（电力电子与电力传动专业论文）软开关直流变换器的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nd c d c c o n v e r t e r sg e tm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n n o w a d a y s ，h i g hp e r f o r m a n c e ，h i g l le f f i c i e n c ya n dl i g h t w e i g h ta r e t h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c ef i g u r eo fa l lk i n d so fp w md c d cc o n v e r t e r s i n o r d e rt oi n c r e a s et h ep o w e rd e n s i t ya n do u t p u te f f i c i e n c y , t h es o f ts w i t c h i n gt e c h n i q u e si st h ek e y a n di th a sb e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s a s o f t s w i t c h i n gc o n v e r t e rc i r c u i ti sd i s c u s s e do nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h eh a r d - s w i t c h i n g p o w e rc o n v e r t e rc i r c u i t ss h o r t c o m i n gi nt h ep a p e r t h ed e f i n i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es o f t s w i t c h i n gh a v eb e e ns u m m a r i z e d o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i sa n d t h es t u d ym e n t i o n e da b o v e ，a ni m p r o v e df u l l - b r i d g ez e r oc u r r e n tt r a n s i t i o nr e s o n a n td c d c c o n v e r t e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ec i r c u i t t o p o l o g y , p r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n dt h ec i r c u i tf e a t u r e sh a v eb e e na n a l y z e d d e t a i l e d t h i sc o n v e r t e rn o to n l ya c h i e v e sz e r oc u r r e n ts w i t c h i n gf o rt h em a i ns w i t c h e sa n d a u x i l i a r ys w i t c hi nt h el o a dr a n g e s ，b u ti ta l s or e a l i z e ss o f tc o m m u t a t i o no ft h es e c o n d a r yr e c t i f i e r d i o d e s s oi tg u a r a n t e e sh i g he f f i c i e n c yo v e rw i d el o a dr a n g e t h e nt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i ta n d c o n t r o lc i r c u i ta r ed e v e l o p e d ，t h ep a r a m e t e r so fm a i nc i r c u i ta r eg i v e n t h ep h a s e - s h i f tc o n t r o li s i m p l e m e n t e dw i t hu c 3 8 7 5 f u r t h e r m o r e ，as i m u l a t i o ni sp e r f o r m e ds u c c e s s f u l l yt oa n a l y z et h ec o n v e r t e r sw