（电力系统及其自动化专业论文）软开关电力操作电源的研制.pdf

a b s t r a c t d e s l g no fas o f l - s w i t c h i n gp o w e ro p e r a t l n g s u p p l y a b s t r a c t a si m p o r t a n td e v i c e s p o w e ro p e r a t i n gs u p p l i e sp r o v i d ed cp o e rf o rl o a d si n p o w e rp l a n t sa n ds u b s t a t i o n s p h a s e - s h i f t e df u l l b r i d g es o f t s w i t c h i n gc o n v e n e rh a s b e e nw i d e l ye m p l o y e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c eo fp o w e r o p e r a t i n gs u p p l y a2 2 k wp o w e ro p e r a t i n gs u p p l yp r o t o t y p eh a sb e e nd e s i g n e db a s e do na m o d i f i e dp h a s e - s h i f t e df u l l b r i d g ez e r o - v o l t a g e s w i t c h i n gc o n v e r t e ri nt h i st h e s i s p r i n c i p l e so ft h ep o w e rs t a g e ，c o n t r o ls y s t e ma n dp r o t e c t i o nc i r c u i t sw e r ed i s c u s s e d i nd e t a i l ，a n dt h ed e s i g np r o c e d u r et o g e t h e rw i t hm e t h o d sf o rc h o o s i n gp a r a m e t e r s w e r ei n t r o d u c e da tt h es a m et i m e t h ep o w e rs t a g ec i r c u i tt o p o l o g yw a si m p r o v e di nt w ow a y s ：o n ew a sp l a c i n g ab l o c k i n gc a p a c i t o ri ns e r i e sw i t hp r i m a r yw i n d i n g so ft h et r a n s f o r m e ha n dt h e o t h e rw a st h ea p p l i c a t i o no fac u r r e n td u b l e rr e c t i f i e r i n s e c o n d a r ys i d e z e r o v o l t a g e - - s w i s h i n gw e r er e a l i z e db ym a k i n gf u l lu s eo fl e a k a g ei n d u c t a n c eo f t h et r a n s f o r m e r i tw a st h eb l o c k i n gc a p a c i t o rt h a ts o l v e df l u x - i m b a l a n c ep r o b l e m a n dc o n t r i b u t e dt os t a b i l i t yo ft h ew h o l ec o n v e r t e r i nt h ec u r r e n td u b l e rr e c t i f i e r ， d i o d e sc o m m u t e dn a t u r a l l y , w h i c ha v o i d e dv o l