（电力电子与电力传动专业论文）双管正激变换器组合研究.pdf

壹塞堕窒堕蒌查堂堡主堂篁笙苎 a b s t r a c t t h e g o a l o ft h i s p a p e ri s ，b ys e r i a l p a r a l l e l c o m b i n a t i o n t e c h n i q u e o ft w o t r a n s i s t o s f o r w a r d c o n v e r t e r s ( t t f c s ) ，t ok e e p t h em e r i t so ft h e t t f c ，a n d t oo v e r c o m et h e s h o r t a g e s o fi t t h e i n t e r l e a v i n gt e c h n i q u e i s a d o p t e d ，w h i l e i n c o m b i n i n gt t f c s t h e i n t e r l e a v i n gt e c h n i q u el o w e r s t h en e t r i p p l ea m p l i t u d ea n d r a i s e st h ee f f e c t i v e r i p p l e f r e q u e n c yo f t h eo v e r a l lc o n v e r t e rw i t h o u ti n c r e a s i n gs w i t c h i n gl o s s e so rd e v i c es t r e s s e s ah o v e lp a r a l l e l s e r i a lt y p ec t t f c ( c o m b i n e dt w o t r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r ) w i t h c o u p l e di n d u c t o ri sp r e s e n ti nt h i sp a p e r , a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h r e ep a r a l l e l s e r i a lt y p e c t t f c si ss t u d i e da n dc o m p a r e d t h ep e r f o r m a n c eo fc t t f cw i t hc o u p l e di n d u c t o ri s s i m i l a rt ot h eo t h e rt w oc t t f c sw h i l ec o u p l i n gt o e f f i c i e n ti sl e s st h a no n ea n dt h e c o n v e n e r w o r k i n gc c m ( c o n t i n u o u s c u r r e n t m o d e ) ，a n di n p u t t o - o u t p u tv o l t a g eg a i n i n c r e a s eo n et i m e sw h i l ec o u p l i n gt o e f f i c i e n ti so n e t h r e e p a r a l l e l p a r a l l e lt y p e c t t f c si ss t u d i e da n d c o m p a r e d i nt h i s p a p e r t h e p e r f o r m a n c eo ft h ec t t f cw i t h c o u p l e d i n d u c t o ri ss i m i l a rt ot h a tw i t h s h a r i n g f r e e w h e e l i n gd i o d ew h i l ec o u p l i n gc o e f f i c i e n ti so n e ，a n ds i m i l a r t ot h a tw i t hs h a r i n go u t p u t c a p c i t o rw h i l ec o u p l i n gc o e f f i c i e n ti sl e s st h a no n ea n dt h ec o n v e r t e rw o r k i n gc c m t or e d u c e v o l t a g es t r e s so f t r a n s f o r m e rs e c o n d l yd i o d e s ，an o v e lp a r a l l e l - p a r a l l e l s e r i a lt y p e