《软开关变换器》PPT课件.ppt

现代电源技术,Modern power technologies,第5章 学习指导,学习指导软开关是指，通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零(零电压开通)或开通过程中电流缓慢上升(零电流开通)，或关断前电流先降为零(零电流关断)或关断过程中电压缓慢上升(零电压关断)，就可以消除或减低开关过程中电压、电流的重叠部分的面积，从而减小甚至消除开关损耗和开关噪声。软开关分为零电压开关、零电流开关、混合软开关。根据软开关技术发展的历程，软开关变换器分为准谐振变换器、PWM软开关变换器。,学习指导5.1 概述 5.1.1功率电路的开关过程 5.1.2软开关的特征及分类 5.1.3谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 5.2.1零电压开关准谐振变换器 5.2.2零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 5.3.1零开关PWM变换器 5.3.2零转换PWM变换器 5.3.3移相控制ZVS-PWM全桥变换器,第5章 学习指导,学习指导准谐振变换器（QRC）的特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，而不是全程参与。准谐振变换器分为零电压开关准谐振变换器（ZVS QRC），零电流开关准谐振变换器（ZCS QRC），零电压开关多谐振变换器（ZVS MRC），和用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DCLink），这类变换器也需要采用频率调制方法。准谐振软开关DC/DC变换器最主要的特点就是利用PFM调压，这使得电源的输入滤波器、输出滤波器的设计复杂化，并影响系统的噪声。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,第5章 学习指导,学习指导常规的PWM变换器开关频率恒定，控制方法简单。在准谐振软开关DC/DC变换器中，谐振产生在开关管整个导通或整个关断区间，若把谐振控制在开关管导通前或关断前很小一段时间内，且谐振半周期远小于开关周期，这就构成了PWM软开关变换器。PWM软开关变换器主要分为零开关PWM变换器、零转换PWM变换器和移相全桥软开关PWM变换器。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,第5章 学习指导,学习指导本章主要讨论软开关的基本概念与分类，谐振型软开关变换器、准谐振软开关变换器和PWM软开关变换器的电路构成和基本的工作原理。建议重点学习以下主要内容：1）软开关的基本概念与分类、软开关电路的分类。2）准谐振软开关电路的工作原理和电路工作特点。3）零电压、零电流开关电路的构成特点、工作原理；零转换开关电路的构成特点、工作原理；移相控制软开关PWM全桥变换器的工作原理。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,第5章 软开关变换器,1,2,3,概述,准谐振软开关变换器,PWM软开关变换器,基本内容,常规的DC/DC PWM功率变换技术进一步提高开关频率会面临许多问题。随着开关频率的提高，一方面开关管的开关损耗会成正比的上升，使电路的效率大大的降低，从而使变换器处理功率的能力大幅下降；另一方面，系统会对外产生严重的电磁干扰（EMI）。所谓软开关，通常是指零电压开关ZVS（Zero Voltage Switching）和零电流开关ZCS（Zero Current Switching）或近似零电压开关与零电流开关。,5.1 概述,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流而完成能量的变换；而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中的电流（或其两端的电压）按正弦或准正弦规律变化，当电流过零时，使器件关断，或者当电压下降到零时，使器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使器件的开关损耗在理论上为零。软开关技术的应用使电力电子变换器可以具有更高的效率，功率密度和可靠性同时得到提高，并有效的减小电能变换装置引起的电磁干扰和噪声等。,5.1 概述,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.1 功率电路的开关过程,在功率变换电路中，每只功率管都要进行开通与关断控制。功率管在开通时开关管的电压不是瞬时下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是瞬时上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，通常称之为开通损耗（Turn-on loss），如图5-1(a)所示。,（a）开通过程图5-1 开关管开通与关断过程的电压电流及功率损耗曲线,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.1 功率电路的开关过程,当开关管关断时，开关管的电压不是瞬时从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是瞬时下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，通常称之为关断损耗（Turn-off loss），如图5-1(b)所示。