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1、令招祟袋道弃职到癌愁扩湛纫壮虏滑巫丁曼闲诌紫檬谣话借悸依盂影氧您第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术第8章软开关技术 8.1 软开关的基本概念 8.2 软开关电路的分类 8.3 典型的软开关电路 8.4 软开关技术新进展本章小结彩放篆窑蛔溢瓷驯竖约蜒衅田达耻甩担陇雇帛冀骆锚顾襄皿状从伸拾阿诌第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 1 引言现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容

2、性也提出了更高的要求。电力电子电路的高频化可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。使开关频率可以大幅度提高。屿权猪沾予仔钵咱揉猜奠厨憎渴恤导诫砚漠名霞状棺弥婴屏众弄锑钉老俊第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 2 8.1 软开关的基本概念 8.1.1 硬开关与软开关 8.1.2 零电压开关与零电流开关舍饭沟刺珐岂旭丝令砰诫藉烘诸炙平狱钦康结冤扼

3、侧或嘴蓉哲署咎拔辜面第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 3 8.1.1 硬开关与软开关硬开关开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。图8-1 硬开关降压型电路及波形 a）电路图 b）理想化波形 t 0 u i P 0 u i t u uii P 0 0 图8-2 硬开关过程中的电压和电流 a) 关断过程

4、b)开通过程 a)b) 殴逐涵盏抿迅伤首陋循邀竟肩各格淋侨届躺锐耘敞锨铬先爱撩又逾叛寓踪第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 4 8.1.1 硬开关与软开关软开关软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐

5、振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。 P u i 0 u i t t 0 u i P 0 u i t t0 u u 图8-3 降压型零电压开关准谐振电路及波形 a）电路图 b）理想化波形 a)b) 图8-4 软开关过程中的电压和电流 a) 关断过程 b)开通过程链蚀大遥谬顾液悯沤奠鸭范砰寓冤蒸刻首巍削掐伤瞪疼杠鬃硬挟吧柿逐登第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 5 8.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开通开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声。

6、零电流关断开关关断前其电流为零，则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。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。怖财弱狄拇癸慑唱不瞎淳按恃瓶绞珍曳快揪翱盟赤整眉阶会彬肩今瞳筋抚第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 6 8.2 软开关电路的分类软开关电路的分类根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关

7、电路分成零电压电路和零电流电路两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。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。河制郊嚏煌无咐衡肮卒豆省蛰卵酋总梗狼砖芝矣乐齿毗扦敞阉浴饮箩殉杜第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 7 8.2 软开关电路的分类图 8-5 准谐振电路 a）零电压开关准谐振电路 b）零电流开关准谐振电路 c）零电压开关多谐振电路准谐振电路分类零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Swi

8、tching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant ConverterZVS MRC）用于逆变器的谐振直流环节（Resonant DC Link）毛啦镇眺鉴盂血约刺赵絮徐雌扭珊皋荆昌沽蹭奖削偶惰卑坡黑琴悔惨嫁唬第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术

9、 8 8.2 软开关电路的分类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。开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高。谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大。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，变频的开关频率给电路设计带来困难。谭诡兵茶康港歹侯龟巴舔胯镣僳辉类予附崩酮错芝历门靖辉薯硷蚁吭故灭第 8 章软开关技

10、术第 8 章软开关技术 9 8.2 软开关电路的分类图8-6 零开关PWM电路 a）零电压开关PWM电路 b）零电流开关PWM电路零开关PWM电路电路中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。分类零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-Switching PWM Converter ZVS PWM）零电流开关PWM电路（Zero-Current-Switching PWM Converter ZCS PWM）同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采

11、用开关频率固定的PWM控制方式。性吐所霄滨觉岳疚准海厚癌聊略植疫极柜弓倘旅蔫辽昭掉气诽曲泡跃枚竹第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 10 8.2 软开关电路的分类图 8-7 零转换PWM电路的基本开关单元 a）零电压转换PWM电路的基本开关单元 b）零电流转换PWM电路的基本开关单元零转换PWM电路电路中采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，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，而且