t a g es p i k e sa n do s c i l l a t i o n s t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e dt w ol o o p s ：a no u t e rv o l t a g el o o pa n da l li n n e r c u r r e n to n ew h i c ho p e r a t e di np e a k - c u r r e n tc o n t r o lm o d e as i m p l es m a l l s i g n a l m o d e lw a sd e r i v e df o rt h es y s t e m ，a st h ep o w e r s t a g ec o u l db et r e a t e da saf i r s t o r d e r s y s t e mi nd u a l l o o pc o n t r o lm o d e v o l t a g ec o n t r o l l e rw a sd e s i g n e db ya d d m gap o l e t ot h ep ir e g u l a t o r b a s e do nh i g h e s tc u r r e n ta u t o m a t i cc u r r e n ts h a r i n gt e c h n i q u e ，a l o a ds h a r i n gc o n t r o lc i r c u i tw a sd e s i g n e d a sp r o v e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s a i lp o w e rs w i t c h e si nt h ec o n v e r t e rr e a l i z e d s o f t s w i t c h i n g a n dt h a tl o ws w i t c h i n gl o s s e st o g e t h e r 、衍t i le m cw e r ea c q u i r e d t h e l l i a b s t r a c t c o l l y a t e rw a sp r o v e ds a t i s f y i n gb yt h ee x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：p o w e ro p e r a t i n gs u p p l y p h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ec o n v e r t e r s o f t s w i t c h i n g p e a k - c u r r e n tc o n t r o l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 1 1 1 研究背景 电力操作电源广泛应用于发电厂、变电站，为电气和热工系统的控制、信 号、保护、自动技, f i 等直流控制负衙，与电姚操竹机构、事故照明等动力负苘 提供直流电源。由于控制负荷和动力负荷的安全可靠性标准较高，因此对电力 操作电源的性能提出了较高的要求。 随着电力电子技术的飞速发展，各种新型器件、新电路拓扑及先进的控制 策略应用到电源装置中，使得高频开关电源获得广泛应用。开关电源的功率管 工作在开关状态，功率损耗小，效率高；并且随着开关频率升高，变压器、滤 波电感、电容器的容量与体积均大大减小。而且，高频开关电源具有无噪声、 输出纹波小、多模块易并联、可实现n + i 热备份设计、系统可靠性和冗余度高、 便于计算机管理等优点，符合现代电源的发展趋势。 一 面对同益提高的应用要求，工作于硬开关方式下的常规开关电源装置，还 存在着一些问题，限制了电源性能的进一步提高： 丌关损耗限制了丌关频率的提高： 提高丌关频率可以应用体积小的高频变压器与较小的电感、电容等储能元 件，从而减小装置的体积与重量。但是，在硬开关方式中，由于功率管丌关过 程中存在电压与电流波形交叠，所产生的开关损耗随开关频率提高而增大，使 得丌关管的温度升高；不但影响了丌关管的正常工作，降低了电源的效率，而 且考虑散热问题，使得装置体积也无法减小。 