,（a）关断过程图5-1 开关管开通与关断过程的电压电流及功率损耗曲线,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.1 功率电路的开关过程,可见当功率管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching loss），通常可由一个开关周期的平均开通和关断损耗求出。假设导通后流入功率管电流为IC，关断后功率管承受的电压为UC，导通时的管压降忽略不计，则由图5-1分析，不难求得导通和关断过程功率管的电流、电压瞬时值i、u。开通过程：关断过程：,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.1 功率电路的开关过程,一个开关周期的平均开通和关断损耗PS为：,5-1,式中：PS 功率管开关损耗；ton功率管开通时间；toff功率管关断时间；f 功率管开关频率；UC关断后功率管承受的电压；IC 导通后流入功率管电流。,在工作电压和工作电流一定的条件下，功率管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。同时，开关管工作在硬开关时还会产生较高的di/dt和dv/dt，从而产生较大的电磁干扰。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.2 软开关的特征及分类,通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。软开关电路中典型的开关过程如图5-2所示，具有这样开关过程的开关称为软开关。,图5-2 软开关的开关过程,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.2 软开关的特征及分类,使开关开通前两端电压为零（且关断过程中电压上升较慢），则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通(关断方式称为零电压关断)，简称零电压开关；使开关关断前流过其电流为零(且开通过程中电流缓慢上升)，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断(开通方式称为零电流开通)，简称零电流开关；零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，但断态时功率管的电压应力增大；与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，但通态时功率管的电流应力增大。这样的开关过程一般给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，是得不偿失的，因此常与零电压开通和零电流关断配合应用。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.2 软开关的特征及分类,软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，新型的软开关拓扑仍不断的出现。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。通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成全谐振型变换器或谐振型变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器和零转换PWM变换器。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,谐振电路是谐振变换器的基本单元，它包括串联谐振电路和并联谐振电路。1）串联谐振电路（1）基本的串联谐振电路 基本的串联谐振电路如图5-3（a）所示，Lr是谐振电感，Cr是谐振电容，Ui是输入直流电源。,(a)图5-3 基本的串联谐振电路,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,根据图5-3（a），列出电路微分方程为,(a)图5-3 基本的串联谐振电路,5-2,假设t0时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t0)=ILr0，谐振电容的初始电压uCr(t0)=UCr0，解微分方程组5-2得为,5-3,5-4,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,若电路的初始状态为零初始状态，即ILr0=iLr(t0)=0，UCr0=uCr(t0)=0，则,(b)图5-3 基本的串联谐振电路,5-5,5-6,此时，谐振电容电压最大值为UCrmax=2Ui，谐振电感电流的最大值为ILrmax=Ui/Zr，仅决定于电源电压Ui和,特征阻抗Zr。如果Lr变小或Cr变大，谐振电感电流的最大值增大，而谐振电容电压的最大值不变。iLr和uCr分别按正弦和余弦规律变化，如图5-3(b)所示。表明谐振电感和谐振电容所储的能量相互交换，uCr达到最大值时，iLr则正好为零。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,（2）谐振电容并联电流源的串联谐振电路 在串联谐振电路的谐振电容上并联一个电流源，即构成另一类串联谐振电路，其电路结构如图5-4（a）所示。