（电力电子与电力传动专业论文）全桥移相式zvs软开关脉冲电源的研究.pdf

英文摘要 r e s e a r c ho np h a s e - s h i f t e dz v ss o f t - s w i t c hp u l s ep o w e rs u p p l y a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h ee l e c t r o n i cd e v i c e sa r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r ec l o s et op e o p l e sl i f ea n dw o r k ，s ot h e i rr e q u i r e m e n tt ot h e p o w e rs u p p l yi sm o r ea n dm o r es t r i c t n i st h e s i sr e s e a r c ho nf u l lb r i d g ep h a s e s h i f t z v ss o f t - s w i t c hp u l s ep o w e rs u p p l y t h i st h e s i sr e s e a m ht h et h e o r ya n dt h em a i nd e s i g np o l i c yo ft h i sp o w e rs u p p l y t l 忙i n p u to ft h ep o w e rs u p p l yi st h r e e p h a s es c ra n d f i l t e r e d5 0 h za l t e r n a t i n gc u r r e n t , w h i c hi sr e c t i f i e db yt h el a r g es c a l ec a p a c i t o r s ，a n dt h e ni tw a si n v e r t e db ym e a n so f z v sp w mf u hb r i d g ea n dt h ev o l t a g ei sb o o s t e db yt h eh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ； t h i sf u l lb r i d g ec o n v e r t e ru t i l i z e st h et r a n s f o r m e rl e a k a g ei n d u c t a n c ea n dt h ea u t o e c i o u s c a p a c i t a n c eo fi g b tt oa c h i e v ez v s ，a sar e s u l ti td e c r e a s et h es w i t c h i n gw a s t ea n d d i m i n i s ht h ep o w e rb u l k 1 1 1 es a m p l em a c h i n em e tt h ep l a n n e dd e s i g na f t e rt h e o r y r e s e a r c h ，s c h e m a t i cd e s i g n ，a n de x p e r i m e n t ，s o m ea s p e c t sn e e d sf u r t h e rp r o g r e s sa n d i n n o v a t i o n k e yw o r d s ：s o f t - s w i t c h ；s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；z v sp w m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成晨， 撰写成硕士学位论文：全援整揖毯熟珏孟壁、冲皇逝鲍婴宣= ：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或末公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：勰；纱i o ? 净 月，7 二i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将4 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：柳磊导师签名；鼋绐 日期：九尹乡月岁 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 第1 章绪论 1 1 开关电源的发展和趋势 开关电源电路是电力电了电路的种。通常把电力分为交流( a c ) 、直流( d c ) 两大类。因此，基本的电力电子电路就可分为四大类型，即a c d c 电路、d c a c 电路、a c a c 电路、d c d c 电路。顾名思义，开关电源就是电路中的电力 电子器件工作在开关状态的电源。这样一来，如果把上述四大类基本电力电子电 路都看成电源电路，则所有的电力电子电路也都可以看成开关电源电路。