第七章谐振软开关技术
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软开关技术
.2零电压开关准谐振电路（2） 零电压开关准谐振电路
t 0以前等效电路 S导通，VD反偏（iS为VDS与S电流之和） 导通， 反偏 反偏（ 电流之和） 导通 电流之和 L为恒流源 为恒流源
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（3） 零电压开关准谐振电路
在t1~t2时段等效电路 S关断 ，VDs反偏，VD导通，谐振开始 反偏， 导通 导通， 关断 反偏 uCr继续上升， iLr 下降 继续上升，
t2:iLr=0, uCr 最大
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（5） 零电压开关准谐振电路
在t2~t3段等效电路 S关断，VDs反偏，VD导通 关断， 反偏， 导通 关断 反偏 iLr 反向上升，uCr下降 反向上升， t3: uCr=ui,uLr=0,iLr最大
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。
零电流开通 电感电流，初始保持0不突变 电感电流，初始保持 不突变
零电压关断 电容电压，初始保持0不突变 电容电压，初始保持 不突变
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（1） 零电压开关准谐振电路
总体思路：S 以“准软开关”（零电 压关断），产生谐振，使得两端出现 零电压后（其实是与其反并联的二级 管导通，出现很小的负管压降），给S 开通信号，实现零电压开通：“软开 关” 准谐振：仅谐振了半个周期） 准谐振：仅谐振了半个周期）
第7章 软开关技术
电力电子装置高频化 优点： 滤波器、 变压器体积和重量减小， 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。 装置小型化、 轻量化。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。
t 0以前等效电路 S导通，VD反偏（iS为VDS与S电流之和） 导通， 反偏 反偏（ 电流之和） 导通 电流之和 L为恒流源 为恒流源
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（3） 零电压开关准谐振电路
在t1~t2时段等效电路 S关断 ，VDs反偏，VD导通，谐振开始 反偏， 导通 导通， 关断 反偏 uCr继续上升， iLr 下降 继续上升，
t2:iLr=0, uCr 最大
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（5） 零电压开关准谐振电路
在t2~t3段等效电路 S关断，VDs反偏，VD导通 关断， 反偏， 导通 关断 反偏 iLr 反向上升，uCr下降 反向上升， t3: uCr=ui,uLr=0,iLr最大
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。
零电流开通 电感电流，初始保持0不突变 电感电流，初始保持 不突变
零电压关断 电容电压，初始保持0不突变 电容电压，初始保持 不突变
7.2零电压开关准谐振电路（ 7.2零电压开关准谐振电路（1） 零电压开关准谐振电路
总体思路：S 以“准软开关”（零电 压关断），产生谐振，使得两端出现 零电压后（其实是与其反并联的二级 管导通，出现很小的负管压降），给S 开通信号，实现零电压开通：“软开 关” 准谐振：仅谐振了半个周期） 准谐振：仅谐振了半个周期）
第7章 软开关技术
电力电子装置高频化 优点： 滤波器、 变压器体积和重量减小， 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。 装置小型化、 轻量化。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。 缺点：开关损耗增加，电磁干扰增大。
第7章谐振软开关南余荣[103页]
![第7章谐振软开关南余荣[103页]](https://img.taocdn.com/s1/m/06a4aa877f1922791788e81b.png)
电压开通； ➢ 使开关关断前电流为零，这种关断方式称为零电流关
断。 ➢ 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，
零电压关断。 ➢ 与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速
率，零电流开通。 ➢ 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
10
电力电子技术
7.1.3 软开关电路的分类
