DCAC变换器的无源无损软开关设计

学 号 1109141042毕 业 设 计课 题 DC/AC 变换器的无源无损软开关设计 学生姓名 田 焱 烽 院 部 电 气 工 程 学 院 专业班级 11 电 气 工 程 及 其 自 动 化 指导教师 谢东 二 一 五 年 六 月铜陵学院毕业论文（设计）目 录第一章 绪 论 .11.1 软开关技术 .11.2 软开关技术的发展过程 .21.3 本论文主要研究工作 .2第二章 无源无损软开关电路设计 .32.1 无损缓冲电路的设计 .32.2 无源无损软开关电路的设计 .32.3 无源无损软开关电路的构成 .82.4 零电流开关 .82.4.1 缓冲电感的放置 .82.4.2 缓冲电感的能量回复 .82.5 零电压开关 .92.5.1 缓冲电容的放置 .92.5.2 缓冲电容的能量回复 .102.6 无源无损软开关设计 .102.7 本章小结 .11第三章 DC/AC 变换器的无源无损软开关设计 .123.1 基于 DC/AC 变换器无源无损软开关电路的设计步骤 .123.1.1 DC/AC 开关管的零电流电感 ZCL .123.1.2 DC/AC 开关管的零电压电容 ZVC .133.1.3 逆变器无源无损软开关综合设计 .143.2 DC/AC 软开关逆变器的工作过程 .153.3 逆变器无源无损软开关参数的选择与设计 .163.4 Half Bridge 逆变器软开关电路的设计及实验 .183.5 本章小结 .19第四章 结论 .20参考文献 .21致谢 .22田焱烽：DC/AC 变换器的无源无损软开关设计插图清单图 1-1 开关管的硬开通与关断过程 1图 1-2 软开关的开通和关断过程 2图 2-1 型半桥逆变器缓冲电路 4图 2-2 型电路的三种工作模式 5图 2-3 型逆变器缓冲电路 6图 2-4 型电路的三种工作方式 7图 2-5 boost 变换器中缓冲电感的位置 8图 2-6 电 感 型 VSD 电路 9图 2-7 缓冲电容在电路中的放置位置 10图 2-8 Boost 变换器中 Cr 能量恢复电路 10图 3-1 Half Bridge 和 Full Bridge 电路的基本软开关拓扑结构 12图 3-2 全桥电路的 ZCL 回路 13图 3-3 Full Bridge 电路的零电流电感 ZCL 共用回路 13图 3-4 每个开关管零电压电容支路的位置 14图 3-5 逆变器的基本软开关单元 15图 3-6 Half Bridge 逆变器的无源无损软开关拓扑结构 15图 3-7 Half Bridge 逆变器的无源无损软开关 16图 3-8 Half Bridge 逆变器的无源无损软开关电路 18图 3-9 IR2104 内部结构图 19铜陵学院毕业论文（设计）DC/AC 变换器的无源无损软开关设计摘 要由 于 科 学 技 术 的 进 步 ,传 统 的 DC/AC 转 换 器 逐 渐 淡 出 了 我 们 的 视 线 ， 取 而 代 之 的是 半 导 体 变 流 技 术 ， 用 该 技 术 制 成 的 DC/AC 变 换 装 置 称 为 静 止 变 流 器 。由 于 传 统 的 变 换 装 置 体 积 较 大 并 且 质 量 比 较 重 ， 已 经 满 足 不 了 其 在 各 种 场 合 下 的需 要 ， 人 们 开 始 考 虑 如 何 来 有 效 减 小 变 换 装 置 的 重 量 和 大 小 变 器 并 提 高 其 你 变 效 率 。一 种 有 效 的 方 案 就 是 提 高 其 电 子 器 件 的 动 作 频 率 。 但 是 提 高 器 件 的 开 关 频 率 ， 又 会 给系 统 带 诸 如 电 磁 干 扰 、 开 关 损 耗 等 不 利 影 响 。 要 想 减 小 开 关 管 的 电 磁 干 扰 和 开 关 损 耗 ，可 以 通 过 限 制 过 高 的 电 流 上 升 率 和 电 压 上 升 率 来 实 现 。 本 文 简 述 了 软 开 关 技 术 的 现 状 以 及 其 发 展 历 程 。 从 基 本 概 念 着 手 ， 来 论 述 软 开 关拓 扑 结 构 是 如 何 形 成 的 ， 分 析 无 源 无 损 软 开 关 线 路 和 有 源 无 损 软 开 关 线 路 的 工 作 过 程 。并 将 该 技 术 用 于 DC/AC 变 换 器 。 理 论 分 析 和 仿 真 实 验 的 结 果 都 充 分 说 明 了 软 开 关 技术 是 可 以 减 少 逆 变 器 开 关 损 耗 以 及 电 磁 干 扰 的 ， 从 而 提 高 了 逆 变 器 的 逆 变 效 率 。