第七章软开关技术引言
7.1软开关的基本概念
7.2 软开关电路的分类
7.3零电压开关电路分析
本章小结
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。
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关和软开关
7.1.2 零电压开关和零电流开关
7.1.1 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，
产生很大的开关损耗和电磁干扰，这种开关过程称为硬开关。
电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导
致开关噪声。
a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
t 0u i P 0u i t
u
u
i i P
00t
t
在开关电路中增加小电感、电容等谐振元件，利用LC 谐振特性使开关在开关过程中电压或电流为零，消除电压、电流的重叠，从而大大减小开关损耗和开关噪声。
降低开关损耗和开关噪声。
u i P 0u
i t t 0u
i P
0u
i t
t
0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程
图7－2 软开关的开关过程 软开关：
7.1.2 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。
7.2 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。
1) 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 Modulation—PFM）方式来控制。
一般应用于小功率、低电压、且对体积和重量要求比较严格的场合。
注意：谐振元件L r，C r只参与能量变换的某一个阶段，而不是全过程，即：谐振电路中电压、电流波为正弦半波。
2) 零开关PWM电路
这类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。
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换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
谐振电压峰值高，一般应用于小功率、低电压、且对体积和重量要求比较严格的场合。
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。
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换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
也采用辅助开关管来控制谐振的时刻，谐振电路与主开关器并联，因此，谐振电路对主电路影响最小。
广泛应用于中大功率场合。
7.3 零电压开关电路分析7.3.1 零电压开关准谐振电路7.3.2开关电源的发展方向
7.3.1 零电压开关准谐振电路
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
假设电感L 和电容C 很大，可等效为电
流源和电压源，并忽略电路中的损耗。
1）电路结构
以降压型为例分析工作原理。
S C VD R
L
L r C r
U i VD s
A
7.3.1 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。 t 0~t 1时段：t 0时刻开关S 断开，二极管VD 为断态，电感L r +L 向C r 充电，u Cr 从0开始线性上升，减少了S 的关断损耗，同时VD 两端电压u VD 逐渐下降，直到t 1时刻u VD =0，VD 导通，L 通过VD 续流。2）工作原理
图7-8 零电压开关准谐振电路
的理想波形t 0t 1t 2t 3t 4t 6t 5S
u S (u Cr )
i
S
i Lr
u VD
t t t
t
t O O O O O t 0
S C VD R
L
L r C r
U i VD s
A
2）工作原理 t 1~t 2时段：t 1时刻二极管VD 导
通，电感L 通过VD 续流，C r 、L r 、U i 形成谐振回路。t 2时
刻，i Lr 下降到零，u Cr 达到谐振峰值。 t 2~t 3时段：t 2时刻开始C r 向L r 反向放电，u Cr 下降，直到t 3时
刻u Cr =U i ，反向放电结束，i Lr 达到反向谐振峰值。
t 3~t 4时段：从t 3时刻开始，L r
向C r 反向充电，直到t 4时刻u Cr =0，使VD s 导通。图7-8 零电压开关准谐振电路
的理想波形t 0t 1t 2t 3t 4t 6t 5S
u S (u Cr )
i S
i Lr
u VD
t t t
t
t
O O O O O t 0S C VD R
L
L r C r
U i VD s
A
2）工作原理 t 4~t 5时段：VD s 导通使u Cr 被箝
位于零，i Lr 线性衰减，直到t 5时刻i Lr =0。由于此时开关S 两
端电压为零，所以必须在此时开通S ，才不会产生开通损耗。 t 5~t 6时段：S 导通，i Lr 线性上
升，直到t 6时刻i Lr =I L ，电源向负载供电，VD 受反偏压关断。 t 6~t 0时段：S 为通态，VD 为断态。图7-8 零电压开关准谐振电路
的理想波形t
0t 1t 2t 3t 4t 6t 5S
u S (u Cr )
i S
i Lr
u VD
t t
t t
t O O O O O t 0
缺点：谐振电压峰值将高于输入电压U i 的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。S C VD R
L
L r C r
U i VD s
A
