第7章谐振软开关技术

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1、第第7章章 谐振软开关技术谐振软开关技术教学要求：教学要求：（1 1）掌握软开关的基本概念、特性及其类型；）掌握软开关的基本概念、特性及其类型；（2 2）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关PWMPWM变变换电路、零转换换电路、零转换PWMPWM变换电路和直流环节谐振型逆变变换电路和直流环节谐振型逆变电路的工作原理及工作过程。电路的工作原理及工作过程。为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效可靠地运行，近年来研究并开始应用了可靠地运行，近年来研究并开始应用了软开关软开关技术。技术。7.1 谐振软开关的基本概念

2、谐振软开关的基本概念 一、硬开关的开关损耗一、硬开关的开关损耗1、典型的开关损耗、典型的开关损耗 16onsss onPf U I t开通损耗：开通损耗：关断损耗：关断损耗：16offsss offPf U I t2、Buck电路中器件的开关损耗电路中器件的开关损耗 12onsdo onPf U I t12offsdo offPf U I tBuck电路中器件的电路中器件的开开关损耗关损耗更为严重更为严重 二、软开关特性二、软开关特性 1、零电压开通、零电流关断、零电压开通、零电流关断 2、软开通、软关断、软开通、软关断 三、谐振软开关电路的类型三、谐振软开关电路的类型 1、准谐振与多谐振变换

3、电路、准谐振与多谐振变换电路2、零开关、零开关PWM变换电路变换电路 3、零转换、零转换PWM变换电路变换电路4、直流环节谐振型逆变电路（、直流环节谐振型逆变电路（RDCLI）7.2 准谐振与多谐振变换电路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零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）1. 基本工作原理基本工作原理若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于“半半波模式波模式”；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工作于作于“全波模式全波模式”。 由于有谐振的作用，当谐振电感

4、由于有谐振的作用，当谐振电感 rL中通过的电流为零时，中通过的电流为零时， 开关管开关管VT导通，导通， 从而实现开关管零电流开通；从而实现开关管零电流开通； 当当VT导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振， 从而实现开关管的零电流关断。从而实现开关管的零电流关断。rL中的电流为零时，中的电流为零时， 开关管断开，开关管断开，2. 工作过程分析工作过程分析1）半波模式）半波模式 2） 全波模式全波模式 (1)(1) 阶段阶段 01 , t t0tVT0CruLri在在 时刻，开关管时刻，开关管 开通，二极管仍处于导通态，开通，二极管仍处于导通态， ，oIDoLr

5、iIioI从零线性上升至从零线性上升至，从从线性下降为零，线性下降为零， 二极管自然关断。二极管自然关断。(2)(2) 12 ,t t阶段（谐振阶段）阶段（谐振阶段） 1( )sin()iLrorrUitIttZ1( )1cos()CrirutUtt(3)(3) 23 , t t阶段（电容放电）阶段（电容放电） (4) 34 , t t阶段（续流时期）阶段（续流时期） 关断，即在零电流下关断关断，即在零电流下关断 之后，使开关之后，使开关 对于半波模式，对于半波模式， 2ttVT2ttLri对于全波模式，在对于全波模式，在之后，之后，反向流动，反向流动，sVDrC导通，电容导通，电容经经rLs

6、D、向电源回馈电流向电源回馈电流 和和3） rCrL的设计和选用的设计和选用 max2irroULf Imax2orriICf U7.2.2 零电压开关准谐振变换电路零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC） 1. 基本工作原理基本工作原理 在在ZVS QRC中，中，谐振电容与有源开关谐振电容与有源开关并联，谐振电感与有并联，谐振电感与有源开关串联。由于有源开关串联。由于有谐振的作用，当谐振谐振的作用，当谐振电容中两端电压为零电容中两端电压为零时，开关管闭合，从时，开关管闭合，从而实现开关管的零电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，压开通；开关管导通后，在任

7、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。此时关断可实现开关管的零电压关断。2. 工作过程分析工作过程分析 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。略电路中的损耗。零电压开关准谐振变换电路的等效电路零电压开关准谐振变换电路的等效电路 (1) t0, t1阶段阶段 VT关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极管管VD两端电压线性下降。两端电压线性下降。 VD导通，电感通过导通，电感通过VD续流，电感、电容和二极管形成谐续流，电感、电容和二极管形成谐振

8、回路，振回路，t2时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。Lri改变方向，达到反向谐振峰值，改变方向，达到反向谐振峰值，CriuU1( )cos()LroritItt1( )sin()CrirorutUZ Itt VDs导通，电容电压被钳为零，电感电流线性衰减，直到导通，电容电压被钳为零，电感电流线性衰减，直到t5时刻，电感电流为零，这时使开关管开通为零电压下开通时刻，电感电流为零，这时使开关管开通为零电压下开通。 VT为通态，为通态， 二极管截止，电源对负载供电。二极管截止，电源对负载供电。LroiI (2) t1, t2阶段阶段 (3)

9、t2, t3阶段阶段 (4) t3, t4阶段阶段 (5) t4, t5阶段阶段 (6) t5, t6阶段阶段 7.2.3 零电压开关多谐振变换电路零电压开关多谐振变换电路（ZVS MRC） (1) t0, t1阶段阶段(Lr充电充电) 在在t=t0时刻，时刻， ，开关管在零电压条件下导通，电感电流线，开关管在零电压条件下导通，电感电流线性增长，直到性增长，直到0TCsuuLroiILroiI(2) t1, t2阶段阶段(Lr-Cd谐振谐振第一次谐振第一次谐振) 二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次振），二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次振），相当于相当于

10、ZCS QRC的谐振阶段，的谐振阶段， (3) t2, t3阶段阶段(Lr-Cd-Cs谐振谐振第二次谐振第二次谐振) (4) t3, t4阶段阶段(Lr-Cs谐振谐振第三次谐振第三次谐振)在在t=t2时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进入谐振状态入谐振状态(第三次振第三次振)，相当于，相当于ZVS QRC的谐振阶段。的谐振阶段。在在t=t2时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次振）时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次振）Buck多谐振开关电路等效电路多谐振开关电路等效电路Buck多谐振开关电路工作波形多谐振开关电路工作波形7.3 零

11、开关零开关PWM变换电路变换电路7.3.1 零电流开关零电流开关PWM变换电路变换电路（ZCS PWM）Buck ZCS PWM变换电路变换电路 需要作出如下几点假设：需要作出如下几点假设：所有开关管、二极管均为理想器件；所有开关管、二极管均为理想器件；电感、电容均为理想元件；电感、电容均为理想元件；fCfL假定假定和和 都很大，可以等效为电压源和电流源。都很大，可以等效为电压源和电流源。 设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态，设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态，续流二极管导通。续流二极管导通。变换电路的等值电路变换电路的等值电路 变换电路的工作波形变换电路的工作