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几种典型的软开关电路分享

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-11 收藏

目前电力电子设备的发展趋势都是小型化,同时对装置的效率和电磁兼容性有着很高的要求。 设备向着高频化的方向发展,这样可以减小滤波器、变压器等器件的体积和重量,实现小型化和轻重化; 但是高频化带来了开关损耗增大、效率下降和电磁干扰增大等影响。 这就引出了我们今天要讨论的话题——软开关技术:降低开关损耗和开关噪声; 大幅度提高开关频率。

1软开关基本概念

聊软开关之前,我们先说一下硬开关(嗯,不能太"硬",哈哈)

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(Eon+Eoff)与开关频率fsw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。

以降压型电路为例,了解一下硬开关:

理想化波形

针对开通和关断过程的波形说明如下:

关断过程 开通过程

软开关

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。

我们还以降压型电路为例,来了解一下软开关:

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,谐振过程限制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。

关断过程 开通过程

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,则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,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,我们不再指出开通或关断,仅称零电压开关和零电流开关。

2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。

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,用于逆变器的谐振直流环节(Resonant DC Link)。 分为下面几类:

零电压开关准谐振电路(ZVS QRC)

零电流开关准谐振电路(ZCS QRC)

零电压开关多谐振电路(ZVS MRC)

开关损耗和开关噪声都大大下降,但是也伴随着一些负面的问题:

①谐振电压峰值很高,要求器件耐压必须提高。

②谐振电流的有效值很大,电路中存在大量的无功功率交换,造成电路导通损耗加大。

③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。

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。 分为下面两类:

零电压开关PWM电路(ZVS PWM)

基本开关单元:

零电流开关PWM电路(ZCS PWM)

基本开关单元:

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,电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。

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。

具体也分为两类:零电压转换PWM电路(ZVT PWM)和零电流转换PWM电路(ZCT PWM)。

3几种典型的软开关电路

零电压开关准谐振电路

基本原理图如下:

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。

理想波形图:

选择开关S的关断时刻为分析的起点。

t0~t1时段,等效电路图如下:

t0之前,S导通,VD为断态,uCr=0,iLr
=IL,t0时刻S关断,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; 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

t1~t2时段,等效电路图如下:

t1时刻VD导通,L通过VD续流,Cr、Lr、Ui形成谐振回路; 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。

t2~t3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。

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,uLr=Ui,
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

t6~t0时段:S为通态,VD为断态。

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。

谐振直流环

基本原理图如下:

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。

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。

谐振直流环等效电路图:

以开关S关断时刻为起点。

理想波形图:

t0~t1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iLr>IL,因此iLr对Cr充电,uCr不断升高,直到t1时刻,uCr=Ui。

t1~t2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iL=IL,uCr达到谐振峰值。

t2~t3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。

t3~t4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。

t4~t0时段:S导通,电流iLr线性上升,直到t0时刻,S再次关断。

移相全桥型零电压开关PWM电路

基本原理图如下:

电路简单,仅仅增加了一个谐振电感,就使电路中四个开关器件都在零电压的条件下开通。

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。

理想波形图:

t0~t1时段:S1与S4都导通,直到t1时刻S1关断。

t1~t2时段:等效电路图

t1时刻S1关断后,C1、C2与Lr、L构成谐振回路,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。

t2~t3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。

t3~t4时段:等效电路图

t4时刻开关S4关断后,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开通,开通损耗为零。

t4~t5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。

t0~t5时段:正好是开关周期的一半, 而在另一半开关周期t5 t0时段中,电路的工作的过程与t0t5时段完全对称。

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。

基本原理图如下:

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开通后S1就关断了,主要的谐振过程都集中在S开通前后。

理想波形图:

t0~t1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。

t1~t2时段:等效电路图

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。

t2~t3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。

t3~t4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,到t4时刻iLr=0,VD1关断,iS=IL,电路进入正常导通状态。

t4~t5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。

4软开关的进展

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。



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