（电力电子与电力传动专业论文）一种新型双向dcdc变换器的研究.pdf

r e s e a r c ho nan o r e lb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i tn e e d sm o r ea n dm o r e b i d i r e c t i o n a ld cc o n v e r t e r se v e ry e a rg r a d u a l l y b i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r sa r e u s e dw i d e l yi nd cu n i n t e r r u p t i b i ep o w e rs y s t e m s ，a v i a t i o np o w e rs y s t e m s ， e l e c t r i cv e h i c l ep o w e r ，d cp o w e ra m p l i f i e ra n db a t t e rs t o r a g es y s t e m s s o f t s w i t c ht e c h n i q u e sp u s hb i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e rd e v e l o p i n gi ns m a l l e rv o l u m e ， h i g h e re f f i c i e n c ya n dh i g h e rf r e q u e n c y p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fb i d i r e c t i o n a ld cc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e df r o m f u n d a m e n t a lb i d i r e c t i o n a ls w i t c hc e l l an o v e ib i d i r e c t i o n a ld cc o n v e r t e r t o p o l o g yw a sd e s i g n e d ，w h i c hw a su s e di nv e h i c l ep o w e rs u p p l ys y s t e m s u s i n gp h a s e - s h i f t e df u l l - - b r i d g e z v sp w mi nb u c kc i r c u i ta n du s i n g p u s h p u l lb o o s tc o n v e r t e ri nb o o s tc i r c u i t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，p r i n c i p l e so fp h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ez v sp w ma n d p u s h p u l lb o o s t c o n v e r t e ra r ea n a l y z e d ；r e a s o no fd u t yr a t i od r o p p i n go u ta n d s o l u t i o nm e a s u r e sa r ei n t r o d u c e da tt h es a m et i m e ；t h em a g n e t i cb i a s i n ga n d z v sm e t h o d so fl a g g i n gb r a c h i u ma r es t u d i e dd e t a i l e d t yi nt h eb i d i r e c t i o n a l d cc o n v e r t e r s a tt h eb a s i so fa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h ep r o t o t y p ew a s e x c o g i t a t e d ，w h i c hd a t as a t i s f