（电力电子与电力传动专业论文）10kw软开关充电机设计.pdf

拙塞窑亟太堂亟堂焦i 盆塞垒! 区! a b s t r a c t a b s f r a c t ： a ! o k w c h a r g e rb a s e d o naf b - z v z c s - p 、m mc o n v e r t e ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i ss c h e m ec a l le f 娟e c t i v er e d u c et h ev o l t a g eb m e s sa n dp r o v i d eh i g hc h a r g i n g e f f i c i e n c y t h i sp a p e rc o m p o s e so f t h r c es e c t i o n s ：t h ef w s to n ec o m p a r e ss e v e r a l s c h e m e sa n d a n a l y s i st h eo p e r a t i o nm o d eo f z v z c s f u l lb r i d g ep w mc o n v e r t e rw i t ha s i m p l ea n x i l i a r yc i r c u i t t h es e c o n dp a r ti n t r o d u c e st h ec o m p o n e n tp a r m n e t e rd e s i g no f m a i nc i r c u i t , h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f c o n t r o ls y s t e ma n ds t r u c t u r a ld e s i g n t h et h i r d p a r ts h o w st h ea n a l y s e st h ew a v e f o r m t h ee x p e d m c n t a lr e s u l t sf r o mal a b o r a t o r yp r o t o t y p es h o w ：m a i nc i r c u i t sp m l m l e t e r i sr i g h t , r e a s o n a b l ea n da c h i e v ea l ld e s i g nr e q u i r e ：z e r o - v o l t a g ez e r o - c u r r e n ts w i t c h i n g i sa c h i e v e dc o r r c c f l y , a n dt h ec o n v e e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ea u x i l i a r y c i r c u i t , l o wv o l t a g es t r e s so f r e c t i f i e rd i o d ea n dh i g he f f i c i e n c y ；t h ec o n t r o ls y s t e m s h a r d w a r es t r u c t u r ei ss i m p l e , h i g h l yi n t e g r a t e da n de a s yt oi m p l e m e n t ；t h ec o n t r o l s y s t e m ss o f t w a r ew o r k sp r o p e r l ya n df u l f i l la l lf u n c t i o n s , t h ec o r r e c t n e s so f t h ew h o l e d e s i g ni sv a l i d a t e d k e y w o r d s ：s o f ts w i t c h i n g ；f u l lb r i d g ep h a s e - s h i f t ；c h a r g e r ；u c c 3 8 9 5 c l a s s n o ：t m 4 6 1 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期：哕年h 月彬e t 义扇 f。q 柳阳 躲 者 沙 睹 沙 交 期 仑 j 越 卦 靴 氍 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意 靴? 鹳柳义 签字日期：w 垆u 乡 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 姜久春老师对我的关心和指导 姜久春教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向姜久春教授表示衷心的谢意 张维戈老师对于我的科研工作和论文都给了很大的帮助，在此表示衷心的感 谢 在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇、吴志强等同学对我论文和研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 大功率电池的广泛应用对充电设备提出了更高的要求，要求充电机在町靠性， 效率，充电控制等方面都有较好的表现。本文将移相全桥零电压零电流软开关变 换器引入到充电机的设计中。并在控制，结构，人机界面等多方面进行了优化设 计。最后样机的实验结果证明这种拓扑应用在充电机中是可行的。本文为奥运会 电动公交车充电站的设计做前期的技术储备。 1 引言 1 1 电力电子及软开关技术的发展 利用半导体电力开关器件和半导体集成电路、微处理器控制系统实现电力变 换和控制，即电力电子变换和控制技术。它是一门综合了电子技术、控制技术和 电力技术的新兴交叉学科。电力电子变换和控制技术被国际电工委员会命名为电 力电子学或称为电力电子技术。电力电子技术是电子技术发展的一个分支，同时 又是多种学科相互渗透、相互交叉的结果。电力电子变换和控制技术是电力技术 ( 发电机、变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络) 、电子技术( 各种电子器 件和处理信息的电子电路) 与控制技术( 连续系统和离散系统控制理论) 三者结合的 交叉学科。目前电力电子技术已经广泛应用于电力、工业、交通、航窄航天、和 家用电器等领域，具有巨大的技术和经济意义“。 人们生活中应用的电能有多种形态。通常把电力分为两大类：交流a c 和直流 d c 。