电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 8 8 章章谐振开关型变换器谐振开关型变换器8 8 谐振开关型变换器谐振开关型变换器8.1 8.1 硬开关、硬开关、LCLC缓冲软开关和缓冲软开关和LCLC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性8.2 8.2 谐振开关型变换器的类型谐振开关型变换器的类型8.3 8.3 谐振开关型零电压开通（谐振开关型零电压开通（ZVSZVS）变换器变换器8.4 8.4 谐振开关型零电流关断（谐振开关型零电流关断（ZCSZCS）变换器变换器8.5 8.5 直流环节并联谐振型逆变器直流环节并联谐振型逆变器PRDCLIPRDCLI小结小结8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q硬开关过程硬开关过程q 开通（开通（ AB C ） ：在在vT =VD下下iT从从0Io，然后，然后在在iT=Io下下vT从从VD0 ，Pon=vTiT大。大。q 关断（关断（ CB A ）：在在iT=Io下下vT从从0VD，然后，然后在在vT =VD下下iT从从Io0，Poff= vTiT大。大。图图8.1(8.1(a) a) 硬开关电路硬开关电路开关轨迹开关轨迹8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q有有LCLC缓冲器的软开关过程缓冲器的软开关过程q 开通（开通（ A AQ QE EC C）：）：L LS S使工作点从使工作点从AQAQ，在，在v vT TV VQ QVVD D下下i iT T从从0Io0Io，然后从，然后从ECEC，P Ponon P Ponon。q 关断关断（C CA AP PA A）：）：i iT T从从Io0Io0期间期间vT从从0V0VD D，然后在然后在i iT T=0=0下从下从APAAPA，P Poff显著减小。显著减小。开关轨迹开关轨迹图图8.1(8.1(b) b) 有有LCLC复合缓冲的软开关电路复合缓冲的软开关电路8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变开关频率增加可提高变换器的功率密度，但硬开关变换器的开关损耗会成比例升高。换器的开关损耗会成比例升高。qLCLC缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整缓冲器能降低开关器件的功耗，但其自身功耗使整个变换器的效率不一定能提高。个变换器的效率不一定能提高。q零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器高频化最理想的技术。高频化最理想的技术。8.1 硬开关、硬开关、LC缓冲软开关和缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性谐振零开关基本特性q LCLC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断q t1时引发时引发Lr、Cr谐振，谐振，t2时时vT 谐振至零，在谐振至零，在t3时驱动时驱动T实现零电压开通。实现零电压开通。q t6时引发时引发Lr、Cr谐振，谐振， t7时时iT谐振至零，在谐振至零，在t8时切除时切除驱动信号实现零电流关断。驱动信号实现零电流关断。开关轨迹开关轨迹图图 8.2 8.2 零电压开通、零电流关断时零电压开通、零电流关断时v vT T、i iT T、r rT Tq零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。零电压开通谐振变换器和零电流关断谐振变换器。q脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWM谐振变换器和脉冲频率调制谐振变换器和脉冲频率调制PFM谐振变换器谐振变换器。q零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。零开关谐振变换器和零转换谐振变换器。q零开关谐振变换器零开关谐振变换器q零转换谐振变换器零转换谐振变换器qLC谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。谐振环节中有辅助开关管或无辅助开关管。8.2 谐振开关型变换器的类型谐振开关型变换器的类型8.3 谐振开关型零电压开通（谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器变换器8.3.1 8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWMZVS PWM）变换器工作原理变换器工作原理8.3.2 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFMZVS PFM）变换器工作原理变换器工作原理8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q 工作原理工作原理q关断关断T2后引发后引发LrCr谐振，谐振，使主开关管使主开关管T1的电压的电压vT=0。