7.3.2 开关电源的发展方向
对开关电源核心单元——控制电路，实现集成化。 对中、小功率开关电源实现单片集成化，将PWM 调制器、功率输出级、保护器集成在一个芯片中。
本章小结
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。
软开关技术总的来说可以分为零电压开关和零电流开关两大类。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。 掌握零电压开关准谐振电路工作原理。
开关电源之软开关技术在开关电源中的应用阐述 开关电源中的硬开关和软开关是针对开关晶体管而言的。硬开关是不管 开关管上的电压或电流，强行接通或关断开关管。当开关管(漏极和源极之间，或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时，切换开关管，由于开关管状态间的切换(由导通到截止，或由截止到导通)需要一定的时间，这样就会造 成在开关管状态切换的某一段时间内，电压和电流有一个交越区域，这个交 越造成的开关管损耗(开关管的切换损耗)随开关频率的提高而急速增加。 ?若是感性负载，在开关晶体管关断时会感应出尖峰电压。开关频率越高， 关断越快，该感应电压越高。此电压加在开关器件两端，容易造成器件击穿。 ?若是容性负载，在开关晶体管导通瞬间的尖峰电流大。因此，当开关晶体 管在很高的电压下接通时，储存在开关晶体管结电容中的能量将以电流形式 全部耗散在该器件内。频率越高，开通电流尖峰越大，从而会引起开关管的 过热损坏。 ?另外，在次级高频整流回路中的二极管，在由导通变为截止时，有一个反 向恢复期，开关晶体管在此期间内接通时，容易产生很大的冲击电流。显然 频率越高，该冲击电流也越大，对开关晶体管的安全运行造成危害。 ?最后，做硬开关运用的开关电源中，开关晶体管会产生严重的电磁骚扰。 随着频率的提高和电路中的di/dt和du/dt增大，所产生的电磁骚扰也在增大，影响开关电源本身和周围电子设备的正常工作。 ?上述问题严重阻碍了开关器件(开关晶体管和高频整流二极管)工作频率的 提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作原理不同，理想的软关断过程是电流先降小到零，电压在缓慢
第7章软开关技术 主要内容：软开关技术的分类，各种软开关电路的原理及应用。 电力电子装置高频化 优点：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. 缺点：开关损耗增加,电磁干扰增大。 软开关技术的作用：降低开关损耗和开关噪声；进一步提高开关频率。 1软开关的基本概念 （1）硬开关与软开关 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,产生较大的开关损耗和开关噪声。 软开关：在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。降低开关损耗和开关噪声，软开关有时也被称为谐振开关。 工作原理:软开关电路中S关断后Lr与Cr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、电流的变化,而且使S两端的电压在其开通前就降为零。 （2）零电压开关与零电流开关
软开关分类: 零电压开关：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电压开通，简称零电压开关。 零电流开关:使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方 式称为零电流关断,简称零电流开关。 图7—1零电压开关准谐振电路 及波形 a）电路图b）理想化波形
图7—2硬开关电路及波形 a）电路图b）理想化波形 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。 零电压关断：与开关并联的电容能使开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。 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。 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。 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。 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。 图7—3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元d）升降压斩波器中的基本开关单元 （1)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。为最早出现的软开关电路，可以分为： 零电压开关准谐振电路（ZVSQRC）;
软开关技术在开关电源中的应用 开关电源中的硬开关和软开关是针对开关晶体管而言的。 硬开关是不管开关管上的电压或电流，强行接通或关断开关管。当开关管(漏极和源极之间，或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时，切换开关管，由于开关管状态间的切换(由导通到截止，或由截止到导通)需要一定的时间，这样就会造成在开关管状态切换的某一段时间内，电压和电流有一个交越区域，这个交越造成的开关管损耗（开关管的切换损耗）随开关频率的提高而急速增加。 开关管的切换损耗与开关管的负载特性有关： 若是感性负载，在开关晶体管关断时会感应出尖峰电压。开关频率越高，关断越快，该感应电压越高。此电压加在开关器件两端，容易造成器件击穿。 若是容性负载，在开关晶体管导通瞬间的尖峰电流大。因此，当开关晶体管在很高的电压下接通时，储存在开关晶体管结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高，开通电流尖峰越大，从而会引起开关管的过热损坏。 