第七章谐振软开关技术.doc

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8()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 关技术发展的历程來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电路和谐振肓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二丁、电流片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 立图7-1 Buck变换电路开关过程波形当VT关断时，负载电流丄改由续流二极管VD提供若再次触发导通VT,电流从 VD向VT转移(换流)，故】期间S上升但气",直至务=】3吟才下降为零这 样就产生了开通损耗卩・当停止导通vt时，"从零开始上升，在《期间维持 m, 直至= k才减小为零，这样就产生了关断损耗珀7-1)若设器件开关过程中电压“、电流々线性变化，贝惰图7・2器件开关轨迹导通图几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 产生很人的开关损耗例如若4 = 50A.fi =400V,^ =/< = 0.5/« A = 20fflr,则开关过程的瞬吋功率可达20«W,平均损耗为100W,十分可观这种开 关方式称为硬开关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。

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所示具体抬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：一是利用少器件并 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7.L3谐振软开关电路类型根据电路小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。

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・Switching Quasi-Resonant Converter :ZVSQRC)；(2 )零电流开关准谐振电路(Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter: ZCSQRC):(3 )零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant Converter: ZVSMRC):(4)谐波直流环节电路(Resonant DC link) o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图7・3准谐振电路的三种基本开关单元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人，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，电路不能釆取定频调宽的PWM控制 而只得采用调频控制，变化的频率会造成电路设计闲难这是准谐振电路的缺陷2.零开关PWM电路这类电路引入辅助开关來控制谐振开始时刻，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)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來控制谐振开始时刻，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-Tnmsition PWM Converter: ZVTPWM )和零电流转换 PWM 电路(Zero-Current-Transition Converter: ZCTPWM) ow)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。

7.2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，“ 口为谐振电感、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叫与功率开关元件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1) 阶段①匸:前VT导通，与其并联的匚上电压斗=°上：时VT在零 电压条件下关断，电路以勺=4恒流对匚充电，4由零上升勺时刻，=2) 阶段②后，匚充电至斗〉氏，二极管VD承受正向阳压 23°而导通，使4构成串联关系而谐振as期间，厶中磁场能量转换 成“中电场能量，勺减小、亠•上升'i时刻勺过零而亠•上升至其峰值E 期间,中电场能量转换成 厶中磁场能量，亠下降，匕经VD反向ri时刻， % = 切寸刻»< = °, %导通，使亠箝位于零而不能反向3) 阶段③ 乙时刻VD,.导通，其导通压降使VT承受接近于零的反偏电压而暂不导通，但创造了导通的零电压条件此时应给VT施加触发脉冲，在*电流回振过 零的兀时刻V0关断，VT就在零电压、零电流条件下导通，兀电流线性增长，勺时刻4) 阶段④h = h后，负载电流全部由VT提供，VD关断，G两端电压 tt*=0,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四个阶段中，阶段④的时间可通过VT的触发信号來进行控制，故准谐振电路采用调频 控制从图7-6 （/7）亠电压波形可以看出，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圧值，这是ZVSQRC的缺点7.2.2零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（°）所示，4、q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 —个工作 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备=4恒定图7・7 ZCSQRC电路及波形1） 阶段①"》~吗）设匚前VT导通负载电流% = h由续流二极管VD提供，与 Z并联的谐振电容两端电压被箝至tf<=0o这样导致电源电压E全部施加在谐振电感 上，其上电流X线性上升，％时刻上升至力=片,使得负载电流？:转而由VT来承担， VD断流关断，'「两端电压亠不再被箝位为零2） 阶段②"4后"Al.,差值飪-2流入匚使之充电，实现厶中 磁场能量向匚中电场能量转换过程，①电压振荡上升。

石时刻乜上升至峰值，%"; 兀时刻“从峰值下降至«<=2ff o兀时刻流经VT的电流上下降为零由于VT为 单向开关，*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3) 阶段③ 心~型 叫后VT作零电流关断，谐振电容匚由负载电流上反向充 电，①线性下降勺时刻®*=0，续流二极管VD无反偏开始导通4) 阶段④色~右)宀耳后，负载电流b = h由VD提供，直至％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厶、电容 决定了固有谐振频率瓦)，-般可达MHz级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S的峰值显著人于负载电流上，意味开关上通态损耗也显著人于常规开关变换器7.2.3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丄作，如图7-8 (°)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。

图7・9谐振直流环电路如果在直流环节中引入谐振，使直流母线电压高频振荡，出现电压过零时刻，如图7-8 (b) 所示，就为逆变电路功率器件提供了实现软开关的条件，这就是谐振直流环节电路的基本思 想O (「％：,AA/V\A/VWV(b)图7・8恒床及谐振直流环节母线屯床图7-9为用于电压型逆变器的谐振直流环原理电路及其分析用等效电路原理电路中， 为谐振电感、电容；谐振开关元件vt保证逆变器中所有开关工作在零电压开通方 式实际电路中VT的开关动作可用逆变器中开关元件的开通与关断来代替，无需专门开关由于谐振周期相对逆变器开关周期短得多，故在谐振过程分析小可以认为逆变器的开关 状态不变此外电压源逆变器负载多为感应电机，感性的电机电流变化缓慢，分析中可认为 负载电流恒定为』，故可导出图7・9 (b)的等效电路，其中VT的作用用开关K表示谐振直流环工作过程可用图7-10波形來说明：图7-10谐振直流坏电路波形图1）阶段①设上前K闭合，谐振电感电流负 载电流）彳时刻k。