➢ 分成零电压电路和零电 流电路两大类。
第7章 谐振软开关技术
7.1 谐振软开关的基本概念 7.2 准谐振软开关换流器 7.3 零电压开关谐振变换器 7.4 零电压转换PWM电路 7.5 软开关技术新进展 本章小结
1
电力电子技术
第7章 谐振软开关技术
➢ 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化， 同时对装置效率和电磁兼容性也提出了更高要求。
a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开准关电路准谐
12
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
7.1.3 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路 ➢ 分：零电压/电流开关PWM电路,基本开关单元如图7-7。 ➢ 辅助开关使谐振仅发生于开关过程前后，优势：电压
和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开 关承受的电压明显降低，可采用频率固定的PWM控制。
➢ 每一种都可用于降压型、 升压型等不同电路，图 7-5基本开关单元表示
➢ 根据谐振机理可以将软 开关电路分成准谐振电 路、零开关PWM电路 和零转换PWM电路。
电力电子技术
图 7-5 基本开关单元 a）基本单元 b）降压斩波器中的基本单元 c）升压斩波 器中的基本单元d）升降压斩波器的基本开关单元
电力电子技术
i1
P1 关断
断。 ➢ 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，
零电压关断。 ➢ 与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速
率，零电流开通。 ➢ 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
10
电力电子技术
7.1.3 软开关电路的分类
➢ 分成零电压电路和零电 流电路两大类。
第7章 谐振软开关技术
7.1 谐振软开关的基本概念 7.2 准谐振软开关换流器 7.3 零电压开关谐振变换器 7.4 零电压转换PWM电路 7.5 软开关技术新进展 本章小结
1
电力电子技术
第7章 谐振软开关技术
➢ 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化， 同时对装置效率和电磁兼容性也提出了更高要求。
a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开准关电路准谐
12
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
7.1.3 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路 ➢ 分：零电压/电流开关PWM电路,基本开关单元如图7-7。 ➢ 辅助开关使谐振仅发生于开关过程前后，优势：电压
和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开 关承受的电压明显降低，可采用频率固定的PWM控制。
➢ 每一种都可用于降压型、 升压型等不同电路，图 7-5基本开关单元表示
➢ 根据谐振机理可以将软 开关电路分成准谐振电 路、零开关PWM电路 和零转换PWM电路。
电力电子技术
图 7-5 基本开关单元 a）基本单元 b）降压斩波器中的基本单元 c）升压斩波 器中的基本单元d）升降压斩波器的基本开关单元
电力电子技术
i1
P1 关断
第7章 软开关技术
a）零电压转换PWM电路 的基本开关单元
特点：Βιβλιοθήκη b）零电流转换PWM电 路的基本开关单元 图7－6 零转换PWM电路的 基本开关单元
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
7.3.1 零电压开关准谐振电路
b）硬开关的关断过程 a）硬开关的开通过程 t 图7－1 硬开关的开关过程
7.1.1 硬开关和软开关
软开关：
在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，构成 辅助换流网络，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。
u i 0 P 0 u u i t t u
i
i
0
P 0
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。
当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和 零电流开关。
靠电路中的谐振来实现。
