（电力系统及其自动化专业论文）电除尘用高频高压开关电源.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t e s pi st h eo n et h a ta p p l yc e m e n t ，e l e c t r i c i t y ，m e t a l l u r g ya d m i n i s t r a t i o nw a s t e g a sa n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm a c h i n e r yo ft h ed u s to ft r a d ee x t e n s i v e l y , i th a s v e r yr e m a r k a b l ee f f e c tt ot h et r e a t m e n to f t h ew a s t eg a sa n dd u s t , w i t ht h ei n c r e a s i n g r e q u e s to f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，e f f i c i e n c ya n de n e r g y - c o n s e r v a t i o no p e r a t en e e dt o b ei m p r o v e d t o d a y sl o w - c o s t ，h i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c o n t r o l l e r sa n dh i g hf r e q u e n c ys w i t c hp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g yp r o v i d ew i d e d e v e l o p m e n ts p a c et oe s e t h i sp a p e ra n a l y s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o na n dt h e e s p sr e q u e s tf o rp o w e rs u p p l y , d e s i g n st h es y s t e ms t r u c t u r eo fh i g hf r e q u e n c y s w i t c h e dm o d ep o w e rs u p p l yf o re s p t h ew h o l es y s t e mi sm a d eu po fm a i nc i r c u i t a n dc o n t r o lc i r c u i t t h em a i nc i r c u i ti n c l u d e sr e c t i f i e rf i l t e rc i r c u i t ，d c - t o - a tc o n v e g e r ， s t e pu pt r a n s f o r m e ra n dh i g hv o l t a g er e c t i f i e rc i r c u i t ，t h ec o r ec o m p o n e n to fm a i n c i r c u i ti sd c t o - d cc o n v e n e r , a n dt h eh i g hf r e q u e n c yp o w e rt r a n s f o r m e rm a d eo fa m o r p h o u s m a t e r i a l sc a l lg r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dm i n i s hi t sv o l u m e sc o m p a g x lw i t ht r a d i t i o n a l f e r r i t em a t e r i a l t h ep h a s e - s h i f i e db r i d g eh a sf o u n dm a n ya p p l i c a t i o n sd u et oi t sd i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c s ；i tp e r m i t s a l l s w i t c h i n gd e v i c e st oo p e r a t eu n d e rz e r o v o l t a g e s w i t c h i n gb yu s i n gc i r c u i tp a r a s i t i cs u c ha sl e a k a g ei n d u c t a n c ea n dp o w e rf e t j u n c t i o nc a p a c i t a n c et