在开关 电源出现之前，线性稳压电源已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是作为 线性稳压电源的一种替代物出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源 而产生的。线性电源关键元器件是调整管。工作时检测输出电压得u ，将具和参 考电压u 。，进行比较，用其误差对调整管的基极电流进行负反馈控制。为了使调整 管可以发挥足够的调节作用，调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管 压降。因此，这种电源被称为线性稳压电源。线性稳压电源的直流输入电路通常 是由工作在工频下的整流变压器t 和二二极管整流加电容滤波组成。由于交流电源 电压变化范围有时较大，因此输入电压u 的变化范围也较大。此外，二极管整流 电路所接的滤波电容c 不可能很大，这样u 。就有一定的脉动。但这些都可以通过 调整调整管的压降，使输出电压u 。的精度和纹波都满足较高的要求。线性稳压电 源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量( 精度、纹波等) 的要求，但有 两个严重的缺点：一是调整管工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源 效率很低；二是需要一个工频变压器，使得电源体积大、重量重。开关电源就是 为了克服线性稳压电源的缺点而出现。整流电路是把交流电源直接经过初级整流 电路和初级l c 滤波电路滤波后得到直流电压u 。，再由逆变器逆变成高频交流方 波脉冲电压。由于人耳可听到的音频的范围大体上为2 0 k h z 以下，逆变器的开关 频率大多在2 0 k h z 以上，这样就避免了令人烦燥的噪声污染。逆变器输出经高频 变压器隔离并换成适当的交流电压，再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电 l 第1 章绪论 压u 。姿交流输入电压、受载等变化时，直流输魄电压u 。也会受伐。这喇可以调 节逆黛器输氆豹方渡稼狰嘏毯的宽度，嫒童瀛输穗奄压u 。保持稳定。逆变电路是 开笑电源的核心部分。 工 圈1 1 开关电源原理示意图 f i g ，1 1s w i t c hp o w e rs u p p l yt h e o r yc h a r t 开关电源电路结构比线性稳压电源复杂，假却有几个突出的特点。首先，该 电路中超调节输出电压作用的逆变电路中功率器件都工作在开关状态，并且在使 用软开关时损耗很小，使得电源的效率可达到9 0 以上，甚至9 5 以上。其次， 电路审起隔褰帮电压转换量筝孀静变压器t 是逡籁变簦器，其工俸频搴多戈2 0 k h z 以j ：。因为南频变压器体积可以傲得很小，从两馒整个电源的体积大为缩小，重 量也大大减轻。当然，出于工作频率高，滤波嚣的体积也大为减小。电源由于有 高频变艇器隔离，因而属于隔离型开关电源。逐有一大类常见的直流电源，就是 由晶嘲管控制的相控电源，鞫开关电源相同+ 嬲控电源中的电力电子器 牛也是工 终在嚣荚援态，鬟是其z 掺颠率是王簇5 0 h z ，露不是蹇簇。它豹主黉疑点是遣要 使用一个工频变压器下，便得整个电源的直流输出电压纹波频率仗怒工频的几倍 ( 单相全控桥为2 倍，三相企控桥为6 倍) ，需臻较大的滤波器才商较好的滤波 效果。而开关电源直流输出电压的纹波频率很商，常在2 0 k h z 以上，因此只需要 缀小的滤波器就可以了。囊予捆控电源的开关联搴低，其对控毒的响废速度也魄 嚣关嘏源要镬。按照嚣懿豹习援，开关电源是专指电力电子器箨工律在高频齐关 状态下的电源，因此，开关电源也常被称为高频开关电源，向相控电源则不包括 2 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 在开关电源之内。 开关电源的前身是线性稳压电源。各种电子装置、许多电气控制设备的工作 电源都是直流电源。在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性稳压 电源。由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，它们的体积却 越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就 成了开关电源技术发展的强大动力。新型电子器件的发展给开关电源的发展提供 了物质条件。2 0 世纪6 0 年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管 ( 亦称巨型晶体管) 的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确 定的开关电源的基本结构一直沿用至今开关频率的提高有助于开关电源的体积减 小，重量减轻。早期的开关电源的开关频率仅为数千赫，随着开关器件以及磁性 材料性能的不断改进，开关频率也逐步提高。但当频率达到1 0 k h z 左右时，变压 器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声，并迸一步减小体 积，在2 0 世纪7 0 年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限的2 0 k h z 。这一变化甚 至被称为“2 0 k h z 革命”。