1
第 7章 软开关技术
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
2
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关
7.1.2 零电压开关与零电流开关
3
7.1.1 硬开关与软开关
开关过程中电压、电流均不为零，
出现重叠，导致开关损耗
电压和电流的变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声硬开关图 7-1 硬开关的开关过程
a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程
a)
uu i
i
t
t
0
0
P
b)
uu
ii
0
t
t
0
P
4
软开关在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，可消除开关过程中中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声图 7-1 软开关的开关过程
a)软开关的开通过程 b)软开关的关断过程
5
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关
7.1.2 零电压开关与零电流开关
6
7.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关（零电压开通） 使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声零电流开关（零电流关断） 使开关关断前其电流为零，则开关关断时也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度，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度，降低开通损耗
7
第 7章 软开关技术
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
8
7.2 软开关电路的分类根据是零电压开通还是零电流关断 零电压电路零电流电路根据软开关技术发展的历程准谐振电路零开关 PWM电路零转换 PWM电路
9
VD
S L L
S
VD
L
S VD
VD
S L
a) b) c) d)
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
10
1,准谐振电路 最早出现的软开关电路零电压开关准谐振电路零电流开关准谐振电路零电压开关多谐振电路用于逆变器的谐振直流环节图 7-4 准谐电路的基本开关单元
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元 d)谐振直流环节电路
S VD
Lr L
Cr1
Cr2
c）
S
VD
Lr L
Cr
b）
S
Lr
Cr
VD
L
a）
Lr
Ui S Cr
V
D S
d）
分为
11
准谐振 准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波优点 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降缺点
●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,电路只能采用脉冲频率调制方式来控制
12
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电压开关 PWM电路零电流开关 PWM电路分为图 7-4零电压开关 PWM电路的基本开关单元
a）零电压开关 PWM电路基本开关单元 b）零电流开关 PWM电路基本开关单元
S Lr
Cr
VD
LS1
a）
S
VD
Lr L
Cr
S1
b）
2．零开关 PWM电路优点
●电压和电流基本是方波
●开关承受的电压降低
●电路可采用开关频率固定的 PWM控制
13
3,零转换 PWM电路 采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路是与主开关并联分为零电流转换 PWM电路零电压转换 PWM电路
S
Lr
VD
LS1Cr
VD1
a)
Lr Cr S1
S
VDVD1
L
b)
图 7-4零转换 PWM电路的基本开关单元
a）零电压转换 PWM电路基本开关单元 b）零电流转换 PWM电路基本开关单元优点
●输入电压和负载电流对电路的 谐振过程影响小,电路 在很宽的输入电压范围内,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
14
第 7章 软开关技术
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
15
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
16
7.3.1 零电压开关准谐振电路
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
开关电路的工作过程按开关周期重复
Ui
Cr
S
VDs
Lr
VD
L
C
A
R
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
17
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 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尚未导通图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
Ui
Cr
S
VDs
Lr
VD
L
C
A
R
18
Cr
U i
+ uCr IL
A
图 7-9 零电压开关准谐振电路在 t0~t1时段等效电路电路等效为图 7-9
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 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? （ 7-1）
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
19
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 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
● 谐振过程中,Lr对 Cr充电 uCr 不断上升,iLr 不断下降,t2时刻,iLr下降到零,uCr达到谐振峰值
C
r
U
i
+
u
Cr
i
L r
图 7-10 零电压开关准谐振电路在 t1~t2时段等效电路电路等效图为图 7-10
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
20
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
●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,Lr两端电压为零，
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
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
● t1到 t4时段电路谐振过程的方程为
],[,,
d
d
d
d
41rir
r
r
r
ir
r
r
11
tttIiUu
i
t
u
C
Uu
t
i
L
LttLttC
L
C
C
L
（ 7-2）
21
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● t4~t5时段,uCr被箝位于零，
Lr两端电压为 Ui,iLr线性衰减，
直到 t5时刻,iLr=0
● 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
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
r
ir
d
d
L
U
t
i L? （ 7-3）
22
零电压开关准谐振电路 t1~t4时段的谐振过程定量分析通过求解式（ 7-2）可得开关 S的电压 uS
开关 S承受的峰值电压
],[,
1
)(s i n)(
41
rr
r
i1r
r
r
r
ttt
CL
UttI
C
L
tu
LC
（ 7-4）
i
r
r
p UIC
LU
L
（ 7-5）
23
零电压开关准谐振电路实现软开关的条件
i
r
r UI
C
L
L?
