直流开关电源的软开关技术.ppt

1,电力变换系统的软开关技术直流开关电源,2,软开关电力电子变换技术是近年来电力电子学领域中的一个热门话题。对软开关（soft switching)理论的深入研究，以及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换器的设计出现了革命性的变化。变换器具有更高的效率自身损耗大大降低变换器具有更高的功率密度自身的体积和重量大大减小，以及更高的可靠性有效地减小电力变换装置引起的电磁污染（EMI）和环境污染（噪声等），为未来 大力发展绿色（无公害或低公害的电力电子产品提供了有效的方式和方法。正因为软开关技术的诸多优点使其理论一出现就显示出了蓬勃的生命力，并受到各国专家学者的广泛重视。现在每年在世界上都有大量的相关论文发表，应用软开关技术的电力电子变换器也越来越多地推向市场，将来也必将取代传统的硬开关电力电子变换器。本课特点：理论与实际相结合。学习方法：理解 消化原理、理解过程、掌握分析方法教材：直流开关电源的软开关技术阮新波等主编,3,课时要求,本课总学时：32学时，每次3学时成绩评定：试卷80分；平时成绩20分平时成绩包括：讨论、出勤率等,4,讲课主要内容,1.直流开关电源的基本电路拓扑2.谐振变换器3.准谐振变换器 4.多谐振变换器5.ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器6.零电压转换（ZVT）PWM变换器7.零电流转换（ZCT）PWM变换器8.正激变换器的磁复位技术 9.移相控制ZCS ZVS PWM DC/DC全桥变换器10.移相控制ZCS PWM DC/DC全桥变换器 11.现代软开关电源应用设计举例,5,1.1 概述1.开关电源的分类（1）现代开关电源：直流开关电源输出质量较高的直流电 交流开关电源输出质量较高的交流电 核心：电力电子变换器应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电 能的装置（2）按转换电能的种类：直流直流变换器：它是一种将直流电能转变成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件 逆变器：是将直流电转换为交流电的电能转换是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件 整流器：是将交流电转换为直流电的电能变换器 交交变频器：是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的交流 电，或是将变 频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器,一、直流开关电源的基本电路拓扑,6,1.直流变换器的分类（1）根据输入与输出间是否有电气隔离 非隔离式直流变换器单管直流变换器 降压式（Buck)、升压式（Boost)、升压式/降压式（Buck/Boost)、Cuk、Zeta、Sepic在六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生出来的。双管串接的升 降压式（Buck/Boost)变换器四管直流变换器 全桥直流变换器(Full-bridge converter)隔离式直流变换器 有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同的电压输出。变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故四管变换器的输出功率最大，而单管变换器的输出功率最小。没有隔离的变换器可和有隔离的变换器组合得到单个变换器不具备的特性。,一、直流开关电源的基本电路拓扑,7,（2）根据能量传递 单向直流变换器 双向直流变换器（3）根据开关管控制信号的生成 自激式直流变换器 它激式直流变换器（4）根据开关管的开关条件 硬开关直流变换器(Hard switching)软开关直流变换器(Soft switching)2.直流开关电源及其应用3.对直流开关电源的要求 高的可靠性、好的可维修性、小的体积重量、低的价格及使用费用和好的电气性能,一、直流开关电源的基本电路拓扑,8,4.直流开关电源的发展动向（1）开关电源发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模 块化。开关电源轻、小、薄关键技术是高频化，（2）模块化是开关电源发展总体趋势，可以采用模块化电源组成分布 式电源系统，可以设计成N1冗余电源系统，并实现并联方式容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化 其噪声也必将增大，而采用部分谐振转换电路技术，理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存着技术问题，故仍需这一领域开展大量工作，以使该项技术以实用化。