c t t f ci sp r e s n t i th a sm a n ya t t r a c t i v ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sl o wc u r r e n ts t r e s so f p o w e r s w i t c h e s ，s m a l li n t p u ta n do u t p u tf i l t e rs i z e ，h i g hr e l i a b i l i t y , a n ds h a r i n g o u t p u tv o l t a g e t or e d u c ev o l t a g es t r e s so f p o w e rs w i t c h e s ，as e r i e s p a r a l l e lt y p ec t t f c i ss t u d i e di nt h i s p a p e r v o l t a g e - s h a r i n g o f i n p u tc a p a c i t o r s c a nb er e a l i z e d n a t u r a l l y i nd i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o nm o d e ，a n d v o l t a g e s h a r i n go f i n p u tc a p a c i t o r sc a na l s ob er e a l i z e dn a t u r a l l yi n c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e t h ev o l t a g es t r e s so f p o w e rs w i t c h e si so n l yh a l fo f t h ei n p u t v o l t a g e ，s op o w e rm o s f e t c a nb eu s e di nh i g h i n p u tv o l t a g ea p p l i c a t i o n s as e r i e s s e r i e st y p ec t t f cw i t hs h a r i n gf r e e w h e e l i n gd i o d ei s s t u d i e d i t sp e r f o r m a n c eo f v o l t a g e 。s h a r i n g o fi n p u t c a p a c i t o r s i ss i m i l a rt ot h a to ft h ea b o v e s e r i e s p a r a l l e l t y p e c t t f c 双管正激变换器组合研究 i no r d e rt oi n c r e a s et h eu t i l i z a t i o no ft r a n s f o r m e rc o r ea n dr e d u c et h en u m b e ro f t r a n s f o r m e r s ，t h et w o t r a n s i s t e o ri n t e g r a t e d m a g n e t i c sf o r w a r dc o n v e n e ri ss t u d i e di nt h i s p a p e n t h ep h e n o m e n aa b o u tm a g n e t i cd e v i a t i o nd u et oa s y n c h r o n i s mo fd u t yc y c l ea n d o t h e rp a r a m e t e r si sa n a l y e d ，a n dt h ec o n v e r t e rw o r k sn o r m a l l ya l t h o u g ht h e r ei s m a g n e t i c d e v i a t i o n t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f c i r c l i n g c u r r e n ti sa n a l y e d ，a n dai m p r o v i n gc i r c u i ti s p r e s e n tt od e c r e a s et h ec i r c l i n gc u r r e n t t or e d u c e v o l t a g e s t r e s so fp o w e rs w i t c hi nt h e f l y b a c k f o r w a r dc o n v e r t e g an o v e l t