1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第 8 章谐振开关型变换器8 谐振开关型变换器8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性8.2 谐振开关型变换器的类型8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器8.5 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI小结8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性硬开关过程 开通（AB C）：在vT=VD下iT从0Io，然后在iT=Io下vT从VD0，Pon=vTiT大。关断（CB A）：在iT=Io下vT从0VD，然后在vT=VD下iT从Io0，Poff=vTiT大。V DV T+-TD oL
2、fI oC fRV o+-i f=I oCQEBAPiTIoOVQVDVCEPvT硬硬开开通通：A AB BC C硬硬关关断断：C CB BA A图图8.1(8.1(a)a)硬开关电路硬开关电路开关轨迹开关轨迹8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性有LC缓冲器的软开关过程 开通（AQEC）：LS使工作点从AQ，在vTVQVD下iT从0Io，然后从EC，Pon Pon。关断（CAPA）：iT从Io0期间vT从0VD，然后在iT=0下从APA，Poff显著减小。开关轨迹开关轨迹图图8.1(8.1(b)b)有有LCLC复合缓冲的软开关电路复合缓冲的软开关电路CQEBAPiTIoOVQ
3、VDVCEPvT缓缓冲冲软软开开通通：A AQ QE EC C缓缓冲冲软软关关断断：C CA AP PA A8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性 开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变换器的开关损耗会成比例升高。LC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整个变换器的效率不一定能提高。零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器高频化最理想的技术。8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性 LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断 t1时引发Lr、Cr谐振，t2时vT 谐振至零，在t3时驱动T实现零电压开通。t6时引发Lr、Cr谐振，t7时iT谐振至
4、零，在t8时切除驱动信号实现零电流关断。开关轨迹开关轨迹TvTrTiOI1t2t3t4t5t6t7t8t9t10tTvTvDVTvTiTrTvTit态断过程开通通态过程关断态断CQEBAPiTIoOVQVDVCEPvT零零电电压压开开通通：A AO OC C零零电电压压关关断断：C CO OA A图图 8.2 8.2 零电压开通、零电流关断时零电压开通、零电流关断时v vT T、i iT T、r rT T 零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制PFM谐振变换器。零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。零开关谐振变换器 零转换谐振变换器 LC谐振环节中
5、有辅助开关管或无辅助开关管。8.2 谐振开关型变换器的类型8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理 工作原理关断T2后引发LrCr谐振，使主开关管T1的电压vT=0。再对T1施加驱动信号实现T1的零电压开通。图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS PWMBuck DC/DC ZVS PWM变换器电路图变换器电路图V DV T+-TD oL fI oC fRV o+-i f=I
6、o图图8.1(8.1(a)a)硬开关电路硬开关电路q主电路组成主电路组成变换器一个周期有五种开关状态。开关状态1:T1关断，Cr充电开关状态2:D0，D2续流开关状态3:T2关断，Cr、Lr谐振开关状态4:T1零电压开通开关状态5:T2零电压开通图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS PWMBuck DC/DC ZVS PWM变换器电路图变换器电路图8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态1 1：t t0 0tttt1 1ttotto时时T T1 1、T T2 2通态，通态，D D0 0截止；截止；t=tt=t0 0时关断时关断T