i e dd e s i g n e dn e e d s k e yw o r d s ：b i d i r e c t i o n a ld c d cs o f t - s w i t c hp u s h p u l l b o o s ts i m u l a t i o n m a g n e t i cb i a s i n g 插图清单 图1 1 含单向d c d c 变换器直流不停电的供电模式1 图1 | 2 含双向d c d c 变换器直流不停电的供电模式2 图1 3 一种直流不停电电源系统拓扑结构2 图1 4 双向d c d c 变换器用于交流不停电电源系统( 在线式) ，2 图1 5 航空电源的供电模式3 图1 6 双向d c d c 变换器直接驱动真流电机4 图1 7 直接驱动直流电机的双向d c d c 变换器4 图1 8 直接驱动直流电机的双向d c d c 变换器5 图1 9 燃料电池和蓄电池配套使用的双向d c d c 变换器5 图1 1 0 单向d c d c 变换器结构6 图1 1 1 双向d c d c 变换器结构6 图1 1 2 单向d c d c 基本变换单元6 图1 1 3 双向d c d c 基本变换单元6 图1 1 4b u c k 变换器7 图1 1 5b u c 列b o o s t 变换器7 图1 16 单向d c d c 基本变换器8 图1 1 7 双向d c d c 基本变换器8 图1 1 8 几种常用的隔离型双向d c d c 变换拓扑9 图1 1 9 移相控制零电压桥式双向d c d c 变换器的拓扑结构9 图1 2 0 混合桥式双向d c d c 变换器的拓扑结构1o 图1 2 l 准方波零电压开关p w m 双向d c d c 变换器1 1 图1 2 2 无源缓冲类双向d c d c 变换器1 2 图1 2 3 零电压转换双向d c d c 变换器1 2 图1 2 4 零电流转换双向d c d c 变换器1 2 图2 1 双向d c d c 变换器的主电路拓扑1 4 图2 2 全桥d c d c 变换器的结构简圈1 5 图2 3 全桥p w m 变换的基本工作波形15 图2 4 移相控制全桥z v s p w m 变换器电路原理图1 7 图2 5 移相控制全桥z v s p w m 变换器理想工作波形18 图2 6 推挽式变换器原理图2 l 图2 7 推挽式变换器开关的驱动电压波形和开关所承受的电压波形2 2 图2 8 推挽式d c d cb o o s t 变换器2 3 图2 9 升压变换时的开关管上电压波形、电感中的电流波形和变压器副方电 压波形2 4 图2 11 磁芯特性示意图2 5 图2 1 2 磁通示意图 图3 1 双向d c d c 变换器的主电路拓扑 图3 2 升压变换时的主电路一 图3 3 降压变换时的主电路拓扑 图3 4 t p 3 磁化曲线 图4 1u c 3 8 7 5 的内部功能方框图 图4 , 2u c 3 8 7 5 外围电路图 图4 3 降压开关管的驱动电路 图4 4t l 4 9 4 内部结构等效电路图 图4 5 t l 4 9 4 的脉宽调制控制原理各级工作波形图 图4 6t l 4 9 4p w m 脉宽调制电路图 图4 7t l p 2 5 0 的内部结构简图 图4 8t l p 2 5 0 的驱动电路 图4 9 升压开关管的驱动电路 图4 1 0 电流检测电路一 图4 1 1 降压变换电压电流反馈电路 图5 1降压变换时的仿真电路 图5 2 降压变换时变压器高压侧电压仿真波形 图5 3 变压器高压侧的电流仿真波形。 2 5 2 7 2 7 2 7 2 9 3 6 + 4 0 4 l 4 2 4 3 4 4 。4 6 4 7 4 7 4 8 4 8 5 0 5 0 5 0 图5 4 开关管m 4 漏、源极之间的电压波形和流过开关管中的电流仿真波 j 1 图5 5 升压电路的仿真原理图 图5 6 降压变压器低压侧的电压仿真波形 图5 7 开关管m i 的驱动波形和电感l l 中的电流仿真波形 图5 8 开关管m 1 、m 2 漏源极之间的电压仿真波形 图5 9u c 3 8 7 5 输出波形( o u t a 、o u t d ) 图5 1 0u c 3 8 7 5 输出波形( o u l a 、o u t b ) 图5 1 1 驱动变压器原边电压波形 图5 1 3 主变压器原边电压波形 图5 1 5m 1 、m 2 两端的电压波形 图5 1 6 变压器高压侧的电压波形 图5 1 7 升压工作时开关管m 1 的驱动波形和升压电感中的电流波形 5 1 一5 1 5 2 ，5 2 5 2 5 3 5 3 5 3 ，5 4 5 4 5 4 5 5 表4 1t l p 2 5 0 工作时的真值表 表格清单 4 6 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥胆：些厶堂 或其他教 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。 