（控制理论与控制工程专业论文）神经网络控制在软开关变换器中的应用研究.pdf

邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学控制理论与控制工程 研究方向：计算机检测控制技术 作者：朱玉婷 指导教师：周西峰副教授 题 目：神经网络控制在软开关变换器中的应用研究 英文题目：t h ea p p l i e dr e s e a r c h o fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o lf o rs o f t s w i t c hp o w e rc o n v e r t e r ，主题词：p i d 控制器；神经网络；单神经壳；d c d c 变换器； ： 一， ? ： k e y w o r d s ：p i dc o n v e r t e r ；n e u r a ln e t w o r k ；s i n g l en e u r o n ； ， ： j ：j 、： 二c o n v e r t e r j “ 。 、一一 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着信息社会的发展，用电设备对高质量电源的需求日益增多。软开关技术尤其是软 开关谐振变换器以其优越的性能已经成为电源研究中极其热门的研究方向并且得到了广 泛的应用。由于在许多场合中，对于输出电压的动态响应性能要求很高，这就要求软开关 功率变换器系统要具有较好的动态性能响应能力而且能够实时地适应系统的变化。由于在 系统中谐振元件的引入以及这些系统本身存在严重的非线性和时变不确定性等特点，使得 传统的p i d 控制很难达到系统输出的要求。 而神经网络源于对脑神经元的模拟，具有很强的适应复杂环境变化和多目标控制要求 的自学习能力，并有以任意精度逼近任意非线性连续函数的特征。因此本文构造神经网络 p i d 控制器来提高系统的输出精度和动态响应能力。 本文首先介绍了软开关功率变换器这种非线性、时变不确定性系统控制的研究现状， 并以d c d c 变换器作为代表来研究软开关功率变换器的控制技术。在简单阐述了几个用 于d c d c 变换器的控制器后，给出了神经网络p i d 控制器。首先，将这种控制器和常规 p i d 控制器做了仿真研究。仿真结果表明，神经网络p i d 控制器不但具有p i d 控制器的 优点而且还具有神经网络控制的自适应特点，能够对控制对象变化以及外来的扰动做出及 时调整，保证系统的顺利进行。然后，在论证了神经网络p i d 控制器优越性的基础上， 将神经网络p i d 控制器应用到d c d c 变换器中，并通过m a t l a b 软件建立了实验平台， 仿真分析得到软开关变换器的跟随性能、抗干扰性能都得到了改善，验证了该控制器的有 ， ：效性和合理性。 一一 一+ j ： ；i 关键词：p i d 控制器；神经网络；单神经元；d c d c 变换器； 一： 、 j ， a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t y , e l e c t r o - e q u i p m e n t sh a v em o r er e q u i r e m e n t s f o rh i g hq u a l i t yp o w e r s o f ts w i t c ht e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yw i t hi t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，s o f t s w i t c hr e s o n a n tc o n v e r t e rh a sb e c o m ea ne x t r e m e l y p o p u l a rr e s e a r c hd i r e c t i o n si np o w e r r e s e a r c ha n dh a sb e e nw i d e l yu s e d b e c a u s eo ft h eh i g hq u a l i t yd e m a n df o ro u t p u tv o l t a g e d y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c ei nm a n yo c c a s i o n s ，s o f ts w i t c hp o w e rc o n v e r t e rs y s t e mm u s t h a v eg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea b i l i t ya n dr e s p o n di n r e a lt i m ea d a p t t ot h es y s t e mc h a n g e s b e c a u s eo ft h er e