o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c su s i n gt h ef a m o u sc a ds i m u l a t i o ns o f t w a r ep s p i c e 9 2 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h ec i r c u i tt o p o l o g yi sr i g h t k e yw o r d s ：p w m f u l l b r i d g ec o n v e r t e r z c t s o f t - s w i t c h i n g i i 贵州大学硕上学位论文 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 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科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：粒导师签名 日期：! q q 丝生么旦 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 本文的研究主题是改进型的全桥式零电流p w md c d c 变换器的设计实现。本章首先 指出了研究软开关技术的背景、目的以及意义，然后对硬开关电路的局限性，开关损耗的产 生机理，软开关的基本理论及软开关变换器的发展等几个方面做了进一步的阐述。最后介绍 了本文的研究内容。 1 1 引言 电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和变换的学科。它使电能最终变 成不同用途、不同性质、不同容量和频率的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。 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、微电子技术等许多领域 密切相关。目前电力电子技术已逐渐成为- i - i 多学科互相渗透的综合性技术学科。电力电子 技术包括电力电子器件、变换电路和控制电路三个部分，其中以电力电子器件的制造技术为 核心技术。f 3 】【4 j 【7 】 随着电力电子技术的发展，功率交换器在开关电源、不间断电源、c p u 电源、照明、 高频感应加热、电机驱动控制、电网的无功补偿和谐波治理等众多领域得到日益广泛的应用。 而且电力电子技术高频化的发展趋势使功率变换器的重量大大减轻，体积大大减小，提高了 产品的性能价格比。但是采用传统的硬开关技术，开关损耗将随着开关频率的提高而成正比 地增加，限制了开关的高频化，因此减小功率开关器件的开关损耗受到国内外的广泛关注。 电力电子技术的电路拓扑结构的发展，使得电力电子器件和装置的高频化取得了突破性的发 展。从1 9 8 6 年d m d i v a n 教授第一次提出d c 环节谐振逆变电路以来，软开关技术的研究 成为电力电子学领域最活跃的研究方向之一【6 1 。软开关技术可以部分或全部实现变换器中 功率开关器件的零电压开关或零电流开关，克服了常规p w m 型功率开关器件的开关损耗随 开关频率成比例增加的缺点，使功率器件的开关频率提高了一个数量级甚至更多。同时在软 开关方式中，功率开关器件开通前电压下降到零，其上寄生电容上的电压也为零，从而解决 了容性开通问题：同样，功率开关器件关断前电流下降到零，线路电感中电流也为零，从而 解决了感性关断问题。另外，软开关：j ，：作方式使便开关电路中的缓冲电路成为多余，减小了 贵州大学硕= b 学位论文 变换器的电磁干扰e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) ，减小了功率开关器件的散热体积， 提高了变换器工作的可靠性与效率。 本文主要研究的是全桥d c d c 变换电路。全桥变换电路拓扑是国内外d c d c 变换电 路中最常用的电路拓扑之一，在中大功率应用场合更是首选拓扑。这主要是考虑到它具有功 率开关器件电压电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。 随着电力电子技术的发展，电力电子装置的性能指标要求越来越高。在硬开关技术日益 阻碍电力电子装置向小型化、轻量化和高效化发展的今天，软开关技术显得尤为重要。零转 换软开关d c d c 变换器的研究和应用在我国还处于起步阶段，但其发展前景十分广阔，经 济效益和社会效益会越来越显著。因此，对零转换p w m 软开关d c d c 变换器的研究有利 于推动零转换软开关电源的实用化 1 2 软开关基本理论分析 1 2 1 硬开关p w m 变换电路及其局限性嗍 6 0 年代开始发展起来的p w m 技术，因为其原理直观、易于实现、线性度高动态性能 好等一系列优点在各种电力电子装置中获得了广泛应用。然而，采用p w m 控制技术的常规 直流变换器，其开关管工作在硬开关( h a r d s w i t c h i n g ) 状态。图1 1 给出了开关管开关时的 电压和电流波形及其开关损耗。