（电力电子与电力传动专业论文）软开关技术在磁悬浮斩波器中的应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h em a g l e vt r a i ni sas p e c i a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i t sv e l o c i t yi s b e t w e e nr a i l w a ya n da v i g a t i o n i th a st h ea d v a n t a g eo fn 0p o l l u t i o ， p l a c i d i t y ，r a p i d i t y a n dc o m f o r t ， c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lv e h i c l e t h e r e f o r e ，i ti sp o t e n t i a lm o d e r nt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l ei nt h ef u t u r e a st h ef i r s tc o m m e r c i a lm a g l e vr a i l w a y s h a n g h a im a 9 1 e vr a 订w a ys t a r t s 0 p e r a t i o n ，i ta c c e l e r a t e st h em a g l e vd e v e l o p m e n ti nc h i n aa n da l lo v c r t h ew o r l d c h i n ah a sl e dt h ed e v e l o p m e n t ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f m a g l e vi nt h ew o r l d t h et h e s i st a k e sr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h et r a d i t i o n a lh t y p e m a g l e vc h o p p e r a i m e dt os e v e r a ls o f t - s w i t c hc o n v e r t e rs t r u c t u r e s ，t h e t h e s i s a n a l y s e s t h e i r o p e r a t i o np r o c e s s e s ， s i m u l a t e dt h ec o n v e r t e r s t r u c t u r e sb yp s p i c ea n dc o m p a r e dt h e i ia d v a t a g e sa dd i s a d v a t a g e s t h et h e s i si l l u s t r a t e st h ed e s i g np r o c e s so ft r a d i t i o n a lht y p e c h o p p e r b a s e do nt h r e cs o f t - s w i t c hc o n v e r t o r s i t g i v e s c i r c u i t f u n d a m e n t a lt o p o l o g i e s i t sp r o c e s si ss i m u l a t e db yp s p i c e t h ei e s u l t p r o v e s t h a tt h es o f t - s w i t c hc o n v e r t o rc a n i m p f o v e t h es w i t c h c h a r a c t e r i s t i c0 fm a i nc i r c u i t i ta l s 0c a nd e c r e a s et h es w i t c hs t r e s sa n d c u r r e n ts t r e s so fs w i t c he q u i p m e n t k e y w or d s ：m a g l e vc h o p p e r s o f t - s w i t c hs w i t c h c h a r a c t e r i s t i c s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 磁浮列车取代了数千年来籍以运动的轮子，是介于常规轮轨铁 路和航空之间的一种独特的地面运输系统。由于我国幅员辽阔、人 口众多，伴随着国民经济的持续快速的发展和人民生活水平的不断 提高，人们对交通机构的要求也越来越高，中长距离的客运市场潜力 巨大。而我国人均能源短缺，不可能完全依靠航空解决大量人员快 速流动的交通需求问题，迫切需要建设和发展与高速客运需求相适 应的，可持续发展的地面高速客运交通体系。如今德国、日本、法 国等西方发达国家的高速铁路时速正在向3 0 0 k m h 推进。高速铁路 的主要优点在于高速、安全、舒适和高效率。但常规高速轮轨列车 的进一步提速将受到轮轨粘着极限的限制，并且它带来的噪声、振 动影响了生态环境及乘坐品质，轮轨磨耗增加了能耗及维修保养的 工作量。