（电力电子与电力传动专业论文）大功率软开关开关电源装置的研究.pdf

a b s t r a c t ：b e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c y , s m a l ls i z ea n dn o i s e l e s s n e s s ，s w i t c h i n g p o w e rs u p p l yh a sb e e na p p l i e dr e c e n t l yi nm a n yf i e l d s ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n ， m i l i t a r y , t r a n s p o r t a t i o n ，e l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，e l e c t r i cp o w e ra n d s oo n w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o n o f m i c r o c o m p u t e r a n dt h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n di n t e m e t ，p e o p l ed e m a n ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb em o r e r e l i a b l e t h e r e f o r e ，i tb e c o m e sag r e a tc o n c e r no f t e c h n i c i a n st os t u d ya n dd e v e l o ps w i t c h i n g p o w e r s u p p l y w i t h h i g he f f i c i e n c ya n dq u a l i t y b a s e do nt h el a t e s td e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r i ct e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o n s c i e n c e ，p r e s e n t t h e s i ss t u d i e sh i 曲p o w e rz e r os w i t c h i n gs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a f t e ra n a l y z i n gp o w e rt r a n s f o r m i n gt o p o l o g y , p r e s e n tt h e s i sc h o o s e st ou s ez v z c s p w mf u l lb r i d g ec o n v e r t e r i nh a r d w a r ed e s i g n ，u n i t r o d e su c x 8 7 5i sc h o s e na st h e k e yc o n t r o lp a r t s i e m e n s si g b t b u p 31 4 di su s e d h i 曲f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r i sm a d eo f d o m e s t i cc o r e i nc o n t r o lp a r to ft h es y s t e m ，p ii su s e dt or e c t i f yt h es y s t e ma tl o wf r e q u e n c i e sa n d p di su s e dt or e c t i f yt h es y s t e ma tm i d d l ef r e q u e n c i e s a f t e rr e c t i f i c a t i o n ，t h es y s t e m h a sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cn a t u r e 。 i nt h el a s tp a r to ft h et h e s i s ，p r e s e n ta u t h o ru s e sm a t l a bt os i m u l a t et h ec o n t r o l s y s t e m ，a n ds p i c e t os i m u l a t ea n d a n a l y z ez v z c s p v c q v lf u l lb r i d g ec o n v e n e n k e yw o r d s ：s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y z v sz c s p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i i 武汉大学电气工程学院 。