后来，随着电力m o s f e t 的应用，开关电源的开关频率 进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度更进一步提高。由于和线 性稳压电源相比，开关电源在绝大多数性能指导标上都具有很大的优势。因此， 日前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了 线性稳压电源。计算机、电视机、各种电子仪器的电源几乎都已是开关电源的领 地。作为电子装置的供电电源，线性稳压电源主要用于小功率范围。因此，在2 0 世十纪8 0 年代以前，作为线性稳压电源的更新换代产品，开关电源也主要用于小功 率场合。那时，中大功率直流电源仍然以晶闸相控整流电源为主。但是，2 0 世纪 8 0 年代起。由于新型开关元器件的不断改良，如绝缘栅晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t e r ) 的出现，功率场效应晶体管m o s f e t 性能的改善，打破了这一 格局。与传统的g t r 相比，i g b t 、m o s f e tt 作频率更高，更易于驱动，具有 突出的优点而没有明显的缺点。因此，它们迅速地取代了g t r ，成为开关电源的 主流器件。在通信领域，早期的4 8 v 以上输出的基础电源几乎都是采用晶闸管相 控电源，现在己逐步被开关电源所取代。电力系统的操作用直流电源，以前也是 3 第l 章绪论 采用晶闸管相控电源，目前开关电源已经成为其主流电源。此外，电焊机、电镀 装置等传统的晶闸管相控电源的应用范围，也逐步在被开关电源所替代。如前所 述，开关频率的提高可以使电源体积减小、重量减轻，但却使得开关损耗增大， 电源效率降低。另外，开关频率的提高也使得电源的电磁干扰问题变得突出起来。 为了解决这一问题，2 0 世纪8 0 年代，出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和 零电流开关电路，这种技术被称为软开关技术。采用软开关技术，在理想情况下， 可使开关损耗降为零，提高效率，使得电源进一步向体积小、重量轻、效率高、 功率密度大的方向发展。经过近2 0 年的发展，对于软开关技术的研究至今仍十分 活跃，它也已经成为应用于各种电力电子电路和一项基础性技术。但是，迄今为 止，软开关技术应用最为成功的领域仍然是在开关电源领域。开关电源和交流电 网连接的电路通常都是二极管整流电路，这种电路的输入电流已不再是正弦波， 而含有大量的谐波，这也使得电源的功率因数很低。当公用电网上接有大量的开 关电源负载时，就会对电网产生严重的谐波污染。最近几年行内常提到“绿色电 源”这个名词。这里所说的“绿色”，主要就是列电网不产生谐波污染，对环境不 产生电磁干扰，当然也包括不产生噪声。随着人们对开关电源技术研究的不断深 化，不但使小功率开关电源的性能进一步提高，并且在中等功率及以上的范围内 使这一技术不断向前发展。目前，开关电源的应用范围越来越广。可以说，除了 很大功率范围以外，凡是用到直流电源的地方，人们都会想到采用开关电源。作 为一项基础技术，开关电源技术必将占据更加重要的地位。基于这个背景，本人 在参阅了大量前人的研究资料后，结合市场上的需求，经过综合衡量，决定采用 移相全桥软开关技术研制2 0 k w 脉冲电源用于等离子体镀膜，使用软开关技术可 以解决开关管工作在硬开关状态下开关损耗大的问题，而2 0 k h z 的开关频率可以 使样机的体积大大减小，噪声也能为人耳所接受。 铜膜制备技术一般应用于传统的金属表面处理，以改善金属表面性能，如提 高其耐腐蚀性等。近年来，其在微电子领域也得到了越来越广泛的应用。随着集 成电路( u l s l ) 中元件的不断缩小，集成度和工作频率不断提高及线宽减小，对多层 布线中内连导线的热稳定性、力学强度等要求也越来越南。磁控溅射镀膜技术优 4 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 势愈加显著，其具有f 列优点2 卅：( 1 ) 膜与基体之间结合好：( 2 ) 磁控溅射电离度高， 使生长的膜致密性好、针孔少、膜层纯度高；( 3 ) 沉积膜成分可控性好，且无大颗 粒出现。非平衡磁控溅射与射频电感耦合等离子体( i c p ) 增强电离结合起来可形成 一种离效高电离度的沉积技术本文就是针对该种装置专门研究开发的种脉冲电 源。其原理图如图1 2 所示。 1 磁极2 阴极3 偏压电源4 阳极 5 射频线圈6 真空象，7 墓片台，8 屏蔽罩 图1 2 真窄电镀原理圈 f i g 1 , 2 p l a s m ad e p o s i t i o nt h e o r yc h a r t 1 2 本文主要内容 本文的主要章节安排如下： 第一章绍论。主要介绍高频开关电源的一些基本概念、目前的状况等背景知 识。 第一章软开关技术介绍。介绍本课题所选用的主拓扑方案、其工作原理分析 以及设计过程中的全桥上的一些应该考虑的问题。 第三章离子体镀膜软开关电源的研制。本章是本文的重点，主要介绍各部分 功能电路的设计、一些主要功率元器件的选用以及定量分析等。 第四章损耗分析。分析采用软开关后的功率损耗情况，深入研究如何提高电 源的能耗问题。 5 第1 章绪论 第五章仿真与样机实验结果。列出实验过稃中的实验结果波形。 第六章总结。对本人的研究成果进行了系统的总结和概括，并就进一步研究 提出建议和展望。 