因此，上个世纪7 0 年代以德国和日本为首的西方发达国家 开始大力开发高速磁悬浮列车技术。磁浮列车以其无机械接触的崭 新技术带来了一系列优良的技术、经济和环境特征，从而导致了一 场技术革命。其具有速度快、平稳舒适、噪声低、占地面积小、爬 坡能力强以及污染小等特点，近年来得到了越来越广泛的重视。2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，世界首条投入商业运行的磁悬浮列车线一上海磁浮 列车示范线顺利建成通车，对我国乃至世界的磁浮列车事业都产生 了极大的促进作用n ，。可以预见的是，磁浮列车在未来是一种极具发 展潜力的现代化交通工具。 1 1 磁浮列车的基本原理和特点 磁浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中 并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触。再利用线性电 机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车依然属于陆上有轨交通运输系统， 并保留了轨道，道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆 疆赢交滠大学硕士研究生学位论文第2 贸 的特点，傻由于列车在颦引运行时与轨道之闯无机械接触，因此从 根本土克服了传统列车轮毓粘麓限稍，机械嗓声和瓣损等闯蘧。 磁浮列车从：裙c 浮机理上可以分为电磁悬浮( e m s ) 和电动悬浮 ( 嚣静s ) 。嚷磁悬浮就是辩车载静、萋予导鞔下方静悬浮嘏磁铁遴电 励磁而产生电场，磁铁岛轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上 暖越并悬浮予孰遴之上，磁铁器铁磁鞔j 莛之麓豹悬浮瘸蒎一般约为8 一1 2 m m 。列车通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮间隙， 透过塞线亳枧来孝零l 烈攀行驶。 电动悬浮就烧当列率运行的时候，车载磁体的运动磁场在安装 于线路上的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互幸譬用，产生一个向 上静磁力将列车悬浮于路面一定高度，约为l o o 1 5 0 m m ，列车遂行 靠直线电机牵引。与电磁式磁浮列车相比，电动式悬浮浆统在静止 时不麓悬浮，必须达到一定速度看才能悬浮。电动式悬浮系统在应 用速度下，悬浮间隙较火，不黼要进杼主动控制。 磁浮判车专嚣筑瓣交逶运输方式鞠毙有镶多特赢，圭要在予； 速度快。是陆地上最快的交通工具，其速度仅次于飞机。 污染小。虫子袋月电力驱动，无毒密气体掺敦。 桊坐平稳舒适、噪声低。其噪声是地上交通工具中最小的。 基地覆积小。其占媳礞积与鼹逯列车相避，比蒜速公路鲍 占璁面积要小的多。 安全可靠。e m s 型悬浮高度大约在l c f n 左右，即使悬浮系统 失效，应惑车轮邀毹支撵列车继续运行，不易出轨，比普通弼车安 全。 寿命长、维修费用 鬟。由 ：没有车轮帮铰鞔豹接触，箕工 作过程属于无磨损工作运行，维修主溪集中在电子技术方面。 1 2 磁浮列车斩波控制系统简介 电磁悬浮系统( e m s ) 本身是一个不稳怒的系统，悬浮时，最初 气辍篷处予最大蘩，系绞囱电磁铁线霾提供缝量襞转岛絮悬浮，转 向架悬浮稳定之后，斩波器需疆降低自身功率，以维持个适獭的 两南交通大学硕士研究生学 盘论文第3 鞭 位置。懋浮控制系统不仅需簧援供足够的力，同时鼹要提供藏艇力 静舒适凝。惫浮系统通过对气豫、热速度潋及电流翡实时检测，并 与参考依进行比较，然后通过控制器进彳予运算处理，得到综合控制 信号。这个信号就怒调节电磁铁状态的控制信号，用来调节电磁铁 夔电淀，使系统稳定套要求熬气骧，羧稼涯襄车按照设定豹状态运 行。因j 魄，磁悬浮轿波器是磁悬浮列车爨浮控制系统的一个重爨环 节，直接影响着列擎的悬浮效聚。 磁悬浮斩波器本质上是一个d c d c 变抉器，它的作用就是熊够 按照錾入戆控霉l 摇令埝窭舍逡豹有效毫邀。獾悬浮錾渡器输爨鹣精 度和稳寇度直接影响悬浮的精确程度和稳定程度。搬实际中间，一 节磁悬浮列车的重敷能够达到= 十多吨，而悬浮气隙却只有1 0 m m 左 右，因此就要求磁懋浮轿波嚣必须具有较舞的输出精度帮稳定发。 磁悬浮翻车扶空载掰满载，飙擎路羁上坡，获壹道戮弯道都要绦撩 悬浮气隙的稳定，遮就要求悬浮电磁铁的悬浮力能够大范围地进行 快速调节，因而就瓣求磁悬浮斩波器必须具有较高的调节速度和带 宽。磁懋潘赣波器耱埝入毫匿缀态，一般器窿d e 3 0 0 v 左毫，输魄龟 流氇禳大，最大能够达到d e l o o a ，所以电压和电流的斑力都比较大。 磁悬浮轿波器工作谯这样一种离电压大电流强冲击的环境里面，是 悬浮控制系统中最容易发生故障的环节，因此磁悬浮斩波器的w 靠 性亵整个悬浮控裁系统夔霹靠拣是惠惠摆必熬。 由她可见，磁憋浮斩波器怒磁悬浮别率系统中的藿要组成部分， 其可靠性的高低与性熊的好坏，将直接影响到磁悬浮列车悬浮系统 鲍可靠性以及性能。因此，我们在本文中对磁悬浮轿波器进行研究， 采蠲薪憨论薪毅本设诗密洼麓惩强静磁懋浮斩波器戳提蔫磁悫浮列 车的悬浮性能和可靠性。 。3 国痰终研究历史以及舞今磺究现状 1 9 2 2 年，德国h k a m p e r 工程师首先掇出了常导磁悬浮列车的概 念。1 9 3 5 年，他制佟了一个磁悬浮原理实验装置，髑电子管完成悬 浮控翻。