由于开关管不是理想器件，在开通时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。在这段时间内，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，称之为开通损耗( t u r n - o nl o s s ) 。 当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，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。在这段时间内，电流和电压也有一 个交叠区，产生损耗，称之为关断损耗( t u r n - o f f l o s s ) 。因此在开关管开关工作时，要产生 开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。传统硬开关存在以下缺点： ( 1 ) 在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是一定的，变换器总的开关损 耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器效率越低。开关损耗的存 在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。 ( 2 ) 开关管工作在硬开关时还会产生较高疣出和咖出，从而会产生很大的电磁干 扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 。图1 2 ( a ) 给出了带感性负载时开关管_ l 作在硬开关条 2 贵州大学硕士学位论文 o p 嘶 0 入 z c 1 ，c f |i 小 叭朋 p 妇( 谚) 廛 岫 廛 j 。j 。j _ 。_ _ _ _ - 图i i开关管开关时的电压和电流波形及其开关损耗 件下开关管的开关轨迹，图中虚线为开关管的安全工作区( s 疵t ) ，o p e r a t i o na r e a ，s o a ) ，如 果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管损坏。 ( 口) 1 2 2 软开关的定义 图1 2 开关管开关轨迹 p ) 为了克服上述硬开关电路带来的诸多问题，软开关技术应运而生，并得到了深入广泛地 研究和迅速地发展。所谓的“软开关”，是与“硬开关”相对应的，凡用控制的方法使电子 开关在其两端的电压为零时导通，或使流过电子开关的电流为零时关断，则此开关称为软开 关。它能克服传统的硬开关的开关损耗，理想的软开关的开关损耗为零，从而可提高功率变 换器的传输效率。i s j 最理想的软开关开通过程是零电压开通，即：电压先降到零，然后，电流再缓慢上升到 通态值，在这个过程中，开通损耗几乎为零，而且开通器件上的电压在开通时下降为零， 3 贵州大学硕士学位论文 器件的结电容上的电压也为零，不存在容性开通的问题，这就意味着二极管已经截止，其反 向恢复过程结束，故也不存在二极管的反向恢复问题。 与之相对应的是软开关关断过程( 零电流关断) ，即：电流先降到零，然后，电压再缓 慢上升到断态值，在这个过程中，关断损耗几乎为零，而且关断器件上的电流在关断时下降 为零，线路中的电感上的电流也相应为零，因此不存在感性关断的过程。 其开关轨迹如图1 2 ( b ) 所示。 上述开关过程所对应的波形如图1 3 所示，可以与前面图1 1 作对比。 距 u f 1f 2 ( a ) 关断波形 f 1f 2 ( b ) 开通波形 图1 3 开关管实现软开关波形图 1 软开关的分类 由图可知，软开关包括软开通和软关断。其中软开通又包括零电压开通和零电流开通； 软关断包括零电压关断和零电流关断。即通过实现开关管的几种软开关方式可以减小硬开关 的开关损耗。 下面将以图1 3 为基础分别对四种软开关方式作介绍： ( 1 ) 零电压关断：开关器件在两端的电压为零时实行关断。此关断命令在f 1 时刻发出， 开关器件上的电流从通态值下降到断态值后，端电压才从通态值上升到断态值，开关器件进 入到截止状态。在f 2 以前，开关器件的端电压必须保持在通态值，即约为零。 ( 2 ) 零电流关断：开关器件在两端的电流从通态值下降到零时实行关断。该关断命令在 f 2 时刻或其后发出，开关器件上的端电压从通态值上升到断态值，开关器件进入到截止状 态。 ( 3 ) 零电压开通：开关器件在两端的电压为零时实行开通。该开通命令在f 2 时刻或其 后发出，开关器件上的电流从断态值上升到通态值后，开关器件进入导通状态。在f 2 以前， 开关器件端电压必须下降到通态值( 约等于零) ，并且在电流上升到通态值前保持在零。 ( 4 ) 零电流开通：开关器件在两端的电流为零时实行开通。该开通命令在n 时刻发出， 开关器件上的端电压从断态值下降到通态值后，电流才从断态值上升到通态值，开关器什进 入到导通状态。在f 2 以前，开关器件的电流必须保持在断态值，即约等丁：零。 4 贵州大学硕士学位论文 2 几个相关参数的定义 由上面的介绍可知，软开关的种类有许多种，为了能更有效地比较、评估各种软开关 的性能，我们有必要解释以下几个参数： ( 1 ) 变换器效率叩 叩；鲁舢 n ， 上式中只变换器的输出功率； 只变换器的输入功率。 