6 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 第2 章软开关技术 随着工农业的发展，大功率用电设备的容量不断增大，对电能质量的要求也 越来越高，因此对大功率、高效、环保的需求也日趋强烈。软开关技术则相应发 展，软开关技术直接的减小了功率损耗，提高了整机效率，减少电磁干扰，对电 源技术发展具有重要的意义。 2 1 软开关技术的意义 为提高逆变器输出功率，输出电压的波形质量，减小逆变器体积、重量，出 现了许多好办法。但提高逆变器输出功率还是需要通过提高单台逆变器的功率密 度、输出质量。而提高逆变器的开关频率是一个很好的解决途径，但提高逆变器 的开关频率又带来了一些新的问题，其中主要的有增加了开关管应力、电磁干扰 ( e m i ) ，增加了开关损耗，降低了逆变器的可靠性 1 和效率。功率开关管开关 瞬时的损耗示意图参见图2 1 。从该图可以看出在硬开关状态下，在功率管开通 和关断的两段时问里，功率管功率损耗的大小是非常可观的。 l r j 0 擗r d p d ， 1 l 门 八 图2 1 功率管开荚损耗波形 f i g 2 1p o w e rs w i t c h e r o n - o f f w a s t a g e w a v o 7 第2 节软开关技术 为减小开关损耗，提高功率管的可靠性有人提出了采用缓冲电路。但缓冲电 路只是将开关损耗转移到了缓冲电路，电源系统的效率仍未有改善。在缓冲电路 的基础一上，卜世纪7 0 年代有学者提出了软开关技术，试图通过软开关技术，实现 开关器件的霉电压或零电流开关转换。从而解决高频开关状态下的开关损耗、开 关应力和电磁干扰的问题，同时保证变换器的效率，并成功地应用存了直直变换 器上。到8 0 年中后期出现了软开关逆变器概念，将软开关技术应用在逆变器上， 来根本解决提高开关频率所带来的问题。几十年来，软开关逆变器一直是电力电 子学界研究的热点，下面简述软开关逆变器的发展概况。 2 2 软开关技术的发展 软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多软开关电 路，到目前为止，新型的软开关拓扑仍不断出现。高频软开关技术大致可表示为 以下分类：谐振变换器( 包括串联、并联谐振、准谐振和多谐振) ，有源钳位z v s 变换器及一大类零开关一脉宽调制变换器( 包括z v s z c s p w m ，z v t z c tp w m 和移相全桥z v s p w m 变换器) 。根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电 流关断，可将软开关电路分成零电压和零电流两大类吧其发展的大体形势如表 2 1 所示。 表2 1 高频软开关变换技术的发展 t a b 2 1d e v e l o p m e n t o f s o f ts w i t c h t e d m o l o g y 时间( 2 0 世纪) 名称应用 7 0 年代 串联或并联谐振技术半桥或全桥变换器 8 0 年代初有源钳位z v s 技术单端变换器 8 0 年代中准谐振或多谐振技术单端或桥式变换器 8 0 年代未z c s - p v o , i 或z v s - p w m 技术 l 司f 9 0 年代初移相全桥z v s _ p 删技术全桥变换器2 5 0 w 以上 同上z c t - p 嘲或z v t - p w m 技术单端或桥式变换器 传统的全桥( f b ) p w m 变换器适用于输出低电压、大功率的情况 9 - ，以及电 源电压和负载电流变化大的场合。其特点是丌关频率固定，便丁控制。人们在移 相控制技术的基础上，利用功率管的输出电容和变压器的漏感作为谐振元件，使 8 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 f b p w m 变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关，称为p s f b z v s p w m 变换器。由于减少了开关过程损耗，会保证变换器效率达8 0 9 0 ， 并且不会发生开关应力过大的问题。 2 3 全桥移相7 v s 原理 移相控制z v s 全桥变换器的几个优点： 1 ) 零电压开通，可以降低功率管的损耗，提高开关频率，使变压器、滤波电 感、滤波电容的体积减小，从而整体减小开关电源模块的体积。 2 ) 采用软开关技术，使输出电压的高频谐波减小。 3 ) 对准谐振零电压变换而言，它是一种恒频控制，通过移相来改变占空比， 给设计带来方便。 4 1 与传统的p w m 硬开关变换器相比，仅仅增加了一个谐振电感，电路的成 本和复杂程度没有增加。 图2 2 主电路结构图 f i g 2 2m a i nc i r c u i tf r a m ec h a r t p w m 移相全桥z v sd c - a c 逆变电路在大功率逆变电源中，有诸多丰电路 拓扑可供选择，如硬开关p w m 式、串联谐振式、p w m 谐振式及z v s 相控p w m 9 第2 节软开关技术 式警簿。当然按主电路缨褥斡差冥其控制燕曝秘电路器件氇随之不阕。分辑实践 指壅：z v s 耱控p w m 方式因箕具舂开关损耗奎，秀关强度低，魄效率高，可控 性好等诸多优点，目前融成为大功率逆变电源静选的设计方案，本商频电源的主 电路也采用此电路结构。本电源的主电路图如阁2 2 所示。 