电力电子硬开关与软开关技术

第七章软开关技术引言第一节软开关的基本概念第二节软开关电路的分类第三节典型的软开关电路本章小结第七章软开关技术•引言现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、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。第一节软开关的基本概念一.硬开关和软开关二.零电压开关和零电流开关一.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。t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程图7－1硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00一.硬开关和软开关软开关：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7－2软开关的开关过程二.零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。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。靠电路中的谐振来实现。第二节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。每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。第二节软开关电路的分类图7－3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）升降压斩波器中的基本开关单元第二节软开关电路的分类1.准谐振电路准谐振电路－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第二节软开关电路的分类可分为：用于逆变器的谐振直流环节电路(ResonantDCLink）。图7-4准谐振电路的基本开关单元c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）第二节软开关电路的分类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。零开关PWM电路可以分为：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。b)零电流开关PWM电路的基本开关单元图7－5零开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）a)零电压开关PWM电路的基本开关单元零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）第二节.软开关电路的分类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。零转换PWM电路可以分为：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。b）零电流转换PWM电路的基本开关单元图7－6零转换PWM电路的基本开关单元零电流转换PWM电路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）a）零电压转换PWM电路的基本开关单元零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）第三节典型的软开关电路一.零电压开关准谐振电路二.谐振直流环三.移相全桥型零电压开关PWM电路四.零电压转换PWM电路一.零电压开关准谐振电路1.电路结构以降压型为例分析工作原理。假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。图7-7零电压开关准谐振电路原理图一.零电压开关准谐振电路选择开关S关断时刻为分析的起点。t0~t1时段：t0之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，与其并联的电容Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小。S关断后，VD尚未导通。电感Lr+L向Cr充电，uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0，VD导通。这一时段uCr的上升率：rrddCItuLC2.工作原理t0~t1时段的等效电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7零电压开关准谐振电路原理图一.零电压开关准谐振电路t1~t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。t3~t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。t1~t2时段的等效电路uSS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7零电压开关准谐振电路原理图一.零电压开关准谐振电路t4~t5时段：uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于此时开关S两端电压为零，所以必须在此时开通S，才不会产生开通损耗。t5~t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。t6~t0时段：S为通态，VD为断态。缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图7-7零电压开关准谐振电路原理图二.谐振直流环谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link）。通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。1.电路结构图7-11谐振直流环电路原理图由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，因此分析时可将电路等效。图7-12谐振直流环电路的等效电路二.谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图7-13谐振直流环电路的理想化波形图7-12谐振直流环电路的等效电路t0~t1时段：t0时刻之前，开关S处于通态，iLrIL。t0时刻S关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。t1~t2时段：t1时刻，谐振电流iLr达到峰值。t1时刻以后，iLr继续向Cr充电，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。2.工作原理二.谐振直流环t2~t3时段：uCr向Lr和L放电，iLr降低，到零后反向，直到t3时刻uCr=Ui。t3~t4时段：t3时刻，iLr达到反向谐振峰值，开始衰减，uCr继续下降，t4时刻，uCr=0，S的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零。t4~t0时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断。t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图7-13谐振直流环电路的理想化波形图7-12谐振直流环电路的等效电路电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。三.移相全桥型零电压开关PWM电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。图7-14移相全桥零电压开关PWM电路三.移相全桥型零电压开关PWM电路1.移相全桥电路控制方式的特点：图7-14移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。三.移相全桥型零电压开关PWM电路互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2时间，而S2的波形比S3超前0~TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。图7-14移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形三.移相全桥型零电压开关PWM电路2.工作过程：图7-16移相全桥电路在t0~t1阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。t2~t3时段：t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态，因此S2为零电压开通。t3~t4时段：t3时刻开关S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。因此S3为零电压开通。三.移相全桥型零电压开关PWM电路图7-17移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形t4~t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。t0~t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。三.移相全桥型零电压开关PWM电路图7-14移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图7-15移相全桥电路的理想化波形四.零电压转换PWM电路1.工作过程：辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。t0~t1时段：，S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长，