丌关过程中产生较强的电磁干扰： 在硬j f 天方式中，电路中寄， 一参数的影响以及寄生参数之蚓的振荡，广， 了大量的射频辐射。在功率管开通与断开的瞬间，电压尖峰与电流尖峰( d i 击， d u l d t ) 产生的电磁干扰噪声，会耦合到控制电路与驱动电路中，影响电路的 正常工作。 o 开关轨迹对器件特性和寄生参数敏感，开通和关断瞬自j 产生的电压和电 第一章绪论 流尖峰，可能使开关器件的状态运行轨迹超出安全工作区，影响开关的可靠运 行。因此，对线路形状、布局以及辅助手段要求严格。 为进一步提高开关电源的性能，开关状态切换过程中，应消除或近似消除 功率器件同时承受电压、电流的情况；限制、降低开关管开关瞬态过程中的电 压变化率和或电流变化率；同时，达到上述目的，不应该通过将开关损耗、开 关应力转嫁到其它电路的方法来实现。 采用软开关技术的变换器，其功率管在开通或关断过程中，或是两端的电 压为零，即零电压开关( z v s ) ，或是通过器件的电流为零，即零电流开关( z c s ) ， 如图1 - 1 所示。这种开关方式显著地减小了开关损耗和开关过程中的电磁干扰， 可以大幅度地提高开关频率，继而可以提高效率，减小体积，提高电磁兼容性 能力。 一 ， 软开关过程一硬开关过程 图1 - 1 软开关过程 f i g 1 - 1s o f t - s w i t c h i n gt r a n s i t i o n 实现软开关的技术较多，如：各类谐振变换器、零电压( 流) 开关p w m 变 换器、零电压( 流) 转换变换器等；目前应用最为广泛的是：有源箝位技术与 移相全桥软开关技术。其中，移相全桥软开关变换电路是在p w m 全桥变换电路 的基础上发展起来的，它综合了p w m 控制技术和软开关的优点，在大范围内实 现恒频p 州控制，而在功率器件换流瞬间，实现零电压开关换流。该电路充分利 用变压器漏感与开关管的寄生电容，无需另加谐振电路或辅助开关，即可实现 功率器件的软开关“1 。由于其具备诸多优点，已成为最有吸引力的软开关变换 电路拓扑形式。 一 1 1 2 本课题研究的意义 本课题研制一台2 2 k w 的软开关电力操作电源试验装置，采用移相全桥软 第一章绪论 j f 天技术，降低丌关损耗 电磁 扰，捉r ：百功率密度j 效，宰， l h 于该装胃采用 新，掣技术，u f 以满足，斤的行、l p 枷、准，。瞄能史高，1 7 i 良好f jj 也用油景。奉课题 研究，町以为电力操作电源产品的升级改造提供技术支持并积累经验。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究进展 常规的移相全桥软丌关变换电路中，滞后桥臂丌关管实现软开关受到限制， 凶此，研究必趣多集中于改善滞后管的软开关条件，主要分为两个力向：将 滞后管构造成零电流关断范围宽的软开关”“”；采取措施，拓宽滞后管的 零电压开通范围嘲盯儿”1 。 文献 2 提出移相控制的串联谐振全桥变换电路，使变换电路实现了零电压 零电流开关。与传统的的移相控制电路不同之处，在于增加了隔直电容，使变换 电路的滞后桥臂既能实现零电压开关，又能实现零电流开关。整个变换电路的软 开关工作情况与开关频率、负载、变压器的漏感、隔直电容数值有关。其中， 超前桥臂依靠变压器的漏感和输出电感实现零电压开通，滞后桥臂依靠隔直电 容实现零电流关断，并且具有较大的软开关范围。对超前桥臂来说，零电压开通 与常规的移相控制电路完全一样；而滞后桥臂因为有漏电感和电容的振荡作用， 滞后管电流自动过零，使其可以实现零电流关断。但足陔电路的缺点足，在超前 管关断后，电流的环流是l c 振荡，电路电流振荡过零后，会形成反向的振荡电 流，电路有无谓的环流损耗。为了克服这一缺点，文献 3 在主电路中引入饱和 电抗器，使得滞后管在零电流关断后，由于饱和电抗器退出了饱和状态，感抗很 大，防止电流反向流动；并利用饱和电抗器的特性实现滞后桥臂的近似零电流开 通；但存在饱和电感的损耗与冷却问题，限制了最大输出功率。文献 4 5 分 别应用有源筘位技术与无损吸收的方法，改进变址器副边整流电路。通过布副 边引入反向阻断f i 三皿源( 一般为电容) ，在续流期间对原边电流进行复位，同时 限制了整流二极管的最大电压；但其电路结构均较为复杂，而且会增加原边的 电流应力。 ， 文献 6 采用倍流整流方式改进移相全桥电路，通过严格控制变压器漏感， 第一章绪论 使得在滞后管开通之前，副边整流二极管即可完成换流，故可利用副边输出电 感的能量，实现滞后管的软开关，从而扩展了其零电压开关范围。但是，该方 法对变压器的制造要求较高，不易实现；而且要求电感电流在环流期问过零反 向，故其电流纹波值过大。文献 7 在变压器原边引入辅助电路，在很宽的负载 范围内，开关管实现了软开关，且抑制了副边整流二极管的环流与电压尖峰， 电路效率较高；但辅助电路由两个二极管与一个换流电感所构成，造成了电路 的复杂化。 1 2 2 国内研究进展 国内研究比国外起步晚一些，但是近年来取得很大进展，所研究的方向与 国外大体相同。多项研究集中于对传统的移相全桥电路改进方面。 为实现滞后管零电流关断，可以应用原边增加辅助绕组、副边采用有源或 无源箝位等技术改进常规电路“”“”；也可以在变压器原边引入饱和电抗作为磁 开关实现“”，更为理想的方法是在变压器原边串入二极管，将滞后管改善为单 向开关而实现0 1 。 通过在变压器副边整流电路中应用开关管代替二极管，或采用饱和电感取 代常规电感，均可以实现开关管的零电压开关“”；应用倍流整流技术，合理设 计电路，也能够扩展滞后开关管的零电压开关范围，但是同样需要解决输出电 流脉动过大的问题“”。 1 3 研究目标与内容安排 1 ，3 1 研究目标 。 本论文研究目标是，研制一台功率为2 2 k w 的软开关电力操作电源实验装 置。主电路拓扑采用一种改进的移相全桥零电压变换电路，变压器副边采用倍 流整流方式，实现功率管与二极管的软开关：设计基于峰值电流控制的双闭环 控制系统，以获得良好的动稳态特性；基于最大电流均流法，设计负载均流电 路，实现电源装置的冗余控制；辅之以相应的驱动电路、缓冲电路、保护电路， 以提高电源装置安全可靠性。 第一章绪论 132 研究内容 第二亭：分析i 乜力操f i u 隙1 乜路的迢j 丁原理，探l t 改进的移相全桥r 乜路 中，丌关管、二极管实现软丌关的措施，以及占空比丢失、变压器偏磁等问题 的解决方法。 第三章：分析双闭环控制系统的工作原理，推导出电路的传递函数，应用 斜坡补偿的方法提高峰值电流控制性能。对比各种负载均流控制电路，分析最 大电流自主均流法的撩理与特点。 第四章：详细阐述了电源装置的主电路及控制电路的设计方法与步骤，以 及关键参数得选取原则。 第五章：通过实验对电源装置的工作特性进行测试，检验电源装置的软开 关效果，进一步优化电路。 最后，得出结论。 第二章主电路工作原理分析 第二章主电路工作原理分析 常规与改进后的移相全桥零电压开关变换电路拓扑如图2 - 1 所示。其中 v t 。v t 。为功率开关管，d 。d 4 为功率开关管内部的寄生二极管，c l c 。为功率 管v t v t 。的并联电容，t 为高频变压器，l k 为变压器漏感，c 。为隔直电容， d o 、d 。为整流二极管，l 、k 为输出滤波电感，c 。为输出滤波电容。 一lj【jl + 叫抖咄 = 。始耀 c h 一一一一一 一l 一ljl j 气 一t 下1 i d 一 团团团 ( a ) 常规移相全桥零电压开关变换电路主电路 ( a ) p o w e r s t a g eo f ac o n v e n t i o n a lp h a s e s h i f t e df u l lb r i d g ez e r o - v o l t a g e s w i t c h i n g c o n v e n e r 【jl 一【 + 叫替7 咄 = o n 。| | 兹锈 ljcj【 ； l d l 卡c 【 夺珊 肪2f m 】 【 一地一 固回圃 呲 团回回 ( b ) 改进的移相全桥零电压开关变换电路主电路 ( b ) p o w e rs t a g eo f am o d i f i e dp h a s e - s h i f t e df i l lb r i d g ez e r o - v o l t a g e - s w i s h i n g c o n v e n e r 图2 - 1 移相全桥零电压开关变换电路主电路 f i g 2 - lp o w e rs t a g eo f ap h a s e s h i f t e df u l lb r i d g ez e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n gc o n v e r t e r 全桥电路中，每个桥臂的两个功率管互补导通( 死区时日j “) ；两桥臂间的 第二章主i 乜路t 作原理分析 争通角相差 个棚仲，即移相角；v t l 、v t 3 相位分别超前于二v t 4 和v t 2 ，故 v t j 、v t 3 组成的侨臀为超i 讨桥臀，v t 2 和v t 4 组成的桥 ； 力滞瓜桥臂。 