（电力电子与电力传动专业论文）推挽正激及其软开关电路的研究与实现.pdf

推挽正激及其软开关电路的研究与实现 a b s t r a c t a i m e dt o a c q u i r eh i g he f f i c i e n c ya n dr e a l i z eh i g hf r e q u e n c yo f t h ec o n v e r t e gt h i s p a p e rt a k e st h ef o r e p a r to f t h ea e r o n a u t i c a ls t a t i ci n v e r t e r ( a s i ) - - d c d cc o n v e r t e ra s r e s e a r c ho b j e c t ，p u s h - p u l lf o r w a r dc o n v e n e r ( p p f c ) ，w h i c h a d a p t st ob ea p p l i e di nl o w v o l t a g e ，h i g hc u r r e n ti n p u tp o w e rf i e l d ，i sp r o p o s e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e rb a s e do n c o m p r e h e n d t om a i nc h a r a c t e r so f a s ia n dr e f e r e n c e st ot h ed e v e l o p m e n to f t h ev r m p p f cw o r k i n g p r i n c i p l e ，c i r c u l a rc u r r e n ta n de f f e c t so fc l a m p i n gc a p a c i t o ra r es t u d i e d i nt h i sp a p e ri nd e t a i l b e c a u s eo ft h ec l a m p i n gc a p a c i t o r , p p f ch a v es o m eg o o df e a t u r e s c o m p a r e dw i t hp p c ：r e d u c i n gt h ef l u c t u a t eo ft h ei n p u tc u r r e n t ；r e s t r a i n i n gt h ev o l t a g e s p i k eo ft h ep o w e rm o s f e t ；a v o i d i n gt h eb i a s m a g n e t i co ft h et r a n s f o r m e r a tl a s t ，t h e p p f ct o p o l o g yi s a p p l i e di n t o t h ep r o j e c t 2 k wd c d cs u b - - m o d u l ep o w e ra n dm a d e g o o de f f e c t i no r d e rt or e a l i z e h i g h 丹e q u e n c ya n dd e c r e a s et i l ec u b a g e a n dw e i g h to ft h e c o n v e r t e r ，a i m e da tp p ft o p o l o g y ，t h i sp a p e ra n a l y s i s e dt h r e ek i n d so fr e s o n a n tn e t w o r k s t or e a l i z em a i nm o s f e tw i t hz c st u r n e do f f w o r k i n gp r o c e s sa n dd i s s i p a t i o no ft h e r e s p e c t i v e n e t w o r ka r e a n a l y z e di nd e t a i l ；m o r e o v e rd e s i g np r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i n g f o r m u l ao ft h er e s o n a n tp a r a m e t e ra r eg i v e ni nt h i sp a p e r i nt h ee n d ，b yc o m p a r e dw i t h t h r e es o f t - s w i t c h i n gt o p o l o g y , r e s p e c t i v ee x c e l l e n c e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r eg i v e ni nt h e p a d e l k e y w o r d s ：p u s h p u l lf o r w a r d ，c i r c u l a rc u r r e n t ，s o f t - s w i t c h i n g ，a u x i l i a r yw i n d i n g ， z c s ，z c t j i 南京航空航天入学硕士学位论文 第一章绪论 航空静止变流器由于具有效率高、体积小、重量轻及可靠性高等优点，美国等先 进国家已完全用它取代了传统的旋转变流机。本章对航空静止变流器的概况和软开关 技术的发展做了简要的回顾，最终确立了以推挽正激变换器及其软开关技术的实现作 为本文的研究重点。 