脚s 2 3 s 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的巾 青礁兰学位的论文足本人柏：导j j i f i 的卅 导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文， - 特j j l f 加以标注i ： f l j 的内容 外， 木论文不乜禽仟何l 他个人或集体已经发表或撰；的成粜f 1 ；品。对奉 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已往文- l 一以i j 确订武杯l n j 。_ 小人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名；云叁 日期：叼年，月。孑| - t 学位论文版权使用授权书 作者签名：岳7 孳， j _ 1 期：哆年j j j ，夕r l 删躲吲潜 。堋：年舢， j 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 第一章概述 1 1 本课题研究的目的和意义 电源对于所有用电设备是必不可少的。在电力系统中，直流系统的可靠性、 稳定性及技术性能直接影响到电厂的运行和设备的安全，在通信网络中，通信 电源的优劣直接影响各种通信的质量和效果，因此人们极为重视电源的质量和 技术性能。 以往应用的传统的相控整流电源设备由于采用工额变压器，体积大，且输 出电压的纹波系数大。无完善的监控系统，采用主从备份工作方式，用户使用 不方便：更重要的是它无法达到电力系统监控设备和通信设备要求电源纹波小， 可靠，陛高，抗干扰能力强等各项技术指标。另外，由于充电设备与蓄电池并联 运行，纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄电池的使用寿命。 另外因电网侧功率因数低、调整速度慢、噪声大等缺点，正在被逐步淘汰。取 而代之的是高频开关电源。 开关电源取消了传统电源采用的笨重的工频变压器，使得电源的体积大大 缩小；电源中的电力电子器件工作在开关状态，使整机效率很高；由于器件的 开关频率一般大于2 0 k h z ，因而基本上昕不到噪声。 早期国内的高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干类设备上得到应 用，其它行业应用较少，因而普及率很低。由于高频开关电源在重量、体积较 传统电源有显著减小，输出电压质量以及效率等方面较传统电源有显著提高， 因此它的应用得到了推广。 近年来许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业 设备、家用电器等都越来越多地应用开关电源，取得了显著效益。随着微型计 茎坚查兰堡主兰垡笙苎查垫皇竺堑茎堑茎皇塑鉴墨堕堑塞 算机应用的日益普及和信息处理技术的不断发展，现代通信网络和互联网的高 速发展于普及，人们对电源系统的可靠性要求越来越高。除此之外，用户还要 求电源具有稳定性，电源电压不能超过允许变化范围；电源装置必须实现小型 化、集成化；同时为了节约电能，必须设法提高电源装置的效率。于是高性能、 高可靠性的高频开关电源越来越受到人们的关注。 而且，随着电子技术的发展，特别是电力电子技术、计算机技术及计算机 网络技术和通信技术的发展，人们对高频开关电源的功能要求越来越多：不但 要求智能化、网络化，而且还要求供电质量高、绿色无污染，这也是科学技术 发展的必然趋势。人们希望将现代电子技术、信息技术、控制技术、计算机网 络技术等高频开关电源相关技术应用于高频开关电源，使高频开关电源供电系 统变得越来越完善，可靠。 随着工业、计算机网络、通讯、电力系统、航天等应用领域对直流电源的 要求提高，研制软开关电源是电源高效、高功率因数、绿色化发展的必然趋势。 鉴于此，本文在查阅了国内外大量资料和参照了开关电源最新发展技术的基 础上同时在导师的指导下，研究开发大功率的软开关高频开关电源装置。 1 2 电力电子器件的发展状况 电力电子器件是电力电子技术的基础，是电力电子变流装置的心脏。它的 性能对装置的体积、重量和性能起着重要的作用。一种高性能器件的诞生往往 使整个系统的面貌发生很大的改观，而装置对器件的要求，又促使器件的理论、 结构、质量不断地改进和发展。 晶闸管( s c r ) 是6 0 年代电力半导体器件的典型代表。它用正门极脉冲电 流导通，但不能用负门极脉冲电流关断。其工作频率一般低于4 0 0 h z ，其耐压 高达1 0 0 0 0 v 以上，对于功率1 0 0 0 k w 以上的直接耦合变频器、直流传动、静止 无功补偿器以及直流输电变流装置采用这类器件。 7 0 年代出现了门极可关断晶闸管( g t 0 ) 和双极型功率晶体管( b j t ，也有 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 的称g t r ) ，与此同时，功率场效应晶体管( m o s f e t ) 也开始崭露头角。g t o 可 用正脉冲电流导通和负脉冲电流关断，工作频率限制在1 k h z 以内，在1 0 0 0 k w 以下的大功率电压型逆变器和大功率自换向电流型逆变器的应用中占有优势， 广泛应用于机车牵引、交流电机驱动、v v v f 逆变器和c v c f 逆变器。