（ 7-6）
谐振电压峰值将高于输入电压 Ui的
2倍，开关 S的耐压须相应提高缺点
24
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
25
7.3.2 谐振直流环各种交流 -直流 -交流变换电路中都存在中间直流环节，
谐振直流环电路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
Lr
Ui S Cr
V
D S
●图 7-11为用于电压型逆变器的谐振直流环电路
●它用一个开关 S就可使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下
26
电压型逆变器的负载通常为感性，在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，电路等效为图 7-12，其理想波形如图 7-13
Lr
Ui S
Cr
VDS
L
iLr
+
uCr
I
L
R
图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Ui
IL
t
tO
O
图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形
27
Lr
Ui S
Cr
VDS
L
iLr
+u
Cr
I
L
R
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
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Ui
t
tO
O
IL
t 0~t1时段
t0时刻之前,Lr的电流 iLr大于 IL，开关 S处于通态，
t0时刻,S关断，电路中发生谐振。 iLr对 Cr充电,uCr不断升高，直到 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
t3~t4时段
t3时刻,uCr=Ui,iLr达到反向谐振峰值，然后开始衰减，
uCr继续下降，直到 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
电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求
28
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
29
7.3.3移相全桥型零电压开关 PWM电路移相全桥电路特点电路简单,同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关元件，
仅只增加一个谐振电感，就使电路四个开关器件都在零电压的条件下开通
S1
S2
S3
S4
CS1
CS4CS2
CS3
VD2
VD1
Lr
L
A B
Ui
uR
C R
+
-
图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
30
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
u R
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 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
移相全桥电路控制方式特点
① 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
② 同一半桥中,上下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
③ S1的波形比 S4超前 0~TS/2时间,S2 的 波 形 比 S3 超前
0~TS/2时间,S1和 S2为超前的桥臂,S3和 S4为滞后的桥臂
31
iLr
iL
Kr:1C
S!
S4
Lr
L
VD1
Ui
U0
+
VDS2
A
R
CS2
图 7-16 移相全桥电路在 t1~t2阶段的等效电路图
●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,Cs1,Cs2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 VDS2处于导通状态,S2零电压开通电路工作过程
32
图 7-17 移相全桥电路在 t3~t4阶段的等效电路
t 3~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
iLr
iL
CS3
S2
Lr
LVD
1
Ui
Uo
+
CS4
VDS3
VD2B
R
t4~t5时段,S3开通后,Lr的电流继续减小。 iLr下降到零后便反向，然后不断增大,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时段正好是开关周期的一半，另一半开关周期 t5~t0时段中，电路的工作过程与 t0~t5
时段完全对称
33
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
34
7.3.4 零电压转换 PWM电路图 7-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理图
L
S Cr
S1
L
r
VD1
VD
CUi
+
Uo
IL
iLr
iVD
VDS
R
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、
DC-DC变换器、斩波器等
35
S
S
1
u
S
i
Lr
i
S1
u
S
1
i
D
i
S
I
L
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
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电路的理想化波形电路工作过程
●t0~t1时段,S1先于 S开通，
VD尚处于通态，电感 Lr两端电压为 Uo，电流 iLr线性迅速增长,VD中的电流以同样的速率下降。直到 t1时刻，
iLr=IL,VD中电流下降到零，
自然关断
36
L
S1
LriLr
Ui
IL
CrVDS
图 7-20 升压型零电压转换 PWM电路在 t1~t2时段的等效电路
●t1~t2时段：电路等效为图 7-
20,Lr与 Cr构成谐振回路，
谐振过程中 Lr的电流增加而
Cr的电压下降,t2时刻 uCr降为零,VDS导通,uCr被箝位于零,iLr保持不变
S
S
1
u
S
i
Lr
i
S1
u
S
1
i
D
i
S
I
L
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
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
37
S
S
1
u
S
i
Lr
i
S1
u
S
1
i
D
i
S
I
L
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
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
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,
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,S中的电流线性上升 。 t4时刻 iLr=0,VD1
关断,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的存在,S关断时的电压的上升率被限制,降低了 S
的关断损耗
38
第 7章 软开关技术
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
39
本 章 小 结软开关技术在电路中引入谐振 较好解决开关损耗开关噪声软开关技术 总的分为 零电压零电流准谐振零开关 PWM
零转换 PWM
包含基本拓扑和众多的派生拓扑又可分为
40
零电压开关准谐振电路零电压开关 PWM电路零电压转换 PWM电路分别是准谐振零开关 PWM
零转换 PWM
的代表谐振直流环电路 软开关技术在逆变电路中的典型应用
41
目 录绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
第 7章 软开关技术
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