另外，在次级高频整流回路中的二极管，在由导通变为截止时，有一个反向恢复期，开关晶体管在此期间内接通时，容易产生很大的冲击电流。显然频率越高，该冲击电流也越大，对开关晶体管的安全运行造成危害。 最后，做硬开关运用的开关电源中，开关晶体管会产生严重的电磁骚扰。随着频率的提高和电路中的di/dt 和du/dt增大，所产生的电磁骚扰也在增大，影响开关电源本身和周围电子设备的正常工作。 上述问题严重阻碍了开关器件（开关晶体管和高频整流二极管）工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作原理不同，理想的软关断过程是电流先降小到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已经下降到零，便解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压也为零，解决了容性开通问题。同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管反向恢复问题不存在。 软开关技术还有助于电磁骚扰水平的降低，其原因是开关晶体管在零电压的情况下导通和在零电流的情况下关断，同时快恢复二极管也是软关断的，这可以明显减小功率器件的di/dt和du/dt，从而可以减小电磁干扰的电平。 一般来说软开关的效率较高(因为没有切换损)；操作频率较高，PFC或变压器体积可以减少，所以开关电源的体积可以做到更小。但成本也相对较高，设计较复杂
第一章 1. 高频开关电源由哪几部分组成?(画出原理方框图加以说明P3 答:(1主电路 1.输入滤波电器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂音反馈公共电网。 2.整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。 3.逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关的核心部分。 4.输出整流滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。 (2控制电路 1.从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到稳定输出。 2.根据测试提供的数据,经保护电路鉴别,控制电路提供对整机进行各种保护措施。 (3检测电路 1.提供保护电路中正在运行中的各种参数 2.提供各种显示仪表数据给值班人员观察,记录。 (4辅助电源 提供所有单一电路所谓不同要求电源。 第二章
1. 串联型线性调整型稳压电源的工作原理、开关型稳压电源的工作原理(包括原理图、电压方程等,以及两种电源的特点(优缺点比较。P5、P8~ P10 答:(1串联型线性调整型稳压电源 工作原理:输入电压E 和输出电压Vo 之间串联着一个可变电阻R W ,在稳态条件下,输入电源E 和输出电压之间,有下述关系: 。当E 或R L 变化时,可以调整R W 的电阻,使输出电压Vo 保持不变。 优点:输入电源向负载连续地提供能量。(稳定性好,输出纹波电压小,使用可靠。缺点:E 和V o 之间的差值越大,流过晶体管的电流越大,晶体管上的功率损耗也越大,稳压电源的效率就越低。(功耗大,效率低,需要大功率调整管。 (2开关型稳压电源 工作原理:开关K 以一定时间间隔重复地接通和断开,当K 接通时,电源E 向负载提供能量;当 K 断开时,电源E 中断对负载提供能。所以电源E 向负载提供能量是断续的。开关电源要有一套储能装置,K 接通时,储存能量。K 断开时,向负载释放。在电路AB 间的电压平均值E AB :E AB =t on /T*E (其中,ton 为开关每次接通时间,T 为开关通断的周期。改变t on /T ,使输出电压E AB 保持不变。 优点:功耗小,效率高,可靠性、稳定性高,重量轻,体积小,适应性强。 2.TRC 控制的方式和特点。P6 答:TRC 控制有脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式、混合调制方式3种方式。 脉冲宽度调制方式:开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。优点:周期恒定,滤波电路容易设计。缺点:连续可调的导通时间很小,会导致电压不稳定,要接一定数量的假负载。
０．引言 电力电子器件在早期应用的ＤＣ－ＤＣＰＷＭ“硬开关”功率变换技术中，功率开关管导通或关断时，由于器件上的电压或电流不等于零。因此功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗，而且，开关频率越高，开关损耗越大，变换器效率大为降低；与此同时，随着频率或功率的提高，所产生的ＥＭＩ也同时增大，对周边电器设备和电网的影响也就愈加 严重。因而， 提高开关频率是现代开关变换技术的重要发展方向。开关变换器的高频化可以使变换器的体积、 重量大为减小，从而提高开关变换器的功率密度，提高设备的集成化程度。此外，提高开关频率也有利于降低开关电源的音频噪声和改善动态效应。高频软开关技术在这种要求下应运而生。 １．软开关的基本概念 软开关技术是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关管关断；或开关管电压自然过零时，使开关管导通，从而使开关管关断和导通损耗为零，实现了开关电源高频化的设计，而且提高了电源效率，降 低了ＥＭＩ的产生。硬开关与软开关在开通损耗、 关断损耗的区别如图１所示。 硬开关：（图１ａ）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，波形出现明显的过冲，导致开关损耗和噪声。 软开关：（图１ｂ）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。 