（电力电子与电力传动专业论文）互感滤波器在全桥移相软开关变换器中的应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t a l t h o u 曲s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi s u s e dw i d e l yd u et oi t s h i g hf r e q u e n c y , l i g h t w e i g h ta n ds m a l lv o l u m e ，i ts t i l lh a sad i s a d v a n t a g eo fl a r g eo u t p u tr i p p l ea n d s e r i o u se m i p r o b l e m i ti sa m a i n p r o b l e mo f h o w t od e p r e s sr i p p l ei na p p l i c a t i o no f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h i sp a p e rw i l ls t u d yt h ep r i n c i p l eo fd e p r e s s i n gt h er i p p l e o f f u l l - b r i d g ep h a s e - s h i f tc o n v e r t e rb yc o u p l e di n d u c t o rf i l t e r f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fr i p p l ep r o d u c i n ga n dm e a s u r e so f r i p p l ed e p r e s s i n ga n ds t u d i e st h ee f f e c to fd e p r e s s i n gr i p p l eb yc o u p l e di n d u c t o r f i l t e r t h ep a p e rd e d u c e st h ec o n d i t i o nt h a tt h ec o u p l e di n d u c t o rf i l t e rr e a l i z e sz e r o c u r r e n tr i p p l ei np e r f e c tc o n d i t i o n c o u p l e di n d u c t o rf i l t e rh a sf o u rw o r km o d e si n p r a c t i c e t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo f t h ec o u p l e di n d u c t o rf i l t e ri nt h ef o u r w o r km o d e s s o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u ec a nd e p r e s sr i p p l ee f f e c t i v e l y t h ep r i n c i p l eo ft h e f u l l - b r i d g ep h a s e s h i f tz v s p w mc o n v e r t e ri s i n t r o d u c e d t h ec o u p l e di n d u c t o r f i l t e ri sa p p l i e dt ot h eo u t p u to f t h e f u l l - b r i d g ep h a s e s h i f tz v s - p w m c o n v e r t e r t h e p a p e ra n a l y z e st h e o r e t i c a l l yt h ec o u p l e d i n d u c t o rf i l t e r si n f l u e n c eo nt h ef u l l - b r i d g e p h a s e - s h i rz v s - p w mc o n v e r t e r t h ea n a l y t i c r e s u l ti