2
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关
7.1.2 零电压开关与零电流开关
3
7.1.1 硬开关与软开关
开关过程中电压、电流均不为零，
出现重叠，导致开关损耗
电压和电流的变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声硬开关图 7-1 硬开关的开关过程
a)硬开关的开通过程 b)硬开关的关断过程
a)
uu i
i
t
t
0
0
P
b)
uu
ii
0
t
t
0
P
4
软开关在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，可消除开关过程中中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声图 7-1 软开关的开关过程
a)软开关的开通过程 b)软开关的关断过程
5
7.1 软开关的基本概念
7.1.1 硬开关与软开关
7.1.2 零电压开关与零电流开关
6
7.1.2 零电压开关与零电流开关零电压开关（零电压开通） 使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声零电流开关（零电流关断） 使开关关断前其电流为零，则开关关断时也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度，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度，降低开通损耗
7
第 7章 软开关技术
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
8
7.2 软开关电路的分类根据是零电压开通还是零电流关断 零电压电路零电流电路根据软开关技术发展的历程准谐振电路零开关 PWM电路零转换 PWM电路
9
VD
S L L
S
VD
L
S VD
VD
S L
a) b) c) d)
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
10
1,准谐振电路 最早出现的软开关电路零电压开关准谐振电路零电流开关准谐振电路零电压开关多谐振电路用于逆变器的谐振直流环节图 7-4 准谐电路的基本开关单元
a）零电压开关准谐振电路基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路基本开关单元
c）零电压开关多谐振电路基本开关单元 d)谐振直流环节电路
S VD
Lr L
Cr1
Cr2
c）
S
VD
Lr L
Cr
b）
S
Lr
Cr
VD
L
a）
Lr
Ui S Cr
V
D S
d）
分为
11
准谐振 准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波优点 谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降缺点
●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,电路只能采用脉冲频率调制方式来控制
12
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电压开关 PWM电路零电流开关 PWM电路分为图 7-4零电压开关 PWM电路的基本开关单元
a）零电压开关 PWM电路基本开关单元 b）零电流开关 PWM电路基本开关单元
S Lr
Cr
VD
LS1
a）
S
VD
Lr L
Cr
S1
b）
2．零开关 PWM电路优点
●电压和电流基本是方波
●开关承受的电压降低
●电路可采用开关频率固定的 PWM控制
13
3,零转换 PWM电路 采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路是与主开关并联分为零电流转换 PWM电路零电压转换 PWM电路
S
Lr
VD
LS1Cr
VD1
a)
Lr Cr S1
S
VDVD1
L
b)
图 7-4零转换 PWM电路的基本开关单元
a）零电压转换 PWM电路基本开关单元 b）零电流转换 PWM电路基本开关单元优点
●输入电压和负载电流对电路的 谐振过程影响小,电路 在很宽的输入电压范围内,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
14
第 7章 软开关技术
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
15
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
16
7.3.1 零电压开关准谐振电路
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
开关电路的工作过程按开关周期重复
Ui
Cr
S
VDs
Lr
VD
L
C
A
R
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
17
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 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尚未导通图 7-7 零电压开关准谐振电路原理图
Ui
Cr
S
VDs
Lr
VD
L
C
A
R
18
Cr
U i
+ uCr IL
A
图 7-9 零电压开关准谐振电路在 t0~t1时段等效电路电路等效为图 7-9
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 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? （ 7-1）
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
19
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● 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
● 谐振过程中,Lr对 Cr充电 uCr 不断上升,iLr 不断下降,t2时刻,iLr下降到零,uCr达到谐振峰值
C
r
U
i
+
u
Cr
i
L r
图 7-10 零电压开关准谐振电路在 t1~t2时段等效电路电路等效图为图 7-10
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
20
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
●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,Lr两端电压为零，
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
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
● t1到 t4时段电路谐振过程的方程为
],[,,
d
d
d
d
41rir
r
r
r
ir
r
r
11
tttIiUu
i
t
u
C
Uu
t
i
L
LttLttC
L
C
C
L
（ 7-2）
21
图 7-8 零电压开关准谐振电路的理想化波形
● t4~t5时段,uCr被箝位于零，
Lr两端电压为 Ui,iLr线性衰减，
直到 t5时刻,iLr=0
● 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
S
u
S
( u
C r
)
i
S
i
L r
u
VD
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
6
t
0
t
t
t
t
t
t
5
O
O
O
O
O
r
ir
d
d
L
U
t
i L? （ 7-3）
22
零电压开关准谐振电路 t1~t4时段的谐振过程定量分析通过求解式（ 7-2）可得开关 S的电压 uS
开关 S承受的峰值电压
],[,
1
)(s i n)(
41
rr
r
i1r
r
r
r
ttt
CL
UttI
C
L
tu
LC
（ 7-4）
i
r
r
p UIC
LU
L
（ 7-5）
23
零电压开关准谐振电路实现软开关的条件
i
r
r UI
C
L
L?