关键词：软 开 关 DC/AC 变 换 器 无 源 无 损 电 磁 干 扰田焱烽：DC/AC 变换器的无源无损软开关设计Passive lossless soft switching DC/AC converter designAbstractDue to the progress of science and technology, the traditional DC / AC converter gradually fade out of our sight, instead is semiconductor variable flow technology, made with the technology of DC / AC converter called static inverter.Due to the traditional transform device volume larger and quality is heavier, has been unable to meet the in various occasions need, people began to consider how to effectively reduce the weight and size of the converter transformer and improve your efficiency. An effective scheme is to improve the operating frequency of its electronic device. However, the switching frequency of the device can also give the system such as electromagnetic interference, switch loss etc.In order to reduce the electromagnetic interference and switch loss of the switch tube, the high current can be achieved by limiting the high current rise rate and the voltage rise rate.This paper briefly describes the status quo of soft switching technology and its development course. From the basic concept, it is discussed how soft switching topology is formed, and the working process of passive lossless soft switching line and active lossless soft switching line is analyzed. And the technology for DC/AC converter. The results of theoretical analysis and simulation experiment indicate that the soft switching technology can reduce the inverter switch loss and electromagnetic interference, so as to improve inverter efficiency of inverterKeywords: soft shut DC/AC converter passive lossless electromagnetic interference铜陵学院毕业论文（设计）- 1 -第一章 绪 论1.1 软开关技术如 图 1-1（ a） 所 示 ， 硬 开 关 条 件 下 ， 关 闭 开 关 管 ， 电 流 波 形 与 电 压 会 在 时 间 轴 上会 产 生 一 个 交 叉 区 域 ， 这 个 交 叉 区 域 就 是 我 们 常 说 的 关 断 损 耗 。 同 理 ， 在 开 关 管 开 通时 ， 也 会 产 生 了 与 此 类 似 的 一 个 交 叉 区 域 ， 这 个 交 叉 区 域 就 是 我 们 常 说 的 开 通 损 耗 。开 通 损 耗 和 关 断 损 耗 合 称 为 开 关 损 耗 。