8電力電子技術(shù)第五版課件-第8章_軟開關(guān)技術(shù).ppt

第8章軟開關(guān)技術(shù)8 1軟開關(guān)的基本概念8 2軟開關(guān)電路的分類8 3典型的軟開關(guān)電路8 4軟開關(guān)技術(shù)新進(jìn)展本章小結(jié) 2 引言 現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化 輕量化 同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求 電力電子電路的高頻化 可以減小濾波器 變壓器的體積和重量 電力電子裝置小型化 輕量化 開關(guān)損耗增加 電路效率嚴(yán)重下降 電磁干擾增大 軟開關(guān)技術(shù) 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲 使開關(guān)頻率可以大幅度提高 3 8 1軟開關(guān)的基本概念 8 1 1硬開關(guān)與軟開關(guān)8 1 2零電壓開關(guān)與零電流開關(guān) 4 8 1 1硬開關(guān)與軟開關(guān) 硬開關(guān) 開關(guān)過程中電壓 電流均不為零 出現(xiàn)了重疊 有顯著的開關(guān)損耗 電壓和電流變化的速度很快 波形出現(xiàn)了明顯的過沖 從而產(chǎn)生了開關(guān)噪聲 開關(guān)損耗與開關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系 因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時(shí) 開關(guān)損耗占總損耗的比例并不大 但隨著開關(guān)頻率的提高 開關(guān)損耗就越來越顯著 圖8 1硬開關(guān)降壓型電路及波形a 電路圖b 理想化波形 圖8 2硬開關(guān)過程中的電壓和電流a 關(guān)斷過程b 開通過程 a b 5 8 1 1硬開關(guān)與軟開關(guān) 軟開關(guān) 軟開關(guān)電路中增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr 與濾波電感L 電容C相比 Lr和Cr的值小得多 同時(shí)開關(guān)S增加了反并聯(lián)二極管VDS 而硬開關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管 降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路中 在開關(guān)過程前后引入諧振 使開關(guān)開通前電壓先降到零 關(guān)斷前電流先降到零 消除了開關(guān)過程中電壓 電流的重疊 從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗 同時(shí) 諧振過程限值了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率 這使得開關(guān)噪聲也顯著減小 P 圖8 3降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形a 電路圖b 理想化波形 a b 圖8 4軟開關(guān)過程中的電壓和電流a 關(guān)斷過程b 開通過程 6 8 1 2零電壓開關(guān)與零電流開關(guān) 零電壓開通 開關(guān)開通前其兩端電壓為零 則開通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲 零電流關(guān)斷 開關(guān)關(guān)斷前其電流為零 則關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲 零電壓關(guān)斷 與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率 從而降低關(guān)斷損耗 零電流開通 與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率 降低了開通損耗 在很多情況下 不再指出開通或關(guān)斷 僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) 7 8 2軟開關(guān)電路的分類 軟開關(guān)電路的分類 根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷 可以將軟開關(guān)電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類 個(gè)別電路中 有些開關(guān)是零電壓開通的 另一些開關(guān)是零電流關(guān)斷的 根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路 零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路 8 8 2軟開關(guān)電路的分類 圖8 5準(zhǔn)諧振電路a 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路b 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路c 零電壓開關(guān)多諧振電路 準(zhǔn)諧振電路 分類 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 Zero Voltage SwitchingQuasi ResonantConverter ZVSQRC 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 Zero Current SwitchingQuasi ResonantConverter ZCSQRC 零電壓開關(guān)多諧振電路 Zero Voltage SwitchingMulti ResonantConverter ZVSMRC 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié) ResonantDCLink 9 8 2軟開關(guān)電路的分類 準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波 因此稱之為準(zhǔn)諧振 開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降 也有一些負(fù)面問題 諧振電壓峰值很高 要求器件耐壓必須提高 諧振電流的有效值很大 電路中存在大量的無功功率的交換 造成電路導(dǎo)通損耗加大 諧振周期隨輸入電壓 負(fù)載變化而改變 因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制 PulseFrequencyModulation PFM 方式來控制 變頻的開關(guān)頻率給電路設(shè)計(jì)帶來困難 10 8 2軟開關(guān)電路的分類 圖8 6零開關(guān)PWM電路a 零電壓開關(guān)PWM電路b 零電流開關(guān)PWM電路 零開關(guān)PWM電路 電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻 使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后 分類 零電壓開關(guān)PWM電路 Zero Voltage SwitchingPWMConverter ZVSPWM 零電流開關(guān)PWM電路 Zero Current SwitchingPWMConverter ZCSPWM 同準(zhǔn)諧振電路相比 這類電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì) 電壓和電流基本上是方波 只是上升沿和下降沿較緩 開關(guān)承受的電壓明顯降低 電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式 11 8 2軟開關(guān)電路的分類 