《高等电力电子技术》第七章

AdvancedPowerElectronics高等电力电子技术高等电力电子技术第7章软开关变换器7.1概述7.2零转换PWM变换器7.3移相控制ZVS－PWM全桥变换器7.4移相控制ZVZCS－PWM全桥变换器高等电力电子技术7.1概述主要内容7.1.1功率器件的开关过程7.1.2软开关的分类及特征高等电力电子技术MOSFET、IGBT等新型全控型、高速电力电子器件的出现，使得开关式稳压电源的高频化成为可能。随着开关频率的提高，一方面开关管的开关损耗成正比地上升，使电路的效率大大的降低，从而使变换器处理功率的能力大幅地下降；另一方面，系统会对外产生严重的电磁干扰（EMI）。软开关技术的应用使电力电子变换器可以具有更高的效率，功率密度和可靠性同时得到提高，并有效的减小电能变换装置引起的电磁污染和噪声等。7.1概述高等电力电子技术7.1.1功率器件的开关过程功率变换电路中，每只开关管在每个开关周期都要开通与关断一次iu00ptttoniu0ptt0toffa)开通过程b)关断过程高等电力电子技术开关管开关过程中产生的开通损耗和关断损耗统称为开关损耗，开关损耗可由下式算出。][1offon00offonttivdtivdtTPP最终得CCoffon6IfUttPs7.1.1功率器件的开关过程高等电力电子技术7.1.2软开关的分类及特征软开关电路中典型的开关过程如下图所示。ui00ptttonui00ptttona)开通过程b)关断过程高等电力电子技术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；使开关关断前流过其电流为零，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。零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路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的历程可以将软开关电路分成全谐振型变换器或谐振型变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器和移相全桥PWM软开关变换器。7.1.2软开关的分类及特征高等电力电子技术谐振变换器实际上是负载谐振型变换器，LC振荡电路与负载串联或并联，将LC振荡电路的振荡电压或振荡电流加在负载上，使得电力电子器件可在零电压或零电流下开关，因而又称作负载谐振软开关变换器。1.谐振变换器高等电力电子技术2.准谐振变换器准谐振变换器的出现是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。LLrCrVDSLLrCr2VDSLLrCrVDSCr1a)零电压准谐振基本开关单元b)零电流准谐振基本开关单元c)零电压多谐振基本开关单元高等电力电子技术3.零开关PWM变换器这类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。SS1CrLrVDLSS1CrLrVDLa)零电压开关PWM电路的基本开关单元SS1CrLrVDLSS1CrLrVDLb)零电流开关PWM电路的基本开关单元高等电力电子技术4.零转换PWM变换器这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关管并联的LrCrS1SVD1VDLLrCrS1SVD1VDLa)零电压转换PWM变换器的基本开关单元(b)零电流转换PWM变换器的基本开关单元高等电力电子技术5.移相控制软开关PWM全桥变换器移相控制零电压PWM全桥变换器是最早出现的一种应用于中大功率场合的软开关变换器，通过利用开关器件的寄生参数实现其自身的零电压开关，以其无需附加元器件和具有低电压、低电流应力等特点，广泛用于高频大功率电路中。高等电力电子技术7.2零转换PWM变换器主要内容7.2.1基本的零电压转换PWM变换器7.2.2改进的零电压转换PWM变换器7.2.3基本的零电流转换PWM变换器7.2.4改进的零电流转换PWM变换器高等电力电子技术7.2.1基本的零电压转换PWM变换器零电流转换（ZCT）PWM变换器，它利用谐振网络并联在开关上，使得电路中的有源开关和无源开关二者都实现零电流开关，而且不增加器件的电压、电流应力。以Boost型零电流转换PWM变换器为例来分析零电流转换PWM变换器的工作原理。为了简化分析，假设①输入滤波电感L足够大，输入电流看成是理想的直流电流源Ii；②输出滤波电容足够大，输出电压看成是理想的直流电压源Uo；③谐振电路是理想的，LrL；④忽略半导体器件的管压降及二极管的反向恢复时间。高等电力电子技术LrCrRCVD1VDLVTS1VTSVDSUia）电路拓扑uG0000000t0t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1tttttttuG1uVTsiVTsuCriLriVDiVDsb）工作波形图7-10BoostZCT-PWM变换器电路拓扑与工作波形7.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术（1）t0~t1阶段，工作模态1，等效电路如图7-7(a)所示。t0以前，主开关VTS和辅助开关VTS1断态，二极管VD导通。t0时刻，VTS1导通，电感Lr中电流线性上升，VD中的电流线性减小，t1时刻iLr达到Ii，VD中的电流下降到零，VD在软开关下关断，进入下一阶段。LrRCVDVTS1UiL1a)工作模态17.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术（2）t1~t2阶段，工作模态2，等效电路如图7-7(b)所示。t1时刻，iLr达到Ii，VD中的电流下降到零，VD关断，Lr、Cr开始谐振，Cr中的能量开始向Lr转移，iLr继续增大，uCr开始下降，t2时刻，iLr达到峰值，uCr下降到零，进入下一阶段。LrCrCVTS1UiL1a)工作模态17.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术（3）t2~t3阶段，工作模态3，等效电路如图7-7(c)所示。t2时刻，iLr达到峰值，uCr下降到零，随后VDS导通给iLr续流并维持峰值，uCr维持零，直到t3时刻VTS1关断，进入下一阶段。LrRCVTS1VDSUiL1c)工作模态37.