（电力电子与电力传动专业论文）一种新型不对称半桥串联谐振变换器的研究与应用.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n v e n t i o n a lh a l f - b r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e rg e n e r a l l ya d o p t s f r e q u e n c y m o d u l a t i o nm o d e t h i sc o n t r o l l i n gm o d eh a ss o m el i m i t a t i o n s ：( 1 ) n a r r o wi n p u t v o l t a g er a n g e ；( 2 ) o u t p u tv o l t a g ev a r i a t i o ni n s e n s i t i v et of r e q u e n c ym o d u l a t i o na tl i g h t l o a dd u et ol o wq f a c t o ro fs e r i e sr e s o n a n tc i r c u i t ；( 3 ) h i g hl o s sa tl i g h tl o a dd u et o h i g h e rs w i t c h i n gl o s sa n dc i r c u l a t i o ne n e r g y i no r d e rt oa c h i e v eh i g he f f i c i e n c ya n d h i g hf r e q u e n c ya n dh i g hp o w e rd e n s i t y ，t h e r ei s at r e n dt oo p e r a t er e s o n a n tp o w e r s u p p l i e sa tp u l s em o d u l a t i o nm o d e ( p w m ) an u m b e ro fn e wc o n s t a n tf r e q u e n c y r e s o n a n td e d ec o n v e r t e rt o p o l o g i e sh a v eb e e nr e p o r t e d t h e s ec o n v e n e rt o p o l o g i e s h a v er e d u c e ds w i t c h i n gl o s s e sa n dc a l lb eo p e r a t e da th i g hf r e q u e n c y t h e s ec o n v e r t e r s o f f e rh i g hp o w e rd e n s i t i e sa tm e d i u mt oh i g hp o w e rl e v e l s b u ta tl o wt om e d i u m p o w e rl e v e l s ，t h e s ec o n v e r t e r sd on o tg i v eh i g hp o w e rd e n s i t i e sb e c a u s eo fah i g h c o m p o n e n tc o u n t w h a t sm o r e ，t h e i rp o w e ra n dc o n t r o lc i r c u i t sa r ec o m p l e xa n dt h e c o s ti n c r e a s e s i no r d e rt oa v o i dt h e s ed r a w b a c k sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e w r e s o n a n tc o n v e r t e rt o p o l o g y t h i st o p o l o g yc o m b i n e sa s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e ( a h b ) s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e ra n dc l a s s el o wd v d tr e c t i f i e rw i t hap a r a l l e lc a p a c i t o r f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d sa n dc l a s s i f i c a t i o n so ft h er e s o n a n t c o n v e r t e r sa n de m p h a s i z e so nt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h eb a s i cr e l a t i o n s h i p so ft h e s e r i e sr e s o n a n tc i r c u i t b a s e do nt h ed i s c u s s i o n so ft h ec l a s s i c a la h bc o n v e r t e ra n d c l a s s el o wd v l d tw i t hap a r a l l e l c a p a c i t o r ，t h i sp a p e ra n a l y s e s t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l eo ft h