（电力电子与电力传动专业论文）基于zvzcs变换的电动汽车充电电源研制.pdf

a b a s t r a c t i i i d e s i g n o fp o w e r s u p p l yf o re l e c t r i cv e h i c l eb a s e d o nz v z c s f b c o n v e r t e r p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e r h u j i n g v i c ep r o f z h e ns h o u s e n a b s t r a c t w i t ht h ei s s u eo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n e r g yc r i s i sw o r s e n i n gd a yb y d a y , t h er e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so fl o w - p o l l u t i o na n dh i g he n e r g y e f f i c i e n te l e c t r i c v e h i c l e sh a v eb e c o m et h er e s e a r c ht r e n di nt h ea u t o m o t i v ea r e an o w a d a y s a sa n e c e s s a r ya u x i l i a r ye q u i p m e n ti ne l e c t r i cv e h i c l e s ，t h er e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l yi s o n eo ft h ek e yf a c t o r si nt h ep r o m o t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e sf o ri t ss a f e t y ，e f f i c i e n c y a n dp o r t a b i l i t y a sar e s u l t ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g h l ye f f i c i e n ta n dr e l i a b l e r e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l yh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c h e si nt h ef i e l do f e l e c t r i cv e h i c l e s t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h es t u d yo ft h ei m p o r t a n ti s s u e so f c o n t r o ls t r a t e g i e so fp h a s e - - s h i f t e df u l l - b r i d g ec o n v e r t e ra n dt h ec i r c u i tt o p o l o g yb a s e d o nt h ep h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g ed cc o n v e r t e r , a n de x p l o i t sas e to fr e c h a r g e a b l e p o w e rs u p p l yw h i c hi sa p p l i c a b l et oe l e c t r i cv e h i c l e s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea s f o l l o w s ： t h ec h a r g i n gm e t h o d so fr e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l yi ne l e c t r i cv e h i c l e sa n d s o f t - s w i t c h i n gf u l l - b r i d g et e c h n o l o g yw i 也i t sp r o s p e c t si nt h e f i e l do fp o w e r e l e c t r o n i c sa r ei n t r o d u c e d av a r i e t yo fc h a