oa c h i e v er e s o n a n ts w i t c h i n g t h i sp a p e rt a k e sz v sp w m p h a s e - s h i f t e db r i d g et o p o l o g y ，i t sp o w e rs e m i c o n d u c t o ri si g b tm o d u l e ，a n dt h e p h a s e - s h i f t e dp w ms i g n a li sg e n e r a t e db ye vm o d u l e so f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s e r i a ld s p i n s t e a do f a n a l o gc o n t r o la n dt h ec o n t r o li sm o r ef l e x i b l e t h ec o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e sm a i nc o n t r o lu n i ta n dp w mu n i t i no r d e rt oc a r r y o u tt h ed i g i t a lc o n t r o ls t r a t e g y ，w eu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s e r i a ld i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) o ft ia sc o n t r o l l e r t h i sc o n t r o l l e rs a m p l ei n p u td cv o l t a g e a c v o l t a g ea n dc u r r e u to f t h et r a n s f o r m e r ，t h e nc a l c u l a t ea n dg e n e r a t ep h a s es h i f tp w m s i g n a l 砒r e a lt i m e , i nt h ee n dd r i v em o s f e to f p h a s es h i f tb r i d g eb yd r i v e c i r c u i tt o a c h i e v ec o n t r o lp h a s es h i f t o db r i d g e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ta p p l y i n gt h e p r o p o s e da p p r o a c ht oc o n t r o lt h ec o n v e r t e ra b o v ei sn o to n l yf e a s i b l e ，b u ta l s oc a n i m p l e m e n tt h i sc o n t r o ls t r a t e g yv e r yw e l l k e yw o r d s ：e s p , h i g hf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , p h a s es h i f t e db r i d g e , z v s , d s p 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电除尘器( e s p ) 是利用电力将气体中的粉尘粒子分离出来的一种除尘设备， 是冶金、有色、建材、电力和化工等行业回收有用资源、净化烟气、保护环境的 重要设备。在我国，各类发电厂，燃煤锅炉，碱凹收锅炉，水泥厂，垃圾发电厂， 以及有色冶金工业、钢铁工业等行业，都不可缺少地需要配上电除尘器。它具有 除尘效率高、阻力损失小、耐高温、烟气处理量丈、操作自动化程度高等特点， 应用广泛。 我国是一个燃煤大国，由此引起的环境污染已被人们所广泛重视，烟尘和 s o z 的排放政策也日益严厉。而上个世纪8 0 一9 0 年代投用的电除尘器因为设计时 环保要求不高，设计余地不大，都已经到更新换代的时候。可是大部分电除尘器周 围场地很难扩展，唯_ 最好的办法是通过更换电源来提高电除尘器效率，达到国 家环保的新标准。 目前，e s p 供电方式主要有脉冲供电和直流供电两种。由于传统的工频电源 存在体积大效率低等缺点，而由于近来高频高压开关电源的应用，使得e s p 高 频高压供电方式进入商业化应用成为可能。早在9 0 年代，首批采用高频开关技 术的e s p 供电电源已经在商业化安装使用。由于开关集成电源应用了比常规变 压整流器更高的频率，变压器体积可以大为减少，而其重量的减轻最终可使开 关电源的成本低于常规变压整流器。开关集成电源中的开关技术的应用提高了 电源转换效率。与传统的变压，整流器控制柜及控制器相比，安装一套开关集成 电源已成为现今性能价格比良好的解决方案。