（电力电子与电力传动专业论文）磁悬浮列车斩波器的零电压软开关技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t m a g l e vc h o p p e ri s l ek e yc o m p o n e n to fm a 9 1 e vt m i n t h i sp a p e rm a i n l yd e s i g n san o v c l z e r o - v o l t a g e s o 瞰z v s ) s 、v i t c h i n gd c d cc h o p p e ra n dv a l i d a t eo ne x p 甜m e mw h i c hc o u l db e h a v ea b m a d 印p l i c a t i o ni nm a g l e v ，t l l a ti sb a s e do nt l l es 协d yo b j e c to fl o wa n dm i d d l es p e e d e l e c t r o m a g n e t i c - s u s p c 璐i o n ( e m s ) m a 翻e v n o w ，t h e 仃a d i t i o n a lh - b r i d g em a 出e vc h 叩p e r h a db e e n 、v i d e l yu s e di np r a c t i c e ，w h i c hh a d m u c hm 刚t ，s u c ha st h es i m p l es 廿u c m r ea n dr e l i a b l eq u a l i t y h o 、v e v e r ，t h eh - 嘶d g em a 出e v c h o p p e r h a ss e r i o u ss w i t c h i n gl o s s e s ，s oa st oh a v es n u b b e rc i r c u i t ；t l l e r ei sh i g he m lw 弛t h e c h o p p e r s o ，w en e e dt os t u d yo 山e rn o v e lc h o p p e rs t r u c t u r cf o rl o o s e n i n gt h el o s s e si ns w i t c h i n g 锄dd e v e l o p i n gm ee m c i e n c ya n dr e l i a b i l i 何b a s e do nm et r a d i t i o n a lc h o p p e r ，i nv i e wo ft h e c h 盯t e r i s t i c so f t h eb o o s t c h o p p e rf o rp r o v i d i n gt h ez v ss w i t c l l i n gc o n d i t i o n ，t h e n ，w eh a v ea n o v e lz v ss w i t c l l i n gd c d cc h o p p e r t h i sp a p e ra n a l y z e sm ec h a r a c t 甜s t i c so fz v ss w i t c h i n gc h o p p e r a n di n 廿o d u c e st h ed e s i g n o ft 1 1 eb a s i cp a r t so ft 1 1 ec h o p p e lt h e1 嬲tp a ni st h er e s l l l to ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e m si n d e t a i l c o m p a r e d 谢t h 也et r a d m o n a lc h o p p e r ，t h en o v e lc h o p p 啊h a si t sp a n i c u l 盯e x c e l l c n c e ， t h o u g hw ec a nf i n ds o m es h o r t a g ei ni t f i r s to fa l l ，n l em a i n - s w i t c h e so fm ez v sc 1 0 p p c rl 剧ez e r o - v o l t a g et 啪一o na n dt u m o f r t o t a l l y ，s oi th a sl i t t l es 诵t c h i n gl o s s e s f o r 廿l i s ，t h ee m c i e n c yo ft l i ec h o p p c rc a nb ei m p r o v e d t h es e c o n d 也er e a l i z a t i o no f 恤z v sh a sn