第8章 軟開關(guān)技術(shù)

1 第7章軟開關(guān)技術(shù) 引言7 1軟開關(guān)的基本概念7 2軟開關(guān)電路的分類7 3典型的軟開關(guān)電路本章小結(jié) 2 第7章軟開關(guān)技術(shù) 引言 現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢小型化 輕量化 對效率和電磁兼容性也有更高的要求 電力電子裝置高頻化濾波器 變壓器體積和重量減小 電力電子裝置小型化 輕量化 開關(guān)損耗增加 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 進一步提高開關(guān)頻率 3 7 1軟開關(guān)的基本概念 7 1 1硬開關(guān)和軟開關(guān)7 1 2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) 4 7 1 1硬開關(guān)和軟開關(guān) 硬開關(guān) 開關(guān)過程中電壓和電流均不為零 出現(xiàn)了重疊 電壓 電流變化很快 波形出現(xiàn)明顯的過沖 導致開關(guān)噪聲 5 7 1 1硬開關(guān)和軟開關(guān) 軟開關(guān) 在原電路中增加了小電感 電容等諧振元件 在開關(guān)過程前后引入諧振 消除電壓 電流的重疊 降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲 6 7 1 2零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) 零電壓開通開關(guān)開通前其兩端電壓為零 開通時不會產(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 關(guān)斷時不會產(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 通常不指出是開通或是關(guān)斷 僅稱零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) 靠電路中的諧振來實現(xiàn) 7 7 2軟開關(guān)電路的分類 根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時電壓電流狀態(tài) 分為零電壓電路和零電流電路兩大類 根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準諧振電路 零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路 每一種軟開關(guān)電路都可以用于降壓型 升壓型等不同電路 可以從基本開關(guān)單元導出具體電路 8 7 2軟開關(guān)電路的分類 圖7 3基本開關(guān)單元的概念 a 基本開關(guān)單元 b 降壓斬波器中的基本開關(guān)單元 c 升壓斬波器中的基本開關(guān)單元 d 升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元 9 7 2軟開關(guān)電路的分類 1 準諧振電路準諧振電路 準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波 因此稱之為準諧振 是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路 特點 諧振電壓峰值很高 要求器件耐壓必須提高 諧振電流有效值很大 電路中存在大量無功功率的交換 電路導通損耗加大 諧振周期隨輸入電壓 負載變化而改變 因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制 PulseFrequencyModulation PFM 方式來控制 分別介紹三類軟開關(guān)電路 10 7 2軟開關(guān)電路的分類 可分為 用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路 ResonantDCLink 11 7 2軟開關(guān)電路的分類 2 零開關(guān)PWM電路引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻 使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后 零開關(guān)PWM電路可以分為 特點 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 電路不采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式 12 7 2軟開關(guān)電路的分類 3 零轉(zhuǎn)換PWM電路采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻 但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的 零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為 特點 電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài) 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一步提高 13 7 3典型的軟開關(guān)電路 7 3 1零電壓開關(guān)準諧振電路7 3 2諧振直流環(huán)7 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路7 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 14 7 3 1零電壓開關(guān)準諧振電路 1 電路結(jié)構(gòu) 15 7 3 1零電壓開關(guān)準諧振電路 選擇開關(guān)S關(guān)斷時刻為分析的起點 t0 t1時段 t0之前 開關(guān)S為通態(tài) 二極管VD為斷態(tài) uCr 0 iLr IL t0時刻S關(guān)斷 與其并聯(lián)的電容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尚未導通 電感Lr L向Cr充電 uCr線性上升 同時VD兩端電壓uVD逐漸下降 直到t1時刻 uVD 0 VD導通 這一時段uCr的上升率 2 工作原理 t0 t1時段的等效電路 圖7 7零電壓開關(guān)準諧振電路原理圖 u 16 7 3 1零電壓開關(guān)準諧振電路 t1 t2時段 t1時刻二極管VD導通 電感L通過VD續(xù)流 Cr Lr Ui形成諧振回路 t2時刻 iLr下降到零 uCr達到諧振峰值 t2 t3時段 t2時刻后 Cr向Lr放電 直到t3時刻 uCr Ui iLr達到反向諧振峰值 t3 t4時段 t3時刻以后 Lr向Cr反向充電 uCr繼續(xù)下降 直到t4時刻uCr 0 t1 t2時段的等效電路 u 17 7 3 1零電壓開關(guān)準諧振電路 t4 t5時段 uCr被箝位于零 iLr線性衰減 直到t5時刻 iLr 0 由于此時開關(guān)S兩端電壓為零 所以必須在此時開通S 