开关电源-软开关技术

1§5.1软开关的基本概念§5.2软开关电路的分类§5.3典型的软开关电路第5章软开关技术2开关电源的发展趋势☼小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性也有很高要求。电力电子装置高频化☼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☼降低开关损耗和开关噪声。☼大幅度提高开关频率。引言35.1.1硬开关与软开关)()()(titutpSSSiSuSuSiSiSu§5.1软开关的基本概念硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠区。电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲和振荡，导致开关噪声的产生。ttiupb)ttiupa)图5-1硬开关电路的开关过程a)硬开关开通过程b)硬开关关断过程4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。5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。tptiua)uttipb)图5-2软开关电路的开关过程a)软开关开通过程b)软开关关断过程65.1.2零电压开关与零电压开关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。7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，不仅不会降低开关损耗，还会带来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题。8§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。9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SLVDa)SLVDb)d)SVDLc)LVDS105.2.1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。谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降，但也带来一些负面问题：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大；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（PFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。11准谐振电路可分为：零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）零电流开关准谐振电路（Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-SwitchMulti-RedonantConverter—ZVSMRC）SLVDa)零电压开关准谐振电路的基本开关单元rLrCrCrLSLVDb)零电流开关准谐振电路的基本开关单元SLVDrL1rC2rCc)零电压开关多谐振电路的基本开关单元125.2.2零开关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电路可分为零电压开关PWM电路（ZVSPWM）和零电流开关PWM电路（ZCSPWM）。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，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。SLVDrCrL1Sa)零电压开关PWM电路的基本开关单元SLVDrLrC1Sb)零电流开关PWM电路的基本开关单元135.2.3零转换PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路与主开关并联。零转换PWM电路可分为零电压转换PWM电路（ZVTPWM）和零电流转换PWM电路（ZCTPWM）。特点：输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削弱到最小，这使得电路效率进一步提高。rLrC1S1VDSLVDa)零电压转换PWM电路的基本开关单元SLVDrLrC1VD1Sb)零电流转换PWM电路的基本开关单元14§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155.3.1零电压准谐振电路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。rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri图5-7降压型零电压开关准谐振电路原理图162.工作原理CruLIiU+rCA·图5-9零电压开关准谐振电路在~时段等效电路0t1tSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图5–8零电压开关准谐振电路的理想化波形rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri图5-7降压型零电压开关准谐振电路原理图17iUCrurC+rLLri图5-10零电压开关准谐振电路在~时段等效电路1t2tSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图5–8零电压开关准谐振电路的理想化波形rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri图5-7降压型零电压开关准谐振电路原理图18~时段：时刻后，向放电，改变方向，不断下降，直到时刻，=，达到反向谐振峰值。~时段：时刻后，向反向充电，继续下降，直到时刻=0。2t3t2trCrLLriCru3tCruiULri3t4t3trLrCCru4tCruSttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图5–8零电压开关准谐振电路的理想化波形rCrLSRLAVD+-CiUSVDDuLri图5-7降压型零电压开关准谐振电路原理图19~时段：被钳位于零，线性衰减，直到时刻，=0。由于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。~时段：S为通态，线性上升，直到时段，=，VD关断。~时段：S为通态，VD为断态。4t5tCruLri5tLri5t6t6tLri6tLriLI0t缺点：谐振电压峰值将高于输入电压的两倍，增加了对开关器件耐压的要求，增加了电路的成本，降低了可靠性。Sttttt)(CrSuuSiLriDu1t0t2t3t4t0t5t6t图5–8零电压开关准谐振电路的理想化波形205.3.3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。●●iU1C1SLCRS1N2N2VD1VD图5-20有源钳位正激型电路211.工作过程0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000图5-22有源钳位正激型电路的波形●●iU1N2N1VD2VD1CSCRmi1SSiLi1Dia)有源钳位正激型电路在~时段的等效电路0t1t●●iU1N2N1VD2VD1CSCRmi1SLib)有源钳位正激型电路在~时段的等效电路2t1t1t2t1VD2VD~时段：主开关S开通，二极管通，断，电感L的电流增长，变压器的励磁电流也线性增长。0t1t1VD2VDmimi1S1C~时段：S关断，二极管断，通，电感L的电流下降。变压器的励磁电流通过的反并二极管向电容充电。22●●iU1CCRS1S1N2N1VD2VDmiLi2Dic)有源钳位正激型电路在~时段的等效电路2t3t●●iU1CCRS1S1N2N1VD2VDmi2DiLiDid)有源钳位正激型电路在~时段的等效电路3t4t~时段：开关开通，由于开通前其反并二极管处于通态，其两端电压为零，因此为零电压开通。在此期间，变压器励磁电流线性下降，时刻下降到零。2t3t3t1S1S1Smi~时段：变压器励磁电流到零后反向，反过来向变压器励磁电感放电，励磁电流由零变为负值，直到时刻关断。3t4t4t1Smi1C0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000图5-22有源钳位正激型电路的波形23●●iU1CS1N2NmiSiLi2Di1VD2VDRLCe)有源钳位正激型电路在～时段的等效电路5t4t～时段：关断时，变压器的励磁电流方向为由下向上，关断后，励磁电流流过主开关Ｓ的反并联二极管，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。4t5t1S1S4t0tS1t2t3t4t5t1SSiSumi1Si1Su0000000图5-22有源钳位正激型电路的波形242.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。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。255.3.4零电压转换PWM电路零电压转换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。iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL图5-23升压型零电压转换PWM电路的原理图26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。iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL图5-23升压型零电压转换PWM电路的原理图S1SSuLriLI1Si1SuDiSi0t1t2t3t4t5t000000000ttttttttt图5-24升压型零电压转换PWM电路的理想化波形~时段：辅助开关先于S开通，电感电流迅速增长，二极管VD中的电流以同样的速率下降。直到时刻，二极管VD中电流下降到零，二极管自然关断。0t1t1tLri~时段：与构成谐振回路。的电流增加而的电压下降，时刻，其电压刚好下降到零，开关S的反并二极管导通，被钳位于零，而电流保持不变。1t2t2tLrirLrLrCrCCruCruSVD1t2tiUSVDrCLrL1SLriLI图5-25升压型电压转换PWM电路在~时段的等效电路27iULILS1SSVDrCDiLriVD1VDOUCRrL图5-23升压型零电压转换PWM电路的原理图~时段：被钳位于零，而电流保持不变，这种状态一直保持到时刻S开通、关断。2t3t3t1SCruLri~时段：时刻S开通时，为零电压开通。S开通的同时，中的能量通过向负载侧输送，主开关S中的电流线性上升。时刻，，关断，电路进入正常导通状态。3t3t4t4trL1VD0Lri1VD~时段：时刻，S关断，由于的存在，S关断时电压上升率受到限制，降低了S的关断损耗。4t5t5trCS1SSuLriLI1Si1SuDiSi0t1t2t3t4t5t0000000