2 1 主电路工作原理 为便于分析，首先作如下假设： ( 1 ) 电路中所有的元器件( 包括丌关管、二极管、变压器、电容、电感 等) 均为理想器件； ( 2 )变压器变比n = 堕， 他 其中，为变压器原边绕组匝数，n 2 为副边绕组匝数； r 3 c 1 2 c 2 = c 3 5 q = c 二，厶2 易：紊。 在一个开关周期内，主电路的工作情况可分为1 2 个开关模态，如图2 - 2 所 示，下面逐一分析： ， 蛩四j 蛩口i 蛩舒j 翌四 羹四。 ( a ) 主电路各开关状态的等效电路 ( a ) e q u i v a l e n tc i r c u i t so f p o w e rs t a g ei ns w i t c h i n gs t a t e s 第二章主电路t 作原理分析 、厂r 1v t 3、仃1 ； v t 4v t 2 v t 4 ： ， 一o ： 一 厂i p ! | n! | 一 一 ， i l f ：、_ 一； 磐 ，- i 夕， 一 _ v t 1 j ， “泌r、ii ：，r j l d 2i d i ： 二k f 牖i 八 女 ，： ： l 乡p 擀i i i 6 艇 “- l ： ii l j ( b ) 工作波形 ( b ) o p e r a t i o nw a v e f o r m s 图2 - 2 主电路各开关状态的等效电路及工作波形 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i t sa n do p e r a t i o nw a v e f b m l so f p o w e rs t a g ei ns w i t c h i n gs t a t e s ( 1 ) 开关模态1 ( t o ) 自初始时刻t o 起，功率开关管v t 。，v t 。均导通，原边电压、电流方向一致， 副边d o 。截止，d 0 2 导通，电源向负载传递能量。变压器原边电流i ，、隔直电容g 的电压v 。线性升高，副边滤波电感电流i 。上升，i 。下降。描述该模态电流的 方程为：。 屯= 屯i + 屯2 ( 2 1 ) 第二审主电路t 作原理分析 n 叫抄毕c ， 铲似f 0 ) _ 毒( f _ “) 其中，i l i ( f 。) ，i , 2 ( ，。) 分别为i 、i t 。在t 。时刻的值。 ( 22 j ( 2 - 3 ) ( 2 ) 开关模念2 ( f 2 ) t l 时刻，v t ，关断，原边电流f 。由v t - 转移到c - 、c 。支路中，漏感l k 与输出电 感l 。，共同对c 充电、c 。放电。由于输出滤波电感值较大，副边电流折算到原边 的电流下降斜率很小，c 。与c 。的充放电时问很短，故在这段时日j 内原边电流近 似为恒流。i 。继续给隔直电容充电，v 。继续增大；副边二极管导通情况同模态 1 ，i u 继续上升，i 。继续下降。鉴于c 、c 。数值较小，因此可认为v 。线性上升， v c 。线性下降，其方程为： 例呼等( ，- f 1 ) ( 2 - 4 ) 州= 罢( 卜 ( 2 - 5 ) 在t ：时刻，c 。的电压下降到零，v t 。的反并二极管d ，自然导通。该模态的持 续时间为：缸，：坠 。2 i v ( t o ( 2 6 ) ( 3 ) 开关模态3 ( ， ) 在t ? 时刻后丌通吼，由于原边电流方向小变，d 仍然导通，所以v t 实现零 电j j j 丌通。原边电路脱离输入i n 源，等效为隅汽电容与漏感的谐振f 乜路。隅f l 电容c 。的电压加在漏感上，v 。上升，i ，下降，副边电流i 。随之下降，使得f ， 0 5 时，m 2 ，所以i m i f d o i ；而当占空比d 0 5 时， 啊，j i l ，o i 。因此，峰值电流控制模式中，占空比小于5 0 9 6 时，扰动振 荡衰减，振荡频率为开关频率的二分之一：经过一个周期后，扰动信号减小， 故系统是稳定的；而当占空比大于5 0 时，经过一个周期会将扰动信号扩大，扰 动振荡发散，从而造成系统工作不稳定。 