en e w a h bs e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e rt o p o l o g i e sa n dg e n e r a l i z e st h es o f t s w i t c h i n gr e a l i z a t i o nc o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed r i v i n g m e t h o d so ft h es e c o n d a r ys y n c h r o n o u sr e c t i f i e r s s e c o n d l y ，t h et e s tc i r c u i tp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e da n dt h ed e s i g ni sf o c u s e do nt h e m a g n e t i cc o m p o n e n t s b a s e d o nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n t r o l l i n ga n dd r i v i n gi c s ，t h e c o m p l e m e n t a r yc o n t r o l l e dc i r c u i ti sp r e s e n t e da n dt h ep a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e d c i r c u i ta r ed e s i g n e d t h et e s tw a v e f o r m sp r o o ft h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e dc i r c u i t t h i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dt e s tp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o na b o u tt h es o f t s w i t c h i n go ft h ec o n v e r t e rp r o c e e d s t h ec o m p a r i s o no ft h es i m u l a t i o nw a v e f o r m so f a d o p t e da u x i l i a r yl i n ka n dn oa u x i l i a r yl i n kv e r i f i e st h ea c t i o no ft h ea u x i l i a r yl i n k f i n a l l y ，t h et e s tr e s e a r c hi sp r o c e e d e di no r d e rt ov e r i f yt h es u p e r i o r i t yo ft h e a b s t r a c t p r e s e n t e dc i r c u i tt o p o l o g y t h ea n a l y s i so ft h et e s tw a v e f o r m sp r o o f st h ef e a s i b i l i t yo f t h en e wt o p o l o g y t h ee f f i c i e n c yc u r v e sa r ea c h i e v e dm a k i n gu s eo ft h ee f f i c i e n c y p a r a m e t e r sa n dt h es i m p l el o s sa n a l y s i sa b o u tt h ec i r c u i ti si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：r e s o n a n tc o n v e r t e r ；a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e ( a h b ) ；c l a s s er e c t i f i e r ； s o f ts w i t c h i n g ；p u l s em o d u l a t i o nm o d e ( p w m ) n 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特另t l d h 以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：豫，l 养托日期：_ ，、d _ 年么月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 豫l 粢靶 立勃乏 日期：加巧年6 月夕日 日期：埘年否月夕日 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀下匕 1 。1 谐振软开关技术的提出 基本的直流变换器一般采用p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制方式，这种方式下 开关管一般工作在硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 状态，图卜1 ( a ) 是开关管工作于硬开关条 件下的电压和电流波形。