舆有软歼关技术的全桥移相控制零电压开荚p w m 变换器( f u l lb r i d g ep h a s e s h i f t e dz e r ov o l t a g es w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r ) ，遘豢筵称为全援z v sp w m 交换 器懿主要原理是利用变蘧器鹃漏惑或原边串联电感和功率管豹寄生电容或外接电 容采宓观零电压开关，其电路结构如图2 2 所示，其中d 。d 。分别是q q 的 内部哿生二极管，c 。c 。分别是q 。q 的寄生电容或外接电容。l ，是谐振电 感，它主要为变压器的漏感。每个撬臂的魄个功率管成1 8 0 匿补搏邋，两个轿臂 戆譬逮稳差一令穗应，朝移穗是。透过调节移耱是的大奎寒诿苇浚霸躲萍戆宽瘦。 q 。_ 鞫q ，分别超前于q ：和q 。一个相位，并称q ，和q ，组成的轿臂为超前桥臂，q ： 和q 。组成的桥臂为滞后桥臂。它的工作原理慰利用变压器的漏感l ，或原边串联 电感和功率管的寄生电容戏外接电容c 。( 例如i = 1 ) 谐振，漏感储能向c 。释放过 程孛，镬c ，电嚣逐步下海剃零，q ，薅蠹二缀锋d ；开逶，翅造了q 豹零电压开逮 ( z v s ) 条件。图2 3 给出了变换器四只功率管的导通关系强及变压器原边电压v 0 和原边电流i 。的波形图。农分析之前，做出如下假设： 1 ) 所有开关管、二极篱均为理想器件； 2 ) 掰毒电感、电容稃变压器均为理想嚣馋； 3 ) c l = c 3 = e ，c 2 = c 4 = c 堍； l o 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 q 1 1 龟 l q ，1 l l 钆 ! | 耋 q | q ：! ，辛毒 ii | l ： 知组n r 51 曳 i 、卜心z冀l ；l li llli t o 气t f t i l il i ； t ：吣；， 图2 3 主要波形原理图 f i g 2 3m a i nw a v et h e o r yc h a r t ! ! i l l l 硅l 图2 3 给出了该变换器在不同开关状态f 的电路。各开关状态的工作情况描述 如下 - 1 5 】： 1 1 开关模态0 在t 。时刻之前，对应于图2 4 ( a ) 。q ，和q 。导通。原边电流由电源正经q 。， 谐振电感l ，变压器原边绕组以及q 。，最后回到电源负。 2 1 开关模态l 【t o , t 】，对应于罔2 4 ( b ) 。在t 。时刻关断q l ，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 个时段里，谐振电感l ，作为储存能毒的元件。原边电流i 。缓慢下降。由于谐振电 感l ，在本电源中可以选择较大的量值，因此可以认为原边电流i 。近似不变，类似 于一个恒流源。这样原边电流i 。和电容c 、c ，的电压为： i 。= i p ( t 。) = i ( 2 1 ) 第2 节软开关技术 ( t ) ：忐t v 。3 ( t ) = v m 走t ( 2 2 ) ( 2 3 ) 存t 。时刻，c ，的电雎下降到零，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： t 。，：丝出( 2 4 )o 】= 。2( 2 4 ) 1 1 3 ) 开关模态2 【t 。，t z 】，对应于图2 5 ( c ) 。d ，导通后，开通q ，。虽然这时候q ，被开通，但q 3 蒡没有电流流过，原边电流由d ，流通。由于是在d ，导通时开通q ，所以q ，在零 电压开通aq ，和q 驱动信号之间的死区时间t d ( ) t 即： t 蛳) 刍 ( 2 5 ) 1 i 4 ) 开关模态3 【t ：，t 3 对应于图2 4 ( d ) 。在t 2 时刻，关断q 。，原边电流i 。由c ：和c 4 两条路径 提供，也就是说，原边电流i 。用来抽走c ：上的电荷，同时又给c 。充电。由于c ：和 c 。的存在，q 在零电压关断。此时v i b = 一v 。，v 。的极性自零变为负，v 。直接加 在谐振电感l ，上。因此在这段时间实际上谐振电感和c ：、c 在谐振工作，原边电 流i 。和电容c ：、c 。的电压分别为： i p = 1 2 c o s ( o ( t - t 2 ) ( 2 6 ) v e 4 ( t ) = z p i ：s i n o 。( t t 2 ) ( 2 7 ) v 。2 ( t ) = v m z p l 2 s i n c o ( t t 2 ) ( 2 8 ) 其中，z 。= 在t ，时刻， l ，= ；= = = = = o 2 l ，c 崦 当c 。的电压升到v 。，d ：自然导通，结束这一开关模态。开关模 1 2 仨 仝桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 态3 的持续时间为： b 2 扣1 去1 厶， ( 2 9 ) 5 ) 开关模态4 【t 3 ，t 4 】，对应于图2 5 ( e ) 。在t 3 时刻，d ：自然导通，将q ：的电压箝在零位， 此时就可以开通q ：，q ：在零电压开通。q ：和q 。驱动信号之间的死区时间 t a ( h g 】 t 2 3 ，即： 扣去1 仁 二， 虽然此时q ：已开通，但q ：不流过电流，原边电流由d ：流通。原边谐振电感 的储能回馈给输入电源。