s o n a n tc o m p o n e n t si nt h es y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e r i o u sn o n 1 i n e a r a n dt i m e v a r y i n gu n c e r t a i n t yo ft h e s es y s t e m st h e m s e l v e s ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o li sd i f f i c u l t t oa c h i e v et h es y s t e mo u t p u tr e q u i r e m e n t s f o rt h es i m u l a t i o no fn e u r o n s ，t h en e u r a ln e t w o r kh a st h ea b i l i t yt oa d a p tt ot h e h i g h l y c o m p l e xe n v i r o n m e n tc h a n g ea n ds e l f - l e a r n i n gt om u l t i - o b j e c t i v ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s a n di t h a sa nc h a r a c t e rt oa p p r o a c ha n yn o n l i n e a rc o n t i n u o u sf u n c t i o ni n a n ya r b i t r a r y p r e c i s i o n t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ec o n s t r u c t st h en e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e rt oi m p r o v es y s t e mo u t p u t a c c u r a c ya n dd y n a m i cr e s p o n s ec a p a b i l i t i e s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u so fs y s t e mc o n t r o l b ys o f ts w i t c h p o w e rc o n v e r t e rw i t hi t sn o n - - l i n e a r , t i m e - v a r y i n gu n c e r t a i nc h a r a c t e r a n ds t u d yt h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fs o f ts w i t c hp o w e rc o n v e r t e rb yd c | d cc o n v e r t e r 。a f t e ras i m p l ed e s c r i b eo fa f e wc o n t r o l l e rf o rd c d cc o n v e r t e r , w ep r o p o s en e u r a ln e t w o r kp i d c o n t r o l l e r f i r s t ，w ed oa s i m u l a t i o ns t u d yf o rt h i sc o n t r o l l e ra n dc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r s i m u l a t i o ns t r u c t u r e s h o w s ! t h en e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e rn o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so fp i dc o n t r o l l e r , b u t ，a l s oh a st h ea d a p t i v ec h a r a c t e ro ft h en e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 i tc a n m a k es u r et h es y s t e mg o e s = w e l lb yc h a n g i n gt i m e l yb yt h e d i f f e r e n c eo fc o n t r o l o b j e c t s ，a n do u t e re n v i r o n m e n t t h e n ，- d e m o n s t r a t i o nt h es u p e r i o r i t yo ft h en e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e ra n dt h en e u r a ln e t w o r kp i d 1 。 