在一台新的电除尘器中安装开关 集成电源的安装成本通常也低于常规的变压整流器。由于它的功率因数高，对 配电系统来说是一个很好的负载。它是一个与线路频率无关的可变脉动电源，给 电除尘器提供一个接近从纯直流方式到脉动幅度很大的各种电压波形，当需要 时，开关集成电源也可以工作在脉冲方式和功率控制振打方式。 1 1 高压静电除尘器的工作原理 高压静电除尘器实质上是由两个极性相反的电极组成的，如图1 1 所示： 浙江大学硕士学位论文 ，_ 。 图1 1 高压静电除尘器的工作原理 其中一个是表面曲率很大的线状电极( 通常是负极) ，称电晕极或放电极，另 一个是扳状电极( 通常是正极) ，称集尘极。工作时需在电晕极和集尘极之间施加 直流高电压使电晕极发生电晕放电，在电晕极附近形成电晕区。电晕放电使电晕 区内生成大景的自由电子和正离子，以及由自由电子附着而带负电的气体分子一 负离子。正离子在电场力的作用下向电晕极运动。自由电子和负离子在电场力的 作用下向集尘极移动，充满到两极间的绝大部分空间。当污染气体通过这个电场 空间时，充满在空间的自由电子和负离子将与污染气体中的气溶胶粒子碰撞并附 着在汽溶胶粒子上使之带电，形成带负电的粒子。由于在静电场中作用在荷电粒 子上的电场力比重力大得多( 对于直径l u m 的粒子，电场力比重力约大1 0 0 0 0 倍， 对于直径l o u m y - 的粒子，电场力比重力约大1 0 0 0 倍) 。所以在电场力的作用下， 这些带负电的粒子将被驱往集尘极，放出所带电荷而沉积在集尘极上。当然，由 电晕放电形成的正离子与气溶胶粒子碰撞时也可使之带电，形成带正电的粒子， 沉积在电晕极上。但是由于出现在电晕区内的正离子向电晕极运动的路径极短， 只能与少数气溶胶粒子相遇而使之荷电，所以沉积在电晕极上的粉尘颗粒是不多 的。当沉积在集尘极( 或电晕极) 上的粉尘到一定厚度时，应由清灰装置及时清理， 使粉尘落入灰斗后排出。 浙江大学硕士学位论文 为了提高除尘效率，除研究改进电场本体的结构外，高压电源的供电方式也 是一个很重要的因素m 。 1 2e s p 的供电电源 如前节所述，为了提高电除尘器沉积效率，除研究改进电场本体的结构外， 供电方式也是一个研究热点。根据所掌握的资料来看，e s p 的供电电源主要分为 l c 恒流源，可控硅电源，磁饱和放大器电源和脉冲电源”11 6 1 1 9 l l l o 其中脉冲电 源是比较先进的适合e s p 的颓型电源，而磁饱和放大器电源由于其本身在电源特 性、控制特性和功耗等方面的缺陷，目前已很少使用。l c 恒流电源由于其优异 的电源特性，从8 0 年代中期开始广泛地应用于电除尘( 雾) 器上。下面就这些 电源分别进行介绍。 1 2 1 可控硅电源 1 2 1 。1 可控硅电源的工作原理 图1 2 可控硅电源电路原理 如图1 2 所示，可控硅电源主要是通过两个反向并联的可控硅t i l l 、t t t 2 控 制高压整流变压器一次侧电压，整流变压器将该电压升压后经高压整流硅堆整流 处理得到所要求的直流电压，改变可控硅的触发角来调节高压输出的平均电压。 反馈控制的基本原理是通过反馈信号综合放大与预置值进行比较后控制可控硅 的触发角，达到控制输出电压的目的。其主要功能一是对信号综合处理后确定输 出相位以决定可控硅的导遁角，实现对负载的电压跟踪；二是在火花放电时，封 锁可控硅，从而达到熄弧或闪络封锁的目的。 3 浙江大学硕上学位论文 z i = 7 z p = u i = u 2 ，z 图1 3 电压源供电等效原理 可控硅电源是以电压源供电为基础的，可以用图1 3 来分析它所需要的反馈 特性。由于尘粒和酸雾的比电阻较高，所以它们的浓度增加将使本体对外的等效 阻抗z 增加。 如图1 3 所示，u 为电源电压，可以通过可控硅的导通角来改变，z 为电除尘 器的等效阻抗，i 为电除尘器的供电电流。根据欧姆定律，得到表l 的跟踪特性。 表1电压源供电的负载跟踪特性 另一方面，当电除尘( 雾) 器内部发生火花放电时，则z 为火花通道的等效 阻抗，随着放电的发展z 是下降的，若发展到电弧，只有几个欧姆，但需要不断 注入能量，因此根据图1 3 将得到表2 的结果。 褒2 电压源供电的火花抑制特性 由此可见，用电压源供电时电源的输出功率与尘粒和酸雾浓度的变化成负反 馈，而与火花放电的发展成正反馈，因此可控硅电源的工作基础是反馈控制回路 的特性。目前由于计算机控制技术的使用，可控硅电源的可靠性和运行性能得到 了很大的提高，但由于可控硅是被动关断器，在导通周期以内是不受控的，所以 4 浙江大学硕士学位论文 火花击穿的临界电压较低，电晕电流也难以控制，影响沉积效果。 1 2 2 恒流电源 1 2 2 1 恒流电源的工作原理 恒流电源电路原理见图1 4 。 占l c# 乇争l l 图1 4 恒流电源电路原理 如图1 4 所示，恒流高压直流电源的电路包括三个部分，第一部分l c 变换 器，它是由电感l 和电容c 组成的一个四端网络，将电压源转换成电流源；第! 二部分 直流高压发生器，主要由高压变压器和整流桥组成；第三部分反馈控制，主要由 半导体器件和接触器构成。电流源的供电等效原理见图1 5 。 图1 5 电流源供电等效原理 如图1 5 所示，i 为电流源的输出电流，可以通过l - - c 组的数量等方式来调 节，z 为电除尘器的等效阻抗，u 为电除尘器的供电电压根据欧姆定律，得到表3 的跟踪特性。 