（电力电子与电力传动专业论文）44kw零电压零电流软开关电力电源充电模块的研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es o f ts w i t c h i n gp w mc o n t r o lm o d ec o m b i n e st h e a d v a n t a g e s o f r e s o n a n tc o n v e r t e ra n dp w mc o n t r o lt e c h n o l o g y i tc a na c h i e v en o to n l ys o f t s w i t c h i n gb u ta l s oi n v a r l a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l ，s oi th a sb e c o m eo n eo f t h ed e v e l o p m e n tt r e n d si nt h ef i e l do fp o w e re l e c t r o n i c s i nr e c e n ty e a r s ， t h ep h a s e s h i f t e df u l l 一b r i d g es o f ts w i t c h i n gd c d cc o n v e r t e ri sw i d e l y r e s e a r c h e d i ti so n eo ft h ec o n s i d e r a b l ei d e a lt o p o l o g i e s ，e s p e c i a l l yi n m e d i u mo rh i g hp o w e rc o n v e r t e r s a sw ea l1k n o w n ，t h e r ea r em a n yd e f e c t s i nf u l l 一b r i d g ez v sc o n v e r t e r ，i na d d i t i o n ，t h ep o w e rc o m p o n e n to fi g b ti s v e r yp o p u l a ro nt h eh i g hp o w e ra p p l i c a t i o no c c a s i o n t h ez c sm o d ei sv e r y s u i t a b l ef o r s w i t c h i n gc o m p o n e n t o fi g b t ，s o m a n yf u l l b r i d g e p h a s e s h i f t e dz v z c st o p o l o g i e sa p p e a ri nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r ，a h i g hp o w e r ( 4 4 k w ) e l e c t r i cp o w e ro p e r a t i o np o w e rs u p p l yc h a r g em o d u l e b a s e do nz v z c st e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d t h e p a p e r i n c l u d e st h r e es e c t i o n s t h ef i r s to n ei s o p e r a t i o n p r i n c i p l ea n dt h e o r ya n a l y s i s i nt h i sp a r t ，i ti n t r o d u c e st h ec o m m o nz v z c s t o p o l o g i e sa tp r e s e n t t h e ni n t r o d u c ei nd e t a i lt o p o l o g ya d o p t e da b o u ti t s m a i nc i r c u i t p r i n c i p l e ，w o r km o d e a n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nc i r c u i t p a r a m e t e r s ，b a s e do na b o v ea n a l y s e s ，o b t a i nt h ec o n d i t i o n st oa c h i e v ez v z c s a n da n a l y z et h el i m i tf a c t o r so fm a x i m u md u t yc y c l e t h es e c o n d a r yp a r ti st h ec i r c u i td e s i g no fc h a r g em o d u l e i ti n c l u d e s