电源电压v l 。加在谐振电感两端，原边电流线性下降。原 边电流为： i ，2 i ，( t ，) 一( 1 - t 3 ) ( 2 1 1 ) t 。时刻，原边电流从i 。( t 。) 下降到零，二极管d ：和d ， 自然关断，q ：和q ，将开始流过电流。 开关模态4 的时间为： t 矿掣 1 z ，3 4 2 0 音0 2( 2 2 ) 1 3 第2 章软开关技术 矗) 蝣封捌 f 秘辩j 麓 6 ) 开关模态5 奄n l 两 l ”# 黝l 霎l 缸薄 i 抑脚嗡 强2 ，5 蚤于 关靛态的等效魄路 f i g 2 5e q u i v a lc i r c u i t so f c a c hs w i t c hs t a t e 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 【t 。，t ，】，对应于图2 4 ( o 。在t 时刻，原边电流由正值到零，并且向负方向增 加，此时q ：和q ，为原边电流提供通路，原边电流反向增加。电源给负载供电，原 边电流为： i ，= 一告h ) ( 2 1 3 ) 在t 。时刻，q ，关断，变换器开始另一个半周期的工作，其工作情况类似于上 述的半个周。 综上所述z v s ，p w m 变换器的运行状态可归结为表2 2 。 表2 2z v s p w m 变换器惆期运行模式 t a b2 2z v s p w mc o i i v e l t c rc y c l em o d e 时间间隔 t o t 2t 2 t 4t 4 t 5t 5 t7t 7 t 9t 9 t i o 导通次序 q 4 ，d 3 ，q 3q 3 ，d 2 ，q 2q 2 ，q 3q 2 ，d i ，q iq l ，d 4 ，q 4 q ，q 。 z v s 时序 q ，q ，q 。，q ：q ，q 。q ：，q 。 全桥z v s - p w m 变换器具有开关损耗小、可实现高频化、控制简单( 脉宽恒 定，只控制移相) 、恒频运行、无需吸收电路、电流电压应力小等优点，但同时也 存在一些不足，当负载很轻时开关管的z v s 难以实现；原边可能会有环流使导电 损耗增大。 1 5 第3 幸仝桥移相z v s 软开关脉冲电源的研制 第3 章全桥移相z v s 软开关脉冲电源的研制 本章采用上一章提到的z v s p w m 全桥变换器拓扑研制高频软开关脉冲电源 工程样机，主要技术指标如p ： 1 ) 输入交流电压：j 相3 8 0 v a c 2 0 ，5 0 h z 2 ) 输出电压：0 v d c 1 0 0 0 v d c 3 ) 开关频率：2 0 k h z 4 ) 整机效率：n 9 0 5 ) 工作温度：0 摄氏度斗7 0 摄氏度 3 1 主电路结构 开始设计开关电源时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。开关电源的设计中， 拓扑的类型与电源各个组成部分的布置有关。这种布置与电源可以在何种环境下 安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。这也是设计中性能价格折衷 的关键点。每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率 受到限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。在一种应用场合下有 好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。选择最合 适的拓扑要考虑的主要因素有： 1 ) 输入输出是否要隔离变压器? 2 ) 加在变压器一次侧或电感上的电压值有多大? 3 ) 通过开关管的峰值电流多大? 4 ) 加在开关管上的最高电压是多少? 如图3 1 所示。本机土电源结构包括： 1 ) 移相全桥主功率电路； 2 ) 输入整流滤波电路： 3 ) 高频变压器； 4 ) 谐振电感。 1 6 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 一相 市电 输入 门厂r ， 一i 料 一i j ll- = 广= 1 巴 削 邕一 掰 门 7 r i 薛 * r 门 1 l = 厂i i ： 品虾 jl - r 一1 一 一 j j 一 f 可e 硅摧：流控翮 ! 移娥 桥 j | 圈3 1 主电路图 f i g 3 1m a i nc i r c u i td i a g r a m 3 1 1 全桥逆变拓扑的设计 主电路的拓扑选择要考虑到开关管的电压应力、电流应力以及电源使用所在 地的交流电网情况，当然，还得结合客户的成本要求。在一定程度上，电源的输 出功率与开关管的数量成正比关系。从电源的设计指标看，由于输出电压 v ，。= 2 0 0 0 v ，即便是交流输入采用三相输入，也必须有变压器进行升压才可能达 到v p = 1 0 0 0 v ，而且输出为交流方波，所以在这个电源中是必须使用变压器的。经 过初步的选择，只有推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器可以选择。假设它们 的交流输入都为三相3 8 0 v ，整流滤波后直流电压为5 3 0 v 左右。再分析开关管关 断时承受的电压应力和导通时流过的电流，全桥拓扑是最优结构。综合这些因素， 我们选择全桥变换器为本电源的全桥拓扑。 全桥电路，它由q 。