从图中可以看出，由于开关管不是理想器件，在开通时开 关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上 升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产 生损耗，称为开通损耗( t u r n o nl o s s ) ；同理，当开关管关断时，开关管的电压不是 立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到 零，也有一个下降时间。在这段时间里，电压和电流也有一个交叠区，产生损耗， 称为关断损耗( t u r n o f fl o s s ) 。开关管的开通损耗和关断损耗统称为开关损耗 ( s w i t c h i n gl o s s ) 。在一定条件下，开关管的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损 耗与开关频率成正比，频率越高，损耗越大，变换器效率就越低。因此，开关损耗 的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。 0 p j 掰j o a ) 电压电流波形 a ) v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m s b ) 开关轨迹 b ) s w i t c h i n gt r a c e 图1 1 开关管硬开关条件下的电压、电流波形和开关轨迹 f i g 1 - lv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m sa n dt r a c eo fh a r d - s w i t c h e ds w i t c h 除此之外，开关管工作在硬开关时还会产生高d i l d t 和高d v d t ，从而产生大 的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 。图l l ( b ) 给出了接感性负载时， 开关管工作在硬开关条件下的开关轨迹，图中虚线为双极性晶体管的安全工作区 ( s a f t yo p e r a t i o na r e a ，s o a ) ，如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能 会超出安全工作区，导致开关管的损坏，相关论述可参考文献 1 】。 为了克服以上缺陷，人们提出了丌关管的软开关技术。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 谐振软开关技术的实现策略 变换器的软开关技术实际上就是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整 形，降低开关管的开关损耗。从1 1 节的分析可以知道，开关损耗包括开通损耗和 关断损耗。减小开通损耗有以下几种方法： ( 1 ) 在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电 流与电压的交叠区，这就是所谓的零电流开通； ( 2 ) 在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通； ( 3 ) 同时做到( 1 ) 和( 2 ) ，在这种情况下，开通损耗为零。 同理，减小关断损耗也有以下几种方法： ( 1 ) 在开关管关断前，使其电流减小到零，这就是所谓的零电流关断； 在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电流与 电压的交叠区，这就是所谓的零电压关断； ( 2 ) 同时做到( 1 ) 和( 2 ) ，在这种情况下，关断损耗为零。 p k f 、1 l r k 。 f 。、 f t 一 戈 碍烈 m 神 p h ；矧q2 0 。盯t b e 。 卜 ：， 。飞 跣。 凡“一) 。0刎孽h ；蝌， 一 豺 a ) 零电流开关( z c s ) b ) 零电压开关( z v s ) a ) z e r o - c u r r e n ts w i t c h b ) z e r o v o l t a g es w i t c h 图1 - 2 开关管实现软开关的电压、电流波形图 f i g 1 - 2v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m so fs o f t - s w i t c h e ds w i t c h 图1 - 3 开关管工作在软开关条件下的开关轨迹 f i g 1 - 3s w i t c h i n gt r a c eo fs o f t s w i t c h e ds w i t c h 图1 - 2 与1 - 3 分别给出了开关管实现软开关的电压电流波形图和开关轨迹，从 第一章绪论 图中可以看出，开关管的开r 关损耗大大减小，开关管的工作条件良好，不会超出 安全工作区。 1 3 零电压与零电流谐振开关 谐振软开关是在直流变换器的开关管中加入一个谐振电感和一个谐振电容而构 成的。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( z e r o c u r r e n tr e s o n a n ts w i t c h ) 和零电压谐振开关( z e r o v o l t a g er e s o n a n ts w i t c h ) 。 1 3 1 零电流谐振开关 图1 - 4 给出了零电流谐振开关的电路图，它有两种电路方式：l 型和m 型， 其工作原理是一样的。从图中可以看出，谐振电感l 是与功率开关管s 相串联的， 其基本思路是：在墨开通之前，t 的电流为零；当s 开通时，t 限制s 中电流的 上升率，从而实现s 的零电流开通；当s 关断时，t 和c ，谐振工作使的电流回 到零，从而实现s 的零电流关断。因此，l ，和c ，为s 提供了零电流开关的条件。 