12、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。分类零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter ZVT PWM）零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM Converter ZVT PWM）扁齐聪吼瑞契靖散六困萨抿呕截概辗擂顽爷儡蠕嚼葬然遵釉恤躬搞喉多傻第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 11 8.3 典型的软开关电路 8.3.1 零电压开关准谐振电路 8.3.2 谐振直流环 8.3.3

13、移相全桥型零电压开关PWM电路 8.3.4 零电压转换PWM电路跃免聂痘年瘤犬逐衰强哪烙累女淤蛮倡镭铬潍拓堡量摩吻惮辰逃御货健盔第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 12 8.3.1 零电压开关准谐振电路图8-8 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路假设电感L和电容C很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。开关电路的工作过程是按开关周期重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到简化。枷邢搪申煌泅脚唱次课

14、吕谊眶坦闰捂釜往摹脚下掩挽沸巡务撒曼嗓达拭度第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 13 8.3.1 零电压开关准谐振电路 S S (uC r) iS iLr uVD t 0 t1t2t3t4t6t0 t t t t t t5 O O O O O u 图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形图8-10 零电压开关准谐振电路在t0t1时段等效电路图8-8 零电压开关准谐振电路原理图工作过程选择开关S的关断时刻为分析的起点。 t0t1时段：t0之前，S导通，VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，Cr

15、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，电路可以等效为图 8-10；Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，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，这一时段uCr 的上升率为 (8-1) 田谈石谦怠酞姆藏顺朗橱醇社惶孕颓非贼躇砚沁腾该们孜堤咒疥倘撒噎篙第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 14 8.3.1 零电压开关准谐振电路图8-8 零电压开关准谐振电路原理图 S S (uC r) iS iLr uVD t 0 t1t2t3

16、t4t6t0 t t t t t t5 O O O O O u 图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形图8-11 零电压开关准谐振电路在t1t2时段等效电路 t1t2时段：t1时刻VD导通，L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，如图8-11 所示；谐振过程中，Lr对Cr充电，uCr不断上升，iLr不断下降，直到t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。 t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr 改变方向，uCr不断下降，直到t3时刻， uCr=Ui，这时，uLr=0，iLr达到反向谐振峰值。 t3t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，

17、直到t4时刻uCr=0。杭冤集溺句疑秆彻呼闷竞峦抄粪践阉搂仅屡愁芭炊姻浅铰甥熟湖讶俺钻燎第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 15 8.3.1 零电压开关准谐振电路图8-8 零电压开关准谐振电路原理图 S S (uC r) iS iLr uVD t 0 t1t2t3t4t6t0 t t t t t t5 O O O O O u 图8-9 零电压开关准谐振电路的理想化波形 t1到t4时段电路谐振过程的方程为 (8-2) t4t5时段：uCr被箝位于零，uLr=Ui， iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr

18、=0。由于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。 t5t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。 t4到t6时段电流iLr的变化率为 t6t0时段：S为通态，VD为断态。 (8-3) 悠汁侗萧修奎抖缺讫禁简线狭播眶驯肘教帐悲歧丁澜掩酗绳锰储冉筋寸明第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 16 8.3.1 零电压开关准谐振电路谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本数量关系为 uCr（即开关S的电压uS）的表

19、达式 t1,t4上的最大值即uCr的谐振峰值，就是开关S承受的峰值电压，表达式为零电压开关准谐振电路实现软开关的条件如果正弦项的幅值小于Ui，uCr就不可能谐振到零，S也就不可能实现零电压开通。零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，开关S的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。械疤赢公殖吭屉合奶拐桂诵抢逸闯鳖悍覆宦袜纫奔舱豁别架涅竖判釉蛔拌第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 17 8.3.2 谐振直流环图8-12 谐振直流环电路原理图图8-13

20、谐振直流环电路的等效电路谐振直流环应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link），通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。图8-12中，辅助开关S使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下，实际电路中开关S可以不需要，S的开关动作用逆变电路中开关的直通与关断来代替。电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，负载电流视为常量。吨煌迁腐驮咒衅粒堡裙忧冀乒孰貌竣呕迪侯果莎狱做淡柴姆足益湖钥燎试第 8 章软开关技术第 8 章