r g i n gm e t h o d so fb a t t e r i e sa r ec o m p a r e d t h et h e o r yo ft h ep h a s e s h i f t e df u l l - - b r i d g ed cc o n v e r t e ri sa n a l y z e da n ds o m e k i n d so ft h em a i nc i r c u i t st o p o l o g yo ft h e z e r o - v o l t a g ez e r o c 眦e n ts w i t c h i n g ( z v z c s ) p h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g et r a n s f o r ma r ec o m p a r e d az v z c sp h a s e s h i f t e d f u l l b r i d g ew i t has i m p l ea u x i l i a r yc i r c u i ta st h em a i nc i r c u i t st o p o l o g yi ss e l e c t e da n d t h ec o m p o n e n t so ft h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya r ed e s i g n e d ，c o m b i n e dw i t ht h es p e c i f i c i va b a s t r a c t p a r a m e t e r so ft h er e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l y a na n a l y s i so fs m a l l - s i g n a lm o d e li s d o n ef o rt h ei d e n t i f i e dt o p o l o g yb ym a t l a b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a b i l i t yo f t h ei d e n t i f i e dm o d e li sw e l la n di ti sa b l et om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a p o w e rs u p p l yh a r d w a r eo fs y s t e mb a s e do nd s p t or e a l i z et h ef u n c t i o n so ft h e c o n t r o lo fp h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g e ，t h em o d u l a t i o no fo u t p u tc u r r e n ta n dv o l t a g ea n d t h ep r o t e c t i o no fo v e r - v o l t a g ea n do v e r c u r r e n t as o f t w a r eg e n e r a t i o nm e t h o do f p r o d u c i n gp h a s e s h i f t e dp w mp u l s eo n l yu s i n gf o u rp w mp o r t so fd s p i sp r o p o s e d a n dt h ep r o c e s sf l o wc h a r t so ft h es y s t e mm a i np r o g r a mi n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a ma n d t h ek e y b o a r da n dt h el c d d i s p l a yp r o g r a ma r es h o w n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i so fp r o t o t y p ea r eg i v e n t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ez v z c sc a nb ew e l lr e a l i z e d k e y w o r d s ：r e c h a r g e a b l ep o w e rs u p p l y ，p h a s e s h i f t e df u l l b r i d g e ，z v z c s ，d s p 原创性及论文使用授权声明 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者躲翻锡 日期：m 年多月歹e t 导师酶窆鹏双 日期多垆够月f 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名卅锡 日期：降z 月r 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着汽车工业的飞速发展，汽车的普及虽然改善了人们生活质量，但其作为 一个流动污染源，也给人类的生存环境带来了一定的危害。