a ) l 型b ) m 型 a ) l t y p eb ) m t y p e 图卜4 零电流谐振开关 f i g 1 - 4z e r o - c u r r e n tr e s o n a n ts w i t c h 1 3 2 零电压谐振开关 图卜5 给出了零电压谐振开关的电路图，它也有两种方式：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c ，是与功率开关管s 相并联的， 其基本思路是：在s 导通时，e 的电压为零；当s 关断时，e 限制墨上电压的上 升率，从而实现s 的零电流关断；而当s 开通时，和c r 谐振工作使c r 的电压回 到零，从而实现s ，的零电压开通。因此，l 和c ，为s 提供了零电压开关的条件。 a ) m 型 a ) m t y p e i b ) 上型 b ) l - t y p e 图卜5 零电压开关 f i g 1 5z e r o v o l t a g er e s o n a n ts w i t c h 华南理工大学硕士学位论文 1 4 谐振变换器的分类 最早的软开关技术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中消耗掉，从而改善开关管的工作条件。这种方法对变 换器的效率没有提高，甚至会使效率降低。目前所研究的软开关技术不再采用有 损缓冲电路，这种技术真正减小了开关损耗，而不是损耗的转移，这就是谐振技 术。采用谐振来实现软开关的变换器可以分为以下几类： ( 1 ) 全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 。该类变换器 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 e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，s r c s ) 、并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r s ， 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 e r i e sl o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r s ， 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 a r a l l e ll o a d r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，p l r c s ) 。在( 全) 谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参 与能量变化的全过程。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。 ( 2 ) 准谐振变换器( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，q r c s ) 和多谐振变换器 ( m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，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阶段，不是全程参与。准谐振变换器分为零电 流开关准谐振变换器( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gq u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，z c sq r c s ) 和零电压开关准谐振变换器( z e r o 。v o l t a g e s w i t c h i n gq u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，z v s q r c s ) 。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( z e r os w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) 。它可分为零电压开关 p w m 变换暑$ ( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) 年e l 零电流开关p w m 变换器 ( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gp w m c o n v e r t e r s ) 。该类变换器是在准谐振变换器的基础上， 加入一个辅助开关管，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。与准谐振变换器不同的是，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 1 5 。 ( 4 ) 零转换p w m 变换器( z e r ot r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 。它可分为零电压转换p w m 变换器( z e r o v o l t a g e t r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r s ，z v tp w mc o n v e r t e r s ) 和零电流转 换p w m 变换器( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r s ，z c tp w mc o n v e r t e r s ) 。这 类变换器是软开关技术的又一个飞跃。