为解决占空比大于5 0 时系统不稳定的问题，需对电感电流上升的斜率进 行补偿，即加大等效的舶，使系统等效为占空比小于5 0 时的稳定情况，如图 3 5 ( c ) 所示。斜坡补偿不但保证了系统稳定性，而且解决了诸如峰值电流误 差影响闭环特性、噪音敏感、次谐波振荡等问题，使电路整体性能得到改善。 ( a ) 占空比小于5 0 ( a ) d u t yc y c l el e s st h a n5 0 ( b ) 占空比大于5 0 ( b ) d u t yc y c l em o r l t h a n5 0 2 0 第三章拧制电路的t 作原理 ( c ) 电感电流的斜坡补偿 ( c ) r a m pc o m p e n s a t i o nf o ri n d u c t o rc u r r e n t 图3 - 5 电感电流波形图 f i g 3 - 5w a v e f o r m so f i n d u c t o rc u l t e n t 斜坡补偿既可以通过增大电感电流屯，或减小误差电压给定圪来实现。假 定补偿斜率为所，则斜坡补偿后， m = 一丝竺“ ( 3 8 ) m 十n 考虑d = l 时的情况，此时玛= o ，若使系统稳定，即i “l 8 5 。 4 1 主电路设计 主电路结构如图4 - 1 所示。 最大输出功率 最大输入功率： 丌关频率 图4 - 1 土电路结构图 f i g 4 - 1s t r u c t u r eo fp o w e rs t a g e 只。= 眈。l 。= 2 8 0 x 1 0 = 2 8 0 0 w ( 4 - 1 ) = 等= 2 蚴8 0 _ _ _ ，o o = 3 2 9 4 形。 u 葛) ，= 2 0 k h z 最大占空比：d m 。= 0 8 5 4 1 1 输入整流电路 1 三相整流桥： 最低电网线电压有效值： ( 4 - 2 ) ( 4 - 3 ) ( 4 4 ) 第【q 章主电路 了挣制电路设计 q = 0 9 u 1 = 0 9 x 3 8 0 = 3 4 2 v ( 4 5 ) 整流二极管最大峰值电流： k = 告= 百, 、2 x 3 2 9 4 划蒯 m e ) 流过二极管电流的有效值： b = _ 啬f ”易2 d ( w d2 去观9 4 ( 4 二极管反向最大电压： = 厄。= 压x 3 8 0 x 1 1 = 5 9 1 v ( 4 8 ) 根据以上计算，考虑安全裕量，选用三相整流桥模块f u j i6 r 1 3 0 c r - - 1 6 0 ( 3 0 a ， 1 6 0 0 v ) 。 2 滤波电容： 整流电路输出的直流电压含有脉动成分，此外脉动电流及负载变化也使直 流电压脉动，因此要加入电容滤波环节。 加上滤波电容后，额定输入下，f 的最大电压可达到交流电压的峰值： 圪= 压u = 压x 3 8 0 = 5 3 7 v ( 4 9 ) 依据电容值与耐压值选择滤波电容，一般取1 v a 的容量对应滤波电容 l 2 u f o 本实验选用四个3 3 0 0 u f f 4 0 0 v 的电容，两两串联后再并联，总耐压值为 8 0 0 v ，电容值为3 3 0 0 u f 。 根据六分之一周期内电容提供的最大能量，取最低输入电压，最大负载时， 求整流输出电压峰峰值： 形一= 等= 丢c ( 玩。) 2 一( 弘。一) 2 ( 4 - 1 0 ) 兰竺：三330010。sx(压380o9)2-(压380o9一)z6x 5 02 l 、 、 ”。j 第四审主也路b 拧制f 乜路设计 吃= 7 矿 酗此，矿的最低电腿为： = - u 。一= 压3 8 0 0 9 7 = 4 7 7 v ( 4 - 1 1 ) 在开关电源中，电解电容上的脉动电压频率较高，可达几十千赫，因此其 b h 抗特件早现感件，而月等效串联电限的存存，加大了电容器的损耗，影响其 正常使用，降低了电源的性能。设计中，在四个电解电容两端各并联一个 l u f 6 3 0 v 高频电容，目的就是为了消除电解电容的附加感抗作用，防止出现高 频自激，以抑制高频干扰。电容的串并联使用，不但提高了电容的耐压值，而 且有助于减小其等效串联电阻，减小发热量，延长使用寿命。 3 软启动环节： 为防止在启动过程中，电容充电电流过大而损坏器件，在主电路上串联限 流电阻，与电压继电器常开触点相并联，通过r c 电路设定延时。