一c o n t r o l l e rb a s e d o nd c d cc o n v e r t e r s ，e s t a b l i s ha l l e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb ym a t l a b s o f t w a r e ，t h ed c d cc o n v e r t e r st of o l l o wp e r f o r m a n c e ，a n t i - ja m m i n gp e r f o r m a n c eh a v eb e e n ? i m p r o v e d ：a n di t sr e s u l tt e s t st h a tc o n t r o l l e rc a nm a k eb e r e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p i dc o n t r o l l e r ；n e u r a ln e t w o r k ；s i n g l en e u r o n ；d c d cc o n v e r t e r i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 电力电子控制技术1 1 3d c d c 变换器的控制技术研究现状3 l4 本文的研究内容5 第二章谐振软开关技术6 2 1 软开关技术的基本概念6 2 1 1 软开关的四种理想切换方式6 2 1 2 软开关与硬开关的对比7 2 2 准谐振功率变换器8 2 2 1 谐振变换器的分类8 2 2 2 谐振开关9 2 3 零电流开关准谐振b u c k 变换器工作原理1 1 2 3 1 工作原理i ：1 1 2 3 2 参数设计1 4 2 3 3 电压变换比1 6 2 3 4 仿真结果与分析一1 6 2 4 本章小结1 7 第三章单神经元自适应p i d 控制器1 9 3 1 单神经元自适应p i d 控制器结构原理2 0 3 1 1 单神经元模型：j - ：2 0 。 3 1 2 单神经元p id 控制器：，j ：；。：2 2 7 3 1 3 单神经元自适应p i d 控制器：2 3 3 2 单神经元自适应p i d 控制器的研究和仿真一j 一2 4 、 3 2 1 对阶跃信号的跟踪：j j 一；2 5 j j 3 2 2 对外部干扰的适应性一；一：- ：二2 6 3 2 ：3 对外部对象发生变化时的适应性：一：。：2 7 3 5 本章小结j ：；，一j j 一：i j ：2 9 第四章基于神经网络的p i d 控制器- 一。j ：一，j 一3 0 。4 1 b p 神经网络p i d 控制器结构原理：j 一3 0 ” - 一4 1 1 b p 神经网络；j 一一。3 0 ：j4 1 2b p 神经网络p i d 控制器：二一i i 。：j 3 4 | 4 2b p 神经网络p i d 控制器的研究和仿真一：j j ：3 6 4 2 1 对阶跃信号的跟踪：3 6 4 2 2 对外部干扰的适应性：一一：_ j 3 7 4 2 3 对外部对象发生变化时的适应性：3 8 4 3 本章小结3 9 第五章基于i a t l a b 的仿真分析4 1 5 1k l a t l a b 仿真软件介绍，j 4 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 5 2 软开关控制电路的构建4 2 5 3 基于m a t l a b 的软开关电路的仿真分析4 2 5 3 1b u c kz c so r c 变换器的开环控制4 3 5 3 2b u c kz c sq r c 变换器的p l d 控制4 4 5 3 3b u c kz c so r c 变换器的单神经元p i d 控制4 6 5 3 4b u c kz c so r c 变换器的基于b p 神经网络的p id 控制4 8 5 4 本章小结5 l 结束语5 2 致谢5 4 参考文献5 5 攻读硕士期间发表和录用的论文一5 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，随着计算机、通讯设备、精密电子医疗设备等电子设备的小型化，要求与之配 套的开关电源体积更小，重量更轻、效率更高。要实现开关电源的小型化，除了集成化和 采用新的封装技术外，更主要的应使功率变换器、滤波器小型化，这就要求提高开关频率， 从几百千赫到兆赫级。但高频化又会使开关损耗增大，寄生参数影响增大。因此，为了减 小开关损耗，必须实现开关管的软开关。 