软开关技术.docx
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软开关技术
工作原理:
t0~t1时段:
t0时刻之前,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。
这一时段uCr的上升率:
(7-1)
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。
图7-9零电压开关准谐振电路在t0~t1时段等效电路
图7-10零电压开关准谐振电路在t1~t2时段等效电路
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。
t1到t4时段电路谐振过程的方程为:
(7-2)
t4~t5时段:
VDS导通,uCr被箝位于零,iLr线性衰减,直到t5时刻,iLr=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。
t5~t6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:
(7-3)
t6~t0时段:
S为通态,VD为断态。
谐振过程定量分析
求解式(7-2)可得uCr(即开关S的电压uS)的表达式:
(7-4)
uCr的谐振峰值表达式(即开关S承受的峰值电压):
(7-5)
零电压开关准谐振电路实现软开关的条件:
(7-6)
缺点:
谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍,增加了对开关器件耐压的要求。
(2)谐振直流环
谐振直流环电路应用于交流-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7-11谐振直流环电路原理图
电路的工作过程:
将电路等效为图7-12。
t0~t1时段:
t0时刻之前,开关S处于通态,iLr>IL。
t0时刻S关断,电路中发生谐振。
iLr对Cr充电,t1时刻,uCr=Ui。
t1~t2时段:
t1时刻,谐振电流iLr达到峰值。
t1时刻以后,iLr继续向Cr充电,直到t2时刻iLr=IL,uCr达到谐振峰值。
t2~t3时段:
uCr向Lr和L放电,iLr降低,到零后反向,直到t3时刻uCr=Ui。
t3~t4时段:
t3时刻,iLr达到反向谐振峰值,开始衰减,uCr继续下降,t4时刻,uCr=0,S的反并联二极管VDS导通,uCr被箝位于零。
t4~t0时段:
S导通,电流iLr线性上升,直到t0时刻,S再次关断。
缺点:
电压谐振峰值很高,增加了对开关器件耐压的要求。
图7-12谐振直流环电路的等效电路
图7-13谐振直流环电路的理想化波形
(3)移相全桥型零电压开关PWM电路
同硬开关全桥电路相比,仅增加了一个谐振电感,就使四个开关均为零电压开通;
移相全桥电路控制方式的特点:
在开关周期TS内,每个开关导通时间都略小于TS/2,而关断时间都略大于TS/2;
同一半桥中两个开关不同时处于通态,每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0~TS/2时间,而S2的波形比S3超前0~TS/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。
图7-14移相全桥零电压开关PWM电路
图7-15移相全桥电路的理想化波形
工作过程:
t0~t1时段:
S1与S4导通,直到t1时刻S1关断。
t1~t2时段:
t1时刻开关S1关断后,电容C1、C2与电感Lr、L构成谐振回路,uA不断下降,直到uA=0,VDS2导通,电流iLr通过VDS2续流。
t2~t3时段:
t2时刻开关S2开通,由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态,因此S2为零电压开通。
t3~t4时段:
t4时刻开关S4关断后,变压器二次侧VD1和VD2同时导通,变压器一次侧和二次侧电压均为零,相当于短路,因此C3、C4与Lr构成谐振回路。
Lr的电流不断减小,B点电压不断上升,直到S3的反并联二极管VDS3导通。
这种状态维持到t4时刻S3开通。
因此S3为零电压开通。
t4~t5时段:
S3开通后,Lr的电流继续减小。
iLr下降到零后反向增大,t5时刻iLr=IL/kT,变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断,电流IL全部转移到VD2中。
图7-16移相全桥电路在t1~t2阶段的等效电路图
图7-17移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路
(4)零电压转换PWM电路
零电压转换PWM电路具有电路简单、效率高等优点。
工作过程:
辅助开关S1超前与主开关S开通,S开通后S1关断。
t0~t1时段:
S1导通,VD尚处于通态,电感Lr两端电压为Uo,电流iLr线性增长,VD中的电流以同样的速率下降。
t1时刻,iLr=IL,VD中电流下降到零,关断。
t1~t2时段:
Lr与Cr构成谐振回路,Lr的电流增加而Cr的电压下降,t2时刻uCr=0,VDS导通,uCr被箝位于零,而电流iLr保持不变。
t2~t3时段:
uCr被箝位于零,而电流iLr保持不变,这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断。
t3~t4时段:
t3时刻S开通时,为零电压开通。
S开通的同时S1关断,Lr中的能量通过VD1向负载侧输送,其电流线性下降,主开关S中的电流线性上升。
t4时刻iLr=0,VD1关断,主开关S中的电流iS=IL,电路进入正常导通状态。
t4~t5时段:
t5时刻S关断。
Cr限制了S电压的上升率,降低了S的关断损耗。
图7-18升压型零电压转换PWM电路的原理图
图7-19升压型零电压转换PWM电路的理想化波形
图7-20升压型零电压转换PWM电路在t1~t2时段的等效电路
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