（电力电子与电力传动专业论文）带pfc的电感箝位移相全桥软开关电路的研究.pdf

r e s e a r c ho np h a s es h i f tf u l l b r i d g es o f ts w i t c hc i r c u i tw l t hp f c a n di n d u c t o rc l a m p i n g a b s t r a c t t h em a i n d e v e l o p m e n t d i r e c t i o nh a sb e c a m et oh i g hf r e q u e n c y , m i n i a t u r ea n d l i g h t w e i g h to ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya l o n gw i t ht h es p e e d i n e s sd e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e i no r d e rt oa c h i e v eh i g h e f f i c i e n c y o p e r a t i o ni nh i g hf r e q u e n c y , t h eh i g h f r e q u e n c ys o f ts w i t c ht e c h n o l o g yh a v eb e e nr e s e a r c h e d a n de x p l o i t e dc o n t i n u o u s l yb yh o m ea n da b r o a dp o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rt e c h n o l o g y d o m a i ns i n c e7 0 s a n dt h ep w md c d cf u l l b r i d g ec o n v e r t e rb a s e do np h a s e - s h i f t e d c o n t r o lz e r o v o l t a g e - s w i t c h i n gi sc o m p e t i t i v ei nl a r g ec a p a c i t yd o m a i n i nt h i st h e s i s ，t h e3 k wd c d cc o n v e r t e ri sd e s i g n e dw i t hp h a s e - s h i f t e dc o n t r o l ，f u l l w a v er e c t i f i c a t i o na n di n d u c t a n c e c l a m pt e c h n o l o g y t h i s c o n v e r t e rc o u l da c h i e v e z e r o v o l t a g ef u l l - b r i d g e t r a n s f o r m a t i o nb yr e a s o no fa d d i n gc a p a c i t a n c ea n dr e s o n a n c e i n d u c t a n c et ot r a n s f o r m e ro r i g i n a ls i d e t h el e a d i n g - b r i d g ea n dl a g g i n gl e go ft h et r a n s f o r m e r o r i g i n a ls i d ec o u l dm a i n t a i nz e r o - v o l t a g et u r n o nc o n d i t i o ni na 、析d er a n g e t h ep e a ke n e r g y o ft h es e c o n d a r ys i d ed i o d ei nt h er e v e r s er e c o v e r yp e r i o dc o u l df e e db a c kt ot h ep o w e r s u p p l yt e r m i n a lw i m t h ef u l lw a v er e c t i f i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，i nt h i sp a p e r , t h ep f ce l e c t r o c i r c u i ti se m p l o y e dt or e d u c eh a r m o n i cp o l l u t i o no ft h ee l e c t r o n i cd e v i c e s i nt h i sp a p e r , t h ed o u b l e - l