该装置酌旗子管控锱器俸积庞大，根本无滚满足磁悉浮瓢 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 车车载系统的要求。 二十世纪六十年代出现了体积和功耗大大减小的晶体管，为磁 悬浮列车悬浮控制奠定了技术基础。1 9 6 9 年，德国l o c o m o t i v e 公司 的k r a u s s m a f f e i 研制出小型磁浮列车系统模型，命名为t r 0 1 型。 这一时期，d c d c 变换器基本上都采用晶体管线性变换器，随着输出 功率的增大，晶体管线性交换器效率低、可靠性差的缺点日益突出， 仍然制约着磁悬浮列车的发展。 二十世纪七十年代，全控型开关器件的出现为现代电力电子技 术带来了革命性的发展，p w m 式d c d c 变换器在很多领域取代了线性 变换器，磁悬浮列车领域也不例外。这一时期，德国和日本的磁悬 浮列车都采用了以功率晶体管作为功率开关的p w m 式磁悬浮斩波器。 二十世纪八十年代之后，高频开关器件尤其是i g b t 的出现为电 力电子技术带来了第二次革命。p w m 开关频率超过了2 0 k h z ，使得 d c d c 变换器体积和重量进一步缩小，今天的悬浮控制器的重量大约 只占它可悬浮重量的1 左右。并且，随着多电平和软开关等新理论 的诞生，d c d c 变换器的性能也发生了质的飞跃。德日美韩等磁悬浮 列车研究发达国家都在将这些新器件和新理论应用到磁悬浮斩波器 中。 国内进行磁悬浮列车研究的单位主要是西南交通大学和国防科 技大学。西南交通大学从1 9 8 6 年开始研究磁浮列车技术，1 9 9 4 年研 制成功我国第一辆可载人的4 t 常导短定子双转向架载人磁浮列车及 4 3 米钢结构的试验线，采用g t r 型p w m 斩波器，并通过科技成果鉴 定”。1 9 9 6 年，成立了以电气工程、土木工程和机械工程三个一级 学科为基础的“西南交通大学磁浮列车工程研究中心”，中心下设“磁 浮列车与磁浮技术研究所”和“磁浮列车与磁力应用工程实验室”， 初步建成中低速磁浮列车基础试验基地。为了使西南交通大学磁浮 列车技术走向实际应用，学校联合长春客车厂和株洲电力机车研究 所成立了产、学、研相结合的磁浮列车研制、生产联合体，同时还 与地方多家设计及工程单位合股组建了交大青城磁浮列车工程发展 有限公司，负责青城山磁浮列车工程试验示范线的建设和试验。青 城山磁浮列车长1 1 2 m ，宽2 6 m ，自重1 8 t ，载重4 t ，座位3 0 座， 最大时速1 0 0 k m h ，采用短定子异步直线电机牵引，制动系统为电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 电阻制动与液压制动相结合的混合系统，列车线路长4 2 4 m ，最大坡 度2 o ，最小半径2 5 0 m 。国防科技大学在磁浮列车方面的发展和西 南交通大学是相似的，1 9 9 5 年，在国防科技大学研制成功了1 ：1 的 磁悬浮列车悬浮转向架。1 9 9 9 年，八达岭磁悬浮列车旅游示范线试 验线工程在国防科技大学动工。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容是将软开关技术应用在磁悬浮斩波器中 间，采用仿真的方法研究软开关的工作原理：并对几种使用软开关 技术的磁悬浮斩波器进行分析研究。具体的内容按本文各章节安排 如下： 第二章以传统的磁悬浮斩波器为研究对象，介绍磁悬浮斩波器 的各个组成部分，及各部分的相关特性，并着重对i g b t 开关模块进 行分析研究，为后面的软开关系统设计打下基础。同时，还对影响 系统性能的各种因素进行了分析，并提出一些初步的解决办法； 第三章介绍软开关电路的基本特性和分类，对准谐振型和多谐 振型软开关电路的原理及实现环境进行研究，并做出仿真分析； 第四章主要介绍零开关型p w m 软开关变换器和零转换型p w m 软 开关变换器，对其基本工作过程和原理进行仿真研究； 第五章介绍传统磁悬浮斩波器的主电路结构和工作原理，并在 第三章和第四章的基础上构造三种基于软开关的磁悬浮斩波器电路 系统，通过仿真调试和分析，验证软开关技术对于改善磁悬浮斩波 器性能的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章磁悬浮斩波器的基本结构 磁悬浮斩波器主要是由主电路、控制电路、驱动电路和保护电 路构成，如图2 1 所示。其中的主电路由一组开关阵列组成，它是 磁悬浮斩波器的核心部件，一般通过功率开关和续流二极管根据不 同的拓扑结构组合而成，而控制电路主要是通过发出控制信号( 高 电平或是低电平) ，从而实现对i g b t 驱动电路的控制。磁悬浮斩波 姥的输出负载则是电磁铁。 图2 一l 磁悬浮斩波器的基本结构图 在本章节中将分别介绍磁悬浮斩波器的各个组成部分，及各部 分的相关特性。 2 1 磁悬浮斩波器中lg b t 的主要特性 随着电力电子技术的发展，目前比较适用的功率开关元件主要 有i g b t 和m o s f e t 两种，在实际的磁悬浮斩波器中，我们选择i g b t 作为磁悬浮斩波器的功率开关元件，通过控制功率开关的通断来改 变电磁铁上面的有效电压。磁悬浮斩波器的主电压在d c 4 0 0 v 左右， 输出的电流在d c 9 0 a 以内。 在i g b t 的关断过程中，由于i g b t 的n 漏区并没有外引的电极， 因此不能采用抽流方法来降低n 漏区中的过剩载流子，所以这些空 穴只能依靠自然复合。这样就造成集电极电流t 存在一个拖尾电流， 并因此造成器件的关断损耗增加，这是i g b t 关断损耗较高的主要原 因。磁悬浮斩波器的开关频率比较高，所以应该选用拖尾时间尽量 因。