第七章谐振开关技术ppt课件.ppt

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1、第七章谐振开关技术第三节软开关电路的分类第二节谐振电路工作原理和开关损耗第一节概述内容提要与目的要求1内容提要与目的要求掌握基本串联谐振电路和并联谐振电路原理。理解软开关技术的基本概念。重点：谐振电路原理及电路分析。2第一节概述硬开关PWM（脉冲宽度调制），是指在功率变换过程中电力电子开关在开通和关断的瞬间均处于大电流或高电压的工作条件。图7.1给出了典型的硬开关过程中电流、电压和损耗的波形。从波形上可知，功率器件在高电压下开通、大电流时关断，因此要承受大的电压应力和热应力，且易超过安全工作区。3硬开关的缺点：1、开关损耗大，限制了开关元件的工作频率。2、方波工作方式，产生较大的电磁干

2、扰，电路存在着较大的动态电压、电流应力。3、在开关过程中，要求开关元件有较大的安全工作区。4、桥式电路拓扑，存在着上、下桥臂直通短路的问题。4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。5硬开关：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。软开关：在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，使开关条件得以改善。降低开关损耗和开关噪声。软开关有时也被成为谐振开关。工作原理：软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压

3、和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。6以闸刀开关作形象比喻，如果能在闸刀推合和拉开的瞬间人为地令开关间的电压或电流为零，岂不就可以避免拉弧火花的产生？在功率变换技术中，其实就是在主开关器件关断或导通的瞬间，实现其两端电压或电流为零的技术。也就是ZVS（零压开关）和ZCS（零流开关）软开关技术。7软开关技术的发展经历了高频逆变器、缓冲电路和谐振开关三个阶段。1.高频逆变器:负载带有谐振电路的逆变器称为正弦波逆变器或高频逆变器。水银整流器时代就已开始研究。晶闸管时代，高频逆变器作为开关损耗少的逆变器而著称，与整流电路组合一

4、起的高频环节DC-DC变流器可算是最早实用化的软开关技术。82.缓冲电路:为了避免器件损坏或误动作，可使用抑制du／dt、di／dt的电压缓冲器和电流缓冲器。利用缓冲器，器件本身的开关损耗能减少，并能实现软开关动作。缓冲电路进一步发展，拒电容和电感里积蓄的能量回馈到电源，称为无损耗缓冲器。93.谐振开关:开关器件与谐振器结合构成谐振开关，即用软开关器件代替单个的半导体开关。1966年R．E．Morgan用晶闸管做过软件仿真，即当今的ZCS。1975年N．O．Sokal提出“E级放大器”，使用两个谐振器，使导通与关断时的du／dt、di／dt为零，对器件来说成为理想的软开关。1984年开

5、始，F．Lee对零电流开关、零电压开关进行了一系列研究，并命名为准谐振变流器。当时在小型DC-DC变流器上应用，开关频率为0.5—2MHz，功率密度为l00W／(50×50×6)mm3。1985年美国弗吉尼亚工学院李泽元教授提出的谐振开关技术是在研究DC／DC变换器过程中发展起来的。这种谐振开关的原理也可以应用于DC／AC变换器。101986年美国威斯康星大学的D．M．Divan教授提出了“谐振直流环逆变器(谐振环)的概念”，这对于谐振开关技术应用于DC／AC变换器领域起了很大的推动作用。谐振环的原理是把原先具有恒定直流电压的母线变成一个高频直流脉动或高频交流母线，从而在母线上出现电压

6、(或电流)过零现象，挂在这样母线上的逆变器中的开关器件在同步信号的控制下，则能实现零电压或零电流条件下的开通和关断。1991年Jung．G．Cho等人提出的“新型并联谐振直流环软开关PWM变换器”是一种比较理想的拓扑结构。11所谓的软开关转换其理论上开关损耗为零。其优点如下：1、振式软开关转换无开关损耗，工作频率高。2、电磁干扰，开关转换过程中动态应力小。3、电能转换效率高，无吸收电路，散热器小。4、上下桥臂直通短路问题不存在了。在谐振直流环节的逆变器中，上下桥臂直通成了一种合理的工作状态。12谐振软开关电路中，零电压和零电流条件是由辅助的谐振电路所创造的。因此，本章首先介绍基本串联谐

7、振电路和并联谐振电路工作原理，然后，分别介绍软开关技术在开关电源和直流逆变器中的分类和典型应用。13第二节谐振电路工作原理和开关损耗1一、串联谐振电路工作原理2二、并联谐振电路工作原理3三、软开关损耗14一、串联谐振电路工作原理如图7.2（a）所示为负载与电容并联的串联谐振电路。图中I0代表负载电流，Ud和I0为直流量，初始时间t0时的初始条件为IL0和Uc0，电路的方程为式中，ω0为谐振角频率15当t≥t0时方程的解为：Z0为谐振阻抗当Uc0