变换器的效率反映了变换器的总的损耗情况，如果所采用的软开关技术在减小器件的开 关损耗的同时又增加了器件的通态损耗，则变换器的效率不会有明显的改进。 ( 2 ) 开关器件的利用率弘 。去 ( 1 2 )? n u p ip 、j 上式中甩为变换器中的开关器件的个数；u p 、l p 为主开关器件正常工作时所承受的最 大电流和电压。 开关器件的利用率口这一参数反映了器件所承受的电压电流应力的情况，在相同的输 出功率下，器件所承受的电压电流的应力越小，器件的利用率就会越高。 1 3 软开关功率变换器的发展 早期的开关变换技术分为两类：p w m 技术和谐振技术。p w m 技术以中断功率流通和 控制占空比的方法来变换功率；而谐振技术以正弦和准正弦形式处理能量。【2 4 1 众所周知， p w m 技术以其控制简单、动态效应好等优点被广泛采用。但是传统的p w m 变换器按硬开 关模式下工作，开关频率越高，开关损耗越大，变换器的效率就越低。为此人们研究了开关 过程中开关器件的电压和电流波形不相交叠的技术，即所谓的软开关技术【1 1 。软开关技术的 出现很好的解决了硬开关技术无法解决的问题。最初的喈振式变换器虽然使开关器件j ：作于 软开关状态，但是它的输出电压的调：肖需通过开关频率调节实现， 2 5 j 这就使得p w m 技术 难以实现。 5 贵州大学硕士学位论文 软开关p w m 技术就是将谐振技术与传统p w m 技术的特点相结合，通过附加辅助有源 开关的方式阻断和扩展了谐振过程，或者通过辅助开关管代替二极管的方式获得新的可控 量。它只在换相阶段利用谐振，换相结束后利用p w m 来实现功率的传输，因此这种变换器 可按p w m 方式运行，它既具有软开关的特点，又具有p w m 恒频占空比控制的优点。所以 软开关p w md c d c 变换器成为目前最具有应用前景的直流变换器。 1 谐振直流变换器 谐振直流环变换电路是将零电压开关准谐振电路应用到三相a c d c 或d c a c 功率转 换电路。其本质是使用z v s 准谐振开关变换器。z v s 准谐振开关单元内，和c ，间的谐振 使s 两端的电压周期性过零，使开关损耗降低，并使变换器工作在更高的开关频率。其基 本电路如图1 4 所示： d 逆 整 圪t z 宁、 2王 变 流 器 器 图1 4 谐振直流环变换器原理图 该变换器详细原理分析如下：它利用谐振元件t 和c 及谐振控制开关在逆变器的输入 直流电压电路中产生谐振，把输入直流电压转换成一系列高频脉冲电压波供给逆变桥。谐振 控制开关s 1 在圪谐振回零时零电压开通并保持屹一0 一段时间。在此时间内，逆变桥在 零电压下进行换流，改变工作状态；另外，电源k 给谐振电感，充电补充能量，以保证下 一个周期内圪可靠的回零，待0 谐振上升到一定阈值后，s 1 在零电压下关断，下一个谐 振周期开始。该电路的特点是电路简单，谐振回路防止在直流侧，只需一组谐振元件t 、c 、 s 。就可以获得整个逆变器所有器件的零电压条件。特别是换流时直流环节电压要保持一段 零电压时间，使得逆变桥主开关器件将获得较好的开关条件。这样无须改变直流母线两侧变 换器的结构，而只要对公共直流母线电压或电流进行操作。 但是谐振直流环技术的主要缺点是电压电流应力大；另一个缺点是难于控制，因为所 有的变换器开关需要与直流环同步，降低了在更高功率水平获得输入和输出波形的良好分辨 率的能力。 6 贵州大学硕士学位论文 2 零电压和零电流开关p w m 变换器 ( 1 ) 零电压开关p w m 变换器( z v s p w m ) 零电压开关p w m 变换器结合了零电压准谐振变换器和p w m 变换器的原理的优点。在 零电压准谐振开关单元内的谐振电感并联一个辅助开关，就得到零电压开关p w m 交换器开 关单元，如图1 5 ( a ) 所示。辅助开关管s 。使谐振电感短路，周期性的消除电路谐振，使 其只在开关转换瞬间产生谐振，为主开关s ，创造零电压开关条件。定时控制辅助开关的开 通和关断就能实现恒频控制。 o s 1 图1 5 ( a ) z v s - p w m 开关单元图1 5 ( b ) z c s p w m 开关单元 用z v s p w m 开关单元代替p w m 变换器内的p w m 开关单元可获得常规的零电压开关 p w m 变换器。图1 6 ( a ) 是b u c k 型零电压开关p w m 变换器的电路图。该变换器能够实 现主开关管的零电压开通，且电流应力小，但为维持零电压开关，它的电压应力大，因此一 般应用在小功率、低电压、而且体积和重量要求十分严格的场合【2 1 。 一 l f d 。 sc ，丰一l r 旁i j_ 巳千 i 图1 6 ( a ) b u c k 型零电压开关p w m 变换器图1 6 ( b ) b u c k 型零电流开关p w m 变换器 ( 2 ) 零电流开关p w m 变换器( z c s p w m ) 零电流开关p w m 开关单元是零电压开关p w m 变换器开关单元的对偶电路。1 2 l 其开关 单元如图1 5 ( b ) 所示，加入一个辅助开关管s 。