磁悬浮斩波器的开关频率比较高，所以应该选用拖尾时间尽量 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 短的i b g t ，从而减小开关损耗。 当i g b t 的工作电流增大到一定值的时候，虽然撤去了栅压，但 是器件依然导通，即器件导通后其栅极不再具有控制能力，称之为 电流擎住效应。由于磁悬浮斩波器需要通过快速的电流调节来改变 电磁铁上面的电压，而电磁铁又是一个大电感，因此电压和电流的 冲击都是很大的，这样就很容易使i g b t 满足寄生晶体管开通擎住的 条件，形成动态擎住效应，造成整个电路无法正常工作。综上所述， 选择的i g b t 必须具有足够的电流容量并且通过合适的栅极电阻墨来 延长i g b t 的关断时间，从而防止擎住效应。 2 1 1 磁悬浮斩波器中lg b t 的驱动技术 随着i g b t 的模块化成产，集成化专用驱动芯片现在也已经商品 化，因此，选择适当的驱动芯片对于i b g t 的正常使用具有非常重要 的意义。 2 1 1 1ig b t 的驱动条件 对于磁悬浮斩波器中的i g b t 来说，主要是i g b t 的开通、短路 负载容量以及误触发的驱动条件，而可以忽略栅极驱动条件。 i g b t 驱动电路的条件如下所示： 1 驱动电路需要能够传递几十k h z 的脉冲信号； 2 在关断的过程中，为了尽快抽取p n p 管的存储电荷，必须施 加一个负偏压的u 盱，但是它受到i g b t 的g 、e 间最大方向耐 压的限制，所以一般取一5 v 一1 0 v ； 3 i g b t 的输入阻抗是容性的，因此i g b t 对栅极电荷非常敏感， 所以驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗的放电回 路： 4 在大电感负载下，i g b t 的开关时间不能太短，以限制由威疵 形成的尖峰电压，确保i g b t 的安全； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 5 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 u 。有足够陡的前后沿，使i g b t 的开关损耗尽量小。另外， i g b t 开通后，栅极驱动源需要提供足够的功率，使i g b t 不 致退出饱和而损坏； 6 由于i g b t 在磁悬浮斩波器中用于高压场合，所以驱动电路 与控制电路应该严格隔离； 7 i g b t 的栅极驱动电路应尽可能简单实用，具有较强的抗干扰 能力，并且自身带有对i g b t 的保护功能； 8 驱动电平+ u ，也需要综合考虑。+ u 。增大时，i g b t 通态压降 和开通损耗均下降，但负载短路时的i ，增大，i g b t 能承受短 路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设 备中u 。应该选得小一些，一般选择区间在1 2 v 1 5 v 。 2 1 ，1 2ig b t 的专用驱动器 如今，集成化专用驱动芯片的性能比原先的分立式电路要好的 多，从而促使整机的可靠性更高，体积更小。 现在，在工业应用中广泛使用的i g b t 专用驱动器有：富士公司 的e x 8 x x 系列，s c a l 公司的2 s d 系列以及三菱公司的m 5 7 9 x x 系列。 这些驱动器的原理都是基本相同的。富士公司的e x b 8 x x 系列是早期 的产品，它的一u 。是固定的，因此不适合磁悬浮斩波器高频大电流 快速调节的场合；s c a l 公司的2 s d 系列性能优异，但是价格高昂， 因此其适合使用在安全性要求严格而不必计较成本的场合；三菱公 司的m 5 7 9 x x 系列价格适中，性能优良，因此适合使用在磁悬浮斩波 器的实验过程中间。 在m 5 7 9 x x 系列芯片中，应用比较广泛的是m 5 7 9 5 9 l ，因此，我 们以m 5 7 9 5 9 l 为例进行介绍，m 5 7 9 5 9 l 的峰值输出电流为2 a ，6 0 0 v 以下驱动能力l o o a ，1 2 0 0 v 以下驱动能力5 0 a ，并且具有短路保 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 护电路。 图2 2m 5 7 9 5 9 l 示意图 从图2 2 中可以看到，用来关断i g b t 的负电压是外加的，可 以根据实际情况灵活选择，但必须大于一1 5 v ，这一点为使用带来了 一定的便利。 r 图2 3m 5 7 9 5 9 l 的应用原理图 图2 3 是m 5 7 9 5 9 l 在实际中应用的原理图。由于一般i g b t 只能 承受1 0 “s 的短路时间，因此必须有快速的短路保护。图中d 1 就是 起保护作用的。m 5 7 9 5 9 l 根据驱动信号和集电极之间的关系检测是否 过流：当驱动信号为高电平( 有效) 时，如果集电极电压高于一定 值，d 1 则由导通变为截止，这是m 5 7 95 9 l 就认为发生了过流，所以 这时m 5 7 9 5 9 l 就将以低速关断i g b t ，来确保i g b t 不会发生损坏。如 果这时以正常速度关断i g b t ，集电极产生的电压尖峰很容易造成 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 i g b t 的损坏。 当使用m 5 7 9 5 9 l 驱动时，应该注意以下几个方面的问题： 1 使用时不能超过使用手册中所给的额定参数值。如果按照推 荐的运行条件工作，i g b t 的工作情况最佳。