o o pc o n t r o lm e t h o d ，n a m e l yt h ev o l t a g el o o pa n dc u r r e n tl o o p ， i sa p p l i e dt oc o n t r o lt h ed e s i g n e dd c d cc o n v e r t e rd e v i c e ，i nw h i c ht h ev o l t a g el o o pi s w o r k i n gi nt h eb e g i n n i n g ，a n dt h ec u r r e n tl o o pw i l lw o r kw h e nt h es y s t e mr e a c h e s s t a b l e a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi s s t a b l e ，a l lt h ep o w e rt u b e s a c h i e v es o f t - s w i t c h i n g ，t h es w i t c h i n gl o s si sr e d u c e da n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi s i m p r o v e d k e yw o r d s ：p h a s es h i f tf u l lb r i d g e ；p f c ；s o f ts w i t c h i n g ；i n d u c t o rc l a m p i n g 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：f 筹又2 0 0 9 年7 月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：乏乏导师签fp 矿 2 0 0 9 叼月j 1 日 ， 广西大学硕士论文带p f c 的电感钳位移相全桥软开关电路的研究 第一章绪论 1 1 项目研究的意义 随着我国经济的迅速发展，电力电子技术的应用不断拓展，与此同时，用户对电能 质量的要求也越来越高，所需电能的种类也越来越多，尤其是计算机、邮电通信、各种 便携式电子产品。这就对电源产品提出了更高的要求，体积小、重量轻、效率高、可靠 性高必将成为其发展趋势。 根据开关器件的工作形式，可以把开关分为硬开关和软开关两类。硬开关是指开关 器件在工作过程中( 即开通和关断的过程中) ，开关器件上的电压及电流同时在变化的 一类开关。而软开关是指开关器件在工作过程中，电压或电流两者之一先保持为零，一 个量变化到正常之后，另一个量才开始变化，直至导通或关断过程结束的一类开关。当 开关器件工作在硬开关状态时，开关通断过程中，电流及电压剧烈变化，在电流没有到 零时，开关已经开始关断，而电压未到零时，开关已经开始开通，这样会造成开关噪声 和损耗。且开关损耗会随着开关频率的提高而大幅增加，降低了电源的效率，也阻碍了 开关频率的进一步提高和电力电子装置的体积的进一步减小。开关噪声会给电路带来严 重的电磁辐射，影响周围电子设备以及电磁波的正常工作，而使用软开关技术可以克服 上述缺剧卜4 j 。 为了提高电源效率，必须研究使开关工作在软开关状态的技术，即软开关技术。所 谓“软开关指的是零电压开关( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，简称z v s ) 或零电流开关 ( z e r o c u r r e n t 。s w i t c h i n g ，简称z c s ) ，它是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中 电流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断。 传统的移相全桥电路是一种性能优良的d c d c 软开关变换器，利用辅助电感能量 来实现开关管的零电压开关，减小了开关管的开关损耗。它具有电路和控制简单、开关 管容易实现软开关、电路效率高、e m i 小等优点，被誉为最佳的d c d c 变换器之一1 5 7 1 。 然而在移相全桥电路中，由于增加了辅助电感，在副边二极管反向恢复过程中，辅 助电感上储存的电能，使二极管上产生了较大的电压尖峰和振荡，增大了二极管开关损 耗，增加了副边二极管选型的难度，同时也使电路的e m i 性能变差。如果提高二极管 耐压，二极管的反向恢复时间会更长，电压尖峰和振荡会使电路的性能更差。尤其给 副边二极管的热设计带来极大的困难。 国内外电力电子与电源界自上世纪7 0 年代以来，不断有人研究副边二极管的尖峰 问题，尤其是在开关电源软开关技术日益成熟的今天，原边功率器件的开关损耗已经越 来越小。而半导体功率器件性能的日益改进，技术不断提高，使得功率器件的导通损耗 也越来越低。因此，为了进一步提高效率，减少电能损耗，副边二极管开关损耗问题显 得更加重要。 