（3）电力电子技术不断创新，使开关电源产业有着广阔发展前景。要加快我国开关电源产业发展速度，就必须走技术创新之路，走出有 中国特色产学研联合发展之路，为我国国民经济高速发展做出贡献。,一、直流开关电源的基本电路拓扑,9,1.2 基本电路拓扑 1.2.1 非隔离式直流变换器的基本电路拓扑1.降压式(Buck)变换器,一、直流开关电源的基本电路拓扑,工作模式：连续、临界、非连续,D,10,一、直流开关电源的基本电路拓扑,11,12,2.升压式(Boost)变换器,一、直流开关电源的基本电路拓扑,(a)常规boost结构图,工作模式：连续、临界、非连续,13,一、直流开关电源的基本电路拓扑,14,一、直流开关电源的基本电路拓扑,Toff,T,电感电流断续工作时，输出电压Vo、输入电压Vin、负载电流Io和占空比D的关系。由此可知，电流断续时，即使输入电压Vin不变时，为了保持输出电压Vo恒定，也应随负载电流的不同来调节占空比D。,ILmax,15,1.2.2 隔离式直流变换器的基本电路拓扑,一、直流开关电源的基本电路拓扑,1.正激（Forward)变换器,16,一、直流开关电源的基本电路拓扑,17,一、直流开关电源的基本电路拓扑,18,一、直流开关电源的基本电路拓扑,2.反激（Flyback)变换器,19,一、直流开关电源的基本电路拓扑,20,一、直流开关电源的基本电路拓扑,电流断续,电流连续,21,二、谐振变换器,非常高電圧変化率（dv/dt）電流変化率（di/dt）,電圧電流発生,電力損失増大,1.软开关技术的提出,22,2.软开关技术的实现策略,二、谐振变换器,緩電圧変化率（dv/dt）電流変化率（di/dt）,電圧電流抑制,電力損失低減,23,二、谐振变换器,24,二、谐振变换器,3.谐振变换器的分类,3.1 全谐振变换器（谐振变换器）（Resonant converters)该类变换器实际上是负载谐振变换器（1）按照谐振元件的谐振方式分 串联谐振变换器(Series resonant converters,SRCs)并联谐振变换器（Parallel resonant converters,PRCs)（2）按照负载与谐振电路的连接关系分 串联负载(或串联输出）谐振变换器(Series load resonant converters,SLRCs)并联负载(或并联输出）谐振变换器(Parallel load resonant converters,PLRCs)全谐振变换器的特点在谐振变换器中，谐振元件一直参与谐振工作，参与能量的全过程，该类变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法,25,3.2 准谐振变换器（Quasi Resonant converters,QRCs)与多谐振变换器（Multi Resonant converters,MRCs)（1）准谐振变换器分 零电流开关准谐振变换器(Zero current switching Quasi Resonant converters，ZCS QRCs)零电压开关准谐振变换器(Zero voltage switching Quasi Resonant converters，ZVS QRCs)（2）多谐振变换器 零电压开关多谐振变换器(Zero voltage switching Multi Resonant converters，ZVS MRCs)该类变换器的特点软开管技术的一次飞跃，谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。一般采用频率调制方法,二、谐振变换器,26,二、谐振变换器,3.3 零开关PWM变换器(Zero switching PWM converters)零电压开关PWM变换器(Zero voltage switching PWM converters)零电流开关PWM变换器(Zero current switching PWM converters)该类变换器的特点该类变换器是在QRCs的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。与QRCs不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1/101/5。