零电压_零电流PWM软开关技术研究

软开关双向DCDC变换器的研究一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，DC/DC变换器在各种电源管理系统中扮演着越来越重要的角色。

特别是在电动车、可再生能源系统、数据中心以及航空航天等领域，DC/DC变换器的性能优化和效率提升成为了研究的热点。

传统的DC/DC变换器在开关切换过程中存在较大的开关损耗和电磁干扰，影响了其整体效率和稳定性。

因此，研究和开发新型的DC/DC变换器技术，特别是具有软开关特性的双向DC/DC变换器，对于提高电源系统的效率和可靠性具有重要的理论价值和实际应用意义。

本文旨在深入研究软开关双向DC/DC变换器的基本原理、拓扑结构、控制策略及其在实际应用中的性能表现。

文章首先介绍了DC/DC变换器的基本概念和分类，分析了传统DC/DC变换器存在的问题和挑战。

然后，重点阐述了软开关技术的原理及其在双向DC/DC变换器中的应用，包括软开关的实现方式、拓扑结构的选择以及相应的控制策略。

本文还将对软开关双向DC/DC变换器的性能评估方法进行探讨，包括效率、稳定性、动态响应等指标的分析和比较。

本文将通过仿真和实验验证，对所研究的软开关双向DC/DC变换器的性能进行验证和评估。

通过对比分析不同拓扑结构和控制策略下的实验结果，为软开关双向DC/DC变换器的优化设计和实际应用提供有益的参考和指导。

本文的研究成果将为电力电子技术的发展和电源系统的性能提升提供新的思路和解决方案。

二、软开关双向DCDC变换器的基本原理软开关双向DC-DC变换器是一种新型的电力转换装置，它结合了软开关技术和双向DC-DC变换器的优点，旨在提高转换效率、减小开关损耗和降低电磁干扰。

其基本原理主要涉及到软开关技术的运用以及双向DC-DC变换器的工作模式。

软开关技术通过在开关管电压或电流波形上引入零电压或零电流区间，实现了开关管的零电压开通（ZVT）或零电流关断（ZCS），从而极大地减小了开关损耗。

在软开关双向DC-DC变换器中，通过采用谐振电路、辅助开关或变压器等元件，实现了开关管的软开通和软关断，从而提高了变换器的效率。

ＺＣＳＰＷＭ（或ＺＶＳ－ＰＷＭ）转换器技术，是ＰＷＭ开关转换技术和ＺＣＳ（或ＺＶＳ）准谐振转换技术的综合，谐振转换器是最早出现的一种软开关转换器。

准谐振开关是在ＰＷＭ开关上附加谐振网络，利用局部谐振实现ＺＣＳ或ＺＶＳ。

图１为ＺＣＳ和ＺＶＳ谐振开关的示意图。

图中Ｌｒ为谐振电感（包括电路中的杂散电感和变压器漏感），Ｃｒ为谐振电容（包括开关管的结电容）。

ＺＣＳ谐振开关和ＺＶＳ谐振开关之间有－定的对偶规律，见表1。

由图１（ａ）可知，在ＺＣＳ谐振开关中，当开关管Ｓ１开通时，谐振网络ＬｒＣｒ接通，电路谐振，开关管中的电流按准正弦规律变化（因此称为准谐振），但谐振频率不一定等于开关频率。

当电流谐振到零时，令开关管关断，谐振停止，故图１（ａ）称为ＺＣＳ谐振开关或准谐振开关。

图１（ｃ）给出了ＺＳＣ条件下开关管上的电压Ｕｃｅ和电流ｉＣ的波形，图２给出了ＰＷＭ开关的电压、电流轨迹（Ａ１为关断过程，Ａ２为开通过程）和ＺＣＳ谐振开关的电压、电流轨迹Ｂ。

由图１（ｂ）可见，当开关管处于关断状态时，ＬｒＣｒ串联谐振，电容Ｃｒ（包括开关管的输出电容）上的电压按准正弦规律变化，当它谐振过零时，令开关管开通，因此图１（ｂ）是一种ＺＶＳ谐振开关。

零电流谐振开关和零电压谐振开关都有两种电路方式：即Ｌ型和Ｍ型，如图１（ａ）、（ａ′）和（ｂ）、（ｂ′）所示。

它们的工作原理是相同的。

这里不再重复。

零电流谐振开关和零电压谐振开关分为半波电路和全波电路，这两种电路都可以用通用电路来表示，如图１所示，在通用电路中，用开关Ｓ１来表示半波电路与全波电路中的开关管Ｖ１。

pwm变频调速及软开关电力变换技术[pwm变频调速及软开关电力变换技术]1. 引言在现代工业和电力系统中，pwm变频调速及软开关电力变换技术已经成为一种常见的技术应用。