sv a l i d a t e di n t h e o r yb y s i m u l a t i o n f u l l b r i d g ep h a s e - s h i f tz v z c s p w mc o n v e r t e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h e f u l l - b r i d g ep h a s e s h i f tz v s p w mc o n v 目 t e r i ti m p r o v e st h el a t t e r sd i s a d v a n t a g e s a p r a c t i c a la n de x c e l l e n tf u l l b r i d g ep h a s e s h i f tz v z c s p w m t o p o l o g y i sd i s c u s s e d t h e p a p e rs t u d i e st h en e w c o n v e r t e rt h a tt h ec o u p l e di n d u c t o rf i l t e ri sa p p l i e dt ot h e o u t p u to f t h ef u l l - b r i d g ep h a s e - s h i f tz v z c s p w mc o n v e r t e r t h ef i l t e r i n ge 丘b c ti s f i n eb y a n a l y s i si nt h e o r ya n ds i m u l a t i o nf o rt h ei m p r o v e d c o n v e r t e r k e y w o r d s ：c o u p l e d i n d u c t o rf i l t e r ；t i p p l e ；f u l l b r i d g ep h a s e s h i f t ；z v s ；z v z c s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力电子技术发展概述 电力电子技术是- - f q 综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、 自动控制技术等的边缘交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现 代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，并逐步 发展成为一门包含更多学科的综合性技术学科，为现代通讯、电子仪器、计算 机、工业自动化、电网优化、电力工程、国防等应用领域提供高质量、高效率、 高可靠性的电能。电力电子技术对人类文明和进步起到了巨大的推动作用，如 今它已无领域不在，无行业不用，以至于离开电力电子技术，人们的生活将黯 然失色。 电力电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术得以发展的强大 动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新的器件的出现为契机的。电力电子 器件经历了从b j t 、g t o 、m o s f e t 到i g b t 的发展，代表着电力电子器件的 大容量、高频化、易驱动、低导通损耗、模块化的发展趋势。 电力变换电路是电力电子技术的核心，它实现电能量的交一直、直交、直 直、交一交的变换。随着对电力电子系统性能要求的不断提高，各种新型电力变 换技术不断涌现：为了减小开关损耗，出现了软开关技术；为了减小和消除电 网的谐波污染，出现了有源功率因数校正技术、有源滤波技术等等。 控制方法是电力电子技术的重要组成部分，p w m 控制方法对推动电力电 子技术的发展起到了历史性的作用，同时矢量控制、自适应控制、模糊控制和 神经网络控制都在电力电子系统中得到了应用。 以上三个方面的迅速发展成就了电力电子技术的发展。这三个方面的发展 是相互促进，相互补充的【i 】。 目前，电力电子技术研究的主要领域是：( 1 ) 电力半导体器件的设计、测 试、模型分析、工艺及仿真。( 2 ) 开关变换器的电路拓扑、建模、仿真、控制 和应用，电力逆变技术及其在电气传动、电力系统中的应用等。作为电力电子 装置主要组成部分的开关功率变换器一直是电力电子学研究的主要方向【2 l 。 