合工大电力电子技术第七章.ppt
电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology,杜少武,1、概述2、软开关的基本概念3、软开关电路的分类4、典型的软开关电路,第七讲 软开关技术,电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。,1、概 述,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,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导通或关断，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。,1、概 述,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,硬开关：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。产生较大的开关损耗和开关噪声。,1.1 功率电路的开关过程,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.1 功率电路的开关过程,开通损耗：开通过程电流和电压有一个交叠区，产生损耗，称为开通损耗（Turn-on loss），如下图(a)所示。关断损耗：关断过程电流和电压有一个交叠区，产生损耗，称为关断损耗（Turn-off loss），如下图(b)所示。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.1 功率电路的开关过程,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，导通时管压降忽略不计，则导通过程功率管得电流、电压瞬时值i、u。,开通损耗为：,开通过程：,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.1 功率电路的开关过程,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，导通时管压降忽略不计，则关断过程功率管得电流、电压瞬时值i、u。,关断过程：,关断损耗为：,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.1 功率电路的开关过程,则一个开关周期的平均开通和关断损耗PS为：,除此之外，管子在关断期间输出电容储存的能量，在管子导通时，损耗在器件内部，在高的输入电压下，开通损耗是很大的，尤其当开关频率高到MHz量级时，电容放电引起的开通损耗占决定性因素。这部分损耗为：,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.2 软开关的特征及分类,软开关电路：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，称为软开关电路。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.2 软开关的特征及分类,软开关：具有如下图所示的开关过程的开关称为软开关。,使开关开通前两端电压为零，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关使开关关断前流过其电流为零，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.2 软开关的特征及分类,软开关分为：零电压开关零电流开关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，软开关电路分为：零电压电路零电流电路,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,1.2 软开关的特征及分类,根据软开关技术发展的历程，可以将软开关电路分为谐振型变换器准谐振变换器零开关PWM变换器零转换PWM变换器移相全桥 PWM软开关变换器,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,准谐振软开关变换器准谐振电路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。为最早出现的软开关电路特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，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 ModulationPFM）方式来控制,2、准谐振软开关变换器,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,准谐振电路的基本开关单元,2、准谐振软开关变换器,零电压准谐振开关,零电流准谐振开关,零电压多谐振开关,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,将Boost变换器中的开关用准谐振零电压开关代替就构成了Boost型零电压开关准谐振变换器(ZVSQRC)，其简化电路如下图所示。,2.1 零电压开关准谐振变换器,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.1 零电压开关准谐振变换器,t0之前：开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.1 零电压开关准谐振变换器,t0t1时段：t0时刻S关断，S关断后，VD尚未导通。电感Lr+L向Cr充电，uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.1 零电压开关准谐振变换器,t1t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。,t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。,t3t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.1 零电压开关准谐振变换器,t1到t4时段电路谐振过程的方程为：,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.1 零电压开关准谐振变换器,t4t5时段：VDS导通，uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于这一时段S两端电压为零，在这一时段使开关S开通，不产生开通损耗。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,谐振过程定量分析,2.1 零电压开关准谐振变换器,谐振过程,uCr的谐振峰值（即开关S承受的峰值电压）,零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：,缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,谐振直流环节,2.1 零电压开关准谐振变换器,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下图所示。