m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t sd e s i g n s m a i nc i r c u i td e a lw i t hd e s i g n s a h o u tf o l t o w i n gc i r c u i t s ：e m i ，p f c ，i n r u s hc u r r e n tl i m i t ，i n p u tr e c t i f i e r a n df i1 t e r ，c h o i c eo fp o w e rs w i t c hc o m p o n e n t s ，h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ， o u t p u tr e c t i f i e ra n df i l t e r ，r cc l a m pc i r c u i t ，a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ya n d f a np o w e rs u p p l y ，e t c a b o u tc o n t r o lc i r c u itp a r t ，u c 3 8 7 5a n dc u r r e n t m o d e c o n t r o la r ea d o p t e d ，t h i sp a r tm a i n l yi n c l u d e s ：c u r r e n t m o d ec o n t r o la n d s l o p ec o m p e n s a t i o n ，p r o t e c t i o nc i r c u i t s ，v o l t a g ef e e d b a c k1 0 0 p ，o u t p u t c u r r e n t1 i m i tc i r c u i t ，i n v a r i a b l ec h a r g ec u r r e n tc o n t r o lo f s t o r a g e b a t t e r y ，c u r r e n ts h a r ec i r c u i ta n dd r i v ec i r c u i t ，e t c t h et h i r dp a r ti sa b o u tt h et e s to fw a v e f o r m sa n dd e r f o r m a n c ea n d a n a l y s i so ft e s tr e s u l t s b yt e s ta n da n a l y s i s ，t h em o d u l ec a na c h i e v ez v s u o f 1 e a d i n gp a i r o fs w i t c h e sa n dz c so fl a g g i n gp a i ro fs w i t c h e s ，t h i s c o n s i d e r a b l y r e d u c e st h es w i t c h i n g l o s s e s ， s ot h e e f f i c i e n c y a n d r e l i a b i l i t yo fp o w e rs w i t c h e sa r ee n h a n c e d i na d d i t i o n ，b e c a u s el a g g i n g p a i ro fs w i t c h e sw o r kb y z c sm o d e ，t h es w i t c h i n gc o n d i t i o no fi g b ti s c o n s i d e r a b l yi m p r o v e d ，s ow e c a ne n h a n c ew o r kf r e q u e n c yo fi g b ta n du s e i ti nh i g h e rf r e q u e n c yc o n v e r t e r a b o u to t h e rp e r f o r m a n c ei n d e x ，t h e i rt e s t r e s u l t sa 1 1r e a c ha n t i c i p a t i v er e q u i r e k a y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e ro p e r a t i o np o w e rs u p p l yc h a r g em o d u l e ，s o f ts w i t c h p h a s e s h i f t e df u l l 一b r i d g e ，z v s ，z v z c s i i i 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。