如果使用过大 的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，但是输入电流不足 将增加i g b t 和二极管的开关噪声。过高的驱动电压会损坏 i g b t ，但是驱动电压不足又将增加i g b t 的通态压降； 2 i g b t 的栅、射极回路的接线长度要尽可能的短，小于1 米， 最好使用双绞线； 3 图2 2 的电路中，4 7 f 的电容是用来消除电源接线中阻抗 所带来的供电电压变化，而不是用来进行电源滤波的，因此 不能省略； 4 输入与输出电路应分开，即输入电路接线应远离输出电路， 以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗； 5 在较高的开关频率下应用时，需要考虑芯片自身的功耗，特 别是栅极电阻r 。不能太小，否则会造成芯片过热； 6 驱动芯片的最大输出电流峰值受到栅极电阻b 的限制，墨 越小输出峰值电流越大。当b 较高时，会引起i g b t 的开关 上升时间t d o n 、下降时间t d o f f 以及开关损耗的增大。 当应用于较高的频率( 一般在5 k h z 以上) 时，这些损耗是 不能接受的。但是太小的r 又将增大i g b t 的短路电流，并 可能造成栅极振荡。因此b 的选取需要综合考虑a 2 1 2 磁悬浮斩波器中ig b t 的保护技术 在磁悬浮斩波器的电路中具有杂散电容和分布电容，所以当 i g b t 开通时会产生电流冲击，在关断时会产生电压冲击，这些冲击 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 对于i g b t 会造成损坏，因此在实际应用中通过增加无损吸收网络来 消除这些冲击造成的影响。 磁悬浮斩波器的回路往往要通过高频高压的大电流，良好的布 线结构可以提高效率，减小寄生振荡，降低功率开关中的电压电流 尖峰冲击。在目前的使用中，通过复合母线技术可以提供优良的电 器指标，并且利于系统的集成。 由于m 5 7 9 5 9 l 自身的保护功能会在电路中反复作用，因此，在 磁悬浮斩波器中还设计了一套过流保护系统，这套系统主要是通过 比较电流传感器的反馈值与控制器发送的给定值，由此来判断i g b t 是否处于过流状态。一旦发现电流反馈值超过某一上限，则封锁驱 动脉冲，关闭开关器件。同时系统认为开关模块故障，电路控制器 则关断主电源回路中的接触器。 磁悬浮斩波器的输出功率是很大的，而自身损耗也较大，所以 当系统工作的时候，功率器件的发热量也是很大的，因此必须具有 良好的散热系统：通常采用风冷，散热片的面积足够大，并且功率 器件和散热片之间要结合紧密。 通过以上的措施，可以基本上保证磁悬浮斩波器安全的工作。 2 1 3 磁悬浮斩波器中ig b t 的功耗计算 在电力电子学应用中，i g b t 主要工作在开关状态，并且周期性 地经历各种静态和动态的状态。而在这每一个状态中，都会产生一 部分功率损耗或是能量损耗。这些功率损耗相加起来，即为i g b t 的 总功耗。这个损耗就是导致i g b t 器件在工作过程中，温度上升的主 要原因“。图2 4 为i g b t 在开关运行状态下各项可能发生的功耗： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 图2 4i g b t 在开关运行状态下的各项功耗 在一般的情况下，i g b t 的正向截止损耗和驱动回路的损耗在总 损耗中所占的比例较小，可以忽略不计。因此，i g b t 的总功耗，为： ，一墨+ 巴+ 白 ( 2 1 ) i 为i g b t 的通态损耗，在忽略负载电流波动的条件下，可以用 下式表示： - t 。d r ( 2 2 ) 式中，f l 。为负载电流的平均值，为集电极一发射极的电 压，研为晶体管的占空比。 占空比d ；可由式( 2 3 ) 推导得出： 。一( 珥一1 ) 子 ( 2 3 ) 1 - 0 其中k 为斩波器的输入电压，r 为斩波器的负载。 i i 巳为i g b t 的开通损耗，由下式表示： 已= ( 2 4 ) 式中的瓯为i g b t 的开通能耗； j i i 为i g b t 的关断损耗，由下式表示： 一正 ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 式中的为i g b t 的关断能耗； 和可以通过开通能耗和关断能耗与。的关系求得，其具 体关系见图2 5 ： e ， 一 ￥ e 蜊一 矽 矽 。 a w 图2 5 开通能耗和关断能耗与。的关系 由图2 5 可得，当。= 3 0 a 的时候，毛2 5 m j ，2 4 5 m j 。磁悬 浮斩波器的工作频率f 一2 0 圈陇，因此，已一1 0 0 缈，一9 0 形。 综上所述，以实验中使用的i g b t 为例，当- 1 1 ，r 一3 q ， 。= 3 0 4 的时候，由式( 2 3 ) 可以求得d = o 6 3 7 ，由此可得墨一2 2 。 因此，i g b t 的总功耗，为： r 一墨+ 己+ 易2 2 1 2 w 2 2 磁悬浮斩波器中的续流二极管的特性介绍 磁悬浮斩波器的负载是一个大电感，当功率开关在高电压大电 m 口 me 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 流的条件下做高速开关动作的时候，如果没有良好的续流以限制 饿出，负载将会感生出很高的电动势，其对于整个系统是很危险的。 磁悬浮斩波器的续流一般是通过续流二极管完成的，因此续流二极 管的特性就显得非常重要。下面介绍一下磁悬浮斩波器中的续流二 极管的主要特性。 