q再对再对T1施加驱动信号实现施加驱动信号实现T1的零电压开通。的零电压开通。图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS PWMBuck DC/DC ZVS PWM变换器电路图变换器电路图图图8.1(8.1(a) a) 硬开关电路硬开关电路q主电路组成主电路组成q变换器一个周期有五种开关状态。变换器一个周期有五种开关状态。q开关状态开关状态1 1:T:T1 1关断，关断， Cr充电充电q开关状态开关状态2 2:D:D0 0，D D2 2续流续流q开关状态开关状态3 3:T:T2 2关断，关断，Cr、Lr谐振谐振q开关状态开关状态4 4:T:T1 1零电压开通零电压开通q开关状态开关状态5 5:T:T2 2零电压开通零电压开通图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS PWMBuck DC/DC ZVS PWM变换器电路图变换器电路图8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态1 1：t t0 0tttt1 1ttotto时时T T1 1、T T2 2通态，通态，D D0 0截止；截止；t=tt=t0 0时关断时关断T T1 1，i iT1T1下降，下降，V VT1T1从从0 0上升，因上升，因CrCr，T T1 1软关断；软关断；t tt t1 1时时V VT1T1上升到上升到V VD D，D D0 0正偏导电，正偏导电，T1关断过程结束。关断过程结束。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态2 2：t t1 1tttt2 2T T1 1断态，断态，V VcrcrV VT1T1V VD D。i iL L经经D D2 2、T T2 2续续流，流，IoIo经经D D0 0续流。续流。T Toffoff=t=t2 2-t-t1 1可控，可控，用以调控输出电压。用以调控输出电压。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态3：t2tt3t=t2时，关断时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半谐振半个周期到个周期到t3， t=t3时时 VcrVT1VD，iL达到负最大值。达到负最大值。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态4：t3tt8如如IoZrVD, 则当则当VT10时时, iT1仍为负值。此后仍为负值。此后负值负值iL经经D1向向VD回送电流，直到回送电流，直到t=t6。在在t4t6期期间，间，VT10。若在。若在t5驱动驱动T1，则为零电压开通。，则为零电压开通。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态4（续）：续）：t3tt8tt6时，时，iL0， VcrVT10，T2早已关断，早已关断，此后此后VD经经T1、Lr建立建立iT1。t=t8时，时，iT1Io，D0截止，完成截止，完成T1开通过程。开通过程。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态5：t8tt10tt9时，开通时，开通T2，此时，此时iL=I0不变不变T1已是通态，已是通态， vLvT20，T2是零电压开通。是零电压开通。t=t10时，关断时，关断T1（相当于（相当于t0时软关断时软关断T1）完）完成一个开关周期成一个开关周期Ts。8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q在在fs1/Ts固定时，控制固定时，控制T2的的关断时刻关断时刻t2，即可改变，即可改变Toff，从而改变占空比，调控输出从而改变占空比，调控输出电压。电压。q零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器，可）变换器，可实现主开关实现主开关T1和辅助开关和辅助开关T2零电压开通和软关断。零电压开通和软关断。qT1零电压开通条件：零电压开通条件：(8-11)q最小负载电流需满足：最小负载电流需满足：qVT1、vcr最高电压：最高电压：(8-13)q开通期尽量缩短取：开通期尽量缩短取：q由（由（8-11）和（）和（8-13）可确定可确定Lr、Cr：8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理变换器工作原理图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图q工作原理工作原理qT T1 1通态时通态时D D0 0截止，截止，v vT1T1v vcrcr0 0，切除，切除+V+VG G，T T1 1关断关断i iT1T1从从Io0Io0，并联电容，并联电容C Cr r使使v vT Tv vcrcr从从0 0逐渐上升，逐渐上升，T T1 1软关断。