学位论文作者签名：君如压签字日期；。6 年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些鑫堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借 阅。本人授权盒胆王些盍堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 ，；i ) 如压 签字日期0 i 5 年6 月了日 学位论文作者毕业后去向 t 作单位： 通讯地址： 导师签名 事哆扒 签字日期：口年月j 日 电话 邮编 致谢 本文是在导师杜少武副教授的精心指导下完成的。整个硕士阶段，自 始自终得到了杜老师的悉心指导和无微不至的关怀。从课程学习、论文选 题到论文成稿，都倾注了杜老师大量的心血。杜老师严谨认真的治学态度、 一丝不苟的工作方法和兢兢业业的敬业精神，给我以深刻的影响，促使我 不断地进步和完善自己。 整个硕士阶段，杜老师在学习方面为我提供了许多便利条件。在科研 方面给我导向，让我深受启迪，使我在各方面都取得了长足的进步。在论 文的撰写过程中，杜老师对论文的布局和每个细节的详细审阅给我的论文 定稿起到了决定性作用。杜老师在科研学术上有着自己独到的见解和领悟 力，开阔、敏捷的思维，不辞辛劳的耐心指导和谆谆教导，以及提出的许 多建设性意见使我长进很快。他平易近人的朴素作风和真诚友善的处世态 度给了我巨大帮助。在此，我要向杜老师表示我最诚挚的谢意! 论文结束后，我就将踏上工作岗位，研究生阶段学习到的知识和经验 对我今后的工作和学习有着很大的帮助。在今后的臼子里，我会深深怀念 这两年半多来的学习和科研生活。 向所有在硕士研究生阶段曾经帮助过我的老师深表谢意。还有我那些 关心和帮助我的同学们，他们是蒋劲松、邵玉泽、邹希、杨钰辉、张家友、 陈中、丁丽等。在此向他们表示感谢。 感谢我的家人，他们对我的关心和鼓励是对我最大的支持，我的任何 成绩都应该归功于他们的教育和支持。 最后我还要感谢审阅、评议本论文以及参加论文答辩的专家和老师们。 作者：方如举 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 电力电子技术就是在电力行业中得到广泛运用的电子技术，它是电工技术 的一个分支。自从上世纪6 0 年代现代开始，伴随着p n p n 四层半导体器件和第 一只晶闸管问世以来，电力电子技术作为一门新兴的学科得到迅猛飞速发展。 电力电子技术是以研究和应用半导体器件来实现电力变换和控制的技术。它是 - i l 由电工、电力半导体器件以及控制技术相互交叉而出现的新兴学科。电力 电子技术研究的内容非常广泛主要包括电力半导体器件、磁性元件、电力电子 电路、集成控制电路以及由其组成的电力交流装置。当代电力电子技术已经作 为加热、照明控制、交流电源、直流电源、电机拖动以及谐波滤波等技术而广 泛运用于工业、商业、日常生活、航空航天、军事等重要领域。控制技术、电 子元器件的运用和电能变换是电力电子技术所研究的主要内容。特别是电力变 换技术是开关电源的基础和核心部分。随着新的电力电子器件、新的控制技术 和新的拓扑结构不断出现，使得开关电源不断朝着小型化、高效率、低成本、 模块化、智能化、高可靠性、高功率、高密度化的方向不断发展。由于生产技 术的不断发展和革新，对双向d c d c 变换器的要求也逐年增加，在直流不停电 电源系统、航空电源系统、电动汽车等车载电源系统、直流功率放大器以及蓄 电池储能等应用场合，双向d c f d c 变换器都得到广泛运用。尤其是软开关技术 的发展，推动了双向d c d c 变换器不断朝着低损耗、高效率、高频化的方向发 展。 1 1 双向i ) c i ) c 变换器的应用 1 1 1 直流不停电电源系统 在直流不停电的电源系统中一般有两种模式：一种是如图1 1 所示的供电模 式。在直流侧直接并联合适的电压等级蓄电池，保证直流负载的不间断供电。 当外部的交流电压掉电时，由蓄电池对负载供电；正常供电时，对蓄电池充电。 该系统的优点就是结构简单，但是由于蓄电池的电压变化很大，会造成直流母 线上的电压也变化很大。