《新能源汽车电力电子技术》教案第16课了解软开关技术.docx

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1、课题了解软开关技术课时2课时(90min)教学目标知识目标：了解软开关技术。技能目标：能正确测试零电流开关准谐振电路。素质目标：（1）树立民族自尊1、自豪感和文化自信.（2）养成专注细致的工匠精神，树立职业理想。教学重难点教学重点：软开关的工作原理，典型软开关电路的构成和工作原理教学难点：典型软开关电路的构成和工作原理教学方法讲授法、问答法、讨论法、实践教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因任务导入【教师】提出问题，随机邀请学生回答你听说过软开关吗？了解什么是软开关和软开关的应用场合吗？【学生】聆听、思

2、考、回答【教师】总结学生回答，讲述“任务导入”的相关内容现代电力电子技术的进步对电力电子装置的性能提出了更高的要求，电力电子装置将会朝着小型化、轻星化的方向发展,并且要求有更高的效率和良好的电磁兼容性，而实现上述目标的有效途径就是提高电路的工作频率.传统的开关器件工作在硬开关状态，在提高开关频率的同时也增加了开关损耗和电磁干扰。而软开关应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，在电流自然过零时使器件关断（或电压为零时，使器件开通），有效地减少了开关损耗，同时还能解决由硬开通引起的电磁干扰问题。软开关技术的发展和应用使电力电子装置的高效率、高可靠性、高频化和小型轻量化成

3、为可能。【学生】聆听、理解、记忆传授新知【教师】讲解新知6.3.1软开关的工作原理1.硬开关与软开关根据开关器件工作状态的不同，可将其分为硬开关和软开关两种。I）硬开关的开关过程【教师】展示“硬开关的工作波形”图片（详见教材），讲解新知硬开关是指开关器件在开通和关断过程中，流过器件的电流和器件两端的电压同时发生变化.在硬开关的开关过程中，会出现电压与电流重叠的情况，导致开关损耗的产生。同时，由于电压、电流的变化剧烈，因此在硬开关的工作波形上出现明显的过冲，导致开关噪声的产生。【教师】讲述“点拨”的相关内容开关损耗会随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；而开关噪声会给电路带来严重的电磁干扰，

4、影响周边电子设备的工作。【学生】聆听、思考、理解、记忆2）软开关的开关过程软开关是指开关器件在开通和关断过程中，电压或电流中的一个量先保持为零，直到另一个量变化到正常值后，这个量才开始变化直至开通或关断过程结束。软开关在硬开关的基础上增加了小电感、电容等谐振器件，构成辅助电路，在开关过程前后引入谐振过程，使开关在开通前电压先下降为零，关断前电流先下降为零，从而避免了电压、电流重叠的现象，使开关条件得以改善，大大降低了硬开关所存在的开关损耗和开关噪声，提高了电路的效率。【教师】展示“软开关的工作波形”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答比较软开关和硬开关的工作波形，说出两者的区别。【学生

5、】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答2.零电压开关和零电流开关若在开关开通前令其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通；若在开关关断前令其电流为零，则关断时不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断。在实际应用中，一般无须具体区分开关的开通或关断过程，因此直接将它们称为零电压开关和零电流开关。由于零电压开通和零电流关断都是靠电路中的辅助请振电路来实现的，因此零电压开关和零电流开关也称谐振软开关。【教师】讲述“知识链接一零电压关断和零电流开通”的相关内容除了上述方法外，还有两种利用零电压、零电流条件减小开关损耗和开关噪声的方法。一种是利用与开关器件并联的

6、电容来延缓开关关断后电压上升的速率,从而解氐关断损耗。另一种是利用与开关器件串联的电感来延缓开关开通后电流上升的速率，从而降低开通损耗。这两种方法都不是通过谐振实现的，而是简单地利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通，因此会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，并不实用。【学生】聆听、思考、理解、记忆6.3.2软开关电路概述1 .基本开关单元【教师】展示“基本开关单元及其应用电路”图片（详见教材），讲解新知随着软开关技术的发展和完善，各种类型的软开关电路也随之诞生。每一种软开关电路都可用于降压型、升压型等不同类型的变换电路，这些软开关的具体电路都是由基本开关电路演变而

7、来的。2 .软开关电路的分类根据开关器件开通和关断时电压、电流的状态，软开关电路可分为零电压电路和零电流电路两大类。而根据软开关技术发展的历程,软开关电路可分为准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路三类。I）准谐振电路准谐振电路其电压或电流的波形为正弦半波，可分为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和用于逆变器的谐振直旃节电路。【教师】展示准谐振电路的三种基本开关单元”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答三种基本开关单元的共同点有哪些?不同点有哪些?【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答虽然谐振过程的加入使开关损耗和开关噪声大大E第氐，但

8、谐振过程会使谐振电压峰值增大，造成开关器件耐压要求提高,谐振电流的有效值增大，电路中存在大量无功功率的交换，导致电路损耗增加。此外，由于谐振周期会随输入电压、负载的变化而改变，因此电路不能采取定频调宽的PWM控制，而只得采用PFM方式来控制，这会给电路的设计增加难度。2 ）零开关PWM电路零开关PWM电路通过引入辅助开关S1来控制谐振过程的开始时刻，使洛振仅发生在开关过程前后，从而实现主开关的零电压开通或零电流关断。这种方式使开关器件上电压和电流的波形基本为方波，仅上升沿和下降沿变缓，没有过冲，开关器件不需要承受过大的电压，电路可采用固定频率的PWM控制方式。零开关PWM电路可分为零电压开关P

