能力拓展训练 题目软开关电路研究与仿真 学院自动化学院 专业电气工程及其自动化 班级电气1004班 姓名张珊 指导教师 2013 年7 月 2 日
能力拓展训练任务书 学生姓名：张珊专业班级：电气1004班 指导教师：工作单位：武汉理工大学 题目:软开关电路研究与仿真 初始条件： 几种典型的软开关电路为：零电压开关准谐振电路，谐振直流环电路，移相全桥零电压开关电路等。 要求完成的主要任务: 1. 分析软开关和硬开关。 2.分析常见软开关电路的拓扑结构及特点。 3. 选择一种或几种典型软开关电路，设计仿真模型及参数，分析仿真输 出波形。 4. 拓展训练说明书不少于5000字，参考文献不少于5篇，画出电路图， 仿真模型，给出仿真波形并分析。 拓展训练说明书应严格按统一格式打印，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。 时间安排： 2013.7.3 －2013.7.4 收集拓展训练相关资料 2013.7.5 －2013.7.7 系统设计及仿真 2013.7.8 －2013.7.9 撰写论文及答辩 指导教师签名： 2013 年 7 月 2 日 系主任（或责任教师）签名： 年月日
摘要 软开关技术是近年来电力电子领域的研究热点,采用该技术可以降低开关损耗,减小电干扰,进而提高开关频率,从而使得开关电源向体积小、重量轻、能量密度高的方向发展。本文对软开关的电路结构及特点进行介绍，主要对典型的软开关电路进行分析，了解工作过程，并且对降压型的零电压开关准谐振电路的工作原理进行研究,采用matlab仿真软件进行仿真得到对应的相关波形,从得验证软开关技术在实际电路中的有效性。 关键字：软开关准谐振matlab
1，饱和电感ZVS 硬开关状态下由于功率管开关时产生的过冲很大，使得功率管的电压应力过大，就目前而言，解决这问题的基本方法就是实现零电压（零电流）时功率管开通或者关断，及软开关技术。实现零电压（零电流）的基本思路就是利用电感和电容谐振，使开关器件中的电压（电流）按正弦或者准正弦规律变化。 这种拓扑适合母线电压在150V以上的直流输入，或者同等整流电压情况下的交流输入。主体结构较简单，安装，连接方便，特别适合运用在高频变换中，能缩小变压器体积，器件选用IGBT，可将工作频率设计在15～18KHz。 主要缺点：占空比丢失，电感发热，副边电压应力大，轻载下，或低电压输出情况不理想。
各点的波形图:
2，辅助支路ZVS 在移相式软开关基础上发展出来的。其根本点就是引入了交流负载（辅助绕组），让饱和电感在全范围内有效。 初级饱和电感的作用就是设计的最小工作电流时，能让其饱和。而需要界定为截至时，电感退出饱和，呈大电感状态，把初级电流极大的限制住，这时开关管转换，理解为零电流开关。 次级加装辅助电感并带一个固定电感，一是作为变压器的一个固定感性负载，也就是让初级始终有一点电流维持，利于饱和电感的设计计算；二是把变压器初级的电感变量保持在一个范围内。常规模式下，变压器无负载时初级电感很大，而加上负载时电感即是我们说的漏感，非常小。初级感量变化小，才能体现饱和电感的突变。 这种托扑结构能实现全范围的软开关，主要缺点:增加了变压器辅助绕组，设计和绕制较难，前期需进行技术以及工艺的摸底。内部损耗会增加，整体转换效率较前者低。
3，脉冲变压器驱动 利用脉冲变压器同名端和异名端产生的脉冲波差别，使一个管开通时，另一个可靠关断。 4，IR2110门极关断钳位电路
案例：用于APFC的软开关BOOST电路的分析与仿真 软开关的实质是什么？所谓软开关，就是利用电感电流不能突变这个特性，用电感来限制开关管开通过程的电流上升速率，实现零电流开通。利用电容电压不能突变的特性，用电容来限制开关管关断过程的电压上升速率，实现零电压关断。并且利用LC谐振回路的电流与电压存在相位差的特性，用电感电流给MOS结电容放电，从而实现零电压开通。或是在管子关断之前，电流就已经过零，从而实现零电流关断。 软开关的拓扑结构非常多，每种基本的拓扑结构上都可以演变出多种的软开关拓扑。我们在这里，仅对比较常用的，适用于APFC电路的BOOST结构的软开关作一个简单介绍并作仿真。我们先看看基本的BOOST 电路存在的问题，下图是最典型的BOOST电路：
假设电感电流处于连续模式，驱动信号占空比为D。那么根据稳态时，磁芯的正向励磁伏秒积和反向励磁伏秒积相同这个关系，可以得到下式：VIN×D=(VOUT-VIN)(1-D)，那么可以知道：VOUT=VIN/(1-D) 那么对于BOOST电路来说，最大的特点就是输出电压比输入电压高，这也就是这个拓扑叫做BOOST电路的原因。另外，BOOST电路也有另外一个名称：up converter，此乃题外话，暂且按下不表。 对于传统的BOOST电路，这个电路存在的问题在哪里呢？我们知道，电力电子的功率器件，并不是理想的器件。在基本的BOOST电路中： 1、当MOS管开通时，由于MOS管存在结电容，那么开通的时候，结电容COSS储存的能量几乎完全以热的方式消耗在MOS的导通过程。其损耗功率为COSSV2fS/2，fS是开关频率。V为结电容上的电压，在此处 V=VOUT。（注意：结电容与静电容有些不一样，是和MOS上承受的电压相关的。） 2、当MOS管开通时，升压二极管在由正向导通向反偏截止的过程中，存在一个反向恢复过程，在这个过程中，会有很大的电流尖峰流过二极管与MOS管，从而导致功率损耗。 3、当MOS关断时，虽然有结电容作为缓冲，但因为结电容太小，关断的过程电压与电流有较多的重叠，也产生一定的关断损耗。 下面我们来仿真一下最基本的BOOST电路。因为BOOST电路的输入端是个大电感，在稳态工作时，电流基本不变，所以，在稳态时可以用电流源来代替。而输出因为是大的滤波电容，稳态时，电容电压基本不变，故而在稳态时可以用电压源来代替输出电容。所以，我们可以在saber的环境下，得到这个电路：
