软开关电路研究与仿真

能力拓展训练

题目

学院

专业

班级

姓名 指导教师

软开关电路研究与仿真 自动化学院 电气工程及其自动化 电气1004班 张珊

2013 年 7 月 2 日

能力拓展训练任务书

学生姓名：张珊 专业班级：电气1004班

指导教师： 工作单位：武汉理工大学

题 目:软开关电路研究与仿真

初始条件：

几种典型的软开关电路为：零电压开关准谐振电路，谐振直流环电路，

移相全桥零电压开关电路等。

要求完成的主要任务:

1. 分析软开关和硬开关。

2. 分析常见软开关电路的拓扑结构及特点。

3. 选择一种或几种典型软开关电路，设计仿真模型及参数，分析仿真输

出波形。

4. 拓展训练说明书不少于5000字，参考文献不少于5篇，画出电路图，

仿真模型，给出仿真波形并分析。

拓展训练说明书应严格按统一格式打印，图纸、元器件符号及文

字符号符合国家标准，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。

时间安排：

2013.7.3 －2013.7.4 收集拓展训练相关资料

2013.7.5 －2013.7.7 系统设计及仿真

2013.7.8 －2013.7.9 撰写论文及答辩

指导教师签名：

2013 年 7 月 2 日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

软开关技术是近年来电力电子领域的研究热点, 采用该技术可以降低开关损耗, 减小电干扰, 进而提高开关频率, 从而使得开关电源向体积小、重量轻、能量密度高的方向发展。本文对软开关的电路结构及特点进行介绍，主要对典型的软开关电路进行分析，了解工作过程，并且对降压型的零电压开关准谐振电路的工作原理进行研究, 采用matlab 仿真软件进行仿真得到对应的相关波形, 从得验证软开关技术在实际电路中的有效性。

关键字：软开关准谐振matlab

1软开关的基本概念

1.1 硬开关概念

在电路中，开关开通和关断过程中的电压电流均不为零，出现了重叠，因此有显著地开关损耗，并且电压电流变化很快，波形出现了明显的过冲，导致开关噪音，这样的开关过程成为硬开关，主要的开关过程为硬开关的电路成为硬开关电路。它的开关过程如图1.1所示。

a) 硬开关的开通过程 b）硬开关的关断过程

图1.1硬开关的开关过程

总结起来硬开关具有以下缺点：

1）开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。

2）感性关断电尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。

3）容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。

4）电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI ）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。

开关损耗和开关频率之间呈线性关系，因此当开关频率并不高时，开关损耗占损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著，这时必须采用软开关技术来降低开关损耗。

1.2软开关概念

软开关是电器回路中用于连通和切断负载的一种方式和装置，这种方式系指负载的切断和接通不是瞬间突然地完成，而是逐渐地由小到大完成接通过程，逐渐地由大到小完成切断过程。软开关硬开关电路中加入了小电感、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，因此降低开关损耗和开关噪音。

和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。

软开关

的开关过程如图1.2所示。

a) 软开关的开通过程b ）软开关的关断过程 图1.2 软开关的开关过程

相对硬开关，软开关提高了开关频率，降低甚至是消除了开关损耗，因此其工作条件更好。软开关分为零电压开关和零电流开关。

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音，这种开通方式为零电压开通；使开关关断前其电流为零，则开关关断时就不会产生损耗和噪音，这种关断方式为零电流开通。与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断；与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。是要靠电路中的谐振来实现。

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。

1）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。为最早出现的软开关电路，可以分为：

a) 零电压开关准谐振电路（ZVS QRC）

b) 零电流开关准谐振电路（ZCS QRC

）；

c) 零电压开关多谐振电路（ZVS MRC）；

用于逆变器的谐振直流环节

图2.1 对应的准谐振电路基本单元

特点：

1）谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；

2）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；

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。

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：

a) 零电压开关PWM 电路（Zero-Voltage-Switching PWM Converter—ZVS PWM ）；

b) 零电流开关PWM 电路（Zero-Current-Switching PWM Converter—ZCS PWM ）。

两电路的基本单元接线如下图所示

图2.2 对应的零开关PWM 电路基本单元

特点：

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。

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：

a) 零电压转换PWM 电路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter—ZVT PWM ）；

b) 零电流转换PWM 电路（Zero-Current Transition PWM Converter—ZVT PWM ）。

两电路的基本单元接线如下图所示：

图2.3 零转换PWM 电路的基本单元

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。 3 典型的软开关电路

3.1 零电压开关准谐振电路

3.1.1 原理分析

零电压开关准谐振电路是一种结构较为简单的软开关电路，容易分析和理解。以降压型电路为例，分析其工作原理，电路原理如图3.1所示，电路工作时理想化的波形如图3.2所示，在分析过程中假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。

图3.1 零电压开关准谐振电路原理图 图3.2零电压开关准谐振电路理想化波形 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L r+L向Cr充电，由于L 很大，可以等效为电流源。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：dudt=CL。 rI