g t r 是一种 电流控制的双极双结器件，开关频率极限在无特别的附加措施时约为3 k h z 左 右。广泛应用于5 0 0 k w 以下的感应电机变频调速、不间断电源及脉冲电源等场 合。功率m o s f e t 是一种电压型多数载流子器件，其开关频率可达几百k h z ，通 态压降比较大所以不宜用于大功率场合。 到了8 0 年代，工业适用的场控及其复合器件迅速崛起，出现了绝缘栅极双 极型晶体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 以及 m o s 栅控晶闸管( m c t ) 。 i g b t 是一种兼有m o s f e t 、高速特性和双极型晶体管大电流密度、低饱和压 降特性的混合功率器件。它一投入市场。便在中小功率应用场合受到广泛的欢 迎。在电机控制、中频电源、开关电源以及要求快速、低损耗的中小功率应用 领域。 s i t 是目前开关频率最高的器件( 3 0 3 0 0 k h z ) ，但它的通态压降较大，很 适合用于高频感应加热，调幅调频广播发射机及超声波发生器。在s i t 器件结 构的基础上，在漏极面加一层p 型半导体就形成静电感应晶闸管( s i t h ) 。s i t h 的通态压降远比s i t 低，但比g t o 大，其开关频率、d i d t 和d v d t 额定值都 比g t o 高，目前已研制出2 0 0 0 a 4 0 0 0 v 的器件，并已用于高频感应加热、高频 d c d c 变换器和无噪声p w m 逆变器。m c t 具有高压大电流、低通态损耗、高电流 密度、高输入阻抗、低驱动功率、高开关速度等一系列优点，专家们对它评价 甚高，但技术上还有待于完善。 进入2 0 世纪9 0 年代，电力电子器件迅速发展，特别是功率集成电路( p i c ) 发展很快。它是由功率器件和具有一个单独功能的电路组合在一个硅片上或一 个导热的绝缘衬垫上而形成的。其目的在于降低成本、提高可靠性。p i c 已用 武汉人学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 于汽车、飞机等交通工具和机器人电力变换器内。 1 i3 开关电源的发展状况 自2 0 世纪6 0 年代开始得到发展和应用的d c d c 功率变换技术是一种硬开 关技术。6 0 年代中期，美国已研制成2 0 k h zd c d c 变换器及电力电子开关器件， 并应用于通信设备供电。这种技术抛弃了5 0 h z 工频变压器，使直流电源的重量、 体积大幅度减小，提高了效率，输出高质量的直流电。到7 0 年代初期已被先进 国家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件菲标准电路为主，经 过十多年的发展，国外在1 9 7 7 年左右开始进入控制电路集成化阶段。控制电路 的集成化标志着开关电源的重大进步。8 0 年代初英国采用上述原理，研制了第 一套完整的4 8 v 成套电源，即目前所谓的开关电源( s m p - - s w i t c hm o d ep o w e r ) 或开关整流器( s m r - - s w it c hm o d er e c tif i e r ) 。 自7 0 年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电 源技术界不断地研究开发高频软开关技术。 最先在7 0 年代出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器( r e s o n a n t c o n v e r t e r s ) 。它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 ) 和并联谐振变换器 ( 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。此类变换器一般采用频率调 制方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件 一直谐振工作，参与能量变换的全过程。 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 t c o n v e r t e r s ，m r c s ) 出现在8 0 年代中期。这是软开关技术的一次 飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。 它也是采用频率调制控制方法。 8 0 年代末出现了零开关p 1 】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 ) 。 它可以分为零电压开关p w m 变换器( 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 ) 丛坚查堂堡主堂垡堡苎盔盐主墼墅差茎差皇塑茎墨塑笪塞 和零电流开关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 mc o n v e r t e r s ) 。它采 用的是p w m 控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的i l o i 5 。 