7、T1 1，i iT1T1下降，下降，V VT1T1从从0 0上升，因上升，因CrCr，T T1 1软关断；软关断；t tt t1 1时时V VT1T1上升到上升到V VD D，D D0 0正偏导电，正偏导电，T T1 1关断过程结束。关断过程结束。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态2 2：t t1 1tttt2 2T T1 1断态，断态，V VcrcrV VT1T1V VD D。i iL L经经D D2 2、T T2 2续流，续流，IoIo经经D D0 0续流。续流。T Toffoff=t=t2 2-t-t1 1可控，可控，用以调控输出电压。用以
8、调控输出电压。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态3 3：t t2 2tttt3 3t=tt=t2 2时，关断时，关断T T2 2，L Lr r 、C Cr r谐振半谐振半个周期到个周期到t t3 3，t=t t=t3 3时时 V VcrcrV VT1T1V VD D，i iL L达到负最大值。达到负最大值。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态4 4：t t3 3tttt8 8如如IoZrVIoZrVIoZrVD D,则当则当V VT1T10 0时时,i iT1T1仍为负值。此后仍为负值。此后负值负值i
9、 iL L经经D D1 1向向V VD D回送电流，直到回送电流，直到t=tt=t6 6。在在t t4 4tt6 6期间，期间，V VT1T10 0。若在。若在t t5 5驱动驱动T T1 1，则为零电压开通。，则为零电压开通。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态4 4（续）：续）：t t3 3tttt8 8t tt t6 6时，时，i iL L0 0，V VcrcrV VT1T10 0，T T2 2早已关断，早已关断，此后此后V VD D经经T T1 1、L Lr r建立建立i iT1T1。t=tt=t8 8时，时，i iT1T1IoIo，D D
10、0 0截止，完成截止，完成T T1 1开通过程。开通过程。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态5 5：t t8 8tttt1010t tt t9 9时，开通时，开通T T2 2，此时，此时i iL L=I=I0 0不变不变T T1 1已是通态，已是通态，v vL Lv vT2T20 0，T T2 2是零电压开通。是零电压开通。t=tt=t1010时，关断时，关断T T1 1（相当于（相当于t t0 0时软关断时软关断T T1 1）完）完成一个开关周期成一个开关周期TsTs。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理8.3.1
11、零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理 在fs1/Ts固定时，控制T2的关断时刻t2，即可改变Toff，从而改变占空比，调控输出电压。零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器，可实现主开关T1和辅助开关T2零电压开通和软关断。DroVZIqT1零电压开通条件：零电压开通条件：rrDrDoCLVZVImin(8-11)q最小负载电流需满足：最小负载电流需满足：DroDVZIV2qVT1、vcr最高电压：最高电压：srrrTCLT)05.01.0(2(8-13)q开通期尽量缩短取：开通期尽量缩短取：DosroDsrVITCIVTL2)05.01.0(2)05.01.0(minm
12、inq由（由（8-11）和（）和（8-13）可确定可确定Lr、Cr：8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图VDD1DT1T2iLLrLfCf+R-VDVLVG1VoD2VG2CrI Io o+-q 工作原理工作原理q T T1 1通态时通态时D D0 0截止，截止，v vT1T1v vcrcr0 0，切除，切除+V+VG G，T T1 1关断关断i iT1T1从从Io0Io0，并联电容，并联电容C Cr r使使v vT Tv vcrcr从从0
13、 0逐渐上升，逐渐上升，T T1 1软关断。软关断。q v vT Tv vcrcrVVD D后后D D0 0导通，导通，L Lr r、C Cr r立即谐立即谐振，所以电路振，所以电路8.58.5无开关状态无开关状态2 2。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS PFMZVS PFM变换器变换器图图8.48.4（a a）中，）中，T T2 2导通使导通使i iL L经经D D2 2、T T2 2续续流，不能形成流，不能形成L Lr r、C Cr r谐振回路，直到谐振回路，直到在在t tt t2 2时刻关断时刻关断T T2 2时，才能形成谐振。时，才能形成谐振。q主电路组成主电路组成8.
14、3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理 无T2：不能控制Lr、Cr谐振起始时刻开关状态2，无Toff时区2。缺点：只有调频fs，才能调压。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS PFMZVS PFM变换器变换器VDD1DT1T2iLLrLfCf+R-VDVLVG1VoD2VG2CrI Io o+-图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理 本节小结：Z