软开关技术的基础是由电感和电容及辅助开关器件组成的谐振电路来实现主功率器 件开通和关断时所需要的零电压或零电流，而谐振电路的加入使得整个电路变得复杂起 来，同时电力电子器件本身具有严重的非线性、时变不确定性，增加了电路控制的难度。 控制技术的研究是功率变换器发展的关键，传统的控制技术都是在系统等效的线性小信号 模型n 一1 的基础上进行频域的分析和设计。但是，这毕竟是一种近似的方法，对于那些复 杂系统，这种方法就显得束手无策了。随着现代控制理论的发展和实现方法的改进，在 d c d c 变换器控制方法的研究方面有了长足的进步，出现了许多新的d c d c 变换器控制方 法的控制方法。现在随着智能控制理论的发展，d c d c 变换器的控制方式又成了一个新的 研究课题。在这种情况下，人工神经网络技术以其非线性、自适应、鲁棒性和自学习等显 著优势获得了在软开关变换器上的重要应用。因此，本课题以基于神经网络控制下的软开 ， 关变换器为研究对象。一一 j：。 本文将提出的神经网络p i d 控制方法应用到d c d c 变换器中，并进行分析研究，从实 。 ： 验结果中说明神经网络p i d 控制方法控制良好。目前，在国内将控制理论应用于电力电子 学处于刚刚起步状态。研究的成果表明：电力电子学与控制理论紧密结合、相互渗透将是 一个极具生命力的发展方向。 f 。 j、： ： ， ”+ 一， o ： ，一： ? ： 1 2 电力电子控制技术 + ? 。? 。 电力电子技术是- - f l 利用电力器件对电能进行控制和转换的学科，它是由电力、电子、 控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科口1 。 1 9 5 6 年第一个晶闸管的问世标志着电力电子技术的诞生，从此电子技术相两个分支 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 发展。一支是以大规模集成电路为核心形成对信息进行处理的微电子技术；另一支是以晶 闸管为核心形成对大功率进行处理的电力电子技术，其发展的特点是晶闸管的派生器件越 来越多，功率越来越大，性能越来越好。8 0 年代以来，微电子技术与电力电子技术在各 自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的功率集成器件，从而使电力电子技 术由传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。新一代器件的问世使得电力电 子变换电路及其控制系统不断革新。各种各样的脉宽调制( p w m ) 电流、零电流零电压 开关谐振电路等已成为现代电力电子技术的重要组成部分“3 。 电力电子电路包含的范围很广，有a c d c 整流器、d c d c 变换器、a c d c 逆变器、 a c a c 变换器。本文主要以d c d c 变换器为代表概述电力电子电路的控制技术。 d c d cp w m 功率变换技术是一种硬开关技术。所谓硬开关是指功率开关管的开通或 关断是在器件上的电压或电流不为零时实现状态转换。p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 技术是指在开关变换过程中保持开关频率恒定但通过改变开关的接通时间的长短( 即脉冲 宽度) ，使得当负载变化时，负载上的电压输出变化不大的方法。这种电路结构简单、输 出波形良好，在较短的时间内发展很快。但在高频状态下运行有以下的缺点： ( 1 ) 在感性负载关断j 容性负载开通时，电力电子器件产生很大的瞬时功率。随着开 关频率的提高，开关损耗的平均值成正比例的增加。 ( 2 ) p w m 硬开关过程中瞬时峰值功率易造成二次击穿，并极大地危及器件的安全运 行。 、 ( 3 ) ，电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电 流，使得元件承受的开关应力增大、损坏几率也增大；同时会产生大的电磁干扰( e m i ) ， 是功率变换器噪声的主要来源；7 另外，开关两端产生的尖峰电压l d i l d t 以及功率器件流 过的浪涌电流c d u d t ，一般需要设置缓冲电路加以消除，这样可使动态开关轨迹缩小到 直流安全工作区内，把功率器件上的开关损耗转移到缓冲电路以减小器件的开关应力。但 是这种缓冲电路会消耗能量，频率越高，能耗越大，因而降低了变换器的整体效率璐1 。 提高开关频率是功率变换技术的重要发展方向之一。其原因是高频化可以使功率变换 i 器的体积。重量大为减小，从而提高变换器的功率密度。为了使功率变换器能够在高频下 高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自8 0 年代以来，不断研究开发高频软开 关技术。“软开关”指的是零电压开关( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，简称z v s ) 或零电流开关 ( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ，简称z c s ) 。