w o t r a n s i s t e rf l y b a c k f o r w a r dc o n v e r t e ri sp r e s e n ti nt h i sp a p e r b ya d j u s t i n gt h et u r n sr a t i o o ff o r w a r da n df l y b a c kt r a n s f o r m e rw ec a nd i s t r i b u t et h ed e l i v e r i n gp o w e r o ff o r w a r da n d f l y b a c kt r a n s f o r m e r k e y w o r d s ：t w o t r a n s i s t e rf o r w a r d c o n v e r t e r ；p a r a l l e l s e r i e s t y p e c o m b i n e d c o n v e r t e r ；i n t e g r a t e dm a g n e t i c s ；i n t e r l e a v i n g ； f l y b a c k f o r w a r dc o n v e r t e r ；s t a t i ca n di n v e r t e r 南京航空航天大学博士学位论文 承诺书 本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。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， 也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学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承诺书) 作者签名：石勺乙脖日期： 哆年石月护v 1 童室堕至堕垂查堂堡主兰垡笙苎一 第1 章绪论 1 1 航空静止交流器u 1 飞机电源系统是飞机上电能产生、调节、控制和电能变换部分的总称。它是现代 飞机的一个重要组成部分，其作用是为飞机的用电设备提供电能。随着现代科技及航 空工业的发展，各种机载电子设备性能不断提高，对飞机电源系统的供电质量和可靠 性提出了更高的要求。飞机供电系统已日益成为影响航空技术发展的重要因素。这些 都促使飞机供电系统不断向大容量、高供电质量、高可靠性、高效率、易维修性等方 向发展。 多电和全电飞机是未来飞机发展的趋势，飞机高压直流供电系统的发展为飞机二 次能源的统一创造了条件，促进了多电和全电飞机发展。高压直流电源的主电源由高 压无刷直流发电机及其控制器构成，它易于并联，易于实现不中断供电和余度供电， 且具有重量轻、效率高的优点。航空发动机直接传动无刷交流发电机输出变频交流电， 该交流电经整流得到直流电，并经过两条汇流条向用电设备供电，其中一条直接提供 2 7 0 v 的高压直流电，另一条经过逆变器变换后提供1 1 5 v 恒频交流电。在美国第四代 战斗机f 2 2 上使用了类似的2 7 0 v 高压直流电和1 1 5 v 4 0 0 h z 恒频交流电的混合电源。 最新和即将装备的飞机航空静止变流器主要有如下四类：( 1 ) 输入2 7 0 v d c 一输 出5 0 h z 2 2 0 v a c 单相：( 2 ) 输入2 7 0 v d c - - 输出4 0 0 h z 1 1 5 2 0 0 v a c 单相三相；( 3 ) 输入v f a c ( v a r i a b l e f r e q u e n c y a l t e r n a t i v ec u r r e n t ) i1 5 2 0 0 v a c 一输出 4 0 0 h z 1 1 5 2 0 0 v a c 单相三相；( 4 ) 输入v f a c 1 1 5 2 0 0 v a c 一输出5 0 h z 2 2 0 v a c 单相。 1 2 航空静止变流器的基本技术要求及其基本架构n 。4 3 航空静止变流器的基本技术要求有两类：使用要求和电能质量要求“1 。使用要求 有：体积小，重量轻，使用维护方便，工作可靠，价格便宜。电能质量要求有：输出 频率稳定，输出电压稳定，负载突变时电压恢复快，输出正弦波形失真度小，效率高， 对设备电磁干扰小。 根据不同的输入输出电气要求，静止变流器框架结构一般有三类： ( 1 ) d c a c 架构直接把输入直流电逆变成要求频率和幅值的交流电，通常输 出端加输出变压器，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值。 ( 2 ) d c d c - - d c a c 架构前级d c d c 将输入直流电变换到后级逆变器所要求的 输入电压值，同时实现输入输出端电气隔离。d c a c 再将直流电逆变成所需的交流电。 ( 3 ) a c d c - - d c d c - - d c a c 架构通常将变频的交流电转变成直流电，然后将 直流电压变换为适合于逆变器输入要求的值，再转变为频率固定的交流电。