另一种形式就是采用双向d c d c 交换器的形式，蓄电 图1 1 含单向d c d c 变换器直流不停电的供电模式 池经过双向d c d c 变换器并接到直流母线上，保证正常供电，其结构模式如图 1 2 所示。在正常工作时，交流电源经过a c d c 变换来调整直流输出电压来对 交 a d cm a i n s 冈 双向 a c d c 载| + + d c d c 整流器 l 变换器 。j，。一 图1 2 含双向d c d c 变换器直流不停电的供电模式 蓄 电 池 负载供电并且经过双向d c d c 变换器对蓄电池充电，旦外部发生故障，双向 d c d c 变换器就开始反向工作，以相反的方式使蓄电池放电来保证直流母线上 的电压稳定，能够保证对负载正常供电。图l f 3 为一直流不停电的双向d c d c 变换器的拓扑结构矧。该电路在正常工作时由v b 。对负载r l t 供电，同时经过 双向d c d c 变换器对r e 2 供电和对蓄电池充电；当外部发生故障时由蓄电池 v b 。通过双向d c d c 变换器以反向的方式对负载r l , 供电。 = 罩 c f 2 r l 2 缸o = = v f 刚杆鼎冰册4| l 图1 3 一种直流不停电电源系统拓扑结构 i , i 2 交流不停电电源系统 图1 4 双向d c d c 变换器用于交流不停电电源系统( 在线式) 同样道理双向d c d c 变换器也可以用于交流不停电电源系统，例如u p s 电源系统中。图1 4 就是一在线交流电源不停电系统的系统结构图。蓄电池也是 通过双向d c d c 变换器并联到直流母线上去。 1 1 3 航空航天电源系统 在人造卫星、宇宙飞船、航天飞机以及太空空间站等航天飞行器中其能源 的供给主要是来自于太阳能电池阵列和蓄电池。 高功率密度的双向d c d c 变换器是航天电源中关键部分。为了充分发挥光 伏电池的最大效能，太阳能电池组总是工作在最大功率工作点处，在太阳光照 射充足的情况下，太阳能电池除了保证正常的供电外，同时还要通过双向d c d c 变换器对蓄电池充电；另一方面当日光不足的情况下，太阳能电池组不足以提 供负载的使用。蓄电池将会通过双向d c d c 交换器投入使用和太阳能电池组一 起对负载供电。当由蓄电池和太阳能共同对负载供电时，需要解决的问题就是 如何使得蓄电池电压和太阳能电池上的电压之间的匹配问题【39 1 。图1 5 为一个 简单航空电源的供电模式图。 圈1 5 航空电源的供电模式 i i 4 电机的驱动系统和电动汽车中的电源系统 由于现代科技不断的发展和进步，汽车尾气成为环境主要污染源之一，已 经引起了世界各国的严重关注。出于对环保和能源的要求和考虑，电动汽车有 可能成为陆地上最重要的交通工具之；电动汽车是以电能作为主要能源，通 过电动机来驱动汽车。电动汽车与燃油汽车相比较而言，它具有减少环境污染， 提高能源利用率等优点。 电动汽车中的电动机是典型的有源系统。从其输入端来看，既可吸收能量 也可以输出能量。在蓄电池供电的电动汽车系统中，随着蓄电池放电深度的不 断增加，蓄电池上的端电压将会发生较大变化，严重影响了电机的驱动性能。 那么在直流电机的驱动系统中，在蓄电池与逆变器之间中引入双向d c d c 变换 器就能够很好的解决这个矛盾。使用双向d c d c 变换器来对直流电动机进行驱 动相对于单向d c d c 变换器来说有着非常显著的优点。直流电机在其运行过程 中不断的加速、减速，使得电机的运转速度极宽。这同样会使得蓄电池上的电 压变化范围很大。使用双向d c d c 变换器一方面可以明显提高直流电机的驱动 性能，另一方面还可以把刹车时的动能转化而来的电能回馈给蓄电池。对于直 流电动机可以采用直接驱动的方式如图1 6 所示。图1 7 为直流电机直接驱动的 訇鬻巨； 变换器卜一= ：j 图i 6 双向d c d c 变换器直接驱动直流电机 双向d c d c 变换器拓扑结构，在电机启动或正常运行时蓄电池对电动机供电 在刹车制动时通过双向d c d c 变换器把由刹车时的动能转换而来的电能反向 v j n 图1 7 直接驱动直流电机的双向d c d c 变换器 对蓄电池充电。但是对于交流电机、同步电机和永磁体电机则需要把直流电转 变为交流电压才能对电机进行驱动，因此称为间接驱动的方法，在间接驱动时， 双向d c d c 变换器并不是直接调整负载电压，而是通过调整逆变器的输入电压 来调整负载电压，这使得回馈制动控制起来较为容易。由于是通过调整逆变器 的输入电压来调整负载两端的电压，可以使电机的运行更加平稳，减少了运行 损耗，同时把逆变器上开关应力降到最低点，再生制动时，电动汽车的动能通 过变换经过双向d c d c 变换器回馈到蓄电池，这样不但节约了能源而且还降低 了运行成本。 