,27,二、谐振变换器,3.4 零转换PWM变换器(Zero transition PWM converters)零电压转换PWM变换器(Zero voltage transition PWM converters，ZVT PWM converters)零电流开关PWM变换器(Zero current transition PWM converters，ZCT PWM converters)该类变换器的特点该类变换器是软开技术的又一次飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其它时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。在直流开关电源的软开关技术中，还有无源无损软开关技术，即不附加有源器件，只是采用电感、电容和二极管来构成无损缓冲网络。,28,二、谐振变换器,4.谐振电路的基本概念,4.1 串联谐振电路,基本串联谐振电路,Lr是谐振电感，Cr 是谐振电容，Vin 是输入直流电源。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为 vCr(t0)=vC0,4.1.1 基本串联谐振电路,29,如果不计电路的损耗，那么从t0 时刻开始，谐振电感和谐振电容自由谐振工作。电路的微分方程为：,二、谐振变换器,30,当，时，,二、谐振变换器,31,4.1.2 谐振电路并联电流源,二、谐振变换器,基本串联谐振电路的谐振电容并联电流源,32,二、谐振变换器,33,二、谐振变换器,34,二、谐振变换器,4.1.3 谐振电路中串联负载电阻,谐振回路中串联负载电阻,负载电阻R串联在谐振回路中，输入电源为正弦交流电，那么谐振电感电流也为交流电，为输入电源的角频率，为输入电源的频率。,35,二、谐振变换器,4.2 并联谐振电路,4.2.1 基本并联谐振电路,并联谐振电路,36,二、谐振变换器,37,二、谐振变换器,38,4.2.2 谐振电容并联负载电阻,二、谐振变换器,具有负载电阻R的并联谐振电路,负载电阻R并联在谐振回路中，输入电源为正弦交流电，那么谐振电容电压也为交流电，为输入电源的角频率，为输入电源的频率。,39,二、谐振变换器,5.串联负载串联谐振变换器,5.1 回路拓扑,这是一个典型的串联谐振变换器,Q1-Q4是主开关管,D1-D4 是续流二极管,Lr、Cr 组成谐振回路。假设各电路元件均为理想的特性，并将一个完整的工作周期分为四个模式,40,(a)Q1,Q4导通 iLr0,二、谐振变换器,5.2 工作原理,(b)D1、D4导通，iLr0,(c)Q2,Q3导通 iLr0,(d)D2、D3导通，iLr0,41,二、谐振变换器,(e)Q1 Q4，D1 D4均关断，iLr=0各工作状态的等效电路,5.2 工作原理,42,二、谐振变换器,不同开关模态的统一等效电路,等效电源电压VE与导通器件和谐振电感电流的关系,5.2 工作原理,43,二、谐振变换器,5.2 工作原理,44,二、谐振变换器,根据开关频率fs的不同，变换器有三种工作模式：（1）当fs fr，变换器为电流连续工作方式。下面分析这三种工作方式的工作原理。,当fs(1/2)fr时，变换器为电流断续工作方式,45,二、谐振变换器,(a)Q1,Q4导通 iLr0,开关模态1(t0t1),经过(1/2)Tr，在t1时刻iLr减小到零，即 iLr(t1)=0，此时vcr(t1)=2Vin。开关模态1结束，它的持续时间为：t01=(1/2)Tr,46,二、谐振变换器,(b)D1、D4导通，iLr0,开关模态2(t1t2),经过(1/2)Tr，在t2时刻iLr减小到零，即 iLr(t2)=0，此时vcr(t2)=2V0。开关模态1结束，它的持续时间为：t12=(1/2)Tr,47,二、谐振变换器,(e)Q1 Q4，D1 D4均关断，iLr=0,开关模态3(t2 t3),在此开关模态中，所有开关管和二极管均关断，iLr为零，iLr=0不变，此时vcr电压保持 vcr=2V0不变。在t3时刻，即(1/2)Ts时刻,开关管Q2、Q3以零电流开通，开始另一个半开关周期,48,从上面的分析可以看出，当fs(1/2)fr时，谐振电感电流断续工作。开关管为零电流开通，零电流零电压关断；开关管的反并联二极管为自然开通和关断。3.通过控制开关模态3的时间，即控制为零的时间，就可以调节输出电压，实际上就是采用调节频率的方式调节输出电压。,二、谐振变换器,49,低于谐振频率工作当(1/2)fr fsfr时，变换器为电流连续工作方式,二、谐振变换器,(a)D2,D3导通 iLr0,开关模态1(t0t1),在t1时刻,vcr上升到零，即vcr(t1)=0开关模态1结束,50,二、谐振变换器,(b)Q1,Q4导通 iLr0,开关模态2(t1t2),在t2时刻,iLr减小到零，即iLr(t2)=0开关模态2结束,51,二、谐振变换器,(c)D2,D4导通 iLr0,开关模态3(t2t3),52,二、谐振变换器,二、谐振变换器,(b)Q2,Q3导通 iLr0,开关模态4(t3t4),53,从上面的分析可以看出，当(1/2)fr fs fr时，谐振电感电流连续工作。