《电力电子技术》软开关技术-课件.ppt

1、电力电子技术 Friday,August 04,20231ppt课件课程名称：电力电子技术(Power Electronics)学 分：4总 学 时：64适用专业：电气工程及其自动化、自动化 先修课程：电机与拖动、电子技术基础、电路原理等2ppt课件第8章 软开关技术 3ppt课件第8章 软开关技术 引言 现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。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。4ppt课件8.1 软开关的基本概念 5ppt课件8.1.

2、1 硬开关和软开关硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。t0a）硬开关的开通过程）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程）硬开关的关断过程图图81 硬开关的开关过程硬开关的开关过程uiP0uituuiiP006ppt课件开关过程7ppt课件8.1.1 硬开关和软开关软开关：在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程）软开关的开通过程b）软开关的关断过程）软开关的关断过程图图82 软开关的开关过程软开关的开关过

3、程8ppt课件8.1.2 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。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。靠电路中的谐振来实现。9ppt课件8.2 软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为 零电压电路和 零电流电路两大类。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

4、。每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。10ppt课件8.2 软开关电路的分类图图8 83基本开关单元的概念基本开关单元的概念a）基本开关单元）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元）降压斩波器中的基本开关单元c）升压斩波器中的基本开关单元）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元）升降压斩波器中的基本开关单元11ppt课件8.2 软开关电路的分类 1）准谐振电路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。是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

5、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。三类软开关电路12ppt课件8.2 软开关电路的分类准谐振电路可分为：准谐振电路可分为：用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link）。图84 准谐振电路的基本开关单元c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元 零 电 压 开 关 多 谐 振 电 路 (Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元 零 电

6、 流 开 关 准 谐 振 电 路 (Zero-Current-Switching Q u a s i-R e s o n a n t ConverterZCS QRC）a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零 电 压 开 关 准 谐 振 电 路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）13ppt课件8.2 软开关电路的分类 2）零开关PWM电路 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。零开关PWM电路可以分为：特点：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在软开关状态。电路中无功功率的交

7、换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。b)零电流开关PWM电路的基本开关单元图85 零开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM ConverterZCS PWM）a)零电压开关PWM电路的基本开关单元 零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）14ppt课件8.2 软开关电路的分类 3）零转换PWM电路 采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。零转换PWM电路可以分为：特点：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在软开关状态。

8、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。b）零电流转换PWM电路的基本开关单元图86 零转换PWM电路的基本开关单元零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）a a）零电压转换）零电压转换PWMPWM电路电路的基本开关单元的基本开关单元零电压转换PWM电路（Zero-Voltage Transition PWM ConverterZVT PWM）15ppt课件8.3 典型的软开关电路16ppt课件8.3.1 零电压开关准谐振电路1）电路结构以降压型为例:假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压源，

9、并忽略电路中的损耗。图8-7 零电压开关准谐振电路原理图17ppt课件8.3.1 零电压开关准谐振电路选择开关S关断时刻为分析的起点。t0t1时段：t0之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，与其并联的电容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。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，VD导通。时时 段段的的 上上 升升 率率：01rCCrLrttuduIdtC 2）工作原理工作原理t0t1时段的等效电路18ppt课件8.3.1 零电压开关准谐振电路2）工作原理工

10、作原理t0t1时段的等效电路时段的等效电路SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图8 88 8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形19ppt课件8.3.1 零电压开关准谐振电路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。t1t2时段的等效电路时段的等效电路

11、uSS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图8 88 8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形20ppt课件8.3.1 零电压开关准谐振电路1114r rr rr ri ir rr rr rr ri ir r （8 8-2 2）从从 到到 时时段段电电路路谐谐振振过过程程的的方方程程为为：14dddd,LCCLCLLttttiLuUtuCituUiItt ttt 21ppt课件8.3.1 零电压开关准谐振电路SS(uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图8 88 8零电压开关准谐振电路

12、的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形被被箝箝位位于于零零，线线性性衰衰减减，直直到到 时时刻刻，。由由于于此此时时开开关关 两两端端电电压压为为零零，所所以以必必须须在在此此时时开开通通，才才不不会会产产生生开开通通损损耗耗。为为通通态态，线线性性上上升升，直直到到 时时刻刻，关关断断。为为通通态态，为为断断态态。到到 时时段段电电流流的的变变化化率率为为：（8 8-3 3）时时段段：时时段段：时时段段：CrLr5Lr5LrL46r65460uiti0SSSiLrt6iIVDS*VD*t t*t t*t tiLrrLttiUdidtL 22ppt课件8.3.1 零电压开关准谐振电路1141