1 2 开关功率变换技术 2 0 世纪6 0 年代以来，p w m 功率变换技术得到了长足的发展和广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 常规p w m 功率变换器的开关器件工作于硬开关状态，即丌关管的通断控制与 开关管上流过的电流和两端所加的电压无关，功率开关管的开通或关断是在器 件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，器件的开关损耗很大，从而 限制了p w m 开关功率变换器开关频率的提高。开关器件的损耗主要表现在以 下三个方面： ( 1 ) 开关器件的开通和关断损耗：在开通时，丌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。电压电流波形的交叠 形成开关器件的开通损耗和关断损耗。因此常常加入缓冲电路( 如r c 缓冲电 路) 以限制开通时的尖峰电流和关断时的尖峰电压，使功率器件安全正常运行。 但缓冲电路是通过把器件本身的开关损耗转移到缓冲电路中而使器件得到保护 的，这部分能量最终还是被消耗了，系统总的损耗没有减少。 ( 2 ) 感性关断问题：电路中难免存在感性元件，如变压器的漏感、连线电 感等寄生电感或实体电感，在高频状态下，开关器件关断时流过该感性元件的 电流而感应的高尖峰电压加在开关器件的两端，易造成电压击穿。 ( 3 ) 容性开通问题：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。另外， 开关器件在高频下运行时，器件本身的极间电容电压转换时的兰二会耦合到输入 d f 端，产生较强的电磁干扰，影响电源本身和其他网络设备的运行。 随着微电子学的发展，各种信息处理设备实现了集成化和小型化，进而要 求为其供电的开关电源的体积和重量也应相应减小，高频化是减小开关变换器 ( 特别是变压器、电感等磁性元件以及电容) 的体积和重量的有效手段。为了提 高开关管的工作频率，解决硬开关工作方式下开关损耗较大的问题，2 0 世纪8 0 年代初美国v i r g i n i a 电力电子中心的李泽元( f c l e e ) 教授等人提出了软开关 技术”i 。所谓软开关，是指开关管在开启或关断的过程中，其电压或电流为零， 从而使丌关过程中管子的损耗接近于零。软开关技术为降低丌关损耗、提高开 关频率找到了种有效的解决办法。理想情况下，这种开关方式可以使开关损 耗降为零，从而使频率的提高不再受开关损耗的限制。软开关技术提出后即引 起了电力电子技术领域和工业界同行的极大兴趣和普遍重视，并随之发展出多 种软丌关工作方式及各种具体的软开关电路。 美国v p e c 的fc l e e 等人首先提出了准谐振变换器，它通过谐振使开关 器件上的电流电压按正弦规律变化，从而创造出零电流( z c s ) 或零电压( z v s ) 开 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 关条件，极大地减少了变换器的开关损耗和开关噪声【3 1 。由于准谐振变换器不 能使电路中的有源开关和二极管同时具有软开关条件，因此1 9 8 8 年美国v p e c 的wa t a b i z 和f c l e e 等人又提出了多谐振变换器【4 】。在准谐振变换器和多 谐振变换器中，输出电压是通过调节开关频率实现的。当负载和输入电压在大 范围内变化时，开关频率也需要大范围的变化，这使得变压器及滤波器的设计 变得很困难。为此又提出了z v s p v v 2 v l 变换器和z c s p w l v i 变换器，使电路在 一个周期内一部分时间按z c s 或z v s 准谐振方式运行，另一部分时间按p w m 方式运行，既具有软开关的特点，又具有p w m 恒频占空比调节的特点。在 z v s p w i v i 变换器和z c s p w l m 变换器中，谐振电感串联在主功率回路中，因 此电路中总是存在着很大的环流能量，这不可避免地增加了电路的导通损耗； 另外，电感储能与输入电压和输出负载有很大关系，这使得电路的软开关条件 极大地依赖于电源和输出负载的变化。为了解决这些问题，d rgc h u a 在9 0 年代相继提出了z v t - p w m 变换电路和z c t - p w m 变换电路m 。在这种类型的 电路中，辅助谐振电路与主功率开关管并联，电路中的环流能量被自动保持在 较小的数值，且软开关条件与输入电压和输出负载的变化无关。 上述各种软开关变换技术正在获得越来越广泛的应用，比较典型的有：零 电压开关或零电流开关的正激、反激或正反激组合式变换电路，全桥移相式z v s 变换电路，全桥移相式z v z c s 变换电路，以及采用z v t 、z c t 技术的有源功 率因数校正电路等等。