15、VS PWM：有辅助开关管T2及Lr、Cr，可实现主开关T1及辅助开关T2零电压开通及软关断，可采用PWM调压；ZVS PFM：无辅助开关T2，仅有Lr、Cr，靠主开关关断引起Lr、Cr谐振造成主开关管的零电压开通，只能PFM调压。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS ZVS PFM PFM变换器变换器VDD1DT1T2iLLrLfCf+R-VDVLVG1VoD2VG2CrI Io o+-图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理共同
16、点：实现零电压开通的条件都是：DroVZIq主开关管及电容最高电压都是：主开关管及电容最高电压都是：DroDVZIV2rrDoCLVImin8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制（ZCSPWM）变换器工作原理8.4.2 零电流关断脉冲频率调制（ZCSPFM）变换器工作原理8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理 5种开关状态开关状态1：电感充磁开关状态2：谐振阶段开关状态3：VD向负载供电开关状态4：谐振阶段开关状态5：T1断态，Do续流q主电路组成主电路组成VDLriLT1T2D2DoLfRVoCfCr+-VcricVg1Vg2
17、D1I If f=I Io o+图图 8.6(8.6(a)ZCS PWM Buck DC/DC a)ZCS PWM Buck DC/DC 变换器变换器 q开关状态开关状态1 1：t t0 0tttt1 1t t0 0时加时加V VG1G1，T T1 1软开通软开通(因为有因为有Lr)Lr)，i iT1T1 i iD0D0，t tt t1 1时时D D0 0截止。截止。VDLrT1T2D2DoCrD1IoiLi iDoDo8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态2 2：t t1 1tttt2 2V VD D、T T1 1、L Lr r、D D2 2、C
18、Cr r谐振半周至谐振半周至t t2 2，i iT1T1=i=iL L=Io=Io，i icrcr0 0，v vcrcr2V2VD DVDLrT1T2D2DoCr+-VcrD1IoiL8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态3 3：t t2 2tttt3 3T T2 2处于断态，处于断态，C Cr r不能放电，电源不能放电，电源V VD D经经T T1 1对负载放电。对负载放电。VDLrT1T2D2DoCr+-VcrD1IoiL8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态4 4：t t3 3tttIIo o则则i
19、iL L变负经变负经D D1 1返回电源，返回电源，T T1 1断流断流。在在t t4 4-t-t6 6期间撤除期间撤除V VG1G1使使T T1 1零电流关断。零电流关断。VDLrT1T2D2DoCr+-VcrD1IoiL8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理q开关状态开关状态5 5：t t8 8ttt0，VD输出功率输出电压Vo，而此时间只与Lr、Cr有关而不能被调控，故只有调频fs才能调压。VDLriLT1T2D2DoLfRVoCfCr+-VcricVg1Vg2D1I If f=I Io o+图图 8.7 8.7 零电流关断零电流关断PWMPWM变换器变换器图图
20、 8.6(8.6(a)ZCS PWM Buck DC/DC a)ZCS PWM Buck DC/DC 变换器变换器 8.4 小结 本节小结：ZCS PWM：有辅助开关管T2，可采用PWM调压。ZCS PFM：无辅助开关T2，靠主开关开通引起Lr、Cr谐振造成主开关管的零电流关断条件，只能PFM调压。实现零电流关断的条件都是：VDLriLT1T2D2DoLfRVoCfCr+-VcricVg1Vg2D1I If f=I Io o+图图 8.7 8.7 零电流关断零电流关断PWMPWM变换器变换器图图 8.6(8.6(a)ZCS PWM Buck DC/DC a)ZCS PWM Buck DC/DC
21、 变换器变换器 oorDIIZV28.5 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI8.5.1 工作原理8.5.2 参数计算8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI的控制策略8.5.1 工作原理 开通、关断T0、Ta、Tb形成LC谐振，使vPN降为零，实现T1-T6的零电压开通和零电压、零电流关断。谐振电感L不参加主开关电路的能量转换，仅在主开关开关状态转换时谐振工作。该变换器又被称为零电压转换ZVT和零电流转换ZCT谐振变换器。图图8 8.8 8 直直流流环环节节并并联联谐谐振振逆逆变变器器8.5.1 工作原理（续1）为简化分析，可假设：谐振电感L远小于负载电感，在一个谐振周期中，从直流母