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。 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。
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
uAB
t
t
O uLr O iLr O uT1 O uR O iL O iVD1 O iVD2 O t8 t9 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t0
t
t
t
t t
t t
特点：Βιβλιοθήκη b）零电流转换PWM电 路的基本开关单元 图7－6 零转换PWM电路的 基本开关单元
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
7.3.1 零电压开关准谐振电路
b）硬开关的关断过程 a）硬开关的开通过程 t 图7－1 硬开关的开关过程
7.1.1 硬开关和软开关
软开关：
在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，构成 辅助换流网络，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。
u i 0 P 0 u u i t t u
i
i
0
P 0
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。
当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关和 零电流开关。
靠电路中的谐振来实现。
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。 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。
S1 O S2 O S4 O S3 O t t t
uAB
t
t
O uLr O iLr O uT1 O uR O iL O iVD1 O iVD2 O t8 t9 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t0
t
t
t
t t
t t
第7章软开关技术
(3) Lr,Cr谐振,至Cr电压降0-,VDs导通—0压转换
(4) S为0压导通,
(5)S1硬关断,由VD1续流, iLr在Uo作用下很快降0
已在功率因数校正电路应用
12
作业10X
10．1 简述变流装置高频化优点、问题、解决方法。 10．2 简述理想软开关过程与特点。 10．3 简述常用软开关过程与特点。 10．4 简述实现0压开关基本电路。 *10．5 移相逆变全桥0压软开关电路中
降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。
2
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---功率损耗 电压、电流变化很快，波形有过冲，导致开关噪声。 功耗与噪声随着开关频率的提高而增大
uu i
i
0
t
P0t来自a）硬开关的开通过程u
i
u
i
0 P
0
b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
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。
6
7.3 典型的软开关电路
7
7.3.1 零电压开关准谐振电路
1）电路结构
例降压型斩波器的 零电压开关准谐振电路。 设L、C很大，可等效为 电流源和电压源，忽略 电路中的损耗。
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
S1断S2通过程简述: S1断Lr恒压/恒流C1充电/放电A点电位上 升/下降(C2充电/放电)UA</>0D2导通/关 断S2可0压导通
13
3
7.1.1 硬开关和软开关
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。
(4) S为0压导通,
(5)S1硬关断,由VD1续流, iLr在Uo作用下很快降0
已在功率因数校正电路应用
12
作业10X
10．1 简述变流装置高频化优点、问题、解决方法。 10．2 简述理想软开关过程与特点。 10．3 简述常用软开关过程与特点。 10．4 简述实现0压开关基本电路。 *10．5 移相逆变全桥0压软开关电路中
降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。
2
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---功率损耗 电压、电流变化很快，波形有过冲，导致开关噪声。 功耗与噪声随着开关频率的提高而增大
uu i
i