除了文中特别加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：睦帛f 尼日期：删年6 月l p 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，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： k s 柁 丑勃 日期：妒彩年石月l 、日 日期：? 呻乒年g 月? z 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力操作电源简介及现状 电力操作电源是电力系统的重要设备，其额定输出电压为直流2 2 0 v 或1 i o v ，主要 用于发电厂和变电站，作为自动控制与保护、动力、仪器仪表、信号、通信、事故照明 等的重要电源。其性能和质量直接关系到电网的稳定运行和设备安全。 在国内，8 0 年代和9 0 年代初期和中期，电力操作电源都使用的是相控电源，即使 是现在，我国电力系统使用的直流电源还有很多是相控电源，但相控电源纹波、高次谐 波干扰大、效率较低及体积庞大、监控系统不完善，难以满足综合自动化的要求。另外， 由于阀控式铅酸蓄电池内阻较小，充电设备与蓄电池并联运行使用，纹波系数较大引起 蓄电池脉动充电放电，从而加速了蓄电池的老化过程，影响了蓄电池的使用寿命。 在国外，九十年代开始，很多西方国家新建的发电厂和变电站已逐步采用高频开关 直流电源，蓄电池已都使用阀控式密封铅酸蓄电池，高频开关电源目前已经基本上取代 了相控电源。高频开关电源具有稳压、稳流精度高、体积小、重量轻、效率高、输出纹 波及谐波失真小、自动化程度高等优点。在邮电、航空航天、计算机及家电领域己逐步 取代了传统的线性电源及相控电源。 在国内电力系统，为了提高中国电力网的综合效率和可靠性，正大力推广综合自动 化和无人值守变电站，因而高频开关电源也将逐步取代传统的相控电源成为电力操作电 源的必然发展趋势。在这种发展趋势下，研制出高质量、高性能和高可靠性的电力操作 高频开关电源，尤其是高效率、高可靠性的软开关电力操作电源具有重要的意义。 1 2 电力操作电源的发展趋势 我们知道，按功率管的开关条件，直流变换器可分为硬开关和软开关两种。硬开关 直流变换器的开关器件是在承受高电压下开通或流过大电流的情况下关断的，因此在开 通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。频率越高， 开关损耗就越大，同时，开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡“1 ，带来 附加损耗，因而硬开关直流变换器的开关频率不能太高。软开关直流变换器的开关在开 通时加于其上的电压已为零，即零电压开关( z v s ) ，或是在关断过程中通过器件的电流 已为零。即零电流开关( z c s ) ，这种开关方式显著地减小了开关损耗和开关过程中激起 的振荡，可以大幅度地提高开关频率，为变换器的小型化和模块化创造了条件。 华南理工大学硕士学位论文 高频化、小型化、模块化和智能化是当前直流开关电源的发展方向。高频化是小型 化和模块化的基础，目前开关频率为数百k h z 和数m h z 的开关电源已有使用。功率重量 比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，5 0 w i n 3 的开关电源早已上市，目前已 向1 2 0 w i n 3 发展“1 。模块化和小型化分不开，同时模块化可显著提高电源的可靠性和使 用灵活性，简化生产和使用，模块电源的并联、串联和级联既便于用户使用，也便于生 产。智能化是便于使用和维护的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等 要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危机情况下对电源的自动管理。 在今后，为适应开关电源高频化、小型化、模块化和智能化的发展方向，在电力操 作电源的发展趋势上，软开关电力操作电源已成为一研究热点，高性能、高可靠性和高 功率密度的软开关电力操作电源已成为今后的发展趋势。 1 3 大功率软开关电力操作电源充电模块 充电模块是电力电源的核心部分，其输出( 直流2 2 0 v 或1 1 0 v ) 一方面支持常规负 载，作为发电厂和变电站自动控制与保护、动力、仪器仪表、信号、通信、事故照明等 的重要电源；另一方面给蓄电池充电，在市电停电时，蓄电池放电为上述设备提供直流 电源。因此，充电模块的性能和质量直接关系到整个电力操作电源的性能和质量。 1 3 1 充电模块主电路拓扑结构的选择 目前常见的单管构成的变换器，如b u c k 、b o o s t 、c u k 、f o r w a r d 、p l y b a c k 等一般适 用于中小功率的应用场合，我们知道，功率开关管的电压和电流定额相同时，变换器的 输出功率通常与所用的功率开关管数成正比【2 l ，即双管隔离型直流变换器的输出功率为 单管的两倍，为四管全桥变换器的一半。故d c d c 全桥变换器在直流变换器中功率最 大，在高输入电压和中大功率场合得到广泛应用，特别是通信用开关电源和电力操作电 源中得到广泛应用。所以，从拓扑结构来看，最适合大功率电力操作电源充电模块的主 电路拓扑结构是全桥变换器。 