UitPt( a ) 硬开关开通过程UitPt( b ) 硬开关关断过程图1-1 开关管的硬开通与关断过程由 于 解 决 硬 开 关 技 术 存 在 着 开 关 噪 声 大 、 有 明 显 的 过 冲 和 振 荡 会 影 响 其 他 电 子 器件 的 正 常 运 行 以 及 开 关 损 耗 会 随 着 工 作 频 率 的 升 高 而 增 大 等 缺 点 。 所 以 有 必 要 改 进 传统 的 开 关 管 开 管 关 技 术 。 软 开 关 技 术 就 是 在 这 种 情 况 下 提 出 的 。软 开 关 技 术 的 设 计 思 想 主 要 有 以 下 两 种 ：（ 1） 、 零 电 压 开 关 ZVS(zero voltage switch)；这 种 开 关 方 式 是 指 在 开 通 前 开 关 管 上 的 电 压 为 0， 这 样 就 可 以 避 免 开 通 损 耗 和 电磁 噪 声 的 产 生 了 。（ 2） 、 零 电 流 关 断 ZCS(zero voltage switch)。零 电 流 关 断 ， 即 开 关 管 关 断 前 流 经 开 关 管 得 电 流 为 0。软 开 关 电 路 开 通 、 关 断 过 程 的 电 流 和 电 压 波 形 如 图 1-2 所 示 。 Uitt( a ) 软开关开通过程UitPt( b ) 软开关关断过程图1-2 软开关的开通和关断过程田焱烽：DC/AC 变换器的无源无损软开关设计- 2 -1.2 软开关技术的发展过程缓 冲 电 路 的 作 用 是 通 过 在 电 路 中 嵌 入 电 容 和 电 感 来 延 缓 开 关 管 的 开 关 过 程 。 加入 电 感 的 作 用 是 抑 制 过 快 的 di/dt， 加 入 电 容 的 作 用 是 抑 制 过 快 早 期 的 缓 冲 电 路 主 要使 用 来 解 决 开 关 过 程 中 由 于 电 流 电 压 应 力 的 减 小 而 导 致 的 电 路 中 的 储 能 元 件 中 存 储 的能 量 过 大 以 至 于 不 能 在 下 一 个 开 关 周 期 被 消 耗 的 问 题 。 随 着 电 力 电 子 技 术 的 房 展 ， 谐振 变 换 技 术 出 现 了 ， 这 种 技 术 是 通 过 增 大 储 能 元 件 中 存 储 的 电 磁 能 量 ， 从 而 使 得 电 路器 件 产 生 谐 振 。 对 谐 振 变 换 技 术 进 行 更 精 准 的 控 制 ， 使 得 谐 振 在 一 个 工 作 周 期 内 进 行 ，这 就 是 准 谐 振 的 软 开 关 技 术 。1.3 本论文主要研究工作在查阅了有关软开关技术方面的书籍与资料后，进行了下面的研究。本论文首先介绍了软开关技术的产生，其次讲解了无缘无损开关的组成。在此基础上进一步介绍其制定实验步骤，明确需要的参数。最终搭建半桥逆变器平台，并将无缘无损软开关附加到其中。根据实验的结果，证明了无源无损软开关确实能够很好的解决硬开关条件下所产生的负面影响。铜陵学院毕业论文（设计）- 3 -第二章 无源无损软开关电路设计根据前面章节的介绍，我们对软开关设计有了初步的认识，我们需要在电路中加入电容和电感来实现开关管的软开通。但是具体的电容电感是如何选择的以及如何放置，我们会在接下来的章节中一一探究。2.1 无损缓冲电路的设计缓 冲 电 路 一 般 来 说 是 用 于 保 护 电 路 的 线 路 。 在 软 开 关 电 路 中 ， 缓 冲 电 路 的 作 用 主要 有 两 个 ： 一 、 防 止 过 电 压 的 产 生 并 降 低 开 关 损 耗 ； 二 、 防 止 开 关 管 被 击 穿 。 早 期 的缓 冲 电 路 是 将 开 关 损 耗 转 移 到 电 阻 上 进 行 消 耗 的 。 早 期 的 RCD（ 符 号 R 表 示 电 阻 ，符 号 C 表 示 电 容 ， 符 号 D 表 示 二 极 管 ） 缓 冲 电 路 是 通 过 将 开 关 管 的 开 通 损 耗 和 关 断 损耗 转 移 至 电 阻 上 来 进 行 消 耗 掉 ， 但 是 这 依 然 不 能 完 全 消 除 开 关 损 耗 。 无 损 缓 冲 电 路 能够 减 小 电 路 的 损 耗 ， 从 而 提 高 电 路 性 能 。 2.2 无源无损软开关电路的设计提到无源无损软开关电路，不得不说下有缘无损电路。同样的有源无损缓冲电路也是可以降低开关损耗的。但是相比无源无损电路来说，其结构太过复杂，不易控制。所以一般选用无源无损缓冲电路对电路进行保护。在逆变器电路中加入无源器件，构成无源无损软开关电路，它能够实现减少电路损耗，降低电磁干扰噪声并减小电流电压应力。并且这种电路设计起来比较简单，无需很多辅助电路，可靠性较好。本 节 主 要 介 绍 两 种 无 源 无 损 缓 冲 电 路 ： 型 和 型 。 其 中 的 符 号 C 表 示 电 容 ，符 号