根据图5-4（a），列出电路微分方程为,(a)图5-4 谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路,5-5,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,假设在t0时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t0)=ILr0，谐振电容的初始电压uCr(t0)=UCr0，解微分方程组（5-5），得到,(a)图5-4 谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路,5-8,5-9,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,由式5-10、式5-11可知，谐振电容并联电流源的串联谐振电路，仅在谐振电感电流中增加了一个直流分量Io，如图5-4（b）所示。,图5-4 谐振电容上并联一个电流源的串联谐振电路,5-10,5-11,假设电路初始状态为零初始状态，即ILr0=iLr(t0)=I0，UCr0=uCr(t0)=0，则,(a),(b),学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,2）并联谐振电路基本的并联谐振电路如图5-5(a)所示，图中Lr是谐振电感，Cr是谐振电容,Ii是输入直流电流源。根据图5-5(a)，列出电路微分方程为,5-12,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,图5-5 基本的并联谐振电路,假设在t0时刻，谐振电感的初始电流为iLr(t0)=ILr0，谐振电容的初始电压uCr(t0)=UCr0，解微分方程组5-12得,(a),5-13,5-14,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.1.3 谐振电路的构成与特性,图5-5 基本的并联谐振电路,若电路初始状态为零初始状态，即ILr0=iLr(t0)=0，UCr0=uCr(t0)=0，则,(b),5-15,5-16,此时，谐振电感中电流最大值为ILrmax=2Ii，谐振电容两端的电压最大,值为UCrmax=ZrIi，仅决定于电源电压Ii和特征阻抗Zr。如果Lr变小或Cr变大，谐振电感电流的最大值不变，而谐振电容电压两端电压最大值减小。uCr和iLr分别按正弦和余弦规律变化，如图5-5（b）所示。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2 准谐振软开关变换器,零电流开关准谐振变换器（Zero Current Switching Quasi Resonant Converter，ZCS QRC），对应的基本开关单元如图5-6(a)所示。按照开关电流方向又可以分成半波型5-6(b)和全波型5-6(c)，半波型主要在开关支路上串联一个二极管，使电流仅能单向流动，而全波型则在开关管上反并联一个二极管实现电流双向流动；,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,图5-6 零电流准谐振电路的基本开关单元:导通区间内谐振，关断区间时间可调,5.2 准谐振软开关变换器,零电压开关准谐振变换器（Zero Voltage Switching Quasi Resonant Converter，ZVS QRC），对应的基本开关单元如图5-7(a)所示；与零电流开关准谐振变换器相似，根据开关上并联电容的工作过程又可以分成半波型5-7(b)和全波型5-7(c)两种。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,图5-7 零电压准谐振电路的基本开关单元：关断区间内谐振，导通区间时间可调,5.2 准谐振软开关变换器,零电压开关多谐振变换器（Zero Voltage Switching Multi Resonant Converter，ZVS MRC），对应的基本开关单元如图5-8所示。用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DCLink），对应的基本开关单元如图5-10所示，这类变换器需要采用频率调制方法，也属于零电压开关准谐振变换器。,图5-10 谐振直流环电路等效电路,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,图5-8 零电压开关多谐振基本开关单元,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,将输入部分看作恒流源，输出负载部分看作电压负载Uo。开关管VTS导通时，有输入电流Ii，二极管VD关断，没有电流注入电压负载，在t0时间，开关管VTS关断，输入电流流入电容Cr，给电容充电。图5-5（b）给出零电压准谐振buck型电流变换器的典型的工作波形。,图5-5 零电压开关准谐振电流型buck变换器的简化电路及其工作波形,(a)电路拓扑,（b）主要工作波形,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,在稳态工作下，一个完整的开关周期分为4个阶段，各阶段工作过程分析如下：（1）t0 t1阶段，电容充电阶段，电流路径示意图如图5-8(a)所示。