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 它时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。 4 第一章绪论 1 5 各种谐振变换器的比较 首先注明，这里所说的谐振变换器指的是全谐振变换器。前面已讲述过，谐 振变换器分为串联谐振变换器、并联谐振变换器两类。两种变换器的特点比较如 卜： a ) 串联谐振变换器 串联谐振变换器的主要优点是：( 1 ) 使用串联电容，隔离了直流成分，避免 了变压器饱和；( 2 ) 因为开关器件的电流随着负载电流的减小而减小，所以在部 分负载时仍可以获得高效率。 串联谐振变换器的主要缺点是：( 1 ) 在轻载或者空载的情况下，输出电压不 能调节；( 2 ) 输出直流滤波电容承受很大的纹波电流( 在低电压、大电流输出时 尤为突出) 。 b ) 并联谐振变换器 并联谐振变换器的主要优点是：( 1 ) 负载可以被短路；( 2 ) 由于采用电感滤 波，滤波电容需要承受的纹波电流很小，所以适用于低电压、大电流输出的电源。 并联谐振变换器的主要缺点是：由于开关器件的电流提高，导致电路效率下 降。并且开关器件的电流不随负载的减少而减少，因此效率随负载的减少而减小。 1 6 谐振电路的基本概念 谐振电路是谐振变换器的基本单元，本节主要讨论串联谐振电路的基本概念 和基本关系，为后面的分析做准备。 1 6 1 基本串联谐振电路 图1 - 6 给出了串联谐振电路的电路图，其中t 是谐振电感，c ，是谐振电容， v 。是输入直流电源。假设在乇时刻，谐振电感的初始电流为l t r ( 乇) = i l 。谐振电容 的初始电压为( t o ) = 。 v 图卜6 基本串联谐振电路 f i g t - 6b a s i cs e r i e sr e s o n a n tc i r c u i t 如果不计电路的损耗，那么从t o 时刻开始，谐振电感和谐振电容自由谐振工 作。电路的微分方程为： 华南理t 大学硕士学位论文 7 l r 型d k t + v c ，= v 。 ( 1 1 ) c r 誓吨 ( 1 _ 2 ) 解上面两个微分方程，得到： ，( f ) ：j c o s q ( 卜f 0 ) + 兰鳖s i n q ( f t o ) ( 1 3 ) v r c ，( f ) = 一( 一v 0 0 ) c o s a ，( t t o ) + z ，j l r os i n d o ( t t o ) ( 1 4 ) 式中缉是谐振角频率，q2 1 万，则谐振频率为f2 磊t o , 2 j 而1 ；z r 是 谐振电感和谐振电容的特征阻抗，z ，= 撕百。 从式( 1 3 ) 和( 1 - - 4 ) 可以看出，谐振电感电流0 和谐振电容电压v 。均为 正弦波。谐振频率f 仅决定于谐振电感l r 和谐振电容c r 的大小。，和v c , 中有两个 分量：零状念分量和零输入分量。 零状态分量是舰和v c r 的初始值均为零的方程的解，即当氍臻转i l r 和 v c ，的表达式为： f l ，( f ) ：了v ns i n q ( 卜) ( 1 5 ) ，( ) = v 。1 一c o s o p ( t t o ) 】 ( 1 6 ) 此时，谐振电容最大值为v c ，。= 2 ，谐振电感电流的最大值为j 。= z ，。 这两个值仅决定于电源电压v 。和特征阻抗值z ，。如果变小或c r 变大，谐振电感 电流的最大值增大，而谐振电容电压的最大值不变。0 和v c r 分别按正弦和余弦规 律变化，表明谐振电感和谐振电容所储的能量相互交换，一个达到最大值，另一 个正好为零。 1 6 2 谐振电容并联电流源的基本串联谐振电路 在串联谐振电路的谐振电容上并联一个负载，如图1 7 所示。图中的负载实 际上是具有整流滤波电路的直流负载，由于滤波电感一般较大，其电流基本不随 时间变化，相当于一个电流源，v 。是输入直流电源。假设在岛时刻，谐振电感 初始电流和谐振电容初始电压分别为，。和。 根据电路图，可以列出下面的微分方程式： 第一章绪论 v i n 粤+ ，： a t c ，d v 。+ i o ：t ， a t ( 1 7 ) ( 1 8 ) 图1 7 串联谐振电路的谐振电粹并联电沉源 f i g 1 - 7s e r i e sr e s o n a n tc i r c u i tw i t hap a r a l l e lc u r r e n ts o u r c e 解上面两个微分方程，得到： 0 0 ) ：j 。+ ( 屯0 m i o ) c 。s q o t o ) + v , - ，v c r os i n q o t o ) ( 1 9 ) v c r ( f ) = v 。一( v 。一么o ) c o s o u r ( t t o ) + z ，( j r 0 一l o ) s i n e a , ( t t o ) ( 1 1 0 ) 将式( 卜9 ) 和( 卜1 0 ) 与式( 卜3 ) 和( 卜4 ) 比较可知，在0 和v c r 中均增 加了一个直流分量，即i o 1 - c o s q o 一乇) 】和一z ，ls i n 缉。一气) 。如果令1 “( t o ) = 1 0 ， 则有： ，l r ( f ) ：i o + ：v i _ n 研o t o ) (111)sin t o 1 ，l r ( f ) = + ；一 研o 一 ( 1 一 v c r ( f ) = 【1 一c o s q 0 一f o ) 】 ( 1 1 2 ) 仅谐振电感电流i l ，中增加了一个直流分量。 1 6 3 谐振回路串联负载电阻的基本串联谐振电路 在图卜8 中，负载电阻r 串联在谐振回路中，输入电源为正弦交流电， ( 。= v s i n ( 。f + 辞) 。其中，2 易蠹为输入电源的角频率，z 。为输入电源的频 率。从输入电压向右看过去，谐振回路的阻抗乙为磊= r + ，( 一面) ，阻抗z ，的 模乙和相角免分别为： z s = ( 1 1 3 ) 华南理工大学硕十学位论文 获 v 以：培一。 