表3 电流源供电的负载跟踪特性 当电除尘器内部发生火花放电时，得到如表4 的火花抑制特性。 5 浙江大学硕士学位论文 表4 电流源供电的火花 牵制特性 1 2 2 2 恒流源的技术特点 1 能显著提高电除尘( 雾) 器的运行电压 电场某部位由电晕放电向火花击穿过渡是需要时间和功率的，脉冲供电控制 电压脉冲宽度，使电场还来不及发展成火花击穿，电压脉冲就结束了，于是提高了 火花击穿的临界电压。对可控硅电源来说，可控硅一旦导通切出一块电压u 以后， 向放电区馈送的功率为u 2 z ，由电晕放电向火花击穿过渡时，放电区的等效电 阻z 随离子浓度的增加而减小，这就促使u 2 z 更大，放电更容易发展，z 进一步 降低，这相当于一个正反馈的物理过程，于是很容易导致火花击穿。而电流源供 电时，情况正好相反，这时向放电馈送的功率为，2 z ，z 减小j 2 z 也减小，抑制了 放电的进一步发展，这相当于一个负反馈的物理过程，因此火花击穿的临界电压 明显提高。 2 有较好的电压自动跟踪性能 可控硅电源供电时，控制量实际上是电压，而电流是随机量，在尘( 雾) 浓 度较高、集尘极积尘较厚时，电晕电流往往变得很小。电流源供电时，控制量是 电流，不论工况如何，电晕电流是可以根据需要来确定的，而电压是随机量。电 流源供电可以轻而易举地实现电压自动跟踪，而不需要任何反馈控制电路。例如 尘( 雾) 浓度增加时，宏观体现为放电区的等效电阻增大。由于外电路提供的电 流不变，所以电场上的电压就自然上升了。此外，能有效克服电晕电流“闭塞” 现象，对电极肥大的适应性也较强，电极肥大或集尘极积尘加厚时，电压同样会 自动上升。而可控硅电源供电时，需要通过反馈来控制可控硅的导通角以提高电 压，这就必然带来几个工频周期的延时，若电源与本体配置不当，导通角已到最 大，则控制无法进行，结果只能是电流下降。 因此，恒流供电能大大提高沉积效率，由于采用恒流供电技术，注入到电场 的电功率增加，所以除尘除雾效率得到了明显的提高。 3 运行可靠性高 恒流源没有复杂的电子线路，无接插件，高压持续短路和突发短路时( 相当 6 浙江大学硕士学位论文 于电场的频繁火花放电) ，不会烧坏任何元件。对于除酸雾的塑料电场本体来说， 当火花击穿时，不易烧穿塑料阳极管壁。 4 节电效果明显 功率因数高，c o s 8 = 0 9 i ，而且不随运行的功率水平变化。可以显著降低 前级供电变压器的容量并节能。 5 高压发生器的体积小重量轻 在一些无防爆要求的场合，高压发生器可以直接装在电场本体项部。 6 安全性能好 具有过电压、持续欠电压和过氧保护电路，能自动报警和跳闸。 1 2 3 脉冲电源 1 2 3 1 脉冲电源技术的发展 电除尘器脉冲供电技术是8 0 年代发展起来的一种先进的电除尘器供电技 术。1 9 8 7 年，我国采用l c 震荡回路在开关状态下产生脉冲，研制出第一台电除 尘器脉冲供电设备。采用脉冲供电时，除尘器粉尘层的等效电容在脉冲施加期问 只充上很少的电荷，在脉冲消失期间所充电荷基本放完，除尘器粉尘层不会因积 累电衙形成高电压而造成反电晕。故脉冲供电电源除尘器的除尘效果优于直流电 源供电的除尘器。此外，对于不同比电阻的粉尘，可通过调整直流基压、脉冲频 率和占空比使之达到最佳除尘效果。 1 2 3 2 磁脉冲压缩技术啊 磁脉冲压缩技术首先诞生于英国，并在近二三十年得到了其充分的发展。由 于电感饱和后阻抗会迅速下降，因此可以利用可饱和电感制成控制能量流动方向 的“磁开关”，利用它将脉宽较大的电流脉冲压缩成为具有窄脉宽、陡前沿特性 且能量更加集中的脉冲。简单地说磁压缩技术是对获取时间较长的低峰初始功率 源，通过几个脉冲调节阶段，将能量储存、调整，再以开关的形式供给最终负载。 加在负载上的最终短时高能量，比原始功率源的峰值能量大几个数量级。通俗地 说，磁压缩是利用电磁技术把一个宽脉冲压缩成为峰值更高、脉冲时间更短的窄 脉冲。 7 浙江大学硕士学位论文 磁脉冲压缩技术是利用铁磁材料饱和时所具有的非线性特质来大范围的改 变电路中的阻抗。电感的伏秒积平衡关系为l 砌= n a a 8 ，其中，u 为饱和电感 两端的电压，n 为绕组匝数，a 为磁芯截面积，b 为磁密变化量。对于一个磁开 关，n 、a 一般是不变的，那么就可以控制其伏秒积使得口= 毋，其中壤为饱 和磁通量。在达到饱和点后，a b 将为0 ，由伏秒积平衡式，饱和电感上的电压 为0 ，相当于短接，使得能量可以无“阻碍”的通过。 图1 6 二阶磁脉冲压缩系统 图1 7 可饱和磁材料的b - h 曲线 图1 6 是一个二阶磁脉冲压缩网络简略图，图1 7 是b h 曲线。l 1 ，l 2 是 可饱和的电感，被称之为磁开关，电容c 1 = c 2 。磁脉冲压缩网络的工作原理是： 设初始时刻，每个磁开关都被负向的饱和磁通量所偏置，对应于图1 6 的a 点，c o 被充电到v c o 。t = o 时s 1 闭合，电容c 0 通过l o 向c l 放电，相应c l 被 充电，而l l 将会感应出电势v l ，这将引起磁芯中的磁场域变化以至磁芯的偏置 点进入b - h 曲线的i i 区域，这时电感l 1 表现出大阻抗特性因此几乎没有电流能 0 浙江大学硕士学位论文 够流过l l 。