06第6章 软开关技术基础

06第6章 软开关技术基础

天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ ‎ 学年：2006~2007 学期：第二学期 课次 ‎32‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电力 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 周次 ‎16‎ 日期 课题 第6章 软开关技术基础 教学 目的 软开关及其特点、分类、基本的软开关电路。‎ 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□‎ 教 学 重 点 软开关的基本概念，基本的软开关电路的工作原理。‎ 教 学 难 点 零开关、零转换PWM变换电路。‎ 实 践 环 节 多媒体教学 作 业 ‎6—1，2‎ 教研室主任意见：‎ 同意该计划，授课使学生们了解什么是软开关。通过授课的方式达到教学的目的。‎ 签字：刘沂 日期：2007.6.28‎ 10‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 第六章 软开关技术 概述：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。‎ ‎6.1 软开关的基本概念 ‎6.1.1‎‎ 软开关及其特点 ‎1、硬开关：‎ ‎1）定义：开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通） ，在其电流不为零时关 断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。‎ ‎2）特点：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化；产生较大的开关 损耗和开关噪声。‎ 硬开关（开关过程）‎ 图‎6.1.1‎ Buck直流变换电路的硬开关特性 其中：开关管T开通和关断时存在电压和电流的交迭，即开通时T两端电压 很大，关断时流过T中的电流很大，从而产生较大的开关损耗和开关噪声。 ‎ ‎2、软开关：‎ ‎1）定义：开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，‎ 这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。‎ ‎2）特点：不存在电压和电流的交迭；降低开关损耗、开关噪声。提高开关频率。‎ 10‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 软开关过程（开关过程）‎ ‎ ‎ 图‎6.1.2‎ 软开关特性 ‎1、理想软开关：(图‎6.‎‎1.2 a )‎ ‎1）器件开通：器件两端电压首先下降为零，然后施加驱动信号v，器件的电 流才开始上升；‎ ‎2）器件关断：通过某种控制方式使器件中电流下降为零后，撤除驱动信号 ‎ ‎，电压才开始上升。‎ ‎2、实际软开关: (图‎6.1.2‎ b)‎ ‎1）器件开通：对开关管施加驱动信号，电流上升的开通过程中，电压不大且迅速 下降为零。‎ ‎2）器件关断：撤除驱动信号，电流下降的关断过程中，电压不大且上升很缓慢。‎ 根据软开关技术发展的历程软开关电路可分为：‎ ‎1）准谐振变换电路 ‎ 2）零开关PWM变换电路 ‎ 3）零转换PWM变换电路 10‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎6.2 基本的软开关电路 ‎6.2.1‎‎ 准谐振变换电路 电路特点：‎ 1） 变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而不是全过程，且只能改善 变换电路中一个开关元件如开关管T或二极管D）的开关特性，‎ 2） 准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化而改变，只能采用脉冲频 率调制(PFM)调控输出电压和输出功率，即调频方式。‎ ‎3）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。‎ ‎1、零电压开关准谐振变换电路 图‎6.2.1‎ 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐振变换电路（ZVS QRC)‎ 开关管T与谐振电容并联，谐振电感与T串联，如果滤波电感足够 10‎ 天津冶天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 大，则输出负载电流为恒定值。 ‎ 假定t<0时， >0,T处于通态，==，==0，续流二极管D截 止。‎ 在t=0时撤除T的驱动信号，把一个开关周期中的通、断过程可分为5‎ 个开关状态，其电压、电流波形如图‎6.2.1‎（b）~（e）所示。‎ ‎1)零电压开关准谐振变换电路开关状态：‎ ‎(1) ~阶段：t=0时，=0，从减小，谐振电容电流从零开始增 大，=+= 不变，负载电流从开关管T转到。由于很快下降为零 ‎，而=还很小，故开关管T软关断，此后= =恒流充电到t=时，‎ ‎==‎ 其中：‎ t<时：=<，续流二极管D反偏截止。‎ t=时：==，续流二极管D无反偏电压而开始导电。 ‎ ‎(2) ≤t≤阶段：‎ t >后，对继续充电, > ，=减小，续流二极管 D开始 导电， =0 ， 、构成串联谐振电路。‎ ‎ 当到串联谐振的1/4周期时刻，谐振到峰值，==0，此后t> ，‎ 由于> ，反向，开始经D和向电源放电。 ‎ ‎(3) ≤t≤阶段：t >后， Cr经D和向电源放电。