在二极管由截止状态进入导通状态的过程中，二极管两端的电 压首先会产生峰值。，然后才降至正向导通压降的水平。在磁悬 浮斩波器工作的时候，开通电流的上升率硪出会很高，这样会导致 二极管的k 。变得非常大。比如一个耐压上限1 7 0 0 v 的二极管，此时 的k 。会达到2 0 0 v 到3 0 0 v ，而正常的咯只有2 v 左右。而且在实际 应用中，二极管是由截止进入导通状态的，由此所产生的。要比由 零电压进入导通状态高出许多。在i g b t 关断的时候，线路的寄生电 感会感应出一个电压尖峰，这个电压尖峰叠加在续流二极管的咋。之 上，二者之和可能导致过电压。这些都是在实际设计中需要考虑的 问题。 在二极管由导通进入截止状态的过程中，它内部所存储的电量 必须被释放，这个过程导致了二极管的电流反方向流动。因此，二 极管的反向恢复特性可以表示为：在二极管关断的过程中，反向电 流首先增大到峰值，。，然后再逐步衰减到其漏电流值，这一过程是 由二极管的自身特性所决定。如果恢复的过程很陡，称之为硬性恢 复特性；反之，如果恢复的过程很缓慢，则称之为软性恢复特性。 反向恢复特性对于磁悬浮斩波器的影响比较大。当i g b t 关断的时候， 负载电流由i g b t 切换到二极管，这时表现为二极管在该时刻的开通 特性。而当i g b t 导通的时候，续流二极管的反向恢复电流将流过 i g b t 。当续流二极管的反向恢复峰值电流流过i g b t 的时候，i g b t 的 电压等于电源电压，这时i g b t 的开通损耗达到最大值，对器件的冲 击也是最强的。因此续流二极管的反向恢复峰值电流应该越小越好， 并且反向恢复特性越软越好。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 3 磁悬浮斩波器的负载特性 磁悬浮斩波器就是根据悬浮处理器的指令来快速调节通过电磁 铁的电流，因此，在磁悬浮斩波器中并不需要具体考虑如何来调节 电磁铁的电流，所以在研究时不必考虑悬浮电磁铁所产生的悬浮力。 由此可见，在研究的过程中可以将悬浮电磁铁看成是一个大的电感， 从而利于研究。 磁悬浮斩波器在正常工作的时候，其负载电流一般在2 0 a 3 0 a 之间，而在满载起伏、降落或动态调节时，负载电流可能会达到9 0 a 左右，此时的电流冲击是相当大的。当电流进行快速调节的时候， 在电磁铁( 即感性负载) 的两端又会产生很高的感生电动势，磁悬 浮斩波器必须能够承受此反电动势对自身的影响。因此，这些负载 特性都是研究过程中需要考虑的。 匿南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第三章准谐振和多谐振软开关变换器 3 1 软开关技术概述 在开关模式功率电源中，往往采用磁性元件( 如铁心电感、变压 器等) 实现交直流侧滤波、能量存储和传输。这些磁性元件在电源 装置的体积、重量、成本中占有很大比重。开关器件工作频率越高， 磁性元件尺寸则越小，从而有利于实现电源装置的小型、轻量和低 成本。但是，传统p w m 变换器中的开关器件通常工作在硬开关状态， 硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高： ( 1 ) 开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压 下降同时进行：关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电 流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而 增加。 ( 2 ) 感性关断问题：电路中难免存在感性元件( 引线电感、变压器 漏感等寄生电感或实体电感) ，当开关器件关断时，由于通过该感 性元件的硪出很大，感应出很高的尖峰电压加在开关器件两端，易 造成电压击穿。 ( 3 ) 容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在 开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器 件过热损坏。 ( 4 ) 二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向 恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串 联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流， 轻则引起该开关器件和二极管功耗急剧增加，重则致其损坏。 克服以上缺陷的有效办法就是采用软开关技术( s o f ts w i t c h i n g ， 简称s s ) 。最理想的软开通过程：电压先下降到零后，电流再缓慢上 升到通态值。所以开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压已 下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问题， 这意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程：电流先下降到零，电 压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前 电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得 以解决。 由此可见，软开关技术具有损耗小、效率高、电磁干扰小的特 点。