它们在提高能源利用率、降低能源消耗和减少对环境的影响等方面具有重要作用。

本文将深入探讨pwm变频调速及软开关电力变换技术的原理、应用及未来发展趋势。

2. pwm变频调速技术的原理和应用2.1 什么是pwm变频调速技术pwm（Pulse Width Modulation）变频调速技术是一种通过控制电机输入的脉冲宽度来实现对电机转速的调节的技术。

它通过改变电机输入的频率和电压，使电机能够以不同的速度运行，从而满足不同工况下的需求。

2.2 pwm变频调速技术的应用pwm变频调速技术广泛应用于工业生产中的电机驱动系统、风力发电系统、水泵系统、压缩机系统等领域。

通过pwm变频调速技术，能够实现电机的精确控制和高效运行，从而提高设备的稳定性和工作效率。

3. 软开关电力变换技术的原理和应用3.1 什么是软开关电力变换技术软开关电力变换技术是一种通过对电力开关管进行控制，减少开关过程中电流和电压的突变，以减小开关损耗的技术。

它通过改善开关过程中的电压和电流波形，降低开关损耗和提高电力变换效率。

3.2 软开关电力变换技术的应用软开关电力变换技术在直流变换器、逆变器、变频器以及电力系统中的高压开关设备中得到广泛应用。

通过软开关电力变换技术，能够减少电力设备的能量损耗，提高系统的可靠性和稳定性。

4. pwm变频调速及软开关电力变换技术的未来发展趋势4.1 高性能功率模块的发展未来，随着高性能功率模块的不断发展，将能够提高pwm变频调速及软开关电力变换技术的性能和效率，满足更多复杂工况下的电力需求。

4.2 电力电子器件的集成化和智能化随着电力电子器件的集成化和智能化，pwm变频调速及软开关电力变换技术将更加灵活和智能化，能够更好地适应不同工况下的需求。

5. 总结和回顾pwm变频调速及软开关电力变换技术作为当前电力系统中重要的技术应用，具有重要的意义。

第6章 PWM 控制技术1．试说明PWM 控制的基本原理。

答：PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。

效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。

上述原理称为面积等效原理以正弦PWM 控制为例。

把正弦半波分成N 等份，就可把其看成是N 个彼此相连的脉冲列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N ，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM 波形。

各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。

根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。

可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效。

2．设图6-3中半周期的脉冲数是5，脉冲幅值是相应正弦波幅值的两倍，试按面积等效原理计算脉冲宽度。

解：将各脉冲的宽度用i（i =1, 2, 3, 4, 5）表示，根据面积等效原理可得1=m5m 2d sin U t t U ⎰πωω=502cos πωt - =0.09549(rad)=0.3040(ms)2=m525m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=5252cos ππωt -=0.2500(rad)=0.7958(ms)3=m5352m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=53522cos ππωt -=0.3090(rad)=0.9836(ms)4=m5453m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=2=0.2500(rad)=0.7958(ms)5=m54m2d sin U tt Uωϖππ⎰=1=0.0955(rad)=0.3040(ms)3. 单极性和双极性PWM 调制有什么区别？三相桥式PWM 型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM 波形各有几种电平？答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM 波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM 控制方式。

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，提高最大占空度的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。

为提高电路的开关频率准备了条件，使整机的轻量化，小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。

现代电力电子技术中的软开关技术摘要：论述了现代电力电子技术的软开关技术及其新发展，论述了由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的软开关技术。

关键词：软开关谐振现象变换器一、引言电力电子技术利用无源功率器件和半导体功率器件、大规模集成电路和微处理器、传感与信息处理技术、现代控制理论、计算机仿真与辅助设计技术，以功率变化电路为对象，研究对电能进行变换和控制的规律，以其独特的、不可取代的特殊功能，广泛应用于国民经济的各个领域。

开关电源的高频化是实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量的重要途径。

开关电源的高频化增大了变换器的功率密度和性能价格比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的音频噪声。

软开关（softswitching）技术是近年来电力电子学领域中的一个主要研究方向。

对软开关理论的深入研究，使软开关技术成为电力电子变换技术的核心内容尤其是能有效地减小电能变换装置引起的环境污染（噪声等）和电磁污染（emi），为发展无公害电力电子产品提供了有效的方法和途径。