所有这些应用显示了软开关技术在p w m 变换电路中的 良好发展前景。 1 3 开关电源纹波 开关稳压电源是将负反馈原理应用于开关功率变换器中川，它可以实现电 压、电流的自动调节。开关电源以其频率高、重量轻、体积小等优点逐渐取代 了传统的线性电源，从而在航空航天、计算机、通讯、医疗仪器、家用电器等 领域得到了广泛应用，但因其输出纹波大而带来了e m i 问题。e m c 标准规定 传导e m i 的频率范围在9 k h z 3 0 v l h z 之间，辐射e m i 的频率范围在3 0 m h z 1 0 0 0 m h z 之间。目前绝大多数开关电源的开关频率在5 0 k h z 1 m h z 之间， 它们的正常工作频率在传导e m i 的范围内，虽然开关频率不高，但开关电源处 理的电压电流信号强度远比一般的数字处理电路大得多，这使得开关电源的 e m i 问题比数字处理电路更加严重f 9 】。开关电源因其工作原理必然会产生纹波， 并且纹波的产生还与多种因素有关，所以只有精心地设计电路，合理地选择元 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 件，周密地考虑工艺，才有可能把纹波减小至最小范围。 1 4 本文的主要工作 本文把互感滤波器应用到全桥移相变换器中，分析了互感滤波器在全桥移 相变换器中的滤波效果。具体安排如下： ( 1 ) 介绍了开关电源纹波产生的机理及几种抑制纹波的措施。由于互感滤 波是一种简单经济的技术，本文重点分析了互感在四种工作模式中的滤波原理， 给出了实现零电流纹波的条件。 ( 2 ) 全桥移相z v s - p w m 软开关技术实现了功率开关管零电压导通，降 低了开关噪声，而互感也能很好地衰减噪声信号，本文将两者结合起来，详细 分析了互感滤波的效果。 ( 3 ) 全桥移相z v z c s p w m 变换器是在全桥移相z v s p w m 变换器的基 础上发展起来的，本文详细研究了一种性能优越的全桥移相z v z c s p w m 电路 拓扑的工作原理和特性。由于这种拓扑的实用价值大，本文对其进行了进一步 改进，利用互感来减小输出电感的纹波，详细介绍了滤波原理，并进行了仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章纹波产生的机理及抑制措施 开关电源因其具有效率高、输出电压可调范围大、损耗小、体积小、重量 轻的优点而得到了广泛的应用。但开关电源输出直流电压的纹波含量比同功率 线性电源大，如何降低纹波含量成为开关电源应用中的一个主要问题，本章阐 述了开关电源纹波产生的原因和解决方法。 用高频示波器在一台设计合理、调整适当的开关电源的输出端可以观察到 如图2 - l 所示的波形。 图2 - 1 开关电源的正常输出纹波波形1 其中尖峰噪声是在电源中的开关管导通和截止瞬间产生的，若用3 0 m h z 以上的示波器将尖峰噪声波形展开，则可看到一个衰减的高频振荡，一般经2 - 3 个周期衰减到稳定值。近似锯齿波的波形是由于开关管对输入电压进行高频开 关变换产生的，其频率为开关管的工作频率。低频调制波则是当一次电源为工 频交流时，该交流波动对输出电压的影响，其频率等于工频频率。当一次电源 为直流时，该低频调制波不存在m l 。 2 1 纹波产生的机理 开关电源是将电网电压整流变为直流电，经高频开关逆变成交流电，由开 关变压器降压或者升压，再经高频二极管整流滤波后以直流电输出，开关电源 输出纹波产生的来源途径有以下几个 4 j ： 2 1 1 低频纹波 开关电源包括a c d c 和d c d c 部分。其中整流部分一般先通过整流桥整 流，再经过滤波平滑电容滤波而得。由于受电源体积限制，平滑电容不可能无 限大，所以导致低频纹波的存在。如假定整流桥输出负载电流，负载电压， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 整流桥输入交流电压幅值，输入交流电压频率厂，则其输出的纹波电压如表 2 1 所示。 表2 - 1 整流纹波电压 整流电路半波整流全波整流 生丘 ! 一一 纹波电压 2 - j 3 fc 4 4 3 f ck 从表2 - l 可见，若吒与，。乘积一定时( 输出恒功率) ，提高输入电压可减少 纹波。 2 1 2 高频纹波 开关电源是依靠功率器件对输入的整流直流电压进行高频p w m 斩波后再 整流滤波实现稳压输出的。通常在功率变换回路中，输出整流电容c ，有限，实 际电容也有损耗，流进电容的电流i 。