（ 7-6）
谐振电压峰值将高于输入电压 Ui的
2倍，开关 S的耐压须相应提高缺点
24
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
25
7.3.2 谐振直流环各种交流 -直流 -交流变换电路中都存在中间直流环节，
谐振直流环电路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
Lr
Ui S Cr
V
D S
●图 7-11为用于电压型逆变器的谐振直流环电路
●它用一个开关 S就可使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下
26
电压型逆变器的负载通常为感性，在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，电路等效为图 7-12，其理想波形如图 7-13
Lr
Ui S
Cr
VDS
L
iLr
+
uCr
I
L
R
图 7-12 谐振直流环电路的等效电路
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Ui
IL
t
tO
O
图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形
27
Lr
Ui S
Cr
VDS
L
iLr
+u
Cr
I
L
R
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
t0 t1 t2 t3 t4 t0
iLr
uCr
Ui
t
tO
O
IL
t 0~t1时段
t0时刻之前,Lr的电流 iLr大于 IL，开关 S处于通态，
t0时刻,S关断，电路中发生谐振。 iLr对 Cr充电,uCr不断升高，直到 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
t3~t4时段
t3时刻,uCr=Ui,iLr达到反向谐振峰值，然后开始衰减，
uCr继续下降，直到 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
电压谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求
28
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
29
7.3.3移相全桥型零电压开关 PWM电路移相全桥电路特点电路简单,同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关元件，
仅只增加一个谐振电感，就使电路四个开关器件都在零电压的条件下开通
S1
S2
S3
S4
CS1
CS4CS2
CS3
VD2
VD1
Lr
L
A B
Ui
uR
C R
+
-
图 7-14 移相全桥零电压开关 PWM电路
30
图 7-15 移相全桥电路的理想化波形
S1
S3
S4
S2
uAB
uLr
iLr
uT1
u R
iVD1
iVD2
iL
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 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
移相全桥电路控制方式特点
① 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
② 同一半桥中,上下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
③ S1的波形比 S4超前 0~TS/2时间,S2 的 波 形 比 S3 超前
0~TS/2时间,S1和 S2为超前的桥臂,S3和 S4为滞后的桥臂
31
iLr
iL
Kr:1C
S!
S4
Lr
L
VD1
Ui
U0
+
VDS2
A
R
CS2
图 7-16 移相全桥电路在 t1~t2阶段的等效电路图
●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,Cs1,Cs2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 VDS2处于导通状态,S2零电压开通电路工作过程
32
图 7-17 移相全桥电路在 t3~t4阶段的等效电路
t 3~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
iLr
iL
CS3
S2
Lr
LVD
1
Ui
Uo
+
CS4
VDS3
VD2B
R
t4~t5时段,S3开通后,Lr的电流继续减小。 iLr下降到零后便反向，然后不断增大,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时段正好是开关周期的一半，另一半开关周期 t5~t0时段中，电路的工作过程与 t0~t5
时段完全对称
33
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
34
7.3.4 零电压转换 PWM电路图 7-18 升压型零电压转换 PWM电路的原理图
L
S Cr
S1
L
r
VD1
VD
CUi
+
Uo
IL
iLr
iVD
VDS
R
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、
DC-DC变换器、斩波器等
35
S
S
1
u
S
i
Lr
i
S1
u
S
1
i
D
i
S
I
L
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
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电路的理想化波形电路工作过程
●t0~t1时段,S1先于 S开通，
VD尚处于通态，电感 Lr两端电压为 Uo，电流 iLr线性迅速增长,VD中的电流以同样的速率下降。直到 t1时刻，
iLr=IL,VD中电流下降到零，
自然关断
36
L
S1
LriLr
Ui
IL
CrVDS
图 7-20 升压型零电压转换 PWM电路在 t1~t2时段的等效电路
●t1~t2时段：电路等效为图 7-
20,Lr与 Cr构成谐振回路，
谐振过程中 Lr的电流增加而
Cr的电压下降,t2时刻 uCr降为零,VDS导通,uCr被箝位于零,iLr保持不变
S
S
1
u
S
i
Lr
i
S1
u
S
1
i
D
i
S
I
L
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
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
37
S
S
1
u
S
i
Lr
i
S1
u
S
1
i
D
i
S
I
L
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
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
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,
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,S中的电流线性上升 。 t4时刻 iLr=0,VD1
关断,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的存在,S关断时的电压的上升率被限制,降低了 S
的关断损耗
38
第 7章 软开关技术
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
39
本 章 小 结软开关技术在电路中引入谐振 较好解决开关损耗开关噪声软开关技术 总的分为 零电压零电流准谐振零开关 PWM
零转换 PWM
包含基本拓扑和众多的派生拓扑又可分为
40
零电压开关准谐振电路零电压开关 PWM电路零电压转换 PWM电路分别是准谐振零开关 PWM
零转换 PWM
的代表谐振直流环电路 软开关技术在逆变电路中的典型应用
41
目 录绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