各类软开关电路 【日期】 2012年2月4日【浏览】 [379] 本文主要从整体上了解DC/DC变换器中软开关电路的分类。熟悉各类软开关电路的基本结构、优缺点及它们之间的联系。 负载谐振变换器LRC（Load Resonant Converter） 负载谐振型变换器是发展得最早的谐振变换器。按负载与谐振电路的连接关系，可分为两类：一类是负载与谐振回路相串联,称为串联负载谐振变换器(SLR);另一类是负载与谐振回路相并联,称为并联负载谐振变换器(SLR)。 在谐振变换器中,谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。其缺点是：变换器输出性能与负载关系很大，对负载的变化很敏感，电压调节一般采用频率调制（PFM）方法。 准谐振变换器QRC（Quasi-Resonant Converter） 这类变换器是一最经典的软开关变换器。其特点是：谐振元件参与能量变换的某一个过程（或是主开关开通时段，或是主开关关断时段）,不是全程参与。准谐振变换器分为零电压开关准谐振变换器（ZVS-QRC）和零电流开关准谐振变换器（ZCS-QRC）。根据谐振电压（电流）的波形，还可分为半波准谐振和全波准谐振。 下图分别是Buck拓扑的半波ZVS-QRC和半波ZCS-QRC。 由于运行中变换器工作在谐振模式的时间只占一个开关周期中的一部分,而其余时间都是运行在非谐振模式，因此用“准谐振”一词。准谐振变换器由于电路简单，且适用于各种拓扑，不仅适用于基本的BUCK电路、BOOST电路，还可以应用到离线式变换器，如半桥电路中，因此准谐振变换器在小功率变换器上有着广泛应用，如笔记本电脑的电源适配器。和负载谐振变换器一样，电压调节一般采用频率调制（PFM）方法。
学号：0121011350435 能力拓展训练 题目软开关电路研究与仿真 学院自动化学院 专业电气工程及其自动化 班级电气1004班 姓名张珊 指导教师 2013年7月2日
能力拓展训练任务书 学生姓名：张珊专业班级：电气1004班 指导教师：工作单位：武汉理工大学 题目:软开关电路研究与仿真 初始条件： 几种典型的软开关电路为：零电压开关准谐振电路，谐振直流环电路，移相全桥零电压开关电路等。 要求完成的主要任务: 1. 分析软开关和硬开关。 2.分析常见软开关电路的拓扑结构及特点。 3. 选择一种或几种典型软开关电路，设计仿真模型及参数，分析仿真输 出波形。 4. 拓展训练说明书不少于5000字，参考文献不少于5篇，画出电路图， 仿真模型，给出仿真波形并分析。 拓展训练说明书应严格按统一格式打印，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。 时间安排： 2013.7.3 －2013.7.4 收集拓展训练相关资料 2013.7.5 －2013.7.7 系统设计及仿真 2013.7.8 －2013.7.9 撰写论文及答辩 指导教师签名： 2013 年 7 月 2 日 系主任（或责任教师）签名： 年月日
摘要 软开关技术是近年来电力电子领域的研究热点,采用该技术可以降低开关损耗,减小电干扰,进而提高开关频率,从而使得开关电源向体积小、重量轻、能量密度高的方向发展。本文对软开关的电路结构及特点进行介绍，主要对典型的软开关电路进行分析，了解工作过程，并且对降压型的零电压开关准谐振电路的工作原理进行研究,采用matlab仿真软件进行仿真得到对应的相关波形,从得验证软开关技术在实际电路中的有效性。 关键字：软开关准谐振matlab
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
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）
移相全桥为主电路的软开关电源设计详解 2014-09-11 11:10 来源：电源网作者：铃铛 移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。 主电路分析 这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T 为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。 图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图 其基本工作原理如下：
当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。 由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。 当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb 充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。 关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。 VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2。由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3。Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预