a c d c 一 般由不控整流加无源滤波器构成，也有采用有源p f c ( f o w e rf a c t e rc o r r e c t i o n n ) 形 式。d c d c - - d c a c 的功能与前面一致。 第1 章绪论 1 3 静止变流器方案比较“1 采用单级d c a c 需在输出端加一工频( 或4 0 0 h z ) 变压器来调整电压比和实现电 气隔离。虽然该技术比较成熟、性能可靠，但有许多不足之处”1 ：工频变压器体积大、 笨重，工频变压和输出滤波电感会产生音频噪声，对于输入电压及负载的波动，系统 动态响应特性差。因此未来的航空静止变流器不宜采用此方案。 d c d c - - d c a c 变流器架构，可将输入2 7 0 v d c 变换到逆变器要求的输入电压，如 后级逆变器采用三相半桥结构，为了得到1 1 5 2 0 0 v a c 输出交流电，逆变器的输入电 压一般为3 6 0 v d c 。同时，d c d c 实现了变流器输入输出端的电气隔离。d c d c 一般采 用隔离式的正激、反激、或全桥等电路拓扑，工作频率都在2 0 k h z ( 超音频) 以上，效 率高，输出电压稳定，改善了逆变器工作环境，有利于减小逆变器输入输出滤波器体 积和重量。d c d c 与d c a c 可独立设计，可靠性高，系统容易实现。由于此交流器架 构无需输出工频变压器作电气隔离，当逆变器采用三相半桥或三相四桥臂( 输出三相 交流) 时，系统磁芯元件体积小、功率密度高。 对于输入为某一固定频率或频率变化的交流电，变流器构架一般有两种：a c d c d c a c 架构或a c d c d c d c d c a c 架构。前一种方案跟输入为直流、采用单级 d c a c 类似，变流器输出端要加输出变压器来实现电气隔离和输出电压变比调整； a c d c 一般由不控仝桥整流器和滤波器构成：因此该变流器体积大、重量也大。a c d c d c d c d c a c 变流器中的a c d c 环节一股也采用不控全桥整流器和滤波器构成， d c d c - - d c a c 环节的功能跟直流输入时的情况类似，因此该变流器体积小、重量轻、 功率密度高。 1 4 逆变器 d c a c 逆变器是将直流电转换为交流电的电力电子变换器，按输出相数分，有单 相和三帽两种。按电路拓扑来分有推挽、半桥、桥式等数种。单相逆变器主要有半桥 和余桥两种，全桥逆变器输入直流电压利用率高，用于输出电压较高的场合，而半桥 逆变器则相反，直流输入电压利用率较低。 三相桥式逆变器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线电压。为了得 到三相四线制的输出电压，必须在输出端增加中点形成变压器“1 ( n e u t r a lf o r m e d t r a n s f o r m e r ，n f t ) ，如图1 1 所示。由于n f t 一般是变比为1 的自耦变压器，工作频 率为逆变器输出交流频率，体积和重量很大，使逆变器的体积和重量显著增加。“”1 。 借助于电容分压形成中点的三相半桥逆变器，如图1 2 所示，也有结构简单，功 率器件较少等特点。避免使用中点变压器，减小了逆变器体积和重量。但是直流母线 输入电压利用率低，输出相电压的峰值晟高只有直流母线电压的一半。 三粕四桥臂逆变器“，如图1 3 所示，是在三相桥式逆变器的基础上增加一个 桥臂，浚桥臂的作用是形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的刁i 对称度。虽然 南京航空航天大学博士学位论文 该逆变器的控制比较复杂，但因省去了中点形成变压器，减小了逆变器的体积和重量， 是目前研究的一个热点。 图1 i 带n f t 的- - = + e i 逆变器 a b c n 图1 2 三相半桥逆变器 图1 3 四桥臂三相逆变器 a b c n 图1 4 组合式三相逆变器 a b c n 第l 章绪论 组合式三相逆变器“1 1 ”1 ，如图1 4 所示，由三个单相逆变器组合而成，每相逆变 器相互独立，只要控制三相基准正弦波互差1 2 0 。，将三台输出的地连在一起作为中线， 就可以实现三相四线制的输出。三相组合式逆变器实现简单，根据使用需要，可同时 输出单相和三相。 1 5 双管正激变换器的研究现状2 - 3 们 正激变换器的输出功率不像反激变换器那样受变压器储能的限制，输出功率较反 激变换器大，但是正激变换器的开关管电压应力高，为输入电压的两倍，有时甚至更 高，成为限制正激变换器应用范围的主要关键因素之一。为了降低开关管的电压应力， 提出了双管正激变换器，如图1 5 所示。同单管正激变换器相比，双管正激变换器在 变压器的原边增加了一个开关管，并增加两个二极管，一方面起着箝位的作用，将开 关管电压箝位在输入电压，另一方面为变压器的去磁电流提供通路。 