广西大掌硕士论文带p f c 的电感钳位移相全桥软开关电路的研究 同时，随着电力电子设备应用领域的不断拓展，电力电子装置中的相控整流以及不 可控器件整流不仅使得输入电流的波形严重畸变，而且降低了整个系统的功率因数，并且 引起了严重谐波污染。另外，硬件电路中电压与电流的急剧变化，使得电力电子器件承受 很大的电压与电流应力，产生大量的电磁波，对周围的电气设备及电磁波造成严重的电 磁干扰，而且情况日趋严重【7 1 1 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 人们对d c d c 变换器的研究也随着电力电子技术的发展不断深入。电路拓扑的结 构不断多样化，研究成果显著。一些较强技术和生产能力的国际知名厂家，如v i c o r 、 n e m i cl a m b d a 和e r i c c s o n 公司，相继开发出了多种拓扑组成的系列模块电源并占据了 较大份额的市场。近年来，美国越来越多的厂家已经从事于模块电源的开发和生产以期 争夺市场。 目前全桥电路在大容量电源装置中的应用已经比较成熟，国外研究主要集中在传统 的全桥电路中应用软开关技术改进其性能方面。 由于移相全桥软开关变换电路中，滞后桥臂开关管实现软开关受到限制，因此，研 究兴趣多集中于改善滞后管的软开关条件，主要分为两个方面： ( 1 ) 采取措施，拓宽 滞后管的零电压开通范围； ( 2 ) 将滞后管构造成零电流关断范围宽的软开关。 近年来，国外的研究方向基本上是沿着上述两个方面进行的，文献【1 2 】提出了一种 全桥软开关电路，其原边和副边都能够实现零电压开关，同时还克服了传统的谐振型 d c d c 变换器的一些缺点；并在传统的全桥移相软开关p w m 变换器的基础上引入了一 个饱和电感，使开关管的电压和电流应力都大幅降低，并且寄生振荡现象也显著减小； 文献【1 3 的电路拓扑对移相全桥电路做了改进，通过副边电感的储能使原边实现零电压 开通，而且抑制了副边电流和电压尖峰；文献【1 4 】中在电路中增加了一个饱和电感和一 个阻断电容，解决了z v s 电路中存在的环流能量大、占空比丢失、滞后管z v s 等问题； 文献b s 提出了零电压转换p w md c d c 变换器拓扑使用辅助网络实现主开关的z v s 和辅助开关的z v z c s 。文献 1 6 】提出了用副边有源箝位来实现滞后桥臂开关管的 z c s 4 7 1 。 关于副边二极管电压尖峰和振荡的问题，目前也有很多种解决方法：如采用软恢复 的输出二极管、采用r c 吸收、无源无损等等。r i c h a r dr e d l 等提出的二极管箝位电路 是种较好的解决方案，在设计方案中采用在变压器和电感之间增加两个箝位二极管， 使输出二极管在反向恢复期间将电感的多余能量释放到输入电源中，使输出二极管的尖 峰电压筘位。i n d o n gk i m 等提出的第三绕组变压器电压箝位电路采用四个箝位二极管 2 广西大学硕士论文 带p f c 的电感雀托立移相全桥软开关电路的研究 和一个箝位绕组，使原边的变压器电压被箝位在一定比例的输入电压上，其比例关系可 以通过箝位绕组的匝数来调节f 1 2 】【17 1 。 1 2 2 国内研究的现状 国内对开关电源的研究相对较为滞后，但是发展和推广迅速。在我国开关电源起源 于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初。当时引进的开关电源技术主要应用在高等院校和一些 科研机构的试验开发和教学中【1 8 1 。目前我国通信、信息、国防、家电等领域内已普遍采 用高频开关电源。 在软开关方面，国内研究主要集中于对传统的移相全桥电路的改进方面。为实现滞 后管零电流关断，可以在变压器原边引入饱和电抗作为磁开关来实现；也可以增加原边 辅助绕组或采用副边箝位等技术，更为简便的方法是在变压器原边串入二极管，将滞后 管变为单向开关。通过在变压器原边附加谐振电路，哥蜞实现开关管的零电压开关，但 是增加了电路的复杂性同时也降低了系统的效率。为解决变压器副边的占空比丢失问 题，可以在副边采用同步整流方式，但是其控制较为复杂，不易实现【i 圳。 在副边二极管吸收方面，国内目前采用的都是前文中提到的技术，很少有关于此方 面研究的论述。 关于p f c 方面，目前国内外大都采用b o o s t 电路作为p f c 的主电路，这是一个很 成熟的理论。 1 3 本课题的研究目标与研究内容 1 3 1 本课题的研究目标 本课题的研究目标是：采用带p f c 的移相全桥和全波整流相结合的电路结构和移相 全桥电压控制模式的双单环控制策略，研制一台功率为3 k w 的移相全桥d c d c 变换器 装置，实现移相全桥电路中所有的功率器件达到宽范围的软开关，其中，超前桥臂、滞 后桥臂都有较大范围的零电压开通，采用谐振电感的第二绕组来箝位副边二极管的电压 尖峰。降低器件开关过程中的损耗，改善整个电路系统的电磁兼容性，提高电路效率； 另外，设计相应的驱动、控制和保护回路，保证系统的安全可靠性。而对于p f c 来说， 采用l 4 9 8 1 芯片对其控制。减少电力电子装置对电网的污染。 1 3 2 课题的研究内容 本课题利用带电感筘位的移相全桥软开关技术，副边采用全波整流结构，设计了一 个3 k w 的a c d c 实验装置，系统由以下几个部分组成。