l l 两端电压近似等于c 1 上的电压，伏秒积满足f k 。d t = n a a b ，假 ； 设在t l 时刻，c 1 上电压达到最大，为了使磁压缩网络的效率最佳，应该设计l 1 在t l 时刻饱和，a p a b = 互= i k ，d t n a ，这样在t l 时刻磁芯饱和，其偏置点到 ； 达b 点，l 1 两侧的电势急剧减小使得电流迅速通过电感线圈，c l 上积累的能量 通过l 1 极快速的对c 2 充电( 因这一时刻l 2 也表现出大阻抗特性) ，使电能瞬间 转移到c 2 上，因此在l 1 支路将产生一个幅值高宽度窄的电流脉冲，继续重复这 一过程，最终通过l 2 对负载放电。 为了实现磁压缩，要求电路后面磁开关的饱和电感必须严格小于前面的饱和 电感，而且相差的越大，压缩效果越明显，从而可以在具有较低峰值电流的输入 条件下得到一个峰值较高的输出电流。 图1 6 所示的是一个二阶的磁脉冲压缩系统，如果为了得到幅值更高的脉 冲，可以增加压缩系统的阶数，但是，随着压缩阶数的增大，磁开关和电容的数 量均将增大，会使压缩网络更加复杂，运行的效率也随之降低。 1 3 课题背景及国内外发展趋势 目前，e s p 供电方式主要有工频高压电源供电和高频脉冲供电两种方式。传 统的工频( 5 0 h z ) 高压开关电源技术，在国内已经使用了十几年，但具有以下的 缺点： 1 、t 作频率低，转换效率低至7 5 以下，耗费电能。 2 、变压器和滤波器体积大，重量重，耗费大量的铜和铁。 3 、电源输入为两相3 8 0 v 交流工频电源，又是工频相位调节，致使输入功率 因数低至0 7 以下，对电网造成很大的电磁干扰，电磁兼容性差。 4 、体积庞大的电源控制调节机箱和隔离升压用的工频变压器分居两处，耗 费空间，增加基建费用。 5 ，输出纹波大，致使电晕电压低下，波形又是单一的工频波，使得无法适 应高比电阻的工况，达不到环保领域粉尘排放标准的新要求( 2 0 0 4 年我国火力 电厂粉尘捧放标准由原来9 0 年代的2 0 0 毫克立方米降低至5 0 毫克立方米) 9 浙江大学硕士学位论文 这些缺点使其远远不能满足当今环境保护的发展要求。随着电力电子技术和 高频开关技术的发展，特别是新一代功率电子器件如1 g b t ，m o s f e t 等的应用， 高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路广泛应用于直流一直流变 换、直流一交流逆变等场合，使得电除尘用高频电源供电方式进入商业化应用已 成为可能”1 。由于开关集成电源应用了比常规变压整流器更高的频率，变压器 体积可以大为减少。同时开关集成电源中开关技术的应用提高了电源转换效率。 在台新的电除尘器中安装开关集成电源，不需要对除尘设备进行改动，而且其 安装成本低于常规的变压整流器。 开关集成电源是以高频开关为基础的。该系统的电源由经过整流和滤波的供 电电压供给。这个直流电流输给系统的核心是联谐振变换器，它的输出接到升压 高压变压器，然后经整流供给电除尘器的放电极。 由于开关集成电源的“电流脉冲”频率是常规电源的几百倍，电压波动对它 来说很小，即电压的算术平均值与电压的峰值、谷值相差无几，能对e s p 投入更 大的电流。因此开关集成电源具有在火花发生前提供更大电流驱动能力，可以使 供电功率成倍增长，从而提高了e s p 的除尘效率。 此外高频开关电源的功率因数高，对配电系统来说是一个很好的负载。它是 一个与线路频率无关的可变脉动电源，可以给电除尘器提供一个接近从纯直流方 式到脉动幅度很大的各种电压波形。 这些特点都决定了高频开关电源是e s p 供电的理想方式，在除尘、脱硫、 净化烟气等方面都有应用前景，是一项具有广阔发展前途的技术产业。 国外在近十年已经开始高效节能中高频电除尘器的研制，上世纪九十年代末， 国外瑞典a l s t o m 等公司已经将高频开关电源( 2 0 - 5 0 k h z ) 用于电除尘器，取代目 前国内仍在使用的工频电源( 5 0 h z ) 丹麦史密斯公司的脉冲激能电除尘器也成 功用于水泥厂废气和立磨废气的净化处理。与工频电源相比，高频开关电源体积 小，重量轻，电损耗小在产品量产化后，最终可以使其成本低于常规电源。最 重要的是在处理高比电阻粉尘，提高电除尘效率等方面比常规电源性能优越。 基于高频电除尘器的上述优点，如果能将产品国产化，就能极大的降低各种 高频用电源成本。而目前国外高频电除尘器的技术水平是比较高的，尤其是高频 电源中的变压器技术比较突出： 浙江大学硕士学位论文 1 国外先进变压器上都采用了国际上先进的铁芯材料，导线材料， 2 国外先进变压器都采用了低损耗设计，其损耗大幅降低，平均较国内同 类产品的降低损耗3 0 以上。 国内以高频变压器技术为依托的高频高压电除尘器的研究起步较晚，对高 效节能中高频变压器研发还处于比较空白的状态，目前通用的中高频变压器产品 的实际输出效率一般只能达到4 0 - 6 0 ，国内还没有成功的生产出大功率的高效 节能的中高频变压器的生产厂家，中高频变压器的研发也没有重大技术突破。同 时国际上这种技术也处于非普及的研究试用阶段，还没有全面的进行推广与应 用，这个时候应该是我国进行这个领域研究最佳的时期，学习在国际上的先进技 术经验努力迎头赶上。 浙江大学硕上学位论文 第二章电源主电路设计 开关集成电源是以高频开关为基础的。