与零电流开关谐振开关单元内的谐振电容c ， 串联得到【3 1 。它的作用是周期性的断开c ，消除，和c ，间的谐振，使其只在开关转换瞬间 产生谐振，为功率开关创建零电流开关条件。如图1 6 ( b ) 所示的b u c k 型零电流开关p w m 变换器，能实现主开关管和辅助开关管的零电流开关，并能实现恒频控制。但是它的谐振电 感，在主电路中，所以零电流开关条件对电源电压和负载变换敏感。 7 贵州大学硕士学位论文 3 零转换p w m 变换器【3 0 l 在z v s p w m 变换器和z c s p w m 变换器中，谐振元件虽然不是一直谐振工作，但谐 振电感却串联在主功率回路中，损耗较大。零转换p w m 变换器将谐振单元从主电路移开， 使之与主开关支路并联，就可克服以上缺点。所以辅助电路只在开关管开关时工作，减小了 辅助电路的损耗，且辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力。所以使得该类变 换器在中大功率场合得到广泛应用。 ( 1 ) 零电压转换p w m 变换器( z v t - p w m ) 给p w m 开关单元并上一个谐振网络获得如图1 7 ( a ) 所示的零电压转换p w m 开关单 元。其中并联谐振网络由谐振电感，、辅助开关管s 。和二极管d 1 、谐振电容c ，组成。谐 振网络与开关管并联，所以电压和电流应力小，晶体管和整流二极管都能获得软开关条件。 这个特点使得零电压转换p w m 技术更适用于整流二极管存在严重反向恢复问题的高压变 换场合。 陌 图1 7 ( a ) z v t - p w m 开关单元图1 7 ( b ) z c t p w m 开关单元 z v t - p w m 变换器的优点是能实现恒频控制；在任意负载和输入电压范围内都能实现软 开关；辅助电路工作时间短，因此损耗小。但此电路也有缺点：即辅助开关管的关断损耗大， 比不加辅助电路时主开关管的关断损耗还大。 ( 2 ) 零电流转换p w m 变换器( z c b p w m ) 与零电压转换p w m 技术相似，给p w m 开关单元并上一个谐振网络获得如图1 7 ( b ) 所示的零电流转换p w m 开关单元。并联谐振网络由谐振电感上，、辅助开关管s 。和二极管 d 1 、谐振电容c ，组成。谐振网络只在开关转换的瞬间工作，为主开关管建立零电流开关条 件，实现品体管的零电流开关。 z c t - p w m 变换器的优点有：能实现恒频控制；在任意负载和规定的输入电压范围内都 能实现主开关管的零电流关断；辅助电路的能量可以随着负载的变化而自我调整；辅助网络 与主功率电路并联，辅助电路的：r ：作不会增加主开关管的电压应力，这些优点使得软开关转 8 贵州大学硕士学位论文 换p w m 变换器适用于i g b t 作为主开关管的中大功率场合，这时避免了i g b t 的拖尾现象， 从而可以大大提高开关频率。缺点有：整流二极管是硬开关，因此输出电压高时，需用快速 恢复的二极管作为整流二极管。 近年来，人们对于软开关p w m 技术方面的发展作了深入的研究。这些方面的研究对 于减少器件的电压和电流应力、扩大功率适用范围、进一步完善控制技术等方面做出了很大 的贡献。然而现在的软开关变换器技术无一例外的应用了谐振原理。电路中的谐振网络必然 会产生谐振损耗，限制了软开关变换器技术的应用。可以预见，无谐振网络的软开关变换器 是软开关变换器技术的未来发展趋势。【1 5 】 1 4 本文研究的主要内容 本文的内容将从以下方面具体展开： 第一章为绪论，首先指出了研究软开关技术的意义，然后分别从硬开关电路的局限性， 软开关的定义、分类及几个重要参数几个方面对软开关基本理论作了一个介绍。最后阐述了 软开关变换器的发展。 第二章在分析了p w md c d c 全桥变换器的基本工作原理之后，系统地提出了它的控 制策略和两类切换方式。 第三章对当前零电压、零电压零电流全桥拓扑结构与零电流拓扑结构的研究作比较，得 出本文的研究目的。提出一种改进型零电流p w m 全桥变换器，并对其电路拓扑、电路的工作 过程、谐振过程进行分析研究。 第四章在第三章的分析基础上从主电路和控制电路两部分进行电源系统设计。在主电路 部分，对磁性元件如变压器和电感的参数选择和设计以及主电路的关键元件参数设计及器件 选择进行详细的说明；控制电路采用u c 3 8 7 5 来实现。 第五章运用p s p i c e 仿真软件对本文所设计的改进型z c t 全桥d c d c 变换器的工作过 程和参数进行分析，验证了电路的合理性。 9 贵州大学硕士学位论文 第二章p w md c d c 全桥变换器的基本概况 2 1p w md c d c 全桥变换器的基本工作原理 由于全桥变换电路拓扑具有功率开关管的电压、电流额定值小，功率变压器的利用率高 等优点，所以是目前国内d c d c 变换器中最常用的电路拓扑之一。基本的全桥变换电路根 据供电方式的不同可分为电压源型和电流源型两类，其中电压源型d c d c 全桥变换电路是 由基本的b u c k 变换电路演变而来，因此又称为全桥b u c k 变换器，在实际中得到较广泛的 应用，其基本电路结构及其主要波形如图2 , 1 所示。 