1 、整流滤波部分，由整流桥、 两级共模电感以及电容装置组成；2 、主回路部分，主要由p f c 电路、移相全桥d c d c 电路、高频变压器和全波整流装置组成；3 、控制电路部分，d c d c 部分使用芯片 广西大掌硕士论文带p f c 的电感镦h 立移相全桥软开关电路的研究 u c c 3 8 9 5 产生移相p w m 方波；并采用电压控制模式的双单环控制结构，设计了相应的 p i d 控制电路、光耦隔离电路、驱动电路以及保护电路等。其中原边电路通过串联谐振 电感和隔直电容，副边通过采用全波整流结构，并在谐振电感上增加箝位绕组，使电路 实现z v s 以及二极管的电压尖峰箝位。它可以使超前开关管、滞后开关管都保持宽范 围的零电压开通。p f c 采用b o o s t 电路，使用芯片l 4 9 8 1 对其进行控制【4 7 】。 第二章详细介绍了移相全桥主电路的工作原理，包括传统移相全桥电路的原理以及 本文所采用的谐振电感箝位的移相全桥电路的工作原理。 第三章介绍了p f c 主电路的设计。包括输入整流滤波电路，软启动电路以及p f c 主回路部分。 第四章p f c 部分介绍了控制电路的设计。包括驱动电路、环路设计、保护电路以及 软启动控制电路。 第五章阐述了移相全桥主电路的详细设计过程，器件参数选型原则，采用m a t l a b 7 0 软件对所设计的主电路参数进行开环仿真试验，给出了实验的波形。 第六章详细地设计了移相全桥控制电路，阐述了驱动回路、保护回路以及控制回路 等原理，给出了电路图。并采用m a t l a b 7 0 对的调节器进行了仿真分析，取得了满意的 效果。 第七章给出了实验装置的结构图，并进行了电路调试，最后给出了电路中主要参数 的波形，验证了理论的正确性。 4 ，西大掌硕士论文 带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 第二章电感箝位z v s 移相全桥及p f c 电路的工作原理 本电路在传统的移相全桥电路中增加了p f c 电路及箝位电路，即：增加了电感的第 二绕组( 箝位绕组) ，筘位二极管d 5 、d 6 ，箝位电阻r c 等。利用谐振电感的第二绕 组，在副边二极管反向恢复期间，筘位副边二极管尖峰电压，并将尖峰能量反馈到电源 端。 2 1 传统移相全桥电路 在d c d c 变换器中，单管构成的变换器如b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s p e c 、 z e t a 、f o r w a r d 、f l y b a c k 等拓扑方案通常用于中小功率场合。而在中大功率场合，一般 采用全桥变换器，常用的全桥变换器有很多，目前研究的比较多的是移相控制方式，其 优点很突出，可以实现零电压、零电流、以及零电压零电流三种软开关方式。 移相控制z v s p w m d c d c 全桥变换器的几个优点： 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。采用软开关技术，使输出电 压的高频谐波减小。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。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卿5 1 。 传统移相全桥电路如图2 1 所示： cr一 _ 厂一 d r u _ 刀 ；白 一置 f 1 i i 图2 1 传统移相全桥主电路图 f i g 2 - 1t h em a i nb o a r d o ft r a d i t i o n a lp h a s es h i f tf u l lb r i d g ec i r c u i t 2 2 谐振电感箝位的移相全桥软开关电路的原理分析 传统的移相全桥电路是一种十分优秀的d c d c 变换器，利用辅助电感能量来实现开 关管的零电压开关，减小了开关管的开关损耗。它具有电路和控制简单、开关管容易实 现软开关、电路效率高、e m i 小等优点，被誉为最佳的d c d c 变换器之一，其设计已 经十分成熟。 带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 可是由于增加了辅助电感，在副边二极管反向恢复过程过程中，二极管会产生了较 大的电压尖峰和振荡，增大了二极管开关损耗，使电路的e m i 变差。如果提高二极管 耐压，二极管的反向恢复时间更长，会使电路的性能更差。 为此人们提出了一些解决方法，如采用软恢复的输出二极管、采用r c 吸收等等。 r i c h a r dr e d l 等【1 2 】提出的二极管箝位电路( 图2 2 ) 是一种较好的解决方案。在设计方案 中采用变压器和电感之间增加两个箝位二极管，使输出二极管在反向恢复时间存在电感 的多余能量释放到输入电源中，使输出二极管的尖峰电压箝位。但是，由于电路过于简 单，箝位二极管导通期间能量比较大，使得其发热非常严重，电路可靠性不高。