是脉动的，使脉动，形成纹波电压。假 定d 为占空比、三为储能电感、c 为滤波电容、，为开关频率，尺为负载，则 四种常用的基本开关变换器的输出纹波电压如表2 2 所示。 表2 - 2 高频纹波电压 电路形式b u c kb o o s t b u c k b o o s tc u k | l ddd 1 - d |纹波电压 8 l c f , 2r c f , r c l 8 l c f , 2 由表2 2 可知，通常高频的输出纹波与斩波频率同频，幅度与开关电源的 频率和输出滤波器有关。电源的开关频率越高，电感和电容值越大，则输出纹 波越小。 此外，由于d c d c 变换器副边整流二极管存在反向恢复时间，在二极管 由正偏到反偏的过渡过程中，由于二极管的p n 结积累了一定量的电荷而不能 立刻截止，这些电荷存储在二极管的结电容中，该结电容与导线的寄生电感会 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 产生高频振荡，该振荡经l c 滤波器衰减后在电源的输出端表现出高频噪声。 2 1 3 控制环节引起的纹波 开关电源需要对输出量进行闭环控制，如果调节器参数设计得不合理也会 引起纹波。当输出量波动时，输出量通过反馈网络进入调节器回路后可能导致 调节器的自激振荡，引起附加纹波。此纹波电压般没有固定的频率。 2 1 4 共模噪声 在开关电源中，开关功率器件和输出整流管都会发热，需要加装散热器底 板，但这样将形成一个寄生电容。在变压器原边与副边之间也存在寄生电容。 这两个寄生电容构成个共模通道，当矩形波电压作用于功率器件时，开关电 源的输出端将会产生共模噪声，它的大小与输入电压幅值和寄生电容及导线寄 生电感大小有关。 2 2 纹波的抑制措施 2 2 1 采用有源滤波器 对于低频交流输出纹波，如果采用无源滤波措旌，则因纹波的频率较低而 使电容、电感的取值较大，从而增大了体积提高了成本；而采用有源滤波器能 使用较小容量的滤波电容达到较好的滤波效果。图2 2 所示电路是一种有源滤 波器电路，它利用晶体管的电流放大作用，通过把发射极的电流折合到基极， 在基极回路中滤波。冠、c 组成的滤波器使基极纹波很小，这样射极纹波也很 小。由于c 2 的容量小于g ，减少了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率 电源的情况。 图2 - 2 有源滤波器电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 22 采用双变换器方式 在开关电源中采用双变换器方式进行高次谐波抑制是目前常用的方法。如 图2 - 3 所示的双变换器方式，是先把电网电压进行整流，再由p f c 电路对其功 率因数进行改善控制，使输入的电流波形按正弦规律变化，同时利用后级的d c d c 变换器进行输出稳定化控制。 图2 - 3 双变换器方式 2 2 3 采用零电压、零电流开关技术 零电压、零电流开关技术是目前抑制开关电源噪声的一种较新的技术，它 可以使高次谐波抑制和e m i 信号抑制能力得到很大的提高。因为开关电源在 开关工作时，由于储能元件的储存及释放电能是造成电磁干扰的关键原因，因 此，如果能实现开关器件的零电压、零电流开关，就可以有效地抑制干扰。 2 2 4 采用无源滤波器 无源滤波措旌主要是针对高频噪声设计的，其中有利用厶c 滤波，利用 互感滤波等几种方法。由于这种电源噪声的频率较高，所以采用无源上、c 滤 波时、c 的取值较小，因而滤波器的体积也较小。这种滤波器的设计比较容 易但在元件制作和选取时，应注意寄生参数的影响：绕制高频滤波电感时， 应避免线圈重叠，且要均匀分布以减少寄生电容：选择电容时，应采用高频特 性好的陶瓷电容和无感聚丙烯电容，且安装时要尽量靠近以减少分布参数。互 感滤波器在l 、c 滤波器的基础上进行了改进，虽然只增加了一个电感，但是 滤波效果比厶c 滤波器好很多，理想情况下可完全滤掉纹波，所以互感滤波 是一种简单经济而且效果良好的方法。下面将详细介绍互感滤波原理。 2 3 互感滤波的原理 8 0 年代，c u k 把互感应用到如图2 - 4 所示的c u k 电路中“”利用互感滤除 纹波，获得了良好的效果。下面我们介绍互感滤波的原理”= 。”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 匕b e 二 图2 - 4 电感稍台的c u k 变换器c j ” 图2 5 所示电路中一个互感和一个电容组成了一个线性二端口滤波器，其 中互感由线圈a c 和线圈d c 组成。假设电容为无限大，定义a b 端的输入含有纹 波，c d 端的输出已被滤波。