9、WM电路和零电流开关PWM电路。【教师】展示“零开关PWM电路的基本开关单元”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答零开关PWM电路与准谐振电路相比，区别周十么？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述“点拨”的相关内容零开关PWM电路中的谐振电路由于在工作中有负载电流通过,因此受到负载影响,不易在很宽的输入电压范围内实现软开关功能。【学生】聆听、思考、理解、记忆3 ）零转换PWM电路零转换PWM电路与零开关PWM电路的工作原理类似,都是通过引入辅助开关来控制谐振过程的开始时刻的。但零转换PWM电路中的谐振电路与主开关是并联的因此输入电压和输入电流对电路谐振过程的影响很小

10、，电路在很宽的输入电压范围内不受负载影响，均能工作在软开关状态。而且电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路的效率进一步提高。零转换PWM电路可分为零电压转换PWM电路和零电流转换PWM电路。【教师】展示“零转换PWM电路的基本开关单元”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答零转换PWM电路与零开关PWM电路相比，发生了哪些变化?【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，提出问题，随机邀请学生回答总结三种电路的优缺点。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答4 .3.3典型的软开关电路1.零电压开关准谐振电路【教师】展示“零电压开关准谐振电路及其工作波形”图片（详见教材

11、），讲解新知零电压开关准谐振电路的工作原理如下。（1）t0H区间：在加时刻前，S为通态，VD为断态，此时UCr=0,iL=lLr；在to时刻，S关断，与S并联的Cr减缓了电压的上升，因此减小了S的关断损耗，此时VD还未开通，L和L释放能量为Cr充电，UC1逐渐增大，UVD逐渐减小。（2）Ht2区间：在t时刻，UVD=OfVD开通，L通过VD续流，G、Lr和Ui构成谐振回路；在（2时刻，M下降至零，UC达到谐振峰值。【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考tot区间和t-t2区间的分析方法,分析余下区间的工作原理。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知(3)12匕区间：在t2

12、时刻之后,Cr放电，UCr逐渐减小，L储存能量；在13时刻，心达到反向谐振峰值。(4)-(6)详见教材。【教师】讲述“点拨”的相关内容在零电压开关准谐振电路中，谐振电压的峰值将高于输入电压的两倍，这提高了电路对开关器件耐压等级的要求。【学生】聆听、思考、理解、记忆2.谐振直流环电路谐振直流环电路常应用于交-直-交变频电路的中间环节，使交-直-交变频电路的整流和逆变环节工作在软开关状态。【教师】展示“谐振直流环电路及其工作波形”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答参考零电压开关准谐振电路的工作原理分析方法，分析谐振直流环电路的工作原理。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，总结谐

13、振直流环电路的工作原理谐振直流环电路的工作原理如下：(1)SU区间：在to时刻前，S为通态，VD为断态，此时山Il；在to时刻，S关断，电路中发生谐振,Lr释放能量为G充电。(2)tl12区间：在tl时刻,UCr=Ui；tl时刻后，ILr继续为Ci充电；在(2时刻，2=Il,UCr达到谐振峰值。(3)-(4)详见教材。【学生】聆听、思考、理解、记忆知识准备【教师】展示“零电流开关准谐振电路”图片(详见教材)，讲解新知零电流开关准谐振电路的基本思想是将Q与L,串接，然后和G构成频电路。在Q开通前,iLr=0；当Q开通时，Lr限制Q的didt,iLr逐渐增大，从而实现Q的零电流开通；当Q关断时，L

14、和Cr发生谐振，ILr逐渐减小，从而实现Q的零电流关断。零电流开关准谐振电路实现了零电流状态下的开通和关断，减小了开关损耗。但零电流开关准谐振电路必须采用脉冲频率调制(pulsefrequencymodulation.PFM)方式，因此开关频率处于变化状态，这就难以对其所采用的高频变压器、输入滤波器和输出滤波器进行优化设计。【学生】聆听、思考、理解、记忆任务实训【教师】布置实训任务：测试零电流开关准谐振电路。将全班学生以35人为一组进行分组【学生】各组选出组长并进行任务分工，准备任务实施所需的工具和器材，并补全表6-9(详见教材)【教师】指导学生以小组为单位，按照以下活动步骤，完成“测试零电流

15、开关准谐振电路”实训任务【教师】展示BuckZCS软开关电路”图片(详见教材)，指导学生选取相应的器材,按照图片连接电路【学生】选取相应的器材,对照图片连接电路(1)先将电路选择开关拨向,BuckZCS电路”挡。用万用表测量1、2端输入电压，再测量4、5端输出电压；然后调节调压旋钮，测量电路输出电压的工作范围。(2)开启电源开关,通过调节调压旋钮,使输出电压分别为35V、45V、50V,然后用示波器测量PWM发生器(2、6端)输出的波形和谐振电容上的电压波形(2、3端)，观察并记录波形的变化情况.(3)通过调节调压旋钮，使输出电压分别为35V、45V、50V,然后用示波器测量PWM发生器(2、6端）输出的波形和谐振电感上的电流波形（2、7端），观察并记录波形的变化情况。（4）请按照时序绘制出输出电压分别为35V、45V、50V时电路的工作波形。【学生】分组、分工协作完成实训任务,各组展示任务完成情况，组长配合教师填写考核评价表（详见教材）【教师】巡回指导，根据学生的实际表现进行评价，填写考核评价表（详见教材）课堂小结【教师】简要总结本节课的要点一、软开关的工作原理1 ,硬开关与软开