它是应用谐振原理，使功率变换器的开关器件中电 流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断；或电压为零时， 使器件开通，实现开关损耗为零m 1 。 2 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 随着d c d c 软开关功率变换器应用的范围越来越广，对它的动静态指标要求越来越 高，一个主要的问题就是对这种软开关功率变换器采用合适的控制策略。由于这些系统表 现出严重的非线性和复杂的行为方式，有很强的不确定性，加之谐振元件的加入，使得这 些系统数学模型的建立变得非常困难，从而应用传统的线性控制不能取得理想的控制效 果。在电力电子技术中，数学模型的建立往往是将非线性和时变的模型转变成理想的或非 理想的开关模型h 8 1 ，或者使用描述函数，但是无论哪种方法，都会使系统的分析变得复 杂，而传统的线性控制策略，通常基于频域分析，有时候证明是无效的u , t 2 。 1 3d c ：o c 变换器的控制技术研究现状 随着现代控制技术的发展，很多新的控制方法也逐渐应用于高频d c d c 变换器的控 制当中。许多高级的算法在高频d c d c 变换器的控制中也有所应用，常用的现代控制策 略有： 1 常规的数字p l d 控制 虽然常规数字p i d 控制由于量化误差以及采样、转换、计算延时的影响比模拟p i d 的性能要打折扣，但仍不失是一种优良的控制算法。数字控制采样计算延时的影响，引入 了相位滞后，减小了系统可稳定的范围。采用高速a d 转换器和高速处理器可以一定程 度上改善常规数字p i d 控制的效果，但实现起来较难，不过数字p i d 控制由于其实现简 单，控制效果明显，在数字控制当中仍有很多的应用。文献 1 3 是将d c d c 直流变换器 当成一个线性、时不变、连续电路，利用人们熟知的经典线性电路理论和控制理论对其进 行稳态和小信号分析，建立开关电源的状态空间平均模型。建立的小信号模型，根据期望 。 - _ 特性配置零、极点，设计控制器。 j j 2 ：滑模变结构控制 2 变结构控制的设计思想是利用开关 变更控制规律，因而具有不断改变系统结构的 特征。其出发点是针对含有非线性系统的一般系统，因此被用来处理线性问题，很适用于 电力电子这个非线性系统，使它具有强鲁棒性。滑模变结构控制在电力电子系统中改善鲁 棒性、动态品质方面取得了。些成果。文献 1 4 详细介绍了d c d c 变换器的滑模变结构 控制，论述了如何以等效控制作为分析手段来分析b u c k ，b o o s t ，b u c k b o o s t 变换器，该方 法保证了系统在大信号和小信号情况下的稳定性。文献 1 5 采用滑模变结构理论控制c u k 变换器，使得系统控制电路的实现比较简单，克服了其它方法中在大信号情况下不稳定的 缺点；在整个运行条件下，所有的状态变量的超调量小、调节时间短，具有很好的稳态特 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 性和动态特性。 3 自适应控制 传统的非线性自适应反馈控制规律的设计依赖于电路的系统参数，当系统的模型参数 是不精确的或是变化的时候，传统的反馈控制效果不理想，甚至会导致系统性能恶化。而 d c d c 软开关功率变换器就是属于参数不断变化的这一类对象，因此可以考虑采用自适应 控制方式。自适应控制对系统参数的变化具有很强的自适应性，其基本思想就是按照“不 确定性等价原理”，先按照理想情况设计，同时控制器参数可以通过设计参数更新率实现 在线可调，因此能同时保证稳定性和精确性的要求。文献 1 6 中基于状态空间平均模型给 出了占空比合成器和参数更新率的表达式。该参数更新率可以实时更新所有模型参数，在 线调节占空比合成器的参数。该系统对电路参数、输入电压和负载的扰动具有强抗扰能力。 4 鲁棒控制 鲁棒控制是处理外加扰动和不确定性模型的主要工具。d c d c 软开关功率变换器的 线性化的小信号模型，是基于某一特定的工作状态的、其模型参数和结构依赖于变换器的 模型参数、输入电压、负载以及变换器的工作方式。模型结构的改变主要是因为变换器的 连续和非连续的两种工作模式的存在。如电流程控式的b u c k 变换器在c c m ( 连续导电模 式) 和d c m ( 不连续导电模式) 的两种工作模式下，其占空比到输出电压的传递函数分 别为二阶和三阶。因此，d c d c 软开关功率变换器具有不确定性模型的这一特点，可以 考虑采用鲁棒控制方式实现d c d c 软开关功率变换器的控制。鲁棒控制的基本思想是， 在通常情况下，可以直接将输入和负载扰动看作是对非线性化小信号模型的扰动信号，从 灵敏度最小化的角度出发，将对控制的设计转变为标准的以问题。文献 1 7 中使用 ， l q g l t r 方法和k h a r i t o n o v 原理设计了鲁棒控制器，这种对负载扰动的补偿，控制效果 要好得多。近年来，由d o y l e 于1 9 8 2 年提出的结构奇异值理论( 又称为理论) 受到重 视。它是把系统的确定部分和摄动部分进行关联重构以隔离所有摄动，转而控制块对角 有界摄动问题，该方法将鲁棒性能问题转换为鲁棒稳定性问题，因此l l 理论很好的补充了 风控制的不足。