13、r rS Sr rr rr ri ir rr rr rr rr rr rp pi ir rr ri ir r求求解解式式（8 8 2 2）可可得得（即即开开关关S S的的电电压压）的的表表达达式式：（8 84 4）的的谐谐振振峰峰值值表表达达式式（即即开开关关S S承承受受的的峰峰值值电电压压）：（8 8 5 5）零零电电压压开开关关准准谐谐振振电电路路实实现现软软开开关关的的条条件件：谐谐振振过过程程定定量量分分析析()sin(),CCLCLLuuLutIttUtt tCL CuLUIUCLIUC （8 8 6 6）23ppt课件8.3.2 谐振直流环谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换

14、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。1）电路结构电路结构图 8-11 谐振直流环电路原理图由于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，因此分析时可将电路等效。图 8-12 谐振直流环电路的等效电路 24ppt课件8.3.2 谐振直流环t0t1t2t3t4t0iL ruCrUinILttOO图图 8-13 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 图图 8-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 2）工作原理工作原理时时刻刻之之前前，开开关关 处处于于通通态态，

15、。时时刻刻 关关断断，电电路路中中发发生生谐谐振振。对对充充电电，时时刻刻，。时时刻刻，谐谐振振电电流流达达到到峰峰值值。时时刻刻以以后后，继继续续向向充充电电，直直到到时时刻刻，达达到到谐谐振振峰峰值值。时时段段：时时段段：0r0rr1ri1r1rr2rr0112*S*S*LLLCLLLLCtiItiCtuUtitiCtiIutttt 25ppt课件8.3.2 谐振直流环t0t1t2t3t4t0iL ruCrUinILttOO图图 8-13 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 图图 8-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 000C Cr rr rL Lr

16、 r3 3C Cr ri i3 3L Lr rC Cr r4 4C Cr rS SC Cr rL Lr r2 23 33 34 44 4u u 向向L L 和和L L放放电电，i i 降降低低，到到零零后后反反向向，直直到到t t 时时刻刻u uU U。t t 时时刻刻，i i 达达到到反反向向谐谐振振峰峰值值，开开始始衰衰减减，u u 继继续续下下降降，t t 时时刻刻，u u，S S的的反反并并联联二二极极管管V VD D 导导通通，u u 被被箝箝位位于于零零。S S导导通通，电电流流i i 线线性性上上升升，直直到到t t 时时刻刻，S S再再次次关关断断。电电压压谐谐振振峰峰值值很很

17、高高，增增加加了了对对开开关关器器件件耐耐压压的的要要求求。t tt t 时时段段：t tt t 时时段段：t tt t 时时段段：*26ppt课件8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一。特点：电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。图图 8-14 8-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路27ppt课件8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路图图 8-14 8-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路 1）移相全桥电路控制方式的）移相全桥电路控制方式的特点

18、：在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。28ppt课件8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 互为对角的两对开关S1S4和S2S3，S1的波形比S4超前0TS/2时间，而S2的波形比S3超前0TS/2时间，称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。图图 8-14 8-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路29ppt课件 2）工作过程：S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7

19、t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图 8-15 移相全桥电路的理想化波形30ppt课件8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路 2）工作过程：iLriLkT:1CS1S4LrLVD1UiUo+CS2VDS2AR图816 移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路图001 14 4i ir rL Lr r1 11 11 11 11 12 2r rr r1 11 12 2S S2 2r rS S2 22 22 2S S2 22 2r r2 23 3S S 与与S S 导导通通，=I I 直直到到 时时刻刻S S 关关断断。时时刻刻开开关关S S 关关断断后后，电电容容

20、、与与电电感感、构构成成谐谐振振回回路路，不不断断下下降降，略略有有下下降降。直直到到，V VD D导导通通，电电流流通通过过V VD D 续续流流。时时刻刻开开关关S S 开开通通，由由于于此此时时其其反反并并联联二二极极管管V VD D 正正处处于于导导通通状状态态，因因此此S S 为为零零电电压压开开通通。继继续续下下降降。时时段段：时时段段：时时段段：*ALssALALLuUittCCLLuiutitittttt S2在在t2时开通时开通-零电压零电压31ppt课件8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路图图 8-178-17移相全桥电路在移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路阶段的等

21、效电路3434S3S4rS3S4r34341212r r3S33S343433 3tttt 时时段段：因因此此C C、C C 与与L L构构成成谐谐振振t t 时时刻刻开开关关S S 关关断断后后，变变压压器器二二次次侧侧VDVD 和和VDVD 同同时时导导通通，变变压压器器一一次次侧侧和和二二次次侧侧电电压压均均为为零零，相相当当于于短短路路，L L 的的电电流流不不断断减减小小，B B点点电电压压不不断断上上升升，直直到到S S 的的反反并并联联二二极极管管VDVD导导通通。这这种种状状态态维维持持到到t t 时时刻刻S S开开通通回回。因因此此S S 为为零零电电压压开开通通。路路。32