9 0 年代初出现了零转换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 也分为零电压转换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 nc 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 nc o n v e r t e r s ) 。它是软开关技术 的又一次飞跃。其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 关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。 其损耗很小。 在环境保护意识日益加强的2 l 世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓 电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电 源不能( 或少) 对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的 污染源：向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因素下降，使电网电压产 生毛刺尖峰甚至畸变。2 0 世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有 了功率矫正( p f c p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r ) 方法，为开关电源产品的绿色化奠 定了基础。 电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、 计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科 成长为独树一帜的功率电子学。 1 4 本课题研究的内容和工作重点 本课题的任务就是要对大功率软开关装置做初步的研究与设计。它主要包 括软开关技术的分析、软开关电源装置硬件设计和系统的仿真分析。 主要进行了以下方面的工作： 1 分析p w m 全桥变换器的软开关实现的原理，特别研究了软开关过程中 超前滞后桥臂的死区形成问题和实现z v z c s 时变换器的电流复位措施。 2 设计功率变换回路。包括输入整流、z v z c s 主变换电路、输出滤波、及 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 检测和控制电路等。特别对电路中重要器件的参数选择作具体的分析 计算。 3 用m a t l a b 对装置的控制系统进行了仿真分析：对z v z c sp w m 全桥变换 器主电路的设计用s p i c e 进行了仿真验证。 武汉大学硕士学位论文 大功率软开关开关电源装置的研究 第二章软开关组成原理及技术分析 2 1 软开关技术的由来 开关电源中所应用的功率开关器件g t r 、m o s f e t 、i g b t 等并不是理想的开 关器件。在硬开关开关电源技术中，如图2 1 在开通的过程中开关管的电压不 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，电压和电流有一个交叠区，从而产 生损耗，称之为开通损耗( t u r o i ll o s s ) 。其值由式2 1 给出： 鼎 = 【乞d t ( 2 1 ) 式中t s 是开通或关断时间。 0 0 o v b e v c e 火 k 8 。 ， x 、， 劂1 0 8 8 如曲励1 0 s s 如m 图2 1 硬开关状态下的开关管开通和关断波形 当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，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 里电压和电流也有个交叠区，所产生的损耗称之为关断损耗( t u r n o f f 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 l o s s ) 。其值同样可以由式2 1 计算得到。将开关管工作过程中产生的开通损耗 和关断损耗通称之为开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。 在一定条件下，开关管在每个周期中的开关损耗是恒定不变的，提高变换 器的频率则开关管的开关损耗也随着增加，其单管总开关损耗由式2 2 给出： 。、：， r ，d t d t + f 严圯，d t ( 2 2 ) f 乞。( 。) = 厂【t 。，。+ 【“吃，。 ( 2 其中f 是开关频率。 由式2 2 可知，开关频率越高，损耗越大，变换器的效率就越低。开关损 耗的存在严重地限制了开关电源的小型化和轻量化。 开关管工作在硬开关时还会产生较高的d v d t 和d i d t ，从而产生较大的电 磁干扰：同时开关管也承受着较大的电压和电流应力，其开关轨迹( 如图2 2 ( a ) 所示) 很容易超出安全工作区，致使开关管损坏。 图2 2 开关管开关轨迹 为了减小开关管在工作时产生的电磁干扰和免受过压过流损坏同时减小开 关电源的体积和重量，必须实现高频化，高效率化，其方法就是减小开关损耗。 