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，L r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L r放电，iLr改变方向，uCr不断下降，直到t 3时刻，uCr=Ui，这时L r两端电压为零，iLr达到反向谐振峰值。

t 3~t4时段：t 3时刻以后，L r对Cr反向充电，uCr继续下降，直到t 4时刻uCr=0。 t 1到t 4时段电路谐振过程的方程为：

di LrLr+UCr=Uit

duCrCr=iLr t UCr|t=t1=Ui, iLr|t=t1=IL, t∈[t1, t4]

t 4~t5时段：VD S 导通，UCr被箝位于零，L r两端电压为Ui，iLr线性衰减，直到t 5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。

t 5~t6时段：S 为通态，iLr线性上升，直到t 6时刻，iLr=IL，VD 关断。

t 4到t 6时段电流iLr的变化率为：didt=L i rU

t 6~t0时段：S 为通态，VD 为断态。

3.1.2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：

LrUCr t = ILsin ωr t−t1 +Ui, ωr=t=[t1, t4] rrr

UCr的谐振峰值表达式（即开关S 承受的峰值电压）：

LrUP= IL+Ui, r

零电压开关准谐振电路实现软开关的条件： CrIL≥Ui rL

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。这增加了电路的成本，降低了可靠性，时零电压开关准谐振电路的一大缺点。

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。原理图如图3.5所示，它用一个辅助开关S 就可以使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下。

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，所以在分析时可将电路等效为图3.6，由于同谐振过程相比，感性

负载的电流变化非常缓慢，因此可以将负载电流是常量，而且忽略电路中的损耗。其理想化波形如图3.7所示。

图3.5谐振直流环电路原理图

由图3.6分析电路的工作过程

t 0~t1时段：t 0时刻之前，电感Lr的电流iLr大于负载电流IL，开关S 处于通态；t 0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t 1时刻，UCr=Ui。

t 1~t2时段：t 1时刻, 由于UCr=Ui，Lr两端电压差为零，因此谐振电流iLr达到峰值。t 1时刻以后，iLr继续向Cr充电并不断减小，而UCr进一步升高，直到t 2时刻iLr=IL，UCr达到谐振峰值。

图3.6谐振直流环电路的等效电路

图3.7谐振直流环电路的理想化波形

t 2~t3时段：t2时刻以后，UCr向Lr和L 放电，iLr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。

t 3~t4时段：t 3时刻，UCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值，然后开始衰减，UCr继续下降，t 4时刻，UCr =0，S 的反并联二极管VD S 导通，UCr被箝位于零。

t 4~t0时段：S 导通，iLr电流线性上升，直到t 0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。

3.3移相全桥型零电压开关PWM 电路

同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关等元件仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通，它的电路结构如图3.8所示；

移相全桥电路控制方式的特点：

1）在开关周期T S 内，每个开关导通时间都略小于T S /2，而关断时间都略大于T S /2；

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；

3）互为对角的两对开关S 1-S 4和S 2-S 3，S 1的波形比S 4超前0~TS /2时间，而S 2的波形比S 3超前0~TS /2时间，因此称S 1和S 2为超前的桥臂，而称S 3和S 4为滞后的桥臂。

图3.8移相全桥零电压开关PWM 电路

在分析过程中假设开关器件都是理想的，并忽略电路中的损耗

工作过程：

t 0~t1时段：在这时段中S 1与S 4导通，直到t 1时刻S 1关断。

t 1~t2时段：t 1时刻开关S 1关断后，电容C 1、C 2与电感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=UA0，VD S2导通，电流iLr通过VD S2续流。

t 2~t3时段：t 2时刻开关S 2开通，由于此时其反并联二极管VD S2正处于导通状态，因此S 2为零电压开通。开通过程中不会产生开关损耗，S 2开通后电路状态也不会改变，继续保持到t3时刻S 4关断。

t 3~t4时段：t 4时刻开关S 4关断后，变压器二次侧VD 1和VD 2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C 3、C 4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S 3的反并联二极管VD S3导通。这种状态维持到t 4时刻S 3开通。因此S 3为零电压开通。

t 4~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，t 5时刻iLr=KLVD 1的电流下降到零而关断，电流I L 全部转移到VD 2TI

中。

图3.9移相全桥电路的理想化波形

4 仿真设计

本实验主要对零电压开关准谐振电路进行仿真，设计仿真模型及参数，并进行分析，得到合理的波形。

前面已经介绍过零电压开关准谐振电路的拓扑结构，下面再介绍一下

图4.1 零电压开关准谐振电路原理图

选取参数：

1）输入直流电源为20V;

2）谐振电容Cr=25.4nF; 谐振电感Lr=4μF,

3）谐振频率为fr=rr4）滤波电容C=10 μF，滤波电感L=0.15mH,开关频率为225 KHZ

在matlab 中画出仿真模型