汽车尾气污染已成为 全球性问题，受到世人关注。另一方面内燃机的广泛应用使有限的化石能源正以 惊人的速度减少，能源危机已展现在人类面前。面对能源危机和汽车尾气污染问 题，把可以节约或替代石油的节能与新能源汽车产业的发展纳入到国家能源发展 的战略中是必然的。我国1 9 9 6 2 0 1 0 年新能源和可再生能源发展纲要中明 确指出n 1 ，加快新能源和可再生能源的发展和产业化的建设。2 0 0 9 年2 月，财政 部联合科技部、发改委和工信部部署节能与新能源汽车发展。 同燃油汽车相比，电动汽车极具吸引力。1 ：第一，电动汽车是以动力蓄电池 作为汽车的动力，因此可以保证能量来源比较广泛；第二，以电能作为动力，可 以保证汽车具有较高的效率；第三，以蓄电池的电能作为动力，能够改善汽车的 性能，使汽车噪音小，无大气污染。由于电动汽车的上述诸多优点使得电动汽车 研发和应用成为当今世界汽车领域的发展趋势。 但当前电动汽车的研究也存在许多需要解决和完善的问题，尤其是在动力电 池及其高效的充电电源设备方面显得更为突出。由于车载蓄电池充电电源设备是 电动汽车不可缺少的子系统之一，它的功能是将电网的电能转换为电动汽车车载 蓄电池的电能。因此，如何建立高效的充电系统，使电动汽车的充电像内燃机汽 车加油一样方便，是推广电动汽车的重要关键问题。发展高效可靠的充电电源己 成为电动汽车领域的重点研究方向之一口1 。 1 2 电动汽车充电电源的研究现状 电动汽车的充电技术是电动汽车投入市场前必须解决的技术问题。电动汽车 电池充电方式可分为两种形式n m 私1 ：感应耦合式充电和接触式充电。 2中山大学硕士学位论文 1 2 1 感应耦合式充电n 2 5 ， 感应电力传输技术( t p t ) 首先由新西兰奥克兰大学包迩斯( p r o f b o y s ) 教授 为首的课题组于上世纪8 0 年代提出，该技术利用现代电力电子能量变换技术、 磁场耦合技术，将传统变压器的感应耦合磁路分开，实现电源与负载单元之间无 物理连接的能量传输。电动汽车感应耦合式充电方式，即充电源和汽车接收装置 之间不采用直接电接触的方式，而采用由分离的高频变压器组合而成，通过感应 耦合，无接触式地传输能量。 美国汽车工程协会根据系统要求，针对电动汽车的感应式充电方式制定了对 应的s a e j - 1 7 7 3 充电标准。对于感应耦合式电动汽车充电，s a e j 一1 7 7 3 推荐采用 三种充电方式，分别是应急充电方式、家用充电方式、充电站充电方式。可根据 不同的充电功率要求，选择不同的充电方式。感应电力传输技术可以解决接触式 充电方式的因导体裸露而不安全等缺陷。图卜1 给出电动汽车感应耦合充电系统 的简化流程图。图中，交流电经过e m i 滤波器，p f c 功率因数校正整流滤波之后 通过高频逆变单元逆变成高频交流电，然后通过感应耦合器将交流电由初级耦合 至次级，再经过一次整流滤波后变换成直流，为电动车的电池充电。 感应充电方式的出现弥补了传统传导充电的不足，且具有安全性好，适应性 强和操作方便等优点，在大型机电设备、无缆机器人、电动汽车等方面有着广泛 的应用前景。但感应充电技术存在一些难点，比如感应耦合器的设计，反馈信号 的无线传输等，都是现在处于攻关阶段的技术，相信在这些难点得以突破之后， 才会有感应充电的广泛应用。 图1 - 1 感应耦合充电流程图 1 2 2 接触式充电 高频 整流 汽 车 电 池 接触式充电，即采用传统的导线接触方式对载体进行充电。目前，传统的接 第一章绪论 3 触式充电电源可分为：相控电源，线性电源，开关电源。 相控电源是交流电经过工频变压器变压隔离，再经过晶闸管转换成5 0 h z 脉 冲电压，再经过电抗器及输出滤波器滤波，将输入转换成稳定的直流输出电压的 一种充电电源。该电源变压器工作在工频频率，为了使输出电压纹波较小及减小 导通时的电流冲击，要求有较大电感量的电抗器及较大容量的滤波电容，同样的 在输出较大功率时，变压器、电抗器及电容的体积大及笨重，变压器、电抗器铁 损及铜损较大，有温升散热、通风的问题。电源效率只在6 0 - 8 0 左右。 线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等， 线性电源先将交流电经过变压器变压，再经过整流电流整流滤波得到未稳定的直 流电压，经过电压反馈调整输出高精度的电压。这种电源技术很成熟，可以达到 很高的稳定度，纹波小，且没有干扰和噪音。