PWM软开关技术简介
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1引言PWM(脉宽调制)功率变换技术省去了庞大笨重的工频变压器,减小了装置的体积重量,提高了电源的功率密度与整机效率。
然而,在硬开关状态下工作的PWM变换器,随着开关频率的上升,一方面开关管的开关损耗会成比例地上升,使电路效率降低,处理功率的能力减小;另一方面,会产生严重的电磁干扰(E MI)。
由于功率开关管并不是理想开关,开通和关断都需要一定时间,在这段时间里,在开关管两端电压(或电流)减小的同时,通过的电流(或电压)上升,形成电压和电流波形的交叠,从而产生了开关损耗。
本文介绍一种采用软开关技术的PWM变频调速系统,使开关损耗大幅减小。
2软开关技术的优点所谓软开关通常是指零电压开关ZVS(zerovoltageswitching)和零电流开关ZCS(zerocurrentswitchingz)或近似零电压开关与零电流开关。
硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程;而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振,使开关器件中电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化,当电流自然过零时器件关断;当电压降到零时,器件导通。
开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程,使器件的开关损耗理论上为零。
软开关技术的应用,在理论上使开关管的开关损耗为零,从而可以使开关频率进一步提高,使电力电子变换器具有更高的效率,更高的功率密度,体积、重量大大减小,具有更高的可靠性;并可有效地减小电能变换装置引起的电磁污染(EMI)和环境污染(噪声等)。
3ADRPI变换桥臂的拓扑结构及工作原理辅助二极管变换极逆变器(ADRPI)拓扑结构见图1。
若定义电路中Q1导通、Q2截止为“1”状态,而Q2导通、Q1截止为“0”状态,则这种变换桥臂的基本工作原理是:图1 ADRPI一条变换臂的拓扑结构图(1)设电路的初始状态为“1”状态,即Q1导通、Q2截止,极电压VC2由于箝位二极管Dc的作用被箝位在电源电压Vin,电感电流iL为稳定正值,电感电压VL等于零,这时的电感L作为能量储存元件而存在。
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。
无刷直流电机逆变器的软开关技术无刷直流电机逆变器是一种将直流电能转换成交流电能并驱动无刷直流电机的电子设备。
在无刷直流电机逆变器中,软开关技术在提高电机效率、减少电机噪音、降低电机振动等方面起着重要的作用。
本文将介绍无刷直流电机逆变器软开关技术的原理、分类、现有研究进展,并分析其优缺点。
无刷直流电机逆变器的原理是将直流电能通过逆变器转换成交流电能,然后通过交流电能驱动无刷直流电机运转。
在逆变器中,开关管承担着很重要的作用,其具体工作模式在很大程度上决定了逆变器的性能。
传统的硬开关技术在开关管关断时会产生较大的开关损耗和电磁干扰,不利于逆变器的安全和稳定运行。
而软开关技术可以在开关管关断时通过一系列控制策略提高开关管的效率和工作稳定性,减小开关损耗和电磁干扰。
根据开关管的工作原理和逆变器的拓扑结构,可以将软开关技术分为多种类型。
常见的软开关技术包括零电压切换(ZVS)技术、零电流切换(ZCS)技术、有限电压切换(FZVS)技术等。
其中,ZVS技术是指在开关管关断时通过调节电压或电流使其达到零值的技术,可以减小开关管关断时的开关损耗,提高逆变器的效率。
ZCS技术是指在开关管关断时通过调节电流使其达到零值的技术,可以减小开关管关断时的电流压力,降低电磁干扰。
FZVS技术是指在开关管关断时通过控制电压保持在一定范围内的技术,可以降低开关管关断时的电压应力,延长其使用寿命。
当前,软开关技术在无刷直流电机逆变器中得到了广泛的应用和研究。
根据控制策略的不同,可以将软开关技术进一步分类为PWM控制技术、谐振控制技术、混合控制技术等。
PWM控制技术是指通过调节开关管的通断时间比例来控制输出电压或电流的技术,可以实现电机的高效驱动和精确控制。
谐振控制技术是指通过共振电路和谐振元件来控制开关管的开关瞬间,减小开关损耗和电磁干扰。
混合控制技术是指将PWM控制技术和谐振控制技术相结合的技术,可以实现更高的性能和更低的成本。
软开关技术综述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。
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。
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。
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力和噪声, 将变得难以接受。
谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。
为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM技术。