22、ppt课件8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 8-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形01 13r3rr5r5rTrT5 52 24545S S 开开通通后后，的的电电流流继继续续减减小小。下下降降到到零零后后反反向向增增大大，时时刻刻，变变压压器器二二次次侧侧VDVD 的的电电流流下下降降到到零零而而关关断断，电电流流全全部部转转移移到到VDVD 中中。是是开开关关周周期期的的一一半半，另另一一半半工

23、工作作过过程程完完全全对对称称时时段段：。/LLLLttLitiIktIt 33ppt课件8.3.4 零电压转换PWM电路图818 升压型零电压转换PWM电路的原理图 零电压转换零电压转换PWMPWM电路具有电路简单、效率高等优点。电路具有电路简单、效率高等优点。34ppt课件8.3.4 零电压转换PWM电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图8 819 19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWMPWM电路的理电路的理想化波形想化波形0001 11 1r ro or rr r1 11 11 1）工工作作过过程程：辅辅助助开开关关

24、S S1 1超超前前于于主主开开关关S S开开通通，S S开开通通后后S S1 1关关断断。时时刻刻前前，S S、S S 都都关关断断。V VD D导导通通。S S 导导通通，V VD D尚尚处处于于通通态态，电电感感两两端端电电压压为为，电电流流线线性性增增长长:V VD D中中的的电电流流以以同同样样的的速速率率下下降降，V VD D中中电电流流下下降降到到零零关关断断。时时段段：时时刻刻，时时刻刻，.:.LiLrriDrLLtLUiUdidtLUdidtLittttI 35ppt课件8.3.4 零电压转换PWM电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttt

25、tttOOOOOOOO图图819 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路电路的理想化波形的理想化波形010101r rr rr rr rs s2 2r rS Sr rr rr rr r1 12 2与与构构成成谐谐振振回回路路，的的电电流流增增加加而而的的电电压压（u u）下下降降，时时刻刻，V VD D 导导通通，被被箝箝位位于于零零，而而电电流流保保持持不不变变。时时：，段段()sin()()cos()CCLLirCrrrrrLCLCtuuiUitIttZutUttLLtZtCC 36ppt课件8.3.4 零电压转换PWM电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t

26、5ttttttttOOOOOOOO图图819 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路电路的理想化波形的理想化波形r rr r3 31 12 23 3被被箝箝位位于于零零，而而电电流流保保持持不不变变，这这种种状状态态一一直直保保持持到到 时时刻刻S S开开通通、S S 关关。：断断时时段段CLttuit37ppt课件8.3.4 零电压转换PWM电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图819 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的理电路的理想化波形想化波形033001303 31r1r1 1r r4Lr14Lr1SLSL3

27、434t t 时时刻刻S S开开通通时时，为为零零电电压压开开通通。S S开开通通的的同同时时S S 关关断断，L L 中中的的能能量量通通过过VDVD向向负负载载侧侧输输送送，其其电电流流线线性性下下降降，主主开开关关S S中中的的电电流流线线性性上上升升。（）t t 时时刻刻i i，VDVD 关关断断，主主开开关关S S中中的的电电流流iIiI，tttt 时时段段电电路路进进入入正正：常常导导通通状状态态。*()()()()LLrrSrrUitItttLUUitttZL 38ppt课件8.3.4 零电压转换PWM电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttt

28、tttOOOOOOOO图图819 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的理电路的理想化波形想化波形1 14 45 5r r5 5主主开开关关S S导导通通，S S 和和VDVD都都关关断断。滤滤波波电电容容给给负负载载供供电电。t t 时时刻刻S S关关断断。C C 限限制制了了S S电电压压的的上上升升率率，降降低低了了S St t的的关关断断损损耗耗。t t 时时段段：*39ppt课件8.3.4 零电压转换PWM电路SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图819 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路电路的理想化波形的理

29、想化波形55 5C Cr rC Cr r5 56 6r rt t 时时刻刻S S关关断断。此此时时给给谐谐振振电电容容C Cr r充充电电，谐谐振振电电容容电电压压u u 线线性性上上升升，u ut tt t 时时段段：().*rLttC 40ppt课件本章小结本章的重点为：1）软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。2）软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类。每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。3）零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。41ppt课件习题：高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量？为什么提高关频率可以减小变压器的体积和重量？42ppt课件