图１软开关与硬开关电路的开通损耗与关断损耗的比较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。每一种软开关电 路都可以用于降压型、 升压型等不同电路，并可以从基本开关单元导出具体电路。 ２．１准谐振电路 （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 图２准谐振电路的基本开关单元 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。为最早出现的软开关电路，可以分为：零电压开关准谐振电路（ＺＶＳＱＲＣ）； 零电流开关准谐振电路（ＺＣＳＱＲＣ）；零电压开关多谐振电路（ＺＶＳＭＲＣ）； 用于逆变器的谐振直流环节（ＲｅｓｏｎａｎｔＤＣＬｉｎｋ） 。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（ＰｕｌｓｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ—ＰＦＭ ）方式来控制。２．２零开关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：零电压开关ＰＷＭ电路 （Ｚｅｒｏ－Ｖｏｌｔａｇｅ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＶＳＰＷＭ）；零电流开关ＰＷＭ电路（Ｚｅｒｏ－Ｃｕｒｒｅｎｔ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＣＳＰＷＭ）。 （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图３零转换ＰＷＭ电路的基本开关单元 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换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。 ２．３零转换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： 零电压转换ＰＷＭ电路（Ｚｅｒｏ－Ｖｏｌｔａｇｅ－ＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＶＴＰＷＭ）； 零电流转换ＰＷＭ电路（Ｚｅｒｏ－ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒ—ＺＶＴＰＷＭ）。 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换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。 （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图４零转换ＰＷＭ电路的基本开关单元 ３．软开关电路的典型应用３．１零电压开关准谐振电路工作过程：ｔ０￣ｔ１时段：ｔ０时刻之前，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电力电子高频软开关技术特点及其应用 西安铁路职业技术学院 樊润洁 李金堂 ［摘要］为了获得更高的性能指标、更高的效率、更高的功率密度，减小电能变换装置引起的电磁污染（ＥＭＩ）和环境污染（噪声等）， 软开关技术已经在功率变换器中得到了广泛的应用。本文对软开关技术的电路进行了一个简单的分类， 并对其工作特点进行扼要的分析。重点对几种典型的软开关电路的工作过程、波形分析进行了剖析论述。［关键词］软开关准谐振电路零电压开关零电流开关（ａ）（ｂ） 关断损耗 通态损耗 开通损耗 关断损耗 通态损耗 开通损耗 （ａ）（ｂ） （ｃ）（ａ）（ｂ） （ａ） （ｂ）
个人收集整理 仅供参考学习 (7-1) 1 / 10 第七章谐振软开关技术 随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。然而 如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、 电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。 80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件 的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、 开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关 损耗和提高开关频率的有效办法。 本章首先从PWM 电路开关过程中的损耗分析开始， 建立谐振软开关的概念； 再从软开 关技术发展的历程来区别不同的软开关电路， 最后选择零电压开关准谐振电路、 零电流开关 准谐振电路、零电压开关 PWM 电路、零电压转换PWM 电路和谐振直流环电路进行运行原 理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。 文档收集自网络，仅用于个人学习 7.1谐振软开关的基本概念 7.1.1开关过程器件损耗及硬、软开关方式 无论是DC — DC 变换或是DC — AC 变换，电路多按脉宽调制（PWM ）方式工作，器件 处于重复不断的开通、 关断过程。由于器件上的电压 "、电流-会在开关过程中同时存在， 因而会出现开关功率损耗。以图 7-1（ a ）Buck 变换电路为例，设开关器件 VT 为理想器件， 关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。 文档收集自网络，仅用于个人学 7-1 （b ）为开关过程中 VT 上的电压、电流及损耗 /的波形，设负载电流L 恒 当VT 关断时，负载电流- 一改由续流二极管 VD 提供。若再次触发导通 VT ，电流从VD ，直至J' -.1' 才下降为零。这 样就产 向VT 转移（换流），故-工期间「上升但- J'-- 生了开通损耗 儿：。当停止导通 VT 时，"从零开始上升，在 U T = E * 图7-1 Buck 变换电路开关过程波形