oc o n c e m e d 州mm ea t 埘b u t eo f l o a d w i t l lm el o a d o fl i g h to rf u l l ，e v e nt h er c s i s t a n c eo rm d u c t o rl o a d ，血ec h o p p e rc a i le n s u r et h a tt h e m a i n s w i t c h e sw i l lr e a l i z et h ez v ss 、v i t c l l i n g b u t ，t h e r ei sl i n l et h i n gi nt h eh a r v e s t ，a sm e c h 叩p e rp r o v i d e sm ez v sc o n d i t i o n 、】l ，i 廿1a i l 嬲s i s t a n ts 、v i t c h ，憾c hw o r ki nh a r ds 谢t c h i n g ，i t h a ss o m el o s s e si ns w 如c h i n ge v e nu s i n gas 眦b b e rn e t w o r k t h e r ei sa n o t h e rm o r e ，t h es n u b b e r c a l lb er e s o n a n t 、v i 也t h ei n d t l c t o r t l l a tb 咖g so nah l l g es p i k eo nt l l es o u r c ev o l t a g e a b o v ca l l ， m ed e f e c t sc a l l n o to b s c u r et h ev i r t i l e s ，m i sn o v e lz v sc h o p p c ri sap r e f b r a b l ec h o p p e rs 协j c t i l r c ， w i l i c hc a i lb e 印p l i e di nm a g l e vc h o p p e rb m a d l y w i t l lt h ed e v e l o p m e mo fm o d e n lp o w e re l e c 扛o n i c s ，m a g l e vc h o p p e rs h o u l db ep e r f e c t i n c e s s a n t l yi nm e 如t l l r e ，、v es h o u l ds t e pf o r w a r dt os t u d yh o w t om i n i s ht h ev 0 1 t a g es p i k e ，t o i m p r o v et h ea s s i s t a n ts 埘t c hn e t 、v o r k ，t os t u d ya i l o t h e rn e w s t n l c t u r et o p o l o g y ，f o re i l l l a i l c i n gm e c a p a b i l i t ) ，o f n l em a g l e vc h o p p e k e yw o r d s ：m a g l e vc h o p p e bz e m v o l t a g e ，s o f b s w i t c h i n g 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：蕉量翌到主堑塑墨盟墨电压筮殛差拉盛盟塞 学位论文作者签名：翌堑墨 日期：2 。岁年，月? 多日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 壁盘湮到主堑遗墨煎墨皂厘塑五差技盎殛窒 学位论文作者签名：翌堑墨 作者指导教师签名：j ；圈 习期：z d 艿年，月2 占日 日期：知厂年j ，月2 7 日 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 本章主要就课题研究的磁悬浮列车背景和悬浮斩波器的研究现状及其研究意义作基 本的介绍，然后简要叙述课题研究的丰要问题阻及本论文的各个章节的基本内容。 1 1 课题背景和意义 目前，国际上正在发展的磁悬浮列车有两大类：高速和中低速。高速磁浮系统时速在 d 0 0 j 0 0 公罩，中低速磁浮系统时速1 0 0 2 0 0 公里( 目前最高时速只达到1 3 0 公里) 。德 国的高速磁浮属于常导吸力型，已经在试验线运行了斗几年，最高时速己达4 5 0 公罩。日 本高速超导磁浮列车，属于排斥型，试验时速已达5 5 0 公里。中低速磁浮系统以日本的h s s t 系统为代表，已经有2 0 多年的研究历史，1 9 9 1 年口本政府颁发了运输许可证，标志该项 技术已绎成熟。国际上相继发展或研究过的还有英国、前苏联和韩国等。 我校磁悬浮技术研究工作始于1 9 8 0 年，先后研制了多种类型的磁悬浮实验系统。