在最近的发展中，结构奇异值理论也被应用于d c - d c 软开关功率变换器 的控制，来处理结构不确定问题。 ， 近年来，神经网络控制已成为一种全新的智能控制方法，为解决高度不确定性和严重 非线性的复杂动态系统的控制问题开辟了一条新的途径 1 8 a 神经网络与现有的控制方法相 结合，在提高控制精度的同时也为神经网络的实现创造了条件。本文将着重介绍神经网络 与传统的p i d 控制相结合，应用在d c d c 软开关功率变换器中，并且能满足一定的控制要 4 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 求。 1 4 本文的研究内容 本文给出了将传统的p i d 控制思想和神经网络相结合，构建了神经网络p i d 控制器。 神经网络p i d 控制器分为单神经元p i d 控制器和b p 神经网络p i d 控制器。首先，对这 两种神经网络p i d 控制器进行了仿真研究，得出神经网络p i d 控制器在跟踪性，抗干扰 性和鲁棒性方面都优于普通p i d 控制器。然后，将神经网络p i d 控制器应用在软开关变 换器中进行研究，突现出了神经网络p i d 控制器的优越性。 论文主要按照以下的结构进行叙述： 第一章绪论部分概述了电力电子技术的发展，介绍了d c d c 变换器的控制方法，提出 将基于神经网络的p i d 控制的方法应用到d c d c 变换器中。 第二章概括性的介绍了软开关技术的基本概念，在此基础上论述了准谐振软开关技术 的基本工作原理，并着重分析了零电流开关准谐振变换器。详细分析了零电流开关准谐振 变换器的工作原理，而且仿真验证了理论结果。 第三章介绍了单神经元自适应p i d 控制器的结构原理，并且对单神经元自适应p i d 控 制器用m a t l a b 语言进行了仿真分析，通过和普通p i d 控制器的对比分析得出了单神经元 p i d 控制器的良好的控制性能。 第四章介绍了b p 神经网络p i d 控制器的结构原理，并且对b p 神经网络p i d 控制器也 进行了仿真分析，得出b p 神经网络p i d 控制器控制效果很好。 第五章对单神经元自适应p i d 控制器和b p 神经网络p i d 控制器在m a t l a b 下进行仿真 ： 研究。将单神经元自适应p i d 控制器和b p 神经网络p i d 控制器跟常规数字p i d 控制器进 行比较，实验表明神经网络p i d 控制器的良好性能。 j j ：_ 最后对全文进行总结，同时对研究工作进行进一步展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章谐振软开关技术 第二章谐振软开关技术 由于软开关技术能有效地减小电力电子器件中的电应力和电力变换装置引起的e m i ， 为2 1 世纪“绿色”电力电子产品提供有效的方法，近年来软开关电力变换技术在电力电 子学科领域已日益受到人们的重视。准谐振技术克服了开关不理想所造成的严重损耗，使 工作频率提高，因此本章对准谐振变换器的工作原理进行论述并加以分析。 2 1 软开关技术的基本概念 可以给软开关下一个这样的定义n 9 1 ：在器件开通或关断过程不产生损耗的开关器件称 为软开关器件，简称“软开关”。软开关技术的实质就是在主开关上增加储能元件l 、c 等构成谐振电路，当变换器主开关欲进行换流时，l 、c 产生谐振迫使主开关上的电流或 电压迅速变为零状态，从而为主开关提供软开关环境。从这个意义上说，所谓“软开关” 指的是零电压开关( z e r o v o l t a g es w i t c h i n g ，z v s ) 或零电流开关( z e r o c u r r e n ts w i t c h i n g ， z c s ) 或近似零电压或零电流开关。图2 1 给出了硬开关和软开关上的电压和电流波形示 意图，可以对比分析。 蓑曩，通态损耗蠢毳 耻。 ? _ 。 o ( a ) 硬开关( b ) 软开关 图2 - 1 硬开关和软开关上的电流、电压波形示意图 2 1 1 软开关的四种理想切换方式 通。 软开关有四种理想切换方式： j 1 零电压开通开关器件上的电压下降到零或其后，器件才开始流过电流称为零电压开 2 零电压关断开关器件上的电流下降到零或其后，器件上的电压还维持在零，则称为 6 _ 堕塞堕皇查兰塑主婴塞生兰垡堡奎笙三童堂堡竺墅鲞垫查 零电压关断。 3 零电流开通开关器件上的电压下降到零或以前，器件一直不流过电流称为零电流开 通。 4 零电流关断开关器件上的电流下降到零或其后，器件上的电压才开始上升，则称为 零电流关断。 2 1 2 软开关与硬开关的对比 一硬开关的缺陷： 在基本的直流功率变换器中，一般采用p w m 控制方式，开关管工作在硬开关( h a r d s w i t c h i n g ) 状态。