BOOST软开关技术综述 O 引言 近二十年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置通过整流器与电力网接口，经典的整流器是一个由二极管或晶闸管组成的非线性电路，它会在电网中产生大量电流谐波和无功功率，污染电网，成为电力公害。在20世纪80年代中后期，开关电源有源功率因数校正技术引起了国内外许多学者的重视，进行了许多专题研究并取得了大量成果。 有源功率因数校正技术在整流器与滤波电容之间增加一个DC／DC开关变换器。在各种单相PFC电路拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用。高频化可以减小有源功率因数校正电路的体积、重量，提高电路的功率密度。为了使电路能够在高频下高效率地运行，有源功率因数校正电路的软开关技术成为重要的研究方向。 本文对单相Boost有源功率因数校正电路软开关技术进行了分类，并对每一类型的电路的拓扑结构、工作方式及工作特点做出了分析。 1.零电压开关(ZVS)PWM功率因数校正电路 ZVS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，使开关变换器中开关管的电压在开启或关断过程中维持为零。 图1电路为ZVS功率因数校正电路，也称扩展周期准谐振功率因数校正电路。在辅助开关S1开通时，电感Lr抑制二极管Dr的反向恢复。电感Lr与电容Cf发生谐振至流过开关S1的电流降至输入电流大小。开关S2导通后，电感Lr与电容Cf再次谐振至流过开关S1的电流为O，电容Cr两端电压为Vo,使开关S1、开关S2实现ZV—ZCS关断。电路的不足之处是开关的电流应力比较大。
第8章 软开关技术 1．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？ 答：高频化可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重量。使装置小型化，轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率，周期变短，可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小，从而减轻了滤波器的体积和重量；对于变压器来说，当输入电压为正弦波时，U =4.44.f .N .B .S ，当频率f 提高时，可减小N 、S 参数值，从而减小了变压器的体积和重量。 2．软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样子的？各有什么特点？ 答：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态，可将软开关电路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将软开关电路分为准谐振电路，零开关PWM 电路和零转换PWM 电路。 准谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，电路结构比较简单，但谐振电压或谐振电流很大，对器件要求高，只能采用脉冲频率调制控制方式。 S L r C r V D L S VD L r L C r 零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路的基本开关单元 零开关PWM 电路：这类电路中引入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，此电路的电压和电流基本上是方波，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。 S L r C r VD L S 1 S VD L r L C r S 1 零电压开关PWM 电路的基本开关单元 零电流开关PWM 电路的基本开关单元 零转换PWM 电路：这类软开关电路还是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，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并从零负载到满负载都能工作在软开关状态，无功率的交换被消减到最小。 S L r VD L S 1 C r V D 1 L r C r S 1 S VD VD 1L 零电压转换PWM 电路的基本开关单元 零电流转换PWM 电路的基本开关单元
开关损耗及软开关技术 概述 本文简单介绍了开关电路的常见形式，讲述了开关电路开通和截止的过程以及开关损耗产生的原因。最后介绍了减少开关损耗的办法—软开关技术。 开关电路简介 开关是我们经常碰到的一种物品，如电灯的开关，电源的开关，电闸，继电器等。现代电子电路中也经常会使用到开关电路。只不过在电子电路中的开关与上面所提到的机械方式的开关不同,电子电路中的开关一般利用晶体管或场效应管的导通截止特性构成。 开关电路经常出现在电源，功率放大器，电机伺服，音视频切换等电路中。下面举两个例子 开关电源中的开关管(Q) D 类音频功率放大器中的开关管(M1,M2) 从上面两个例子可以看出在功率电子电路中是用的开关电路有以下两个特点 1、 开关管的负载都是感性负载(开关电源电路中的f L 和音频功放中的1L ) 2、 都有相应的续流二极管(如开关电源电路中的D) *在音频功放中的续流二极管实际上是功率场效应管的体二极管。 开关电路的开关过程及开关损耗 以开关电源电路中的开关电路为例介绍一下开关的过程。在这里假定电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。 开通过程 下图描述了开关管开通时电压电流的关系，其中CE V 指得是开关管Q 发射极和集电极之间的电压，对场效应管就是源极(S)和漏极(D)之间的电压。L I 是关断前电感流过的电流。