才不會產(chǎn)生開通損耗 t5 t6時段 S為通態(tài) iLr線性上升 直到t6時刻 iLr IL VD關(guān)斷 t6 t0時段 S為通態(tài) VD為斷態(tài) 缺點 諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍 增加了對開關(guān)器件耐壓的要求 u 18 7 3 2諧振直流環(huán) 諧振直流環(huán)電路應(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 1 電路結(jié)構(gòu) 圖7 11諧振直流環(huán)電路原理圖 利用輔助開關(guān)S和Lr Cr就可以使逆變橋中所有的開關(guān)工作再零電壓開通的條件下 19 7 3 2諧振直流環(huán) t0 t1時段 t0時刻之前 開關(guān)S處于通態(tài) iLr IL t0時刻S關(guān)斷 電路中發(fā)生諧振 iLr對Cr充電 t1時刻 uCr Ui t1 t2時段 t1時刻 諧振電流iLr達到峰值 t1時刻以后 iLr繼續(xù)向Cr充電 直到t2時刻iLr IL uCr達到諧振峰值 2 工作原理 20 7 3 2諧振直流環(huán) t2 t3時段 uCr向Lr和L放電 iLr降低 到零后反向 直到t3時刻uCr Ui t3 t4時段 t3時刻 iLr達到反向諧振峰值 開始衰減 uCr繼續(xù)下降 t4時刻 uCr 0 S的反并聯(lián)二極管VDS導通 uCr被箝位于零 t4 t0時段 S再次導通 電流iLr線性上升 直到t0時刻 S再次關(guān)斷 電壓諧振峰值很高 增加了對開關(guān)器件耐壓的要求 21 7 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一 它的特點是電路簡單 同硬開關(guān)全橋電路相比 僅增加了一個諧振電感 就使四個開關(guān)均為零電壓開通 圖7 14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路 22 7 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 1 移相全橋電路控制方式的特點 在開關(guān)周期TS內(nèi) 每個開關(guān)導通時間都略小于TS 2 而關(guān)斷時間都略大于TS 2 同一半橋中兩個開關(guān)不能同時處于通態(tài) 每個開關(guān)關(guān)斷到另一個開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時間 圖7 14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路 23 7 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 互為對角的兩對開關(guān)S1 S4和S2 S3 S1的波形比S4超前0 TS 2時間 而S2的波形比S3超前0 TS 2時間 因此稱S1和S2為超前的橋臂 而稱S3和S4為滯后的橋臂 圖7 14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路 24 7 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 2 工作過程 t0 t1時段 S1與S4導通 直到t1時刻S1關(guān)斷 t1 t2時段 t1時刻開關(guān)S1關(guān)斷后 電容Cs1 Cs2與電感Lr L構(gòu)成諧振回路 uA不斷下降 直到uA 0 VDS2導通 電流iLr通過VDS2續(xù)流 t2 t3時段 t2時刻開關(guān)S2開通 由于此時其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導通狀態(tài) 因此S2為零電壓開通 25 t3 t4時段 t3時刻開關(guān)S4關(guān)斷后 變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時導通 變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零 相當于短路 因此Cs3 Cs4與Lr構(gòu)成諧振回路 Lr的電流不斷減小 B點電壓不斷上升 直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導通 這種狀態(tài)維持到t4時刻S3開通 因此S3為零電壓開通 7 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 26 t4 t5時段 S3開通后 Lr的電流繼續(xù)減小 iLr下降到零后反向增大 t5時刻iLr IL kT 變壓器二次側(cè)VD1的電流下降到零而關(guān)斷 電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中 t0 t5是開關(guān)周期的一半 另一半工作過程完全對稱 7 3 3移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路 27 7 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 1 工作過程 輔助開關(guān)S1超前于主開關(guān)S開通 S開通后S1關(guān)斷 t0 t1時段 S1導通 VD尚處于通態(tài) 電感Lr兩端電壓為Uo 電流iLr線性增長 VD中的電流以同樣的速率下降 t1時刻 iLr IL VD中電流下降到零 關(guān)斷 圖7 18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路是另一種軟開關(guān)電路 具有電路簡單 效率高等優(yōu)點 28 7 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 t1 t2時段 Lr與Cr構(gòu)成諧振回路 Lr的電流增加而Cr的電壓下降 t2時刻uCr 0 VDS導通 uCr被箝位于零 而電流iLr保持不變 t2 t3時段 uCr被箝位于零 而電流iLr保持不變 這種狀態(tài)一直保持到t3時刻S開通 S1關(guān)斷 圖7 20升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1 t2時段的等效電路 圖7 18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖 29 7 3 4零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 t3 t4時段 t3時刻S開通時 為零電壓開通 S開通的同時S1關(guān)斷 Lr中的能量通過VD1向負載側(cè)輸送 其電流線性下降 主開關(guān)S中的電流線性上升 t4時刻iLr 0 VD1關(guān)斷 主開關(guān)S中的電流iS IL 電路進入正常導通狀態(tài) t4 t5時段 t5時刻S關(guān)斷 Cr限制了S電壓的上升率 降低了S的關(guān)斷損耗 圖7 18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖 30 本章小結(jié) 本章的