硬开关的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高： 1 开通和关断损耗大 在开通时，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、电流波形的重叠使得器件开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加， 过大的开关损耗使得器件的结温上升，从而限制了器件的工作频率。对于_ 个最高工作频 率1 0 k h z 的开关器件，因受开关损耗的影响，只能让其工作在2 - 3 k h z 频率。 2 感性关断问题 电路中难免存在感性元件( 引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感) ，当开关器 件关断时，由于通过该感性元件的d i 出很大，感应出很高的尖峰电压加在开关两端，易 造成电压击穿。 + 3 容性开通问题 ：7 当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该 开关器件内，引起开关器件过热损坏。 i ： tj 一，： 4 二极管反向恢复问题 j ：、 - ： j _ 二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内；= 极管仍处于导通状态， 若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，导致很大的冲击电流，轻 ， 一 则引起该开关器件和二极管功耗急剧上升j 重则致其损坏。+ ： 软开关技术的出现，有效地克服了以上的缺陷。软开关技术是在常规p w m 硬开关拓 扑结构中引入谐振元件，使器件在开关点上具有零电流或零电压的零损耗开关特性，同时 在非开关点上又具有常规p w m 的优点，没有过大电流或电压的应力，又具有良好的控制 特性。软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关器件的开关轨迹进行整形，然而不同 南京邮电大学硕士珂f 究生学位论文第二荦谐振软开关技术 于缓冲电路，从能量的角度来看，缓冲电路是将开关损耗转移给自身而消耗掉，对变换器 的转换效率没有提高，甚至会使效率有所降低，而软开关技术则是真正意义上地减小开关 损耗。 二软开关的优点： 与硬开关电路相比，在谐振软开关电路中，开关器件在零电压或零电流条件下进行通 断，理论上开关损耗为零。从而改善开关器件的开关条件，开关频率得以大大提高，因此 带来一系列的优点。 1 器件在导通和关断时的功率损耗近似为零，大大提高了变换器的效率。 2 变换器主电路开关器件只有通态损耗，器件发热减小，因此散热器尺寸减小，降低 冷却要求，缓冲电路成为多余，提高变频装置的功率密度。 3 开关器件在有效工作范围内电压电流应力减少到最低，其可靠性大大提高。 4 具有较低的咖d t ，减少了电磁干扰( e m i ) 。 2 2 准谐振功率变换器 功率变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整形，最 早的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电 路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至会 使效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，是真正减小开关损耗， 而不是开关损耗的转移啪脚。 2 2 1 谐振变换器的分类 谐振变换器嘲可分为传统谐振、准谐振、多谐振以及具有软开关的p w m 变换器等四 种形式。下面对四种谐振变换器作简要介绍：“ ：7 j 1 i 全谐振型变换器 ” ： 一般称之为谐振变换器，该类谐振变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件 的谐振方式，分为串联谐振变换器( s r c s ) 和并联谐振变换器( p r c s ) 两类。按负载与谐振 电路的连接关系，谐振变换器可分为两类：一类是负载与谐振回路相串联，称为串联负载 谐振变换器( s l r c s ) ；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载谐振变换器 ( p l r c s ) 。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器 与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。 8 。 塑塞唑垒奎堂堡主竺壅竺兰垡堡苎笙三童堕堡竺茎差垫查 2 准谐振变换器( q r c s ) 和多谐振变换器( m r c s ) 这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶 段，而不是全程参与。在准谐振变换器中，连接在p w m 开关( 晶体管、反向导通二极管) 周围的高频谐振电路是用来将开关电流和开关电压进行整形以使大电流和大电压永远不 可能同时出现，因此就大大降低了器件的应力和开关损耗。准谐振变换器分为零电流开关 准谐振变换器( z c sq r c s ) 和零电压开关准谐振变换器( z v sq r c s ) 。