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t
P0t来自a）硬开关的开通过程u
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b）硬开关的关断过程
图7－1 硬开关的开关过程
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。
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7.3 典型的软开关电路
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7.3.1 零电压开关准谐振电路
1）电路结构
例降压型斩波器的 零电压开关准谐振电路。 设L、C很大，可等效为 电流源和电压源，忽略 电路中的损耗。
图7-7 零电压开关准谐振电路原理图
S1断S2通过程简述: S1断Lr恒压/恒流C1充电/放电A点电位上 升/下降(C2充电/放电)UA</>0D2导通/关 断S2可0压导通
13
3
7.1.1 硬开关和软开关
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。
007软开关技术
Cr
Lr
L
S VD
Lr
L
S
Cr
VD
Cr1
Lr
L
S
Cr2
VD
零电压开关准谐振 零电流开关准谐振
零电压开关多谐振
7.2 软开关电路的分类
2．零开关PWM电路
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
零开关PWM电路可以分为：
•零 电 压 开 关 PWM 电 路 （ Zero-Voltage-Switching PWM Converter-ZVS PWM）
O
t t
Ui
Lr B
VD2
CR
uLr O
iLr
t
S2 CS2 S4 CS4
O uT1
t
O
t
uR
图 7-14 移相全桥零电压开关PWM电路
O iL
t
O
t
iVD1
O iVD2
t
O
t8 t9 t0
t1 t2 t3t4 t5
t6 t7 t8t9 t0
t
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路
t1~t2阶段的等效电路图
CS3 iLr
VDS3
iL
L VD1
+ Uo
Ui
Lr B
R
S2 CS4
VD2
–t4~t5：S3开通后，Lr的电流继续减小。 iLr降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT， T二次侧VD1的电流下降到零而关断，IL全
t3~t4阶段的等效电路
7.3.4 零电压转换PWM电路
软构开成关辅：助•换在流电网路络中，增在加开了关小过电程感前、后电引容入等谐振过元程件，开在关开开关 通前电压过先程降前为后零引，入或谐关振断，前使电开流关先条降件为得零以，改就善可。以消除开
第七章谐振开关技术
Pon=fswUIton
(7.11)
式中fsw为开关频Po率ff=。fsw式U(I7to.f1f 1)和(7.12(7).表12)明，
器件的开关损耗同开关频率fsw成正比。随
开关频率增加，开关损耗将成为器件损耗
的主要部分。
21
2 、Buck电路中器件的开关损耗
对于典型的Buck电路，当负载电流保持恒 定时，其电路可等值于图7.6。
直流环节的逆变器中，上下桥臂直通成了一种 合理的工作状态。
12
谐振软开关电路中，零电压和零电流条件 是由辅助的谐振电路所创造的。
因此，本章首先介绍基本串联谐振电路和 并联谐振电路工作原理，然后，分别介绍 软开关技术在开关电源和直流逆变器中的 分类和典型应用。
13
第二节 谐振电路工作原理和开关损耗
ic
Cr
duc dt
Lr Cr
d 2iL dt 2
d 2iL dt 2
2 0
iL
2 0
I
0
式中，ω0为谐振角频率
0 1/ LrCr
15
当t≥t0时方程的解为：
iL
(t)
I0
(I L0
I0 ) cos0
(t
t0
)
Ud
U c0 Z0
sin 0 (t
t0
设二极管的反向恢复时间为l00ns，当 f>50kHz时，影响很大。使用ZCS可省掉这 部分损耗。
30
(3)器件的极间电容
进行高频ZCS动作，器件的极间电容Cs的充放电损耗不能
第七章 谐振开关技术
内容提要与目的要求 第一节 概 述 第二节 谐振电路工作原理和开关损耗 第三节 软开关电路的分类
第7章 谐振软开关技术PPT课件
+
R Uo
-
(a) 半波模式
(b) 全波模式
若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于“半 波模式”；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工 作于“全波模式”。
开关管由V于T 有导谐通振，的从作而用实，现当开谐关振管电零感电L流r 开中通通；过的电流为零时，