减小开关损耗的方法除了选择高性能的器件外还有就是实现变换器开关管的软 开关。 2 2 软开关类别与工作方式 要实现软开关效果，减小开关损耗，就须想办法减小开关管在开通和关断 时的电压和电流的交叠区域。减小开通损耗有以下几神方法： 蒽一 蕊 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 0 o 0 o 0 o v b e i v c e i c e ， ；、， a p l o s s ( o n )p l o s s ( o f f ) t 纷 ( a ) 零电流开关 v b e i v c e i c e r | y 、 p l o s s ( o n ) 缀p l o s s ( o f f )。t 图2 3 软开关状态下的开关管开通和关断波形 1 当开关管开通时，尽量减小流过开关管中的电流，限制电流动上升率 或使其保持为零。，即零电流开通，如图2 3 ( a ) 所示。 2 在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是零电压开通。如图2 3 ( b ) 所示，从图中可以看出，开通损耗基本为零。 同时实现l 、2 ，其开通损耗为零。 璺堡盔兰堕圭茎垡堡苎奎塑兰墼茎差堑差璺塑茎曼竺堕塑 减小关断损耗有以下几种方法： 1 ，开关管关断时，尽量减小开关管的端电压，限制电压的上升率，或使其 保持为零。即零电压关断，如图2 3 ( b ) 所示。其关断损耗大大减小。 2 在开关管关断前，使其电流减小到零，即零电流关断，如图2 3 ( a ) 所示。 从图中可以看出，关断损耗基本为零。 同时实现1 、2 ，其关断损耗为零。 开关管工作在软开关条件下的大致开关轨迹如图2 2 ( b ) 所示，从中可以看 出开关管开关时的工作状态有很好的改观，不会超出安全工作区。 开关电源中采用的开关器件主要有三种：双极晶体管、功率场效应管和绝 缘栅双极晶体管。b j t 在早期的开关电源中被普遍应用它是电流驱动、少数载 流子器件，存在驱动电流大、开关速度低以及二次击穿等缺点，因此目前在高 频开关电源中较少使用。 m o s f e t 是电压驱动的多数载流予导电器件，它不存在存储效应，因而上升 和下降速度快，一般把它用于零电压开关工作状态下。i g b t 是一种复合器件， 驱动上具有m o s f e t 的特性，属于电压驱动器件，具有驱动简单，开关速度快的 优点，同时它又具有b j t 的特性，导通压降低，具有存储效应，所以其关断时 间长，i g b t 关断时，电流下降存在拖尾现象，一般把它用于零电流开关工作状 态下。 2 3 p 删全桥变换器电路结构及软开关原理 2 3 1 p 删全桥变换器电路结构 在需要大功率的场合，众多d c d c 变换器( b a c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、 f o r w a r d 、f l y b a c k 、p u s h p u l l 、h a l f - b r i d g e 、f u l l 一 r i d g e ) 中首选全桥变换 器，它有四个开关管组成，主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电 压得到正、反向磁通，变压器铁芯和绕组最佳利用，使效率和功率密度得到提 1 0 武汉大学硕士学位论文 大功率软开关开关电源装置的研究 ： 骂d 】 d 1 q 2 。j d 2 _ k 】 【 j c ； 骂k 】 【d 3 譬| d 4 ， 【 d r l d r 2 图2 4 全桥变换器基本电路结构 其中：v d c 输入直流电； q 1 、d 1 q 4 、d 4 构成两个桥臂； t 高频变压器，原副边变比为k ； d r l 、d r 2 输出整流快恢复二极管； l f 输出滤波电感： c f 输出滤波电容； r l 负载； 如图2 4 所示，全桥变换器基本的电路结构，电路的工作原理是通过q 1 q 4 把v d c 直流电压变换成高频交流方波电压，送入高频变压器变压隔离，然后 经d r l 、d r 2 快恢复二极管整流成直流方波电压，最后经l f 、c f 构成的二阶低 通滤波网络滤波得到纹波极小的稳定直流电压。 2 3 2 开关管控制方式的改进 早期的全桥变换器控制方式为双极性控制方式，工作在硬开关状态下。要想 实现开关管的软开关，首先要从分析全桥变换器开关管的控制方式。 全桥变换器在传统控制方式下的工作波形图如图2 5 所示，q l 和q 4 同时导 通，q 2 和q 3 同时导通，每只管子导通时间小于1 2 开关周期，即t o n t 2 。v l 是高频变压器的原边电压，v 2 是高频变压器的副边电压，它们是交流方波电压， 彗堡查兰婴主堂焦堡苎查望垩墼茎差茎茎皇塑鍪兰堕竺塑 v r 是经整流后的电压，v o 是经滤波后的直流电压。从对开关管的控制目的来看， 就是要得到高频变压器原边的交流方波电压。在保证下面条件的情况下，来研 究开关管的控制方式。 q 1 q 2 q 3 q 4 v 1 v 2 v r v o fl 0 to n t2 t 图2 5 全桥变换器工作波形图 1 保证得到高频变压器原边的交流方波电压波形不变； 2 q l 、q 3 桥臂和q 2 、q 4 桥臂不发生直通现象。 