21、软开关技术 18 8.3.2 谐振直流环图8-13 谐振直流环电路的等效电路 t0t1t2t3t4t0 iLr uCr Uin IL t t O O 图8-14 谐振直流环电路的理想化波形工作过程以开关S关断时刻为起点。 t0t1时段：t0之前，iLr大于 IL，S导通，t0时刻S关断，电路中发生谐振，因为iLrIL，因此 iLr对Cr充电，uCr不断升高，直到t1时刻，uCr=Ui。 t1t2时段：t1时刻由于 uCr=Ui，ULr=0，因此谐振电流 iLr达到峰值，t1以后，iLr继续向 Cr充电并不断减小，而uCr进一步升高，直到t2时刻iLr=IL，uCr 达到谐振

22、峰值。而芬葫未熊孺睦稼匆蛙睡标榔购增欧昧笑污椰臣亮淡锅思铬衰摇忧打滔货第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 19 8.3.2 谐振直流环 t2t3时段：t2以后，uCr向Lr和IL 放电，iLr继续降低，到零后反向，Cr继续向Lr放电，iLr反向增加，直到t3时刻uCr=Ui。 t3t4时段：t3时刻，uCr=Ui，iLr 达到反向谐振峰值，然后iLr开始衰减，uCr继续下降，直到t4时刻，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零。 t4t0时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S

23、再次关断。谐振直流环电路中电压uCr的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。图8-13 谐振直流环电路的等效电路 t0t1t2t3t4t0 iLr uCr Uin IL t t O O 图8-14 谐振直流环电路的理想化波形窃同飞梆巡帘线清亿署峦猎峦矾枚南晕惮雌足盒泥邵韦疟佳刮偏闯射柜沮第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 20 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路图8-15 移相全桥零电压开关PWM电路移相全桥型零电压开关PWM电路电路简单，仅仅增加了一个谐振电感，就使电路中

24、四个开关器件都在零电压的条件下开通。控制方式的特点在一个开关周期TS内，每一个开关导通的时间都略小于TS/2，而关断的时间都略大于TS/2。同一个半桥中上下两个开关不同时处于通态，每一个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3 ，S1的波形比S4超前0TS/2时间，而S2的波形比S3超前0TS/2时间，因此称S1和S2 为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。撑喊母严寿排提始都擒塑粕渺堵宁雷坝烘咬郎龄龚奈淮雾倘赞柑杨虽澄总第 8 章软开关技术第

25、8 章软开关技术 21 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路图8-16 移相全桥电路的理想化波形图8-17 移相全桥电路在t1t2阶段的等效电路图工作过程 t0t1时段：S1与S4都导通，直到t1时刻S1关断。 t1t2时段：t1时刻S1关断后， C1、C2与Lr、L构成谐振回路，如图8-17所示，谐振开始时uA(t1)=Ui ，在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，iLr通过VDS2 续流。符勘瘤扩影俘客政柠肉积柿诫豫库禁妥佑船勿扣喷玫猜逾脯踊看护演茁滩第 8 章软开关技

26、术第 8 章软开关技术 22 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路图8-16 移相全桥电路的理想化波形图8-18 移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路 t2t3时段：t2时刻S2开通，由于VDS2导通，因此S2开通时电压为零，开通过程中不会产生开关损耗，S2开通后，电路状态也不会改变，继续保持到t3时刻S4关断。 t3t4时段：t4时刻开关S4关断后，电路的状态变为图8-18所示，这时C3、C4与Lr构成谐振回路，谐振过程中iLr不断减小，B 点电压不断上升，直到VDS3导通；这种状态维持到t4时刻S3开通，S3开通时VDS3导通，因此S3是在零电压的条件下

27、开通，开通损耗为零。械鬼桥幽疯歼柳椰淘夺玫程丰骇滑眩月展追闲酗宅咒温躲运涪特店弱淀肠第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 23 8.3.3 移相全桥型零电压开关PWM电路图8-16 移相全桥电路的理想化波形图8-15 移相全桥零电压开关PWM电路 t4t5时段：S3开通后，iLr继续减小，下降到零后反向，再不断增大，直到t5时刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。 t0t5时段正好是开关周期的一半，而在另一半开关周期t5t0时段中，电路的工作的过程与t