减小到 t= 时=0‎ ‎(4) < t< 阶段:t = 时, Cr放电到= 0 ，但为负值，故二极管 10‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 开始导电，使= =0，此后负电流通过向电源回馈能量，使负 向电流数值逐渐减小，到t = 时，=0。 ‎ 在 ~ 期间，二极管导电使、 =0， =0 ，这时给 T施加 驱动信号，就可以使开关管T在零电压下开通。为了使T在零电压下可靠开通，‎ 必须选择谐振电路的参数使之满足下列关系式：‎ ‎ (‎6.2.1‎)‎ ‎ (‎6.2.2‎)‎ 上两式中：是谐振电路的谐振频率，是负载电流的最小值。‎ ‎(5) ≤t≤阶段：‎ 由于T导通==I0 ，= =0,续流二极管D截止，电源对负 载供电。到t= 时T再次被关断，完成了一个开关周期。 ‎ 总结：‎ ‎1) 在一个开关周期中，仅在t3 ~ t4期间电源不输出能量，而这段 时间段的长短与、的谐振周期有关。‎ ‎2) 当 、的值一定时，降低开关频率（即增大）将使输出电 压、输出功率增大。‎ ‎3) 零电压开通准谐振变换电路只适宜于改变变换电路的开关频率来 调控输出电压和输出功率。‎ 10‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎2、零电流开关准谐振变换电路 图‎6.2.2‎ 以DC/DC降压变换电路为例的零电流开通准谐振变换电路（ZCS QRC)‎ 足够大，在一个开关周期中输出负载电流和输出电压都恒定不变。‎ 如果滤波电感足够大，则中=恒定不变。‎ 假定t<0时，=0,T处于断态，D续流。==0，== ， =‎ ‎，=0，续流二极管D截止，在t=0时T施加的驱动信号，把一个开关周期 Ts中的通、断过程可分为5个过程可分为5个开关状态，其电压、电流波形如图 ‎6.2.2‎‎（b）~（e）所示。 ‎ 零电流开关准谐振变换电路开关状态：‎ ‎(1)０≤t≤阶段：‎ t=0时T施加驱动信号而导通，=从零上升至。iD=-从下 降到零，D截止。‎ 10‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 ‎(2) ≤t≤阶段：‎ t>时，=>I0 , iL-I0对Ｃr充电，使上升．、产生串联谐 振。谐振1/4周期后，=达最大值，= ；谐振1/2周期后，=‎ ‎=，=2；此后，=从下降，t=时到下降到零，<<2。‎ ‎(3) ≤t≤阶段：‎ 在此期间由于、谐振，为负值，二极管导电，=0，若此时撤 除驱动信号，T可以在零电流下关断，无关断损耗。t=时，<。‎ 在零电流下关断的谐振电路参数关系式：‎ ‎ (‎6.2.3‎) ‎ ‎ (‎6.2.4‎)‎ ‎(4) ≤t≤阶段：‎ 由于T、均已断流，续流二极管D仍反偏截止，电容的向滤波电感和负 载放电，到t=时，=0，=，续流二极管D导电，其电流从零突变为。 ‎ ‎ (5) ≤t≤阶段：‎ 续流二极管D导电，到t=时，T再次被驱动，经历一个完整的周期。‎ 总结：‎ ‎1) 在一个开关周期中，仅在0~期间电源输出功率，~期间Cr向 电源回馈能量。‎ ‎2) 当、的值一定时谐振周期=1/是不变的，变换电路的开关频率 10‎ 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 越高，就越小，T的相对导通时间（电源输出功率的时间）/增长，将 使输出电压、输出功率增大。‎ ‎3) 零电流开关准谐振变换电路只适宜于改变变换电路的开关频率来调控 输出电压和输出功率。‎ ‎6.2.2‎‎ 零开关PWM变换电路 电路特点：‎ 1） 是PWM电路与QRC电路的结合,它在准谐振型变换电路基础上加入一个辅 助开关管来控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，‎ 造成开关管的零压开通或零流关断条件。‎ 2） 谐振电感L与主开关器件串联在电路中，开通时承受负载电流，因此，变换 电路可按恒定频率PWM方式调控输出电压，利用启动准谐振变换电路创造零压 或零流条件，开通或关断开关器件。‎ 3） 既可以像QRC电路一样通过谐振为主功率开关管创造零电压或零电流开关条 件，又可以使电路像常规PWM电路一样，通过恒频占空比调制来调节输出电压。‎ ‎6.2.3‎‎ 零转换PWM变换电路 定义：‎ 将谐振电感及辅助开关与主开关并联，控制辅助开关的开通、截止产 生LC振荡，使主开关实现零流关断或零电压开通。这种变换器被称为零电流转 换（关断）开关PWM变换电路（ZCT PWM）和零电压转换（开通）开关PWM变换 电路（ZVT PWM）。 ‎ 优点：1）可以使主功率开关管在零电流条件下关断 。‎ ‎2）可以自适应的根据输入电压和输出负载调整自己的环流能量。‎ ‎3）可以在很宽的输入电压和输出负载变化范围内实现软开关操作。 ‎ 缺点：1）主功率开关管的开通是硬开关过程。‎ ‎2）辅助开关管关断是硬开关过程 。 ‎ 10‎ 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 )‎ 学年：2006~2007 学期：第二学期 课次 ‎33‎ 课 时 ‎2‎ 班级 电力 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-1、2‎ 电气 ‎05-3、4‎ 周次 ‎16‎ 日期 课题 PS-ZVS-PWM软开关技术工控用软开关设备的安装、调试 教学 目的 工控用软开关设备的安装、调试、简单故障维修。‎ 课型 面授■ 多媒体□ 机房□ 实验□ 实习■ 课程设计□‎ 教 学 重 点 工控用软开关设备的安装、调试、简单故障维修。‎ 教 学 难 点 工控用软开关设备的安装、调试、简单故障维修。‎ 实 践 环 节 实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见：‎ 同意该计划，用实践的方式了解软开关设备的安装与调试。‎ 提高了学生们的动手能力。‎ 签字：刘沂 日期：2007.7.2‎ 10‎ 10‎