圖8 7零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元b 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元 零轉(zhuǎn)換PWM電路 電路中采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻 所不同的是 諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的 因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過程的影響很小 電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài) 而且電路中無功功率的交換被削減到最小 這使得電路效率有了進(jìn)一步提高 分類 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 Zero Voltage TransitionPWMConverter ZVTPWM 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路 Zero CurrentTransitionPWMConverter ZVTPWM 12 8 3典型的軟開關(guān)電路 8 3 1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路8 3 2諧振直流環(huán)8 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路8 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 13 8 3 1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 圖8 8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 假設(shè)電感L和電容C很大 可以等效為電流源和電壓源 并忽略電路中的損耗 開關(guān)電路的工作過程是按開關(guān)周期重復(fù)的 在分析時(shí)可以選擇開關(guān)周期中任意時(shí)刻為分析的起點(diǎn) 選擇合適的起點(diǎn) 可以使分析得到簡(jiǎn)化 14 8 3 1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 圖8 9零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形 圖8 10零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t0 t1時(shí)段等效電路 圖8 8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖 工作過程 選擇開關(guān)S的關(guān)斷時(shí)刻為分析的起點(diǎn) t0 t1時(shí)段 t0之前 S導(dǎo)通 VD為斷態(tài) uCr 0 iLr IL t0時(shí)刻S關(guān)斷 Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩 因此S的關(guān)斷損耗減小 S關(guān)斷后 VD尚未導(dǎo)通 電路可以等效為圖8 10 Lr L向Cr充電 L等效為電流源 uCr線性上升 同時(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降 直到t1時(shí)刻 uVD 0 VD導(dǎo)通 這一時(shí)段uCr的上升率為 8 1 15 8 3 1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 圖8 8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖 圖8 9零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形 圖8 11零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t1 t2時(shí)段等效電路 t1 t2時(shí)段 t1時(shí)刻VD導(dǎo)通 L通過VD續(xù)流 Cr Lr Ui形成諧振回路 如圖8 11所示 諧振過程中 Lr對(duì)Cr充電 uCr不斷上升 iLr不斷下降 直到t2時(shí)刻 iLr下降到零 uCr達(dá)到諧振峰值 t2 t3時(shí)段 t2時(shí)刻后 Cr向Lr放電 iLr改變方向 uCr不斷下降 直到t3時(shí)刻 uCr Ui 這時(shí) uLr 0 iLr達(dá)到反向諧振峰值 t3 t4時(shí)段 t3時(shí)刻以后 Lr向Cr反向充電 uCr繼續(xù)下降 直到t4時(shí)刻uCr 0 16 8 3 1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 圖8 8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖 圖8 9零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形 t1到t4時(shí)段電路諧振過程的方程為 8 2 t4 t5時(shí)段 uCr被箝位于零 uLr Ui iLr線性衰減 直到t5時(shí)刻 iLr 0 由于這一時(shí)段S兩端電壓為零 所以必須在這一時(shí)段使開關(guān)S開通 才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗 t5 t6時(shí)段 S為通態(tài) iLr線性上升 直到t6時(shí)刻 iLr IL VD關(guān)斷 t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為 t6 t0時(shí)段 S為通態(tài) VD為斷態(tài) 8 3 17 8 3 1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 諧振過程是軟開關(guān)電路工作過程中最重要的部分 諧振過程中的基本數(shù)量關(guān)系為 uCr 即開關(guān)S的電壓uS 的表達(dá)式 t1 t4 上的最大值即uCr的諧振峰值 就是開關(guān)S承受的峰值電壓 表達(dá)式為 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件 如果正弦項(xiàng)的幅值小于Ui uCr就不可能諧振到零 S也就不可能實(shí)現(xiàn)零電壓開通 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的缺點(diǎn) 諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍 開關(guān)S的耐壓必須相應(yīng)提高 這增加了電路的成本 降低了可靠性 18 8 3 2諧振直流環(huán) 圖8 12諧振直流環(huán)電路原理圖 圖8 13諧振直流環(huán)電路的等效電路 諧振直流環(huán) 應(yīng)用于交流 直流 交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié) DC Link 通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振 使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關(guān)的條件下 圖8 12中 輔助開關(guān)S使逆變橋中所有的開關(guān)工作在零電壓開通的條件下 實(shí)際電路中開關(guān)S可以不需要 S的開關(guān)動(dòng)作用逆變電路中開關(guān)的直通與關(guān)斷來代替 電壓型逆變器的負(fù)載通常為感性 而且在諧振過程中逆變電路的開關(guān)狀態(tài)是不變的 負(fù)載電流視為常量 