图1 5 双管正激变换器 v o 双管正激变换器克服了正激变换器中开关管电压应力高的缺点，不需要采用特殊 的复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位，而旦更重要的是，与全桥变换器或半桥 变换器比较，它的每一个桥臂都是由一个二极管和一个开关管串联组成，从结构上消 除了桥臂直通现象，可靠性高。因此双管正激变换器在工业界得到了广泛的应用，特 别适合输出中等功率、输入电压较高的应用场合。 但是双管正激变换器自身也有一些缺点。为了保证变换器可靠磁复位，变换器的 工作占空比只能小于0 5 ，因此为了获得更高的输出电压，必须靠提高变压器的变比， 从而使变压器副边二极管电压应力增大，特别是在考虑到副边续流二极管的反向恢复 特性后，这又成为制约副边整流电路设计的主要因素，不适合于高输出电压场合的主 要原因。占空比不大带来的另一问题是变换器输出电压和电流脉动大，需要增大输出 滤波器体积。另外，变压器磁芯单向磁化，降低了变压器磁芯的利用率，增大了变压 器的体积。 为了提高双管正激变换器等效占空比，减小副边二极管电压应力和滤波器体积， 文献【1 3 ，1 5 】讨论了共用输出续流管和输出l c 滤波器的两组双管正激变换器交叉 并联( i n t e r l e a v i n g ) 电路，电路拓扑如图1 6 ( a ) 所示，输出滤波电感电流和副 边整流电压波形如图1 6 ( b ) 所示。该交叉并联电路电感电流连续工作模式时输入 壹室堕窒堕垂查堂竖主兰竺堕塞一 输出电压增益为 堡：2 ”d ( 1 1 ) 2 式中n 为变压器原副边匝比，d 为开关管导通占空比。滤波电感电流脉动频率为开关 频率的二倍，脉动幅值为 肾甥 z ， 式中l 为滤波电感量，五为开关频率。 l i ，oj r i 丫i 、 ! lj 1i 一1 ( a ) 电路拓扑( b ) 滤波电感电流与副边整流电压 图1 6 共用输出续流管的双管正激变换器交叉并联方式 i j 、虬 l i j 1if l 卜= = l l 卜越， i l ： jl ； f i 一! 7 酉 j | ( a ) 变换器电路拓扑( b ) 输出滤波电感电流 图1 7 共用输出滤波容的双管正激变换器交叉并联方式 文献【1 3 ，1 5 】讨论了共用输出滤波电容的两组双管正激变换器交叉并联方式， 电路拓扑如图1 7 ( a ) 所示，输出滤波电感电流如图1 7 ( b ) 所示。电感电流连续 工作模式，输入输出电压增益与双管正激变换器一致，两输出滤波电感电流的总脉动 为 f c 2 t ( 1 - 丁2 d ) k 一 蔓! 量堕望 一一 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ h - _ _ _ _ 交叉并联电路的输出电流脉动与单个双管正激变换器的输出电流脉动之比为 盟：璺旦( 1 4 ) ，l 1 一d 文献【1 5 提出了一种采用耦合电感的并一并型双管正激组合变换器，电路拓扑 如图1 8 ( a ) 所示，耦合电感线圈电流连续工作时耦合电感电流波形如图1 8 ( b ) 所示。耦合线圈电流连续工作时，组合变换器输入输出电压增益与双管正激变换器一 致，两耦合线圈的总电流脉动 i l 盏( 0 5 - d ) t s ( 1 t5 ) 式中t 。为开关周期，。为耦合电感的互感。文献【1 5 1 仅讨论了耦合系数小于1 的 情况下，耦合系数变化对耦合线圈电流工作模式的影响；未讨论耦合系数为l 的情况 下，并一并型双管正激组合变换器的特性；未揭示该耦合电感型双管正激组合变换器 与图1 5 和1 6 所示两种双管正激组合变换器的关系。 j 沙 卜k ，弋卜， t _ 一一苠一三 i 一 j ( c ) 组合变换器电路拓扑( d ) 耦合电感电流 图1 8 采用耦合电感的并一并型双管正激组合变换器 ( a ) 输出滤波容串联( b ) 副边续流二极管串联 图l ，9 两种并一串型双管正激组合变换器 南京航空航天大学博士学位论文 为了减小双管正激变换器的副边二极管电压应力，文献【1 5 1 讨论了输入端并联、 输出端串联的两种并一串型双管正激组合变换器，如图1 9 所示。电感电流连续模式 工作时，两种并一串型组合变换器的输入输出电压增益均与式( 1 1 ) 一致。 为了进一步降低副边二极管电压应力，文献【1 5 】提出了一种改进的复合型双管 正激组合变换器，如图1 1 0 所示，两组开关管控制脉冲移相1 8 0 ”。电感电流连续模 式工作时，组合变换器输入输出电压增益为 堡：4 ”d 矿 0 ( 1 6 ) 图1 1 0 改进的复合型双管正激组合变换器 为了减小原边开关管电压应力，文献【1 5 讨论了输入端串联、输出端并联的串 一并型双管正激组合变换器，如图1 1 l 所示。详细分析了影响输入电容均压的因素， 采用均压控制环来实现输入电容均压。 图1 1 1 串一并型双管正激组合变换器图1 1 2 串一串型双管正激组合变换器 为了同时减小原边开关管和副边二极管电压应力，文献【1 5 】简要讨论了输入、 输出均为串联方式的串一串型双管正激组合变换器，如图1 1 2 所示。其输入电容均 压也须采用均压控制环来实现。 文献【1 5 提出了一种带倍流器的双管正激组合变换器，如图1 1 3 所示，通过 采用移相控制，使变压器磁芯双向磁化，提高了变压器磁- h -u 用率，从而减小了变 第l 章绪论 压器的体积。