为此 i n d o n gk i m 等【1 7 1 提出的第三绕组变压器电压筘位电路( 图2 3 ) 采用四个箝位二极管 和一个箝位绕组，使原边的变压器电压被箝位在一定比例的输入电压上，其比例关系可 以通过箝位绕组的匝数来调节。但是这样造成本来就不小的变压器进一步增大，并且电 路变得更加复杂。 l 一匡母 】【” 一 口t 二一 3 = 伽 忑蒜 1 ，一匿丑j c 。【j 茸 1 州l 图2 2 二极管箝位的移相全桥电路 f i g 2 2p h a s es h i f tf u l lb r i d g ec i r c u i tw i t hd i o d ec l a m p i n g 叫 一匡丑： 0 i 。 ；丽 = _ i 一匡丑】l 一一目 位 甜1 图2 3 变压器第三绕组籀位的移相全桥电路 f i g 2 - 3p h a s es h i f tf u l lb r i d g ew i t ht h et h i r dw i n d i n gc l a m p i n g o ft r a n s f o r m e r 本文采用如图2 5 所示的电路，它采用谐振电感的箝位绕组来实现谐振电感的电压 筘位，在保留原有软开关特性同时，解决了反向二极管恢复带来的问题，故称之为“谐 振电感箝位的软开关移相全桥电路”。在谐振电感支路串一个电阻是为了保证电路在每 个开关周期中，将谐振电感的多余能量及时消耗掉，消除反向二极管恢复造成的影响， 提高了电路的可靠性。本电路也可以不串联电阻( 如图2 4 ) ，但电路可靠性有所降低。 6 广西大学硕士论文带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 l 一匠母 j 讲 ”c l r k 正一 一目 ：l叶 = h ir y q= ；鬲 i 一匡丑 ： c w 一匿 “i 图2 - 4 不串电阻的电感电压筘位的移相全桥电路 f i g 2 - 4p h a s es h i f tf u l lb r i d g ec i r c u i tw i t hi n d u c t o rc l a m p i n gw i t h o u ts e r i e sr e s i s t a n c e 。冉一写 一匿丑 。j 口- ”。h 扩一 ：_ v h 一匡丑j 【* 一 1 门 i o 毒 i 图2 5 串联电阻的电感电压箝位原理图 f i g 2 - 5p h a s es h i f tf u l lb r i d g ec i r c u i tw i t hi n d u c t o rc l a m p i n g a n ds e r i e sr e s i s t a n c e 图2 5 为我们采用的谐振电感箝位软开关电路，其特点是在传统的移相全桥电路的 谐振电感上增加一个第二绕组( 箝位绕组) ，筘位绕组的一端与桥臂的中点相连，另一 端通过两个二极管分别箝位在正负输入母线上。谐振电感与箝位绕组的匝比为k ，一般 取k l 。图2 5 为典型的应用电路，电路中在筘位电感回路中串联一个电阻。本文以图 2 4 为例，介绍本电路的工作原理。 对于移相全桥电路，器件本身的寄生参数在开关转换过程中对电路的特性有显著的 影响，因此我们首先考虑器件的寄生参数的影响，给出等效的电路图进行分析。考虑寄 生参数，图2 4 电路可以简化等效为如下的电路( 图2 6 ) ，其中g 为等效的寄生电容。 j 匡丑 。j 【 。m 埘 h 耵一由一气 一匿丑 ：* 一目 科1 ，。 带 = c o ： 图2 _ 6 等效的电感电压箝位移相全桥电路 f i g 2 - 6e q u i v a l e n tc i r c u i to fp h a s es h i f tf u l lb r i d g ew i t hi n d u c t o rc l a m p i n g 结合图2 - 6 的等效电路，将整个电路划分为多个电路模式进行具体分析，在此给出 关键几个过程的分析： 7 带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 模式1 ：t o 时刻，能量反馈结束 模式2 ：t 旷t l 期间，电流线性上升阶段 q l 、q 3 均已经导通，t l 时刻电感电流i l ，达到厶刀，由于谐振电感绕组与箝位绕组 匝比k l ，因此d 6 不会导通。 模式3 ：t l t 2 期间，输出二极管反向恢复阶段 由于输出二极管存在反向恢复特性，因此d r 2 不能马上关断，因此变压器继续被短 路，电感电压为输入电压，原边谐振电感的电流继续线性上升，d ，l 的电流也继续线性 上升，d r 2 有一个线性上升的反向电流，各个电流的关系式同模式2 。经过t r r 时间后， ( 2 1 ) 图2 7 模式3 阶段的等效电路和电流方向 f i g 2 7t h ec u r r e n td i r e c t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i ti nm o d e 3 模式4 ：t 2 t 3 期i 日j ，谐振阶段 由于寄生电容的存在，原边电流需要向变压器的寄生电容充电，副边电流向d r 2 的 反向结电容和r c 吸收电路充电，因此谐振电感与等效的电容寄生参数c 。