二、谐振软开关的工作原理，种类及特点谐振软开关是八十年代提出并用于dc-dc变换器中[2]。

它利用电路发生谐振时，电流或电压形成周期性地过零点，并使开关器件在在零电流或零电压条件下接通或切断，因此理论上它的开关损耗为零，避免了硬开关由于电压电流波形交叠而产生开通及关断损耗。

软开关包括软关断和软开通。

按驱动信号的时序来分又可以分为零电压开通、零电压关断与零电流开通、零电流关断。

各种软开关与硬开关的波形比较如下：图1 软开关和硬开关的波形比较图中零电流关断信号在t2或t2以后发出，零电压关断信号在t1发出。

零电流开通信号在t2或t2以后发出，零电压开通信号在t1发出。

谐振软开关电路中的零电流和零电压条件是由辅助的谐振电路提供的，辅助电路一般由辅助谐振元件l和c和电力电子开关器件s构成。

辅助谐振电路中的开关器件s也是在零电流或零电压条件下实现通断。

浅谈软开关技术及其应用于玲【摘要】软开关技术在零电压、零电流条件下开通或关断,开关损耗较小,所以不仅使电力电子装置小型化、轻型化,而且提高了动态响应性能.与此同时,它还较好地消除了相应的开关噪声.【期刊名称】《山东纺织经济》【年(卷),期】2010(000)007【总页数】2页(P100-101)【关键词】软开关;谐振;脉宽调制【作者】于玲【作者单位】潍坊学院,山东潍坊,261061【正文语种】中文【中图分类】TP171 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，控制开关元件的占空比来调整输出电压。

开关电源由输入电路、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，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。

现代电力电子装置发展的趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了较高的要求。

通常滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量上占很大比例。

因此要设法降低他们的体积和重量。

而提高工作频率可以减少变压器各绕组的匝数，并减少铁芯的尺寸。

然而在高频化的同时，开关损耗会随之增加，电磁干扰也会随之增大。

针对上述问题，出现了软开关技术，它利用以谐振为主的辅助换流技术，较好地解决了开关损耗和开关噪声的问题，继而允许开关频率大幅提高。

2 软开关的范畴开关状态的转换并不是在瞬间完成的，它是一个开关过程。

在很多电路中，开关元件在电压很大或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或关断。

开关过程中电压和电流并不为零，并出现了重叠，产生了一定的功率损耗即开关损耗。

而且电压和电流的变化很快，其波形出现了明显的过冲，就导致了开关噪声的产生。

LLC谐振变换器PWM控制策略和同步整流技术的研究一、概述随着电力电子技术的快速发展，高效率、高功率密度的电源变换器在各个领域的应用越来越广泛。

LLC谐振变换器作为一种高效、高功率密度的电源变换器，其在实际应用中受到了广泛关注。

LLC谐振变换器的控制策略和整流技术对其性能有着重要影响。

研究LLC谐振变换器的PWM控制策略和同步整流技术对于提高电源变换器的效率和稳定性具有重要意义。

PWM（脉冲宽度调制）控制策略是LLC谐振变换器中的一种重要控制方式。

通过调节PWM信号的占空比，可以有效地控制LLC谐振变换器的输出电压和电流，从而实现对其性能的精确控制。

同时，PWM 控制策略还可以提高LLC谐振变换器的动态响应能力，使其能够快速适应负载变化。

同步整流技术是一种提高整流效率的有效方法。

传统的整流电路通常采用二极管作为整流元件，但由于二极管的导通压降较大，会导致整流效率较低。

而同步整流技术则采用MOSFET等低导通压降的开关器件代替二极管，从而大大降低了整流损耗，提高了整流效率。

本文旨在研究LLC谐振变换器的PWM控制策略和同步整流技术，通过理论分析和实验验证，探索出更为高效、稳定的控制方法和整流技术，为LLC谐振变换器的实际应用提供理论支持和实验依据。

同时，本文的研究结果也可以为其他类型的电源变换器的控制策略和整流技术的研究提供参考和借鉴。

1. LLC谐振变换器的概述LLC谐振变换器是一种高效、高功率密度的电力转换装置，近年来在电力电子领域得到了广泛的研究和应用。

作为一种谐振变换器，LLC以其独特的拓扑结构和控制方式，实现了在宽负载范围内的高效、稳定运行。

其基本原理基于谐振原理进行电压和电流的变换，主要由初级电感(L)、谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)组成，形成一个LLC谐振网络。

在正常工作过程中，该谐振网络会在特定的频率下发生谐振，实现输入电压到输出电压的转换。

LLC谐振变换器的特点之一是能够实现开关管的零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），从而有效减小开关损耗，提高变换器的效率。