文献【1 5 】还提出了副边为全桥整流的双管正激组合变换器，如图1 1 4 所示，同样采用移相控制，使变压器磁芯双向磁化，提高了磁芯的利用率。但以上两 种组合变换器存在同样的缺陷：由于变压器漏感的存在、两变压器匝比的不一致以及 开关管导通压降的不一致，使得变压器磁芯不能做到双向对称磁化，从而限制了磁芯 的利用率。 图1 1 3 倍流整流的组合变换器图1 1 4 全桥整流的组合变换器 文献【1 2 】采用双管正激组合变换器作为直流环节，研制了三相航空静止变流器， 其中一相构成电路如图l i1 5 所示。 d c d cc o n y 甘t e ri “辨。m a t n g |i n v 钎te r ：t ：l r c u l l ： 图1 ，1 5 正激直流环节逆变器电路构成图 文献【3 2 】提出一种输入端串联、输出端全波整流的双管正激组合变换器，如图 1 1 6 所示，高频变压器采用两个原边、两个副边的结构，通过控制两原边的辅助开 关管s a l 和s a 2 实现主开关管的零电压开关，主开关的电压应力为输入电压的一半。 图1 1 6 输入端串联的双管正激组合变换器 南京航空航天大学博士学位论文 文献 3 3 1 中提出了一种将两组双管正激变换器串联的电路，变换器的高频变压 器采用两个原边、一个副边的结构，通过在两个变压器原边串入一个耦合的谐振电感， 从而可以实现零电压开关，变换器采用移相控制，使高频变压器的磁芯双向磁化，提 高了变压器的利用率。 文献【3 7 】中提出了原边交错并联的双管正激组合变换器和交错串联的双管正激 组合变换器，在这两种组合变换器中，两组双管正激变换器的控制脉冲移相1 8 0 0 ，并 且只用一个变压器，两个双管正激变换器分别对变压器进行正、反向激磁提高了变 压器的利用率。 文献【3 8 】中提出了一种双管正激组合变换器，采用有限双极性控制，利用变压 器副边漏感、开关管结电容，以及采用耦合输出滤波电感，实现开关管零电压零电流 歼关( z v z c s ) ，而无需另外用于实现软开关的谐振电路。 文献【1 5 】提出了一种原边并联的双管正激组合变换器的零电压转换( z v t ) 电 i i ! 符该电路利用组合变换器交错工作的特点，采用套辅助开关电路实现组合变换器 扣两组双管正激变换器的主开关管零电压开通和关断；辅助开关零电流关断，但辅助 丌关容性开通。该电路的缺点是控制复杂、电路分布参数影响软开关效果。 文献【1 8 】提出了一种z v t 双管正激变换器，如图1 1 7 所示通过在变压器原 边增加辅助电路，实现开关管的零电压关断。其工作原理为：当开关管q 1 和q 2 导通 时，谐振电容c l 、c 2 和谐振电感l 2 通过q 1 - c 2 一d 5 - l 1 一d 4 一c 1 一q 2 一输入电源回路谐振， 渚振结束时c 1 和c 2 的电压均保持为输入电压，且c 1 的电压极性为左正右负、c 2 的 电压极性为左负右正：当开关管q 1 和q 2 截止时，变压器磁化电流先通过变压器原边 c 1 i ) 3 一输入电源一d 6 一c 2 回路去磁，同时对c 1 和c 2 放电，由于c 1 和c 2 的容量比开 关管q 1 和q 2 的结电容大得多、且放电前保持为输入电压，故实现了两开关管的零电 压关断；肖谐振电容c i 和c 2 放电至零电压时，原边续流管d 1 和d 2 正偏导通，变压 器磁化电流通过变压器原边一d 卜输入电源一d 2 回路去磁。这利t 变换器的优点是不需要 增加有源开关器件，因此电路简单。但是由于开关管导通时，谐振电流要从开关管流 通，囡而增加了开关管电流应力，而且开关管为硬开通。 0 7 厂卜t 一r o s fc o ：l v o 一j上 圈1 1 7 域管 f 激变换器无损吸收电路 图i 1 8 双管正激变换器无损吸收电路 文献【3 l 】提出了另一矛t 一双管正激变换器的无源无损吸收电路，如图1 1 8 所示， 也是通过在变压器原边增加车 b 助电路，实现开关管的零电压关断。其基本工作原理为： 第i 章绪论 当双管正激变换器的两个开关管开通时，谐振电容c i 和谐振电感l 1 通过开关管0 l 及二极管d 3 发生谐振，将谐振电容上的电压极性改变；在开关管关断时，由于谐振 电容比开关管的结电容大得多，限制了开关管电压的上升，从而实现了开关管零电压 关断。这个电路的优点为不需要增加有源开关器件，电路简单，但是由于在开关管开 通时，谐振电流要从上管q 1 流通，因而增加了上管的电流应力，并且开关管为硬开 通。 为了减小开关管的电流应力，文献【1 4 和 2 9 1 提出了一种新型的z v t 双管正 激变换器，如图1 1 9 所示。其特点是谐振回路与主回路完全分开，在谐振网络中增 加了辅助谐振开关，谐振电流不从主开关管中流通，因此不增加主开关管的电流应力。 而且由于增加了专门的谐振开关，变换器的工作灵活性也增加了，可以实现主开关管 的零电压开通，这对于用m o s 作为主开关管的双管正激变换器具有特别的意义，因为 m o s 管的结电容较大、相应容性开通损耗也较大。 t 1 禺f d l - 1 0 1 声d 斗足r v 。