1、电力电子技术电子教案第第7章章 软开关技术软开关技术目录目录概述7.1 软开关的基本概念7.1.1 硬开关与软开关7.1.2 零电压开关与零电流开关7.2 软开关电路的分类7.3 典型的软开关电路7.3.1 零电压开关准谐振电路7.3.2 谐振直流环7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路7.3.4 零电压转换PWM电路本章小结概述v电力电子装置高频化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。装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。开关损耗增加，电磁干扰增大。v软开关技术软开关技术 降低开关损耗和开关噪声降低开
2、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。7.1.1 硬开关与软开关v硬开关硬开关：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。产生较大的产生较大的开关损耗开关损耗和和开关噪声开关噪声。v软开关：软开关：在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引在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，使开关条件得以改善。入谐振，使开关条件得以改善。降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。软开关有时也被成为谐振开关。软开关有时也被成为谐振开关。v工作原理：工作原理：软开关电路中软开关电路中S关断后关断后
3、Lr与与Cr间发生谐振，电路中电压和电流的间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。两端的电压在其开通前就降为零。7.1.2 零电压开关与零电流开关v软开关分类软开关分类 零电压开关零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。电压开通，简称零电压开关。UiCrSVDSLrVDLCARSuS(uC
4、r)iLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5iSOOOOOa)b)图图7-1 零电压开关准谐振电路及波形零电压开关准谐振电路及波形a）电路图电路图 b）理想化波形理想化波形（显示放大图）（显示放大图）7.1.2 零电压开关与零电流开关零电流开关零电流开关：使开关关断前其电流使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称断，简称零电流开关零电流开关。7.1.2 零电压开关与零电流开关v零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。v零电压关断零电压关断：与开关并联的电容能使开
5、关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。v零电流开通零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。v简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。7.2 软开关电路的分类v根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路零电压电路和零电流电路零电流电路两大类。v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准谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和零转换零转换PWM电路电路。v每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等
6、不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。7.2 软开关电路的分类图 7-3 基本开关单元的概念（显示放大图）a）基本开关单元 b）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 d）升降压斩波器中的基本开关单元VDSLLSVDLSVDVDSLa)b)c)d)本章小结本章的重点为本章的重点为：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
7、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。图图7-1 零电压开关准谐振电路及波形零电压开关准谐振电路及波形UiCrSVDSLrVDLCARSuS(uCr)iLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5iSOOOOOa)b)a）电路图 b）理想化波形 返回图图7-2 硬开关电路及波形硬开关电路及波形UiSVDLCRSuSiSuVDt0t1ttttOOOOa)b)a）电路图 b）理想化波形返回图图 7-3 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 b）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
8、元 d）升降压斩波器中的基本开关单元VDSLLSVDLSVDVDSLa)b)c)d)返回图图 7-4 准谐振电路的基本开关单元准谐振电路的基本开关单元SVDLrLCrSVDLrLCr1Cr2SLrCrVDLa)b)c)a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开关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 返回图图7-5 零开关零开关PWM电路的基本开关单电路的基本开关单元元SLrCrVDLS1SVDLrLCrS1a)b)a）零电压开关PWM电路的基本开关单元 b）零电流开关PWM电路的基本开关单元 返回图图 7-6 零转换零转换PWM电路的基本开关电路的基本开关单
9、元单元SLrVDLS1CrVD1LrCrS1SVDVD1La)b)a）零电压转换PWM电路的基本开关单元 b）零电流转换PWM电路的基本开关单元返回图图7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图UiCrSVDSLrVDLCAR返回图图7-8 零电压开关准谐振电路的理想零电压开关准谐振电路的理想化波形化波形SuS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO返回图图7-910准谐振电路等效电路准谐振电路等效电路CrUi+uCrILA图7-9 零电压开关准谐振电路在t0t1时段等效电路CrUi+uCriLr图7-10 零电压开关准谐振电路在t1t2
10、时段等效电路返回图图 7-11 谐振直流环电路原理图谐振直流环电路原理图LrUiSCrVDS返回图图 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路LrUiSCrVDSLiLr+uCrILR返回图图 7-13 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 返回t0t1t2t3t4t0iLruCrUiILttOO图图 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWM电电路路S1S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2VD1LrLABUiuRCR+-返回图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形S1S3S4S2uA BuLriLruT1uRiV D
11、1iV D 2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO返回图图7-16 移相全桥电路在移相全桥电路在t1t2阶段的等效电阶段的等效电路图路图iLriLkT:1CS1S4LrLVD1UiUo+CS2VDS2AR返回图图7-17 移相全桥电路在移相全桥电路在t3t4阶段的等效电阶段的等效电路路iLriLCS3S2LrLVD1UiUo+CS4VDS3VD2BR返回图图7-18 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的原电路的原理理LSCrS1LrVD1VDCUi+UoILiLriVDVDSR返回图图7-19 升压型零电压转换升压型零
12、电压转换PWM电路的理电路的理想化波形想化波形SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO返回图图 7-20 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路在电路在t1t2时段的等时段的等效电路效电路LS1LriLrUiILCrVDS返回1.4.4 绝缘栅双极晶体管2)IGBT的动态特性的动态特性图1-24 IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 开通延迟时间td(on)d(on)电流上升时间t tr r开通时间t tononMOSFET单独工作返回