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术（4）t3~t4阶段，工作模态4，等效电路如图7-7(d)所示。t3时刻，VTS1关断，VD1导通，iLr和VDS中的电流开始下降，t4时刻，VDS中的电流下降到零，进入下一阶段。在t2~t4时间段内，VTS的反并联二极管VDS在导通，这时开通VTS，VTS零电压导通。LrRCVD1VDSUiL1d)工作模态47.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术（5）t4~t5阶段，工作模态5，等效电路如图7-7(e)所示。t4时刻，VDS中的电流下降到零，VTS开始导通，iVTs增大，iLr减小，t5时刻，iVTs等于Ii，iLr下降到零，进入下一阶段。LrRCVD1VTSUiL1e)工作模态57.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术（6）t5~t6阶段，工作模态6，等效电路如图7-7(f)所示。t5时刻，iLr下降到零，iVTs上升到Ii，VTS为输入电流提供续流回路。该状态维持到t6时刻，VTS关断，进入下一阶段。（7）t6~t7阶段，工作模态7，等效电路如图7-7(g)所示。t6时刻，VTS在谐振电容的作用下软关断，随后谐振电容两端电压uCr即VTS两端电压线性上升，t7时刻，uCr上升至Uo，随后VD导通，进入下一阶段。RCVTSUiL1CrRCUiL1f)工作模态6g)工作模态77.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术（8）t7~t8阶段，工作模态8，等效电路如图7-7(h)所示。t7时刻，VD导通，uCr电压被箝在Uo，直到t8时刻，VTS1导通，进入下一个工作周期。RCVDUiL1h)工作模态87.2.1基本的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术7.2.2改进的零电压转换PWM变换器基本的BoostZVTPWM变换器的主开关管是零电压开通，提高了变换器的效率，但辅助开关管仍为硬开关。因此，人们又提出多种改进的BoostZVT-PWM变换器拓扑，图7-8a给出其中一种简单的拓扑。图7-8a所示的电路与基本的BoostZVTPWM变换器相比，只是在辅助谐振电路中增加了一个电容（）和两个二极管（和），但可实现主开关管与辅助开关管的软开关，其工作波形如图7-8b所示。为了简化分析，做出类似基本零电压转换PWM变换器的假设。BC2VD3VD高等电力电子技术图7-8改进的BoostZVT-PWM变换器及其工作波形a）电路拓扑b)工作波形LrCrRCVD1VDL1VTS1VTSVDSUiVD2VD3CBa）uG0000000t0t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1tttttttuG1uCriVTsuVDiLriVDtuCB0iVDsb）7.2.2改进的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术电路一个工作周期共有9个工作阶段，对应9种工作模态，各工作模态分析如下：LrRCVDL1VTS1UiVD3a）工作模态1（1）阶段，工作模态1，等效电路如图7-9a所示。时刻，辅助开关管受控开通，流过Boost二极管VD的电流开始向辅助开关管、谐振电感转移，该阶段谐振电感中的电流上升斜率为，直至时刻，,，电路进入下一工作阶段。01~tt0tS1VTVDiS1VTrLrL1tLrordidt=ULLrL1i=iVDi=07.2.2改进的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术b）工作模态2（2）阶段，工作模态2，等效电路如图7-9b所示。时刻，Boost二极管VD电流过零关断，谐振电容（包括的集射结电容）和谐振电感谐振，继续上升，下降，该阶段按的规律变化，时刻，上升到最大值，下降到零，电路进入下一工作阶段。LrCrRCL1VTS1UiVD312~tt1trCsVTrLLriCruLri10rLrrLrLdidt+Cidt=（）2tLriCru7.2.2改进的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术c）工作模态3（3）阶段，工作模态3，等效电路如图7-9c所示。时刻，下降到零，导通，主开关管的端电压被钳位于-0.7V，该阶段维持不变，在该阶段开通，零电压开通，时刻，关断，电路进入下一工作阶段。LrRCL1VTS1VDSUiVD323~tt2tCruSVDSVTLriSVTSVT3tS1VT7.2.2改进的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术d）工作模态4（4）阶段，工作模态4，等效电路如图7-9d所示。时刻，辅助开关管受控关断，由于向吸收电容及辅助管结电容谐振充电，辅助开关管关断时电压上升的速度变慢，实现了关断缓冲，该阶段时刻，中的电流下降到零，开始流过电流，电路进入下一工作阶段。LrRCVD1L1UiVD2VD3CBCDS1VDS34~tt3tS1VTLriBCS1VTDS1CLrrCBCDS1CBBDS1LrdiL=u=udtduC+C=idt（）S1VT4tSVDSVT7.2.2改进的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术e）工作模态5f）工作模态6（5）阶段，工作模态5，等效电路如图7-9e所示。时刻，开始流过电流，Lr与CB、CDS1继续谐振，t5时刻，、谐振到等于Uo，VD2导通，电路进入下一工作阶段。（6）阶段，工作模态6，等效电路如图7-9f所示。t5时刻，VD2导通,、被钳位于Uo，Lr通过VD1、VD2和VD3向负载释放能量，t6时刻iLr=0，电路进入下一阶段。LrRCVD1L1VTSUiVD2VD3CBCDS1LrRCVD1L1VTSUiVD2VD345~tt56~tt4tSVTBCU1DSCUBCU1DSCU7.2.2改进的零电压转换PWM变换器高等电力电子技术g）工作模态7（7）t0～t7阶段，工作模态7，t6时刻，iLr下降为零，VD1、VD2、VD3电流过零关断,输入电源通过导通的主开关管VTS继续给L1充电，该阶段等效电路如图7-9g所示。RCL1VTSUi7.2.2改进的零电压转