在0t 时刻开关管Q 开始流过电流，开关管逐渐开通。 在10~t t 时刻流过开关管Q 的电流逐渐增大，同时流过二极管D 的电流逐渐减小。在此时刻Q 一直工作在放大状态，即流过开关管的电流的大小是由流过基极的电流大小决定的。 在1t 时刻开关管Q 流过了所有的L I ，这时流过二极管的电流为零。但是由于二极管反向恢复时间的原因，二极管不会立即进入截止状态，而是要继续保持一段时间的导通。 在21~t t 时刻流过开关管的电流继续增大，Q 还是工作在放大状态。二极管处于反向恢复期流过反向的电流。 在2t 时刻二极管的反向电流开始减小。在此时刻流过开关管的电流已经不再由Q 基极电流的大小决定，所以在此时刻Q 工作在放大和饱和的临界状态。 在32~t t 时刻流过开关管的电流开始减小，同时开关管两端的电压也开始急剧下降，电压下降的速度主要取决于二极管的反向恢复过程。 在3t 时刻二极管完全截止。 在43~t t 时刻里开关管处于动态饱和区CE 端的压降受三极管本身的特性，积极驱动电流，和结温影响。这里不再讨论。 关断过程 关断过程可以分成两部分 10~t t 时刻开关管逐渐退出饱和状态两端电压不断上升。但是流过其中的电流大小没有明显变化。 21~t t 时刻开关管逐渐关断，而二极管逐渐导通。 在关断过程中开关管决定了电流和电压的变化率。
1．引言 将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电力子技术领域发展方向之一。在直/直变换器中，则以全桥移相移控制软开关PWM变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。 目前全桥移相控制软开关PWM变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关（ZVS）转向同时实现零压零流软开关（ZVZCS）。全桥移相控制ZVS方案至少有四点缺陷： 全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。 副边存在占空度丢失，最大占空度利用不充分。 在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。 滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。 另外，在功率器件发展领域，IGBT以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍实用化，适合将IGBT的开关方式软化的技术则是零电流开关（ZCS）。 因而，针对全桥移相控制ZVS方案存在的问题，各种全桥相移ZVZCS软开关的方案应运而生。 2．全桥ZVZCS软开关技术方案比较 目前，正在研究或已产品化的全桥ZVZCS软开关技术主要有以下3种： 变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。 变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。 利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现ZCS软开关。 除方案3为有限双极性控制方式以外，其它几种方案的控制方式全为相移PWM方式。 上述几种方案都能解决全桥相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低电路内部的自循环能量，提高变换效率；减少副边的占空度丢失，提
开关电源中软开关技术的应用分析 发表时间：2018-07-18T16:07:04.763Z 来源：《科技中国》2018年1期作者：严骅[导读] 摘要：软开关技术是目前开关电源领域中的研究重点，软开关技术的诞生进一步推动了通信电源领域的发展，并在生活、生产实践中得到了广泛的应用，让人们享受到了更加便捷的生产和生活方式。本文针对开关电源中软开关技术的概念进行解读，并针对其具体的应用展开分析。 摘要：软开关技术是目前开关电源领域中的研究重点，软开关技术的诞生进一步推动了通信电源领域的发展，并在生活、生产实践中得到了广泛的应用，让人们享受到了更加便捷的生产和生活方式。本文针对开关电源中软开关技术的概念进行解读，并针对其具体的应用展开分析。 关键词：开关电源；软开关技术；应用 科学技术的发展也带动了开关电源技术的革新，目前，越来越多的人倾向体积小，轻便的开关电源，这是开关电源的一个发展趋势。软开关技术就是在这样的背景下的发展起来的，它符合现代人要求开关电源体积小，质量轻的特点，是一种新型的技术，已经广泛的应用于的各个领域。同时软开关技术还提升了开关电源的质量和使用效率。 一、软开关电源的概述 软开关技术是一种新型的电源技术，它更加符合环保和节能的理念，是开关电源的一次创新。软开关技术的工作原理其实比较简单，就是在电压为零的时候，开关管是通着的，当电流为零的时候，开关管是关闭的，这样就可以有效的保护开关，避免在多次的开关中，因为电流及电压的变化而造成损害。同时，软开关的电路结构也发生了改变，增加了小电感、电容等原件，可以有效的降低开关损耗和噪音，让开关的工作环境更加安全。 在传统的通信电源中，常常会出现空开跳开、模块不均流、保险管断开、防雷器故障、整流模块退出的问题，而软开关技术的应用则有效解决了这一问题。与传统的开关相比，软开关设备体型小，在以往的通信电源中，电容、滤波电感、变压器的重量与体积占据着交稿的比例，降低了电路效率，容易引发电磁干扰问题，而软开关的体积小，就很好的解决了上述难题。软开关技术在开关过程中，理想状态下，软开关过程是电流或电压先降低零，电压或电流再缓慢上升到断态值，所以，开关损耗近似为零。 二、软开关电路的分类 1、准谐振开关电路 准谐振开关电路在各个领域已经有了广泛的应用，这种电路在没有电压的情况下可以正常的使用，在没有电流的情况下就会关闭，可以避免开关受到强电流的刺激。