开关管为零电流零电压关断，但开通为硬开通，存在开通损耗。反并联二极管为自然开通，但关断时有反相恢复电流，因此反并联二极管必须采用快速恢复二极管。,二、谐振变换器,54,二、谐振变换器,高于谐振频率工作fsfr 时，变换器为电流连续工作方式,(a)Q1,Q4导通 iLr0,55,二、谐振变换器,56,二、谐振变换器,从上面的分析可以看出，当 fs fr时，谐振电感电流连续工作。开关管为零电流零电压开通，但关断为硬关断，存在关断损耗。反并联二极管为自然关断。,57,1.准谐振变换器（Quasi Resonant converters,QRCs)与多谐振变换器（Multi Resonant converters,MRCs)1.1 准谐振变换器准谐振变换器分类：零电流开关准谐振变换器(Zero current switching Quasi Resonant converters，ZCS QRCs)零电压开关准谐振变换器(Zero voltage switching Quasi Resonant converters，ZVS QRCs)该类变换器的特点软开管技术的一次飞跃，谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。一般采用频率调制方法,三、准谐振变换器与多谐振变换器,58,三、准谐振变换器与多谐振变换器,1.2 零电流零电压开关,59,备注,三、准谐振变换器与多谐振变换器,1.2 零电流开关准谐振变换器,60,备注,三、准谐振变换器与多谐振变换器,61,三、准谐振变换器与多谐振变换器,62,三、准谐振变换器与多谐振变换器,63,三、准谐振变换器与多谐振变换器,64,三、准谐振变换器与多谐振变换器,65,三、准谐振变换器与多谐振变换器,66,其中不含有3的n次倍数的谐波。,三、准谐振变换器与多谐振变换器,67,备注,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,4.1 ZCS PWM变换器,68,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,69,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,70,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,71,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,72,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,73,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,74,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,谐振网络的参数设计,75,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,76,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,仿真与实验,77,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,仿真,78,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,实验,79,四、ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器,结论,80,五、ZVT PWM变换器和ZCT PWM变换器,主电路拓扑结构：S1、D1、Lm和Co分别为回路的主开关管、输出整流二极管、输入滤波电感和输出滤波电容，DS1是主开关管S1的反并联二极管。有源辅助谐振网络由辅助开关管S2，谐振电感Lr、谐振电容CS、谐振电容Cr和二极管D2组成，DS1是辅助开关管S2的反并联二极管。,81,图2和图3分别给出了变换器工作时的主要波形和模式图。图中vgS1、vgS2分别为主开关管S1和辅助开关管S2的驱动波形。为简化分析，做如下假设：电路中所有器件都是理想的，输入滤波电感Lm足够大，用恒流源ILm代替。输出滤波电容Co足够大，用恒压源Vo代替。设tt0以前，主开关管S1和辅助开关管S2关断，谐振电容CS的电压为输出电压Vo，谐振电容Cr的电压为零。一个开关周期内有9种运行模式，如图3所示。,82,83,（1）模式1：t0t1 如图3(a)所示。在t0时刻，辅助管S2开通，Lr和Cr发生谐振，流过输出整流二极管D1的电流iD1开始向Lr换流，在Lr的作用下，S2为ZCS开通。