l0 8 哿戳! ：i 生。 。i 州 古d 2- l 勺q 2 。，1一 图1 1 9z v t 双管正激变换器 当选用i g b t 作为主开关管时，为了避免主开关管关断时电流拖尾现象造成的开 关损耗，文献【1 4 1 和【3 6 】中提出了零电流开关的双管正激变换器，如图1 2 0 所 示。该变换器在每个开关管旁并联一个谐振回路，如虚框内所示，该回路由专门的谐 振开关控制，在主开关管关断之前开通谐振开关，通过谐振回路的谐振，将主开关电 流转移到谐振回路中，从而实现主开关的零电流关断，谐振开关在谐振电流过零时自 然关断。 o 图1 2 0z c t 双管正激变换器 南京航空航天大学博士学位论文 1 6 本课题的研究意义 双管正激变换器由于开关管电压应力低，且能够从结构上彻底消除桥臂直通的危 险，提高了变换器的可靠性。因此，双管正激变换器具有其它变换器，如全桥、半桥 变换器所无法比拟的高可靠性，成为目前工业界应用最多的拓扑之一。 但是双管正激变换器自身的一些弱点限制了它更广泛的应用范围。为了保证高频 变压器可靠完成磁复位，变换器的导通占空比必须要小于0 5 ，为了获得更高的输出 电压，必须依靠提高变压器的变比，从而使变压器副边整流和续流二极管的电压应力 增高。特别是由于副边续流二极管存在反向恢复过程，在输出电压较高的场合，该续 流二极管的工作环境非常恶劣，限制了双管正激变换器在高输出电压场合的应用。双 管正激变换器的另一个缺点是输出电压和电流脉动变化幅值大、脉动频率低( 与开关 频率相同) ，从而增大输出滤波器体积和重量。双管正激变换器的再一个缺点为，由 于变压器原边续流二极管的存在，高频变压器的铁芯始终工作在磁化曲线的第一象 限，虽然能减小变压器铁芯的磁滞损耗，但是降低了变压器的铁芯利用率，增大了变 乐器体积和重量。 通过对双管正激变换器单元进行串、并联组合，在保留双管正激变换器无桥臂直 通、可靠性高的基础上，提高双管正激组合变换器的等效占空比，提高高频变压器磁 芯利用率，减小输出整流和续流二极管电压应力，进一步降低原边主功率开关管的电 压应力，使组合变换器能够工作在高输入和输出电压，在中、大功率变换领域获得更 广泛的应用，这正是本文进行双管正激变换器串、并联组合研究的初衷。 1 7 本文所做的主要工作 本文通过采用交错组合技术( i n t e r l e a v i n gc o m b i n in gt e c h n i q u e ) ，对双管正 激变换器单元进行串、并联组合，获得双管正激组合变换器，对双管正激组合变换器 的特陛进行了研究，主要做了以下几个方面的工作： l 、第2 章主要研究了耦合电感并一串型双管正激组合变换器和耦合电感并一并 型双管正激组合变换器，并对三种并一串型双管正激组合变换器和并一并型双管正激 组合变换器的特性作了比较。还研究了一种并一并串型双管正激组合变换器，并进 行了仿真和实验。 2 、第3 章研究了串一并型双管正激组合变换器输入电容自然均压的机理，分在 电感电流断续和连续两种工作方式下，详细分析了影响输入电容均压的五个因素，并 进行了仿真和实验。 3 、第4 章主要研究了一种双管e 激磁集成变换器的磁芯偏磁问题，分析了变压 器原边环流产生的机理，提出了一种减小环流的方法，进行了仿真和实验。 4 、第5 章研究了一种双管正一反激组合变换器，分析了正激和反激变压器的传 输功率分配比率与两变压器匝比以及导通占空比的关系，导出了组合变换器最大占空 第l 章绪论 比限制，并进行了仿真和实验验证。 5 、第6 章对三相输入1 1 5 2 0 0 伏4 0 0 赫兹、单相输出2 3 0 伏5 0 赫兹、额定输 出功率6 0 0 0 伏安的单相航空静止变流器各构成环节的输入输出电气指标进行了确 定，对两种三相无源功率因素校正方法进行了仿真和实验比较，对静止变流器实际电 气指标进行了测试。 1 8 参考文献 1 严仰光主编，航空航天器供电系统，北京：航空工业出版社，1 9 9 5 8 2 严仰光、谢少军编，民航飞机供电系统，北京：航空工业出版社，1 9 9 8 1 3 严仰光编，航空电源，南京：南京航空航天大学出版，1 9 9 1 8 4 谢少军，严仰光，未来先进飞机的电源系统，国际航空1 9 9 5 1 5 严仰光，飞机高压直流系统的构成与发展，a p s c 2 0 0 1 ，p p 卜8 6 r z h a n g ，d b o r o y e v i c h ，a n dv h p r a s a d ，“at h r e e p h a s e i n v e r t e r w i t ha n e u t r a ll e gw i t hs p a c ev e c t o rm o d u l a r i o n ，”i np r o c i e e e a p s ec o n f ，1 9 9 7 ， p p ，8 5 7 8 6 3 7 m j r y a n ，r w d ed o n c k e ra n dr d l o r e n z ，“d e c o u p l e dc o n t r o lo f af o u r l e g i n v e r t e rv