1、电力电子技术电力电子技术l8.1软开关的基本概念软开关的基本概念l8.2软开关电路的分类软开关电路的分类l8.3典型的软开关电路典型的软开关电路l8.4软开关技术新进展软开关技术新进展电力电子技术电力电子技术l 现代电力电子装置的发展趋势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有更高的要求小型化、轻量化，对效率和电磁兼容性有更高的要求l 电力电子电路的高频化电力电子电路的高频化是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的是滤波器、变压器体积和重量减小、装置小型化、轻量化的最直接途径最直接途径开关损耗增加，电磁干扰增大开关损耗增加，电磁干扰增大l 软开关技术软开关技术
2、降低开关损耗和开关噪声降低开关损耗和开关噪声进一步提高开关频率进一步提高开关频率电力电子技术电力电子技术l 硬开关硬开关开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，有显著开关损耗 电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声电压和电流变化快，波形出现明显过冲，产生开关噪声当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并当硬开关电路工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著不大，随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著1. 硬开关和软开关硬开关和软开关t0uiP0uituuiiP00硬开关降
3、压型电路及理想波形硬开关降压型电路及理想波形硬开关导通和关断过程中实际电压和电流硬开关导通和关断过程中实际电压和电流a)b)电力电子技术电力电子技术l 软开关软开关增加了增加了Lr、Cr，与，与L、C相比小得多，相比小得多，S增加了反并联增加了反并联VDS软开关电路软开关电路(降压型零电压开关准谐振电路降压型零电压开关准谐振电路)使开通前电压先使开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减降到零，关断前电流先降到零，消除了电压、电流的重叠，减小甚至消除开关损耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化小甚至消除开关损耗，同时，限值了开关过程电压和电流变化率，也减小开关噪声率，也
4、减小开关噪声1. 硬开关和软开关硬开关和软开关降压型零电压开关准谐振电路及理想波形降压型零电压开关准谐振电路及理想波形软开关导通和关断过程中实际电压和电流软开关导通和关断过程中实际电压和电流Pui0uitt0uiP0uitt0uua)b)电力电子技术电力电子技术l 零电压开通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开关开通前其两端电压为零，开通时不会产生损耗和噪声l 零电流关断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开关关断前其电流为零，关断时不会产生损耗和噪声l 零电压关断零电压关断与开关并联电容能延缓关断后电压上升速率，降低关断损耗与开关并联电容能延缓关
5、断后电压上升速率，降低关断损耗l 零电流开通零电流开通与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗与开关串联电感能延缓开通后电流上升速率，降低开通损耗l 在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关，靠电路中的谐振来实现。流开关，靠电路中的谐振来实现。2. 零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关电力电子技术电力电子技术l 分类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路和零电流电路根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关根据软开关技
6、术发展历程分为准谐振电路、零开关PWM电电路和零转换路和零转换PWM电路电路l 准谐振电路准谐振电路零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路零电流开关准谐振电路零电流开关准谐振电路零电压开关多谐振电路零电压开关多谐振电路用于逆变器的谐振直流环节用于逆变器的谐振直流环节l 准谐振准谐振电路中电压或电流的波形电路中电压或电流的波形 为正弦半波为正弦半波电力电子技术电力电子技术l 优势优势开关损耗和开关噪声都大大下降开关损耗和开关噪声都大大下降l 问题问题谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高谐振电压峰值很高，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交换，谐振电流有效值很大，电
7、路中存在大量无功功率交换，造成电路导通损耗加大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，则只能采用脉谐振周期随输入电压、负载变化而改变，则只能采用脉冲频率调制方式来控制冲频率调制方式来控制电力电子技术电力电子技术l 零开关零开关PWM电路电路 引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后开关过程前后零电压开关零电压开关PWM电路电路零电流开关零电流开关PWM电路电路同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿同准谐振相比，电压和电流基本上是方波，但上升沿和下降沿较缓，开关承受电压明显降低，采用开关频和下降沿较缓，开关承
