几种典型的软开关电路分享.docx

《几种典型的软开关电路分享.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《几种典型的软开关电路分享.docx（16页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、四种典型的软开关电路分享目录1 .编者按12 .软开关基本概念12.1. 硬开关12.2. 软开关23 .软开关电路的分类43. 1.准谐振电路43.2.零开关PWM电路53. 3.零转换PWM电路64.四种典型的软开关电路64.1. 零电压开关准谐振电路74.2. 谐振直流环94. 3.移相全桥型零电压开关PWM电路114. 4.零电压转换PWM电路145. 软开关的进展161 .编者按目前电力电子设备的发展趋势都是小型化，同时对装置的效率和电磁兼容 性有着很高的要求。设备向着高频化的方向发展，这样可以减小滤波器、变压 器等器件的体积和重量，实现小型化和轻重化;但是高频化带来了开关损耗增 大

2、、效率下降和电磁干扰增大等影响。这就引出了我们今天要讨论的话题一一 软开关技术：降低开关损耗和开关噪声;大幅度提高开关频率。2 .软开关基本概念聊软开关之前，我们先说一下硬开关（嗯，不能太“硬”，哈哈）2.1. 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（EOn+EoffJ与开关频率fsw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。以降压型电路为例，了解一下硬开关：SL、 rrr:V 必C ;关断过程开通过程针对

3、开通和关断过程的波形说明如下:2. 2.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。我们还以降压型电路为例，来了解一下软开关：关断过程开通过程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，谐振过程限制了开关过程中电压 和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。图3关断过程开通过程零电压开关和零电流开关零电压开通：开关开通前其两端电压为零，则开

4、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，我们不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开 关。3.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。3.1

5、. 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，用于逆 变器的谐振直流环节(ReSonantDeLink)。分为下面几类：1)零电压开关准谐振电路(ZVS QRCJ2)零电流开关准谐振电路(ZCS QRC)4rw3)零电压开关多谐振电路(ZVS MRCS U.开关损耗和开关噪声都大大下降，但是也伴随着一些负面的问题：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(PUISe Frequency Modulation一PFM)方式来控制。

6、3. 2.零开关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。分为下面两类：1)零电压开关PWM电路(ZVS PWM)2)基本开关单元:3)零电流开关PWM电路(ZCS PWM)4)基本开关单元: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。3. 3.零转换PWM电路电路中采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主 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和从零负载到满载都能工作

7、在软开关状态，而且电路中 无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。具体也分为两类：零电压转换PWM电路(ZVT PWM)和零电流转换PWM 电路(ZeT PWMjo4.四种典型的软开关电路4.1. 零电压开关准谐振电路基本原理图如下:SVDUiLtrrrrrvxRU假设电感L和电容C很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的 损耗。开关电路的工作过程是按开关周期重复的，在分析时可以选择开关周期 中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到简化。理想波形图:Il选择开关S的关断时刻为分析的起点。totl时段，等效电路图如下:to之前，S导通，VD为断态，UCr=O

8、, iLr=IL, to时刻S关断，Cr使S关 断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，S关断后，VD尚未导通;Lr+L向 Cr充电，L等效为电流源，UCr线性上升，同时VD两端电压UVD逐渐下降， 直到tl时刻，uVD=0, VD导通，这一时段UCr的上升率为d er _ ILTt tlt2时段，等效电路图如下：“c if+ I CrA U1Iq .Itl时刻VD导通，L通过VD续流，Cr Lr、Ui形成谐振回路;谐振过程 中，Lr对Cr充电，Uer不断上升，iLr不断下降，直到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，iLr改变方向，UCr不

9、断下降，直 到t3时刻，uCr=Ui,这时,ULr=O, 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=0ot4t5时段:UCr被箝位于零,ULr=Ui, iLr线性衰减,直到t5时刻, iLr=0o由于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才 不会产生开通损耗。t5t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL, VD关断。t4到t6时段电流iLr的变化率为dr Lrt6t时段：S为通态，VD为断态。谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本数量 关系为UCr(即开关S的电压U