19 8 3 2諧振直流環(huán) 圖8 13諧振直流環(huán)電路的等效電路 圖8 14諧振直流環(huán)電路的理想化波形 工作過程 以開關(guān)S關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn) t0 t1時(shí)段 t0之前 iLr大于IL S導(dǎo)通 t0時(shí)刻S關(guān)斷 電路中發(fā)生諧振 因?yàn)閕Lr IL 因此iLr對(duì)Cr充電 uCr不斷升高 直到t1時(shí)刻 uCr Ui t1 t2時(shí)段 t1時(shí)刻由于uCr Ui ULr 0 因此諧振電流iLr達(dá)到峰值 t1以后 iLr繼續(xù)向Cr充電并不斷減小 而uCr進(jìn)一步升高 直到t2時(shí)刻iLr IL uCr達(dá)到諧振峰值 20 8 3 2諧振直流環(huán) t2 t3時(shí)段 t2以后 uCr向Lr和IL放電 iLr繼續(xù)降低 到零后反向 Cr繼續(xù)向Lr放電 iLr反向增加 直到t3時(shí)刻uCr Ui t3 t4時(shí)段 t3時(shí)刻 uCr Ui iLr達(dá)到反向諧振峰值 然后iLr開始衰減 uCr繼續(xù)下降 直到t4時(shí)刻 uCr 0 VDS導(dǎo)通 uCr被箝位于零 t4 t0時(shí)段 S導(dǎo)通 電流iLr線性上升 直到t0時(shí)刻 S再次關(guān)斷 諧振直流環(huán)電路中電壓uCr的諧振峰值很高 增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求 圖8 13諧振直流環(huán)電路的等效電路 圖8 14諧振直流環(huán)電路的理想化波形 21 8 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 圖8 15移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路 移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 電路簡(jiǎn)單 僅僅增加了一個(gè)諧振電感 就使電路中四個(gè)開關(guān)器件都在零電壓的條件下開通 控制方式的特點(diǎn) 在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi) 每一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間都略小于TS 2 而關(guān)斷的時(shí)間都略大于TS 2 同一個(gè)半橋中上下兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài) 每一個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間 互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)S1 S4和S2 S3 S1的波形比S4超前0 TS 2時(shí)間 而S2的波形比S3超前0 TS 2時(shí)間 因此稱S1和S2為超前的橋臂 而稱S3和S4為滯后的橋臂 22 8 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 圖8 16移相全橋電路的理想化波形 圖8 17移相全橋電路在t1 t2階段的等效電路圖 工作過程 t0 t1時(shí)段 S1與S4都導(dǎo)通 直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷 t1 t2時(shí)段 t1時(shí)刻S1關(guān)斷后 C1 C2與Lr L構(gòu)成諧振回路 如圖8 17所示 諧振開始時(shí)uA t1 Ui 在諧振過程中 uA不斷下降 直到uA 0 VDS2導(dǎo)通 iLr通過VDS2續(xù)流 23 8 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 圖8 16移相全橋電路的理想化波形 圖8 18移相全橋電路在t3 t4階段的等效電路 t2 t3時(shí)段 t2時(shí)刻S2開通 由于VDS2導(dǎo)通 因此S2開通時(shí)電壓為零 開通過程中不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗 S2開通后 電路狀態(tài)也不會(huì)改變 繼續(xù)保持到t3時(shí)刻S4關(guān)斷 t3 t4時(shí)段 t4時(shí)刻開關(guān)S4關(guān)斷后 電路的狀態(tài)變?yōu)閳D8 18所示 這時(shí)C3 C4與Lr構(gòu)成諧振回路 諧振過程中iLr不斷減小 B點(diǎn)電壓不斷上升 直到VDS3導(dǎo)通 這種狀態(tài)維持到t4時(shí)刻S3開通 S3開通時(shí)VDS3導(dǎo)通 因此S3是在零電壓的條件下開通 開通損耗為零 24 8 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 圖8 16移相全橋電路的理想化波形 圖8 15移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路 t4 t5時(shí)段 S3開通后 iLr繼續(xù)減小 下降到零后反向 再不斷增大 直到t5時(shí)刻iLr IL kT iVD1下降到零而關(guān)斷 電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中 t0 t5時(shí)段正好是開關(guān)周期的一半 而在另一半開關(guān)周期t5 t0時(shí)段中 電路的工作的過程與t0 t5時(shí)段完全對(duì)稱 25 8 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 圖8 19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 具有電路簡(jiǎn)單 效率高等優(yōu)點(diǎn) 廣泛用于功率因數(shù)校正電路 PFC DC DC變換器 斬波器等 以升壓電路為例 在分析中假設(shè)電感L 電容C很大 可以忽略電流和輸出電壓的波動(dòng) 在分析中還忽略元件與線路中的損耗 在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中 輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通 而S開通后S1就關(guān)斷了 主要的諧振過程都集中在S開通前后 26 8 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 圖8 20升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形 圖8 21升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1 t2時(shí)段的等效電路 圖8 19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖 工作過程 t0 t1時(shí)段 輔助開關(guān)先于主開關(guān)開通 由于此時(shí)VD尚處于通態(tài) 所以u(píng)Lr Uo iLr按線性迅速增長 iVD以同樣的速率下降 直到t1時(shí)刻 iLr IL iVD下降到零 二極管自然關(guān)斷 t1 t2時(shí)段 此時(shí)電路可以等效為圖8 21 Lr與Cr構(gòu)成諧振回路 由于L很大 諧振過程中其電流基本不變 對(duì)諧振影響很小 可以忽略 諧振過程中iLr增加而uCr下降 t2時(shí)刻uCr降到零 VDS導(dǎo)通 uCr被箝位于零 而iLr保持不變 27 8 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 圖8 19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖 圖8