t0之前，VTS导通，输入电流Ii经VTS续流，t0时刻，开关管VTS关断，电容Cr充电，Cr上的电压线性上升，在t1时刻，uCr达到Uo，二极管VD导通。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,（2）t1 t4阶段，谐振阶段，电流路径示意图如图5-8(b)所示。t1时刻，二极管VD导通，一部分Ii流入Uo，一部分Ii给电容充电，t2时刻，iLr达到Ii，这时电容电压达到峰值；随后谐振电容开始放电，当电容电压uCr降到Uo，iLr达到峰值，随后iLr开始减小，直到uCr降到零，谐振过程结束，这时VDS导通流过反向电流。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,（3）t4 t6阶段，电感放电阶段，电流路径示意图如图5-8(c)所示。t4 t5期间，电感电流经VDS续流，将VTS两端电压箝位成零电压，这段期间开通VTS，VTS零电压开通。这段时间电感电流iLr线性下降，iS线性增大 t5时刻，iLr下降到等于Ii，接着iLrIi，VTS导通给Ii提供续流通路，t6时刻，iLr下降到零，iS达到Ii。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,（4）t6 t0阶段，续流阶段，电流路径示意图如图5-8(d)所示。t6之后，VTS继续导通，流过VTS的电流保持Ii不变，直到t0时，VTS关断，完成了一个周期。很明显，当Lr和Cr选定后，谐振半周期t1 t4时间固定（忽略t0 t1这段时间）。也就是说，VTS的关断时间固定，可以通过调节VTS的导通时间来调节占空比，从而达到调节输出电压的目的。因此，零电压开关准谐振变换器是通过脉冲频率调制来调节输出电压。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,采用同样的方法可构成零电压开关准谐振电压型Buck变换器，其电路拓扑和主要工作波形如图5-9所示,（a）电路拓扑（b）主要工作波形图5-9 Buck型零电压开关准谐振变换器的简化电路及主要工作波形,此外，逆变器的谐振直流环节也是属于零电压开关准谐振变换器，其电路拓扑和工作波形如图5-10所示。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,采用同样的方法可构成直流谐振环准谐振变换器，其电路拓扑和主要工作波形如图5-9所示.一个开关周期共有2个工作阶段，各阶段工作过程分析如下：（1）t0 t4阶段，谐振阶段。t0之前，VTS导通，iLr经VTS续流，iLrIo，t0时刻，开关管VTS关断，Lr和Cr发生谐振，iLr对Cr充电，Cr上的电压上升。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,在t1时刻，uCr达到Ui，iLr达到峰值，随后iLr继续向Cr充电，直到t2时刻iLr=Io，uCr达到谐振峰值接着，uCr和Lr向L放电，iLr降低，到零后反向，直到t3时刻uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值，开始衰减，uCr继续下降，t4时刻，uCr=0，VTS的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.1 零电压开关准谐振变换器,（2）t4 t0阶段，电感充电阶段。t4 t5阶段，负载电流一部分经VDS续流，iLr线性上升，VTS两端电压被箝位在零，在这段时间内开通VTS，VTS零电压开通，电流iLr继续线性上升，t5时刻，iLr=Io直到t0时刻，VTS再次关断。t4 t0阶段，直流母线电压被箝位成零，若这时逆变桥内开关管换相，则也是零电压开通或关断。缺点：电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.2 零电流开关准谐振变换器,用准谐振零电流开关代替Buck变换器中的开关就构成了零电流开关准谐振Buck变换器，如图5-11(a)所示，其工作波形如图5-11(b)所示。开关周期分为4个阶段，假定在开关VTS导通以前，负载电流经二极管VD续流，电容Cr上电压箝位到零。,（a）电路拓扑,（b）主要工作波形,图5-11零电流开关准谐振Buck变换器电路拓扑及其工作波形,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.2 零电流开关准谐振变换器,（1）t0 t1阶段，电感充电阶段，电流路径示意图如图5-12(a)所示。t0之前，VTS不导通，输出电流Io经VD续流t0时刻，开关管VTS开通，电感Lr充电，Lr中的电流线性上升，在t1时刻，iLr达到Io，随后iLr分成两部分，一部分维持负载电流，一部分给谐振电容充电，二极管VD截止。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.2 零电流开关准谐振变换器,（2）t1 t4阶段，谐振阶段，电流路径示意图如图5-12(b)所示。t1时刻，输入电流上升到Io，VD关断，Lr和Cr开始谐振，t2时刻，uCr(t2)=Ui，iLr达到峰值随后iLr减小，t3时刻，iLr减小到Io，uCr达到峰值，接着Cr开始放电，直到t4时刻，iLr下降到零。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.2.2 零电流开关准谐振变换器,（3）t4 t6阶段，电容放电阶段，电流路径示意图如图5-12(c)所示。