谐振。 此时： 图2 1 8 模式4 阶段的等效电路和电流方向 f i g 2 8t h ec u r r e n td i r e c t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i ti nm o d e4 吃叱+ 瓣s i 州h z m n 一匆 。= 鲁+ f 虿c o s c ( t - t 2 ) - t a n _ 匆 8 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 广西大掌硕士论文带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 和忙 ( 2 4 ) 当v c s = v i n 时，谐振电感电压降至零并开始反向，此时箝位二极管d 5 开始导通， 此阶段结束，电感电流达到最大值。 模式5 ：t 3 咱期间，筘位阶段 t 3 时刻箝位二极管d 5 导通，此时变压器和寄生电容的电压被箝位在k 。，谐振电感 多余的能量通过d 5 和q l 回路释放。为了加快多余能量的释放，在此增加了电阻r c ， 因此： l r 兰孚= 一尼( 吃l + 5 ) 一k 2 屯，r c ( 2 5 ) “l 其中v d s l 为q l 的开通漏源压降，v d f 5 为d 5 的正向导通电压。如果采用图2 - 4 电路 不要r 限流，则l r 的电流下降方式为： 三，皇= 一后( 吃，+ ，) ( 2 6 ) “l 从上面几个公式可以看出，增大谐振电感和箝位绕组的变比k ，有利于使电感的多 余能量尽快释放完毕。 在t 4 时刻，d 5 的电流降至零，d 5 零电流关断( d c m ) 。 为使d 5 在q l 关断前的电流降至零，可以通过调整比例系数k 和电阻值来保证。 图2 9 模式5 阶段的等效电路和电流方向 f i g 2 9t h ec u r r e n td i r e c t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i ti nm o d e5 模式6 ：t 4 - t s 期间，功率输出阶段 模式7 ：t s t 6 期间，谐振阶段l t 5 时刻，q l 管关断，此时c l 充电，c 2 放电，直至q 2 的体二极管d ，导通。此时谐 振电感承受反压，电感电流减小。由于变压器电流受输出电感箝位，因此寄生电容c 。 向变压器放电，寄生电容电压下降。此时c l 、c 2 、c 。和l r 均参与谐振。 模式8 ：t 6 t 7 期间，谐振阶段2 t 6 时刻q 2 的体二极管导通，c l 、c 2 退出谐振。此阶段q 2 可以零电压开通，l r 、c 。 继续谐振，l r 的电流继续减小，c 。的电压下降，但还未到零，因此变压器承受正向电压 v 。，d ，1 继续导通，变压器电流为厶门。本阶段到t 7 时刻，v 。的电压降至零为止。 9 广西大掌硕士论文带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 【南一 一匡丑 ： 口i 们。嚼 = 鬻 2 【* 舛i j 吲 一匡 i 图2 1 0 模式8 阶段的等效电路和电流方向 f i g 2 - 10t h ec u r r e n td i r e c t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i ti nm o d e8 模式9 ：t 7 t 8 期间，箝位阶段， t 7 时刻变压器电压为零，输出二极管d 。：开始导通，变压器被短路。输出二极管d r 2 的电流线性上升，d ，1 的电流线性下降。变压器原边的电流也线性下降，但在t 7 时刻， 变压器电流，。= i o n ，大于谐振电感电流，因此箝位二极管d 6 导通，电流方向如图所 示，以弥补不足的谐振电感电流。在t 8 时刻，变压器原边电流下降到i l r ，此时箝位绕组 电流补充谐振电感的电流也降至零。 r i 一匿丑 j l c ，1 j o 。阱一岛j 与 ： i j 匡墨 j。一d “i n ， o 一 ，r l 沁 dr2 r l i 一 图2 1 l 模式9 阶段的等效电路和电流方向 f i g 2 1lt h e c u r r e n td i r e c t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i ti nm o d e9 模式1 0 ：t s t o 期间，环流阶段 模式1 l ：t 9 t l o 期间，谐振阶段 t 9 时刻0 4 关断，此时l r 与c 3 、c 4 谐振，c 3 放电，c 4 充电，直至q 3 的体二极管导 通为止。 模式1 2 ：t l o t l l 期间，能量反馈阶段 谐振电感的能量继续反馈给输入电源，在t l l 时刻q 3 导通。在q 2 、q 3 导通进入另 半个模式周期，其电路分析与前面1 2 个模式雷同。结合以上分析，箝位电路关键是能 对消除输出二极管的反向恢复产生的影响，因此给出二极管反向恢复期间的相关波形以 助分析。 