该系统的电源由经过整流和滤波的供 电电压供给。这个直流电流输给系统的核一i , - - 串联谐振变换器，它的输出接到升 压变压器，然后经高压整流供给电除尘器的放电极“1 。如图2 1 所示。系统的 核心是d c d c 变换器。 五jf t j j 。心 zji 。“j ；f i1 ， *j 酽z- j 尘”一 i i 2 1 逆变主电路 2 1 1 全桥逆变器 图2 1 高频电源系统主回路图 单相逆变器的电路有推挽逆变电路，半桥逆变电路，全桥逆变电路等i l 】。 推挽逆变电路会带来不平衡现象，导致变压器饱和，功率管电流过火。而半桥逆 变电路的直流电压的利用不高，要输出2 2 0 v 的交流电压就要使用至少6 2 0 v 直 流电压会增加功率管的应力。全桥逆变电路比较适合运用于大功率的场合嘲。 n jl v d i v d 4jl t 4 - r , + c ： i i li t 2 t 3 图2 2 单相全桥逆变电路 浙江大学硕士学位论文 ”： 二 l 二 陋一 口口口 比 图2 3 全桥逆变电路主要波形图 全桥串联谐振变换器由4 个可关断器件王，1 个串联电容c 和1 个串 联电感三组成。每个开关各用1 个半导体器件i b 6 t 和1 个反并联二极管来实现。 “6 l 、“6 2 、”g 3 、h 6 4 分别是四个功率管的驱动电压波形，。，3 与g 2 ，“g 4 的 波形是互补的。当“。，“。，为高电平时，不妨设电流为正，t 1 ，t 3 导通，电 流流向为电源正极一t 1 一l r c t 3 一电源负极，此时电压为一段时间 后“6 。，“6 3 变为低电平t 1 ，t 3 关断，”g 2 ，6 。电平变高，若电流为正，电流 流向为电源负极一v d 2 一l r c v d 4 一电源正极，这时电压为- 匕；若电流t 为负则电流流向为电源正极一t 4 一r c l t 2 一电源负极，这时电压匕为一k 。 所以吃的波形如图2 3 ，它的平均电压如虚线。通过改变功率管驱动电压波形便 可以得到变化的平均电压。电除尘器电流( t ) 具有与高压变压器一次侧电流类 似的波形，电流振荡周期用瓦表示，相应谐振频率为f o ( f o = l o 瓦) 。当开关以 很高的频率转换时，则此种运行就相当于输出极为平坦的所谓纯直流电压运行。 2 1 2z v $ p 嘲移相全桥变换器 2 1 2 1z s 移相全桥变换器工作原理“日 传统的硬开关p w m 全桥电路，在开通和关断时容易形成寄生振荡现象，引起 电流和电压尖峰从而引起功率开关管的电流和电压应力增加，同时又增加了开关 损耗，降低了效率，严重的引起整个电路的不正常工作移相全桥变换器是在全 桥电路的基础上，利用功率开关管的寄生电容和输出变压器的漏电感作为谐振元 浙汀大学硕上学位论文 件，使全桥p w m 变，换流器的四个关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关， 减少了开关损耗和振荡现象，提高了效率”。 q 3 cc 上。一乌 吐 ：勺t l 肆 fil 鬯气 l 义气 c 生 卜、。 ti f专 f 烹e 点 i摹 一甯 j l - 毫： d 图2 4 移相控制零电压开关主电路图 图2 4 是移相全桥变换器主电路结构。其中，d i n 。分别是q q 。的内部寄生 二极管，c ，c 。分别是q 。q 。的寄生电容或外接电容。l ，是谐振电感，它包括了变 压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成1 8 0 。互补导通，两个桥臂的导通角相差 一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。q ，和q 。分别超前 于q 。和q 2 一个相位，称q ，和如组成的桥臂为超前桥臂，q 。和q 。组成的桥臂则为滞后 桥臂。图2 5 是电路主要参数的波形图。 包 l 口， q i 口。 l 口； l ； o o i j 篝；i i li n ，一 ； i n y ki 匕f | l l i ； 氧溺 膈n搦 l li! ：!；： l 一 ，l 毛， 与，- i 。k o 图2 5 电路参数波形图 1 4 浙江大学硕上学位论文 移相控制零电压软开关变换器中的每个开关管都具有相同宽度的驱动脉冲， 通过移相错位控制，从而达到稳定输出电压的目的。当开关管q 。关断时，初级电 流给q ，的并联电容c ，充电，同时给即将开通的开关管q 。的并联电容c 。放电，当电容 c ，的电压充到电源电压时，电容c 。的电压下降到零，其反并联二极管d 3 在零电压 下自然导通，此时开通开关管q 3 ，则该开关管在零电压下开通。而在开关管q ，关 断时，由于它的并联电容c ，的作用，开关管在零电压下关断。因此，在移相控制 方式下，开关管在零电压下实现开关动作。 移相控制零电压p w m 变换器在一个开关周期内共有1 2 个开关状态，先假定如 下约束条件： ( 1 ) 所有开关管、二极管均为理想元件，具有低通态压降和恒定的寄生电容值； ( 2 ) 所有电感、电容和变压器均为理想元件； ( 3 ) 上，i n 2 ，式中n 为变压器的原边与副边的匝数比； ( 4 ) 考虑到m o s 开关管输出结电容( c m ) 的非线性，有c l - c 户已= c 。