延时时间到 后，线圈得电，常开触点闭合，将限流电阻短接，结束限流启动过程，进入正 常运行状态。实验中限流电阻取5 0 0 9 2 5 0 w ，电压继电器选j q x 一1 5 f ( t 9 0 ) 一i c ，d c 2 4 v ，延时时日j 为o 5 s 。 4 1 2 全桥逆变电路 1 高频变压器 变比n ： 为提高变压器利用率，降低原边丌关管电流与副边二极管反向电压，变压 器变比应尽量大一些。变比选择应按照最低输入电压、最大占空比时，副边输 出能够达到最大输出电压的原则进行。 j 常规的全波挚流或伞桥挚流相比，倍旒移流的移相令桥零电压变换电路 中，输出负载电流为变皿器剐边电流的两亿；所以，变皿器刨边电压队与输出 电压配关系为： 丝垒竺：旦 ( 4 一1 2 ) u 2 第四章主电路与拧制电路设计 = 笋= 丽孥赢= 两丽4 7 7 而= o 7 ( 4 - 1 3 ) 一k 。型竖，；垒! ! ! 兰垡! ! 1 2 。7 d k o 8 5 其中，矿为电路中的压降，包括二极管的压降与线路压降。 磁心的选取： 磁心选用软磁铁氧体材料，具有电阻率高、涡流损耗小等优点，适合于高 频应用场合。针对其饱和磁通密度小，居里温度低的特点，设计过程中，应合 理选择最大磁通密度，而且在绕制变压器时，注意散热问题。 采用a p 法设计，根据公式： t 4 4 仙r t ，l o n t ( 4 - 1 4 ) 可求出磁心的所应具备的磁路截面积与窗口面积。 其中，4 为磁心的导磁截面积；4 为磁心窗口面积；弓= 2 只研为变压器 传输的标称功率，取2 只7 , = 5 8 9 5 w ；乙= o 5 k z 为半周期内脉宽，a b = 2 吃 为磁心材料允许的最大磁通密度变化范围，取0 2 t ；j 为变压器绕组导体的电 流密度，取4 x 1 0 6 a m 2 ；t 为变压器绕组在磁心窗口中的填充因数，取0 5 。 4 4 而= 一2 x 2 8 0 0 - 3 6 8 10 - 7 ( 4 - 1 5 ) e e 型磁心相对于其外形尺寸来说，有较大的窗口面积，同时窗口宽且高度 低的结构，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。开放式的窗口没有出线问题， 线圈与外界空气接触面大，有利于空气流通，散热方便，可处理较大功率。 根据计算结果，查询产品手册，确定选用飞磁( f e r r o x c u b e ) 的e e 8 0 型铁 氧体磁心绕制。其磁路截面积为1 1 l x l o _ 3 m 2 ，窗口面积为0 3 9 x lo - 3 历2 ，两者 乘积为4 3 4 x 1 0 - 7 小4 ，可以满足要求。 绕组匝数： ， 为了保证在工作过程中磁心不饱和，设计时应按最大伏秒面积计算匝数。 由于电路中电压的波形为对称方波，所以最大伏秒面积计算，可简化为电压与 最大脉冲宽度的乘积。 第【q 章主电路与拧制哇土路设计 片先，根掘公式 = s a b a 。可计剪原边或副边绕组ir f 数，然后根引变比描 剪，j 边绕针i 的”数，j ，s 为绕组，豇受的最大伙秒i f j l 积，a b = 2 b 。为磁心 在一个周期内磁通密度的变化范围，4 为磁心的导磁截面积。 副边绕组最大伏秒面积： 鼠：。= m a x r “：廊 = 庐2 。西= i 虬。 ( 4 1 6 ) 副边绕组匝数： 凡：堡丛：一280 x50 x10-6。631 ( 4 1 7 ) 。 a b a , 0 2 x 1 1 1 1 0 。 取n 2 = 6 3 匝a 原边绕组匝数： 啊= 帆= 6 3 x 0 7 = 4 4 1 ( 4 1 8 ) 取啊= 4 4 匝。 绕组导体截面积： 根据绕组中流过的最大电流有效值与预定的电流密度，可计算出绕组导体 的截面积。 副边绕组导体截面积： 4 c 2m 2 ，n m = 三_ 1 2 5 m 所2 ( 4 - 1 9 ) 原边绕组导体截面积： 爿：k ：塑堕：0 8 7 5 脚胧2 ( 4 2 0 ) 。 j4 为防巾高频交流的集肤效应，绕组线径或铜带厚度小应超过穿透深度的_ 倍： 当1 0 0 c 时，穿透深度： 占= 压= 后躺知- o s 。埘m z - ， 其中，p 为铜导体的电阻率，1 0 0 。c 时，p = 2 3 x 1 0 _ 8 胁；风为空气的磁 第四章主电路与拧制电路设计 导率；疋为工作频率。 ； 因此，原、副边均采用扁铜带绕制，铜带厚度不超过2 6 = 1 0 8 m m 。 变压器分布参数分析 变压器的分布参数主要包括漏感与分布电容。 常规的全桥变换电路中，考虑到期间关断时的电压尖峰与副边的占空比损 失问题，应严格控制漏感的大小。但是，在本电路中，由于需要利用漏感的储 能来实现开关管的零电压开通，因此，无需过多采取减小漏感的措施，只要求 具有良好的通风散热即可。 变压器中每个绕组一般情况下是多层的，且层间结构相同，会存在分布电 容。为减小分布电容，可采取层问采用介电常数小的绝缘材料，绕组分段绕制， 正确安排绕组极性以减小其电位差，采用静电屏蔽等诸多措施。 2 功率开关管 。 i g b t 集射最大峰值电压： = 4 2 一= 4 2 x 3 8 0 x 1 1 - 5 9 1 v ，( 4 - 2 2 ) 考虑2 3 倍安全系数，取耐压值为1 4 0 0 v 。 通态峰值电流： 输出电流纹波设为最大输出电流的2 0 ，则 a o = l 一2 0 = 1 0 x 2 0 = 2 a ( 4 2 3 ) 因此，功率管的峰值电流为： l 。：至1 圣二竺：；丝_ l o 一( 4 - 2 4 ) 2 l 百一5 嵛刊。一 考虑安全系数，选用型号为f u j i2 m b l 5 0 p - 1 4 0 ( 5 0 a ，1 4 0 0 v ) 型i g b t 。一 在i g b t 的栅射极之间并联一个2k f l 的电阻，在断态时释放存储在栅射寄 生电容上的电荷，提高器件关断可靠性。同时，在栅射极之间并联两个共阴极 连接的+ 1 8 v 稳压二级管，以保护器件安全工作。 3 隔直电容： 隔直电容c b 的选取应考虑多种因素折中选择。增大c b 值，可减小对滞后 第州章主电路与摔制电路设计 桥臀月关管零电，i ：，f 通的影响；佃是如采过大，会加重变压器副边的1 0 守比丢 火。减小l ) 值，会使腺边环流i u 流陕速减小，降低损耗；佃足如果过小，会使 电容两端电压过岛，从向使变压器起原边绕组电压下降过大，并增大刨边二极 管的电压应力。一般限定电容两端最大电压，小于最小输入整流电压的1 0 ， 并据此选择隔直电容的参数。 o d 冬 g 。 ! ! 塑。一2 2 0 x 一2 。一0 7 4 8 2 2 0 1 0 3 隔直电容工作在双向充放电状态，故应采用无极性的电容器，并具有足够 的耐压值；由于原边电流流经该电容，为减小其损耗，应选用具有较低等效串 联电阻的电容，或采取多个并联的方法。 4 1 3 输出整流滤波电路 1 输出滤波电感： 滤波电感值由电流纹波确定，允许的最大电流纹波峰峰值，为最大输出电 流的2 0 ，本设计中为2 a 。 常规的全桥整流或全波整流方式中，电感电流与输出电流相同，所以电感 容量较大。在信流整流方式中，输出电流为两个滤波电感的电流相叠加而成。 由于电感电流叠加后，电流纹波互消，故输出电流的纹波大大减小。因此，在 输出纹波要求相同的情况下，输出滤波电感值可以减小。电感电流的纹波峰峰 值t 与合成输出电流的纹波峰峰值的关系为： a i o = k a l ( 4 2 6 ) 其中k = 等，为电流互消比例系数。 根据第一章中的分析，可得出： f r ：竺! ! 二丝：丝! ! 二型( 4 2 7 ) f ，= 一= 二旦= 二 ( -) t2 f , g 牛足越= 镌罢铲 件z 幻 第四章主电路l j 挣制电路设计 由上式可知，当d = 0 5 ，输出负载电流纹波值最小，a o = 0 。因此，为减 小电感量，应使额定条件下，占空比接近0 5 。电感设计要求为，最大输出电流 纹波值小于2 a ，即： 屯。 2 a ( 4 2 9 ) 额定输入输出条件下，占空比为： 乜= 等= 鼍笋一 件s o ， 电流互消比例k ： ， t k = 等= 而1 - 0 丽5 7 _ o 3 2 ( 4 _ 3 1 ) 1 2 滤波电感电流的峰峰值为： 她一= 譬= 志= s 苈爿 c 4 碰， 因此，输出滤波电感值为： 三：丝堡二婴：! ! 竺兰! 套幽：1 2 5 8 h ( 4 - 3 3 ) 2 z 舰一2 x 2 0 x t 0 3 x 6 2 5 ， 磁心选取： 根据电感值与电感电流值，选择磁心： 如如糕= 丽1 2 5 8 x 1 0 。x 8 x 5 - 8 3 8 l o 4 “3 4 ) 其中，如为电感磁心的导磁截面积；如为磁心窗口面积；为电感磁 心材料允许的最大磁通密度，取0 3 t ；以为变压器绕组导体的电