在全桥变换器中，只有当q l 和q 4 同时导通时，高频变压器的原边才能得 到正的电压脉冲；同样只有当q 2 和q 3 同时导通时，高频变压器的原边才能得 到负的电压脉冲。把其中一个管子的开通时间提前或者将关断时间延后，只要 保证他们的重叠时间不变，就能得到同样的交流电压方波。改进方式有：q 2 和q 4 的导通时间不变，将q l 和q 3 提前开通，使导通时间向前时间增加一段时 间或者增加到半个周期；q 1 和q 3 导通时间不变，将q 2 和q 4 延时关断，使 导通时间向后增加一段时间或者增加到半个周期：将q 1 和q 3 提前开通，使 塞堡查兰堡主兰竺笙兰查竺兰竺茎薹茎薹皇婆茎墨竺堡塞 导通时间向前增加一段时间或者增加到半个周期，同时将q 2 和q 4 延时关断， 使导通时间向后增加一段时间或者增加到半个周期。经过这样改进高频变压器 原边可以得到同样的交流电压方波。改进的控制方式如图2 6 所示。 0 1 q 2 0 3 q 4 v i i n 图2 6 改进的控制方式示意图 将改进的控制方式进行细分总结，加上传统的控制方式共得到九种开关管 控制方式： ( 1 ) q l 和q 3 的导通时间不变。q 2 和q 4 的导通时间也不变。这就是传统的 控制方式，即双极性控制： ( 2 ) q 2 和q 4 的导通时间不变，将q l 和q 3 提前开通，使导通时间向前时间 增加一段时间，增加以后的导通时间小于0 5 t ； ( 3 ) q 2 和q 4 的导通时间不变，将q l 和q 3 提前开通， 增加一段时间，增加以后的导通时间等于o 5 t ； ( 4 ) q l 和q 3 的导通时间不变，将q 2 和q 4 延时关断， 一段时间，增加以后的导通时间小于0 5 t ： 使导通时间向前时间 使导通时间向后增加 ( 5 ) q l 和q 3 的导通时间不变，将q 2 和q 4 延时关断，使导通时间向后增加 一段时问增加以后的导通时间等于0 5 t ，称之为有限双极性控制； ( 6 ) 将q l 和q 3 提前开通，使导通时间向前时间增加一段时间，增加以后的 导通时间小于0 5 t ；同时，将q 2 和q 4 延时关断，使导通时间向后增加一段时 苎坚查鲎堕主堂堡兰壅查垫奎竺茎差茎茎皇塑垄垦塑垡型 间，增加以后的导通时间小于0 5 t ； ( 7 ) 将q l 和q 3 提前开通，使导通时间向前时间增加一段时间，增加以后的 导通时间小于0 5 t ；同时，将q 2 和q 4 延时关断，使导通时间向后增加一段时 间，增加以后的导通时间等于0 5 t ： ( 8 ) 将q 1 和q 3 提前开通，使导通时间向前时间增加一段时间，增加以后的 导通时间等于于o 5 t ；同时，将q 2 和q 4 延时关断，使导通时间向后增加一段 时间，增加以后的导通时间小于o 5 t ； ( 9 ) 将q l 和q 3 提前开通，使导通时间向前时间增加一段时间，增加以后的 导通时间等于0 5 t ：同时，将q 2 和q 4 延时关断，使导通时间向后增加一段时 f 司，增加以后的导通时间等于0 5 t 称之为移相控制方式。 根据斜对角两只开关管的关断情况可将这九种控制方式分为两类： 1 ) 斜对角两只开关管同时关断。控制方式1 控制方式3 属于此类。 ( 2 ) 斜对角两只开关管关断时间错开，一只开关管先关断。一只开关管后关 断。控制方式4 控制方式9 属于此类。 2 3 3 软开关的实现 图2 7 给出了斜对角的两只管子同时关断切换方式的电路图，其中l 。是高 频变压器的漏感。当q l 和q 4 ( 或q 2 和q 3 ) 同时关断时，由于变压器漏感的存 在，变压器原边的电流不会立即减小到零，( 在没有并联c 1 c 4 时) q 1 和q 4 ( 或q 2 和q 3 ) 中的电流立即转移到d z 、d 3 ( 或d l 、0 4 ) 中，高频变压器原边 电压从( + 1 ) v d c 变为( 一1 ) v d c ( 或从( 1 ) v d c 变为( + i ) v d c ) ，出现 + 1 一l ( 或一i + i ) 切换方式。此电压使原边电流减小到零。 为了实现开关管的软开关特性，可以给它们分别并联吸收电容c i c 4 ，当 q 1 、q 4 同时关断时，变压器原边电流给并联电容c 1 、c 4 充电，同时给c 2 、c 3 放电。由于并联电容的存在，q i 、q 4 的电压上升率得到了抑制，q 1 、q 4 实现了 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 零电压关断。当c 1 和c 4 的电压上升到v d c ，( 7 2 和c 3 的电压下降到零时，q 2 、 q 3 的反并联二极管d 2 、d 3 导通，为q 2 和q 3 提供了零电压开通道条件。但是 如果此时开通q 2 和q 3 ，变压器原边上产生的就是占空比为l 的交流方波电压， 就不能实现p w m 控制。此时高频变压器原边上的电压为( 一1 ) v d c ，在它的作 用下原边电流会减小到零，由于此时四只开关管均处于关断状态，开关管并联 的电容与变压器漏感产生谐振。当q 2 、q 3 开通时，其并联电容上的电压不为零， q 2 、q 3 是硬开通。因此斜对角两只开关管同时关断切换方式下出现+ 1 一1 或 者一1 + 1 切换方式，无法实现开关管的软开关。 ： 骂d 】峰，。詈d 】 d 2l 【丰c 2 扯骂d j l l k ili 哗等 j d 4l 【午c 4 d r l d r 2 图2 7 + l - 1 切换方式 如果将斜对角两只开关管的导通时间相对错开一个时间，即一只开关管提 前开通一段时间，关断时间不变；另一只开关管开通时间不变，关断时间延时 一段时间。