a b 端的电压为v = 矿+ 矿，其中，矿为直流电压分 量，矿为交流电压分量。为了说明电容上的电压，由图2 5 得到了图2 - 6 ，图 2 - 6 中电容上的电压为 v o = 矿+ i 1f f 。疵 ( 2 - 1 ) 因为电容无限大，所以cf i c d t = 0 ，那么心= 矿，对于回路a e l b 应用k v l 定 理，线圈0 c 上的电压为交流分量矿。在图2 - 5 所示电路的回路c g e f d 中，线圈 d c 和线圈a c 感应的交流电压方向相反，若参数设计合理，大小均为矿，再次 应用k v l 定理，= + v 一v = v 一，即输出端只有直流分量，理想情况为 旷= 0 。特别强调的是无限大的电容确保了线圈a c 承担了全部的交流电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 a b a b f 图2 - 5 互感滤波原理图 图2 - 6 图2 5 所示的互感滤波原理图中的回路a e f b a c d 假设线圈d e 的自感是三。，线圈a c 的自感是上。，它们的互感是m ，耦合 系数是k ， 七2 瓦m i 2 _ 2 ) 其中0 k 1 ，对于图2 - 5 的t 型等效电路图2 - 7 我们有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 l 4 = m = k o l 。c l n 三日= l 。一m = 三。一女e 。女( 2 3 ) c2 l , t c m = 三“一七上。，l j c 图2 - 7 所示电路是一个二端口网络，如果输出电流为零纹波，电感l ，两端的电 压上，i d i c = o ，那么 d i 一d i b d fd c ( 2 4 ) 在图2 7 所示电路的回路a e f b 中根据上。一岛分压原理，并根据( 2 - 3 ) 和( 2 4 ) 式可以得到电路c d 端的输出纹波与输入纹波电压比为 堇：上：= = - = ：= 吃，+ ， ，硪日 “百 l 百d i a + l b 等l a + l s j 每 b s ， 从( 2 5 ) 式可以得到c d 端输出零纹波的条件为 t = 压 。， 有几点需要强调说明： ( 1 ) 零纹波条件对k 很敏感，如果不能精确地符合零纹波条件，纹波仍然 可以大量地被消除。例如，如果有l 的不相符，即k = 0 9 9 ，等，( 2 - 5 ) 式的 纹波增益是4 0 r i b ：如果有1 0 的不符，纹波增益是2 0 d b 。 ( 2 ) 需要强调的是当电容c 是无限大的时候才可以实现零纹波，如果是有 限值，图2 - 5 所示的电路变成了一个低通滤波器。 ( 3 ) 实际上用互感滤波只比用一个电感的体积稍微大一些。因为电感a c 上只流过纹波电流，所以绕制电感的电线可以做得很细。 在实际电路中，电容的值都是有限的，互感滤波器的传递函数是m 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ：竺：挲盟 p ， 1 + s 2 上。c 、 。 对于低频，纹波增益随频率的变化而变化，高频时则可近似为是1 4 j 每。 2 3 1 二阶低通模式 当零纹波条件满足时，由( 2 7 ) 式可得到： 告= 志1 c p s ， v 。+ s j l 。： 。 这是一个由电感上n c 和电容c 组成的低通滤波器，其截止频率是2 云1 i 。因 为上。， 埤，式中n 为变压器的原边与副边的匝数比。 图3 - 1 全桥移相z v s p w m 变换器原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 q 1 q 2 q 3 q 4 k o 0 ：i i ：! ：! ： - i -l l i 。 _ ： ii 。 ， 1 。 i l _ ： - k i t 越 一z l | | 一斜率= 矽n1 z ： ：t o t t t 2 b n0 t 5 ， ： 、：o 一一 ，：i i 、 【 ! 、 一一p _ - o j k - 一_ ! ： ： ： ： 觥l燃 。g 囵 占空比丢失 图3 _ 2 全桥移相z v s - p w m 工作波形 在上述假设条件下，图3 - 1 所示的全桥移相z v s p w m 变换器在一个周期 内的工作过程如下所述： ( 1 ) 开关模态l 【r o ，f l 】： 在“时刻之前，开关管q i 、q ：同时处于导通状态，变压器原边电流f 。线性 上升，副边整流二极管d ，、d 6 同时导通，处于换流状态。在时刻f 。，d ；、d 。 完成换流过程，d 。