l o 广西大掌硕士论文 带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 v d 恕 id 5 f ot 1t 2b f 4 图2 1 2 输出二极管反向恢复期间的相关波形分析 f i g 2 12w a v e f o r m so fo u t p u td i o d ed u r i n gt h ep e r i o do fr e v e r s er e s t o r e s 对于输出二极管的箝位电压与额定值有个2 d v n 的压差， d v = 七( + 虼5 + 吃1 ) n ( 2 7 ) 由于漏感的存在和箝位二极管导通需要时间，当箝位开始和结束时，会出现小尖峰 和短暂的振荡后达到额定反压。从图上看出，由于寄生电容( 包括各种吸收电容) 的存 在，二极管反向电压慢慢上升到高压，同时最高反压被筘位，因此其恢复特性得到很好 解决。同时增加的箝位二极管工作于电流断续模式( d c m ) ，其关断自然为软关断，因 此电路整体性能得到提高【2 2 1 。 2 3p f c 电路 在大功率电源的应用中，往往采用蓄电池来存储直流电能，且大多仍采用相控整流 器补充电能，但传统的整流方式产生的谐波污染了电网环境。高功率因数和高效率的整 流电源在应用中降低了电网污染，所以愈来愈受到重视。 功率因数( p f ) 是指交流输入有功功率( p ) 与输入视在功率( s ) 的比值。即： p f ：i p ：吃i i m 了c o s：i m 7 c o s ( , a ：7c 。s 缈( 2 - 8 ) s y m i m si 懈 j 式中：r 表示输入基波电流有效值：k 表示输入电流有效值；y = 争表示输入电 m s 流失真系数；c o s q ，表示基波电压和基波电流之间的相移因数。所以功率因数可以定义 带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 为输入电流失真系数( y ) 与相移因数( c o s o ) 的乘积。所以，一旦输入电流的谐波分量 过大，就会造成输入电流波形的畸变，这样就会对电网造成污染，并且对于三相四线制 供电方式来说，还容易造成中线点的电位产生偏移，致使用电设备损坏。 功率因数校正p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 技术，从其实现方法上来讲，就是使电 网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波( y - - - 1 ) ，且和 电压波形同相位( c o s o = 1 ) 。在理想情况下，可将整流器的负载等效为一个纯电阻，此时 的p f 值为1 。 功率因数校正电路( p f c ) 分为有源和无源两种。无源校正电路通常由大容量的电感、 电容以及工作于工频电源的整流器组成。有源功率因数校正( a p f c ) 法，就是在整流器和 负载之间另接一个d c d c 变换器装置，采样输入电流以及输入电压，并将其反馈到控 制电路，使输入电流波形无差别跟踪输入电压的正弦波形，从而把功率因数提高到0 9 9 或更高。最重要的是a p f c ( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 电路一般工作在高频开关 状态。因此，相对于无源p f c 装置来说，a p f c 的体积更小、重量更轻，效率更高。目 前来说，主要使用a p f c 来实现对功率因数的提高。 a 类b o o s t b 类b u c k c 璞b u c k b o o s t 图2 1 3 功率因数校正电路的三种不同结构形式 f i g 2 - 13t h r e ed i f f e r e n ts t r u c t u r a ls t y l e so fp f cc i r c u i t 图2 1 3 是有源功率因数校正a p f c 电路的三种不同结构形式。不同的结构形式各 有其特点，现分述如下： a 类b o o s t ：功率因数高；v o v i f i ；滤波电路体积小；无短路保护；开关电压= v o u t ； 门极驱动信号接地。 b 类b u c k ：功率因数低；v o v i t l ；滤波电路体积大；有短路保护；开关电压= v i n ； 门极驱动信号浮地。 c 类b u c k b o o s t ：功率因数高；v o 为任意值；滤波电路体积大；有短路保护；开关 电压= v i 。+ v o ；门极驱动信号浮地。 由于b o o s t 电路简单，实现成本低，是迄今为止应用最广泛的功率因数校正电路。 除了上述特点之外，与整流桥串联的电感能减少高频噪声，减少r f i 滤波器的体积降 低成本。由于在电感去磁时由电源供电，电感只存储一部分用于输出的能量因此电感 的体积也可以减小【3 3 1 【3 4 1 。 1 2 厂。西r 大掌硕士论文带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 2 4 控制电路原理分析 d c d c 变换器是负反馈控制系统，其控制环节非常关键。