软开关技术及其应用1.软开关技术的简介1.1软开关技术的基本概念软开关：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。

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。

和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，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下降到零，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，器件结电容的电压亦为零，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，因此二极管方向恢复问题不存在。

1.2软开关技术的工作原理图一软开关的开关、关断过程通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除开关消耗。

同时，谐振过程限制了开关过程中电压电流的变化率，这使得开关噪声显著减小。

理想开关过程：零压导通零压关断，开通和关断零损耗零噪声。

2.软开关电路的种类及特点根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。

通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。

但也有个别电路中，有些开关是零电压开通，另一些开关是零电流关断的。

根据软开关技术发展的历程，可以将软开关电路分成以下三种：1）准谐振电路. 是最早出现的软开关电路。

准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声大大下降，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方式来控制。

准谐振电路可以分为零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关多谐振电路和用于逆变器的谐振直流环。

2) 零开关PWM电路.电流和电压基本上是方波。

开关承受的电压明显降低。

电路不采用开关频率固定的PWM控制方式。

Equipment Manufactring Technology No.10，2008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［１］。

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。

在软开关技术出现之前，通过控制门极来控制开关管的开通和关断，会造成很大的开关损耗。

软开关技术是指通过辅助的谐振电路，使开关管开通前电压先降为零，或者关断前电流先降为零［２］。

这样，就降低了开关功率损耗，减少了噪声污染。

１软开关技术的由来开关器件工作频率越高，其尺寸越小，传统ＰＷＭ变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作的诸多缺陷阻碍了开关器件工作频率的提高。

（１）开通和关断损耗大。

（２）感性关断问题：电路中存在感性元件，当开关器件关断时，感应出很高的尖峰电压，易造成击穿电压。

（３）容性开通问题：开关器件在很高的电压下开通时，存储在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该器件内，引起过热损坏。

（４）二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时，存在着反向恢复期，此时，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易产生很大的冲击电流。

改进上述不足的有效办法，就是发展软开关技术。

理想的软开通过程：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，此时开通损耗近似为零。

另外，因器件开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零。

由此可见，软开关技术较好地解决了硬开关的开关损耗、容性开通、感性关断、二极管反向恢复问题［３］。

２软开关技术的工作原理所谓“软开关”是与“硬开关”相对应的。

硬开关是在控制电路的开通和关断过程中，电压和电流的变化剧烈，产生较大的开关损耗和噪声，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的工作。

软开关基本理论的研究_脉宽调制引言随着电力电子技术的发展，功率变换器(PowerConverter)在开关电源、电机驱动控制、高频感应加热、焊接电源、电网的无功补偿和谐波治理等众多领域得到日益广泛的应用。

为了实现功率变换器装置的高性能、高效率、高可靠性、减小体积和重量，必须实现功率变换器中开关管的软开关(SoftSwitching)。

软开关变换技术是近年来电力电子学领域中的热门话题，软开关理论的深入研究及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换器的设计出现了革命性的变化。

1软开关的定义所谓的软开关是与硬开关对应的，凡用控制的方法使电子开关在其两端的电压为零时导通电流，或使流过电子开关的电流为零时关断，则此开关称为软开关。

它能克服传统的硬开关的开关损耗，理想的软开关的开关损耗为零，从而可提高功率变换器的传输效率。

最理想的软开关开通过程是零电压开通，即：电压先降到零，然后，电流再缓慢上升到通态值，在这个过程中，开通损耗几乎为零，而且开通器件上的电压在开通时下降为零，器件的结电容上的电压也为零，不存在容性开通的问题，此意味着二极管已经截至，其反向恢复过程结束，故也不存在二极管的反响恢复问题；与之相对应的是软开关关断过程（零电流关断）：电流先降到零，然后，电压再缓慢上升到断态值，在这个过程中，关断损耗几乎为零，而且关断器件上的电流在关断时下降为零，线路中的电感上的电流也相应为零，因此不存在感性关断的过程。

上述开关过程对应的波形如图1所示，图中还画出了硬开关的工作波形，以示对比。

软开关硬开关关断波形开通波形图1软开关与硬开关波形比较1.1软开关的分类由图可知，软开关包括软开通和软关断；其中，软开通又包括零电压开通和零电流开通；软关断包括零电压关断和零电流关断。

下面以上图为基础分别对四种方式作一介绍：（1）零电压关断：开关器件在两端的电压为零时实行关断。

此关断命令在t1时刻发出，开关器件上的电流从通态值下降到断态值后，端电压才从通态值上升到断态值，开关器件进入到截止状态。