第 7章 软开关技术引言
7.1 软开关的基本概念
7.2 软开关电路的分类
7.3 典型的软开关电路本章小结第 7章 软开关技术? 引言现代电力电子装置的 发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。
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。
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关和软开关
7.1.2 零电压开关和零电流开关
7.1.1 硬开关和软开关硬开关：
开关过程中电压和电流均不为零,出现了重叠 。
电压,电流变化很快,波形出现明显得过冲,
导致开关噪声 。
t0
a）硬开关的开通过程 b）硬开关的关断过程图 7－ 1 硬开关的开关过程
u
i
P
0
u i
t
u
uii
P
0
0
7.1.1 硬开关和软开关软开关：
在原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,消除电压,电流的重叠 。
降低开关损耗和开关噪声 。
u
i
P
0
u i
t
t0
u
i
P
0
u
i
t
t0
a）软开关的开通过程 b）软开关的关断过程图 7－ 2 软开关的开关过程
7.1.2 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 —— 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 —— 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。
当不指出是开通或是关断，仅称 零电压开关 和零电流开关 。
靠电路中的谐振来实现。
7.2 软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为 零电压电路 和 零电流电路 两大类。
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 。
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从 基本开关单元 导出具体电路 。
7.2 软开关电路的分类图 7－ 3基本开关单元的概念
a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
7.2 软开关电路的分类
1） 准谐振电路准谐振电路 －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。是最早出现的软开关电路。
特点,
谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；
谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，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。
分别介绍三类软开关电路
7.2 软开关电路的分类可分为：
用于逆变器的谐振直流环节电路
(Resonant DC Link） 。 图 7-4 准谐振电路的基本开关单元
c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元电压开关多谐振电路
(Zero-Voltage-Switching Multi-
ResonantConverter— ZVS MRC）
b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路
(Zero-Current-Switching
Quasi-Resonant
Converter— ZCS QRC）
a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路
(Zero-Voltage-Switching
Quasi-Resonant Converter—
ZVS QRC）
7.2 软开关电路的分类
2） 零开关 PWM电路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。
零开关 PWM电路可以分为：
特点：
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 。
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 。
b)零电流开关 PWM电路的基本开关单元图 7－ 5 零开关 PWM电路的基本开关单元零电流开关 PWM电路 （ Zero-Current-
Switching PWM Converter— ZCS
PWM）
a)零电压开关 PWM电路的基本开关单元零电压开关 PWM电路 （ Zero-Voltage-
Switching PWM Converter— ZVS
PWM）
7.2 软开关电路的分类
3） 零转换 PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，
但谐振电路是与主开关并联的。
零转换 PWM电路可以分为：
特点：
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。
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。
b）零电流转换 PWM电路的基本开关单元图 7－ 6 零转换 PWM电路的基本开关单元零电流转换 PWM电路 （ Zero-Current
Transition PWM Converter— ZVT
PWM）
a）零电压转换 PWM电路的基本开关单元零电压转换 PWM电路（ Zero-
Voltage-Transition PWM
Converter— ZVT PWM）
7.3 典型的软开关电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路
7.3.2 谐振直流环
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路
7.3.4 零电压转换 PWM电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路
1） 电路结构以 降压型 为例分析工作原理。
假设 电感 L和电容 C很大,
可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。
图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.1 零电压开关准谐振电路选择开关 S关断时刻为分析的起点。
t0~t1时段,t0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：
r
r
d
d
C
I
t
u LC?