1 9 8 9 年，研制成功集悬浮导向与推进为一体的重约8 0 公斤的小型磁悬浮模型样车。l g h l 年5 月 幽家科委组织立项论证，并于1 9 9 2 年正式列入国家科技攻关计划，1 9 9 5 年我校研制成单转 向架磁浮列车系统。1 9 9 9 年，国防科技大学联合北京控股公司，在长沙组建了八达岭示范 线的试验车辆与线路。1 ，到目前为止已经安全运行7 0 0 0 公里左右。奉文所研究的内容都是 以中低速常导磁悬浮列车为背景的，文中所提磁悬浮列车均是指中低速常导磁悬浮列车。 图1 1磁悬浮列车悬浮控制系统示意图 图】- l 磁悬浮列车悬浮控制系统示意图 悬浮控制系统示意图如上图卜l 所示”1 。磁悬浮列车的悬浮控制系统通过传感器町以 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 得到磁悬浮列车的悬浮间隙信号、列车运动的悬浮州隙的加速度和电磁铁中流过的电流信 号，经过适当的运算和判断，给出斩波器的控制信号，斩波器根据控制信号并输出适当的 电压，控制悬浮电磁铁，从而使列车稳定悬浮。 由以上分析可以发现，整个列车的重量都是由悬浮电磁铁提供的悬浮力来承担的，电 磁铁需要接受很大的电压和电流，所以就需要悬浮斩波器有较大的电压和电流输出能力， 这样就必须提供斩波器的功率输出能力。在传统的硬开关斩波器中，由于斩波器系统效率 不随系统输出功率的提供而上升，这样，随着输出功率的提高，斩波器系统的损耗也相应 近似正比性地提高。当斩波器的损耗很大的时候，就带来了系统工作温度的上升，斩波器 功率元件工作的可靠性和稳定性就受到了极大的挑战。为了提高系统工作的稳定性和可靠 性，就必须要降低功率元件的工作损耗，这样还可以进一步地提高了系统的工作效率。 为了降低斩波器功率元件的损耗，可以添加缓冲电路，也可以改变斩波器的拓扑结果 来实现斩波器的软开关。缓冲电路虽然可以降低功率元件的损耗，但是它只是把功率元件 的损耗的一部分转移到了缓冲电路的缓冲电阻上了，实际上系统的总体损耗并没有从本质 上去降低，所以系统的效率的提高不是很明显。软开关斩波器可以显著地降低功率元件的 工作损耗，提高斩波器系统的工作效率；并可以降低斩波器工作产生的电磁干扰，与传统 的硬开关相比，性能有了明显的提高。软开关斩波器有多种实现形式，本文提出了一种新 型的零电压斩波器拓扑结构，并针对零电压软开关斩波器在磁悬浮斩波器上的应用做了相 关的仿真分析和试验验证。 1 - 2 国内外研究历史与现状 从本质讲，磁悬浮斩波器是一种d c d c 斩波器，基本的斩波器主要有b u c k 型、b 0 0 s t 型、b u c k b o o s t 型以及c l i l ( 电路型1 4 j 1 2 ”。在此基础上，后人又结合四种基本的斩波器结构， 提出了多种斩波器的拓扑结构，基本上都是相互之间的组合或结合。在传统的斩波器中， 功率器件的损耗是和工作电压、电流、斩波器工作频率基本上成正比的。在过去的较低的 工作频率和较小的功率密度情况下，采用合理的缓冲电路，可以在一定程度上缓解功率器 件的热损耗5 1 1 6 j 。因此，在过去相当长的时间内，缓冲电路得到了广泛地应用。 随着现在电力电子技术的发展，斩波器的功率和斩波频率的提高，传统的硬开关斩波 器的热损耗和工作可靠性提上了议事日程。由于缓冲电路只是部分地把功率器件的损耗转 移到了缓冲电阻上，以此来提商，功率器件的工作可靠性，并没有从本质上减小功率器件的 损耗，所以对系统效率的提高和系统的热损耗没有太大的贡献。2 0 世纪8 0 年代后期，谐 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 振软丌关技术为解决降低器件的丌关损耗和提高开关频率找到了有效的方法，并迅速发展 起来7 】【8 】i9 1 。在谐振技术发展的基础上，软开关技术得到了广泛地发展和应用。到目前为 i = ，已经诞生了多种形式的软开关拓扑结构形式，主要有零电压转换软开关、零电流转换 软开关以及零电压零电流转换软开关l 【1 2 l 【1 3 j 【1 4 】【1 5 】。 l 、零电压转换软丌关( z v t ，z e m v 0 1 t a 2 e t r a n s i t i o n ) 利用传统的b o o s t 斩波器电路拓扑结构，增加边沿谐振辅助电路，电路拓扑结构如下 图1 2 所利1 ”。在s l 导通和关断之前，先导通s 2 ，构建l r 、c s 谐振回路，利用谐振来构 建零电压软开关条件，实现了零电压转换软开关。d 2 是为了降低s 2 关断时刻的电压的冲 击，把l r 中的电感能量输出到负载。 d 1 图1 - 2 零电压转换p w m 斩波器结构示意图 2 、零电流转换软开关( z c t ，z e r o c u r r e n t t r m s i t i o n ) 利用传统的b o o s t 斩波器拓扑，增加了变压辅助电流谐振回路，电路结构图如下图1 3 所示。控制策略和零电压转换一致，在s 1 开关时刻前先导通s 2 ，只是谐振回路在谐振 的时候，抽取了电路主功率元件s l 中的电流，实现了电路的零电流转换软开关。 