i 工圪 工 ? 圪肛i 3 圪k 3 v k ! d 圪嗣 1 0 i 丁下9 ( a ) 基本电路结构( b ) 主要波形 图2 1 基本全桥电路结构及其主要波形 电路结构中圪是输入直流电压，s 。& d l s 。d 。构成两个桥臂，高频变压器的原 副匝比为k ，d r l 和d r 2 是输出整流二极管，l ，是输出滤波电感，c ，是输出滤波电容， r o 是负载。 通过控制四只开关管，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圪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。二，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， 1 0 贵州大学硕士学位论文 其电压值为圪一。圪肛，其中。是占空比，。= 毒茏，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。 2 2p w m d c d c 全桥变换器的控制方式 为了得到输出端的脉宽调制电压，实际上只需在高频变压器的副边得到一个交流方波电 压，也就是在高频变压器原边( 即a b 两点) 得到一个交流方波电压。为了得到这个交流方 波电压，传统的方法如图2 2 所示，即斜对角的两只开关管s l s 4 和s 2 s 3 同时导通或关 断，每只开关管导通时间小于1 2 开关周期，即乙t 2 。5 m 7 1 v c d v a b s l s 3 s 。 s 2 i l 瓦2互 v c d s 1 s 3 s 4 s 2 l 钐 缓 一 。 囫翰 叫卜 豳 lz2 j r - j 图2 j , 传统的控制方式图2 3 新的控制策略图 事实上，如果仔细地分析一下传统控制方式，可以得到这样个思路：在图2 2 的基础 上，s 2 和s 。的导通时间不变，将s l 和s 3 的导通时间向前增加一段时间或者增加到半个周 期：或者5 。和s 3 的导通时间不变，将s ：和s 。导通时间向后增加一段时间或者增加到半个 周期：又或者将s 1 和s 3 的导通时间向前增加一段时间或者增加到半个周期，同时将s 2 和s 4 导通时间向后增加一段时间或者增加到半个周期，那么在a b 两点得到的电压与图2 2 完全 贵州大学硕士学位论文 一样。因为只有当s 1 和s 4 同时导通时在a b 两点才能得到正的电压脉冲( + 1 ) 吆，而当s 2 和s 3 同时导通时，在a b 两点才能得到负的电压脉冲( - - 1 ) 圪因此只要保证斜对角的两 只开关管的导通重叠时间不变，开关管的导通时间向前增加和向后增加对于a b 两点电压没 有任何影响。 基于上面所说的这种思路，可以得到p w md c d c 全桥变换器的全部的九种控制方式。 其中将s l 和s 3 的导通时间向前增加到半个周期( ：r , 2 ) ，同时s 2 和s 4 导通时间向后增加 到半个周期( i 2 ) 的控制方式称为移相控制方式，如图2 4 所示，是目前研究的比较多 的控制方式。 v c d v 墟 s 1 s 3 s 4 s 2 i 缪 黝 沥 黝一 励 lt 2t 图2 4 移相控制控制方式 九种控制方式，从斜对角的两只开关管的关断来看，可以分为两类： 斜对角的两只开关管同时关断；一般不能实现软开关。 斜对角的两只开关管关断时间错开，一只先关断，一只后关断，移相控制方式属于此 类，适宜实现软开关。 根据四只开关管的导通情况不同，d c d c 全桥变换器存在+ 1 ，0 ，1 二种丁：作状态，参 照图2 1 ( a ) 中，定义如下： + 1 状态：当s 1 和s 。同时导通时，加在a b 两点上的电压为正的输入电压，即 1 2 贵州大学硕士学位论文 ；( + 1 此； o 状态：s l ( 0 1 ) 和s 2 ( d 2 ) 同时导通或墨( d 3 ) 和s 4 ( d 4 ) 同时导通，= ( 0 ) 吃； - 1 状态：s 2 和s 3 同时导通，一( 一1 ) 吆。 2 3p w m d c d c 全桥变换器的切换方式 斜对角的两只开关管同时关断的切换方式，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。所以此处主要讲述斜对角两只开关管关断 时间错开切换方式。实际的全桥变换器主电路如图2 5 所示：其中雎为主变压器的漏感。 d 图2 5p w md c d c 全桥变换器主电路图 斜对角两只开关管关断时间错开切换方式，即一只开关管先关断，另一只开关管延迟一 段时间再关断。如果s 。和s 3 分别在s 。和s 2 之前关断，可以定义先关断的开关管s l 和s 3 组 成的桥臂为超前桥臂，而后关断的开关管s 4 和s 2 组成的桥臂为滞后桥臂。 1 超前桥臂的软开关实现 在图2 5 中，给超前桥臂开关管s 1 和s 3 两端并联电容c 1 和c 3 。在图2 6 中f o 时刻之前 s z 和s 4 同时导通，一( + 1 ) ，原边电流流过5 1 和s 4 。在f o 时刻先关断s l ，原边电流 1 3 贵州大学硕士学位论文 从s 1 中转移到c 1 和c 3 支路中，给c 1 充电，同时c 3 被放电。