V T 导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，当 L r 中的电流为零时，
(2)[ t1 , t 2 ] 阶段（谐振阶段）
iLr(t)IoU Zri sinr(tt1)
u C r(t) U i[ 1 c o sr(t t1 )]
(3)[ t 2 , t 3 ] 阶段（电容放电）
对于半波模式，t t 2 之后，使开关V T 关断，即在零电流下关断
对于全波模式，在 t t 2 之后，i L r 反向流动，V D s 导通，电容 C r 经 D s 、L r 向电源回馈电流
VDs
+ uT -
iT VT
ic
Cr
- + uCr
Lr
Lf
iLr
+
VD uD Cf
iD -
+
R Uo
-
而实现开关管的零电
压开通；开关管导通后，在任意时刻其两端电压可近似为零，
此时关断可实现开关管的零电压关断。
2. 工作过程分析
假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽 略电路中的损耗。
ic Cr
3、零转换PWM变换电路 4、直流环节谐振型逆变电（RDCLI）
t
t Poff
t
7.2 准谐振与多谐振变换电路
7.2.1 零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）
第7章谐振软开关
7.1.3 软开关电路的分类
3．零转换PWM电路 ➢ 分为：零电压/电流转换PWM电路，其基本开电关单
元如图7-8所示。 ➢ 区别是谐振电路是与主开关并联的，在很宽的输入电
压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。
图7-8 零转换关PWM电路的基本开关单元
14
电力电子技术 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
7.1.2 零电压开关和零电流开关
➢ 在20世纪80年代，电力电子软开关技术大部分的研 究集中在谐振变换器的应用上。
➢ 谐振变换器是应用谐振原理，利用开关变换器的谐振 回路（Resonant Tank），使其中的电压（或电流） 按正弦规律变化。
➢ 当电流自然过零时使器件关断ZCS或ZVS，从而减少 开关损耗，提高开关频率，减小磁性元件体积。
UDS=0。 ✓ 由于Us>ucr ， iLr上
升，在iLr小于iL (约
0
Us / Zr
iLr
IO
0
uDS
t0 t1 t2 t3t4 t5t6
TS t0
t t
等于Io )前，uCr=0。
0 uCr
t
Us
✓ 这一时段 iLr的上升 0
b)
t
率为diLr /dt=Us/Lr。
图7-11 Buck型半波零电流准谐振变换器 a）电路 b）电路波形
钳位为0，VDf为通
态，VT为断态。
uG
0
✓ 在t6~t`0时段，iLr =0，
iLr 0
如果在t`0时刻开通 uDS
VT，则iLr从0开始上
0 uCr
升，由于电感Lr的作 用，近似于零电流开
电力电子技术：第七章 谐振软开关技术
件耐压要求高。
典型谐振开关电路
全桥零电压开关PWM电路
工作规律： 1）一个开关周期T内，每个开关元件导通时间略小于T/2，关断时间略
大于T1触发信号ug1超前VT4触发信号ug4(0~T/2)时间；VT2触发信号
ug2超前VT3触发信号ug3(0~T/2)时间。
实现软开关工作；电路无功需求减小，工作效率提高。
典型谐振开关电路
零电压开关准谐振电路
Lr——谐振电感；Cr——谐振电容。
一个工作周期分四个阶段：
阶段①（t0-t1）：VT在零电压下关断，电路以iL=I0向Cr 充电，uC=0↑→=E（t1时刻）。
阶段②（t1-t2）：VD导通，Cr、Lr构成串联谐振（t1-t’1 磁场能量向电场能量转换uc↑，t’1-t2电场能量向 磁场能量转换uC下降）；t”1时刻, uC=E,iL=I0,VD关断；t2时刻，uC正过零→VDr导通→uC=0 （钳到0电位）。
优点：开关损耗、噪声大为降低； 缺点：谐振过程导致电压峰值↑→开关器件耐压要求提高；
谐振电流有效值↑→电路导通损耗↑； 谐振周期随输入电压、输出负载变化，电路不能采用定频
调宽PWM控制，只能采用调频控制→电路设计困难。
谐振软开关的基本概念
谐振软开关电路类型
2、零开关PWM电路
(a)ZVSPWM
零电压PWM
缺点：谐振电压峰值高于电源电压(E) 2倍 以上，因此功率开关器件要有很高
控制阶段④时间长短，可实现对输出电压的调频控制。
的耐压值。
典型谐振开关电路
零电流开关准谐振电路
Lr——谐振电感；Cr——谐振电容。 一个工作周期分四个阶段：
阶段①（t0-t1）： IL<I0，负载电流=I0由VD续流；VT 导通，Cr被VD钳位使uC≈0（=VD导通压降），E 全部加在Lr上，iL线性↑至I0（t1）。
典型谐振开关电路
全桥零电压开关PWM电路
工作规律： 1）一个开关周期T内，每个开关元件导通时间略小于T/2，关断时间略