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,谐振直流环节,2.1 零电压开关准谐振变换器,谐振阶段，t0t1时段：t0时刻之前，开关S处于通态，iLrIL，。t0时刻VTS关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。,谐振阶段，t1t2时段：t1时刻，谐振电流iLr达到峰值。t1时刻以后，iLr继续向Cr充电，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。,谐振阶段，t2t3时段：uCr向Lr和L放电，iLr降低，到零后反向，直到t3时刻uCr=Ui。,谐振阶段，t3t4时段：t3时刻，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。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,谐振直流环节,2.1 零电压开关准谐振变换器,电感充电阶段，t4t0时段：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。,电感充电阶段，t4t0时段：t4t0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。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,电路构成,2.2 零电流开关准谐振变换器,将Buck变换器中开关用准谐振零电流开关代替就构成了Buck型零电流开关准谐振变换器。,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。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.2 零电流开关准谐振变换器,第1阶段：t0 t1，电感充电阶段,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.2 零电流开关准谐振变换器,第2阶段：t1 t4，谐振阶段,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.2 零电流开关准谐振变换器,第3阶段：t4 t6，电容放电阶段,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,工作过程分析,2.2 零电流开关准谐振变换器,第4阶段：t6 t0，续流阶段,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,准谐振软开关变换器与PWM硬开关变换器相比具有许多明显的优点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仍存在明显的不足器件可能承受过高的电压应力和电流应力准谐振软开关电路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。,3、PWM软开关变换器,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3、PWM软开关变换器,准谐振软开关变换器最主要的特点是利用PFM调压常规的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，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。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,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,电路构成Buck型零电压准谐振变换器，开关管VT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续流使VTS（Cr）两端电压箝位成零，这时开通VTS，则VTS零电压开通。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,电路构成,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。在ZVS准谐振变换器谐振电容上串接或在谐振电感上并接一个可控开关，就构成了零电压开关PWM变换器。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,零开关PWM电路的基本开关单元,零电压开关PWM电路的基本开关单元,零电流开关PWM电路的基本开关单元,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,Buck型ZVS-PWM变换器,以Buck型变换器为例，在谐振电感上并接一个可控开关，前面已经介绍了。在谐振电容上串接一个可控开关则构成如下图所示的零电压开关PWM变换器。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,Buck型ZVS-PWM变换器,Buck型ZVS-PWM变换器的一个工作周期分为7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。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,第1阶段：t0t1，谐振电容充电阶段 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开始减小，二极管VD导通，进入第2阶段。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,第2阶段：t1t2，谐振电感放电阶段 t1时刻，二极管VD导通，负载电流一部分经VD续流，一部分经谐振电感给电容充电，电感电流iLr下降，t2时刻，iLr下降到零，这时电容电压达到峰值第2阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,第3阶段：t2t3，负载电流续流阶段 t2时刻，iLr下降到零，uCr达到峰值，随后iLr维持零电流，uCr维持峰值电压，直到t3时刻VTS1导通，第3阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,第4阶段：t3t5，谐振阶段 t3时刻，VTS1导通，Lr，Cr开始谐振，uCr开始下降，iLr反向增大，t4时刻，uCr下降至Ui，iLr达到反向峰值；随后iLr反向减小，uCr继续下降，直至t5时刻，uCr下降到零，第4阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,第5阶段：t5t6，iLr续流阶段 t5时刻，uCr下降到零，iLr经VDS续流，VTS两端电压uCr被箝在零电压，在这段期间开通VTS，VTS将零电压开通，t6时刻反向电流下降到零，VTS在零电压下开通。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,第6阶段：t6t7，谐振电感充电阶段 t6时刻，VTS在零电压下开通，接着流过其中的电流将线性增大，直到t7时刻，iLr达到Io，VD关断，第6阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.1 零开关PWM变换器,第7阶段：t7t8，能量传递阶段 该阶段完成能量从输入到输出的传递任务，直到t8时刻VTS关断，进入下一个工作周期。