1 3 2 充电模块软开关方式 1 3 2 1 软开关技术简介 软开关技术的发展，给高频开关电源技术的发展带来了新的生机，我们知道，谐振 式、准谐振和多谐振技术是不需要外加功率开关实现单管变换器z v s 或z c s 的技术，但 是这类软开关技术不同于脉宽调制( p w m ) 技术，有器件应力高、循环能量大和变频控 制等缺点。z v s p w m 和z c s p w m 技术实现了p w m 控制，但是主开关管和辅助开关管的开 第一章绪论 关应力依然很大。单管直流变换器等应用z v t 或z c t 技术具有p 踟控制的特点，但需要 外加功率器件。且该器件仅仅用于实现主功率器件的零转换，不能增加变换器的有功输 出。双管和四管变换器却可利用多个主功率器件自身实现z v t 或z c t ，同时可输出大的 功率，这是多管隔离型直流变换器得到广泛应用的重要原因。因此研究全桥变换器，特 别是其软开关技术有重要意义。 1 3 2 2 全桥变换器两种软开关方式的比较 将谐振变换器与p w r a 技术结合起来构成软开关p 啊的控制方法，集谐振变换器与 p o , t 控制的优点于一体。既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电 力电子技术领域的发展方向之一。在d c d c 变换器中，则以全桥移相控制软开关p l g m 变 换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率 的应用场合。 我们知道，p 删d c d c 全桥变换器的软开关方式分为两类：z v s 和z v z c s 方式。在 z v s 方式中，0 状态工作在恒流模式，此状态下原边电流基本保持不变，为滞后桥臂提 供零电压开关条件，使超前和滞后桥臂均实现z v s , 而在z v z c s 方式中，o 状态工作在 电流复位模式，该状态下使原边电流减d , n 零，为滞后桥臂提供零电流开关条件，此方 式下超前桥臂实现z v s ，滞后桥臂实现z c s 。所谓0 状态，就是全桥变换器的两上管( 反 并联二极管) 或两下管( 反并联二极管) 同时导通的状态，此时两桥臂的中点电压v 矿0 。 在z v s 方式中，超前桥臂实现z v s 容易，而滞后桥臂实现z v s 困难，尤其是负 载范围变化较大时，而且z v s 方式下占空比丢失严重：另外，该方式0 状态时工作在 恒流模式，降低了变换器的效率。 目前全桥移相控制软开关p w m 变换器的研究热点已由单纯地实现零电压软开关 ( z v s ) 转向同时实现零压零流软开关( z v z c s ) 。全桥移相控制z v s 方案至少有四点 缺陷： ( 1 ) 全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。 ( 2 ) 副边存在占空比丢失，最大占空比利用不充分。 ( 3 ) 在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整 流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。 ( 4 ) 滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。 z v z c s 方式中，0 状态时变换器工作在电流复位模式，和z v s 方式相比，具有如下 优点： ( 1 ) 由于0 状态时变换器工作在电流复位模式，从而不存在z v sp 晰d c d c 变换器 的原边环流，从而在0 状态时变压器和开关管中不存在通态损耗，因此提高了变换器的 效率。 ( 2 ) 可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关。解决了 z q s 方式下滞后桥臂实现z v s 困难的问题。 华南理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 选择适当的z v z c s 软开关方案可大大减少占空比的丢失。 ( 4 ) 适合将i g b t 的开关方式软化的技术则是零电流开关( z c s ) 。近年来，作为 现代电力电子开关器件的绝缘栅晶体管i g b t 得到了迅速的发展及越来越广泛的应用。 在功率器件发展领域，i g b t 以其优越的性价比，在中大功率的应用场合己普遍实用化。 和m o s f e t 相比，i g b t 通常具有较高耐压的同时具有较低的通态损耗、较大的功率密 度和较低的成本，因此更适合用于高压大功率场合。i g b t 主要的缺点是具有较大的开 关损耗，尤其是由于i g b t 的拖尾电流的特性，使它的关断损耗较大。因此为了使i g b t 能够工作在较高的开关频率下，就必须减小它的关断损耗，显然i g b t 更适合于工作在 零电流的开关状态下。电路中i g b t 如果在关断之前少数载流子就已经复合完毕，那么 i g b t 将基本上不存在关断损耗口】。 1 3 2 3 全桥z z c s 软开关技术方案及比较 针对全桥移相控制z v s 方案存在的问题，各种全桥移相z v z c s 软开关方案应运而生。 目前，正在研究或已产品化的全桥z v z c s 技术方案主要有以下四种： ( 1 ) 变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。 ( 2 ) 变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。 ( 3 ) 利用i g b t 的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现z c s 软开关。 ( 4 ) 次级采用有源箝位的z v z c s 技术。这种方案有的文献也称其为不对称全桥 z v z c s 技术。 上述几种技术方案中，除方案( 3 ) 为有限双极性控制方式外，其它几种方案的控制 方式全为移相p 聊方式。这几种方案都能解决全桥移相z v s 的固有缺陷，如大幅度地降 低电路内部的自循环能量。提高变换效率；减少副边的占空比丢失，提高最大占空比的 利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高 变换效率。为提高开关频率准备了条件，使整机的轻量化和小型化成为可能，可进一步 提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。 上述几种技术方案各有优缺点，这里对几种技术方案作以比较： ( 1 ) 前三种方案都是在变压器的原边采取措施实现z v z c s 软开关，为了使原边电流 复位，它们都付出了使原边损耗加大的代价。 ( 2 ) 方案一中饱和电感是有损耗器件，且在开关频率较高时，损耗会加大，对饱和 电感磁芯材料的要求也很高，不易产品化。 ( 3 ) 方案二中滞后臂的开关管串联二极管会增加功率传输时的损耗，二极管的发热 量不小，需要散热器固定；该方案的优点是主电路结构和控制电路简单，电流复位和反 向通路的阻断都采取了最简单的方式。 ( 4 ) 方案三利用i g b t 的反向雪崩击穿电压使原边电流复位则是使变压器原边漏感 能量消耗在i g b t 上，且受i g b t 反向雪崩击穿能量的限制，影响i g b t 的可靠运用。 ( 5 ) 方案四在原边电流复位问题上是在副边采取措施，主变压器原边电路无有损器 4 第一章绪论 件，原边损耗低，如果变压器变比较大，在电流复位时间上应该是最短的，占空比丢失 也小。但该方案中副边需要另加辅助开关管，该辅助管工作在硬开关方式下，且开关频 率为主开关管的两倍，所以其开关损耗比较大，这种方案的控制也相对复杂一些。 ( 6 ) 在减小输出整流二极管的寄生振荡问题上，前三种方案由于在副边都没有采取 措施，因此要在整流管上加r c 吸收，以降低反向尖峰电压，此时r c 吸收电路会带来损 耗。而第四种方案由于在变压器副边采取了有源箝位的措施，r c 吸收电路可以取消， 降低损耗。 从上面介绍的四种全桥z y z c s 软开关技术方案比较来看，各有其优缺点，但在这几 种方案中，第二种方案从主电路结构和控制上来讲相对简单；另外，由于电力操作电源 的输出电压较高，所以主变压器的变比接近于1 ，在电流复位时间问题上第四种方案也 体现不出它的优势，所以从主电路和控制电路的简洁性考虑，本充电模块的主电路拓扑 结构选用了第二种方式。 1 3 3 应用软开关技术的充电模块的优点 充电模块采用脉宽调制软开关技术，开关管为零电压、零电流开关，无电压电流过 冲或尖峰，与硬开关相比较，软开关充电模块的开关损耗大大降低，给充电模块带来的 最明显优点是： ( 1 ) 整机效率明显提高，使在相同的工作环境下充电模块的温升大幅度降低。 ( 2 ) 电压及电流过冲或尖峰明显降低，功率开关器件承受的电应力小，功率开关器 件的可靠性得到提高。 ( 3 ) 由于电压变化率d v d t 及电流变化率d i d t 的减小，使充电模块的电磁干扰明 显降低提高了电磁兼容性能。 1 4 电力操作电源充电模块的结构及应具备的功能 图1 _ 1 充电模块原理框图 f i g 1 1b l o c kd i a g r a mo fc h a r g em o d u l e 华南理工大学硕士学位论文 上图为电源模块的工作原理框图，原边检测控制电路监视交流输入电网的电压，实 现输入过压、欠压、缺相保护功能及软启动的控制；辅助电源为整个模块的控制电路及 监控电路提供工作电源：e 3 1 i 输入滤波电路实现对输入电源作净化处理，虑除高频干扰 及吸收瞬态冲击；软启动部分用作消除开机浪涌电流：三相交流输入电源经输入三相整 流、滤波变换成直流；全桥变换电路再将直流变换为高频交流，高频交流经主变压器的 隔离、全桥整流、滤波转换成稳定的直流输出；信号调节、p 咖控制电路实现输出电压、 电流的控制及调节，确保输出电压的稳定及可调整性：输出操0 量、故障保护及微机管理 部分负责监测输出电压、电流及系统的工作状况，并将电源的输出电压、电流显示到前 面板，实现故障判断及保护，协调管理模块的各项操作，并跟系统通信，实现电源模块 的高度智能化。 充电模块应具有如下独立的功能： ( 1 ) 稳定的直流输出。 。 ( 2 ) 完善的保护。 ( 3 ) 均浮充电压、电流设置功能。 ( 4 ) 均浮充转换、开关机控制功能。 ( 5 ) 自主均流功能。 ( 6 ) 输出电压、电流及各种工作状态的显示功能。 ( 7 ) 为满足综合自动化和无人值守变电站的要求，应具有智能化功能。 