大于T1触发信号ug1超前VT4触发信号ug4(0~T/2)时间；VT2触发信号
ug2超前VT3触发信号ug3(0~T/2)时间。
实现软开关工作；电路无功需求减小，工作效率提高。
典型谐振开关电路
零电压开关准谐振电路
Lr——谐振电感；Cr——谐振电容。
一个工作周期分四个阶段：
阶段①（t0-t1）：VT在零电压下关断，电路以iL=I0向Cr 充电，uC=0↑→=E（t1时刻）。
阶段②（t1-t2）：VD导通，Cr、Lr构成串联谐振（t1-t’1 磁场能量向电场能量转换uc↑，t’1-t2电场能量向 磁场能量转换uC下降）；t”1时刻, uC=E,iL=I0,VD关断；t2时刻，uC正过零→VDr导通→uC=0 （钳到0电位）。
优点：开关损耗、噪声大为降低； 缺点：谐振过程导致电压峰值↑→开关器件耐压要求提高；
谐振电流有效值↑→电路导通损耗↑； 谐振周期随输入电压、输出负载变化，电路不能采用定频
调宽PWM控制，只能采用调频控制→电路设计困难。
谐振软开关的基本概念
谐振软开关电路类型
2、零开关PWM电路
(a)ZVSPWM
零电压PWM
缺点：谐振电压峰值高于电源电压(E) 2倍 以上，因此功率开关器件要有很高
控制阶段④时间长短，可实现对输出电压的调频控制。
的耐压值。
典型谐振开关电路
零电流开关准谐振电路
Lr——谐振电感；Cr——谐振电容。 一个工作周期分四个阶段：
阶段①（t0-t1）： IL<I0，负载电流=I0由VD续流；VT 导通，Cr被VD钳位使uC≈0（=VD导通压降），E 全部加在Lr上，iL线性↑至I0（t1）。
第7章 软开关技术
21
因此，R、L、C串联电路发生谐振的条件是其电抗X(ω0)=0, 即 Im[Z（jω）]=0, 或arg[Z(jω)]=0， （7-1） 式中Z（jω）为该串联电路阻抗，即有 1 0 L 0 （7-2） C
0
ω0为R、L、C串联电路的谐振电路的谐振角频率，可求得
0
1 LC
1 L 0C C
30
7.2 谐振变换电路基础
7.2.1 RLC串联谐振电路
7.2.2 RLC并联谐振电路 7.2.3 电压型串联谐振逆变电路
31
7.2.3 电压型串联谐振逆变电路
i
图7-9 电压型串联谐振晶 闸管全桥逆变电路图
1．当ω<ω0时，该电路感抗小于 因此，在uAB正半周的θ期间D1、 令晶闸管T1、T4和 T2、T3轮流工 容抗，电路呈容性，i(t)超前uAB(t) D4导电，而在(π－θ)期间T1、T4导 直到ωt=π，T2、T3触发导通，负 作半个逆变周期，则AB两端可以 θ角，波形如图7-9（b）所示： ： 电； 电流从D4 、D1转到T3、T2，（T3、 得到宽度为180°、幅值为VD的 当0≤ωt≤π，uAB＞0，uA＞uB; T在uAB 负半周的θ期间D2 、D3 导 2 建立电流过程中，电压不为零 交流方波电压。 当 π≤ωt≤2π ， uAB ＜ 0 ， 而有开通损耗），uAB ＜0，T2 、 电，而在(π－θ)期间T2、T3导电。 uA＜uB。 T可以忽略谐波电流，近似认为 3 的导电一直延续到ωt=2π－θ，i 即 在 uAB 正 半 周 T （ D1 ） 、 T4 当0≤ωt≤(π－θ), 、T 1 T1、T4导电， 负载电流为正弦基波电流。 从负变到正，T2 i＞0,自然关断。i 3 （ D4 截止。 ， 而 在 uAB 负 半 周 T2 ）导电 T2、T3 续流，直到ωt=2π，T 、 经D2、D3 在ωt=0和ωt=2π时对T1、T4施加 1 （D2）、T3（D3）导电。 当ωt=(π－θ)时，i=0, T1、T4自然 T触发脉冲，在ωt=π和ωt=3π时对T 、 4 触发导通，正电流从D2 、D3 转 2 关断，D41。 4 续流导电，使T1 、 到T1、T 、D T3施加触发脉冲， T4 端电压为零，这时仍有uAB ＞0， 32 vA＞vB
因此，R、L、C串联电路发生谐振的条件是其电抗X(ω0)=0, 即 Im[Z（jω）]=0, 或arg[Z(jω)]=0， （7-1） 式中Z（jω）为该串联电路阻抗，即有 1 0 L 0 （7-2） C
0
ω0为R、L、C串联电路的谐振电路的谐振角频率，可求得
0
1 LC
1 L 0C C
30
7.2 谐振变换电路基础
7.2.1 RLC串联谐振电路
7.2.2 RLC并联谐振电路 7.2.3 电压型串联谐振逆变电路
31
7.2.3 电压型串联谐振逆变电路
i
图7-9 电压型串联谐振晶 闸管全桥逆变电路图
