新能源電源變換技術(shù)課件：軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)概述典型電路LLC變換器3.1 軟開關(guān)的基本概念3.1.1硬開關(guān)和軟開關(guān)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，開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗就越顯著。在開關(guān)過程中引入諧振，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，消除了開關(guān)損耗，3.1 軟開關(guān)的基本概念3.1.1軟開關(guān)電路的基本分類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”，其開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降。問題：如諧振電壓峰值很高，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交換，造成電路導通損耗加大；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（PFM）方式來控制，變化的開關(guān)頻率給電路設(shè)計帶來困難。3.1 軟開關(guān)的基本概念3.1.1軟開關(guān)電路的基本分類電路中引入了輔助開關(guān)，從而使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。同準諧振電路相比，這類電路的電壓和電流基本為方波，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。3.1 軟開關(guān)的基本概念3.1.1軟開關(guān)電路的基本分類采用輔助開關(guān)來控制諧振的起始時刻；與零開關(guān)PWM電路不同的是，諧振電路與主開關(guān)并聯(lián)，故輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負載到滿載都能實現(xiàn)軟開關(guān)。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。3.2 軟開關(guān)的典型電路——零電壓開關(guān)準諧振電路[t0~t1]t0之前，Q導通，D為斷態(tài)，vCr=0，iLr=IL，t0時刻Q關(guān)斷，Cr使Q關(guān)斷后電壓上升減緩，Q的關(guān)斷損耗減小。Q關(guān)斷后，D尚未導通；Lr+Lf向Cr充電，Lf等效為電流源，vCr線性上升，同時D兩端電壓vD逐漸下降，直到t1時刻，vD=0，D導通；[t1~t2]t1時刻D導通，Lf通過D續(xù)流，Cr、Lr、Vin形成諧振回路。諧振過程中，Lr對Cr充電，vCr不斷上升，iLr不斷下降，直到t2時刻，iLr下降到零，vCr達到諧振峰值；[t2~t3]t2時刻后，Cr向Lr放電，iLr改變方向，vCr不斷下降，直到t3時刻，vCr=Vin，這時，vCr=0，iLr達到反向諧振峰值；[t3~t4]t3時刻以后，Lr向Cr反向充電，vCr繼續(xù)下降，直到t4時刻vCr=0。[t4~t5]vCr被箝位于零，vCr=Vin，iLr線性衰減，直到t5時刻，iLr=0。由于這一時段Q兩端電壓為零，所以必須在這一時段使開關(guān)Q開通，才不會產(chǎn)生開通損耗。[t5~t6]Q為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時刻，iLr=IL，D關(guān)斷。[t6~t0]Q為通態(tài)，D為斷態(tài)。3.2 軟開關(guān)的典型電路——移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路[t0,t1]：t0時刻之前Q1、Q4導通，一次側(cè)向二次側(cè)傳遞能量。t0時刻關(guān)斷Q1，原邊電流ip從Q1轉(zhuǎn)移到C1和C4支路中，給C1充電，為C3放電。電容C1的電壓從零開始線性上升，電容C3的電壓從Vin性下降。正因為C1和C3的存在，S1實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。[t1,t2]：D3導通后，將Q3的電壓鉗在零電位，此時開通Q3，則Q3實現(xiàn)零電壓開通。[t2,t3]：在t2時刻，關(guān)斷Q4斷開，一次側(cè)電流ip轉(zhuǎn)移到C2和C4中，一方面抽走C4上的電荷，另一方面給C2充電。由于C2和C4的存在，Q4實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。[t3,t4]：t3-時刻，D2自然導通，Q2-零電壓開通。[t4,t5]：t4時刻，一次側(cè)電流由正值過零，向負方向增加，Q2和Q3為一次側(cè)電流提供通路。[t5,t6]：電源給負載供電。t6時刻，Q3斷開，變換器開始另半個周期的工作，其工作情況與上述半周期類似，不再贅述。3.2 軟開關(guān)的典型電路——移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路為了擴大滯后臂ZVS的范圍，可以在普通的ZVS移相全橋PWM變換器上增加輔助網(wǎng)絡(luò)。圖(a)中，滯后橋臂增加了一個電感和兩個電容，使滯后橋臂更容易實現(xiàn)ZVS；圖(b)中，一次側(cè)使用兩個鉗位二極管來抑制二次側(cè)整流二極管的反向恢復振蕩，同時提高整機轉(zhuǎn)換效率。(a)(b)3.2 軟開關(guān)的典型電路——零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路[t0~t1]：輔助開關(guān)先于主開關(guān)開通，由于此時D尚處于通態(tài)，所以vLr=Vo，iLr按線性迅速增長，iD以同樣的速率下降，直到t1時刻，iLr=IL，iD下降到零，二極管自然關(guān)斷。[t1~t2]：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，對諧振影響很小，可以忽略；諧振過程中iLr增加而vCr下降，t2時刻vCr降到零，DS導通，vCr被箝位于零，而iLr保持不變。[t2~t3]：vCr箝位于零，iLr保持不變，該狀態(tài)一直保持到t3時刻Q開通、Qr關(guān)斷。