利用软开关技术可以提高斩波频率，提高功率密度，减小开关 器件的电压电流应力；更可以大大减小电磁辐射，提供一个好的电 磁兼容环境，提高信号处理电路的可靠性。因而利用软开关技术对 传统磁悬浮斩波器进行改造是很有必要的。 软开关技术实际上是利用电感和电容的谐振原理来对开关的开 关轨迹进行整形，在早期的应用中，主要是采用有损缓冲网络来实 现软开关。但是这种方法并不能提高变换器的变换频率，甚至会降 低频率。现在的软开关技术不再是开关损耗的转移，而是能够真正 减小开关损耗的高效率的软开关。随着现代社会各种新型电力电子 元件和功能更为强大的微处理器的出现，软开关技术更加迅猛快速 的发展起来。 3 2 软开关技术的分类 软开关技术一般可以分为一下几类： ( 1 ) 全谐振型变换器，一般也称之为谐振变换器( r c ) 。该类 变换器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 r c s ) 和并联谐振变换器( p r c s ) 两类。按负 载与谐振电路的连接关系，谐振变换器又可分为两类：一类是负载 与谐振回路相串联，称为串联负载( 或串联输出) 谐振变换器 ( s l r c s ) ；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载( 或并 联输出) 谐振变换器( p l r c s ) 。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。该变换器与负载关系很大，对负 载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。 ( 2 ) 准谐振变换器( q r c s ) 和多谐振变换器( m r c s ) 。这是软 开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 的某一个阶段，不是全程参与。准谐振变换器分为零电流开关准谐 振交换器( z c sq r c s ) 和零电压开关准谐振变换器( z v sq r c s ) 。多 谐振变换器一般可以实现开关管的零电压开关。这类变换器需要采 用频率调制控制方法。 ( 3 ) 零开关p w m 变换器。它可分为零电压开关p w m 变换器和零 电流开关p w m 变换器。这类变换器是在q r c s 的基础上，加入一个辅 助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实 现p w m 控制。与q r c s 不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周 期相比很短，一般为开关周期的1 1 0 1 5 。 ( 4 ) 零转换p w m 变换器。它可分为零电压转换p w m 变换器和零 电流转换p w m 变换器。这类变换器是软开关技术的又一次飞跃。它 的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 工作时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其他时间则停止工 作，这样辅助谐振电路的损耗很小。 在下面的章节中，将分别对准谐振变换器，多谐振变换器，零 开关p w m 变换器以及零转换p w m 变换器进行简要的介绍。 3 3 准谐振软开关变换器 准谐振变换器是在常规d c d c 开关变换器的基础上增加谐振电 感和谐振电容组成的。谐振电感和谐振电容与原来p w m 变换器中的 功率开关管一起构成谐振开关。在这种变换器的运行模式中，通过 谐振，使功率开关管两端的电压或通过功率开关管的电流呈正弦波 形，从而为功率开关管的开通和关断创造了零电压或零电流开关条 件，减小了开关损耗。由于运行中，变换器工作在谐振模式的时间 只占一个开关周期中的一部分，其余时间都是运行在非谐振模式， 因此以又称之为准谐振变换器，相应的“谐振开关? 又称为准谐振 开关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 3 1 零电流开关准谐振变换器 下面以b u c k 型变换器为例，对零电流开关准谐振变换器的工作 原理和过程进行简要的分析。 3 3 1 1 工作原理 假设所有开关管、二极管、电感、电容和变压器均为理想元器 件，足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变， 为恒值，。，因此，负载端可以认为是一个电流为，0 的恒流源。 d t l 图3 1z c sq r cb u c k 型变换器基本电路 r 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 i r 厂、r 嘏0 ，辨 、l - - 一 ， q 。h 一 i 了 图3 2z c sq r cb u c k 型娈抉器电路主要波形图 1 k 时间段( 电感充电阶段) ： 在f o 时刻之前，开关管五处于关断状态，续流二极管d 1 导通。谐 振电容电压为零，谐振电感电流0 也为零a 在f 0 时刻，五开通，谐振电感上的电压为k ，其电流由零开始 线性上升，因此z 是零电流开通。 t ， ，o ) ；争o f 0 ) ( 3 1 ) q 续流二极管d 1 中的电流为： f d 。o ) - 厶一t ，( f ) ( 3 2 ) 在f 1 时刻，0 一l 。由式3 2 可得，f d 。= 0 ，d 1 关断。此阶段的 持续时间为： f 。! 