8、受电压明显降低，采用开关频率固定的率固定的PWM控制方式控制方式零电压开关零电压开关PWMPWM电路电路零电流开关零电流开关PWMPWM电路电路 电力电子技术电力电子技术l 零转换零转换PWM电路电路 采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开采用辅助开关控制谐振开始时刻，谐振电路是与主开关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽关并联，输入电压和负载电流对谐振影响小，在较宽输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状输入电压范围内和从零负载到满载都工作在软开关状态，无功功率交换被削减到最小态，无功功率交换被削减到最小零电压转换零电压转换PWM电路电路零电流转换零电流转换PWM电路电
9、路零电压转换零电压转换PWMPWM电路电路零电流转换零电流转换PWMPWM电路电路电力电子技术电力电子技术l 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路l 谐振直流环谐振直流环l 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路l 零电压转换零电压转换PWM电路电路电力电子技术电力电子技术l 电路构成电路构成降压型电路降压型电路L和和C很大，等效为电流源和电压源，很大，等效为电流源和电压源，并忽略电路中损耗并忽略电路中损耗l 工作原理工作原理以以S关断时刻为分析起点关断时刻为分析起点t0t1 t0前，前，S导通，导通，VD断态断态,uCr=0,iLr=IL t0时，时，S关断，关断，Cr使
10、使S关断后电压上关断后电压上升减缓，则升减缓，则S关断损耗减小，关断损耗减小，S关断后，关断后，VD未导通未导通1. 零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu电力电子技术电力电子技术l 工作原理工作原理t0t1 Lr+L向向Cr充电，充电，L等效为电流源，等效为电流源，uCr线性上升，线性上升，uVD下降下降 t1时，时，uVD=0，VD导通，导通，uCr上升率上升率t1t2 t1时，时，VD导通，导通，L续流，续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，形成谐振回路，Lr对对Cr充电，充电，uCr上升，上升，iLr下
11、降下降 t2时，时，iLr下降到下降到0，uCr达到谐振峰值达到谐振峰值 1. 零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路rrddCItuLCSS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi电力电子技术电力电子技术11rrrirrrrir14LCCLCLLt tt td iLuUd td uCid tuU , iI ,tt ,t l 工作原理工作原理t2t3 t2后，后，Cr向向Lr放电，放电，iLr变向，变向，uCr下降下降 t3时，时，uCr=Ui，uLr=0，iLr达到反向谐达到反向谐振峰值振峰值t3t4 t3后，后，Lr向向Cr反向充电，反向充
12、电，uCr下降下降 t4时，时，uCr=0t1t4间的谐振方程间的谐振方程1. 零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUi电力电子技术电力电子技术l 工作原理工作原理t4t5 uCr箝位于箝位于0，uLr=Ui，iLr线性衰减线性衰减 t5时，时，iLr=0。该段。该段uS=0，则使，则使S开通，开通，不会产生开通损耗不会产生开通损耗t5t6 S通态，通态，iLr线性上升线性上升 t6时，时，iLr=IL，VD关断关断t4t6电流电流iLr变化率变化率t6t0：S通态，通态，VD断态断态1. 零电压开关谐
13、振电路零电压开关谐振电路SS (uC r)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOuUiUirirddLUtiL电力电子技术电力电子技术l uCr(即开关即开关S电压电压uS)l uCr的谐振峰值，即开关的谐振峰值，即开关S的峰值电压的峰值电压Upl 零电压开关准谐振电路实现软开关条件零电压开关准谐振电路实现软开关条件如正弦项幅值小于如正弦项幅值小于Ui，uCr不能谐振到不能谐振到0，S不可能实现零不可能实现零电压开通电压开通l 谐振电压峰值高于输入电压谐振电压峰值高于输入电压2倍，倍，S耐压必须提高，增加了耐压必须提高，增加了电路成本，降低了可靠性电路成本，降低了
14、可靠性1. 零电压开关谐振电路零电压开关谐振电路rrr1ir14rrr1( )()CLLutI sinttU ,tt ,tCL CrpirLLUIUCrirLLIUC电力电子技术电力电子技术l 背景及应用背景及应用用于变频器用于变频器作用在交作用在交-直直-交变换电路的中间直流交变换电路的中间直流环节，通过引入谐振，使逆变桥中环节，通过引入谐振，使逆变桥中所有开关工作在零电压开通条件下所有开关工作在零电压开通条件下电压型逆变器为感性负载，在谐振电压型逆变器为感性负载，在谐振过程中逆变电路开关状态不变，负过程中逆变电路开关状态不变，负载电流为常量载电流为常量l 工作原理工作原理以以S关断时刻为分
15、析起点关断时刻为分析起点2. 谐振直流环谐振直流环电力电子技术电力电子技术l 工作原理工作原理t0t1 t0前，前，iLrIL，S导通导通 t0时时, S关断，发生谐振，关断，发生谐振，Lr对对Cr充电，充电，uCr升高升高 t1时，时，uCr=Uit1t2 t1时，时，uCr=Ui，ULr=0，iLr达到峰值达到峰值 t1后，后，Lr继续向继续向Cr充电并不断减小，充电并不断减小，uCr又升高又升高 t2时刻时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值达到谐振峰值2. 谐振直流环谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO电力电子技术电力电子技术l 工作原理工作原理t2t3 t2