它的缺点在于电压反馈电路工作于 线性状态，转换效率低，需要较大的散热片，需要庞大且笨重的工频变压器，所 需滤波电容的体积和重量也相当大。 开关电源是将交流电先整流成直流电，再通过高频p w m ( 脉冲宽度调制) 信号 控制开关管，将直流电逆变成高频交流方波脉冲电压，逆变输出经过高频电压器 隔离并变换成适当的交流电压，再经过整流和滤波电路变成所需的直流输出电 压。开关电源具有体积小、重量轻( 体积和重量只有线性电源的2 0 - - 3 0 ) 、效 率高( 9 0 以上) 、自身抗干扰性强、输出电压范围宽等特点。 随着电力电子技术和自动控制技术的发展，尤其是大功率高压场效应管等新 型高频开关器件的出现，使得开关器件的速度大大提高，电荷存储时间大大缩短， 从而极大的提高开关频率，实现开关电源的高效化，小型化的特点。由于高频开 关电源的上述优点，使其成为汽车充电电源的发展趋势。 1 3 软开关全桥技术在充电电源中的应用口3 开关电源技术的发展趋势是小型化、轻量化，同时对效率和电磁兼容性也提 出了很高的要求。在一个开关电源装置中，滤波电感、电容和变压器占体积和重 量的很大比例。采取有效措施减小其体积和重量是实现充电电源小型化和轻量化 的主要途径。通过提高开关频率，装置中滤波电感、电容和变压器的体积和重量 将显著降低。 4 中山大学硕士学位论文 所以开关电源的小型化，轻量化最直接的途径是提高开关频率。但在提高开 关频率的同时，开关损耗也随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也会增大， 所以简单提高开关频率是不行的。针对上述问题出现了软开关技术，它主要解决 电路中的开关损耗和噪声问题，使开关频率可以较大幅度提高。 在很多电路中，开关器件是在高电压或大电流的条件下，由栅极( 或基极) 控制开通或关断，其典型的开关过程如图卜2 所示。 p缁p纠- 。 图卜2 典型硬开关过程7 3 开关过程中电压、电流均不为零，出现了电压和电流重叠。则开关导通时刻， 开关器件所消耗的瞬时功率为： p ( ) = 扰( f ) 萝( ) ( 卜1 ) 在开关状态转换的过程中，甜和f 都很大，因此消耗的瞬时功率比通态或断 态时大成百上千倍。通常每个开关器件在一个开关周期中通断各1 次，从而在开 关过程中产生的平均损耗功率通常是通态损耗功率的几分之- - n 数十倍。具体视 开关频率、开关器件类型、电路类型、驱动特征等而定，且开关频率越高，损耗 越大。在开关过程中，不仅存在开关损耗，还能导致开关噪声的产生。上述开关 过程被称为硬开关。 软开关技术是相对硬开关提出来的一1 ，通过在原来开关电路中增加电感、电 容等谐振元件，构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关器件 开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可消除开关过程中电压、电流 的重叠，从而减少甚至消除开关损耗和噪声，这样的电路我们称为软开关电路。 典型的开关过程如图卜3 所示。 第一章绪论5 p _ l j _ _ t a ) p _ 4 + _ t b ) 图1 - 3 典型软开关过程口1 由于其特殊的优点，软开关技术已成为电力电子技术领域的一大研究热点， 并且广泛应用于中大功率的车载充电电源、焊接电源等工业电源领域。广州地铁 的a t c 系列智能高频开关电源充电模块，就是采用移相全桥z c sp w m 软开关技术， 是软开关技术在充电电源领域的一个典型应用。与硬开关相比，软开关充电模块 的开关损耗降低了4 0 ，整机效率提高至9 3 。软开关技术因其众多优点，成为 降低开关损耗、改善电磁干扰、提高系统效率、提高系统可靠性的一个重要手段， 越来越多的受到各个领域的关注。 1 4 蓄电池充电方式的选择 铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到广泛应用。目前对 蓄电池的充电方式有很多种，常规充电方式有：恒压充电法，恒流充电法，阶段 充电法。除常规充电方式外，还有一些快速充电方式：脉冲充电法，变电压间歇 充电法，变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法等= 6 1 。充电曲线如图卜4 所示 1 、恒压充电法 蓄电池两极间的电压维持在恒定值的充电方法。电信装置、不间断电源( u p s ) 等的蓄电池的浮充和涓流充电均采用恒压充电。车辆运行时的起动用蓄电池也处 于近似恒压充电状态。优点是随着蓄电池的荷电状态的变换，自动调整充电电流， 在规定的电压恒定值适宜时，即b - 匕k 保证蓄电池的完全充电，又能尽量减少析气和 失水。缺点在于充电初期电流过大，对电池寿命有很大影响，且容易使蓄电池极 板弯曲，造成报废。 6中山大学硕士学位论文 ( a ) 恒压充电曲线 u i ( b ) 恒流充电曲线 ( c ) 阶段充电曲线( d ) 脉冲充电曲线 图卜4 蓄电池四种充电曲线图阳1 2 、恒流充电法 电池维持在恒定值的充电方法。通过调整充电装置的输出电压使流向蓄电池 的电流值保持恒定。