1 5 本文的研究内容 本文旨在研制出台4 4k w ( 2 2 0 v ，2 0 a ) 的移相全桥z v z c s 软开关电力操作电源 充电模块。主要研究内容如下： 1 主电路软开关方式的选择及工作原理分析。 2 主电路设计及参数的分析计算。 3 控制电路的设计。 4 p c b 设计及电路制作。 5 波形和性能指标的测试及测试结果的分析。 本文的内容安排如下：第一章为绪论，介绍了本文的研究背景及研究意义、主电路 拓扑结构的选择及两种软开关方式( z v s 和z v z c s ) 的比较、电力操作电源充电模块的 结构、工作原理及功能；第二章为z v z c s 全桥变换器的工作过程模态分析：第三章为主 电路的设计及参数计算；第四章为各控制电路的设计：第五章为整机的测试及测试结果 分析。 6 第一章绪论 1 6 本章小结 本章介绍了电力操作电源的现状及发展趋势，分析了z v s 技术方案的缺点，比较 了几种常见z v z c s 技术方案的优缺点，总结了采用软开关给充电模块带来的好处，最 后对电力操作电源充电模块的结构、工作原理和应具备的功能做了简要介绍。 华南理工大学硕士学位论文 第二章主电路拓扑及工作原理 所谓z v z c s ，就是超前臂开关管实现零电压( z v s ) 导通和关断，与零电压全 桥p w m 变换器的工作原理相同，而滞后臂开关管实现零电流( z c s ) 导通和关断， 从而解决了基本的移相式f b z v s p 硼变换器滞后臂开关管实现z v s 困难的问题。 z c s 是在原边电压过零期间，使原边电流复位而实现的。 本充电模块的主电路结构采用第一章介绍的第二种z v z c s 软开关技术方案。 2 1z v z o s 全桥变换器的主电路拓扑及工作原理 2 1 1 主电路原理图 圈2 1 主电路原理图 f i g 2 1m a i nc i r c u i ts c h e m e 主电路的原理图如图2 一l 所示。q 1 、q 3 组成超前桥臂，d 1 、d 3 为反并二极管， c l 、c 3 为并联电容：q 2 、q 4 组成滞后桥臂，d 2 、d 4 为阻断二极管( 其作用将在 下面介绍) ，c 。为阻断电容，l 。为主变压器漏感；d r l d r 4 为输出整流二极管， l ，为输出滤波电感，c ，为输出滤波电容。 从图中可以看出，超前桥臂为实现z v s 必须在开关管两端并联二极管和电容， 而滞后桥臂是实现z c s ，不需要并联二极管和电容，但滞后桥臂要串联二极管用 以阻断反向通路和承受0 状态时功率开关两端的反向电压。在电路设计时，超前 8 第二章主电路拓扑及工作原理 臂可以采用m o s f e t ，这样正好利用其体二极管和结电容用以实现z v s ，因为滞后 桥臀是实现z c s ，而z c s 软开关方式可以软化i g b t ，所以滞后桥臂开关管可以采 用i g b t ，以减小通态损耗和降低成本。 2 1 。2 阻断电压源电流复位原理及反向通路的阻断 在0 状态时，变压器两端电压为0 ，为了在零状态时原边电流减小到零，必 须在漏感上加一个反电压。因此只要在原边加入一个阻断电压源就可以了。当原 边电流正向流过时，该电压极性为正，当原边电流反向流过时，该电压极性为负。 这个阻断电压源最简单的方法就是用本电路采用的一个电容来实现。当斜对角的 两只开关管q 1 和q 4 同时导通时，i ，给c 充电：当斜对角的两只开关管q 2 和q 3 同时导通时，i r 给c 放电。而在零状态时，电容c 的电压保持不变，其极性刚好 与i r 的流动方向相反，使i ，减小到零，起到给i ，复位的作用。 反向通路的阻断主要是为了在0 状态时当i ，减小到零后防止其继续反方向增 长，因此必须切断它的反向通路。最简单的方式是如图所示的在滞后臂的开关管 上串联二极管的方式。 2 1 3z v z c sp w md c d c 全桥变换器的工作原理 在分析之前，作如下的假设： ( 1 ) 所有开关管、二极管均为理想器件； ( 2 ) 电感、电容均为理想元件： ( 3 ) 阻断电容c 。足够大： ( 4 ) c 1 - c 。= c ，； ( 5 ) k 2 l ，l 。，k 为变压器原副边匝比。 在一个开关周期中，变换器有l o 种开关模态，各模态的波形如图2 - 2 所示， 各个开关模态的等效电路如图2 3 各图所示，各开关模态的工作情况描述如下： ( 1 ) 开关模态0 t o 时刻，对应于图2 3 a ) 。在t 。时刻，q 。和q 。导通。原、副边电流回路如图 ( a ) 所示。原边电流i ，给阻断电容c 。充电。这里假设输出滤波电感足够大，可 以将它看成一个电流源。此时，原边电流i 。= i 。k ，i 。是输出负载电流。阻断电容 c 。电压为v 。( t 。) 。 ( 2 ) 开关模态l t o ，t ， ，对应于图2 3 b ) 。在t 。时刻关断q 。，原边电流从q 。中转移到c 。和c ， 支路中，给c 。充电，同时c 。被放电。由于有c 和c ，q 。是零电压关断。在这个 9 华南理工大学硕士学位论文 时段里，变压器原边漏感l ，。和滤波电感l f 是串联的，而且l ，很大，医此可以认 为原边电流i ，近视不变，类似一个恒流源，其大小为i ，。= i 。k 。原边电流i ，继续 给阻断电容c 。充电。c 的电压线性上升，c 。的电压线性下降。 o li i。