t4 t5期间，电容电压高于Ui，继续经VD向负载放电，将VTS中的电流箝位成零，在这段期间关断VTS，VTS将是零电流关断。t5时刻，uCr下降到等于Ui由于负载为电流源，uCr继续放电，这时开关管两端的电压开始上升，直到t6时刻，uCr两端电压下降到零，uS上升到等于Ui。,5.2.2 零电流开关准谐振变换器,（4）t6 t0阶段，续流阶段，电流路径示意图如图5-12(d)所示。t6时刻，uCr放电完，uCr=0，输出电流经二极管VD续流，直到t0时刻VTS再次导通，进入下一工作周期。很明显，当Lr和Cr选定后，谐振半周期t1 t4时间固定（忽略t0 t1这段时间）。也就是说，VTS的导通时间固定，可以通过调节VTS的关断时间来调节占空比，从而达到调节输出电压的目的。因此，零电流开关准谐振变换器也是通过脉冲频率调制来调节输出电压。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.3 PWM软开关变换器,准谐振软开关DC/DC变换器与常规的PWM硬开关变换器相比，由于开关器件在零电压或零电流条件下完成开通与关断过程，电路的开关损耗大大降低；电磁干扰(EMI)大大减小；变换电路可以以更高的开关频率工作；相应变换器的功率密度可以大大提高等。明显的不足：器件可能承受过高的电压应力和电流应力；利用PFM（Pulse Frequency Modulation）调压，用改变开关频率来进行控制，这使得电源的输入滤波器、输出滤波器的设计复杂化，并影响系统的噪声。常规的PWM变换器开关频率恒定，当输入电压或负载变化时，通常靠调节开关的占空比来调节输出电压，属恒频控制，控制方法简单。若将两种拓扑的优点组合在一起，就形成一种新的软开关电路拓扑PWM软开关变换器。主要分为零开关PWM变换器、零转换PWM变换器和移相控制软开关PWM全桥变换器。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.3.1 零开关PWM变换器,在准谐振软开关DC/DC变换器中，以准谐振软开关Buck变换器为例，与常规的PWM Buck变换器相比，电路拓扑中仅仅多了一个谐振电感和一个谐振电容。对零电压准谐振Buck变换器，如果没有谐振，开关管一关断，Cr两端的电压很快增大到等于Ui，并维持到下一次开关管开通，开关管VTS硬开通；增加了Lr、Cr，则开关管一关断，Lr与Cr就开始谐振，谐振结果使Cr两端的电压为零，并通过VDS给Lr续流使VTS（Cr）两端电压箝位成零，这时（图5-9(b)的t4t5期间）开通VTS，则VTS零电压开通。如果在t4t5期间没有开通VTS，t5时刻iLr(t5)=0，随后Ui将使Cr两端电压快速充电至Ui，这时再开通VTS，则VTS将不是零电压开通。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.3.1 零开关PWM变换器,若在VTS关断之前用开关S1将Lr短接，如图5-13(a)所示，使Lr中的电流经S1续流保持不变，VTS关断时，Cr两端电压很快充电至Ui，随后保持不变，如图5-13(b)所示的t1t2期间。t2时刻，S1关断，Lr与Cr开始谐振，谐振结果使Cr两端的电压为零，并通过VDS给Lr续流使VTS（Cr）两端电压箝位成零，如图5-13(b)所示的t4t5期间，在这期间内开通VTS，则VTS零电压开通。这样，如果S1的关断时刻和VTS的开通时刻保持不变，改变VTS的关断时刻，则可以实现PWM控制。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.3.1 零开关PWM变换器,由以上分析可知，要实现软开关变换器的PWM控制，只需控制Lr与Cr的谐振时刻。控制谐振时刻的方法就是，要么在适当时刻先短接谐振电感，在需要谐振的时刻再断开；要么在适当时刻先断开谐振电容，在需要谐振的时刻再接通。由此得到不同形式的零开关PWM电路的基本开关单元，如图5-14所示。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,5.3.1 零开关PWM变换器,1）零电压开关PWM变换器以Buck型变换器为例，若在准谐振变换器的谐振电感上并接一个可控开关，就构成了如图5-13(a)所示的零电压开关PWM变换器；若在准谐振变换器的谐振电容上串接一个可控开关则构成如图5-15(a)所示的零电压开关PWM变换器。下面以后者为例具体分析零电压开关PWM变换器的工作原理。,学习指导5.1 概述 功率电路的开关过程 软开关的特征及分类 谐振电路的构成及特性 5.2 准谐振软开关变换器 零电压开关准谐振变换器 零电流开关准谐振变换器5.3 PWM软开关变换器 零开关PWM变换器 零转换PWM变换器 移相控制ZVS-PWM全桥变换器,图5-15 ZVS-PWM Buck变换器拓扑及主要工作波形,图5-13 零开关PWM变换器,5.3.1 零开关PWM变换器,ZVS-PWM Buck变换器的一个工作周期分为5个阶段，设电路初始状态为主开关管VTS导通，辅助开关管VTS1关断，续流二极管VD关断，输出电流全部流过主开关管VTS和谐振电感，工作过程如下：,（a）谐振电容充电阶段,（1）t0t1阶段，谐振电容充电阶段，电流路径示意图如图5-16(a)所示。t0时刻，开关管VTS关断，负载电流Io通过VTS1的本体二极管给电容Cr充电，Cr上的电压线性上升，在t1时刻，uCr达到Ui，iLr开始