关断。这时，变压器原边电流为，。原边电流流经电源正端 流经q l 一漏感“一变压器原边绕组一q 2 一电源负端。副边电流流经副边绕组 的正端一整流管d ，一输出滤波电感三，一负载民一副边绕组的负端。这个时间 段对应的等效电路如图3 3 。在这个时段电路的状态方程为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 三：等= 一n 初始条件为： i p ( 0 ) = 1 1 式中 工= 三+ 开2 工， 解方程式f 3 1 ) o f 代入初始条件可得： 铲半r + 厶 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 在“时刻，令开关管q l 关断，此开关模态结束。原边电流i ，从_ ，上升到其 最大值，即i ，= ，。 ，：譬堕( 卜1 r o ) + ， pr 。 。q ， 一( 3 - 3 ) 在这段时间里，副边滤波电感电流f 玎等于折算到副边的原边电流，即 i 巧= h f p 0 在f o 至 这段时间里的电流增量为： a i 玎= n ( z p 1 1 ) 这段时间的长度为： 五= 揣工z 一h ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 - 3 升夭摸态1 对应的等效电路拓扑 ( 2 ) 开关模态2 【r l ，f 2 ： 在t ，时刻，开关管q 1 关断。原边电流从q l 转移到c 。和c 3 的支路中，电路 中的电感( 由原边的漏电感和副边的滤波电感串联构成) 与电容c 、c 3 产生谐 振，给c 1 充电，同时g 放电。这个时间段对应的等效电路如图3 - 4 所示。此时 我们有： c dve-l：一fp(3-7)dt ， 工2 i d p v。3-nk(3-8) 初始条件为： v 。( o ) = ，f ，( o ) = 解方程式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 并代入初始条件可得： v 。3 = ，1 + ( 一n z o ) c o s o ) 1 t i p z ls i n c o i t = n + y 玉c o s ( o ) 1 t + 卢) ( 3 - 9 ) 铲半s i n q 川8 州= s i n ( 州悃 ( 3 1 。) 式中2 丽i 为谐振角频率 z l 。居为谐振特性阻抗，c = c l + c 3 ， 堕童至堕查兰翌圭竺壅竺兰焦笙窒篁! ! 要 = 厄瓣一一。j c 半) 2 + o 小留。箍。 在此谐振过程中电容g 放电，电容电压v 。，下降，根据式( 3 9 ) 可以得出 c o s ( ( d l t + f 1 ) 0 。当c o s ( o ) l hf 1 ) t 4 + t 。5 ( 4 - 1 4 ) 式中 ：r 。一f 3 ：一( 譬磐) ( 4 - 1 5 ) 咆_ = - bs i n - i 擎竽，= 击s 一磋， 由h - 1 6 ) 式可以得出实现z v s 的最小负载电流为： 厶”崭导 ( 4 - 1 7 ) 对于不同的值，z v s 的范围与的关系曲线如图： 庙蹦胪鳓 图4 _ 8 对于不同的值z v s 的范围 d q 佃| 嘲蚰一翻轴冀埔 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 z v s 消除了容性导通损失，由于减慢了电压上升率，又减小了开关管关断损失， 因此减小了开关管电压和电流的交叠部分。为了减少超前臂i g b t 的关断损失， 可以给i g b t 并联缓冲电容。但是从图4 - 8 可以看出，大的c 。限制了z v s 的 范围。因此，c 。要权衡z v s 范围和超前臂开关管的关断损失而选择。 对于传统的全桥z v s p w m 变换器，在轻载的条件下超前臂也能获得z v s 。 获得z v s 的最小负载电流是： 宁”崭刮号 件 4 2 3 3 滞后臂开关管的z c s 条件 为了获得零电流关断滞后臂开关管，电容c 。的能量要足够大以便通过漏 感“使电流复位。而且原边电流要先于滞后臂关断前减小到零，即根据式( 4 7 ) 得出，需要满足如下关系式： 击甜1 订1 o z ec o s ( ) 丑2 ”d ) ( 4 1 9 ) 吐l n 2 、j 、。 、 把z 。= j 等代入式( 4 - 1 9 ) ，可得： 协厝c o s ( o o 。t s ) 愕圳 从式( 4 1 9 ) 、( 4 - 2 0 ) w 黝了获得z c s ，需要增加c 或者。的最大值 是有限制的，要小于输入电压反射到副边的值堡。