[t3~t4]：t3時刻Q開通時，vQ為零，因此沒有開關(guān)損耗，Q開通的同時Qr關(guān)斷，Lr中的能量通過D1向負載側(cè)輸送，vLr下降，而iQ線性上升，到t4時刻iLr=0，D1關(guān)斷，iQ=IL，電路進入正常導通狀態(tài)。

[t4~t5]：t5時刻Q關(guān)斷，由于Cr的存在，Q關(guān)斷時的電壓上升率受到限制，降低了Q的關(guān)斷損耗。3.3 LLC諧振變換器目的：

在諧振時電流或電壓周期性過零，利用這一點實現(xiàn)軟開關(guān)，可以降低開關(guān)損耗，提高功率變換器的效率。分類：

串聯(lián)諧振變換器（SeriesResonanceCircuit，簡稱SRC）

并聯(lián)諧振電路（ParallelResonanceCircuit，簡稱PRC）

串并聯(lián)諧振電路（Series-ParallelResonanceCircuit，簡稱SPRC）。3.3.1 LLC諧振變換器概述SRC變換器PRC變換器LCC變換器LLC變換器3.3.1 LLC諧振變換器概述1）方波發(fā)生器：通過每次切換都以0.5占空比交替驅(qū)動開關(guān)Q1和Q2產(chǎn)生方波電壓，方波發(fā)生器可設(shè)計成全橋或半橋型。2）諧振網(wǎng)絡(luò)包括諧振電容Cr，串聯(lián)諧振電感Lr及并聯(lián)諧振電感Lm。諧振網(wǎng)絡(luò)可以濾除高次諧波電流。3）整流網(wǎng)絡(luò)由整流二極管DR1、DR2和輸出濾波電容Co構(gòu)成。存在兩個諧振頻率3.3.2 分體諧振電容型LLC單體諧振電容型LLC諧振變換器分體諧振電容型LLC諧振變換器分體諧振電容型LLC諧振變換器的輸入電流紋波較??；通過分體諧振電容上并聯(lián)鉗位二極管的方法可以達到簡單的過載保護分體諧振電容可以有效地減少功率開關(guān)網(wǎng)絡(luò)前端輸入電容上的電流應(yīng)力3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析分體諧振電容型LLC諧振變換器存在兩個諧振頻率分體諧振電容型LLC諧振變換器具有三個工作區(qū)間3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t0-t1]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t1-t2]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t2-t3]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t3-t4]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t4-t5]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t5-t6]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t6-t7]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t7-t8]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t0-t1]3.3.2 分體諧振電容型LLC——模態(tài)分析[t1-t2]3.3.2 分體諧振電容型LLC