在多谐振变换器中， 转换是通过独立安排一个多元网络来吸收谐振电路中的所有主要寄生效应( 包括晶体管的 输出电容、二极管的结电容以及变压器的漏电感来实现的) 。由于多谐振变换器吸收了大 多数寄生效应，所以，它能够在几兆赫下进行高效工作，最适合大功率密度情况下应用。 但是它的主要缺点是多元谐振网络的连续谐振增加了其内部环流能量。多谐振变换器一般 实现开关管的零电压开关。这类变换器需要采用频率调制控制方法。 3 零开关p w m 变换器 它分为零电压开关p w m 变换器和零电流p w m 变换器。该类变换器是在q r c s 的基 础上，加入了一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现 p w m 控制。与q r c s 不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为 开关周期的1 1 0 1 5 。 4 零转换p w m 变换器 它可分为零电压转换p w m 变换器( z v s p w m ) 和零电流转换p w m 变换器 ( z c s p w m ) 。这类变换器是软开关技术的又一次飞跃。它的特点是变换器工作在p w m 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其 他时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。它将谐振变换器和p w m 变换器的优 点结合在一起，其特点是： ， ( 1 ) 谐振阶段只发生在功率器件开关转换过程中，从而保证主开关器件软开关工作条 件。 ：。 一 - j ? ( 2 ) 能量传输的主要形式采用了p w m 变换的形式，避免了较大的谐振通态损耗。 、 ， 2 2 2 谐振开关、 ， 根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同组合，谐振开关可分为零电流谐振开关和零 电压谐振开关。 一零电流谐振开关 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章谐振软开关技术 图2 2 给出了零电流谐振开关的电路图，该开关有两种电路方式：l 型和m 型，其 工作原理是一样的。 ( a ) l 型( b ) m 型 图2 2 零电流谐振开关 从图中可以看出，谐振电感是与功率开关s 相串联的，其基本思想是：在s 开通之前， 的电流为零；当s 开通时，三，限制s 中电流的上升率，从而实现s 的零电流开通；而 当s 关断时，和e 谐振工作使的电流回到零，从而实现s 的零电流关断。根据功率 开关s 是单方向导通还是双方向导通，可将零电流谐振开关分为半波模式和全波模式， 全波模式优于半波模式，因为t ( 1 ) 半波模式的电压变换比与负载有很大的关系，对负载的变化很敏感。而全波模式 的电压变换比与负载关系不大，对负载的变化不太敏感，全波模式的这种特性有利于电路 闭环系统的稳定工作。 ( 2 ) 半波模式时，功率开关管s 与二极管d q 是串联的，d q 位于主功率回路中。在实 际电路中，d q 导通时是有通态压降的，因此存在通态损耗，使变换器的效率有所降低， 而全波模式不存在这种情况。而且如果s 选用m o s f e t ，有些m o s f e t 自身就寄生有一 个反并二极管，不用外接二极管，这样可减少电路的器件数，降低了成本。 二零电压谐振开关 ， 图2 3 给出了零电压谐振开关的电路图，该开关也有两种电路方式：l 型和m 型， 、 其工作原理是一样的。从图中可以看出，谐振电容e 与功率开关s 相并联，其基本思路 是：在s 导通时，c ，上的电压为零；当s 关断时，c ，限制s 上电压的上升率，从而实现 ： s 的零电压开通。 一 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章谐振软开关技术 qr 夕 ( a ) m 型( b ) l 型 图2 - 3 零电压谐振开关 同样根据功率开关s 是单方向导通还是双方向导通，可将零电压谐振开关分为半波模 式和全波模式，半波模式优于全波模式，这是因为： ( 1 ) 全波模式时，功率开关管s 与二极管d q 是串联的，d q 位于主功率回路中。实际 电路中的d q 导通时是有通态压降的，因此存在通态损耗，使变换器的效率有所降低。而 半波模式不存在这种情况，d q 是反并于s 的。如果s 选用m o s f e t ，有些m o s f e t 自 身寄生有一个反并二极管，不再外接二极管，这样可减少电路的器件数，降低成本。 ( 2 ) 半波模式时，谐振电容并联于s ，刚好将s 的结电容吸收进去，使s 的结电容成 为谐振电容的一部分。半波模式的缺点是它的电压变换比与负载有很大的关系，对负载变 化很敏感。而全波模式的电压变换比与负载关系不大，对负载的变化不太敏感。半波模式 对负载变化很敏感的特性增加了设计稳定闭环系统的难度。 2 3 零电流开关准谐振b u c k 变换器工作原理 这里以b u c kz c sq r c 为例来分析。图2