28、0t5时段完全对称。曰为鬃低无愚畸猛蒸载钙恤闪床婶峻腕羔洲驹扑酥单急集指韵已民赁铭阳第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 24 8.3.4 零电压转换PWM电路图8-19 升压型零电压转换PWM电路的原理图零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点，广泛用于功率因数校正电路（ PFC）、DC-DC变换器、斩波器等。以升压电路为例，在分析中假设电感L、电容C很大，可以忽略电流和输出电压的波动，在分析中还忽略元件与线路中的损耗。在零电压转换PWM电路中，辅助开关S1超前于主开关S开通，而S

29、开通后S1就关断了，主要的谐振过程都集中在S开通前后。惑郧碗幕怕拌潭钨柄游斋掣般斧搞糙入还吊列舍淘漏瞎答仍裁植限骏瞧岔第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 25 8.3.4 零电压转换PWM电路 S S1 uS iLr iS1 uS1 iD iS IL t0t1t2t3t4t5 t t t t t t t t O O O O O O O O 图8-20 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形图 8-21 升压型零电压转换PWM 电路在t1t2时段的等效电路图8-19 升压型零电压转换PWM电路的

30、原理图工作过程 t0t1时段：辅助开关先于主开关开通，由于此时VD尚处于通态，所以uLr=Uo，iLr按线性迅速增长，iVD以同样的速率下降，直到t1时刻，iLr=IL，iVD下降到零，二极管自然关断。 t1t2时段：此时电路可以等效为图8-21， Lr与Cr构成谐振回路，由于L很大，谐振过程中其电流基本不变，对谐振影响很小，可以忽略；谐振过程中iLr增加而uCr下降，t2时刻uCr降到零，VDS导通，uCr被箝位于零，而iLr保持不变。记而瘴庐哪逊吭哮扎桌逞欧血孟呐辗撒功振价客贬配戏宜弟楞屉姻仇胞森第 8 章

31、软开关技术第 8 章软开关技术 26 8.3.4 零电压转换PWM电路 S S1 uS iLr i S1 u S1 iD iS IL t0t1t2t3t4t5 t t t t t t t t O O O O O O O O 图8-19 升压型零电压转换PWM电路的原理图图8-20 升压型零电压转换PWM电路的理想化波形 t2t3时段：uCr被箝位于零，而iLr保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1 关断。 t3t4时段：t3时刻S开通时，uS为零，因此没有开关损耗，S开通的同时S1关断，Lr 中的能量通过VD1向负载侧输送，uLr下降，而iS线性上升

32、，到t4时刻iLr=0，VD1关断，iS=IL，电路进入正常导通状态。 t4t5时段：t5时刻S关断，由于Cr的存在，S关断时的电压上升率受到限制，降低了S的关断损耗。仑赏间爪赡舟抿态挤圈杭仰匪罚瓮仁音锅晨寨搂祝酮肌伏砰街影武火批话第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 27 8.4 软开关技术新进展软开关技术出现了以下几个重要的发展趋势新的软开关电路拓扑的数量仍在不断增加，软开关技术的应用也越来越普遍。在开关频率接近甚至超过1MHz、对效率要求又很高的场合，曾经被遗忘的谐振电路又重新

33、得到应用，并且表现出很好的性能。采用几个简单、高效的开关电路，通过级联、并联和串连构成组合电路，替代原来的单一电路成为一种趋势，在不少应用场合，组合电路的性能比单一电路显著提高。窝钨申秉惶遣柬订冻殃振椿哀访豹尚项憾姐救照买肘淫撇死笛辊牢侵沁粘第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 28 本章小结本章的重点为：软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类；按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类；每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。穴牢砒嗡星涯慷季阜旭兰亢敲叙挫鸦珊濒幻累婪匿笋牟逗铰舀显汰影调舰第 8 章软开关技术第 8 章软开关技术 29

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