软关断。qv vT Tv vcrcrVVD D后后D D0 0导通，导通，L Lr r、C Cr r立即谐立即谐振，振，所以电路所以电路8.58.5无开关状态无开关状态2 2。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS PFMZVS PFM变换器变换器图图8.48.4（a a）中，）中，T T2 2导通使导通使i iL L经经D D2 2、T T2 2续续流，不能形成流，不能形成L Lr r、C Cr r谐振回路，直到在谐振回路，直到在t tt t2 2时刻关断时刻关断T T2 2时，才能形成谐振。时，才能形成谐振。q主电路组成主电路组成8.3.2 零电压开通脉冲频率调制零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理变换器工作原理q无无T T2 2：不能控制不能控制L Lr r、C Cr r谐振起始谐振起始时刻开关状态时刻开关状态2 2，无，无T Toffoff时区时区2 2。q缺点：只有调频缺点：只有调频f fs s，才能调压。才能调压。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS PFMZVS PFM变换器变换器图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图8.3.2 零电压开通脉冲频率调制零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理变换器工作原理8.3.2 零电压开通脉冲频率调制零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理变换器工作原理q本节小结：本节小结：qZVS PWMZVS PWM：有辅助开关管有辅助开关管T T2 2及及L Lr r、C Cr r，可实现主开关可实现主开关T T1 1及辅助开关及辅助开关T T2 2零电压开通及软关断，可采用零电压开通及软关断，可采用PWMPWM调压；调压；qZVS PFMZVS PFM：无辅助开关无辅助开关T T2 2，仅有，仅有L Lr r、C Cr r，靠主开关关断引起靠主开关关断引起L Lr r、C Cr r谐振造成主开关管的零电压开通，只能谐振造成主开关管的零电压开通，只能PFMPFM调压。调压。图图 8.5 8.5 零电压开通零电压开通ZVS ZVS PFM PFM变换器变换器图图 8.4 8.4（a a）Buck DC/DC ZVS Buck DC/DC ZVS PWM PWM变换器电路图变换器电路图8.3.2 零电压开通脉冲频率调制零电压开通脉冲频率调制(ZVSPFM)变换器工作原理变换器工作原理共同点：共同点：q实现零电压开通的条件都是：实现零电压开通的条件都是：q主开关管及电容最高电压都是：主开关管及电容最高电压都是：8.4 谐振开关型零电流关断谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器变换器8.4.1 8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制（零电流关断脉冲宽度调制（ZCSPWMZCSPWM）变换变换器工作原理器工作原理8.4.2 8.4.2 零电流关断脉冲频率调制（零电流关断脉冲频率调制（ZCSPFMZCSPFM）变换变换器工作原理器工作原理8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q 5种开关状态种开关状态q开关状态开关状态1：电感充磁：电感充磁q开关状态开关状态2：谐振阶段：谐振阶段q开关状态开关状态3：VD向负载供电向负载供电q开关状态开关状态4：谐振阶段：谐振阶段q开关状态开关状态5：T1断态，断态，Do续流续流q主电路组成主电路组成图图 8.6 ( 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器变换器 q开关状态开关状态1 1：t t0 0tttt1 1t t0 0时加时加V VG1G1，T T1 1软开通软开通( (因为有因为有Lr)Lr)，i iT1T1 i iD0D0，t tt t1 1时时D D0 0截止。截止。8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态2 2：t t1 1tttt2 2V VD D、T T1 1、L Lr r、D D2 2、C Cr r谐振半周至谐振半周至t t2 2，i iT1T1=i=iL L=Io=Io，i icrcr0 0，v vcrcr2V2VD D8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态3：t2tt3T T2 2处于断态，处于断态，C Cr r不能放电，电源不能放电，电源V VD D经经T T1 1对负载放电。