d l 图1 3 零电流转换p w m 斩波器拓扑结构示意图 3 、零电压零电流转换软开关( z v z c t ，z e r o v o l t a g e z e r o c u 仃c n t t r a l l s i t i o n ) 国防科学技术人学研究生院学位论文 结合零电压与零电流转换软开关，又发展了一种新型的电路拓扑结构。采用了耦合电 感来实现零电压和零电流不同的谐振条件的转换，电路结构如下图1 4 所示| l ”。控制策略 是一致的，都是在主开关导通和关断的时刻，提前导通辅助管器件，来实现电压和电流的 谐振，实现了主开关器件的零电压导通和零电流关断。由于耦合电感l s 的能量可以通过 d 2 、d 3 以及d 。和c s 来实现连续的转换，因此，辅助管也实现了近似的零电压导通和零电 流关断，大大地降低了辅助管带来的损耗。 n n 卡：封巷 = - v s 与1 3 s l _ 铆 一 = c r i b i r o 1 马b 雠铷； 图1 4 零电压零电流转换p w m 斩波器结构示意图 国内的电力电子技术发展，要落后于国外的先进水平，但是近年来，在软开关电力电 子变换方面也取得了一定的进展，特别是全桥零转换p w m d c d c 变换器方面更是进展飞 速【1 6 】f 1 7 】。其主电路结构拓扑如下图1 5 所示： 图1 - 5 全桥零转换p w m - d c 皿c 变换器基本拓扑结构 全桥零转换p w m d c 仍c 变换器，主要是利用i g b t 的结电容和变压器的漏感，来提 供谐振回路，通过移相控制v t l v t 4 ，来实现超前臂的零电压转换和滞后臂的零电流转 换【”】。利用以上的基本结构，可以变换出多种电路拓扑结构，实现不同的电路功能。然而， 由于磁悬浮列车斩波器的负载特殊性，普通的电力电子斩波器并不能适应。因此，在实际 应用中，就需要一种新型的软开关斩波器来适应大电感负载。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 磁浮斩波器的软开关技术研究的主要问题 在课题的研究中，主要针对磁悬浮斩波器负载的特性，结合现有的软开关拓扑结构， 分析总结了相关电路的特点，提出了一种新型的斩波器电路拓扑结构。 在研究的过程中，主要要解决以下几个问题： 1 、分析负载的特性。由于斩波器的负载是一个大电感，因此就带来了一系列的问题。 首先是电流的连续性，斩波器需要有馈流通道来保持电流的连续性。在这个问题上，参考 了传统的斩波器的结构h 桥斩波器拓扑结构。其次，还要考虑负载的变化带来的影响。 在以往的软开关斩波器中，有相当多的拓扑结构实现零电压或者零电流软开关的条件都需 要依赖于负载的条件。在负载变化的时候，有可能无法完全实现软开关条件。因此，在设 计软丌关斩波器的时候，要考虑软开关条件的实现尽量不受到负载变化的影响。 2 、拓扑结构的有效性和可实现性。在设计拓扑结构的时候，需要重点从理论上分析主 电路的有效性以及可实现性。这个就需要在理论上从工作原理的角度去清晰地分析，从理 论上讨论斩波器实现稳定工作的可靠性。实际中还要进行一系列的仿真分析以及相关的试 验来验证理论分析。对新型的零电压软开关斩波器的工作原理进行研究和探讨，这个部分 是本文的重点。 3 、系统的有效控制和保护。由于斩波器的使用范围是磁悬浮列车，这就决定了斩波器 系统必须具备高可靠性和高稳定性，体现在实际斩波器电路系统中，就需要对斩波器进行 合理有效地控制和保护。因此，在电路的设计和斩波器验证试验中，就必须要保证系统的 有效控制和设备保护的正确性。 1 4 论文的主要内容 首先分析了传统的硬开关斩波器，在参考了众多软开关斩波器的基础上，提出了一种 新型的斩波器零电压软开关斩波器。课题研究主要分析和设计了零电压斩波器，在运 用软件全面仿真的基础上并进行了系统的试验验证。论文主要有以下几个部分： 第一章：绪论。简单介绍了磁悬浮斩波器的历史背景和电力电子斩波器的国内外发展 现状，指出了软开关斩波器的研究意义和论文的基本内容。 第二章：零电压软开关斩波器的分析和设计。简要介绍传统的硬开关斩波器，提出软 开关斩波器的需求，并对软开关斩波器的主电路拓扑结构进行理论分析。在此基础上分析 软开关斩波器的电气特性和工作原理，然后介绍控制电路的设计，主要元器件的设计和参 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 数计算，以及功率元件的驱动和保护。 第三章：零电压软开关斩波器的仿真和分析。首先简要介绍o r c a d p s p i c e 仿真软件， 然后详细地对零电压软开关斩波器进行了全面地仿真，并对比性地仿真了传统的硬开关斩 波器。主要目的是对比仿真和分析两种斩波器在控制电路、功率电路以及系统上的差异。 第四章：零电压软开关斩波器的试验验证和分析。进行控制电路和驱动电路的调试， 在此基础上进行系统的调试。并结合阻性和大电感负载进行试验，对比仿真和理论分析， 对软开关斩波器的整体性能进行全面的分析和总结。 第五章：总结和展望。分析本次研究的软开关斩波器存在的不足之处，并结合其他的 软丌关拓扑结构，对斩波器的后续工作提出自己的见解。