2） 工作原理 t0~t1时段的等效电路
S
S(uCr)
iS
iLr
uVD
t 0 t1t2 t3t4 t6 t0
t
t
t
t
t
t5O
O
O
O
O
图 7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.1 零电压开关准谐振电路
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。
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~t2时段的等效电路
u
S
S(uCr)
iS
iLr
uVD
t 0 t1t2 t3t4 t6 t0
t
t
t
t
t
t5O
O
O
O
O
图 7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.1 零电压开关准谐振电路
t4~t5时段,uCr被箝位于零,iLr
线性衰减，直到 t5时刻,iLr=0。
由于此时开关 S两端电压为零，
所以必须在此时开通 S，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。
t6~t0时段,S为通态,VD为断态。
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 。
S
S(uCr)
iS
iLr
uVD
t 0 t1t2 t3t4 t6 t0
t
t
t
t
t
t5O
O
O
O
O
图 7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.2 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。
1） 电路结构图 7-11 谐振直流环电路原理图由于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，因此分析时可将电路等效。 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
7.3.2 谐振直流环
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Uin
IL
t
tO
O
图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
t 0~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。
2） 工作原理
7.3.2 谐振直流环
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。
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Uin
IL
t
tO
O
图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形图 7-12 谐振直流环电路的等效电路电压谐振峰值很高，增加了对开关器件 耐压 的要求。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一,
它的 特点 是电路简单 。 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 。
图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路
1） 移相全桥电路控制方式的 特点,
图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形在开关周期 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 。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路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
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路
2） 工作过程：
图 7-16 移相全桥电路在 t0~t1阶段的等效电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
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 Cs1,Cs2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,t3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 Cs3,Cs4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。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路图 7-17移相全桥电路在 t3~t4阶段的等效电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
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。
t0~t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.4 零电压转换 PWM电路
1） 工作过程：
辅助开关 S1超前于主开关 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。
图 7-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理图
S
S1
uS
iLr
iS1
uS1
iD
iS
IL
t0 t1 t2 t3 t4 t5
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-19 升压型零电压转换
PWM电路的理想化波形零电压转换 PWM电路具有电路简单、
效率高等优点。
7.3.4 零电压转换 PWM电路
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 。
图 7-20 升压型零电压转换 PWM电路在 t1~t2时段的等效电路图 7-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理图
S
S1
uS
iLr
iS1
uS1
iD
iS
IL
t0 t1 t2 t3 t4 t5
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-19 升压型零电压转换
PWM电路的理想化波形
7.3.4 零电压转换 PWM电路
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
S
S1
uS
iLr
iS1
uS1
iD
iS
IL
t0 t1 t2 t3 t4 t5
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-19 升压型零电压转换
PWM电路的理想化波形本章小结本章的重点为：
1） 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 。
2） 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 。
3） 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 。
7.1 软开关的基本概念
7.2 软开关电路的分类
7.3 典型的软开关电路本章小结第 7章 软开关技术? 引言现代电力电子装置的 发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。
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。
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关和软开关
7.1.2 零电压开关和零电流开关
7.1.1 硬开关和软开关硬开关：
开关过程中电压和电流均不为零,出现了重叠 。
电压,电流变化很快,波形出现明显得过冲,
导致开关噪声 。
t0
a）硬开关的开通过程 b）硬开关的关断过程图 7－ 1 硬开关的开关过程
u
i
P
0
u i
t
u
uii
P
0
0
7.1.1 硬开关和软开关软开关：
在原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,消除电压,电流的重叠 。
降低开关损耗和开关噪声 。
u
i
P
0
u i
t
t0
u
i
P
0
u
i
t
t0
a）软开关的开通过程 b）软开关的关断过程图 7－ 2 软开关的开关过程
7.1.2 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 —— 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 —— 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。
当不指出是开通或是关断，仅称 零电压开关 和零电流开关 。
靠电路中的谐振来实现。
7.2 软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为 零电压电路 和 零电流电路 两大类。
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 。
每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从 基本开关单元 导出具体电路 。
7.2 软开关电路的分类图 7－ 3基本开关单元的概念
a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元
7.2 软开关电路的分类
1） 准谐振电路准谐振电路 －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。是最早出现的软开关电路。
特点,
谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；
谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，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。
分别介绍三类软开关电路
7.2 软开关电路的分类可分为：
用于逆变器的谐振直流环节电路
(Resonant DC Link） 。 图 7-4 准谐振电路的基本开关单元
c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元电压开关多谐振电路
(Zero-Voltage-Switching Multi-
ResonantConverter— ZVS MRC）
b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路
(Zero-Current-Switching
Quasi-Resonant
Converter— ZCS QRC）
a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元零电压开关准谐振电路
(Zero-Voltage-Switching
Quasi-Resonant Converter—
ZVS QRC）
7.2 软开关电路的分类
2） 零开关 PWM电路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。
零开关 PWM电路可以分为：
特点：
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 。
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 。
b)零电流开关 PWM电路的基本开关单元图 7－ 5 零开关 PWM电路的基本开关单元零电流开关 PWM电路 （ Zero-Current-
Switching PWM Converter— ZCS
PWM）
a)零电压开关 PWM电路的基本开关单元零电压开关 PWM电路 （ Zero-Voltage-
Switching PWM Converter— ZVS
PWM）
7.2 软开关电路的分类
3） 零转换 PWM电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，
但谐振电路是与主开关并联的。
零转换 PWM电路可以分为：
特点：
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。
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。
b）零电流转换 PWM电路的基本开关单元图 7－ 6 零转换 PWM电路的基本开关单元零电流转换 PWM电路 （ Zero-Current
Transition PWM Converter— ZVT
PWM）
a）零电压转换 PWM电路的基本开关单元零电压转换 PWM电路（ Zero-
Voltage-Transition PWM
Converter— ZVT PWM）
7.3 典型的软开关电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路
7.3.2 谐振直流环
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路
7.3.4 零电压转换 PWM电路
7.3.1 零电压开关准谐振电路
1） 电路结构以 降压型 为例分析工作原理。
假设 电感 L和电容 C很大,
可等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。
图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.1 零电压开关准谐振电路选择开关 S关断时刻为分析的起点。
t0~t1时段,t0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：
r
r
d
d
C
I
t
u LC?