也 ( 3 3 ) 2 f ，时间段( 电路谐振阶段) ： 从 时刻开始，l r 和c 开始谐振工作，l ，的电流和c r 的电压的表 达式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 小挚咖) 、 厶 0 ) 一k 1 一c o s 珊( f f 1 ) 】 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 如图3 2 所示，在屯时刻，减小到，0 ，此时v c ，达到最大值 圪。弼a 在k 时刻，0 减小到零，此时互上面反向并联的二极管珥，导通， 0 继续反向流动。在乞时刻，0 再次减小到零。在f ：的这段时间 里，珥。导通，互中的电流为零，这时关断五，则互是零电流关断的。 在r ，时刻，谐振电容电压为： 斗 此阶段的持续时间为： ”坤s 血“例 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 舯，z ，。悟扪冁蝴脯龃扎一寿削冁角频率。 3 f ：f 3 时间段( 电容放电阶段) ： 在此阶段中，由于谐振电感电流为零，则电流，0 将全部流经谐振 电容c ，并且c r 开始放电，谐振电容电压为： o ) = 圪( f 2 ) 一皇。( f f 2 ) ( 3 8 ) 在f 3 时刻再次减小到零，d 1 导通，此阶段的持续时间为： ：垡掣 ( 3 9 ) 4 岛f 。时间段( 自然续流阶段) ： 在此阶段内，厶通过续流二极管q 续流。 在f 。时刻，五零电流导通，开始下一个开关周期。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 3 1 2 工作模式的选择 在z c sq r c s 的软开关变换中，我们使用全波模式进行工作，这 是因为全波模式的电压变换比与负载关系不大，对负载的变化较之 半波模式来说不太敏感，因此有利于电路闭环系统的稳定工作。全 波模式相对半波模式来说，没有通态损耗，所以可以提高变换器的 效率。 3 3 1 3 参数设计 1 ，和c 的设计： 和e 的设计取决于它的谐振频率f 及最大输出电流厶。因 此，和c 可通过下面的式子表示： 2 去老 c s 圳， c r _ 壶。管 。- 1 ” 其中谐振频率f = 聿 。h 、j l r cr 2 开关管和二极管的选取： 开关管和二极管的选取取决于它们的电压和电流应力。在前面 的工作原理分析中，我们可以看出，谐振电感，的最大电流为： ，一厶。+ 暑 ( 3 1 2 ) 厶 谐振电容e 的最大电压为： p 0 。= 2 ( 3 一1 3 ) 综上所述，开关管五中流过的最大电流应该至少为最大输出电流 ，o 的两倍，开关管所承受的最大正向电压应为电源电 压k ； 开关管上反向并联的二极管中流过的最大电流应该与 最大输出电流相近，其所承受的最大反向电压应该与 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 电源电压相同； 续流二极管中所流过泊勺最大电流等于最大输出电流， 其所承受的最大反向电压为两倍的电源电压。 3 3 1 4 仿真结果与分析 对z c s q r c 变换器进行仿真，其结果由下所示： 仿真所用参数为： 输入电压：k = 5 0 四c ； 谐振电感：三，1 5 朋； 谐振电容：c ，= o 0 7 肛，； 负载电感：巧2 0 0 日 负载电阻：咒。1 2 q 图3 3 开关管五的驱动电压波形 图3 4 谐振电感l 的电流波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 5 谐振电容c _ 的电压波形 从上面的仿真波形中可以看出，在全波的工作模式中，当开关 管五导通的时候，谐振电感工，限制了电流的上升率，使开关管实现了 零电流开通。当谐振电感l ，上面的电流减小到零，并且反向流动时， 开关管正上面的反并二极管开始导通，将开关管的电压箝制在零位， 此时互的电流为零。因此在这个时刻关断开关管，可以实现零电流关 断。 3 3 1 5 缺点与不足 虽然z c s q r c 实现了电路中开关器件的零电流导通与关断，但 它本身也存在着一些不容忽视的缺点。与普通b u c k 型d c d c 变换电 路相比，z c s q r c 中流过开关器件的电流峰值增加了两倍以上，从而 大大增加了开关器件的电流应力，因此必然会导致开关器件的导通 损耗的增大。为了减小电流峰值，就需要增大电路中的阻抗，但是 这将会使负载电流的软开关运行范围变小。此外，在开关器件的两 端还存在有寄生电容c 。，在开关器件关断的时候，这个电容会存储 一定的能量。这个能量将随着开关器件的导通释放出来，并消耗在 电路中，而且随着开关频率的提高而增大。这样就导致了电路的损 耗增大，效率降低；另一方面也对开关器件的安全运行产生极大的 危害。 3 3 2 零电压开关准谐振变换器 下面同样以b u c k 型变换器为例，对零电压开关准谐振变换器的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 工作原理和过程进行分析介绍。 3 3 2 1 工作原理 假设所有开元器件均为理想元器件，l ，l ，足够大，在一 个开关周期中，其电流基本保持不变，为恒值厶，因此，负载端可以 认为是一个电流为如的恒流源。 图3 6z c sq r cb u c k 型变换器基本电路原理图 在初始状态的时候，开关管互处于导通状态，输出电流l 从开关 管互上面流过，续流二极管q 由于反偏处于截止状态。电路的一个谐 振开关周期是从开关管王的关断开始的。当互关断后，输出电流l 流 过谐振电容c ，并对c ，充电。c 两端的电压v c r 线性增加，d 1 依旧处 于截止状态，