变换器的控制分为电压 模式和电流模式，前者是只有电压反馈的单闭环控制，后者是电流内环电压外环的双闭 环控制方式。电压模式控制是一种非常简单的控制模式，误差放大器只检测输出电压或 者是输出电流，其控制简单，但动态和稳态性能不够好。 电流模式控制，在电压反馈的基础上，又引入了电流反馈环节，其实质是使平均电 感电流跟随误差电压所设定的值，即可将电感用一个恒流源代替，从而可以使系统由二 阶降为一阶，简化了控制系统调节器的设计。在控制性能方面远远优于电压模式，它又 分为峰值电流控制、平均电流控制模式等。峰值电流是把电流峰值作为控制对象，平均 电流控制是电流的平均值，峰值电流控制具有动态响应速度快、可以降阶简化调节器设 计、简单自动的磁通平衡功能以及瞬时峰值电流限制的特点。但是，在控制上，电流控 制模式比较复杂。 由于本设计是一个恒流工作的电源，因此本文采用电压控制的单双环模式进行控制 系统的设计，如图6 8 及图6 1 5 所示，电流环为稳定工作环，电压环为启动工作环，控 制比较简单，同时也能达到比较满意的效果。当电源启动时，电流还没有达到额定电流。 电流与基准的误差很大，二极管d 6 0 0 截止，电压环恒压启动电路。 随着电流的增大，电流与基准的误差变小，当电流达到设定值以后，二极管d 6 0 0 导通，电路自动切换成电流环工作1 4 。 2 5 系统结构框图 系统结构框图如图2 1 4 所示： a c r _ d c 妻塞安h 波e m 整i 滤流r 麟入u 镒ml 卜剖电路卜一 p w m 控 制r 4 0 0 v d c 2 4 v d c 嚣罔纂翟壶田负载电路i上i 桥电路i小- l l 4 9 8 1 a 控制 电路 雏 保护 u c c 3 8 9 5 控制 电路 图2 1 4 电源系统方框图 f i g 2 14b l o c kd i a g r a mo fp o w e rs y s t e m 由图知整个系统由以下几个部分组成。l 、e m i 滤波整流电路2 、p f c 主电路3 、移 相全桥主电路4 、控制部分，d c d c 部分使用芯片u c c 3 8 9 5 产生移相p w m 方波；p f c 采用芯片l 4 9 8 1 对其进行控制。 带p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的研究 2 6 本章小结 本章分析了设计中所采用的移相全桥以及p f c 拓扑的工作原理，给出了系统结构框 图。关于移相全桥，文中叙述了传统移相全桥电路以及目前的几种改进电路，提出了一 种新的移相全桥拓扑。并且在最后叙述了控制电路的两种模式，比较了其优缺点。 第三章输入整流滤波以及p f c 主电路的设计 3 1p f c 主电路的设计 p f c 主电路图如图3 1 所示：采用b o o s tp f c 主电路拓扑。 图3 1p f c 主电路 f i g 3 1m a i nc i r c u i to fp f c 3 1 1 设计参数 一 p o = 2 9 0 0 w ；u i n = 1 8 0 - 2 6 0 v ；f = 1 0 0 k h z ；u o = 4 0 0 v 。输入功率因数：p f = 0 9 9 。 1 1 = 0 8 9 ( 当工作在最低电压1 8 0 v 的时候) 1 1 批= 0 9 3 1 2p f c 电感的设计 3 1 2 1 电感感量的计算 输入电流最大值的有效值可以根据公式3 1 求得。如下： p r k 一一2 瓦丽。 硼瑚5 彳 输入电流的峰值则按照以下公式求得： in 啪喊= 4 2 i 螂= 2 5 8 5 9 a 1 4 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) 广西大掌硕士论文带- p f c 的电感箝位移相全桥软开关电路的司院 取纹波电流为0 3 倍的输入电流峰值，则： 一辟2 砷= o 3 k 一肚= 7 7 5 8 a ( 3 - 3 ) 则流过b o o s tp f c 电感的峰值电流为： 厶删一肚= 乙。一肚+ 二竺警= 2 9 7 3 8 a ( 3 - 4 ) 当电路工作在最低电压1 8 0 v 的时候，最小占空比为： 见h 胁。：垦：丝竺垡竺：0 3 6 4 ( 3 - 5 )玩jv f 。j = 上丛i = 型=( y 一唾c 当b o o s t 电感上流过的直流电流为2 9 7 3 8 a 的时候，此时电感可以由公式3 - 6 计 算而得： 三。钉。，：=!：!：!监：119 3 lu 一。：f( 3 i ) 上协0 0 剪机邪= ：二i - - ；= l l y j 1 月 l j 。b ) j s 一加一r i p p l e 一肚2 犀 3 1 2 2 电感磁芯的选择 电感磁芯在实际应用中大都是根据经验来选择，在理论研究中一般利用a p 法计算 出磁心的基本参数，再查表选用。本文也采用a p 法计算。 令窗口占用系数k wb o o s t = 0 4 ；由于铁粉心的最大饱和磁通密度为1 0 ，因此取最 大磁通密度为o 5 。即b m a x = o 5 ；取最大电流密度j m a x b o o s t = 7 a m m 2 。则a