直流变换器(Full-bridgeconverter)②隔离式直流变换器有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同的电压输出。★变换器的输出功率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。★没有隔离的变换器可和有隔离的变换器组合得到单个变换器不具备的特性。一、直流开关电源的基本电路拓扑7（2）根据能量传递①单向直流变换器②双向直流变换器（3）根据开关管控制信号的生成①自激式直流变换器②它激式直流变换器（4）根据开关管的开关条件①硬开关直流变换器(Hardswitching)②软开关直流变换器(Softswitching)2.直流开关电源及其应用3.对直流开关电源的要求高的可靠性、好的可维修性、小的体积重量、低的价格及使用费用和好的电气性能一、直流开关电源的基本电路拓扑84.直流开关电源的发展动向（1）开关电源发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。开关电源轻、小、薄关键技术是高频化，（2）模块化是开关电源发展总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将增大，而采用部分谐振转换电路技术，理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存着技术问题，故仍需这一领域开展大量工作，以使该项技术以实用化。（3）电力电子技术不断创新，使开关电源产业有着广阔发展前景。要加快我国开关电源产业发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色产学研联合发展之路，为我国国民经济高速发展做出贡献。一、直流开关电源的基本电路拓扑91.2基本电路拓扑1.2.1非隔离式直流变换器的基本电路拓扑1.降压式(Buck)变换器一、直流开关电源的基本电路拓扑工作模式：连续、临界、非连续D10一、直流开关电源的基本电路拓扑ILmaxIoILminIoILmaxoinVDVioIIDminmax2LLoIIIonTDT11一、直流开关电源的基本电路拓扑T’offT’o1inVDDDVDD2o12oininDVIVLfV电感电流断续工作时，Vo/Vin不仅于占空比D有关，而且与负载电流Io大小有关。若Io=0，则不论D多大，输出电压Vo必等于输入电压Vin，即Vo=VinILmax122.升压式(Boost)变换器一、直流开关电源的基本电路拓扑inVLLiDiD0V0CR0i+SiSGV(a)常规boost结构图工作模式：连续、临界、非连续13ILmaxIiILminIiILmax一、直流开关电源的基本电路拓扑o11inVVD1oiIIDminmax2LLiIIIonTDT14一、直流开关电源的基本电路拓扑T’offT’o1inVDDDDVDo2121oininVDILfVV电感电流断续工作时，输出电压Vo、输入电压Vin、负载电流Io和占空比D的关系。由此可知，电流断续时，即使输入电压Vin不变时，为了保持输出电压Vo恒定，也应随负载电流的不同来调节占空比D。ILmax151.2.2隔离式直流变换器的基本电路拓扑一、直流开关电源的基本电路拓扑V0.D1LfCfRLd+.D2QW2W1VinW3D3vW3vW1vW2.LM1.正激（Forward)变换器16一、直流开关电源的基本电路拓扑tttttt0TonTrTstiW3iW1iLfФvQvw1vink13vinvin/K12IoiLfmaxiLfminiMiLf/K12vw217一、直流开关电源的基本电路拓扑V0.D1LfCfRLd+.D2QW2W1VinW3D3vW3vW1vW2.LMVinVinV0.D1LfCfRLd+.D2QW2W1W3D3vW3vW1vW2.LMV0.D1LfCfRLd+.D2QW2W1W3D3vW3vW1vW2.LM（a）Q开通（b）Q关断，磁复位开始（c）Q关断，磁复位完成o12inVVDKonTDT1max1213131WDWWKK18一、直流开关电源的基本电路拓扑2.反激（Flyback)变换器V0.D1CfRLd+.QW2W1VinvW1vW2isip19一、直流开关电源的基本电路拓扑tttt0TonTsisipФvQvw1vink12vinipmaxttttt0TonTsisipФvQvw1vink12vinipmaxtT'offTdisipminismaxismin（a)电流连续（b)电流断续20V0.D1CfRLd+.QW2W1VinvW1vW2isipV0.D1CfRLd+.QW2W1VinvW1vW2isipV0.D1CfRLd+.QW2W1VinvW1vW2isipQ导通Q关断Q关断，电流断续一、直流开关电源的基本电路拓扑220102insVDVLfIo1inDVVDonTDT电流断续电流连续21二、谐振变换器サージ電圧サージ電流電流波形電圧波形●非常に高い電圧変化率（dv/dt）・電流変化率（di/dt）●サージ電圧・電流の発生●スイッチング電力損失の増大1.软开关技术的提出222.软开关技术的实现策略二、谐振变换器電圧波形電流波形●緩やかな電圧変化率（dv/dt）・電流変化率（di/dt）●サージ電圧・電流の抑制●スイッチング電力損失の低減23二、谐振变换器24二、谐振变换器3.谐振变换器的分类3.1全谐振变换器（谐振变换器）（Resonantconverters)该类变换器实际上是负载谐振变换器（1）按照谐振元件的谐振方式分•串联谐振变换器(Seriesresonantconverters,SRCs)•并联谐振变换器（Parallelresonantconverters,PRCs)（2）按照负载与谐振电路的连接关系分•串联负载(或串联输出）谐振变换器(Seriesloadresonantconverters,SLRCs)•并联负载(或并联输出）谐振变换器(Parallelloadresonantconverters,PLRCs)全谐振变换器的特点在谐振变换器中，谐振元件一直参与谐振工作，参与能量的全过程，该类变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法253.2准谐振变换器（QuasiResonantconverters,QRCs)与多谐振变换器（MultiResonantconverters,MRCs)（1）准谐振变换器分•零电流开关准谐振变换器(ZerocurrentswitchingQuasiResonantconverters，ZCSQRCs)•零电压开关准谐振变换器(ZerovoltageswitchingQuasiResonantconverters，ZVSQRCs)（2）多谐振变换器•零电压开关多谐振变换器(ZerovoltageswitchingMultiResonantconverters，ZVSMRCs)该类变换器的特点软开管技术的一次飞跃，谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。一般采用频率调制方法二、谐振变换器26二、谐振变换器3.3零开关PWM变换器(ZeroswitchingPWMconverters)•零电压开关PWM变换器(ZerovoltageswitchingPWMconverters)•零电流开关PWM变换器(ZerocurrentswitchingPWMconverters)该类变换器的特点该类变换器是在QRCs的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。与QRCs不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1/10~1/5。27二、谐振变换器3.4零转换PWM变换器(ZerotransitionPWMconverters)•零电压转换PWM变换器(ZerovoltagetransitionPWMconverters，ZVTPWMconverters)•零电流开关PWM变换器(ZerocurrenttransitionPWMconverters，ZCTPWMconverters)该类变换器的特点该类变换器是软开技术的又一次飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其它时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。在直流开关电源的软开关技术中，还有无源无损软开关技术，即不附加有源器件，只是采用电感、电容和二极管来构成无损缓冲网络。28二、谐振变换器4.谐振电路的基本概念4.1串联谐振电路VinLrCr+-vCriLr基本串联谐振电路Lr是谐振电感，Cr是谐振电容，Vin是输入直流电源。假设在t0时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t0)=iLr0，谐振电容的初始电压为vCr(t0)=vC0rC0t4.1.1基本串联谐振电路29如果不计电路的损耗，那么从t0时刻开始，谐振电感和谐振电容自由谐振工作。电路的微分方程为：LrrCrindiLvVdtCrrLrdvCidt000