1 i 5 与燃料电池的配套使用 由于燃料电池原材料使用的是氢气和空气的氧气，因此污染很小。具有环 保、清洁的优点，因此备受亲睐，但是燃料电池在工作之前，必须额外提供电 源使燃料电池首先启动起来。图1 8 为燃料电池电动汽车的电力驱动系统，燃料 电池在启动前，需要由蓄电池经过双向d c d c 变换器来升压，提高母线电压对 燃料电池冷启动，一旦启动完毕后，就会重新由燃料电池提供能量或者有其它 v i 图1 8 直接驱动直流电机的双向d c d c 变换器 j 救= ； | j 姆z = j 锚= c 5 ： c o u t = = 兰 1 j 嘏= _ - c 6 l v o 图1 9 燃料电池和蓄电池配套使用的双向d c d c 变换器 方式提供的能量经过双向d c d c 变换器对蓄电池进行充电 3 4 , 3 5 , 3 7 】。图1 , 9 就是 一个燃料电池和蓄电池配套使用的双向d c d c 变换器拓扑结构。首先由蓄电池 v i n 经双向d c d c 变换器升压启动燃料电池，启动完毕后再由燃料电池或其它 方式通过双向d c d c 变换器对蓄电池进行充电。当然整个变换过程相当复杂， 还需要一定的控制手段来实现。 1 , 1 6 直流功率放大器 直流功率放大器也是双向d c d c 变换器运用的一个重要领域，当然也可以 使用单向d c d c 交换器来代替双向d c f d c 交换器。由于双向d c d c 变换器在 其输出端即可以输出能量也可以吸收能量，这种优点相对于单向d c d c 变换器 来说，使用双向d c d c 变换器的功率放大器具有更为快速的动态响应。总之使 用双向d c d c 变换器功率放大器具有更宽的频响，更高的效率。 1 1 7 蓄电池的储能系统 双向d c d c 变换器在储能系统中使用，加入滤波网络可以改善电网的质 量，保证电网的正常供电，对电网峰值调节，提高电网效率都起到一定的作用。 1 2 双向d c d c 变换器的原理 我们对单向d c d c 变换器比较熟悉，但是有时候需要能量能够即能够流 进，也希望能量能够在需要的情况下流出。当然通过把两个单向d c d c 变换器 反向并联起来也能够实现能量的双向流动。这样做起来一方面主电路较为复杂、 所需元器件较多。另一方面电路控制实现起来也较为不易。因此完全可以通过 一定的变换手段把两个变换器的功能由一个变换器来完成。也就是使用双向 d c d c 变换器来完成两个单向d c d c 变换器的功能。图1 1 0 为单向d c d c 变 换器的结构，图1 1 l 为双向d c d c 变换器的结构。从这个两个结构图中，我 能量流动方 能量正向流动方 斗n 鬲而聂 脊 坠u 一尊l 且2 能置反向流动方 向( 1 1 0 ，t 2 l r k2 ，k 为变压器原副边匝比。 虽然在一个开关周期中，开关管m i - m 4 ，寄生电容或并联电容c 1 - - 4 和体二 极管d l d 4 ，在接个工作过程中各不相同，但是原理上正半周期和负半周期完 全对称，因此在分析时，只把正半周期作为分析对象，一个完整的正半周期包 括以下六个过程 3 0 , 3 1j ： 在t o 时刻，m l 和m 4 导通，原边电流咖流经m 1 、变压器原边绕组和m 4 。副 边电流流经副边绕组l s l 、整流管d 5 、输出滤波电感巧、输出滤波电容c ，和 负载兄翻。 ( 1 ) t o t i 阶段 在t o 时刻关断m 1 ，扣从m 1 中转移到c l 和c 2 支路中，给c 1 充电，同时c 2 1 ， h 1 i m 2 抽l 姒m 3斟i 一一 ，一卜 一 卜 一 、 l 卜 i ； - | 。 f f叱i i 彳。卜 i 斛“k inl醋； i t ot t , 2 t 矗 h 图2 5 移相控制全桥z v s - p w m 变换器理想工作波形 被放电。由于有c 2 和c l ，m l 是零电压关断。在这个时段里，d 和巧是通过变压 器串联起来的，而且巧很大，扫近似于一个恒流源。因此c l 的电压线性上升，c 2 的电压线性下降。在t 1 时刻，c 2 的电压下降到零，m 2 的反并二极管d 2 自然导通。 ( 2 ) t 一t ，阶段 d 2 导通后，将m 2 的电压钳在零位。此时开通m 2 ，则m 2 为零电压开通。 ( 3 ) t ，阶段 在t 2 时刻，关断m 4 ，此时原边电流p 给c 3 放电，同时给c 4 充电。i p 开始减 小。