准谐振开关电路是一种变频电源，其中的输出的电压和频率成正比。这种电路情况比较复杂，但是它的效率高，损耗小，是一种比较受欢迎的开关电路。 2、ZVS-PWM开关电路 这种电路也是现阶段经常使用的一种电路，它有诸多的优点，首先ZVS--PWM开关电路的消耗功率比较低，但是效率很高，因此它是一个性价比较高的产品。其次ZVS--PWM开关电路的工作频率也比较高，可以承担长时间的作业。但是这种电路也有一定的弊端，就是在断开开关的时候，里面的电压会瞬间升高，比输入电压高一倍多，会对电路的运行产生不利的影响。 3、ZCT-PWM转换电路 ZCT-PWM转换电路是ZVS-PWM开关电路的延伸，它对ZVS-PWM开关电路的缺点做出了处理，让原先的电路模式转变为零电流转换电路，就避免了开关断开时，电压激增的问题，让电路变得更安全，更有利于使用。 三、开关电源中软开关技术的应用分析 1、磁性元器件多功能化 首先，在软开关工作的时候，产生高频损耗及大量热能的现象经常发生，这是由于在软开关工作的过程中，会有高频的电流流过，产生较大的振幅，从而导致损耗和热能的发生。为了有效的避免这一情况，可以采用空心线圈电感，这样在增大线圈的同时也可以降低损耗。其次，在软开关的使用过程中，一般用变压器代替转换电路，这样可以显著的提升变压器的功效。最后，体积小，质量轻是开关电源发展的趋势，为了有效的减小体积，可以去除里面的直流偏磁，为了保证软开关电源的使用效果不受影响，要加入磁性元件，让各个元件之间相互配合完成工作。 2、逆变器中软开关的应用 逆变器是直流电与交流电的转换电路，在生活中有很广泛的应用，但是逆变器的损耗较大，还会出现浪涌，对于元件会产生一定的损伤，软开关的应用可以很好的解决这一问题，让逆变器在更安全的环境中工作。太阳能电池、燃料电池等是我们在生活中经常用到的产品，它们产生的直流电压也受到高频逆变器的控制从而产生正弦电压，在逆变器中采用软开关技术，可以更好的进行这一操作。 软开关技术也可以应用到电动机的驱动中，在电动机的运行过程中，一般运用传感器进行各种参数的读取，各项电流的检测，将软开关技术应用到电动机的驱动中，可以更好的促进电动机的发展。 3、谐振变换器的应用 谐振变换器已经有多年的发展历史，从上世纪 70年代被研发出来以后，谐振变换器一直被广泛的应用于各个领域。谐振变化器是指负载着谐振的变换器，它是根据PWM变换器的工作原理发展起来的，可以分为并联谐振变换器和串联谐振变换器两种。工作的原理是利用负载谐振对开关中的电流进行处理，达到软开关的要求。这种变化器受负载的影响很大，因此要对负载进行合适的选取。 综上所述，软开关技术在各个领域中已经有了广泛的应用，并且取得了较高的效果，在今后对电源开关进行设计时，可以充分的考虑软开关技术。但是软开关毕竟还是一种新型的电源开关，还存在着一些问题，我们要加大软开关技术的研究，充分挖掘软开关技术的优良性能，让其更好的为我们服务。 参考文献： [1] 米保全,姜毅龙,李许军. 基于ICE2A165的反激式开关电源设计与实现[J]. 自动化应用. 2017(06) [2] 李晴平,赵梦恋. 一种绿色模式开关电源控制芯片设计[J]. 电子技术. 2017(06)
第七章谐振软开关技术 随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。然而如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关损耗和提高开关频率的有效办法。 本章首先从PWM电路开关过程中的损耗分析开始，建立谐振软开关的概念；再从软开关技术发展的历程来区别不同的软开关电路，最后选择零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关PWM电路、零电压转换PWM电路和谐振直流环电路进行运行原理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。 7.1 谐振软开关的基本概念 7.1.1 开关过程器件损耗及硬、软开关方式 无论是DC—DC变换或是DC—AC变换，电路多按脉宽调制（PWM）方式工作，器件 处于重复不断的开通、关断过程。由于器件上的电压、电流会在开关过程中同时存在，因而会出现开关功率损耗。以图7-1（a）Buck变换电路为例，设开关器件VT为理想器件，关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。 图7-1（b）为开关过程中VT上的电压、电流及损耗的波形，设负载电流恒定。 图7-1 Buck变换电路开关过程波形 当VT关断时，负载电流改由续流二极管VD提供。若再次触发导通VT，电流从 VD向VT转移（换流），故期间上升但，直至才下降为零。这 样就产生了开通损耗。当停止导通VT时，从零开始上升，在期间维持， 直至，才减小为零，这样就产生了关断损耗。 若设器件开关过程中电压、电流线性变化，则有 （7-1） 图7-2 器件开关轨迹
软开关技术综述 1 引言 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。开关电源的构成框图如图1所示，它由输入电路、变换电路、输出电路和控制电路等组成。功率变换是其核心部分，主要由开关电路和变压器组成。为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，最典型的功率开关晶体管有功率晶体管（CTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘型双极型晶体管（IGBT）等3种。控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制（PWM）方式。 图1 开关电源构成框图 从60年代开始得到发展和应用的DC－DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。软开关和硬开关波形比较如图2所示。 图2 软开关和硬开关波形