1．当ω<ω0时，该电路感抗小于 因此，在uAB正半周的θ期间D1、 令晶闸管T1、T4和 T2、T3轮流工 容抗，电路呈容性，i(t)超前uAB(t) D4导电，而在(π－θ)期间T1、T4导 直到ωt=π，T2、T3触发导通，负 作半个逆变周期，则AB两端可以 θ角，波形如图7-9（b）所示： ： 电； 电流从D4 、D1转到T3、T2，（T3、 得到宽度为180°、幅值为VD的 当0≤ωt≤π，uAB＞0，uA＞uB; T在uAB 负半周的θ期间D2 、D3 导 2 建立电流过程中，电压不为零 交流方波电压。 当 π≤ωt≤2π ， uAB ＜ 0 ， 而有开通损耗），uAB ＜0，T2 、 电，而在(π－θ)期间T2、T3导电。 uA＜uB。 T可以忽略谐波电流，近似认为 3 的导电一直延续到ωt=2π－θ，i 即 在 uAB 正 半 周 T （ D1 ） 、 T4 当0≤ωt≤(π－θ), 、T 1 T1、T4导电， 负载电流为正弦基波电流。 从负变到正，T2 i＞0,自然关断。i 3 （ D4 截止。 ， 而 在 uAB 负 半 周 T2 ）导电 T2、T3 续流，直到ωt=2π，T 、 经D2、D3 在ωt=0和ωt=2π时对T1、T4施加 1 （D2）、T3（D3）导电。 当ωt=(π－θ)时，i=0, T1、T4自然 T触发脉冲，在ωt=π和ωt=3π时对T 、 4 触发导通，正电流从D2 、D3 转 2 关断，D41。 4 续流导电，使T1 、 到T1、T 、D T3施加触发脉冲， T4 端电压为零，这时仍有uAB ＞0， 32 vA＞vB
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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，「才减小为零，这样就产生了关断损耗■八r。
文档收集自网络，仅用于个人学习若设器件开关过程中电压「、电流「线性变化，则有图L2器件开关就迹图7-2 器件开关轨迹其中.、为开关频率。
这个开关过程伴随着电压、电流剧烈变化，会产生很大的开关损耗。
例如若’•.. •，一•一•一一，则开关过程的瞬时功率可达_l r ''，平均损耗为100W，十分可观。
这种开关方式称为硬开关。
文档收集自网络，仅用于个人学习器件开关过程的开关轨迹如图7-2所示，SOA为器件的安全工作区，A为硬开关方式的开关轨迹。
由于PWM变换器开关过程中器件上作用的电压、电流均为方波，开关状态转换条件恶劣，开关轨迹接近SOA边沿，开关损耗和开关应力均很大。
此时虽可在开关器件上增设吸收电路以改变开关轨迹及相应开关条件，但仅仅是使部分开关损耗从器件上转移至吸收电路中，并没有减少电路工作中的损耗总量。
文档收集自网络，仅用于个人学习为了大幅度地降低开关损耗、改善开关条件，可以采用谐振软开关方式，基本思想是创造条件使器件在零电压或零电流下实现通、断状态转换，从而使开关损耗减少至最小，为器件提供最好的开关条件，如图7-2中曲线B所示。
具体措施是在开关电路中增设小值电感、电容等贮能元件，在开关过程前、后引入谐振，确保在电压或电流谐振过零时刻实现开通和关断。
文档收集自网络，仅用于个人学习7.1.2零电压开关与零电流开关器件导通前两端电压就已为零的开通方式为零电压开通；器件关断前流过的电流就已为零的关断方式为零电流关断；这都是靠电路开关过程前后引入谐振来实现的。
一般无需具体区分开通或关断过程，仅称零电压开关和零电流开关。
文档收集自网络，仅用于个人学习有二种利用零电压、零电流条件实现器件减耗开关过程需要注意：一是利用与器件并联的电容使关断后器件电压上升延缓以降低关断损耗，二是利用与器件串联电感使导通后器件电流增长延缓以降低开通损耗。
这两种方法都不是通过谐振，而是简单地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，通常会造成电路总损耗增加、关断过电压变大等负面影响，并不合算。
文档收集自网络，仅用于个人学习7.1.3谐振软开关电路类型根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电流关断，首先可将软开关电路划分为零电压电路和零电流电路两大类；其次按谐振机理可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。
文档收集自网络，仅用于个人学习1 •准谐振电路准谐振电路中电压或电流波形为正弦半波，故称准谐振，这是最早出现的软开关电路。
它又可分为(1)零电压开关准谐振电路( Zero-Voltage-Switchi ng Quasi-Reso nant Co nverter :ZVSQRC);文档收集自网络，仅用于个人学习(2)零电流开关准谐振电路 (Zero-Current-Switching Quasi-ResonantConverter: ZCSQRC ); 文档收集自网络，仅用于个人学习(3)零电压开关多谐振电路( Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant Converter : ZVSMRC )；文档收集自网络，仅用于个人学习(4) 谐波直流环节电路( Resonant DC link )。
图7-3给出了前三种准谐振电路的基本开关单元电路拓朴。
由于在开关过程引入了谐振，使准谐振电路开关损耗和开关噪声大为降低， 但谐振过程 会使谐振电压峰值增大， 造成开关器件耐压要求提高； 谐振电流有效值增大， 导致电路通导 损耗增加。
