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第7章 软开关技术 引言 现代电力电子装置的发展趋势 小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。 电力电子装置高频化 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。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。 7.1 软开关的基本概念 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。 电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。 a）硬开关的开通过程b） 硬开关的关断过程 图7－1 硬开关的开关过程 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。 a）软开关的开通过程 b）软开关的关断过程 图7－2 软开关的开关过程 7.1.2 零电压开关和零电流开关 零电压开通 开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。 零电流关断 开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。 零电压关断 与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。 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。 a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元 c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元 图7－3基本开关单元的概念 分别介绍三类软开关电路 1）准谐振电路 准谐振电路－准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。 特点： 谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高； 谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大； 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（Pulse Frequency Modulation—PFM）方式来控制。 2）零开关PWM电路?????? 引入了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： 特点： 电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。 电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。 3）零转换PWM电路?????? 采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。 零转换PWM电路可以分为： 特点： 电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。 电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。 7.3 典型的软开关电路 7.3.1 零电压开关准谐振电路 1）电路结构 以降压型为例分析工作原理。 假设电感L和电容C很大， 可等效为电流源和电压源， 并忽略电路中的损耗 图7-4 零电压开关准谐振电路原理图 2）工作原理 图7-5零电压开关准谐振电路的理想波形 t0~t1时段：t0之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL ，t0时刻S关断，与其并联的电容Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小。S关断后，VD尚未导通。电感Lr+L向Cr充电， uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0，VD导通。 t1~t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。 t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。 t3~t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。 t4~t5时段：uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于此时开关S两端电压为零，所以必须在此时开通S，才不会产生开通损耗。 t5~t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。 t6~t0时段：S为通态，VD为断态。