对负载放电。8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态4：t3tIIo o则则i iL L变负经变负经D D1 1返回电源，返回电源，T T1 1断流断流。在在t t4 4-t-t6 6期间撤除期间撤除V VG1G1使使T T1 1零电流关断。零电流关断。8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理变换器工作原理q开关状态开关状态5：t8t00，V VD D输出功率输出输出功率输出电压电压V Vo o，而此时间只与，而此时间只与L Lr r、C Cr r有关而不能被调控，故只有调有关而不能被调控，故只有调频频f fs s才能调压。才能调压。图图 8.7 8.7 零电流关断零电流关断PWMPWM变换器变换器图图 8.6 ( 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器变换器 8.4 小结小结q本节小结：本节小结：qZCS PWMZCS PWM：有辅助开关管有辅助开关管T T2 2，可采用，可采用PWMPWM调压。调压。qZCS PFMZCS PFM：无辅助开关无辅助开关T T2 2，靠主开关开通引起，靠主开关开通引起LrLr、CrCr谐振造成谐振造成主开关管的零电流关断条件，只能主开关管的零电流关断条件，只能PFMPFM调压。调压。q实现零电流关断的条件都是：实现零电流关断的条件都是：图图 8.7 8.7 零电流关断零电流关断PWMPWM变换器变换器图图 8.6 ( 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器变换器 8.5 直流环节并联谐振型逆变器直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI8.5.1 8.5.1 工作原理工作原理8.5.2 8.5.2 参数计算参数计算8.5.3 8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器直流环节并联谐振型逆变器PRDCLIPRDCLI的控制策略的控制策略8.5.1 工作原理工作原理q开通、关断开通、关断T0、Ta、Tb形成形成LC谐振，使谐振，使vPN降为零，实现降为零，实现T1-T6的零电压开通和零电压、零电流关断。的零电压开通和零电压、零电流关断。q谐振电感谐振电感L不参加主开关电路的能量转换，仅在主开关开不参加主开关电路的能量转换，仅在主开关开关状态转换时谐振工作。该变换器又被称为零电压转换关状态转换时谐振工作。该变换器又被称为零电压转换ZVT和零电流转换和零电流转换ZCT谐振变换器。谐振变换器。8.5.1 工作原理（续工作原理（续1）q为简化分析，可假设：为简化分析，可假设：q谐振电感谐振电感L L远小于负载电感，在一个谐振周期中，从直远小于负载电感，在一个谐振周期中，从直流母线侧来看负载电流为恒流源流母线侧来看负载电流为恒流源I I0 0。 q主开关管两端并联电容在直流母线上等效为一个电容主开关管两端并联电容在直流母线上等效为一个电容C C。q一个完整的谐振开关过程中有一个完整的谐振开关过程中有6 6个工作状态。个工作状态。8.5.1 工作原理（续工作原理（续2）q开关状态开关状态1：t0tt1T To o通态，通态，T Ta a、T Tb b断开断开，谐振电路不工谐振电路不工作，作，V VD D通过通过T To o对逆变器供电，对逆变器供电，v vC C=V=VD D8.5.1 工作原理（续工作原理（续3）q开关状态开关状态2：t1tt2t t1 1时时T Ta a、T Tb b被施加驱动信号而软开通被施加驱动信号而软开通（有（有L L），），i iL L从从0I0IT T。t t2 2时关断时关断T T0 0，由，由于于v vC CV VD D，T T0 0零电压关断。零电压关断。8.5.1 工作原理（续工作原理（续4）q开关状态开关状态3：t2t0Vc0时，时，i iL L继续增大，直到继续增大，直到t=tt=t3 3 v vc c=0=0时，时，i iL L达到达到I IM M8.5.1 工作原理（续工作原理（续5）q开关状态开关状态4：t3tt4t t3 3时刻后时刻后v vc c0 0，I Io o经经D D续流。续流。i iL L经经T Ta a、D Da a、T Tb b 、D Db b续流，到续流，到t t4 4时关断时关断T Ta a、T Tb b；在在t t3 3-t-t4 4期间改变期间改变T T1 1-T-T6 6开关状态可实现开关状态可实现零电压关断、开通。零电压关断、开通。8.5.1 工作原理（续工作原理（续6）q开关状态开关状态5：t4tt5T T4 4时刻关断时刻关断T Ta a、T Tb b( (零电压关断零电压关断) )后，后，i iL L供电给电容供电给电容C C和负载供电流和负载供电流I Ioxox。