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,在准谐振变换器中，谐振电感和谐振电容一直参与能量传递，而且它们的电压和电流应力较大。在零开关PWM变换器中，谐振元件虽然不是一直谐振工作，但谐振电感却串联在主功率回路中，损耗较大。同时，开关管和谐振元件的电压应力和电流应力与准谐振变换器的完全相同。为了克服这些缺陷，引入零转换PWM变换器(Zero Transition PWM Converter)的概念。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,零转换PWM变换器它可分为零电压转换PWM变换器(ZVT PWM Converter)和零电流开关PWM变换器(ZCT PWM Converter)。,零电压转换PWM变换器的基本开关单元,零电压转换PWM变换器的基本开关单元,零转换PWM变换器基本开关单元,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,零转换变换器的优点：,辅助电路只是在开关管开关时工作，其他时候不工作，同时，辅助电路不是串联在主功率回路中，而是与主功率回路相并联，从而减小了辅助电路的损耗，使得电路效率有了进一步提高；辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力，主开关管的电压和电流应力很小，与常规的PWM变换器电压和电流应力一样；,由于辅助谐振电路与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。这是它零开关PWM变换器的根本区别，这也使得软开关技术在中大功率变换器中的应用成为可能。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,Boost型零电压转换PWM变换器工作过程分析Boost型零电压转换PWM变换器如下图所示。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,一个开关周期内存在8个不同的工作阶段，其主要工作波形如下图所示。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第1阶段，t0 t1:t0以前，主开关VTS和辅助开关VTS1断态，二极管VD导通。t0时刻，VTS1导通，电感Lr中电流线性上升，VD中的电流线性减小，t1时刻iLr达到Ii，VD中的电流下降到零，VD零电流关断，第1阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第2阶段：t1 t2：t1时刻，iLr达到Ii，VD中的电流下降到零，VD关断，Lr、Cr开始谐振，Cr中的能量开始向Lr转移，iLr继续增大，uCr开始下降，t2时刻，iLr达到峰值，uCr下降到零，第2阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第3阶段：t2 t3：t2时刻，iLr达到峰值，uCr下降到零，随后VDS导通给iLr续流并维持峰值，uCr维持零，直到t3时刻VTS1关断，第3阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第4阶段：t3t4：t3时刻，VTS1关断，VD1导通，iLr和VDS中的电流开始下降，t4时刻，VDS中的电流下降到零，第4阶段结束。在t2t4时间段内，VTS的反并联二极管VDS在导通，这时开通VTS，VTS零电压导通。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第5阶段：t4t5：t4时刻，VDS中的电流下降到零，随后VTS开始导通，iVTs增大，iLr减小，t5时刻，iVTs等于Ii，iLr下降到零，第5阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第6阶段：t5t6：t5时刻，iLr下降到零，iVTs上升到Ii，随后VTS为输入电流提供续流回路。该状态维持到t6时刻，VTS关断，第6阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第7阶段：t6t7：t6时刻，VTS在谐振电容的作用下软关断，随后谐振电容两端电压uCr即VTS两端电压线性上升，t7时刻，uCr上升至Uo，随后VD导通，第7阶段结束。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.2 零转换PWM变换器,第8阶段：t7t8：t7时刻，VD导通，uCr电压被箝在Uo，直到t8时刻，VTS1导通，进入下一个工作周期。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.3 FB PWM软开关变换器,FB PWM软开关变换器的引入在前面已经介绍过移相控制的单相全桥逆变电路，电路与工作波形如下图所示。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,很显然，可以通过调节左桥臂（VT1、VT2）和右桥臂（VT4、VT3）控制信号的相位关系从而可以调节输出电压的大小。,3.3 FB PWM软开关变换器,FB PWM软开关变换器的引入,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,只要负载电流足够大，四只开关管均可实现零电压开通。AB两点间的电压uo为交流方波电压，若AB间接一个变压器，则变压器输出仍为交流方波电压，该电压再经过整流滤波即可得到直流电压，这就是移相全桥PWM DC/DC变换器。,3.3 FB PWM软开关变换器,FB PWM软开关变换器的工作原理在一般的全桥式DC/DC变换器中，VT1和VT4的控制信号是同相位的，VT2和VT3的控制信号是同相位的，在FB PWM软开关变换器中VT1、VT2分别超前VT4、VT3一个相位角j，所以VT1、VT2构成的桥臂称超前桥臂，VT4、VT3构成的桥臂称滞后桥臂。,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,3.3 FB PWM软开关变换器,FB PWM软开关变换器的工作原理,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,假设：1)所有开关管、二极管均为理想器件2)所有电感、电容和变压器均为理想元件3)C1=C2=C3=C4=C4)LLr/n2，n为变压器原副边匝比。,3.3 FB PWM软开关变换器,在一个开关周期中，移相控制ZVSPWM DC/DC全桥变换器有12个工作阶段，下图给出该变换器的工作波形,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1 零电压开关准谐振变换器 2.2 零电流开关准谐振变换器 3、PWM软开关变换器 3.1 零开关PWM变换器 3.2 零转换PWM变换器 3.3 FB PWM软开关变换器,FB PWM软开关变换器的工作原理,1、概述 1.1 功率电路的开关过程 1.2 软开关的特征及分类 2、准谐振软开关变换器 2.1