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章零电压软开关斩波器的分析和设计 零电压软开关斩波器有多种实现形式和电路拓扑结构，在本章里，结合传统的h 一桥斩 波器，在硬丌关缓冲电路的基础上提出零电压软开关斩波器的电路拓扑结构，然后依次分 析电路工作原理，设计并计算斩波器电路主要元器件的参数，完成零电压软开关斩波器的 分析和设计。 2 1 问题的提出 目前，磁悬浮列车使用的斩波器，主要只是给提供列车悬浮力的电磁铁供电，故输出 电流只要单方向即可，而且还要求电流调节时间尽可能短，这样才能对列车状态进行快速 地调节。因此，磁悬浮列车一般采用h 型两象限硬开关斩波器加上缓冲电路的拓扑结构。 2 1 1传统的硬开关斩波器结构与工作原理分析 传统的硬开关斩波器主电路拓扑结构如图2 1 所示 图2 l传统的斩波器主电路结构示意图 在图2 1 中，功率器件器件q 1 、q 4 以及d 2 、d 3 组成了全桥斩波器电路，d 1 和d 4 为i g b t 寄生的反并联二极管，l 、r 为负载电磁铁等效电感和等效电阻，l s 为连接线路 的杂散电感，心1 r s 4 、c s l c s 4 以及d s l 、d s 4 组成系统的缓冲电路。在q l 和q 4 导 通的时候，电路为电磁铁提供能量，等效电路结构图如图2 2 所示；在q l 和o h 4 关断时刻， 电磁铁通过d 2 和d 3 续流，向电源反馈能量，等效电路结构图如图2 2 所示： 第7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 图2 - 2 传统斩波器不同时刻等效电路结构图 i g b t 功率器件q 1 、q 4 共同导通、共同关断，随着q 1 、q 4 导通和关断时候d 2 、d 3 的续流，h 桥斩波器可以等效成一个基本的b u c k 型斩波器。因此，在分析功率器件以及 缓冲电路工作原理的时候，斩波器电路可以等效成以下的电路模型，如图2 3 所示： 图2 3 斩波器主电路结构等效电路 电路的工作相平面如下图2 4 所示，下面简要分析电路中的开关管关断和导通的过程 中，电路的工作原理【1 8 】。 图2 - 4 功率元件开关相平面图 l 、开关管t 关断过程的分析： 在电路工作在通态时候，u t = o ，i f i s = i o ，工作点为图2 - 3 中的c 点，缓冲电容电压 国防科学技术大学研究生院学忙论文 u c = u c o v d 。关断信号来临，由于此时的二极管d 有一定的导通延迟，故首先是以l o 恒流 对c 。( i g b t 的c e 结电容) 充电；到一定的时候二极管d 导通，直到i g b t 的两端电压 达到缓冲电容的电压，达到工作点b 。由于= 极管d s 的作用，v t v c ；所以到现在，缓 冲电路才丌始诈常的工作，由于二极管d 已经导通，所以电源通过l s 、c s 、d s 、a 点、b 点对缓冲电容c s 进行充电；同时i g b t 的端电压u t 上升、电流i t 开始下降，达到工作点 m 。此后，由于电感l s 作用，电源继续给缓冲电容充电，使u r t 继续上升，但是电流i t = o ， 达到工作点p 。电感l s 和电容c s 工作在谐振状态，电路的回路是电源v d 、电感l n 电容 c s 和电阻r s 。电容上的电压( 即i g b t 两端的电压) 回落到v t m ，电路到达工作点m 。关 断的过程完成，关断的工作轨迹是：c b m p m a 。 2 、开关管t 导通过程的分析： 开关管处于关断状态的时候，i t ：i s = o ，续流二极管d 导通，i d = i o 。缓冲电容c 稳定 在v c o = v t = v d ，也即工作在a 点。开关管有驱动信号之后，在开通的过程t r i 期间，i t 从零 上升至i o ，电源电流随之上升，电容c 将经过开关管t 、a 和b 两点( u a b = 0 ) 及电阻r 放电，开关管的两端电压开始下降，当电流上升到i o ，i g b t 两端电压u t 也下降到u ，达 到工作点f 。此后，i g b t 中流过电流保持不变，i g b t 两端电压逐渐下降到0 ，达到工作 点c 。开通过程的轨迹是：a f c 。 3 、观察图2 4 的相平面图形，可以发现以下的特点： ( 1 ) 缓冲电路可以实现开关管两端的电压钳位。在功率器件关断的过程中，电路l s 、 d s 和c s 共同作用，使开关管两端的电压得到钳位，不至于上升太大，对保护功率器件有 一定的作用。 ( 2 ) 缓冲电容c s 上的电能有一部分反馈到电源，还有一部分消耗在缓冲电阻r 上了， 所以系统的效率提高的不是太明显。 ( 3 ) 在电路的杂散电容和杂散电感比较大的时候，缓冲电路很容易引起整个斩波器系 统的震荡，给斩波器的输出带来很不利的影响。 ( 4 ) 由导通和关断的相平面可以发现，功率器件的导通和关断损耗还是很大的，这就 需要采用新的电路拓扑结构和新型的控制理论来改善系统的性能。 2 1 2 存在的主要问题以及解决的办法 由以上的分析可以看出，传统的斩波器虽然在控制上比较容易实现，在拓扑结构上也 比较简单，但是在系统性能和工作可靠性上有其无法解决的弊端。