1 互 图l 一8 负载电阻串联在谐振回路中 f i g 1 - 8s e r i e sr e s o n a n tc i r c u i tw i t has e r i e sr e s i s t o r 划纱 a ) 模与频率的关系曲线 9 0 + 0 + 一9 0 + ( 1 1 4 ) 厂一 型二， b ) 相角与频率的关系曲线 b ) p h a s ea n g l ea n df r e q u e n c yc u r v e s 图卜9 回路阻抗的模和相角与电源频率的关系曲线 f i g 1 - 9m o u l da n dp h a s ea n g l eo fr e s i s t a n c ec u r v e s 图1 _ 9 给出了回路阻抗的模互和相角如与电源频率的关系曲线。从中可以 看出，当电源频率等于谐振频率q 时，回路阻抗 象三：；当电源频率低于 谐振频率以时，谐振回路呈容性，谚。 0 ，谐振电感电流滞后于电 源电压。 品质因数q 是表示谐振回路特征的重要参数，q = 气 = 面1= 鲁，负载电 阻r 不变，特征阻抗越大，品质因数q 越好。电源频率婊稍许偏离谐振频率够， 回路阻抗的模z ，就会显著增大，相关分析可参考文献 2 。 目前，谐振技术已经广泛应用于许多电路拓扑中。本文的研究对象为串联谐 振技术在不对称半桥变换器中的应用，以便获得一种适合于高频工作的高效率的 新型电路拓扑。 第一章绪论 1 7 本文内容安排 论文内容具体安排如下： 第一章，介绍了谐振软开关技术的背景知识和实现策略；对谐振变换器进行 了分类比较；并重点介绍了串联谐振电路的基本概念和基本关系，为后面的分析 做准备。 第二章，分别对典型的不对称半桥变换器和c l a s s e 整流器进行了介绍和原 理分析，并重点分析了不对称半桥变换器的软开关情况，为后面新型不对称半桥 谐振变换器的提出做理论铺垫。 第三章，首先论述了传统半桥谐振变换器应用的局限性，然后针对这些局限 性，提出了不对称半桥谐振变换器的新拓扑；将新拓扑电路分为了不对称半桥串 联谐振逆变器和c l a s s e 倍流整流器两部分，分别对这两部分电路进行了原理分 析，提出了该变换器拓扑实现软开关的条件。在此条件下，为使变换器能在全输 入范围内实现软开关，新电路拓扑特别引入了无损耗辅助支路。 第四章，对不对称半桥谐振变换器主电路进行试验参数设计，重点是磁性元 件的设计；在介绍控制芯片u c 3 5 2 5 、u c 3 7 1 5 的基本资料的基础上，提出了针对不 对称半桥拓扑的互补型控制电路，并用试验波形验证了该控制电路的可行性。 第五章，应用仿真软件s i m e t r i x ，针对第三章的变换器软开关理论进行了仿 真分析，明确了软开关实现的条件；通过仿真波形的分析比较，验证了辅助支路 的作用。 第六章，对电路的试验波形进行了分析，重点为变换器的软丌关实现情况和 c l a s s e 倍流整流器的工作特性，验证了新电路拓扑的可行性；根据试验测得的 数据绘制了效率曲线，并对试验电路进行了简单的损耗分析。 最后，文章总结了本次课题的工作内容，并针对该拓扑在仿真和试验中存在 的问题，提出了进一步研究的设想 华南理工大学硕士学位论文 第二章不对称半桥变换器与c l a s s e 整流器 2 1 不对称半桥变换器 不对称半桥( a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e ，a h b ) d c d c 变换器是一种采用互补控 制技术的变换器，与对称半桥变换器不同，该变换器两个主开关管的导通时问不 是相等，而是互补的，“不对称”由此而来。相较于其它电路拓扑，不对称半桥变 换器具有众多优点：( 1 ) 容易实现软开关；( 2 ) 开关电压应力小；( 3 ) 结构简单， 所用元器件少。该变换器适合于高频工作，并能获得高效率，相关论述可参考文 献 3 1 0 。 典型的不对称半桥变换器如图2 - 1 所示。其中，s ，、叉为主开关；d 、c 1 和 d ，、c ，分别为s 、s ：的寄生器件；、分别为两个次级与初级的匝数比；s r , 、 踺为次级同步整流管，其工作方式等效于整流二极管；l ，为变压器漏感；l 。为励 磁电感，所有的电压与电流及其正方向己在图中标出。 v i n 图2 1 典型的不对称半桥d c d c 变换器 f i g 2 - 1t y p i e a la h bd e d ec o n v e r t e r 2 1 1 工作原理 为了简化分析，作如下假设： ( 1 ) 滤波电感足够大，工作于电流连续模式； ( 2 ) 变压器励磁电感和漏感都折算到原边； ( 3 ) 开关管寄生电容为常量，不随电压变化； ( 4 ) 所有开关管和二极管都是理想的； ( 5 ) 电容c 上的电压在一个周期内保持不变。 设变换器占空比为d ，开关周期为丁，s 在d t 时间内导通。一个开关周期内 s ：上的平均电压为d ，由于变压器的平均电压为零，因此c 。上的电压也为d ， 可将变换器的工作过程分为四个阶段，图2 2 为主要的电压电流波形。 1 0 第二章不对称半桥变换器与c l a s s - - e 整流器 阶段一( t a - t b ) ：主开关管s 。开通，s ：关断。此时励磁电流以，l m 的速 率增加，p 点电压v 。= ( 1 一d ) ；图中= n k ，一n ：k ：为变压器次级绕组反射到初 级的电流，流过初级绕组的电流i 。= f 。+ ； 阶段二( t b t ) ：主开关管s 、凡都关断，r 的过程开始；c z v s 阶段三( 一屯) ：主开关管s ：开通，s l 关断。此时励磁电流以l v o l l o 的速率 减小，p 点电压v 。= 叱8 d ； 阶段四( t a - t , ) ：主开关管s 、s ：都关断，墨的z v s 过程开始。 憧件二丰l 牟e 一 i - - k 一 。 ， 曩 、 1 | l ， l h ，llj ，4 y np 7 一 图2 2 主要的电压电流波形 f i g 2 - 2p r i m a r yv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m s 2 1 2z v s 分析 开关管s 和s ，的z v s 过程是相似的，所以这里只对s ，的z v s 过程作分析，该 过程( t b t c ) 也有四个工作模态，各工作模态电路如图2 - 3 所示。类似分析可参 考文献 1 1 1 8 。 模态一：图1 中主开关管s 。关断时刻，s ：、d ，、。d ，和s r 2 都处于关断状态， 仅s r l 导通。电容c ：放电，电压线性下降；c 1 充电，电压线性上升。p 点电压v 。线 性下降，m 点电压v m 也线性下降，由于电压仍然是正向的，因而屯继续增大， 但速率会下降。当v 。减d , n 零时，f m 增大到最大值，整流管s r 2 导通，此工作模态 结束，如图2 3 ( a ) 所示。 模态二：整流管s r i 、踺导通，s 。、s ：、d 1 、d ：关断。此时，电容c i 、c ：和 漏感l ，开始谐振，c ：上的电压继续下降，v 。转为负值。由于跚、观导通，和 v 为零，励磁电流保持不变。在次级，t 。s r ：增大，同时t s r 。减小，因而= 吩k 一他k ： 下降。当下降到零时，此模态结束，如图2 3 ( b ) 所示。 模念三：s r t 、s r 2 仍导通，s ，、s ：、d 、d ：仍关断，电容c l 、c ：和漏感l ， 继续谐振。此时已经换向，当c ，上电压下降为零时，d ，导通，该模态结束。此 时导通s ，s ，为零电压开通，如图2 3 ( c ) 所示。 华南理工大学硕士学位论文 模态四：s ：、d ：、眠、踺导通，s 。、d 。关断。此时漏感上电压为一+ d ， 屯线性下降r 反向增大，当反向增大到也：时，s r , 关断，如图2 3 ( d ) 所示。 匦静坠薄 a ) 模态一 a 1m o d e1 b ) 模态二 b 1 m o d e2 融薄融嘞 e ) 模态三d ) 模态四 c ) m o d e3d ) m o d e4 图2 - 3 各工作模态电路图 f i g 2 3c i r c u i t so ff o u ro p e r a t i o nm o d e s 从以上分析可见，不对称半桥变换器不需要任何辅助电路，利用变换器自身 的漏感( 或外加电感) 就可以实现开关管软开关。 2 2 并联电容c l a s s e 低d v l d t 整流器 c l a s s - e 整流器是c l a s s e 零电压开关变换器的一部分，它适合于高频工作， 具有高效率、低噪声的特点，大致分为两大类：c l a s s e 低d i l d t 整流器和c l a s s e 低d v l d t 整流器。c l a s s - e 整流器在谐振功率变换器中得到广泛的应用，在这类电 路中，除了输出滤波器外，往往还包含一个独立的感性元件或者一个独立的谐振 电路。c l a s s e 低d v l d t 整流器的主要优点是： ( 1 ) 开关管在低d r d t 条件下导通和关断； ( 2 ) 开关管在低d i l d t 条件下关断。 相对地，c l a s s e 低西，出整流器的主要优点是： ( 1 ) 开关管在低讲d t 条件下导通和关断； ( 2 ) 开关管在低d v l d t 条件下关断。 这里仅对并联电容c l a s s e 低咖，出整流器进行讨论。 1 2 第二章不对称半桥变换器与c l a s s - - e 整流器 并联电容c l a s s - e 低d v l d t 整流器电路由一个二极管、与二极管并联的电容c 、 低通滤波器l ，一c ，以及负载阻抗马组成，如图2 - 4 所示。整流器的输入相当于一 个正弦电流源，并联电容c 的存在使二极管在低d v d t 条件下导通和关断，同时减 小了二极管开通和关断时流过节电容的电流。除此之外，该整流器最重要的一个 优点为理想情况下，二极管的节点容、变压器绕组( 应用在隔离型变换器中) 的 输出电容以及输出滤波电感的绕组电容都可以并入并联电容c ，而后者之所以能 被并入是因为输出滤波电容c ，对交流信号来说几乎相当于短路。 低通滤波器l ，一c ，使输出电压纹波保持在所需要的水平，滤波器的角频率为 五= 1 ( 2 万0 c r ) ，与负载吃无关，这是设计滤波器所期望的a 1 f i o + v o 图2 4 并联电容c l a s s e 低d v d r 整流器 f i g 2 4c l a s s - el o w d v d tr e c t i f i e rw i t hap a r a l l e lc a p a c i t o r 2 2 1 工作原理 为了简化分析，假设流过输出滤波电感l ，的电流近似不变，等于输出直流电 流i o ，这样输出滤波器0 一c s 和负载阻抗r 可以用电流源，。代替，图2 4 的简化 图如图2 - 5 所示。 卜 i d c f l c l 图2 - 5 图2 4 的简化图 f i g 2 - 5s i m p l i f i e dc i r c u i to ff i g 2 4 并联电容c l a s s e 低d v d t 整流器的原理较简单，可分为以下两个工作模态， 各模态电路如图2 6 所示。 模态一：电压v 。上升到二极管的门限电压( 理想情况下为零) 时，二极管导 通，电流流过二极管，流过电流值为输出直流电流与输入电流源的差值，即 华南理t 大学硕士学位论文 i d = i o 一，如图2 6 ( a ) 所示。 模态二：二极管电流下降到零时，二极管关断，电流流过并联电容c ，电流 i c = i o - i r ，如图2 - - 6 ( b ) 所示。 【f i o v 一0 ： l十 i a ) 模态一b ) 模态二 a ) m o d e1b ) m o d e2 图2 - 6 各工作模态电路图 f i g 2 - 6c i r c u i t so ft w oo p e r a t i o nm o d e s 下面对二极管开通、关断时的电流、电压情况进行分析，这里假设二极管为 理想二极管，其导通压降为零。 二极管导