蓄电池的初充电、运行中的蓄电池容量检查等多采用该充电 方法。优点在于可以根据蓄电池的容量确定充电电流值，直接计算充电量并确定 充电的完成时间。缺点在于充电后期，电流过大，容易影响蓄电池的寿命。 3 、阶段充电法 阶段充电法，即如图1 - 4 ( c ) 所示，就是采用恒流法和恒压法相结合的快速 充电法。首先，以恒流充电至预定的电压值，然后改为恒压完成后续充电。一般 两个阶段的转换电压就是第二阶段的恒电压。阶段充电法控制简单，实现方便， 是当今充电设备中应用最为广泛的充电方法。 4 、脉冲充电法 脉冲充电曲线如图1 - 4 ( d ) 所示，利用脉冲截止时，提供电池休息时间，让 电池的电化学反应能获得充分中和，此举可以延长电池的使用寿命，并因有充电 休息时间，所以可以提供较大充电电流脉冲进行充电，以缩短电池充电时间，达 第一章绪论7 到快速充电的目的。 1 5 课题的主要工作 本论文所完成的工作是以珠海市科技项目与企业合作为基础，开发一套适用 于电动汽车的充电电源。该电源采用传统的接触式充电方式，用户通过控制界面 自选充电模式进行充电。通过对全桥变换器控制策略和电路拓扑的比较和研究， 本文采用了零电压零电流( z v z c s ) 开关移相全桥变换器拓扑结构，在实现z v z c s 全桥变换电路中，滞后桥臂采用性价比较高的m o s f e t 代替i g b t 实现零电流开关， 且效果良好。利用该拓扑研制了基于零电压零电流开关移相全桥变换器的充电电 源工程样机，最大输出功率为4 k w ，输出模式自选。 论文第一章介绍了电动汽车用充电电源的研究现状及软开关技术在开关电 源中的应用。第二章比较分析了移相全桥直流变换器的基本原理，对现今几种 z v z c s 移相全桥变换的主电路拓扑进行分析比较，选择一种具有副边简单辅助电 路的零电压零电流( z v z c s ) 开关移相全桥作为主电路拓扑，第三章结合本课题所 需设计电源的具体参数，对主电路拓扑各元件进行了选取和设计，并利用m a t l a b 进行小信号模型分析。第四章针对控制系统的硬件要求，设计了以d s p 为控制核 心的电源系统，实现移相全桥控制、输出电流电压调制和过流过压保护等功能， 第五章采用了只需用到d s p 的四个p w m 口就可以产生移相p w i v i 脉冲的生成 方法，给出了系统主程序、中断服务程序、键盘及l c d 显示程序的程序流程图。 第六章对实验结果比较分析，给出系统的改进方法。 8 中山大学硕士学位论文 第二章：移相全桥直流变换器基本原理 2 1 基本的全桥p w m 变换器暗， 在d c d c 变换器中，b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 等单管构成的 变换器一般应用于中小功率场合，在大中功率场合，一般采用全桥变换器。全桥 变换的控制方式很多，目前研究及应用最多的就是软开关移相控制技术。软开关 移相全桥p w m 技术开始于上世纪末，随着市场对大功率d c d c 变换器需求的增大， 对软开关移相全桥控制的研究也日益增多，越来越受到研究人员的重视。十多年 来，研究出了多种软开关移相全桥拓扑电路。 2 1 1 基本工作原理 p w md c d c 全桥变换器的基本电路结构及其主要波形如图2 1 所示。圪是输 入直流电压，g 幺构成两个桥臂，d i - - d 4 为内部寄生二极管，高频变压器乃 的原副边匝数比为k ，d r l 和d r 2 是输出整流二极管，0 是输出滤波电感，g 是 输出滤波电容，也是负载。通过控制四个开关管，在a b 两点得到一个幅值为圪 的交流方波电压，经过高频变压器的隔离和变压后，在变压器副边得到一个幅值 为v m k 的交流方波电压，然后通过由d r l 和d r 2 构成的输出整流桥，在c d 两 点得到幅值为圪k 的直流方波电压。三厂和c ，组成的输出滤波器将这个直流方 波电压中的高频分量滤去，在输出端得到一个平直的直流电压，其电压值为 圪= d 警，其中d 是占空比，d = z t o p 1 2 ，乙是导通时间，i 是开关周期。通过 调节占空比来调节输出电压圪r s o 第二章移相全桥直流变换器基本原理9 一马 【 吣”】 【 b i il “i 马 飞j 【 d r “imc 小 l c“铡 u o v c o v o i i v h i ? 呲 3 v 肌 3 呲 d v d k ： ：一 l i i ( a ) 基本电路结构( b ) 主要波形 图2 - 1p w md c d c 全桥变换器的基本电路结构及其主要波形陋1 2 1 2 基本控制策略嗍 为了得到输出端的脉宽调制电压，实际只需在高频变压器的副边得到一个交 流方波电压，即在高频变压器的原边得到一个交流方波电压。为了得到这个交流 方波电压，可以通过控制开关管的通断来实现，从斜对角的两个开关管的关断来 看，可以分为两类： 斜对角的两个开关管同时关断； 斜对角的两个开关管关断时间错开，一个先关断，一个后关断。 根据四个开关管的导通情况不同，d c d c 全桥变换器存在+ l ，0 ，一1 三种工作状 态。 ( 1 ) + 1 状态 从图2 1 可以看出，当q 和q 4 同时导通时，加在a b 两点上的电压为正的输入电 压，即：屹占= ( + 1 ) 圪，定义这种工作状态为+ 1 状态。 ( 2 ) 0 状态 在此状态下，q i ( d 1 ) 和q 2 ( d 2 ) 同时导通或q 3 ( d 3 ) 和q 4 ( d 4 ) 同时导通， = 0 = ( 0 ) 。 ( 3 ) 一l 状态 l o 中山大学硕士学位论文 此状态中，q 2 和q 同时导通，v 知= ( 一1 ) 。 根据上面三种工作状态，可知d c d c 全桥变换器有三种切换方式，即： + i - 1 ( 或一l + 1 ) ；+ i 0 ( 或- i o ) ；0 + 1 ( 或o 一1 ) 。 当全桥变换器采用斜对角两个开关管同时关断切换方式时，开关管只出现 + 1 - 1 或- 1 + 1 的切换方式，无法实现开关管的软开关，只能采用r c 或r c d 等有 损缓冲电路来改善开关管的工作状态。 当采用斜对角两个开关管的关断时间相对错开一段时间，即一个开关管先关 断，另一个开关管延迟一段时间关断，将先关断的开关管g 和q 3 组成的桥臂定 义为超前桥臂，将后关断的开关管q 2 和q 组成的桥臂定义为滞后桥臂。根据电 路分析哺。，超前桥臂的开关是+ i 0 和- i 0 切换方式时，只能并且容易实现z v s ( 零电压开关) ；滞后桥臂的开关是0 - i 和0 + 1 切换方式，可以实现z v s 或z c s ( 零电流开关) ，具体根据0 状态时电流的工作模式来确定。 根据超前桥臂和滞后桥臂实现软开关的方式，我们可以将p 1 i md c d c 全桥变 换器的软开关方式分为： z v s ( z e r o - v o l t a g es w i t c h i n g ) 方式：0 状态工作在恒流模式，超前桥臂 和滞后桥臂均实现z v s z v z c s ( z e r o - v o l t a g ez e r o - c u r r e n ts w i t c h i n g ) 方式：0 状态工作在电流 复位模式，超前桥臂实现z v s ，滞后桥臂实现z c s 。 2 2z v s 移相全桥变换器拓扑及工作原理口儿1 0 1 z v s 移相全桥变换器是利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生 电容来实现开关管的零电压开关，其电路结构及主要波形如图2 2 所示。其中 d 1 - - d 4 为内部寄生二极管，c l - - c 4 为寄生电容或外接电容。l r 为谐振电感( 包 括变压器的漏感) 。q 1 和q 3 分别超前于q 4 和q 2 一个相位，q 1 ，q 3 组成超前桥臂， q 2 ，q 4 组成滞后桥臂。每个桥臂的两个功率管成1 8 0 。互补导通，两个桥臂的导 通角相差一个移相角，通过调节移相角的大小来调整输出电压国3 。 第二章移相全桥直流变换器基本原理 q ，i j d 1c 1 = = 吣0 2 】 c 2 【= 飞】 【= abi 一 l l i q 3i d 3 c 3 ；匕 c , 4 飞】 =【= ll r =l 一 l 一 0 r 1 i p阡-j。岩，一 孓 一 寺 1r 乏 d fu l i i q 1q 3 q ， i l i lil q 4q 2 ii q i j ，一一- 、 i liili i ililiii n iiiii 中1 ii il 卜ii iiii iii ：|n ： ： 1r i l _ ji1iilrii ，il 1 ii i i i - i i i i ， ii i ii i l i i ：1 i ：刃： ：ii i ii i r iii iiiliii i l 1 iiii i iii ，i li iiiii iii 彳iii llii i l一- i i 一，rii ii iliiiiiiiiii n 篪 iiiiiil j0 n 缓n 1 iiiiiiiiiiii t o t 1缸bt ； bbbbt l o t1 1t 1 2 t 1 3 图2 2z v s 移相全桥变换器电路结构及主要波形3 分析基本的z v s 移相全桥变换器的工作原理可知：超前桥臂利用输出滤波的 能量来实现z v s ，由于输出滤波电感较大，故超前桥臂容易实现z v s ，而滞后桥 1 2 中山大学硕士学位论文 臂是通过变压器的漏感能量来实现z v s 的，但由于漏感一般很小，因此滞后桥臂 实现z v s 相对困难。为了实现滞后桥臂的零电压开关，在原边串入一个谐振电感， 但电感的加入导致副边占空比的丢失，且在负载越大时，占空比丢失越严重。因 此，为了减少漏感或串接电感，提高副边有效占空比，加入辅助电路来实现z v s 已是一种趋势。 z v s 移相全桥变换器由于其利用变压器的漏感和开关管的结电容实现z v s ， 具有电压应力低，磁性元件利用率高的优点，近年来已广泛应用于高频，大功率 电源设备的设计之中。采用移相全桥z v s - p i 删i 技术，可以较为方便的实现软开关。 