10、S)的表达式%=后4 sinq(Il)+3,rr14tLt4上的最大值即UCr的谐振峰值，就是开关S承受的峰值电压，表达 式为零电压开关准谐振电路实现软开关的条件如果正弦项的幅值小于Ui, UCr就不可能谐振到零，S也就不可能实现零电压开通。零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2 倍，开关S的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。4. 2.谐振直流环基本原理图如下:应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节(DC-Link),通过在直流环 节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。辅助开关S使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下，

11、实际电路 中开关S可以不需要，S的开关动作用逆变电路中开关的直通与关断来代替。 电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不 变的，负载电流视为常量。谐振直流环等效电路图：以开关S关断时刻为起点。理想波形图：totl时段：to之前，iLr大于IL, S导通，to时刻S关断，电路中发生谐 振，因为iLrIL,因此iLr对Cr充电，UCr不断升高，直到tl时刻，uCr=Uiotlt2时段：tl时刻由于UCr=Ui, ULr=O,因此谐振电流iLr达到峰值, tl以后，iLr继续向Cr充电并不断减小，而UCr进一步升高，直到t2时刻 iL=IL, uCr达到谐振峰值。t2t3

12、时段：t2以后，UCr向Lr和IL放电，iLr继续降低，到零后反向，Cr继续向Lr放电，iLr反向增加,直到t3时刻UCr=ULt3t4时段：t3时刻，UCr=Ui, iLr达到反向谐振峰值，然后iLr开始衰 减，UCr继续下降，直到t4时刻，uCr=0, VDS导通，UCr被箝位于零。t4t时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t时刻，S再次关断。4. 3.移相全桥型零电压开关PWM电路基本原理图如下：电路简单，仅仅增加了一个谐振电感，就使电路中四个开关器件都在零电 压的条件下开通。在一个开关周期TS内，每一个开关导通的时间都略小于TS/2,而关断的 时间都略大于TS/2。同一个半桥中上下两

13、个开关不同时处于通态，每一个开 关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。互为对角的两对开关Sl- S4和S2-S3, SI的波形比S4超前OTS/2时间，而S2的波形比S3超前OTS/2 时间，因此称Sl和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。理想波形图：ttl时段：Sl与S4都导通，直到tl时刻Sl关断。tlt2时段：等效电路图tl时刻Sl关断后，CK C2与Lr、L构成谐振回路，谐振开始时uA(tl)=Ui,在谐振过程中，UA不断下降，直到UA=0, VDS2导通，iLr通过 VDS2续流。t23时段：t2时亥U S2开通，由于VDS2导通，因此S2开通时电压为零，开通过程中

14、不会产生开关损耗，S2开通后，电路状态也不会改变，继续保 持到t3时刻S4关断。t3t4时段：等效电路图t4时刻开关S4关断后，这时C3、C4与Lr构成谐振同路，谐振过程中iLr 不断减小，B点电压不断上升，直到VDS3导通;这种状态维持到t4时刻S3开 通，S3开通时VDS3导通，因此S3是在零电压的条件下开通，开通损耗为 零。t4t5时段：S3开通后，iLr继续减小，下降到零后反向，再不断增大， 直到t5时亥IJiLr=ILkT, iVDl下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。tt5时段：正好是开关周期的一半，而在另一半开关周期t5 t时段中， 电路的工作的过程与tt5时段完全对称。

15、4. 4.零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路(PFC)、DC-DC 变换器、斩波器等。以升压电路为例，在分析中假设电感L、电容C很大，可以忽略电流和输 出电压的波动，在分析中还忽略元件与线路中的损耗。基本原理图如下：在零电压转换PWM电路中，辅助开关Sl超前于主开关S开通，而S开通后Sl就关断了，主要的谐振过程都集中在S开通前后。理想波形图：totl时段：辅助开关先于主开关开通，由于此时VD尚处于通态，所以 ULr=UO, iLr按线性迅速增长，iVD以同样的速率下降，直到tl时刻， iLr=IL, iVD下降到零，二极管自然关断。tl2时段：等效电路图7LLr与Cr构成谐振回路，由于L很大，谐振过程中其电流基本不变，对谐 振影响很小，可以忽略;谐振过程中i