软开关技术课件

第8章软开关技术引言8.1软开关的基本概念8.2软开关电路的分类8.3典型的软开关电路现代电力电子装置的发展趋势小型化和轻量化对效率和电磁兼容性也有更高的要求。高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化和轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。8.1软开关的基本概念8.1.1硬开关和软开关8.1.2零电压开关和零电流开关8.1.1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。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。图8－1硬开关的开关过程t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程uiP0uituuiiP00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。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图8－2软开关的开关过程8.1.2零电压开关和零电流开关•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–开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。•零电压关断–与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。•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。8.2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。8.2软开关电路的分类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。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（PulseFrequencyModulation—PFM）方式来控制。分别介绍三类软开关电路2）零开关PWM电路–引入了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。特点：–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。–电路可用开关频率固定的PWM控制方式。3）零转换PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。特点：–电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。–电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。8.3典型的软开关电路8.3.1零电压开关准谐振电路8.3.2谐振直流环8.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路8.3.4零电压转换PWM电路功率开关驱动电路输出电压及电流、原边电感电流和四个开关管漏极电压采样电路输入电压及电感电流、输出电压及电流和主开关管漏极电压采样电路功率开关驱动电路UC3855AAC高功率因数校正AC/DC变换器移相全桥软开关DC/DC变换器UC3875CrTrLDD1LrTr1COROIsVac高功率因数校正软开关AC/DC变换主电路零电压转换PWM电路CrTrLDD1LrTr1COROIsUinQ1Q3Q2Q4D1D3D2D4C1C3C2C4LrVDr1LfVDr2CfT移相全桥零电压开关PWM电路原理图VinRLAB零电压转换PWM电路CrTrLDD1LrTr1COROIsUin零电压转换PWM电路波形图T0T1T2T3T4T5T6T0VoIsVoIsvgTrTr1vdsidsiLvDiD模式时间段1234567特征T0～T1T2T1～T2～T3T3～T4T4～T5T5～T6T6～T0iLr线形上升谐振ZV开通iLr下降ids恒流Cr线形充电续流Troffoffoff→onononoffoffTr1ononon0offoffoffoffVds0V0下降到00上升到V0V0ids00＜0上升到IsIs00零电压转换PWM电路一周期内各运行模式分析零电压转换PWM电路各个阶段等效工作原理图LrDVOIinTr1LrTr1IinCrTr1IinLrDTrIinTr1LrD1IinTrIinCrIinD(a)T0～T1(b)T1～T2(c)T2～T3(d)T3～T4(e)T4～T5(f)T5～T6(g)T6～T0系统的总技术指标•输入电压：单相交流220±10%V•输入频率：50Hz/60Hz•输出电压：48V•输出电流：20A•电压调整率±2，纹波电压峰-峰值小于240mV•效率大于90%，功率因数大于98%•开关频率：f=100kHz零电压转换PWM电路技术指标•单相交流:220±10%V•输入频率：50/60Hz•输出电压：直流380V•效率：大于95%•功率因数：PF≥99%•开关频率：f=100kHz零电压转换PWM电路参数设计根据普通升压型（Boost）变换器计算下列参数1.升压电感设计L计算出L=470uH2.输出电容Co计算出Co=2200uF3.谐振电感设计Lr计算出Lr=8.3uH4.谐振电容Cr计算出Cr=479pF为了验证零电压转换PWM电路元器件参数的正确性，在Pspice软件中进行了仿真分析。下图所示为零电压转换PWM电路的Pspice仿真模型图。根据前面的理论分析，最后的仿真及实验参数为：输入电压Vin为单相220V，升压电感L为470uH，谐振电感Lr为8.3uH，谐振电感Cr为479pF，输出滤波电容Co为2200uF，开关频率f为100kHz。零电压转换PWM电路在Pspice中的仿真分析零电压转换PWM电路Pspice仿真模型主开关管Tr和辅助开关管Tr1驱动波形图主开关管Tr驱动波形、漏源电流波形和电压波形图输入交流电压和交流波形图输出电压和输出电流波形图Q1Q3Q2Q4D1D3D2D4C1C3C2C4LrVDr1LfVDr2CfT移相全桥零电压开关PWM电路原理图VinRLABt0t1t2t3t4t5t6IpVABVrectQ1Q1Q3Q2Q4Q4ttttU移相全桥零电压开关PWM电路理想工作波形图VinQ1Q2Q3Q4TD1C1D2C2D3C3D4C4LfCfVDR1VDR2Lr(a)开关模式0:原边电流iP正半周功率输出过程iPABVinQ1Q2Q3Q4TD1C1D2C2D3C3D4C4LfCfVDR1VDR2Lr(b)开关模式1:超前桥臂谐振过程iPABVinQ1Q2Q3Q4TD1C1D2C2D3C3D4C4LfCfRLVDR1VDR2Lr(c)开关模式2:iP正半周钳位续流过程iPABVinQ1Q2Q3Q4TD1C1D2C2D3C3D4C4LfCfVDR1VDR2Lr(d)开关模式3:Q4关断后滞后桥臂谐振过程iPABVinQ1Q2Q3Q4TD1C1D2C2D3C3D4C4LfCfRLVDR1VDR2Lr(g)开关模式6:电源给负载供电。初级电流ip在过零继续下冲完成后半段反向急变过程，以使Q2和Q3导通形成功率输出供电回路。iPAB移相全桥零电压开关电路设计技术指标•基本条件：电路形式：全桥移相•变压器工作频率：100kHz•变压器输入电压：380V•输出电压：直流48V•输出电流：20A•整流电路形式：中心抽头全波整流移相全桥零电压开关PWM电路参数设计根据移相全桥零电压开关PWM电路计算下列参数1.变压器原和副边匝数比Ｋ计算出Ｋ＝32:62.输出滤波电感设计Lf计算出Lf=18.4uH3.输出滤波电容Co计算出Co=14.8uF4.谐振电感设计Lr计算出Lr=80uH移相全桥零电压开关PWM电路在Pspice中的仿真模型图移相全桥零电压开关PWM电路驱动波形图移相全桥零电压开关PWM电路驱动波形图输出直流电压波形图