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。
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。
但是经过仔细分析这几种方案,还是有如下不足之处:
这三种方案都是在变压器的原边采取措施实现ZVZCS软开关,为了使原边电流复位,它们都付出了使原边损耗加大的代价。
饱和电感是有损耗器件,且在开关频率较高时,损耗会加大,对饱和电感磁芯材料的要求也很高,不易产品化。
滞后臂的开关管串联二极管会增加功率传输时的损耗,二极管的发热量不小,需要散热器固定。
利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位则是使变压器原边漏感能量消耗在IGBT上,且受IGBT反向雪崩击穿能量的限制,影响IGBT的可靠运用。
这三种方案由于在副边都没有采取措施,则为了防止在副边整流管换流时,变压器漏感与整流管寄生电容的强烈振荡和由于二极管反向恢复电流引起的整流管电压应力过高,势必要在整流管上加RC吸收,以降低反向尖峰电压,此时RC吸收电路会带来损耗,且反向尖峰电压的抑制作用达不到最佳效果,同时易引起较大的开关噪音。
在选择整流管的耐压定额时,要考虑此反向尖峰电压的影响。
3.不对称全桥相移式零压零流软开关电路的提出
针对以上全桥ZVZCS软开关方案的问题,我们提出了不对称全桥相移式零压零流(PS-ZVZCS-PWM)软开关电路,与前述几种方案相比有如下优势:
主变压器原边电路无有损器件,原边损耗降至最低,整个电路也无外加有损吸收器件,大大提高整机的变换效率。
由于在变压器副边采取了有源钳位的措施,RC吸收电路可以取消,降低损耗,且二极管反向尖峰电压的抑制效果最佳,在选择整流管的耐压定额时,可以取低一级耐压的二极管,利于进一步提高效率和可靠性,同时由整流管寄生参数引起的振荡也大大减弱。
在使原边电流复位的时间上,此方案与前述几种方案相比,时间是最短的,而且此方案基本不存在副边占空度的丢失问题,在最大占空度的利用率上,此方案最佳。
在防止全桥主变压器的直流磁偏的问题上,我们采用最简单可靠的方法,在原边串联隔直电容,同时提出不对称全桥的概念,成功地阻止了原边电流复位以后,由于隔直电容的加入而使原边电流继续反向流动的趋势,使原边电流回零以后能保持住。
4.不对称全桥相移式零压零流软开关电路方案原理介绍
主电路原理简图如下:
从主电路的拓扑形式上,可以看出是不对称的。
四只主功率管的基本控制方式是移相控制,超前臂为S1,S3,反并二极管和外接吸收电容,滞后臂为S2,S4,无反并二极管和吸收电容。
辅管SC的控制时序是以超前臂S1,S3控制脉冲的上升沿触发一单稳高电平信号,控制辅管的开通时间。
因而辅管的开关频率是原边主管的两倍。
本电路的目的是实现超前臂S1,S3零电压开关,滞后臂S2,S4零电流开关,降低主管的开关损耗,为提高整机的工作频率,同时实现全负载范围内的高变换效率准备条件。
工作过程简述如下。
当S1,S4开通时,原边能量向副边传输。
S1关断后,原边电流转向C1,C2,C1充电,C2放电,此时S1上的关断电压是缓慢上升的,属零电压关断。
直至下管S3的反并二极管导通。
此时开通下管S3,属零点压开通。
S3开通脉冲的上升沿同时触发一高电平开通辅管S C,此时,副边钳位电容的电压加在副边上成为激励,原边会感应出较高的电压,此电压的作用是使原边电流迅速复位,为滞后臂S2,S 4零电流开关准备条件。
原边电流回零以后,辅管SC才关断。
辅管一旦关闭,副边相当于短路,原边电压相应也为零,此时隔直电容C 3上的电压会反加在滞后臂S4管上,设计时,只要遵循限制隔直电容上脉动电压幅值的原则,合理地运用IGBT的倒置特性,就能成功地防止变压器原边电流的逆向流动,并且保证IGBT不发生反向雪崩击穿。
此后,滞后臂S4零电流关断。
由于原边漏感的存在,滞后臂S2的开通也为零电流开通。
原边电流反向,进入下半个周期的循环,此时副边整流管也正在完成换向,由于钳位电容CC的存在,整流管的反向尖峰电压能够很好地抑制。
本电路方案的副边整流方式不仅适于全波整流,同样也适于全桥整流方式,基本工作原理保持不变。
5.理论仿真及试验验证
对上述方案进行了理论仿真,同时在ZXD800 15A一次电源上也进行了试验验证,结果表明实验结果与理论分析和仿真完全一致,证明了该方案的可行性,实用性。
下面是ZXD800 15A一次电源上,比较轻载时,ZVS与ZVZCS两种方案的效率数据:
可以看出轻载时,整机变换效率有大幅提高,符合全负载范围内保持高的变换效率的要求。
6.结论
本文所提出的不对称全桥相移式零压零流软开关电路,普遍适用于中大功率的直直变换器中,是目前实现全桥软开关功率变换的一种实用理想的方案,为整机的高频化,轻量化和小型化创造了条件。
可以在诸如通信电源,电力操作电源,直流焊机电源等需要中大功率输出的开关电源系统中大力推广,具有潜在的积极的社会效益和经济效益。
尤其是在通信电源系统中,在交流不断电,电池浮充的状态下,实际的通信交换设备的供电量是不大的,也就是说通信电源在大部分时间内是处于轻载或半载的状态下,以保证整流器有足够的冗余容量和足够的备用电流为电池充电,因而提高通信电源在轻载或半载时的变换效率,将给用户带来长期的经济效益,同时大幅提高可靠性,具有其现实意义。
本文提出的方案是实现这一目的的有效途径。