在采用了参数合适的缓 冲电路以后，功率元件的热损耗和开关应力有所降低，但是对整个系统的效率提高并没有 国防科学技术大学研究生院学位论文 太大的改善。同时，还带来了系统杂散电感和杂散电容的谐振震荡，给斩波器输出带来很 不利的影响。 面对这些不利的因素，可以采用软开关斩波器来加以解决。新型的软开关斩波器和传 统的硬丌关斩波器最大的区别，就在于拓扑结构上的不同和控制理论上的差异所带来的系 统综合性能的大大提高。 ( 1 ) 软开关的基本分类： 自从20 世纪7o 年代在功率电路中引入谐振软开关以来，软开关电力电子变换电路 经历了多种电力电子电路拓扑结构的演变。到目前为止，软开关技术主要分为谐振变换器 ( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 、准谐振变换器( q u a s ir e s o n a i l tc o n v e r t e r ) 和多谐振变换器 ( m u t i r c s o i 瑚tc o n v e 毗r ) ，以及零开关p w m 变换器( z e r os 谢t c h i n gp w mc o n v e m r ) 、零转 换p w m 变换器( z e mt r a n s i t i o np w mc o n v e n e r ) 和无源无损缓冲电路( p a s s i v el o s s l e s s s n u b b c rc i r c l l i t l 等多种软开关技术。 ( 2 ) 磁悬浮列车使用斩波器的要求： 磁悬浮斩波器应用在磁悬浮列车上，为磁悬浮列车提供快速稳定的悬浮力，列车运行 的稳定性和可靠性需要悬浮斩波器具备以下的几个特点： 首先，斩波器的输出电流必须能够实现快速的调节。由于列车的悬浮控制精度较高， 这就需要斩波器提供快速变化的电流，也即要求斩波器系统具有快速的系统响应。 其次，要求零电压软开关斩波器能够实现能量的回馈。由于磁悬浮斩波器的负载是电 磁铁性质的大电感，电流不能实现急剧地变化。所以就要求在制动或者负载减小的时候， 斩波器能够实现能量的回馈。 再次，在能够实现前两个条件的基础上，还要求斩波器的系统能够实现硬开关不能实 现的高效率、高速率以及高可靠性。这点对软开关斩波器格外重要，也是区别于传统的硬 开关的地方。 ( 3 ) 斩波器结构和主电路的提出： 鉴于上述的斩波器要求，可以参考传统的h 桥硬开关斩波器，只是在此基础上添加了 软开关实现环节，由软开关实现环节来实现后面主电路功率器件的软开关条件，并且这个 实现条件与负载轻重没有直接联系。软开关斩波器的主电路结构见下图2 5 ： 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 十 爿( 1 母 d 3j 【 一 图2 5软开关斩波器主电路结构图 前面的软开关实现环节是由辅助管q r 来实现的，后面的主功率器件为q 1 、q 4 与d 2 、 d 3 。基于上述软开关斩波器主电路结构的控制信号如下图2 6 所示( 高电平有效) ： q r 辅助管信号 q 1 、q 4 管信号 图2 6软开关斩波器功率器件控制信号逻辑图 2 2 零电压软开关斩波器系统工作原理分析 在软开关斩波器系统中，利用了b o o s t 电路的输出特性来提供后面的功率器件的软丌 关实现条件。把b 0 0 s t 电路和h 桥斩波器电路结合起来，就构成了零电压软开关斩波器， 在b o o s t 电路工作的时候，把电源电压钳位在零，借此来提供零电压导通和关断的条件。 由于磁悬浮斩波器的负载是一个大电感，所以在分析的时候可以把负载等效成一个恒 流源i o ，只是在电路的连接方式周期性的发生变化，随着i g b t 的导通和关断而周期性的 变化。软开关电路原理的分析主要是结合前面的辅助管的缓冲电路的缓冲电容的充放电， 来分析母线电压( 即辅助开关管q r 两端电压) 变化。q r 的缓冲电路的工作与后面的负载 电路是并联的状态，无论是缓冲电容c s 的充电经过d s 的短路，还是放电经过r s 的旁路， 都和负载电路没有关系，所以电路中的电流可以分离开来分析。但是，当负载电感处于续 流状态的时候( 也即q 1 、q 4 关断，d 2 、d 3 构成负载续流通道的状态) ，缓冲电容c s 经 过d s 的充电和经过r s 的放电，都和负载电路的状态有很大的关系。下面的分析中的电流 仅仅只是考虑了缓冲谐振电路，并没有考虑负载电路的电流，但是并不影响负载工作的诈 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 常性；而在电感续流的过程中，分析的时候又必须考虑到负载的电流。此外，在分析的时 候，还遵照了以下的假设条件： 二极管d s 是理想的，在导通后的电压为u = o ，在截至时的电流为i = o ，反向恢复时 间是t f o ； 在控制逻辑的t 1 、t 5 时刻，电容电压已经达到稳态值e ( 也即电源电压) ，电感电流 已经达到稳态值i o ( 也即负载额定电流) ； 由于谐振电感的作用，使得q r 在每次关断的时候的电流比较大，可以由以下的式 子计算出来：( t o n 是q r 导通时间) d i ，f 肚k 詈 j k ( o ) “l 一。