第6章-PWM软开关电路

16.1概述6.2缓冲型PWM软开关电路第6章PWM软开关电路6.1概述■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。■电力电子电路的高频化◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。■软开关技术——又称谐振开关技术，它利用以谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。■软开关技术是电力电子装置高频化重要而有效的途径之一。36.1.1硬开关与软开关6.1.2零电压开关与零电流开关6.1.3软PWM开关电路的分类6.1.4PWM软开关电路存在的问题6.1概述46.1.1硬开关与软开关■硬开关◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。56.1.1硬开关与软开关■软开关◆软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。◆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，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。66.1.1硬开关与软开关■软开关◆零电压开通——零电压开关开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声。◆零电流关断——零电流开关开关关断前其电流为零，则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。◆在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。76.1.2零电压开关与零电流开关◆零电压开关（Zero-voltage-switching,ZVS）——谐振电容Cr与功率开关S相并联。在S导通时，Cr上的电压为零；当S关断时，Cr限制S上电压的上升率，从而实现S的零电压关断；而当S开通时，Lr和Cr谐振工作使Cr的电压回到零，从而实现S的零电压开通。Lr和Cr为S提供了零电压开关的条件。86.1.2零电压开关与零电流开关◆零电流开关（Zero-current-switching,ZCS）——谐振电感Lr与功率开关S相串联。在S开通之前，Lr的电流为零；当S开通时，Lr限制S中电流的上升率，从而实现S的零电流开通；而当S关断时，Lr和Cr谐振工作使Lr的电流回到零，从而实现S的零电流关断。Lr和Cr为S提供了零电流开关的条件。96.1.3软PWM开关电路的分类■软PWM开关电路是具有ZVS/ZCS环境的PWM电路的简称。■软PWM开关电路的分类◆缓冲型电路——在电路中附加无源或有源低耗型缓冲电路，从而改变器件开关轨迹并实现ZVS/ZCS。◆控制型电路——主要依靠合理安排控制极脉冲的时序促使电路具有ZVS/ZCS环境。◆直流谐振型电路——附加钳位电路将直流电压改造成高频脉冲列并使器件的开关状态仅在直流电压的零压期进行更迭，从而实现ZVS。106.1.4PWM软开关电路存在的问题1.可靠性为实现软开关，目前的普遍做法是在电路中附加无源或有源电路，而这些电路无论从结构和原理都与SCR电路中的辅助换流电路十分相似，这自然增加电路的复杂程度，并将全控型电路无换流电路的优点完全断丧，从而降低系统的可靠性。2.效率和EMI问题对软开关电路的效率和EMI水平进行比较实验研究的结果表明，软开关电路的实际效率和EMI水平与期望值差别较大，原因是主电路器件由于软开关所减少的开关损耗中，一部分被附加电路产生的各种损耗所抵消；与此相仿，尽管主电路器件的电压和电流变化率都明显下降，与之对应的EMI也相应减低，但由于附加电路的谐振频率远高于PWM的载波频率，因此附加电路会产生大量的噪声，这一点在以往工作中常被忽视。116.2缓冲型PWM软开关电路6.2.1缓冲型PWM软开关电路的分类6.2.2分立式缓冲型软PWM电路6.2.3单相式缓冲型软PWM电路*6.2.4集中式缓冲型软PWM电路6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号◆具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路（PFC）、DC-DC变换器、斩波器等。◆以升压电路为例，在分析中假设电感Ld、电容Co很大，可以忽略电流和输出电压的波动，在分析中还忽略元件与线路中的损耗。◆缓冲电路包含两部分（1）Cs构成的强行无源关断缓冲电路，使VG1和VD0具有ZVOFF环境。（2）由VG2、VDS1、VDS2、Ls和Cs构成的有源开通缓冲电路，为VG1和VD0营造ZVON环境。6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号1、电路工作原理分析（1）电路初态（时区a）——VD0稳定导通区（2）VD0与VG2换流区（时区b）uLr=Uo，iL按线性迅速增长，iD以同样的速率下降，直到t1时刻，iLr=I0，iD下降到零，VD0自然关断。6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号00ttttLUiSL（6-3）000101UILtttS（6-5）（3）LS与CS谐振区（时区c）——CS放电区等效电路中电量按实际方向标出。按参考方向列方程有：dtduCiiiIiLSCLCd0（6-7）（6-6）6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号1110101011100,/1)cos1(cossintttCLtUuUutUuutLUIiSSTDTLSL（6-9）（6-8）根据电路初值解得：（6-10）式中1122ttt当时，有SSASSlmcmCSSSlmLCLtttILCUIIIiLCUILUIIi22112020000100（6-11）（6-12）（6-13）6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号（4）VDS1导通区（时区d）uCs被箝位于零，而iL保持Ilm不变，这种状态一直保持到t3时刻VG1开通、VG2关断。此时存储在Ls中的磁能为。2/2lmSLILW（5）LS释能期（时区e）0201ttTD只要，VG1就为ZVON。6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号（6）VG1稳定导通区（时区f）（7）VG1与CS的换流期（时区g）换流期时间短，，实现VG1的近似ZVOFF。01Tu（8）CS的恒流充电期（时区h）（9）VD0稳定导通区（时区a）6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号（1）VG1和VD0均具有ZVS环境（2）缓冲电路在稳态下脱离主电路（3）软开关条件易于满足（4）缓冲电路中仍然以硬关断方式工作2、电路特点SSSDCLUILT200SSmSDmCLUILT2min00（6-15）（6-16）