16、后，后，Cr向向Lr和和L放电，放电，iLr降低至降低至0后后反向，反向，Cr继续向继续向Lr放电，放电，iLr反向增加反向增加 t3时，时，uCr=Uit3t4 t3时，时，iLr达到反向谐振峰值后衰减，达到反向谐振峰值后衰减，uCr继续下降继续下降 t4时，时，uCr=0，VDS导通，导通，uCr被箝位被箝位于于0t4t0 S导通，导通，iLr线性上升，线性上升，t0时刻，时刻，S再再次关断次关断l uCr谐振峰值高增加对开关的耐压要求谐振峰值高增加对开关的耐压要求2. 谐振直流环谐振直流环t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO电力电子技术电力电子技术l 电路构成电路构成增
17、加一个谐振电感，使四个开关器件都在零电压条件下开通增加一个谐振电感，使四个开关器件都在零电压条件下开通l 控制特点控制特点一个一个TS内，每一开关导通时间都略小于内，每一开关导通时间都略小于TS/2，关断略大于，关断略大于TS/23. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路同一半桥上下两个开关不同时导通，每一个关断到另一个开通同一半桥上下两个开关不同时导通，每一个关断到另一个开通要经过一定死区时间要经过一定死区时间超前桥臂超前桥臂S1和和S2： S1波形比波形比S4超前超前0TS/2；滞后桥臂；滞后桥臂S3和和S4： S2比比S3超前超前0TS/2电力电子技术电力电子技术l 工
18、作原理工作原理t0t1 S1与与S4导通，导通，t1时刻时刻S1关断关断t1t2 t1时，时，S1关断后，关断后，Cs1、Cs2与与Lr、L构成谐振回路，谐振初始构成谐振回路，谐振初始uA(t1)=Ui。谐振时，谐振时，uA不断下降至不断下降至0，VDS2导通，导通，iLr通过通过VDS2续流续流3. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路iLriLkT:1CS1S4LrLVD1UiUo+CS2VDS2ARrr电力电子技术电力电子技术l 工作原理工作原理t2t3 t2时，开通时，开通S2，VDS2导通使导通使S2开开通电压为零，无开关损耗，且电路状通电压为零，无开关损耗，且电路
19、状态不变，直到态不变，直到t3时时S4关断关断t3t4 t3时，时，S4关断后，关断后，Cs3、Cs4与与Lr构构成谐振回路，谐振中成谐振回路，谐振中iLr不断减小，不断减小，uB不断上升，直到不断上升，直到VDS3导通导通 t4时，时，S3开通，由于开通，由于VDS3导通使导通使得在零电压下开通，开通损耗为零得在零电压下开通，开通损耗为零3. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BRrr电力电子技术电力电子技术l 工作原理工作原理t4t5 S3开通后，开通后，iLr继续减小到继续减小到0后反后反向，不断增大，向，
20、不断增大，t5时时iLr=IL/kT，iVD1下降下降到到0而关断，电流而关断，电流IL全部转移到全部转移到VD2t0t5 是是Ts的一半，而在另一半的一半，而在另一半t5t0时时段中，工作过程与该段完全对称段中，工作过程与该段完全对称3. 移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路rr电力电子技术电力电子技术l 背景及电路构成背景及电路构成电路简单、效率高，广泛用于功电路简单、效率高，广泛用于功率因数校正电路、斩波器等率因数校正电路、斩波器等以升压电路为例以升压电路为例假设电感假设电感L、电容、电容C很大，可以忽很大，可以忽略电流和输出电压波动，还忽略略电流和输出电压波动，还忽略
21、元件与线路中损耗元件与线路中损耗4. 零电压转换零电压转换PWM电路电路LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR辅助开关辅助开关S1超前于主开关超前于主开关S开通，开通，S开通后开通后S1关断，主要谐振关断，主要谐振过程集中在过程集中在S开通前后开通前后l 工作原理工作原理t0t1 S1比比S先开通，此时先开通，此时VD尚导通，尚导通，uLr=Uo，iLr线性增长，线性增长，iVD下降，下降，到到t1时，时，iLr=IL，iVD=0，VD关断关断电力电子技术电力电子技术l 工作原理工作原理t1t2 Lr与与Cr构成谐振回路，构成谐振回路，L很大使谐振很大使谐振中电流不变；
22、谐振中中电流不变；谐振中iLr增加而增加而uCr下降下降 t2时，时，uCr=0，VDS导通，导通，uCr被箝位于被箝位于0，而，而iLr保持不变保持不变t2t3 uCr=0和和iLr不变的状态保持到不变的状态保持到t3时刻时刻S开通、开通、S1关断关断t3t4 t3时，时，S开通，开通，uS=0，无开关损耗。，无开关损耗。同时同时S1关断，关断，Lr通过通过VD1向负载放能，向负载放能，iLr下下降，降，iS线性上升线性上升 t4时时,iLr=0,VD1关断关断,iS=IL, 正常导通正常导通4. 零电压转换零电压转换PWM电路电路SS1uSiLriS1uS1iVDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOOLS1LriLrUiILCrVDSLSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR电力电子技术电力电子技术l软开关的基本概念软开关的基本概念l软开关分类软开关分类l四种典型软开关电路，包括电路构成、电四种典型软开关电路，包括电路构成、电路作用和工作原理路作用和工作原理精品课件精品课件！精品课件精品课件！电力电子技术电力电子技术l第第8 8章：章：2 2、3 3、4(1954(195页页) )