从图可以看出，软开关的特点是功率器件在零电压条件下导通（或关 断），在零电流条件下关断（或导通）。与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零电流条件下工作，功率器件开关损耗小。与此同时，du/dt和di/dt大为下降，所以它能消除相应的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），提高了变换器的可靠性。同时，为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术软开关技术已经成为是开关变换技术的一个重要的研究方向。本文对软开关和硬开关的工作特性进行比较，并对软开关技术进行了详细阐述。 2 硬开关的工作特性 图3是开关管开关时的电压和电流波形。开关管不是理想器件，因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching Loss）。开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。 图3 开关管开关时的电压和电流波形 传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高, 它存在如下问题： （a）开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。 （b）感性关断问题：电路中难免存在感性元件（引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感）、当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di／dt很大，和dv/dt，
第七章软开关技术 习题及思考题 １．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？为什么提高开关频率可以减小变压器的体积和重量？ 答：高频化可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重量。使装置小型化、轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率，周期变短，可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小，从而减轻了滤波器的体积和重量；对于变压器来说，当输入电压为正弦波时，U＝4.44·f·N·B·S，当频率f提高时，可减小N，S参数值，从而减小了变压器的体积和重量。 ２．软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样子的？各有什么特点？ 答：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态，可将软开关电路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将软开关电路分为准谐振电路，零开关PWM电路和零转换PWM电路。 准谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，电路结构比较简单，但谐振电压或谐振电流很大，对器件要求高，只能采用脉冲频率调制控制方式。 零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路的基本开关单元零开关PWM电路：这类电路中引入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，此电路的电压和电流基本上是方波，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。 零电压开关PWM电路的基本开关单元零电流开关PWM电路的基本开关单元零转换PWM电路：这类软开关电路还是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，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并从零负载到满负载都能工作在软开关状态，无功功率的交换被消减到最小。
软开关技术综述 摘要 软开关技术是利用在零电压、零电流条件下控制开关器件的导通和关断，有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声因而在电力电子装置中得到广泛应用。本文在讲述软开关技术的原理及分类的基础上，主要回顾了软开关技术的由来和发展历程，以及发展现状和未来的发展趋势。 关键词：软开关技术原理发展历程发展趋势 一．引言： 根据开关元件的工作状态，可以把开关分成硬开关和软开关两类。硬开关是指开关元件在导通和关断过程中，流过器件的电流和元件两端的电压在同时变化；软开关是指开关元件在导通和关断过程中，电压或电流之一先保持为零，一个量变化到正常值后，另一个量才开始变化直至导通或关断过程结束。由于硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来了严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。为了降低开关的损耗和提高开关频率，软开关的应用越来越多。 电力电子装置中磁性元件的体积和重量占很大比例，从电机学相关知识知道，使变压器、电力电子装置小型化、轻量化的途径是电路的高频化。但是, 传统的开关器件工作在硬开关状态，在提高开关频率的同时，开关损耗和电磁干扰也随之增加。所以，简单地提高开关频率显然是不行的。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。 当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应