、q 2 、q 3 、q 。四个主功率i g b t 和c 。、c 3 、c ：、c 。四 个谐振电容组成，通过控制芯片u c 3 8 7 5 输出移相控制信号对四个i g b t 进行控 制，以在a 、b 两端得到脉宽可调的高频交流方波电压。通过改变全桥两臂对角线 上下两管驱动电压移相角的大小来调节输出电压，让超前臂管控制脉冲领先于滞 1 7 第3 章全桥移相z v s 软开关脉冲电源的研制 后臂管控制脉冲一个相位，并在1 c 控制端对同一桥臂的两个反向驱动电压设置不 同的死区时间，巧妙的利用变压器漏感和功率管输出端结电容和原副边之问的寄 生电容来完成谐振的过程，实现零电压的开通，就能错开功率器件大电流与高电 压同时出现的硬开关状态，抑制感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高，以减 小开关损耗与干扰。 31 2 三相可控整流滤波的设计 在选择了全桥拓扑的情况下，下面我们来比较一下单相2 2 0 v 输入与三相3 8 0 v 输入的区别。假如选择单相2 2 0 v 输入，整流滤波后直流电压为3 1 0 v ，那么为了 达到输出v o = 1 0 0 0 v 的话，初次级绕组匝比k = o 2 5 。假如选择三相3 8 0 v 输入，整 流滤波后直流端电压为5 3 0 v 左右，为了达到输出气= 1 0 0 0 v 的话，考虑各部分损 耗，初次级绕组匝比约为k = o 5 。可以看出来，选择三相交流3 8 0 v 输入，除了可 以较少次级绕组匝数，从而减小变压器的铜耗和降低变压器的温升，还可以降低 初级电流，从而减小开关管的电流应力。结合当地电网情况，综合这些因素考虑， 选择三相交流3 8 0 v 输入是本电源的最好方案。 选择了三相交流3 8 0 v 输入，所以选择三相全桥可控硅整流是完全合适的。整 流滤波电路如图3 1 所示。为了提高整个电路的可靠性，我们采用了专门厂家市场 化生产的三相全桥可控硅整流触发控制扳，这种控制板外观整洁，体积小，运行 可靠，使用简单，只需连接好三相电压同步信号，并设置好过压过流保护电路， 就能直接输出三相可控硅触发控制信号，通过一个给定电压电位器的调节，很容 易实现整流输出电压的调节。为了抑制电网电压可能给电源带来对可控硅管带来 d v d t 的冲击，我们在三相交流输入之间并联了三个r c 阻容缓冲电路。滤波电解电 容的容量是根据输出功率定的，而且滤波效果与容量和e s r ( e q u a ls e r i a l r e s i s t a n c e ，等效串联电阻) 有关，一般来说电容容量越大，e s r 越小滤波效果越 好。对滤波电容器的选择如下： 为了得到平滑的负载电压，一般取 1 8 全桥移柏式z v s 软开关脉冲电源的研究 rl c ( 3 5 ) ( 3 1 ) 负载电阻r l _ 睾= 等_ 5 0 n 驭r l c = 3 x t 2 = 1 5 x 丽1 = 。3 s 1 撼3 1 锝滤波电容c = 詈= 等_ 6 0 0 0 u f 并且由于输入直流最高电压为v d c 【一) = 5 0 0 v ，所以我们选择两个3 3 0 0 u f 4 0 0 v 的电解电容串联，此外我们知道，电解电容的寿命很大程度上决定了电源的寿命， 而电解电容的寿命很大程度上又决定于其温升，所以为了降低电解电容t 作时的 温升，我们应该尽量选择等效串联电阻e s r d x 的电解电容；电解电容，放置不用， 自身的漏电会增加，一所以买来电解电容后要通通电，也就是要给电解电容一个 激励过程，这样漏电流就会减小；在意外情况下发生跳闸保护时，电解电容存储 的能量很难释放掉，为了保证安全性，应该在每一个电解电容的两端并联一个释 放电阻，考虑电损耗问题，我们在电解电容两端分别并联了两个1 0 0 k q 门5 w 的电阻。 我们知道，输入电解电容不仅起到滤波稳压的作用，它还要给变换器提供高频电 流，但是电解电容低频性能好一些，而高频性差一些，所以为了使整流滤波后的 直流电压更稳定，我们在电解电容( 串联后) 两端并联了一个1 5 u 仃1 2 0 0 v 的无感聚 脂薄膜电容，从实验效果看，这个电容对稳压的效果是有帮助的。 3 1 3 选取功率管 开关电源中用到的开关管一般为v m o s f e t 或i g b t 1 ) v m o s f e t v m o s f e t ( 功率m o s f e t ) 的成本和导通损耗与双极型晶体管相当，开关速度 却快5 倍。v m o s f e t 是压控型元件。为了驱动v m o s f e t 进入饱和区，需要在 栅源极间加上足够的电压。以使漏极能通过预期的最大电流。v m o s f e t 的开关速 度和栅源极电容c 。充放电有很大关系，使用者无法降低v m o s f e t 的c 。，但町 1 9 第3 章全桥移相z v s 软开关脉冲电源的研制 降低驱动电路内阻见减小时间常数，加快开关速度。v m o s f e t 只靠多子导电， 不存在少子存储效应，因而关断过稃非常迅速。它的开关时间典型值是4 0 - - 8 0 n s ， 工作频率可达1 0 0 k h z 以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件静态时几乎 不需要输入电流。但在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。 开关频率越高，所需要的驱动功率越大。