就会改善开关管的开关状态。如图2 6 中，开关管q 1 、q 3 提前开通， 定义q 1 、q 3 组成的桥臂为超前桥臂：开关管q 2 、q 4 滞后关断，定义开关管q 2 、 q 4 组成的桥臂为滞后桥臂。 当开关管的控制方式为方式9 移相控制方式时，在图2 7 中，当q 1 、q 4 均 导通的时刻，变压器原边上的电压为( + 1 ) v d c ，电流i 。流过q 1 、变压器原边、 q 4 。关断时，首先关断q l ，i 。给c l 充电，给c 3 放电。由于c 1 和c 3 的存在， 限制了q l 端电压的上升率，q 1 实现零电压关断。由于变压器漏感和滤波电感 的存在i 近似不变。当c 3 电压下降到零时，d 3 自然导通，为q 3 的零电压开通 创造了条件，此时提前开通q 3 ，q 3 的开通损耗基本为零。在此状态下，变压器 原边的电压为零，该切换方式为( + 1 ) v d c o 切换方式。在斜对角两只开关管 苎堡查兰堡主兰垡堕苎查望皇竺堑茎茎苤皇塑薹墨竺堕窒 工作时，q 3 的关断和q 1 的开通，其工作原理完全一样。 接下来如果i p 足够大，当q 4 关断时，i p 给c 4 充电，同时给c 2 放电。由 于有c 2 、c 4 ，q 4 是零电压关断。当c 2 电压下降到零时，d 2 自然导通，此时可 以零电压开通q 2 。这时高频变压器原边电压为( 一1 ) v d c ，所以该切换方式为 0 一l 切换方式。滞后桥臂实现z v s 的能量是漏感到能量，当负载较小时，漏感 能量不足以使滞后桥臂实现零电压开关。如果此刻i p 处于逐渐减小到零的复位 状态，一次电流为零时，关断q 4 ，实现q 4 的零电流关断。开通q 2 时，由于变 压器的漏感存在，q 2 的电流上升率得到抑制，实现q 2 的零电流开通。此时， 变压器原边电压为( 一1 ) v d c ，该切换方式为o 一1 切换方式。这种零电流开关 方式，开关管两端不能并联电容。另外当一次电流减为零后，不能反方向增加， 不然就失去了零电流开关的条件。 根据上面的分析全桥变换器在移相p 翻控制方式下，超前桥臂容易实现 z v s ，而滞后桥臂可以实现z v s ，也可以实现z c s 。 2 4 占空比减少分析 软开关移相p w m 全桥变换器在应用中并不是那么理想，因为实际的功率半 导体器件本身并不是理想的开关，它有一定的开通和关断时闯，在同一个桥臂 上下两开关管导通信号之间必须有一段死区时间，以防止直流短路。在变换器 工作的零状态，必须有一段谐振时间使开关管实现软开关。由于高频变压器漏 感的存在也会使变压器副边产生相对于原边的电压脉冲宽度减小现象。这些都 会使变换器占空比减少。占空比减少是软开关移相p w m 全桥变换器一个特有的、 值得关注的现象，它对变换器的性能、效率有很大的影响。弄清占空比减少的 原因及其影响对改善软开关移相p w m 全桥变换器的性能有重要的意义。 2 4 1 超前桥臂的死区时间 1 6 墨坚奎兰塑主兰垡丝苎查型垩墼茎茎墅茎皇塑薹墨塑! 苎墨 如图2 8 电路图描绘了z v s p w m 全桥变换器开关管q l 关断到开关管q 3 开通 这段时间变换器工作情况。其中( a ) 图是q l 刚刚关断时，电容c 1 上的电压基 本为零，c 3 上的电压为v d c ，变压器原边任然向副边提供能量，根据电机学的 知识将变压器二次侧负载折算到一次侧，由于滤波电感l f 很大，可以认为原边 电流i 。近似不变。当变压器原边电压下降到不能提供给副边能量时，整流二极 管d r l 和d r 2 同时导通，将变压器原边电压钳位在0 伏，实际电路如( b ) 所示， 由于并联电容很小，i 。减小很少。 v d c ( a )( b ) 图2 8q 1 关断- q 3 开通之间的简化电路图 在整个过程中，可以认为i 。近似不变，类似于一个恒流源，c 3 上的电压为： 啊) = v d c 一丢， ( 2 3 ) c 3 上电压下降到0 所需要的时闻为： t l ：2 c y d c ( 2 4 ) = 一 、 ， l p t 。是开关管q l 和q 3 驱动信号之间的死区时间。从式2 4 可以看出，当负载 小的时候，i 。就小，t 则变大，所以要保证超前桥臂的零电压开通，q 1 和q 3 驱动信号之间的延时时间应取小负载时的计算值。 2 4 2 滞后桥臂的死区时间 邀 与 蔫 塑堡查兰塑主兰竺堡苎查些垩鏊堑差墅苎皇翌茎里竺塑塞 如图2 9 电路图描绘了z v s p w m 全桥变换器开关管q 4 关断到开关管q 2 开通 这段t t , - i f 司变换器工作情况。0 4 刚关断时，c 4 上电压基本为零，c 2 上电压为v d c ， 原边电流i ，( 假定近似不变) 由c 2 、c 4 两条路径提供，即原边电流i ，用来抽走 c 2 上的电荷，同时又给c 4 充电。由于c 2 、c 4 的存在，q 4 实现零电压关断。变 压器原边绕组任然被钳位在0 伏，这段时间实际上是电容c 2 、c 4 和电感l 。在 谐振工作c 2 上的电压为： 厂r 一 1 矿( t ) = v d c - i p l 薏酊n 赢。 