ii li ：0 1 1 0 4 iiil诬 l 0 4 l i 1 v i n 、ir j 塑、 ll ， ll _ 一 i。 k 。i 叫 11 矿 j 11 、 il 一一r l l 、： 一一 ，一r lll l 、 一一一r 1l11l1i n ：!卜n !【 一kx i 品：l 【2 ：3 。；：4 5 ；6t t 8 占t l o 图2 - 2z v z c sp w mo c d c 变换器的主要波形 f i g 2 - 2 t h ew a v e f o r m so fz v z c sp 帆d c d cc o n v e r t e r 图2 - 3a ) 1 0 图2 3b ) 第二章主电路拓扑及工作原理 图2 3c ) 图2 - 3 d ) 图2 3 e )图2 - 3f ) 图2 3z v z c sd c d c 变换器各个开关模态的等效电路 f i g 2 - 3t h eo p e r a t i o nm o d e so ft h ez v z c sd c d cc o n v e r t e r v 。( f ) = ( f 0 ) + ，p 。_ t - - t o ( 2 一1 ) l = 篆( f _ f 。) ( 2 - 2 ) v c 3 叱一等( ) 3 ) 在t - 时刻，c 。的电压下降到零，q 。的反并二极管d 。自然导通，从而结束开关 模态1 。该模态的时间为： e 。( 2 - 4 ) 在t 时刻，阻断电容上c 。上的电压为： 驯吲u + 2 - 警( 2 - 5 ) 华南理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 开关模态2 t 。，t 。 ，对应于图2 - 3 c ) 。d 。导通后，开通q 。，q ，是零电压开通。q 。与q 。驱 动信号之间的死区时间td ( 1 。 t 。，即： t 。- d ) 2 c r k ( 2 - 6 ) 1 ，o 在这段时间里，d a 和q 。导通，a 、b 两点电压v 。等于零。此时加在变压器原 边绕组和漏感上的电压为阻断电容电压v 。，原边电流开始减小，同时使变压器原 边电压极性改变，副边感应电势成为下正上负。变压器副边四个整流二极管d r l d r 4 同时导通，因此变压器原、副边绕组电压均为零。此时阻断电容的电压全部 加在漏感上，原边电流减小，阻断电容电压上升。由于漏感较小，而阻断电容较 大，因此可认为在这个开关模态中，阻断电容电压基本不交，原边电流基本是线 性减小。即： v c b ( f ) = v , b ( t 1 ) i 虬b ( 2 - 7 ) f p ( f ) = ，p o 一笋( f - t 1 ) ( 2 - 8 ) 在t 。时刻，原边电流下降到零。该开关模态的时间为： t 1 2 ：笔玉( z - 9 ) y c 幻 ( 4 ) 开关模态3 t ：，t 。 ，对应图2 3 d ) 。在开关模态3 中，原边电流为i 。= o ，a 点对地电位 为v a = 0 ，b 点对地电位为v b = 一v 。副边四个整流管同时导通，均分负载电流。 ( 5 ) 开关模态4 t 。，t ； ，对应于图2 3 e ) 。在t 。时刻，关断q 。，此时q 。中并没有电流流过， 因此q 。是零电流关断。在很小的延时后，开通q ：，由于漏感的存在，原边电流不 能突变，q 。是零电流开通。 由于原边电流不足以提供负载电流，副边四个蹩流管依然同时导通，变压器 的原、副边绕组被筘位在零电压。此时加在漏感两端的电压为一( v 1 + v 。) ，原边 电流从零开始反方向线性增加。 “牡一半生( t - - t ，) ( z - 1 0 ) 垤 在t 。时刻，原边电流反方向增加到负载电流。该开关模态的时间为： k 2 揣 ( 6 ) 开关模态5 t 。，ts ，对应于图2 3 f ) 。从t 。时刻开始，原边为负载提供能量，同时给阻 2 第二章主电路拓扑及工作原理 断电容反向充电。输出整流管d r l 和d r 4 d r 3 。在这个开关模态中， = 一每c 。， 在t 5 时刻， 自然关断，所有负载电流均流过d r 2 和 ( 2 一1 2 ) r o b ( t , ) = 一等- k ( 2 - 1 3 ) 阻断电容上的电压为下一次q 。零电流关断和q 。零电流开通作准备。在t s 时刻， 关断q 。开始 t 。，t 。 的另一个半周期，其t 作情况类似子前面描述的 t n ，t s 。 阻断电容电压在t 。时刻达到负的最大值一v 。，而 t 。，t 。 时段与 t o ，t t 时 段是类似的，因此有： ( f 6 ) 堋伊2 警屯一拳。警一( 2 - 1 4 ) 一般c 。s c 。，那么上式可简化为： 2 嚣。”( 2 - 1 5 ) 2 2 几点讨论 2 2 1 实现滞后桥臂z o $ 的条件 从上面的分析中可以知道，要实现滞后桥臂的z c s ，原边电流i ，必须在滞后 桥臂关断之前从负载电流减小到零。从式( 2 - 1 1 ) 和( 2 - 1 5 ) 可以推出i ，从负载电 流减小到零的时间t 。为： 2 警4 5 2 慧d2 等 t 1 叱 “1 5 式中d 是占空比，t ：是开关周期。 从式( 2 - 1 6 ) 中可以看出，t 。与负载电流无关，与占空比d 成反比。