为确为确保保t t5 5时刻时刻v vc c达到达到V VD D，i iL L则需满足：则需满足：8.5.1 工作原理（续工作原理（续7）q开关状态开关状态6：t5tIIoxox，i iL L产生产生i is s经经D D0 0流回电源流回电源V VD D，在此期间的，在此期间的t t6 6加加V VG0G0可使可使T T0 0零电压零电压开通。开通。t t8 8时刻时刻I IL L减小到零，减小到零，D Da a、D Db b截止，截止，负载负载IoxIox完全由完全由T T0 0供给。供给。q需在线计算：需在线计算：q电感预充电流终值电感预充电流终值I IT T q换相后的直流负载电流换相后的直流负载电流I IoxoxqI IT T需足够大以确保在需足够大以确保在C C充电充电后电压升到后电压升到V VD D的的t t5 5时刻时刻i iL L=I=I5 5IIoxox，使，使D D0 0导通实现导通实现T T0 0零电压开通，由此推出：零电压开通，由此推出：8.5.2 在线计算在线计算8.5.2 在线计算（续在线计算（续1）q谐振周期很短，直流负载电流谐振周期很短，直流负载电流I Ioxox可预测为可预测为：逆变器开关状态组合逆变器开关状态组合处于通态的开关器件处于通态的开关器件逆变器输入电流逆变器输入电流IOX1 (Sa Sb Sc)=(000)T6 T4 T2io=ia+ib+ic=02 (Sa Sb Sc)=(100)T6 T1 T2io=ia3 (Sa Sb Sc)=(110) T1 T2 T3io=ia+ib=-ic4 (Sa Sb Sc)=(010)T2 T3 T4io=ib5 (Sa Sb Sc)=(011)T3 T4 T5io=ib+ic=-ia6 (Sa Sb Sc)=(001)T4 T5 T6io=ic7 (Sa Sb Sc)=(101)T5 T6 T1io=ia+ic=-ib8 (Sa Sb Sc)=(111)T5 T3 T1io=ia+ib+ic=08.5.2 在线计算（续在线计算（续2）q主开关器件的控制与主开关器件的控制与T To o、T Ta a、T Tb b开通关断时间配合：开通关断时间配合：q若若T T1 1- -T T6 6需在需在t t3 3点换相，则应提点换相，则应提前前tt1 1+t+t2 2 , ,即即t t1 1时刻开通时刻开通TaTa、TbTb，在，在t t2 2时刻关断时刻关断T T0 0，使，使t=tt=t3 3时时v vc c0 0，使，使T T1 1- -T T6 6零电压开关。零电压开关。qtt1 1及及tt1 1+t+t2 2计算：计算：8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI的控制策略的控制策略q两个控制电路：两个控制电路：PWMPWM逆变控器制电路和谐振电路的控制逆变控器制电路和谐振电路的控制电路。电路。qPWMPWM逆变控制器电路与常规的逆变控制器电路与常规的PWMPWM控制电路类似。同时需控制电路类似。同时需附加一个时序控制电路，做好谐振电路与附加一个时序控制电路，做好谐振电路与T To o、T Ta a、T Tb b 与与主开关主开关T T1 1-T-T6 6的开通关断时间配合。的开通关断时间配合。小结小结q零开关、软开关是电力电子变换高频化最重要的技术措施。零开关、软开关是电力电子变换高频化最重要的技术措施。q引入引入L Lr r、C Cr r和辅助开关管和辅助开关管T T2 2，对对T T2 2进行通断控制可以实现零电压进行通断控制可以实现零电压开通开通ZVS PWMZVS PWM，零电流关断零电流关断ZCS PWMZCS PWM以及零电压转换以及零电压转换ZVT PWMZVT PWM和零和零电流转换电流转换ZCS PWMZCS PWM控制。控制。qZVSZVS和和ZCSZCS变换器中变换器中L Lr r串联在主电路中，串联在主电路中，ZVS PWMZVS PWM变换器谐振电压变换器谐振电压峰值超过峰值超过2 2倍电源电压，倍电源电压，ZCS PWMZCS PWM变换器谐振电流超过两倍负载电变换器谐振电流超过两倍负载电流。流。qZCT PWMZCT PWM、ZVT PWMZVT PWM变换器中变换器中L Lr r与变换器主开关并联，与变换器主开关并联， L Lr r不在变不在变换器主通道上，开关器件所承受电压不超过换器主通道上，开关器件所承受电压不超过V VD D。q仅引入仅引入L Lr r、C Cr r靠主开关的开通或关断引发谐振来实现零电流关断靠主开关的开通或关断引发谐振来实现零电流关断或零电压开通，只能采用脉冲频率调制或零电压开通，只能采用脉冲频率调制PFMPFM调控输出电压。该变调控输出电压。该变换器又被称为准谐振变换器，如零电压开通准谐振换器又被称为准谐振变换器，如零电压开通准谐振ZVS QRCZVS QRC和零和零电流关断准谐振电流关断准谐振ZCS QRCZCS QRC变换器。变换器。小结（续）小结（续）