副边绕组l s l 的电流同时减小，不足以提供负载电流，这时整流二极管d 6 导 通，副边绕组l s 2 中开始流过电流。由于c 3 和c 4 的存在m 4 是零电压关断。在 t 3 时刻，c 4 的电压上升到f i n ，d 3 自然导通。 ( 4 ) t ，f 。阶段 在t 3 时刻，d 3 自然导通，将m 3 的电鹾钳在零位，此时就可以开通m 3 ，m 3 是零 电压开通。由于副边两个整流管同时导通，因此变压器副边电压为零，原边电压 也为零，电源电压v i n j 口在漏感两端，原边电流线性下降。在t 4 时刻，驴下降到 零，d 2 和d 3 自然关断，抛和m 3 中将流过电流。 ( 5 ) t 。一t ，阶段 在t 4 时刻，电感中的电流驴由正值过零，并且向负方向增加，流经m 2 和m 3 。 电感中的电流扫由于仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两个整流管提供回 路因此副边电压仍然为零，加在漏感两端电压是电源v i n ，电感中的电流咖线性 下降。到t 5 时刻，p 下降到折算到原边的负载电流f 。( t 5 ) k ，该开关模态结 束。此时，整流管d 5 关断，d 6 流过全部负载电流。 ( 6 ) t ，t 。阶段 在这段时间里，电源给负载供电。在t 6 时刻，m 2 关断，开始另一个半周，其工 作情况类似于上述的半个周期。 2 1 3 超前臂和滞后臂实现零电压的方法 由移相全桥电路的分析过程可以知道，无论是超前臂还是滞后臂，由于功 率开关管上所并联的电容或寄生电容的存在，当开关管关断时，电容两端的电 压不能突变，只能从零慢慢升高。因此各开关管无需附加任何电路，就可以实 现零电压关断。但是要实现开关管的零电压开通，就要求有足够的能量来： ( 1 ) 抽走将要开通的开关管结电容( 或并联电容) 中的电荷： ( 2 ) 给同一桥臂上的另一结电容( 或并联电容) 充电； ( 3 ) 考虑到变压器原边绕组上的电容，还要有部分能量来抽走变压器原边绕 组中寄生电容电荷。 即该能量必须满足下式： e 寺c i 町+ i il 。u ，2 + = i 乙 u 2 = c , u ? + i i 乙p u ，2 ( i = i c a d ，l a g ) ( 2 1 ) 上二 二二 要实现开关管的零电压开通，必须满足两个条件： ( 1 ) 谐振电路本身的参数与状态应保证能通过谐振使导通管的结电容完全 放电； ( 2 ) 驱动信号必须在导通管的结电容完全放电后给出，即同一桥臂的开关管 的关断导通的时间间隔必须要大于电容的充放电时间【2 6 】 对于超前臂来说，比较容易实现开关管的零电压开通。在超前臂开关管开 通时，谐振电感上是由变压器漏感和反射到原边的输出滤波电感n 2 构成，由 于通常反射到原边的输出滤波电感r 1 2 很大，电感储能很容易使电容c l 、c 2 完 成充放电转换，在超前臂开关过程中，其电流近似不变，类似于一个恒流源， 这样只要使超前桥臂的导通与关断信号的时间间隔： 。榭半( i o 为负载 ( 2 2 ) 其零电压开通的条件就可得到满足。 而对于滞后臂而言，要实现开关管的零电压开通就比较困难了。在滞后臂 关断后形成的谐振回路中，由于二极管d 5 和d 6 的同时导通，加在变压器副边 两端的电压为零。相当于变压器原、副边绕组短路，谐振电感l 只为变压器漏 感厶，谐振时由变压器漏感释放能量，使开关管m 3 、m 4 的结电容( 或并联电 容) 完成充放电的状态转换。当相应的电容电压谐振下降到零时，相应的开关 管实现零电压开通。为了实现开关管的零电压开通，应该满足条件： 圭。丘 圭c ，啦+ c i 。啦 ( z 。3 ) 但是变压器的漏感一般较小，特别是负载轻时，漏感中的能量不够使c 3 、 c 4 完成充放电转换，滞后臂就不能实现零电压开通。所以说移相全桥零电压p w h l 变换器实现z v s 的关键在于滞后桥臂。实现滞后桥臂z v s 大致有以下几种方法： ( 1 ) 增加谐振电感玎 增加谐振电感量，使滞后臂实现零电压时的谐振电感中的能量变大来实现 在一定范围内滞后桥臂的z v s 。已知一个最小的负载电流，根据这个电流值。 忽略励磁电流，可得到1 2 的最小电流值，再利用式2 2 可以计算出所需的最小 谐振电感。但这会使副边占空比丢失的情况更加严重。 ( 2 ) 采用辅助网络增强滞后桥臂实现z v s 的能力。 在滞后桥臂实现零电压开关的过程中，根据电流增强原理，由辅助网络和 谐振电感同对给开关管的并联电容充放电，在各种工作状态下使之在开关管开 通之前能抽完并联于该开关管的电容中的能量。