也就是 说可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关。 2 2 2 最大占空比d 从图2 - 4 中可以知道，本变换器的最大占空比d 由下式决定”“3 华南理工大学硕士学位论文 。一一守 c z - m 2 式中t z c s 是实现滞后桥臂z c s 的时间，它取决于开关管的关断特性。 v a b 图2 - 4 最大占空比的确定 f i g 2 - 4m a x i m u md u t yc y c l e 2 2 3 滞后桥臂的电压应力 在开关模态3 中，原边电流i 。为零，v b = - v 。，滞后桥臂开关管上的电压应力 为： v 口2 = v i 。+ v 。b ，( 2 - 1 8 ) v q 4 - 一v 。b 。( 2 - 1 9 ) 从上面两个表达式可知，滞后桥臂开关管上的电压应力为v 。+ v 。，而且要承 受反向电压v 。，因此滞后桥臂要串联二极管。 2 2 ，4 阻断电容的选择 阻断电容的选择受到两个因素的制约：( 1 ) 从式2 - 1 6 和2 1 7 中可知，为了 提高d ，c - 应当尽量小；( 2 ) 从式2 1 8 和2 - 1 9 中可知，为了降低滞后桥臂的电 压应力和反向r e , ，c 。应尽量大。因此要权衡选择c 。，一般在输出满载时，阻断 电容电压峰值v 。= 2 0 v ：。 2 3 本章小结 本章对本文所采用的z v z c s 全桥变换器的主电路工作原理和工作模态做了详 4 第二章主电路拓扑及工作原理 细的分析，得出了该电路结构实现z v z c s 的条件；讨论了最大占空比的限制问题； 分析了功率开关管承受的电压应力和阻断电容的选择问题。为后面要进行的主电 路和控制电路的设计计算奠定了基础。 华南理工大学硕士学位论文 第三章主电路设计及其参数计算 近年来，我国电力事业迅速发展，在实现综合自动化和无人值守变电站以及 老变电站改造过程的同时，也大大推动了电力操作电源的发展。由于传统的可控 硅相控稳压电源不仅体积庞大、重量笨重，而且输出纹波大、动态响应差、效率 低，已经不能满足要求。高频开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优点已逐 步取代可控硅相控稳压电源。 在传统的开关电源中，功率开关管一般工作在硬开关条件下，其开关损耗大， 难以提高开关频率，因而限制了电源的小型化和模块化。而在全桥变换器软开关 方式中，又有z y s 和z v z c s 两种方式，z v z c s 由于其比z v s 方式的诸多优点已经 成为研究热点。本章讨论和设计的电力操作电源充电模块采用第二章所分析和讨 论的移相控制z v z c sp w md c d c 全桥变换器拓扑，实现开关管的零电压和零电流 开关，从而减小了功率开关管的开关损耗，可以大大提高开关频率和电源效率， 实现电源的高效化和小型化。 本电源的研制技术指标如下： 输入交流电压：3 8 0 v 2 0 ( 三相四线) 。交流输入频率：5 0 h z 1 0 输出直流电压：1 8 0 3 2 0 v 连续可调，额定2 2 0 v 额定输出电流：2 0 a 输出限流：1 0 5 额定输出电流 效率( 额定输出时) 9 0 功率因数 o 9 0 稳压精度0 5 稳流精度0 5 纹波系数0 1 负载调整率0 5 电网调整率0 1 并机均流不平衡度5 3 1 主电路结构 充电模块的主电路结构如图3 一l 所示，由e m i 滤波器、输入整流滤波电路、 6 第三章一i i 电路i 殳订及其参数训算 合闸浪涌抑制电路、全桥变换电路、阻断隔直电容、谐振电感( 主变压器漏感) 、 输出整流滤波电路及电压电流采样等组成。 3 2e m l 滤波器 幽3 1 土电路结构 f i g ，3 一l m a i nc i r c u i t 本充电模块的e m i 滤波器电路如图32 所示。 剀3 - 2e m i 滤波器 从频率选择的角度看，开关电源设备中的e m i 滤波器属于低通滤波器，它对 华南理r 大学硕十学位论文 实现及改善丌关电源设备的电磁兼容性具有重要意义，它能毫不衰减地把直流电 和工频交流电传输到，r 关电源，不但可以抑制开关电源及设备本身产生的叫l 信 号，防止e m i 信号进入电网，污染电磁环境、危害其它设备：同时，它还可以大 大衰减经电网传入开关电源的e m i 信号，保护丌关电源免受其害，增强开关电源 设备对电网侧的传导噪声、射频辐射f 扰、高压噪声和快速瞬变电脉冲群等电磁 干扰的抗扰度。正确设计和安装的e m i 滤波器足使丌关电源满足相关的e m c 标准 ( 尤其是传导干扰标准) 行之有效的器件。 图中c o m l 为e m i 共模电感，其磁j 签采用e e 5 5 型铁氧体磁芯，【| a 、l b 、l c 、l n 表示绕在同一磁芯上的共模电感，它们的匝数相等，各为15 匝，经测试其电感量 分别为1 3 15 m h 、1 3 1 6 m h 、1 3 1 8 m l l 和1 3 2 0 m h ；c 1 、c 2 、c 3 、c 4 、c 8 、c 9 和c 1 0 为c 。电容，它们和共模电感构成共模低通滤波器，用柬抑制电源线上存在的共模 噪声，g j b l 5 1 规定c ，电容的容量应不大于0 1 u f ，这里耿电容量为4 7 1 p f ；c 5 、c 6 、 c