= 4 3 c 。； 把变换器的工作过程按照不同的工作模态详细的分析。 i ) i 时并 ( 时【“】 c ) 【“，如】 一t j ) l 幻b 】 1 5 浙江大学硕士学位论文 ( 【l i ，i ： f o “秘】 叠，【“】 图2 6 各种开关模态的等效电路 1 开关模态o t 。时刻】 在t 。时刻，q 。和如导通。原边电流i ，流经0 。谐振电感b 、变压器原边绕组以 及如。整流管导通，k 截止，原边给负载供电。 2 开关模态i t 。，t 1 在t o 时刻关断q ，原边电流i ，从q ，中转移到g 和c ，支路中，给c ，充电，同时c 3 被放电。在这个时段里，谐振电感l ，和滤波电感l ，是串联的，而且与很大，可以 认为i ，近似不变，类似于一个恒流源。电容c 。的电压从零开始线性上升，电容g 的电压从v - 。开始线性下降，因此q 是零电压关断。i ，和c 。c 。的电压的表达式分别 为： 即) = 羔。x 1 0 3 ( 2 1 ) 浙江大学硕上学位论文 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 在t ，时刻，c 。的电压下降到零，q 。的反并二极管风自然导通，开关模态1 结束。 该模态的时间为： t o ，= 2 c 乙 ( 2 4 ) 3 开关模态2 t 。，t ：】 d s 导通后，将q 。的电压箝在零位，此时开通如，则q 。是零电压开通。虽然这时 候0 。被开通，但q ，并没有电流流过，原边电流由d 。流通。如和q ，驱动信号之间的死 区时间岛b d l t 0 1 ，即 岛州) 2 c 如一 ( 2 5 ) 在这段时间里，原边电流等于折算到原边的滤波电感电流，即 啊，) = 0 ( f ) k ( 2 6 ) 在t ：时刻，原边电流下降到i ： 4 开关模态3i t ：，t 。 在t 。时刻，关断饥，原边电流临转移n c 。和c 冲，一方面抽走c ：上的电荷，另 一方面同时又给c 。充电。由于c ：和c 。的存在，q 4 的电压是从零慢慢上升的，因此戗 是零电压关断。此时 ，_ 。= 吃，的极性从零变为负，变压器副边绕组电势下 正上负，整流二极管导通，副边绕组k 中开始流过电流。由于整流管阢和 同时导通，将变压器副边绕组短接，变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也 为零，v 。直接加在谐振电感k 上，因此在这段时问里实际上谐振电感l 和c z ，c l 在谐振工作。原边电流i ，和电容c ：，g 的电压分别为： ( f ) = 厶c o s o ( t - t d ( 2 7 ) ( f ) = 乙ls i n c o ( t t 2 ) ( 2 8 ) 0 2 ( f ) = 一2 j ls i n o k t f 2 ) 1 7 ( 2 9 ) 扣嗤 浙江大学硕士学位论文 在t 。时刻，c 。的电压上升到v h ，d 2 自然导通，结束该开关模态。它的持续时 间为： k ：上s i n - ) 皇 乞2 石5 翥 5 开关模态4 t 。t 矗 ( 2 1 0 ) 在t 。时刻，d 2 自然导通，将q z 的电压箱在零位，此时就可以开通q 2 ，q 3 是零电 压开通q z 和q 驱动信号之问的死区时间白姆， k ，即 ta旦g l # e ) i s i n - 一 有 ( 2 1 1 ) 虽然此时q 。已开通，但如不流过电流，i p 由d 2 流通，谐振电感的储能回馈给输 - 人电源。由于副边两个整流管同时导通，因此变压磊副边绕组电压为零，原边绕 组电压也为零，这样电源电压v ，。加在谐振电感l ，两端，原边电流i 。线性下降。 i p ( t ) 叫伊善( f - f 3 ) ( 2 1 2 ) 到t 时刻，原边电流从i ，( t 3 ) 下降到零，二极管d ：和d 。自然关断，q ：和q ；中将 流过电流。开关模态4 的持续时间为： o = l , l p ( t 3 ) ( 2 1 3 ) 6 开关模态5 t t 5 在t 。时刻，原边电流由正方向过零，并且向负方向增加，流经如和q 3 。由于 原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两个整流管提供网路，因此原边 绕组电压仍然为零，加在谐振电感两端电压是电源电压v 。原边电流反向线性增 加。 御一- 鲁) ( 2 1 4 ) 到t s 时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流一o ( f 5 ) ，玎值，该开关模态 结束。此时，整流管关断，流过全部负载电流。开关模态5 的持续时间为： 1 8 浙江大学硕士学位论文 k = 半 7 开关模态6 t 。t 。 在这段时间里，电源给负载供电，原边电流为 炒一糌( f - ) 因为上，1 2 工，式( 2 1 6 ) 可简化为下式： ( f ) = 一兰- ；：导( f 一如) 在t 。时刻，q ，关断，变换器开始另一半个周期的工作， 述的半个周期。 