22、线侧来看负载电流为恒流源I0。主开关管两端并联电容在直流母线上等效为一个电容C。一个完整的谐振开关过程中有6个工作状态。图图8 8.8 8 直直流流环环节节并并联联谐谐振振逆逆变变器器8.5.1 工作原理（续2）q开关状态开关状态1 1：t t0 0tttt1 1T To o通态，通态，T Ta a、T Tb b断开断开，谐振电路不工谐振电路不工作，作，V VD D通过通过T To o对逆变器供电，对逆变器供电，v vC C=V=VD D8.5.1 工作原理（续3）q开关状态开关状态2 2：t t1 1tttt2 2t t1 1时时T Ta a、T Tb b被施加驱动信号而软开通被施加驱动信号
23、而软开通（有（有L L），），i iL L从从0I0IT T。t t2 2时关断时关断T T0 0，由于由于v vC CV VD D，T T0 0零电压关断。零电压关断。8.5.1 工作原理（续4）q开关状态开关状态3 3：t t2 2ttt0Vc0时，时，i iL L继续增大，直到继续增大，直到t=tt=t3 3 v vc c=0=0时，时，i iL L达到达到I IM MoDoTmIZVIII22)()(8.5.1 工作原理（续5）q开关状态开关状态4 4：t t3 3tttt4 4t t3 3时刻后时刻后v vc c0 0，I Io o经经D D续流。续流。i iL L经经T Ta a、
24、D Da a、T Tb b、D Db b续流，到续流，到t t4 4时关断时关断T Ta a、T Tb b；在在t t3 3-t-t4 4期间改变期间改变T T1 1-T-T6 6开关状态可实开关状态可实现零电压关断、开通。现零电压关断、开通。8.5.1 工作原理（续6）q开关状态开关状态5 5：t t4 4tttt5 5T T4 4时刻关断时刻关断T Ta a、T Tb b(零电压关断零电压关断)后，后，i iL L供电给电容供电给电容C C和负载供电流和负载供电流I Ioxox。为为确保确保t t5 5时刻时刻v vc c达到达到V VD D，i iL L则需满足：则需满足：OXOXDOX
25、mLIIZVIItiI22255)()(8.5.1 工作原理（续7）q开关状态开关状态6 6：t t5 5tttIIoxox，i iL L产生产生i is s经经D D0 0流回电源流回电源V VD D，在此期间的，在此期间的t t6 6加加V VG0G0可使可使T T0 0零电压零电压开通。开通。t t8 8时刻时刻I IL L减小到零，减小到零，D Da a、D Db b截截止，负载止，负载IoxIox完全由完全由T T0 0供给。供给。需在线计算：电感预充电流终值IT 换相后的直流负载电流Iox IT需足够大以确保在C充电后电压升到VD的t5时刻iL=I5Iox，使D0导通实现T0零电压
26、开通，由此推出：oDoxoDTIZVIIZVI22)()(8.5.2 在线计算8.5.2 在线计算（续1）谐振周期很短，直流负载电流Iox可预测为：ccbbaaoxiSiSiSI逆变器开关状态组合逆变器开关状态组合处于通态的开关器件处于通态的开关器件逆变器输入电流逆变器输入电流IOX1(Sa Sb Sc)=(000)T6 T4 T2io=ia+ib+ic=02(Sa Sb Sc)=(100)T6 T1 T2io=ia3(Sa Sb Sc)=(110)T1 T2 T3io=ia+ib=-ic4(Sa Sb Sc)=(010)T2 T3 T4io=ib5(Sa Sb Sc)=(011)T3 T4
27、T5io=ib+ic=-ia6(Sa Sb Sc)=(001)T4 T5 T6io=ic7(Sa Sb Sc)=(101)T5 T6 T1io=ia+ic=-ib8(Sa Sb Sc)=(111)T5 T3 T1io=ia+ib+ic=08.5.2 在线计算（续2）主开关器件的控制与To、Ta、Tb开通关断时间配合：若T1-T6需在t3点换相，则应提前t1+t2,即t1时刻开通Ta、Tb，在t2时刻关断T0，使t=t3时vc0，使T1-T6零电压开关。qt t1 1及及t t1 1+t t2 2计算：计算：DTVLIttt121oTDIIZVtttarctan12328.5.3 直流环节并联谐
28、振型逆变器PRDCLI的控制策略 两个控制电路：PWM逆变控器制电路和谐振电路的控制电路。PWM逆变控制器电路与常规的PWM控制电路类似。同时需附加一个时序控制电路，做好谐振电路与To、Ta、Tb 与主开关T1-T6的开通关断时间配合。小结 零开关、软开关是电力电子变换高频化最重要的技术措施。引入Lr、Cr和辅助开关管T2，对T2进行通断控制可以实现零电压开通ZVS PWM，零电流关断ZCS PWM以及零电压转换ZVT PWM和零电流转换ZCS PWM控制。ZVS和ZCS变换器中Lr串联在主电路中，ZVS PWM变换器谐振电压峰值超过2倍电源电压，ZCS PWM变换器谐振电流超过两倍负载电流。ZCT PWM、ZVT PWM变换器中Lr与变换器主开关并联，Lr不在变换器主通道上，开关器件所承受电压不超过VD。仅引入Lr、Cr靠主开关的开通或关断引发谐振来实现零电流关断或零电压开通，只能采用脉冲频率调制PFM调控输出电压。该变换器又被称为准谐振变换器，如零电压开通准谐振ZVS QRC和零电流关断准谐振ZCS QRC变换器。小结（续）感谢下感谢下载载