在这个时段，漏感厶和滤波 电感，是串联的，而且，很大，因此可以认为原边电流f ，近似不变，类似于一个恒流源。 l 长 d l：上c 1 甲i 。2 l thj r f ：一 a i b i | 长 d 3 j堪 ) d 4 r 上c 4 j ；，c ， 上 ， 望 一赢i 一专c ， ； 一 d 粤 ( a ) t o 时刻 i s l d ir 上c 1 孓d 2c 2 牟 、：a lb 。 一一峨 【c牟 l 、 i d 4。- _、t 毒 f 工r 7 c 三l 一 j ， u 碗1 一历 d 一 1d r 2 ( b ) t o f 1 图2 6 + 1 o 切换方式 这样c 1 的电压线性增加，同时c 3 的电压线性减小。在f l 时刻，c 3 的电压下降到零，d 3 自然导通，此时开通s 3 ，s 3 就是零电压开通，该切换方式为+ 1 o 切换方式。同样当s 3 关 断时开关切换方式为i 0 切换方式，其工作原理完全类似。 从上面的分析可以得到以下结论：超前桥臂在关断时，输出滤波电感与漏感是串连的， 原边电流基本不变，是一个恒流源，因此超前桥臂容易实现零电压开关，不能实现零电流开 关。 2 o 状态 图2 7 是0 状态的电路图。此时s 3 和s 。导通( 即d 3 和s 。导通) ，一( o ) ，因此 变压器原边电压也为零。由于d 3 和s 。存在通态压降，此时原边电流略有减少。如果在主电 路中加入一定的电路，就可以使o 状态出现两种工作模式，一种是恒流模式，另一种是电流 复位模式。所谓恒流模式，就是在零状态下，使原边电流保持不变，为滞后桥臂提供零电压 开关条件；而电流复位模式，就是在零状态下，使原边电流减少到零，为滞后桥臂提供零电 流开关。 3 滞后桥臂的软开关实现 ( 1 ) 滞后桥臂的零电压开关 1 4 贵州大学硕士学位论文 图2 70 状态 如果o 状态处于恒流模式，给滞后桥臂开关管两端并联电容c 2 和c 4 ，原边电流流过d 3 和s 。，如图2 7 所示。当s 4 关断时，原边电流从s 4 中转移到c 2 和c 4 支路中，给c 4 充电， 给c 2 放电如图2 8 所示。由于有c 2 和c 4 ，s 4 是零电压关断。当c 2 的电压下降到零，s z 的反并二极管d 2 自然导通，此时开通s 2 ，s 2 就是零电压开通。这时，柚一( 一1 ) ，该开 关切换方式为o - 1 切换方式。同样，如果在0 状态时原边电流f ，流过d l 和s 2 ，当s 2 关断 时，该切换方式为0 + 1 切换方式，其工作原理完全类似。 当s 。关断后，c 4 电压增加，v a b 一一v c 4 ， ，御为负电压，使d r 2 也导通，将变压器 副边短接，变压器原边电压为零，y 加电压全部加在漏感上，使原边电流f p 减小。如果漏感 能量较少，就会出现c 4 的电压还没有增加到圪，原边电流就已经减小到零，c 。的电压就 会使原边电流反方向增加，而且c 。的电压也会下降，同时c 2 的电压就会开始增加；当s 2 开 通时，c 2 的电压不为零，s 2 就不能实现零电压开通，而是硬开通。 从上面的分析可以得到以下几个结论：在恒流模式下，滞后桥臂开关管上要并联电容， 以实现z v s ：滞后桥臂实现z v s 的能量是漏感的能量：漏感远远小于输出滤波电感，冈此 滞后桥臂实现z v s 比超前桥臂困难；漏感能量与负载有关，负载越大，能量越犬；负载越 1 5 贵州大学硕士学位论文 【 ： c 2 - i a b 刮之l jl s i d 1 弋2 l = 1 i ， i 1 d 3 2。：吐 兰一d 4 c 4 卜、 1 t 卜zl ：= i l 上 r t r 一、 息 l p 7 i 1 f 面l 0 ，州 k ； 1d r 2 图2 8o - l 切换方式 小能量越小。在负载较小时，漏感能量不足以使滞后桥臂实现零电压开关，必须采用辅助电 路来帮助漏感实现滞后桥臂的零电压开关。 ( 2 ) 滞后桥臂的零电流开关 如果0 状态处于电流复位模式，则当s 4 关断时，原边电流已为0 ，s 。是零电流关断。 当s 2 开通时，由于存在变压器漏感，原边电流不能突然增加，而是以一定的斜率增加，因 此可以认为s 2 是零电流开通。同样当s 2 关断时其工作原理完全类似。 从上面的分析中，可以得到以下结论：在电流复位模式下，滞后桥臂实现z c s ； 滞后桥臂开关管两端不能并联电容，否则在开关管开通时，其并联电容上的电压不为零，并 联电容上的能量全部消耗在开关管中，造成开关管的损坏；在0 状态时，原边电流f 。回到 零以后，不能反向增加。如果f p 减少到零后反向增加，将流过s 3 和d 4 。当s 4 关断时，s 4 是零电流和零电压关断。但是当s 2 开通时，d 。立即关断。由于d 。存在反向恢复问题，将 会出现很大的反向恢复电流，此时s ，就会产生很大的开通电流尖峰，容易损坏开关管。因 此s 2 失去了零电流开通条件。 1 6 贵州大学硕士学位论文 2 4p w md c d c 全桥变换器的两类软开关方式 从以上的分析中可知：超前桥臂只能实现z v s ，而滞后桥臂可以实现z v s 和z c s 。