Lr的电流iLr从零开始上升，D1的电流从ILm开始减小当D1的电流减小到零时，自然地ZCS关断。,84,（2）模式2：t1t2 如图3(b)所示。t1时刻，iD1=0，整流二极管D1零电流关断，Lr与CS、Cr发生谐振，CS 的电压逐渐降低，Cr的电压vCr继续上升,当CS的电压vCs下降到与Cr的电压vCr相等，Lr的电流iLr谐振到最大值iLrpeak，随后Lr的电流iLr开使谐振下降，Cr的电压vCr继续谐振上升，当CS的电压vCs谐振下降零时，这个时间段结束。,85,（3）模式3：t2t3 如图3(c)所示。t2时刻，vCs=0，DS1自然导通，Lr与Cr发生谐振，Cr的电压vCr继续上升，当iLr谐振下降ILm时，这个时间段结束。在DS1自然导通期间的任何时刻开通主开关管S1均可实现主开关管S1零电压零电流开通。,86,（4）模式4：t3t4 如图3(d)所示。t3时刻，iLr谐振下降到ILm，DS1关断，主开关管S1开始流过正向电流，vCr继续谐振上升，当谐振电流iLr下降到零时，谐振电压vCr达到最大值时这个时间段结束,87,（5）模式5：t4t5 如图3(e)所示。t4时刻，当iLr谐振下降到零时，即流过主开关管S1的电流大于ILm时，辅助开关管的反并联二极管DS2导通，Lr与Cr发生反向谐振，iLr从零谐振到负的最大值再回到零，vCr由vCrmax变为-vCrmax。在DS2导通期间的任何时刻关断辅助开关管S2均可实现辅助开关管S2零电压零电流关断。,88,（6）模式6：t5t6 如图3(f)所示。t5时刻，当反向谐振电流iLr为零时，DS2零电流关断，主开关管S1的电流为滤波电感Lm的电流ILm，Cr的电压vCr保持-vCrmax不变，电路恢复到传统的PWM工作状态,89,（7）模式7：t6t7 如图3(g)所示。t6时刻，主开关管S1关断，CS的电压vCs从零开始线性上升，S1为ZVS关断。,当CS的电压vCs=Vo-vCrmax时，这个时间段结束。,90,（8）模式8：t7t8 如图3(h)所示。t7时刻，vCs=Vo-vCrmax，D2导通，Lm的电流ILm通过Cr、D2流向负载，vCs继续上升，Cr开始下降，,当S的电压vCS上升到输出电压Vo，即Cr的电压vCr下降到零时，这个时间段结束。,91,（9）模式9：t8t9(t0)如图3(i)所示。t8时刻，CS的电压vCs下降到输出电压Vo时，即Cr的电压vCr下降到零时，D2关断，输出整流二极管D1开通，电路又回到传统的PWM工作状态。t9(t0)时刻，辅助开关管S2开通，电路又重复上一个周期的工作。,92,实验参数基于上述电路拓扑和分析，制作了如图6所示的16kHz、3kW IGBT原理样机。输入电压VS=200V，输出电压Vo=380V，输出容量范围Po=1kW3kW，开关管S1、辅助开关管S2采用三菱CM75DU-24H模块，输出D1采用高效率高速整流二极管（东芝30JL2C41），D2采用高耐压超高速软恢复二极管（日立DFM30F12），输入滤波电感Lm=1.024mH，谐振电感Lr=7.6uH（日本IPEC HD3729-0808R），谐振电容Cr=121nF（日本指月电机MIC-ST），谐振缓冲电容CS=33uF（日本尼吉康 XD），输出平滑电容Co=8200uF（电解电容）。,93,94,(a)S1开通、关断时的仿真和实验波形,输出容量Po=780W时的实验波形,95,(b)S2开通、关断时的仿真和实验波形,输出容量Po=780W时的实验波形,96,(c)D1开通、关断时的仿真和实验波形,输出容量Po=780W时的实验波形,97,(a)S1开通、关断时的波形,输出容量Po=3kW时的实验波形,98,(b)D1开通、关断时的波形,输出容量Po=3kW时的实验波形,99,(c)S2开通、关断时的波形,输出容量Po=3kW时的实验波形,100,带箝位二极管DC的新型无源辅助谐振变换器,图10 带箝位二极管DC时的S2开通、关断时的波形,原拓扑存在的问题及解决方法,101,主开关管S1的温度特性(Po=3kW),温度特性,102,效率曲线,效率特性,103,EMI测定装置,104,(a)天线水平状态(b)天线垂直状态,EMI测定结果,105,结论 本文构造了一种新型有源辅助谐振换流软开关变换器电路拓扑，详细分析了该变换器的工作原理，给出了软开关实现条件和谐振网络的参数设计。通过理论分析和在3kW原理样机的实验研究得出如下结论：通过采用简单的有源辅助谐振网络实现了开关管的软开关，消除了电压和电流交叠现象、降低了开关损耗；di/dt，dv/dt小，减小了开关管的电压和电流应力，同时也解决了硬开关PWM变换器引起的EMI问题、输出整流二极管的反向恢复问题；在很宽的负载范围内，零电流、零电压开关条件均可以得到保证；在3kW原理样机上得到97.8%的实测高效率。该电路适宜大中功率的软开关变换器。,