铊 v d c 图2 ，9q 4 关断- q 2 开通之间的简化电路图 c 2 上的电压下降到0 所需要的时间为： r z 一丽咖1 譬恒， 汜e ， t ：是开关管q 4 和q 2 驱动信号之间的死区时间， 综上所述，开关管驱动信号能够达到最大占空比为： d m t = 警 泣， 2 4 3 变压器副边占空比丢失 所谓变压器副边占空比丢失，就是说副边的占空比d 。小于原边的占空比d 。， 其差值就是副边占空比丢失d 。，： d t 。= d 。一d 。( 2 8 ) 副边占空比丢失的原因是：当滞后桥臂的开关管开通后。存在原边电流从 商斟 苎堡查兰塑主兰竺笙苎查垫兰竺茎苎墅茎皇塑茎星塑至! 塑 正向( 或负向) 变化到负向( 或正向) 负载电流的时间，在这段时间里，虽然 原边有正电压方波( 或负电压方波) ，但原边不足以提供负载电流，副边的两个 整流二极管全部导通，二极管处于续流状态，变压器原边电压钳位在0 伏，直 到原边电流增加到大于i ，k 后，原边开始向副边提供能量。这段时间的工作状 况可用图2 1 0 电路描述。 q 2 开通后，漏感中的电流为i 。，流经d 2 、v d c 、d 3 回到l 1 。漏感电流在v d c 的作用下减小到0 ，然后反向增加，记为i 。，流经v d c 、q 2 、l 。q 3 回到v d c 。 直到i 。增加到i j k 后，此状态结束。这段时间为： 铲k 警 汜。， 副边占空比丢失d 。为： 寺= 2 l a 等 陇 由式2 1 0 可知， 1 l l k 越大，d l o s s 越大； 2 负载越大，d l o s s 越大； 3 输入电压越低，d l o s s 越太： 综合以上的原因，移相z v s p 帆i 全桥变换器，存在着占空比减小的现象其 实际最大占空比为： d 。；= d 。- - d k 。 ( 2 1 1 ) v d c 2 图2 i 0q 2 刚开通时的简化电路图 1 9 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 为了在负载上得到所要求的输出电压，就必须减小原副边的匝比。由此而 带来的问题是： 1 原边的电流增加，开关管的电流峰值要增加，其通态损耗加大，变换器 效率降低： 2 变压器副边输出电压增高，副边整流管的耐压要增加，整流管损耗加大， 成本增加。 另外，占空比减小制约着变换器频率的提高，对d c d c 变换器的小型化不 利。 为了提高d 。要从两个方面入手，一方面选用开通和关断时间小的开关管， 以减小死区时间，另一方面，减小变压器漏感，以减小副边占空比丢失。 2 5z v z c sp 删全桥变换器的电流复位措施 在2 3 节的分析中，q 2 和q 4 关断前i p 如果是逐渐减小到0 的复位状态， 那么变换器的超前桥臂实现零电压开关，滞后桥臂实现零电流开关，即z v z c s 。 因为i g b t 关断时的电流拖尾现象，所以它适合z c s 工作模式，在高电压，大电 流的开关电源模块中z v z c sp w m 变换器电路有广泛的应用。 p w m 软开关全桥变换器工作过程中，当超前桥臂完成零电压关断和开通后， 如何实现i p 复位到0 是滞后桥臂实现零电流开关的关键所在。超前桥臂完成零 电压关断和开通后，高频变压器两端电压为0 ，为了使原边电流减小到0 ，必须 在电流回路( d 3 一变压器原边绕组一q 4 一d 3 或者d 1 一q 2 一变压器原边绕组一 d 1 ) 采取措施，在漏感上加一个反电压。因此只要在变压器原边加一个阻断电 压源v 。就可以了，如图2 1 1 所示。 当i 。经过回路d 3 一变压器原边绕组一q 4 一d 3 时，阻断电压源v 。极性如图 2 1 2 所示：当i 。经过回路d 1 - q 2 一变压器原边绕组- - d i 时，阻断电压源v 。 极性如图2 1 2 所示。 2 0 武汉大学硕士学位论文大功率软开关开关电源装置的研究 1 q 1 j d 1 【丰11 k 】 1 k 】 j cf斗lr l i k 1 q 3 jd 3 丰3 一k d 】- | k j 图2 1 l 加入阻断电压源 ； 骂d 弓 【辛1 皿j k 】 托如 jm 淀t 【宰3譬k 一 一 d 2 图2 1 3i 。 o 最简单的办法就是用一个电容c b 来实现这个阻断电压源，其电路结构如图 2 1 4 所示。当斜对角的两只管子q l 、0 4 同时导通时，i 商争电容c b 充电，当q l 关断后，v 。刚好与i 。流动方向相反使i ，减小到0 ，起到给i 。复位的作用；当斜 对角的两只管子q 2 、q 3 同时导通时，i 。绘电容c b 放电且反向充电，当q 3 关断 后，v 。又刚好与i ，流动方向相反使i 。减小到0 ，起到给i 。复位的作用； 图2 1 4 中，当电流i 。减小到0 时，由于电容电压的作用，i 。会反方向增长， 因此必须切断i ，的反向通路。 壁坚查兰堡圭兰些堡苎查塑垩竺堑差茎茎皇塑茎墨堕翌壅 0 状态时，超前桥臂的q l 或q 3 已开通，因此在超前桥臂不能实现阻断功能。 + 骂d 马b 雄 j cl 【事。州6 譬己】骂d 骂 图2 1 4 构成阻断电压源的电路结构 在a b 段可以实现i 。的反向阻断，其典型方法有： 1 串联一个饱和电感，如图2 1 5 ( a ) 所示，在零状态时，饱和电感工作在 线性状态，l 。值很大，可以阻止i 。的反向流动。在+ i 状态和一1 状态时，它工 作在饱和状态。 c b a 叫卜j 亏嚣零畏一b ( a ) 利用饱和电感 a l 遵牟。 a 一卜铲j 十bq at 叫 ( b ) 串入一对反接开关管 图2 1 5a