2） 工作原理 t0~t1时段的等效电路
S
S(uCr)
iS
iLr
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t 0 t1t2 t3t4 t6 t0
t
t
t
t
t
t5O
O
O
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O
图 7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.1 零电压开关准谐振电路
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。
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~t2时段的等效电路
u
S
S(uCr)
iS
iLr
uVD
t 0 t1t2 t3t4 t6 t0
t
t
t
t
t
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O
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图 7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.1 零电压开关准谐振电路
t4~t5时段,uCr被箝位于零,iLr
线性衰减，直到 t5时刻,iLr=0。
由于此时开关 S两端电压为零，
所以必须在此时开通 S，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。
t6~t0时段,S为通态,VD为断态。
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 。
S
S(uCr)
iS
iLr
uVD
t 0 t1t2 t3t4 t6 t0
t
t
t
t
t
t5O
O
O
O
O
图 7-8零电压开关准谐振电路的理想波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
7.3.2 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。
1） 电路结构图 7-11 谐振直流环电路原理图由于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，因此分析时可将电路等效。 图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
7.3.2 谐振直流环
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Uin
IL
t
tO
O
图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
t 0~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。
2） 工作原理
7.3.2 谐振直流环
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。
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Uin
IL
t
tO
O
图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形图 7-12 谐振直流环电路的等效电路电压谐振峰值很高，增加了对开关器件 耐压 的要求。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一,
它的 特点 是电路简单 。 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 。
图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路
1） 移相全桥电路控制方式的 特点,
图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形在开关周期 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 。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路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
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路
2） 工作过程：
图 7-16 移相全桥电路在 t0~t1阶段的等效电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
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 Cs1,Cs2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,t3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 Cs3,Cs4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。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路图 7-17移相全桥电路在 t3~t4阶段的等效电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
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。
t0~t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。
7.3.3 移相全桥型零电压开关 PWM电路图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
uR
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3t4 t5 t6 t7 t8t9 t0t9t8 t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
7.3.4 零电压转换 PWM电路
1） 工作过程：
辅助开关 S1超前于主开关 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。
图 7-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理图
S
S1
uS
iLr
iS1
uS1
iD
iS
IL
t0 t1 t2 t3 t4 t5
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-19 升压型零电压转换
PWM电路的理想化波形零电压转换 PWM电路具有电路简单、
效率高等优点。
7.3.4 零电压转换 PWM电路
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 。
图 7-20 升压型零电压转换 PWM电路在 t1~t2时段的等效电路图 7-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理图
S
S1
uS
iLr
iS1
uS1
iD
iS
IL
t0 t1 t2 t3 t4 t5
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-19 升压型零电压转换
PWM电路的理想化波形
7.3.4 零电压转换 PWM电路
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
S
S1
uS
iLr
iS1
uS1
iD
iS
IL
t0 t1 t2 t3 t4 t5
t
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
O
图 7-19 升压型零电压转换
PWM电路的理想化波形本章小结本章的重点为：
1） 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 。
2） 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 。
3） 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 。
