石河子大学 SHIHEZI UNIVERSITY 第8章放开关技术 8.1软开关的基本概念 8.2软开关电路的分类 8.3典型的软开关电路 8.4软开关技术新进展 本章小结 机械电气工程学院电气教研室 电力电子技术主讲人：周伟绩
第8章 软开关技术 8.1 软开关的基本概念 8.2 软开关电路的分类 8.3 典型的软开关电路 8.4 软开关技术新进展 本章小结
引言 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时 对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。 ■电力电子电路的高频化 ◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装 置小型化、轻量化。 ◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁千扰增大。 ■软开关技术 ◆降低开关损耗和开关噪声。 ◆使开关频率可以大幅度提高。 机械电气工程学院电气教研室 229 电力电子技术
2/29 引言 ■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时 对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。 ■电力电子电路的高频化 ◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装 置小型化、轻量化。 ◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。 ■软开关技术 ◆降低开关损耗和开关噪声。 ◆使开关频率可以大幅度提高
8.1软开关的基本概念 8.1.1硬开关与软开关 8.1.2零电压开关与零电流开关 机械电气工程学院电气教研室 3/29 电力电子技术
3/29 8.1 软开关的基本概念 8.1.1 硬开关与软开关 8.1.2 零电压开关与零电流开关
8.1.1硬开关与软开关 ■硬开关 ◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。 ◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关 噪声。 ◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高 时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就 越来越显著。 关断过程开通过程 a 图8-1硬开关降压型电路及波形 图8-2硬开关过程中的电压和电流 a)电路图 b)理想化波形 a)关断过程b)开通过程 机械电气工程学院电气教研室 429 电力电子技术
4/29 8.1.1 硬开关与软开关 ■硬开关 ◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。 ◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关 噪声。 ◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高 时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就 越来越显著。 Ui S VD L C R S uS i S uVD t 0 t 1 t t t t O O O O a) b) 关断过程 开通过程 图8-1 硬开关降压型电路及波形 a）电路图 b）理想化波形 t 0 u i P 0 u i t u i i u P 0 0 图8-2 硬开关过程中的电压和电流 a) 关断过程 b)开通过程 a) b)
8.1.1硬开关与软开关 ■软开关 ◆软开关电路中增加了谐振电感L和谐振电容C,与滤波电感L、电容C相 比，L,和C,的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDs,而硬开关电路 中不需要这个二极管。 ◆降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开 通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的 重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中 电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。 关断过程开通过程 s(cr)↑ D to I1 12 13tils t6 a b) a) 图83降压型零电压开关准谐振电路及波形 图8-4软开关过程中的电压和电流 a)电路图b)理想化波形 a)关断过程b)开通过程 机械电气工程学院电气教研宝 5/29 电力电子技术
5/29 8.1.1 硬开关与软开关 ■软开关 ◆软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相 比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，而硬开关电路 中不需要这个二极管。 ◆降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开 通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的 重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中 电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。 Ui Cr S VDS Lr VD L C A R S uS (uCr) iLr uVD t0 t1 t2 t3t4 t6 t0 t t t t t t5 iS O O O O O a) b) 关断过程 开通过程 P u i 0 u i t t 0 u i P 0 u i t 0 t u u 图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形 a）电路图 b）理想化波形 a) b) 图8-4 软开关过程中的电压和电流 a) 关断过程 b)开通过程
8.1.2零电压开关与零电流开关 零电压开通 ◆开关开通前其两端电压为零，则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，则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。 在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关 和零电流开关。 机械电气工程学院电气教研室 629 电力电子技术
6/29 8.1.2 零电压开关与零电流开关 ■零电压开通 ◆开关开通前其两端电压为零，则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，则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。 ■在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关 和零电流开关
8.2软开关电路的分类 ■ 软开关电路的分类 ◆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，个别电路中，有些开关是 零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。 ◆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。 机械电气工程学院电气教研室 7/29 电力电子技术
7/29 8.2 软开关电路的分类 ■软开关电路的分类 ◆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，个别电路中，有些开关是 零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。 ◆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
8.2软开关电路的分类 C不 b) c) 图8-5准谐振电路 a)零电压开关准谐振电路b)零电流开关准谐振电路 c)零电压开关多谐振电路 ■准谐振电路 ◆分类 r零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter-ZVS ORC) r零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter-ZCS QRC) r零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-.Switching Multi-Resonant Converter-ZVS MRC) r用于逆变器的谐振直流环节(Resonant DC Link) 机械电气工程学院电气教研室 829 电力电子技术
8/29 8.2 软开关电路的分类 S VD Lr L Cr S VD Lr L Cr1 Cr2 S Lr Cr VD L a) b) c) 图 8-5 准谐振电路 a）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路 ■准谐振电路 ◆分类 ☞零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter—ZVS QRC） ☞零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter—ZCS QRC） ☞零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant Converter—ZVS MRC） ☞用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DC Link）
8.2软开关电路的分类 ◆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。 ◆开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题 ©谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高。 谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率 的交换，造成电路导通损耗加大。 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（Pulse Frequency Modulation- PFM)方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困 难。 机械电气工程学院电气教研室 9/29 电力电子技术
9/29 8.2 软开关电路的分类 ◆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。 ◆开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题 ☞谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高。 ☞谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率 的交换，造成电路导通损耗加大。 ☞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（Pulse Frequency Modulation— PFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困 难
8.2软开关电路的分类 ■零开关PWM电路 ◆电路中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。 ◆分类 r零电压开关PWM电路(Zero-Voltage-Switching PWM Converter-一ZVS PWM) r零电流开关PWM电路(Zero-Current-Switching PWM Converter- ZCS PWM) ◆同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是 方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用 开关频率固定的PWM控制方式。 木VD a) b) 图8-6零开关PWM电路 a)零电压开关PWM电路b)零电流开关PWM电路 机械电气工程学院电气教研宝 10/29 电力电子技术
10/29 8.2 软开关电路的分类 S Lr Cr VD L S1 S VD Lr L Cr S1 a) b) C R Ui C R Ui 图8-6 零开关PWM电路 a）零电压开关PWM电路 b）零电流开关PWM电路 ■零开关PWM电路 ◆电路中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。 ◆分类 ☞零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM Converter—ZVS PWM） ☞零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM Converter— ZCS PWM） ◆同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是 方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用 开关频率固定的PWM控制方式