+ 景。 为简化书写，在分析中，l s 、c s 、r s 分别用l 、c 、r 代替。 系统地控制逻辑和理论计算的波形如下图2 - 7 所示： q r q 1 、q 哇 1 l s u o e 一 门n 卜 l 广、 j ； 氨厂一r 、i 7 ；! 八 八疋 i 一! 图2 - 7系统的控制逻辑和理论波形 “t 3 期间q r 导通，开关管q 1 、q 4 实现零电压导通 在q r 导通后，由于电感的感应电压，使母线上电压钳位在零电位，q 1 、q 4 实现零电 压导通；电容通过q r 、黜放电，使得q r 导通电流较大。电感未达到饱和，电流可以认为 是线性上升的，从而把母线电压嵌位在零电位，这个时候开通主功率器件q l 和q 4 ，实现 零电压导通。 _ t 3 t 4 期间q r 关断，缓冲电路工作，开关管处于导通状态 在q l 与q 4 导通后，缓冲电容c s 在电源e 的作用下充电，并因为l s 的谐振作用而 达到最大值，斩波器动态电路等效模型如下图2 8 所示： 第1 2 页 冈防科学技术人。学研究生院学位论文 图2 - 8 研玻器动态萼效电路- 1 电路的初始条件为：哦。( o ) = o 、t ( o ) = t 。根据电路定理可以得到以下的电路方程： 卜弘儿等 卜仁c 等 所以，可以得到电路有如下的解：( 国= 击，p = 辔。等笋) j 。( ，) ：e + 3 蔓_ = 尝。j 。( 。f 一妒) 7l h f ) - 以丽c 。( 。卜妒) 当电容电压达到最大值的时候，电感电流应该是达到最小值( 假设电感电流还没有改 变方向，即t o ) ，有删一妒= 昙，此时，电容电压和电感电流为： 扣郴+ 考c 厶+ 警) 2 + e 2 l ( f ) = o t 4 t 5 期间 缓冲电容放电，开关管q l 、q 4 处于导通状态 在电容电压达到最大值以后，由于电路处于电源供电的状态，电容就通过负载回路和 r s 来放电，斩波器动态电路等效模型如下图2 9 所示： l 璺| 2 - 9 斩波器动态等效电路2 l q 的科4 了：披不入7 倒f 艽王既手m 比义 电路的初始条件为：即( o ) = e + 抬( + 争) 2 + 矿、t ( o ) = 0 。根据电路定理可以得 到以下的电路方程： 卜旷r c 等+ 哮 k 站= c 鲁 选择- ( 争丢虬于肫悟 解这个方程可蝴她= 竽，垆罐1 等) 如+ 孥) 2 + e 2 巫要匿互 c 压万= 而 p 2 s i n ( f + 妒) 当( f ) = o 时，“c ( r ) 达到最小，若要求( ，) 有一定的范围，即：f 生譬f 埘， 则有：t 0 ) ：0 j ，= 三。 代入c 。，有、；： 两e 一署吾棚 考虑到前面的o ，令口= 1 + 吉( 鲁+ 警) 2 、= l n 詈，则对于r s 有以下的条件 酬表斌：捂j 南z 捂 t 5 t 7 期间 q r 导通，开关管q l 、q 4 实现零电压关断 在q r 导通后，由于电感的感应电压，使母线电压钳位在零电位，q 1 、q 4 实现零电压 关断；电容通过q r 、r s 放电，使得q r 导通电流较大。在电感达到饱和之前，电流i 丁以认 为是线性上升的，把母线电压嵌位在零电位，此时控制二e 功率器件q l 和q 4 关断，可以实 现零电压软关断。 t 7 馏期间0 r 关断，缓冲电路：广作，开关管处于截i e 状杰 第1 4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 在q 1 与q 4 关断后，缓冲电容c s 在电源e 的作用下充电，并凶为l s 的谐振作用而 达到最大值，斩波器动态电路等效模型如下图2 1 0 所示： l 5 图2 一1 0 斩波器动态等效电路3 电路的初始条件为：“，( o ) = 0 、t ( o ) = 一，。根据电路定理可以得到以下的电路方程 毡帆诎“等 ( = i l = c 等 施一鳓嗍解：c 撕= 压一辔1 丽， k 胪n fc z 乇捂+ 筹h 眦， h m 一酽三+ ( 2 厶+ 竿) 2 c o s ( 叫刊 当电压达到最大值的时候，电流的谐振分量达到o ，此后电容将进入放电过程。此时 有c o s ( 耐一妒) = 0 ，电容电压和电感电流为： h 归n f 。悟+ 等，2 【f 。( f ) = ，。 若x 拟“。的幅值有要求，贝【j j 立该对护+ ( 2 易抬+ 静2 有要求。设要求的超调量 4 i 大于n ，则有f 磊 e t 8 t 9 期间 缓冲电容放电 ”，可以解得：c 等鬻 丌关管q 1 、q 4 处于截止状态 国防科。学技术人学研究生院学位论文 在电容电压达到最大值以后，由于电路处于负载反馈能量的状态，电容就在负载电感 的作_ l j 下充电达到最大值，这个最大值比刚才的要大。谐振电感在负载大电感的作用下， 电流f j | ：始反向，向电源反馈能：量。缓冲电容通过电源回路和r s 来放电，斩波器动态电路等 效模型如下图2 1 1 所示： 电路的初始条件为铋邶脚+ j + ( 2 l 抬+ 等) 2 、“o ) _ 根据电路定 理可以得到以下的电路方程： 卜帆帆毡一警+ 喙 卜七= c 警 选择组则有月2 居取国= 怯一筹、妒呵1 警 雠技个方积右叫下的答塞 “，( ，) = e +p 2 。