这样可以减小所需的谐振电感， 因此可减小副边占空比的丢失。这种改善的拓扑仍然采用z v s 控制方式。 ( 3 ) 采用饱和电感的办法 就是将谐振电感改为饱和电感。理想的饱和电感，当其上通过电流小于i c ( i c 称为临界饱和电流) 时，其电感量为一恒定值l s o ，储能正比与通过电流的 平方；当其上通过电流大于i c 时，其电感量将接近于零，储能维持恒定不变。 这样就可根据最小负载电流设计饱和电感的饱和电流和饱和电感值。而当原边 电流从个方向转向另一个方向时，该饱和电感只在电流小于i c 段起作用，其 余部分电感为零，电流直线变化，因而可大大减小占空比的丢失。( 6 ，”1 2 1 4 副边占空比的分析 在p s z v s p w m 交换器中，副边占空比d s 小于原边占空比珥，其差值就是 副边所丢失的占空比d ：。g ，即d i = d ，d s 。副边占空比丢失的原因是：原边电 流i 。从正向( 或负向) 变化到负向( 或正向) 负载电流的时间，即图2 5 中的 t 2 ，t s 寿n t 8 。t 1 0 时段。在此时段里，虽然原边有正电压方波( 或负电压方波) ，但原边不足以 提供负载电流，副边整流桥的所有二极管导通，负载处于续流状态，其两端电压为 零。这样副边就丢失了t ，f ，和t 。“o 这部分电压方波。在图2 5 中，阴影部分就 是副边丢失的电压方波，这部分时间与l ，2 开关周期的比值就是副边所丢失的占 空比d z ，即 眈。：生：丝坠二尘塑塑 7 2 u 。b ( 2 4 ) 从上式可以知道：l r 越大，| d 越大；负载越大，d 。越大；越低， d 。越大。d 。的产生使d s 减小，为了得到所要求的输出电压，必须减小原边 与副边的匝比。而匝比的减小又会带来以下两个问题： ( 1 ) 原边的电流增加，开关管的电流峰值亦增加，通态损耗随之增大： ( 2 ) 副边整流桥的耐压值增加。为了减小d ：。，提高d s ，可采用将漏感改为 饱和电感的办法，但这样仍然会有占空比的丢失。 2 2 推挽式d c d cb o o s t 变换器的工作原理 2 2 1 推挽式变换器的工作原理 推挽式变换器在结构上可以看作是两个正激式变换器的电路组合而成，只 是这两个变换器在工作过程中的相位相反。在一个完整的周期中交替把能量传 v i i t 一￥ m 1l f l1 i fc 1门 图2 6 推挽式变换器原理图 递给负载，所以称作是推挽式电路。推挽式变换器是属于一个直流一交流一直流 型变换器。该变换器首先把低压直流电转换为高压交流电，再通过整流、滤波 电路把高压交流电转换为高压直流电。整个电路是由推挽逆变器、高压整流、 高压滤波电路组成。由于直一交变换器提高了工作频率，故变压器和输出滤波器 的体积均可以减小。推挽式电路的输出燕流电路一般有两种基本类型：全波整 流电路和桥式整流电路，在全波整流电路中，虽然所使用的整流器件较少，但 是变压器需要中心抽头，变压器制作起来比较困难：而在桥式整流电路中，由 于输出电压由两个二极管同时承担，因此适合应用于输出电压较高的场合，这 样可以降低每个整流管的电压定额值。推挽变换器原理如图2 6 所示，其功率管 m l 、m 2 电压波形如图2 7 所示。从图2 7 可以看出，开关管在其导通期间所承受 的电压为零，在其关断的瞬间，由于在较短时间内变压器漏感中的电流将会从 最大值减少到零，这样以来将会在漏感两端产生较高的电压峰值，这个电压峰 2 l n 静 一 日 值将会直接加在关断的开关管两端，在个开关管导通时，由于变压器绕组的 感应，将会在另一个开关管上感应出两倍的输入电压。具体分析如下： v v c e - 2 图2 7 推挽式变换器开关的驱动电压波形和开关所承受的电压波形 当m 1 导通时，加在高频变压器原边绕组n p 2 的电压上正下负。通过m 1 的电压 降为，。月。( 月。为功率管通态电阻) ，此时，加在变压器原边下半部分的方 波电压为：一i o s r 珊，在一个周期中持续时间为瓦。设，= n ，：= n ，整 流二极管的正向压降为( 一般快恢复二极管的正向压降为l v ，肖特基二极管 的正向压降为0 5 v ) ，则输出直流电压： v o = 【( 一l d s r o s ) ( n s m ) 一2 】= 导 ( 2 5 ) 由于l 。s r d s 和都比较小，可以忽略，因此有 = 等笋 ( 2 e ) 设，。表示输入电流平均值，j 。表示输出电流平均值。当忽略电路损耗时， 根据能量相等的原则，有 铲訾 汜， 忽略开关管的导通压降。由于原边两个绕组匝数相等，则功率管承受的最大电压值为： = 2 吒 ( 2 8 ) 设电感l 上电流变化量为出。