2 1 2 2 两个桥臂实现z v $ 的条件 1 t 实现z v s 的条件 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其工作情况类似于上 由上面的分析可以知道，要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量用 来： ( 1 ) 抽走将要开通的开关管的结电容( 或外部附加电容) 上的电荷； ( 2 ) 给同一桥臂关断的开关管的结电容( 或外部附加电容) 充电； 同时，考虑到变压器的原边绕组电容，还要有一部分能量用来： ( 3 ) 抽走变压器原边绕组寄生电容c t r 上的电荷。 也就是说，要实现开关管的零电压开通，必须满足下式： 占 ；c 2 + c ，2 + ；c 去圪2 = c 圪2 + 三c 蠢吒2 ( j = l e a d , l a g ) ( 2 1 8 ) 2 超前桥臂实现z v s 超前桥臂容易实现z v s 。在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感l r 是与谐振 电感l ，串联的，此时用来实现z v s 的能量是l ，和l 中的能量。一般来说，l 彳良大， 在超前桥臂开关过程中，其电流近似不变，类似于一个恒流源。这个能量很容易 满足式( 2 1 8 ) 。 3 滞后桥臂实现z v s 滞后桥臂要实现z v s 比较困难。在滞后桥臂开关过程中，变压器副边是短路 1 9 浙江大学硕士学位论文 的，此时整个变换器就被分为两部分，一部分是原边电流逐渐改变流通方向，其 流通路径由逆变桥提供；另一部分是负载电流由整流桥提供续流回路，负载侧与 变压器原边没有关系。此时用来实现z v s 的能量只是谐振电感中的能量，如果不 满足式( 2 1 9 ) ，那么就无法实现z v s ；厶2 2 + ；贸 ( 2 1 9 ) 由于输出滤波电感与不参与滞后桥臂z v s 的实现，较超前桥臂而言，滞后桥 臂实现z v s 就要困难得多，因为谐振电感比输出滤波电感要小得多。 2 1 2 3 副边占空比丢失分析 在相移控制零电压p 聃变换器中，由于变压器的漏感的存在，使得原边的电 流在从正向变换到负向或从负向变化到正向时，上升或下降都存在一定的斜率， 虽然原边有正电压或负电压的方波，但原边不足以提供负载电流，副边的所有的 二极管都处于导通的状态，负载处于续流的阶段，其两端的电压为零，这样副边 就丢失了从正向变换到负向或从负向变化到正向这两部分的电压方波。而在这些 时问段内，原边电流可看作是以斜率从配，线性变化，其斜率的值越大，这 两个时问段的问隔越小，占空比损失就越小。在图( 2 5 ) 中的阴影部分就是副边 电压丢失的方波、因此副边电压的占空比小于原边占空比，原边的占空比由两桥 臂开关管驱动信号之间的移相角来决定，通常有： d = + d ( 2 2 0 ) 圪= v n ( 2 2 1 ) 式中的称为副边电压有效占空比，d 称为占空比损失。 从图( 2 5 ) 可知，也) = 厶，( ，6 ) = 一，t 3 t 6 的时间间隔为加等，故可得 到损失的占空比为： 曲喘咖希阻一争功争 c z z z ， 如果考虑输出滤波电感数值很大，忽略电感电流的纹波，在一个开关周期中 将滤波电感等效为一值为i 。的恒流源，则： 浙江大学硕士学位论文 a d 。4 1 , 1 0 ：4 l , z i o( 2 2 3 ) n r , un v , 由上式可知，在输入电压最低、负载电流最大时，占空比的丢失最为厉害。 为了在输入电压最低、负载电流最大时依然可以得到要求的输出电压，必须减小 变压器的原副边的匝数比。但是匝数比的减小又带来两个不利的影响： ( 1 ) 在输出功率相同的情况下，原边电流变大，使得开关管的通态损耗增加， 开关管的电流额定值提高； ( 2 ) 副边整流二极管的电压应力增大 采用移相控制的软开关p 硼变换器后，电路拓扑的开关管在零电压下运行， 器件的开关损耗较小，这对于变换器的高频化实现提供了可能，而且控制规律简 单，其控制的脉冲宽度恒定，只需要改变控制信号的移相角就能达到使输出不随 负载变化的目的，而它的开关器件的恒频运行也使开关管的开关损耗减小，另外， 它不像硬开关p w m 那样必须缓冲吸收电路，在无吸收电路的情况下功率器件的开 关应力不足以损坏开关管。正是它的这些良好的特性使得他的应用比较的普遍。 2 1 2 4 电路的抗偏磁特性m 枷 全桥电路是大功率电路常采用的结构，在工作过程中。偏磁现象大大的降低 了系统的安全性和可靠性，对大功率电路而言，如果没有抗偏磁的措施，几乎无 法应用。 1 偏磁现象及危害 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。 在全桥电路中，由于多种因素导致两个半周期内施加在变压器上的电压脉 冲幅度或脉冲宽度不相等，全桥电路便工作在不平衡的状态，从而发生了偏磁。 变压器在工作时，其工作的磁感应强度b ( t ) 可表示为： 即) = 羔驯0 3 ( 2 2 4 ) 式中u 为电源电压( v ) ，m 为变压器原边绕组的匝数、s 为变压器的铁心 截面积、，册为开通的时间。 浙江大学硕上学位论文 当正反向脉冲宽度相等时，其正反向的最大工作磁感应强度b 也相等，其磁 芯工作点沿着磁滞回线对称地往复移动，此时没有偏磁存在。在绕组匝数和变压 器铁心截面积不变的条件下，若正向脉宽大于反向的脉冲宽度，