1 1 航空静止变流器的现状和发展方向 航空静止变流器( a s i - - a e r o n a u t i c a ls t a t i ci n v e r t e r ) 是航空电源系统的二次电源， 主要用于将飞机上主电源直流电2 8 v 低压直流或2 7 0 v 高压直流变换为恒压恒频交流 电儿5 v 4 0 0 h z 或3 6 v 4 0 0 h z 的一种静止变流装置，供机上的负载使用。 航空静止变流器的基本要求是：高可靠性，低成本，维护方便，体积小、重量轻， 电气性能好。主要电气性能指标有：输出频率稳定，输出电压精度高，动态n 向应速度 快，输出正弦电压失真度小，效率高。近年来，随着飞机战斗性能的提高和用电设备 的不断增加，以及为满足现役机种改型的需要，对航空静止变流器也提出了更高的要 求：高变换效率、高可靠性、高功率密度、输入与输出之间应有电气隔离、无污染、 智能化等。而变换器要实现高变换效率、高可靠性与高功率密度的基础就在于单级 d c d c 变换器和单级d c a c 逆变器的软开关变换技术的研究与工程实现。对于低压 直流输入的静止变流器，和变压整流器一样在低压大电流下工作，功率器件损耗较大， 减少损耗，提高效率就显得十分重要】。 航空静止变流器的电路结构经历了三个发展阶段：推挽式逆变器方波输出结 构升压直流变换器和阶梯波合成逆变器组合式结构单端反激f l y b a c k 变换器与正 弦脉宽调制s p w m 逆变器组合式电路结构1 1 ，2 1 。 同时，根据不同的输入输出电气要求，航空静止变流器的基本结构框架又可分为 两类【4 】： ( 1 ) d c a c 结构直接把输入直流电逆变成所需频率和幅值的交流电，通常在 输出端加上交流变压器，一是实现输入输出端的电气隔离，二是将输出电压升高到所 需要的值。 ( 2 ) d c d c d c a c 结构前级d c d c 将输入直流电变换到后级逆变器所需 的输入电压值，同时实现输入输出端的电气隔离。d c a c 再将直流电逆变成所需的 交流电。 国外对航空静止变流器的研究较早，技术也相对国内成熟。从总体上看，国内航 空静l e 变流器的品种少、容量小、技术落后，不能完全满足现有战斗机、舰载机的需 要。因此，开展新一代高频软开关航空静止变流器的研究对于飞机电源系统的改进与 战斗性能的提高都具有重要意义。本文将航空静止变流器的前级- - d c d c 部分作为 研究对象就是基于这一主要出发点。 推挽正激及其软开关电路的研究与实现 1 2 航空静止变流器前级的几种常用电路拓扑 v v ( 口) 单端反激电路 激电路 ( g ) 半桥d c d c 电路 v 丌 门 ，地 【c 肴 ， d 2 j i 电路 珀讲j ：四宫：l 1 l 旷 ： 。雠 d ； f )曲础 i 腭j 【 ( 7 全桥d c d c 屯路 图1 1a s i 前级常用电路拓扑 1 2 1 单端反激电路 如图1 1 ( n ) 多用于小功率场合，常用于设计多路输出激励电源。反激式变换器中的电感变 压器起着电感和变压器的双重作用。具有电感电流连续、临界连续和断续3 种工作模 式。而这里所指的连续不是单线圈电感电流的连续，而是用次级线圈晶体管截止时间 的电流状态来说明，实际上是指磁通的连续【5 j 。反激变换器不能空载运行且调节困难， 一般在负载较大的场合。为了减小体积，让变换器在小电流时工作在电流断续状态， 较大电流时工作于电流连续状态。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 2 单端正激电路 如图1 1 ( b ) 形式上与反激类似。由于在晶体管导通时，磁化电流能量储存于变压器的磁场中， 所以当晶体管关断时，必须提供磁场能量释放回路，这就带来了各种磁复位电路的研 究陋4 l 。且变压器单向磁化，变压器的利用率低。通常单端正激变换器占空比d 0 2 ，则在 t 2 一t 3 时间内，储存在变压器漏感中多余的能 量就会通过低阻抗回路虬l c - - d s 2 转移给箝位电容c ，抬高电容的电压，从而保 证在 f 。，稠时间内去磁完全，使磁化电流回到初始值。 3 ) 减小输入滤波器 前文已说明，正是由于电容c 在函、都不导通时保持了从电源吸收能量的电 流厶，才使输入电流的纹波与1 2 1 0 成正比，与其它类型的变换器相比，本变换器 输入滤波器可大幅度减小。表2 1 给出了不同变换器下，输入电流的变化范围表达 式。从中我们可以看出：在相同功率与负载下，单管反激变换器的输入电流范围最 大，推挽其次，推挽正激最小，从而我们可以得知推挽正激具有较小的输入电流脉 动，能够减小滤波器的体积与重量。( 表中有关公式推导见附录一) 输入电流变化范围反激变换器推挽变换器推挽正激变换器 k o 三戤 i m r d o l d 表2 1不同变换器输入电流变化范围比较 图2 9 为推挽电路与推挽正激电路输入电流谐波的仿真分析比较。从图2 9 的 输入电流及其频谱仿真分析可以看出：在相同功率等级和相同负载下 ( = 2 7 v ，圪= 7 6 v , r l = 7 5 0 h m s ) ，推挽正激电路与推挽电路相比，输入电流谐波的幅 值减小了一半，与前面给出的理论分析是一致的。再次说明了推挽正激电路拓扑的 输入滤波器相对其他电路拓扑而言，重量、体积可以大大减小。 j 0 q 0 s 2 j 推挽止激及其软开关电路的研究与实现 i r r 呻c y 图( 推挽电路输入电流及其谐波频谱仿真分析 0 h z o 硼z0 i 髓z0 锄10 蛐 l 嘶l ，绷l l4 弛1 6 皿：le 髓z z 啷z 口- ic v ) ，n 掣h 许 图( 6 ) 推挽正激电路输入电流及其谐波频谱仿真分析 图2 9 p p c 与p p f c 输入电流谐波仿真波形 2 5 2 电容f 参数的选取 由上面的讨论可知：p c = 1 2 p o ( 1 一d ) ，电容释放的能量