s i n ( 硎+ 妒) 。，：，。!。!i!：!i!至。一击，。；n。， j 1 - 字 在电感中的谐振电流达到0 的时候，电容上的放电电压达到最小值，此时有s i n 耐：o 电容电压和电感电流为： 国防科学技术大学研究生院学位论文 “c ( r ) = e + 若对“，( f ) 的幅值有要求，则应该对 s 1 n 口 f 丽 下调量不大于p ，则有p 笔爿p ，代入相关式子，可以得到： s i n 口有要求。设要求的 轨代入n 的表达式有p 瓦鲁 设n 詈，可以矧：z 括j 南梧 h ylv 斤十万y l 2 3 零电压软开关斩波器元件的参数选取和计算 对于整个零电压软开关斩波器系统，是由多个元件组成的，其参数由电源和负载的性 质共同决定，此外，还受到斩波器特定要求的约束。缓冲电路的c s 、d s 与r s 直接受到辅 助管的工作性质的限制，电感l s 是由斩波器系统的性质和电源共同约束的。考虑到斩波 器的功率和开关频率，可以确定主电路的辅助管q r 和主功率器件q 1 、q 4 以及d 2 、d 3 的参数及规格。 2 - 3 1系统已知的参数 对于斩波器系统，由于应用的特殊性，有一部分的参数是限制好了的，也就是已知的。 对于磁悬浮列车使用的零电压软开关斩波器，以下的参数是已知的： 电源电压：e ；“o v ，试验室使用电源为e - 2 4 0 v ，理论验证试验的使用电压为e = 5 0 v ； 电源电压滤波电容：c i n 和传统的斩波器的滤波电容一样：1 0 0 0 “f ； 额定输出电流：i o 宅5 a ，试验验证时额定输出电流为i o = 1 0 a ； 负载电磁铁：l _ 1 o h ，r - o 7 5q ，试验验证时采用的是单铁悬浮架电磁铁，l = 0 3 h ， 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r = o 7 5 q ： 主功率器件i g b t ：鉴于试验各个阶段的不同，为了统一，就采用磁悬浮中心试验列 车_ l 二使用的l g b t _ 一b s m 2 0 0 g b l 2 0 d l c ； 辅助管l g b t ：由于缓冲电路和钳位电感的充放电，此处需要承受较高的电压，故选 取i g b t b s m 4 0 0 g a l 7 0 d l s 。 2 3 2电感的参数选择和设计 由前面的理论分析可以知道：电感l s 的作用主要是在辅助管导通的时候，对电源电 压进行钳位，并借此来产生零电压软开关的是现，因此电感的参数对于整个斩波器系统地 设计有着关键的影响。在对电感进行计算和设计的过程中，我选取的电源电压为e = 4 4 0 v ， 这样就得到了最大的电感参数。 在此基础上，利用设计的已有电感，为了满足不同的试验条件，可以适当微调电感的 气隙，就可以得到不同试验条件下的电感要求的值。 l 、电感大小的设计和计算： 根据法拉第电磁感应定律：占= 鲁= 掣乩箬，系统要求是：在2 j 内，电 d f4 r d f 感上感应的电压和电源电压达到完全相等并相位相反，于是有以下的等式关系：兰竺：e 。 f “ 所以，对于电感，有以下的计算式子： k ：鲁_ 4 4 0 半：3 5 _ 2 l0 _ 6 ( 何) = 3 5 2 ( 脾) 。 o “，2 5 、7“ 2 、电感的铁芯选择： 对于一般带气隙的电感，能量主要存储在气隙中，所以：可以根据气隙中能量来选择 电感的铁芯参数。这里，我选择的型号是e 型电感铁芯1 1 9 】。 气隙能量为：形= 上，2 = 3 5 2 1 0 _ 6 2 5 2 = o 0 2 2 f n 选择电感铁芯的型号是e 5 5 ，2 8 2 l 【1 9 i 。 3 、铁芯物理参数的计算： 外形参数如下图2 - 1 2 所示：( 若没有标明单位，都是毫米制单位：m m ) 其中，a = 5 6 2 ： b 2 2 7 5 ；c _ 2 1 o ；d = 1 7 2 ；e = 3 7 5 ；f = 1 8 5 ；有效磁路长度0 = 1 2 4 ；有效磁路面积4 、= 3 5 3 。 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 匝皿l 图2 1 2电感的物理外形尺寸 在实际的使用中，电感的实际结构如下图2 1 3 所示，由此可以得到以下的计算： 叵四i k 窗口面积：一，= f ( e d ) = 1 8 5 ( 3 7 5 一1 7 2 ) = 3 7 5 5 5 ( m 所2 ) 线圈平均长度为： 尬丁“半2 + ( c + 半) 2 _ 2 ( ) - 2 ( 2 1 o + 3 7 5 ) - 1 1 7 ( 删 4 、线圈的截面积计算： 为了保证电感在工作的状态下不发热，对电感线圈中的电流密度要有一定的限制，我 在这里取的限制是，= 2 5 4 ( 爿卅m 2 ) 。先按比较宽松的余量计算，在这里取电流为有 效值，于是有： s = 每= 竺掣= 2 4 1 4 ( 柳m 2 ) ，于是我取s - 2 5 辨棚2 。 ，2 5 。一