根 据超前桥臂和滞后桥臂实现软开关的方式，可以将p w md c d c 全桥变换器的软开关方式 分为两类： z v s 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 方式：o 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 。 1 7 贵州大学硕士学位论文 第三章新型零电流转换( z c t ) 全桥变换器的研究 3 1 几种现有移相全桥电路拓扑的比较 3 1 1 移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器 所谓移相控制全桥z v s p w m 变换器就是利用功率开关管的寄生电容和输出变压器的 漏电感作为谐振元件，使全桥p w m 变换器的四个开关管依次在零电压导通，实现恒频软开 关。 2 6 - 2 8 l 该变换器利用变压器的漏感和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，其电路结构如图3 1 所示。其中d l d 4 分别是s l s 4 的内部寄生二极管，c l c 4 分别是s l s 。的寄生电容或外接电容。l ，是谐振电感( 包括变压器的漏感) 。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相位，即移相角，通过调节移相 角的大小来调节输出电压。s l 和s 3 分别超前于s 。和s 2 一个相位，称s l 和s 3 组成的桥臂为 超前桥臂，s 2 和s 。组成的桥臂为滞后桥臂a o 图3 1 移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器 其基本j i ：作原理为：当一个开关管关断时，变压器的初级电流给关断的开关管的并联电 1 8 贵州大学硕士学位论文 容充电，同时使同一桥臂的即将开通的开关管的并联电容放电，当关断的并联电容上的电压 充电到电源电压时，即将开通的开关管的并联电容的两端电压下降到零，其反并联二极管在 零电压下自然导通，此时开通开关管，则该开关管在零电压下开通。而在开关管关断时，由 于它的并联电容的作用，开关管在零电压下关断。因此，在移相控制方式下，开关管在零电 压下实现开关。 该变换器的优点是电路拓扑的开关管在零电压下运行，保持恒频控制，只需要改变控制 信号的移相角就能达到使输出负载变化的目的，减小了开关损耗。但是在应用过程中也发现 了一些缺点：当负载很轻时，滞后桥臂上的开关管的零电压开关实现较困难；原边有较 大的环流，使得导电损耗增加，降低了变换效率；输出的整流二极管不能实现零电压开关， 其开关损耗较大，进一步降低变换效率。 3 1 2 移相控制z v z c sp w md c d c 全桥变换器 由于移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器的滞后桥臂不易满足零电压开关条件，于 是移相控制z v z c s p w m d c d c 全桥变换器应运而生，如图3 2 所示。与移相控制z v s p w m d c d c 全桥变换器相比，移相控制z v z c sp w md c d c 全桥变换器在主回路上增加了一个 阻断电容c 6 ，同时在滞后桥臂的开关管中分别串联了一个快速恢复的二极管d 2 和d 4 ，实 i i卓d 2 d 1 2 1c i i i - - l f s 2 一 cbk 一 li l in ，t f to ? _ c 3 立d 4 1 t k ；一 - 一j j 、1 z p 上 t r 一、e l r 一 赢i c 斗 j d 1 孵 图3 2 移相控制z v z c sp w md c d c 全桥变换器 现了滞后桥臂开关管的零电流开关；而且不再并联电容，以避免开通时电容释放能量加大开 1 9 贵州大学硕士学位论文 通损耗。 电路的基本工作原理分析如下：当变换器桥臂的斜对角两只主功率开关管同时导通时， 电路处于能量传输的状态，输入能源将能量传送到输出端。与此同时原边阻断电容c 6 由原 边电流f p 充电，其上电压从一个方向往另一个方向线性变化t 饱和电感处于饱和状态。 在超前臂开关管状态转换过程完成后原边处于续流阶段时，阻断电容c 6 上的电压近似保持 恒定，极性与原边电流相同，恰好成为一个反向阻断电压源，使得原边电流i p 迅速下降到 零。原边电流f ，下降到零后，将试图向反方向变化，电流将反向，但这时饱和电感己退出 饱和状态，呈现出很大的感抗，且由于快速恢复二极管d 。的单向导通性，阻止了电流的进 一步流动，使电流保持在零，从而为滞后臂开关管的导通与关断创造了零电流开关条件。其 中超前桥臂开关管的零电压导通与关断过程和基本的变换器完全相同。 这种变换器的开通和关断损耗较小，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。但是和z v s 全桥变换器一样，副边整流二极管上同样存在电压尖峰和振 荡。 3 1 3 移相控制z c sp w md c d c 全桥变换器 图3 3 给出了移相控制z c s p w m d c d c 全桥变换器的主电路图。图中厶是升压电感； s l s