i aan e w44t r a n s f o r m a t i o nm a t r i x ，”i e e et r a n s p o w e re l e c t r o n v 0 1 1 6 ，s e p 2 0 0 1 ，p p 6 9 4 7 0 1 8 g v e n k a t a r a m a n a n ，d m d i v a n ，t m j a h n s ， “d i s e r e t e p u l s e m o d u l a t i o n s t r a t e g i e s f o r h i g h f r e q u e n c y i n v e r t e r s y s t e m s ，” i e e et r a n s p o w e r e l e c t r o n ，v 0 1 8 ，j u l 1 9 9 3 ，p p 2 7 9 2 8 6 9 y a m a t o ，n t o k u n a g e ，y m a t s u d a ，h a m a n o a n dy s u z u k i ，n e wc o n v e r s i o ns y s t e m f o ru p su s i n gh i g hf r e q u e n c y1 i n k ，i e e ep e s c 8 8 ，p p 6 5 8 6 6 3 1 0 杨宏，阮新波，四桥臂三相逆变器的控制和实现，a p s c 2 0 0 0 ，p p 1 2 6 1 2 9 1 1 陈敏，9 k v a 三相逆变器的研制，南京航空航天大学硕士论文，2 0 0 2 1 2 李启明，正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研制，南京航空航天大学 博士论文，2 0 0 1 1 3 石健将，王慧贞，严仰光，双管正激变换器交叉并联技术的研究分析，a p s c 2 0 0 1 ， 南京航空航天大学，p p 1 3 6 1 4 5 1 4 阮新波，严仰光，直流电源软开关技术，北京：科学出版社，2 0 0 0 1 5 冯翰，双管正激组合变换器的研究，浙江大学博士学位论文，2 0 0 l 1 6 j 丁道宏，电力电子技术，北京：航空工业出版社，1 9 9 2 1 7 张占松，蔡宣三，开关电源的原理和设计，北京：电子工业出版社，1 9 9 8 1 8 盛专成，李广勇，贺怀谦，一种双正激电路的软关断拓扑，电力电子技术，2 0 0 1 年 第三期p p 4 3 4 6 1 9 m i c h a e lt z h a n g ，m i l a nm j o v a n o v i c ，f r e dc y l e e ，a n a l y s i sa n de v a l u a t i o n 1 ， 南京航空航天大学博士学位论文 o f i n t e r l e a v i n gt e c h n i q u e s i nf o r w a r dc o n v e r t e r s ，i e e et r a n s a c t i o no i l p e v o l ，1 3 n o 4 ，j u l y ，1 9 9 8 ，p p 6 9 0 6 9 8 2 0 m i c h a d t z h a n g ，m i l a nm j o v a n o v i c ，f r e dc y l e e ，a n a l y s i s ，d e s i g n ，a n d e v a l u a t i o no ff o r w a r dc o n v e r t e rw i t hd i s t r i b u t e dm a g n e t i c s - - i n t e r l e a v i n g a n dt r a n s f o r m e rp a r a l l e l i n g ，i e e ep e s cr e c ，1 9 9 5 ，p p 3 1 5 - 3 2 1 2 1 g s p i a z z i ，ah i g h - q u a l i t yr e c t i f i e rb a s e do nt h ef o r w a r dt o p o l o g yw i t h s e c o n d a r y s i d er e s o n a n tr e s e t ，i e e e3 1 “a n n u a lp e s c ，2 0 0 0 ，p p 7 8 1 7 8 6 2 2 g a k a r v e l i s ，m d m a n o l a r o u ，p m a l e s t u s ，s n m a n i a s ，a n a l y s i sa n d d e s i g h o fa n o n d i s s i p a t i v ea c t i r ec l a m p f o rf o r w a r d c o n v e r t e r ，i e e e p e s c ，2