但其也存在明显的不足：副边占空比丢失，必然使得有效占空比减少，为了得到 设计的输出电压，需减小原副边匝比，从而使得原边电流增加，开关管容量也需 增大；滞后桥臂实现z v s 的范围与输入电压和负载有关，轻载时很难实现软开关； 在副边整流管换流时，存在谐振电感与寄生电容的振荡，导致整流管电压应力高。 2 3z v z c s 移相全桥拓扑的选择 针对z v s 移相全桥变换器的副边占空比丢失严重、开关范围受输入电压和负 载影响等缺陷，近年来人们研究了一种z v z c s 移相全桥变换器。其特点是滞后桥 臂实现零电流关断，超前桥臂仍实现零电压关断。z v z c s 变换器与z v s 变换器相 比：超前桥臂实现零电压开关，工作原理相同；而滞后桥臂实现零电流开关，从 而解决z v s 全桥变换的固有缺陷。即该变换器不存在原边环流，提高变换效率， 减少副边占空比丢失，提高最大占空比；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。 滞后桥臂零电流开关是在原边电压过零期间，使原边电流复位来实现的。实 现原边电流复位的方法有很多种，原边串接饱和电感和阻断电容。就是一种。电 路如图2 - 3 所示。该方法通过在主电路中增加的阻断电容和饱和电感适当配合， 使滞后桥臂主开关管实现零电流开关。在原边电压过零阶段，饱和电感工作于线 性状态，阻止原边电流反向流动，在原边电压为+ v i n 或一v i n 时，饱和电感工作于 饱和状态。尽管该电路有许多明显的优势，但也有不足之处，如最大占空比范围 仍受到很多限制，特别是饱和电感上有很大的损耗，饱和电感磁芯的散热问题是 一个必须解决的问题。 第二章移相全桥直流变换器基本原理 l 呈c 一l，、，b-、 i 6 v 妯吣马 【= 一 1 。 i lr d 毛【= _ - c 3 飞】 卜 素f 1 嗽a 午 ； 专 ； p d fu u r z 图2 - 3 原边串接饱和电感和阻断电容实现原边电流复位n 1 1 有源的方法也可以解决原边电流复位问题，参考文献 1 2 提出的采用副边有 源箝位电路实现原边电流复位n 圳，电路如图2 - 4 所示。该电路在副边增加有源箝 位开关s ，通过对筘位开关s 的控制，为滞后桥臂实现零电流开关创造条件。输 出滤波电感的取值较大，使得超前桥臂在很大负载范围内实现零压开关。在此拓 扑中，由于箝位电容和箝位开关的作用可能会出现“占空比增大效应 副边 整流输出电压的占空比大于原边电压最大占空比。此拓扑的主要缺点是有源箝位 开关采用的是硬开关，控制方式较为复杂。 i 皇 盥一 乙 k 一 一n 奇 l c 3 马 l 一 一 l t r 1 【】 q 廿 ： 叫 豢 ii 涨 n 1n 2】l】 【t 图2 4 采用副边有源箝位电路实现原边电流复位n 2 3 1 4 中山大学硕士学位论文 参考文献 1 3 提出变压器辅助绕组实现原边电流复位n 引，电路拓扑如图2 - 5 所示。变压器分出一路辅助绕组，由辅助绕组构成的回路给副边箝位电容充电。 该电容在换相时箝位副边电压，折射到原边电压来强迫原边电流复位。该拓扑的 优点是负载范围宽，占空比损失小，器件的电压应力、电流应力小，成本低。但 该电路需对变压器进行特殊设计，增加电路成本，且副边结构复杂，设计困难。 i 一一盥 一n 世 刚巴 一飞】 i 一上。d 毛t 飞】 i = - - _ - _ _ 一 t r 1 】 囊 【 il - 非 蝌 c o ：- 1 5 8 p f ，电解电容的e s r ( 等效串联电阻阻值) 应满 足： e s r 挝d s 时，采用p d 控制，减少超调量；当i p ( 尼) l s 时，采用p i d 控 第五章控制系统软件设计 5 5 制，恢复积分校正环节，消除系统的稳态误差，保证输出控制精度；当系统在偏 差量小到一定程度进入稳定状态后，由于偏差量的上下振荡而引起输出控制值在 一个小范围内频繁动作，造成对蓄电池的不利。设定系统允许误差范围，当 i p ( 尼) i - - - l e o l 时，不输出控制作用。p i d 算法的流程图如图5 8 所示。 图5 - 8p i d 算法的流程图 中山大学硕士学位论文 5 3 控制系统流程 系统软件主要包括主程序，a d 转换程序，p i d 算法实现程序，移相p w m 波生 成程序，键盘输入及l c d 显示程序等，其中p i d 算法程序，已在上一节加以分析 和设计，并给出了程序实现流程图，下文将主要对系统的其他程序流程进行设计。 5 3 1 主程序设计 主程序主要完成系统的初始化、开关机检测、故障判断、输入信号读取、输 出信号的刷新显示、数据通信等。 主程序流程图如图5 - 9 所示t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 上电后，在进入主循环前，需完成 一系列的初始化工作，以保证d s p 正常工作。首先需进行系统常量、变量初始化， 中断向量初始化，a d 采样模块初始化和键盘及l c d 初始化。在进入主循环后， 首先进行系统故障检测，在判断系统无故障后，开始对键盘进行扫描，一旦检测 到开机信号，初始化事件管理模块e v a ，系统进入运行状态，并转入相应中断子 程序，实现在l c d 上显示系统运行状态。 