谐振周期还会随输入电压、输出负载变化，电路不能采取定频调宽的 PWM 控制 而只得采用调频控制，变化的频率会造成电路设计困难。
这是准谐振电路的缺陷。
文档收集自网络，仅用于个人学习 2.零开关PWM 电路这类电路引入辅助开关来控制谐振开始时刻， 使谐振仅发生在开关状态改变的前后。
这 样开关器件上的电压和电流基本上是方波，仅上升、下降沿变缓， 也无过冲，故器件承受电 压低，电路可采用定频的 PWM 控制方式。
图7-4为两种基本开关单元电路： 零电压开关PWM 电路(Zero-Voltage-Switching PWM Converter : ZVSPWM )和零电流开关 PWM 电路(Zero-current-switching PWM Converter : ZCSPWM )。
文档收集自网络，仅用于个人学习图7-4 零开关PWM 电路基本开关单元3.零转换PWM 电路这类电路也是采用辅助开关来控制谐振开始时刻，但谐振电路与主开关元件并联，使 得电路的输入电压和输出负载电流对谐振过程影响很小， 因此电路在很宽的输入电压范围和大幅变化的负载下都能实现软开关工作。
电路工作效率因无功功率的减小而进一步提高。
图 7-5为两种基本开关单元电路：零电压转换 PWM 电路(Zero-Voltage-Transition PWM Converter : ZVTPWM )和零电流转换 PWM 电路(Zero-Current-Transition Converter :ZCTPWM )。
文档收集自网络，仅用于个人学习图7-5 零转换PWM 电路基本开关单元下面分别详细分析零电压和零电流开关准谐振电路，谐振直流环节电路，零电压开关 PWM 电路和零电压转换 PWM 电路。
文档收集自网络，仅用于个人学习(■)ibi (ci图7-3准谐振电路的三种基本开关单元 (hi7.2典型谐振开关电路7.2.1零电压开关准谐振电路（ZVSQRC ）降压型零电压开关准谐振电路结构如图 7-6（ a ）所示，「•为谐振电感、电容，它们可以由变压器漏感和开关元件结电容来承担。
二极管 C 与功率开关元件 VT 反并联。
在 高频谐振周期的短时间内，可以认为输出电流“ --•恒定，可用电流源来表示。
ZVSQRC 一个工作周期可分四个阶段，如图 7-6（b ）、（c ）所示。
文档收集自网络，仅用于个人学习4）阶段④I 1'' " - ：、：-■•后，负载电流全部由 VT 提供，VD 关断，-：两端电压11, 再次为VT 关断准备了零电压条件。
时刻关断VT ，进入下一个重复周期。
文档收集自网络， 仅用于个人学习四个阶段中，阶段④的时间可通过 VT 的触发信号来进行控制，故准谐振电路采用调频 控制。
从图7-6（ b ）［电压波形可以看出，谐振电压峰值高于电源电压 E 的2倍以上，使 功率开关器件必须要有很高的耐压值，这是 ZVSQRC 的缺点。
文档收集自网络，仅用于个人学习722零电流开关准谐振电路（ZCSQRC ）零电流开关准谐振电路结构如图7-7（ a ）所示，S 为谐振电感、电容，当 LC 谐 振产生的电流流经功率开关器件VT 时，可使VT 在零电流时刻通、断。
ZCSQRC 一个工作1 阶段①「设「前VT 导通。
负载电流；i 二由续流二极管VD 提供，与之并 联的谐振电容-■■两端电压被箝至 J ' o 这样导致电源电压 E 全部施加在谐振电感上，其 上电流「•线性上升，［时刻上升至I ：-」，使得负载电流L 转而由VT 来承担，VD 断流关 断，-■■两端电压 1不再被箝位为零。
文档收集自网络，仅用于个人学习图7-6 ZVSQRC 电路及波形周期可分为四个阶段，如图7-7（b）、（c）所示。
由于滤波电感L足够大，开关周期足够短，分析时认为负载电流；j --'恒定。
文档收集自网络，仅用于个人学习图7-7 ZCSQRC电路及波形不能过零反振为负，此时满足零电流条件，应取消VT 触发信号。
文档收集自网络，仅用于个人学习 3） 阶段③后VT 作零电流关断，谐振电容-：由负载电流丄一反向充电，1 线性下降。
时刻■' - ，续流二极管 VD 无反偏开始导通。
文档收集自网络，仅用于个人学习4） 阶段④ 后，负载电流；j - - L 由VD 提供，直至二时刻，一个工作周期 结束。
若导通 VT ，开始下一个新的工作周期。
同样，控制阶段④时间长短， 可以调整输出电压，实现调频控制。
谐振电感-、电容-：ZCSQRC 电路在零电流下开关， 理论上减小了开关损耗， 但VT 导通时其上电压为电源 电压E ,故仍有开关损耗，只是减小，但为提高开关频率创造了条件。
此外还要注意到 VT 上电流：的峰值显著大于负载电流 丄一，意味开关上通态损耗也显著大于常规开关变换器。
文 档收集自网络，仅用于个人学习 723谐振直流环在各种AC — DC — AC 变换电路（如交一直一交变频器）中都存在中间直流环节，DC —AC 逆变电路中的功率器件都将在恒定直流电压下以硬开关方式工作，如图7-8（a ）所示， 导致器件开关损耗大、开关频率提不高，相应输出特性受到限制。