= ：一j 。当二极管导通时，流过整流二极管管 的电流最大值为： ( 。言一一v o ) 乙 ，m = ，= 。二 一 ( 2 9 ) 当功率管刚截止时，四个二极管同时起到续流的作用，假设其特性一致。 励磁电流形成的反向电压忽略不计，则流过每个二极管的电流最大值为流过储 能电感电流最大值的一半，即为：，n w = 0 5 1 2 ，二极管承受的最大反向电压 2 等 2 2 2 推挽式d c d cb o o s t 变换器 ( 2 1 0 ) 推挽式b o o s td c d c 变换电路如图2 8 所示。前面一级升压电路可以看作 是一个b o o s t 升压电路，通过调整开关管m 1 占空比来调节变压器原方输入电压。 后面一级可以看作是一个推挽式变换电路，第二级升压也可以看作是由两个正 激式变换器来实现的，该变换器是由个具有中心抽头的变压器和两只开关管 m 2 、m 3 以及两只二极管d 2 、d 3 构成。并且m i 、m 2 、m 3 的发射极直接连接电源 一 i d 4d 6 j l 1 ，p c 8 一阿一 = i 木 t江皿l 毛3 。点 一 i d 5d 7 2、z d 3 、l一171t1 午 一 图2 8 推挽式d c d c b o o s t 变换器 负极，因此该变换器的驱动电路继承了一般推挽式驱动电路的优点：基极驱动 十分方便、简单，不需要进行电气隔离就可阻直接驱动。”“”1 该拓扑结构具有 结构紧凑、驱动电路简单以及升压效果明显等优点。在升压变换时，其具体的 工作过程如下： 升压时，c p u 封锁高压侧i g b t 的驱动信号。m l 和l 1 构成的b o o s t 电路将 电源电压初次升高到一定的电压值左右，m 2 和m 3 的驱动信号的占空比均为5 0 ，构成的推挽电路将升高后的直流电压变成交流电压，通过高频变压器传送 到副方，并将电压进一步升高，利用与i g b t 反并联的二极管进行整流，将2 4 v 电压升至2 7 0 v 在任一时刻，电流仅仅流过一个器件，这大大降低了变换器的通 态损耗，同时提高了变换器的效率、缩小了变换器的体积。 在具体分析之前，假设所有的开关器件和整流二极管器件均为理想元件， 变压器为理想变压器，电感l 1 足够大，能够保证流过它的电流的连续，无极性 电容c 2 是为了防止直流偏磁的。开关管m 、m 2 和m 3 的驱动脉冲信号，以及开 关管所承受的电压波形、电感l i 中的电流波形如图2 9 所示。p 刮 矿剐2 矿删3 矿跚l i 1 1 l 2 矿州3 j ii i 一 一 l iii 厂厂广 卜o | 毒t 专，卜： i llil 厂1 厂 i ；i 广： 广1 ：广 广r 一1 i： ； i ii 一 图2 9 升压变换时的开关管上电压波形、电感中的电流波形和变压器副方电压波形 ( 1 ) t 。t 阶段 “时刻，m l 导通，低压侧直流电压为u 、加在l 1 两端，电感中的电流线性 增长。此期间电源对电感充电储存能量，为了能够保证电流的连续性，要求电 感l 1 要足够大。这期间虽然开关管m 2 有触发信号，但开关管m l 的导通对m 2 回路形成短路，加在变压器原方电压为零，变压器副方输出电压亦为零。 ( 2 ) ，l ，阶段 f 时刻，m 1 关断，m 2 承受正向电压导通，l 1 中的电流将通过开关管m 2 流 经变压器，此时变换器对负载供电，l l 中的电流线性下降。 ( 3 ) t ，t ，阶段 t ：时刻，m 1 再次导通，工作过程同t 。t 阶段。 ( 4 ) ，。阶段 时刻，m l 关断，m 3 承受正向电压导通，l 1 中的电流将通过开关管m 3 流 经变压器，此时变换器对负载供电，l l 中的电流线性下降。 推挽式d c d cb o o s t 虽然继承了一般式推挽电路的优点，但是并没有完全 克服推挽电路的缺点，开关管需要承受两倍的线性峰值电压，再加上变压器漏 感的影响，可能会引起更高的电压峰值，这就要求开关管能够承受更高的峰值 电压，因此该变换器装置仅适合输出电压较低的场合。 2 3 双向d c d c 变换器中变压器的偏磁问题 偏磁是指变压器的磁芯的工作磁滞回线中心偏离了坐标原点，正反脉冲过 程中磁工作状态不对称的现象。【8 1 2 3 1 全桥d c i ) c 变换器偏磁产生的原因以及危害 在全桥功率变换电路中，开关管m 1 和m 4 在工作周期的前半部分导通，丌关 管m 2 5 n 3 在工作周期的后半部分导通，假如它们的饱和压降相等，导通宽度也 样，开关管的参数完全一致，电路就会工作在平衡点。当电路工作在平衡状 态下，在正半周期和负半