虽然v m o s f e t 的开关速度很快，但是 它的电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过1 0 k w 的电力电子装置。 2 1i g b t i g b t ( 绝缘栅极双极型晶体管) 是m o s 结构双极型器件，是功率m o s f e t 和 双极型晶体管组成的复合器件，具有功率m o s f e t 的高速性能与双极型的低导通 电阻性能的功率器件。i g b t 根据封装的不i 司，i g b t 大致分为两种类型：一种是模 压树脂密封的三端单体封装型，从t o 一3 p 到小型表面贴装都已形成系列；另一种 是把i g b t 与f w d ( f l e ew h e e ld i o d e ) 成对地( 2 或6 组) 封装起来的模块型，主要应 用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成 系列化。i g b t 中双极型p n p 晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但 也引入了少子存储效应，因而i g b t 的开关速度低于功率m o s f e t 。它的另一个 缺点是有比较长的拖尾电流，会增加开关损耗，这也是限制i g b t 频率提高的一个 因素。i g b t 与v m o s f e t 有相同的栅极驱动特性，v m o s f e t 的驱动i c 用在i g b t 上也可以很好地工作 从上面的介绍，再结合本电源的技术指标，由于开关管关断时诈= 5 0 0 v , 根据 经验，需要留一定的余量，一般按2 v t 选取，再加上原边漏感可能造成的电压尖 峰，所以在本电源中，我们选取、，慵。= 1 2 0 0 v ；同时原边最大电流i 。= 4 0 a ，为了 保证其可靠性，也按2 i 一来选取，在这里，我们选取i 。= l o o a 。这两个参数就 决定了我们只能选用i g b t 作为开关管。通过查询，我们选择了德国s e m i k r o n 公司产的s k m1 0 0 g b1 2 3 d 。其耐压和电流额定均符合上面的要求。另外该型号 i g b t 的c 。为3 3 0 0 p f ，以此内含电容值来和谐振电感产生谐振来看其谐振需要的 能量值是比较大的。 2 0 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 3 14 功率变压器的设计 功率变压器起到隔离和升压的作用，它有一个原边绕组、一个副边绕组以及 一个控制绕组。开关电源中的磁性元器件在电路中与半导体开关器件相连接，故 其性能的优劣不仅影响功率变换器的性能指标，而且会影响电路工作的可靠性， 甚至会导致开关器件的损坏。加上高频器件的特点，所以存设计时需对一些问题， 诸如瞬态饱和，漏感、集肤效应等问题加以特殊考虑【1 6 - 1 7 。本电源因为所采用的 拓扑是移相伞桥电路，所以，此类变换器的铁心线圈外加励磁电压或电流工作在 一个纯交变量，正负半周的波形、幅值及导通脉宽都相同。 1 ) 选择磁感应强度 根据经验，以及为了减少磁芯的磁滞损耗，以降低温升，我们选取最大工作 磁密b m = 8 0 0 g s 。 2 ) 计算原边线圈匝数 根据公式 n i - 祟 吼5 ( 3 2 ) 4 b 。c a 。 、7 在此我们取n = 2 2 匝 3 1 计算副边线圈匝数。 由于输出电压最高值为1 0 0 0 v ，变压器初次级匝数比k = 0 5 ，根据变压器匝比 关系可得 n 2 = = 2 2 0 5 = 4 4 ( 3 3 ) 4 1 选择铁心 根据经验和所学知识，我们选取铁氧体磁芯，同时由于该电源处理功率很大， 所以我们选取四副u 型磁芯组成一副e 型磁芯。通过面积乘积法，我们选择的磁 芯如图3 - 2 所示( 组成e 型后) 。 2 l 第3 章仝桥移相z v s 软开关脉冲电源的研制 图3 2e 型磁芯图 f i g 3 2em o d e lm a g e u cc o r ep i c t u r e 5 ) 绕制方法 为了减小漏感和减小邻近效应的影响，通过分析，在此我们采用初次级交错 绕法，将初级平分为两部分绕在次级的两侧。 31 ，5 谐振电感的设计 在主变压器原边串接附加谐振电感工，可促进变换器实现z v s 。因同一桥臂 的两只并联电容，在开关转换时问的充放电场能量达w 。= ( 1 2 ) c ：；e 。2 ，即一充一 放的电容储能变化高达c ：。e 。2 ，这么大的电场能量是需要电感中的磁能来转换的。 为顺利完成并联电容充放电，使并接二极管导通钳位，总希望有足够大的电感储 能，来帮助电容器中的电荷快速实现转变。则： - il 。x 1 2 2 c 2 4 e c 2 ( 3 4 ) 但过大的附加谐振电感三，又会延长原边电流下冲和上冲、过零反向换流的 时间，影响了死区时间的选择，进而干扰了电源的运行安全。结合死区时间的设 置( 关于死区时间的设计在3 2 2 一节中有详细地介绍) ，谐振电感选用1 0 u h 。磁 芯选用e e 型。 3 2 控制电路 本变换器的移相控制通过u c 3 8 7 5 t 疆1 及其外同电路来实现。u c 3 8 7 5 是属于 u c l 8 7 5 家族的软开关电源移相p w m 控制专用集成电路，可分别实现两个半桥开 2 2 全桥移相式z v s 软开关脉冲电源的研究 关电路的相位移相控制与高频下的恒频z v s 软开关控