5 3 2 中断服务程序 a d 采样程序主要是读取和保存采样结果，并调用p i d 调节器计算出误差控 制量，在下溢中断服务程序中将正半周期运算结果写入c m p r l 和c m p r 2 ，在周期 中断服务程序中将负半周期运算结果写入c m p r l 和c m p r 2 ，以此完成对移相角的 更新。中断流程图如图5 - 1 0 所示。 第五章控制系统软件设计5 7 图5 - 9 主程序流程图 5 8 中山大学硕士学位论文 f 开始 ) 保护现场 输出信号a d 转换输出信号a d 转换输出信号a d 转换 反馈信号的p i d 运算 反馈信号的p i d 运算反馈信号的p i d 运算 将负半周期运算 将正半周期运算 保存运算结果 结果写入c m p r i 和 结果写入c m p r l 和 c m p r 2 c m p r 2 恢复现场 r返回、 图5 - 1 0 中断流程图 5 3 3 键盘及l c d 显示程序 为了减少对i o 口的占用，系统键盘采用了3 3 的矩形形式，共有9 个功 能键。键盘控制流程图如图5 - 1 1 所示。在键盘控制程序中，扫描键盘所属i o 口，一旦有键按下时，延时去抖后，再次扫描，确认前后两次按键值是否相同， 相同时，进入相应键值的处理程序，更新l e d 显示。如果去抖前后按键值不同， 则放弃相应操作，等待下一次按键按下。 第五章控制系统软件设计5 9 5 4 本章小节 图5 1 1 键盘控制流程图 本章对产生移相p w m 的常用方法进行比较分析，最终选定利用d s p 的中断 功能来生成移相p w m 脉冲，选用p i d 调节器对系统的控制量进行调节，实现系 统的闭环控制。在本章的最后给出了系统主程序、中断服务程序、键盘及l c d 显示程序的程序流程图。 中山大学硕士学位论文 第6 章实验结果分析 6 1 主电路波形分析 实验波形采用美国t e k t r o n i x 公司的t d s l 0 0 2 型数字示波器测量所得。图 6 - 1 为不同负载时，超前桥臂下臂开关管端电压和驱动电压波形，图中通道1 采 用普通探头，代表超前桥臂m o s f e t 管的驱动信号。，通道2 采用高压探头，变 比为1 0 0 - 1 ，代表m o s f e t 管两端电压k 。，图( a ) ( b ) 为轻载( 输出电压3 9 0 v ， 电流1 2 a ) 时波形，图( c ) ( d ) 为大载( 输出电压3 9 0 v ，电流4 7 a ) 时波形，图( e ) ( f ) 为满载( 输出电压3 9 0 v ，电流9 7 a ) 时波形。 由c h l 的波形可以看出，驱动脉冲有5 v 左右的负压，提高了开关管的可靠 关断性。从图6 - 1 可以看出，超前桥臂开关管在驱动波形上升沿到来之前，管压 降已降为零，即实现零电压开通，在驱动波形下降沿，直到驱动波形完全降低后， 超前臂的两端电压才以一定速度从零开始上升，即实现零电压关断，由此可见， 在不同的负载情况下，电源的超前臂较好的实现零电压开关，降低了开关损耗， 提高系统的可靠性。并且随着负载的增大，这种现象越发明显，开关管实现软开 关的能力越为容易。 ” t 卧0 0 0 8 肿 c m1 缅旷“飞帅驴一。鲥5 舯盾协1 ，湖v 6 - + 一w 喊垃删3 图( a ) 轻载时，c h l ：q 3 驱动波形：1 0 v d i v c h 2 ：q 3 端电压波形：2 0 0 v d i v 节k 8 叫惭能一篱书 喇i7 1 1 “艺曲v m5 j d 0 i 旷伽，3 0 0 v 6 一a y 嗡鸵2 7 _ 0 0 s l l 图( b ) 轻载时，c h l q 3 驱动波形：1 0 y d i v c h 2 ：q 3 端电压波形：2 0 0 v d i v 第六章实验结果分析6 l 。 ：一 _ 动作 !圃 ： 1 日墼l 髓 a 乙三二f 募 选择 文件夹 储存 t 酲0 2 j 琳p c h li m i v c h 22 0 0 v m5 , 0 0 脚c h i ，3 删 6 - m a y 0 6 ：4 32 7 0 1 2 8 k h z 图( c ) 大载时，c h l ：q 3 驱动波形：1 0 v d i v c h 2 ：q 3 端电压波形：2 0 0 v d i v t o k几s 御m 删脂 s a v e 眦 - 7 = ? 动作 i 圃 - ；r 笛 一，u t ： 荔 选择 文件夹 c h l1 a 肼。7 c h 22 脚m5 o o 埘“。芒h 1 ，3 0 0 v 6 - m a y - 0 90 6 - 劓 2 3 , 3 6 1 0 k h z 图( e ) 满载时，c h l ：q 3 驱动波形：1 0 v d i v c h 2 ：q 3 端电压波形：2 0 0 v d i v 警一”t 咖_ r m p 0 2 4 5 a o , l 6 一葛蓓 嘲 格式 衄 关于 存图像 ；j j 选择 ； ： i 文件夹 ； ： j 储存 i i - t e k o 0 0 3 上m p