然而，太大的g 会增加环 流，此电流并不通过g 传递到负载，这将减小变换器的效率。所以变换器的功 率损失要权衡开关损失和、由软开关引起的额外导通损失而决定。为了提高效率， 需要减小额外的导通损失，所以g 要设计得尽可能小。 目前，全桥移相z v z c s p w m 变换器已广泛应用于实际中，它改善了全桥 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 移相z v s p w m 变换器的不足，而在变压器次级采用耦合输出电感及辅助电路 使初级电流复位的方案又是全桥移相z v z c s p w m 变换器的最佳选择，为了使 其具有更优越的性能，本文再次提出利用互感来减小输出电感的纹波，从而减 小电磁干扰。 4 3 采用互感滤波器的全桥移相z v z c s - p w m 变换器的仿真研究 在9 0 年代，韩国的j wb a c k 曾把互感应用到全桥移相z v z c s p w m 变换 器中，其电路的拓扑结构为图4 4 中的电路( 3 ) ，其电感波形如图4 - 9 ，4 - 1 0 所示： i l o t s w o j + 1 ： 、- k 么 r o ， r ， h p 一 图4 - 9 原电路的电感电流波形 i , o 5 越b j ： 1 r i m e l 2 u g o ， 斟4 t 0 加入互感滤波器后的电感电流波形 从以上两图可以看出互感确实是有效地衰减了纹波。 本文把互感滤波器应用在4 3 节中介绍的全桥移相z v z c s - p w m 变换器拓 扑( 见图4 1 1 ) 上，得到的电路图如图4 1 4 。但是滤波效果不能简单地套用由 - _ z 忑= = 要塞奎望查兰堡主竺窒兰兰堡笙奎 兰! ! 里 两个电感组成的互感的滤波原理。因为图4 1 4 电路的互感由三个电感组成，这 需要进一步分析第三个电感对滤波的影响。在图4 - 1 1 所示的原电路中，谐振电 感l 2 ( 即图4 - 1 4 中的电感l ，) 的电流波形如图4 - 1 3 所示，从图中可以看出在 个周期中有一段时间l ：的电流为零，它对互感滤波器没有影响。在另一段时 恻甲，l 2 阴电搋是燹化的。足义图4 - 1 4 中电感l 、2 、三，的电压分别为v ，、 v ! 、v ，电流分别为i ，、i ：、i ，互感相同为m ，可得到如下关系式： 铲厶鲁+ m 鲁+ m 鲁( 4 - 2 5 ， v ：= m 堕+ l 2 d i , d t d t + m 堕d t ( 4 2 6 )、 j v 3 = m 堕+ m 堕+ l 3 d i 3 ( 4 - d td td t 2 7 ) j j 当没有电感厶时( 4 2 s ) 、( 4 - 2 6 ) 式变成 v ：= 厶d ，i _ 2 l a t + m 拿c l t ( 4 - 2 8 ) 咖肼等+ l 2d出i3_2(4-29) 当满足零纹波条件时，v ：与v ；反方向串联，并且大小相等，当( 4 2 8 ) 、( 4 - 2 9 ) 式 右端同时加上第三项m 等时，v t 与v ：反方向串联，同样大小相等，互相抵消， 实现了零纹波。通过以上分析可以得到，当三个电感耦合时，第三个电感对两 个电感的互感滤波器没有影响。而且原电路中加入了电感l ：后，只是增加了电 容c 。的充电电压，适当地调整电容g 的值，就可保持原电路的工作条件和状 态。所以，互感滤波器应用在此全桥电路上可以降低输出电流纹波，又对电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 没有太大影响。 图4 - 1 1 全桥移相z v z c s - p w m 变换器仿真电路 i ， z i i i ； i 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 s i n 一 m 广_ 、；雌卜弋 l k ，_ ； j；叩 一； 1 i j il ； ii i ii i f i 一! | 一 ； 卜1 f l i r 毫ij l r 、 ： ： ：t ： ： ： 1 0 k v 0 v 一1 o k v 5 0 a o a 口i ( l 1 k ) ： 喜b ： 卜扣 卜 川卜扣一如w 一 | bl l ： ：i ： ! i；i o 4 4 8 u s ov ( s 3 4 6 0 u g c ，s 2 ：c ) t i m e 4 8 0 u s 图4 1 2 全桥移相z v z c s p w m 变换器的原边电流与电压波形图 5 0 0 u s 4 7 0 i u s4 8 0 0 u s 口- i ( l 2 ) t i m e 4 9 0