因此，基本的电力电子电路分为四大类型：a c d c 变换电路、d c - a c 变换电 路、d c d c 变换电路和a c a c ，叟换电路。目前有很多种的电力变换电路，主要 有线性放大电路、捕控电路和开关电路。线性电路工作在放大区，损耗大：相控 电路i 磊要笨重的工频变压器和电感，而且它的控制周期是工频，响应速度慢；开 关电源的出现克服了线性稳压电源和相控电源的缺点，具有效率高、体积小、重 量轻的突出优点。 随着功率半导体元器件的发展开关电源的开关频率，功率密度都有了显著的 提高。进一步提高开关频率仍然是开关电源的一个发展方向。但对于常规的d c d c p w m 变换器，进一步提高开关频率会面临许多实际的问题。在常规的d c d cp w m 变换器中，功率开关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断，处于强迫开 关过程，这种开关过程又称为硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 过程。在硬开关下工作的 d c d cp w m 变换器，随着开关频率的上升，一方面开关管的开关损耗会成正比 地上升，使电路的效率大大降低；另一方面，还会产生严重的电磁干扰( e m i ) 噪声。 图1 1 是开关管开关时的电压和电流波形。 贰六一 旷扇严珊 图1 - 1 开关损耗原理图 f i g 1 - i t h ep r j n c i p l eo f s w i t c h i n gl o - - s 由于开关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是 有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，有一个上升时间。 在这段时间里，在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，我们称之 为开通损耗。当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，电流也 不是立即下降到零，同样存在交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗。因此在 开关管工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。在一定条件下， 开关管在每个开关周期内的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率 成正比，开关频率越商，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的 存在限制了变换器的开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。开 关管工作在硬开关时还会产生高d i l d t 和咖，d t ，从而产生电磁干扰e m i 问题。并 且如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开 关管损坏。 克服前述d c d cp w m 变换器在硬开关状态下工作的诸多坷题，8 0 年代以来 软开关c s o l ts w i t c h ) 技术得到了深入广泛的研究并在近些年得到了迅速发展。这 对提高开关频率，进而减小变换器的体积和重量有重要的意义。从图l - 2 可以对比 软开关和硬开关的区别。 软开关硬开关 开 开通渡形 通 i 讨；少一一 t lb 关 关断渡彤i t 差新渡影ii 断 卟! 厂妒 屯 乜 。 图1 - 2 软开关和硬开关的比较 f i g i - 2c o m p a r i s o no f h a r ds w i t c ha n d ns w i t c h 理论上软开关在开通和关断的过程中可以做到电压和电流没有交叠的部分， 2 也就是零损耗开通、关断。软开关变换器大致可以分为i 类：谐振型变换器、零 开关p w m 变换器、零转换p w m 变三种类型，以下将对其进行详细分析1 3 j 【4 】： ( t ) 谐振型变换器 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按j f 弦规律变化，以创造零电 压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变换器。它又 可以分为全谐振璋! 变器准谐振变换器和多谐振变换器三种类型。 ( a ) 全谐振型变换器：一般称之为谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ：该类 变换器实际上是负载谐振型变换器。按负载与谐振电路的连接关系，谐振变换器 可分为两类：一类是负载与谐振酬路相串联，称为串联负载( 或串联输出) 谐振 变换器( s e r i e sl o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ；一类是负载与谐振回路相并联，称为并 联负载( 或并联输出) 谐振变换器( p a r a l l e l l o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ，在谐振变换 器中，谐振元件一直谐振工作，参与谐振工作的全过程。该变换器与负载关系很 大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。 ( b ) 准谐振变换器( q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ：它开关技术的一次飞跃，其 特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。由于正向和反向l c 回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值不同，所以振荡不对称。一般正向正 弦半波大过负向正弦半波，所以常称为准谐振。无论是串联l c 或并联l c 都会产 生准谐振。利用准谐振现象，使电子丌关器件上的电压或电流按正弦规律变化， 从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变换 器。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器( z e r o - c u r r e n t s w i t c h i n g q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 和零电压开关准谐振变换器( z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ( c ) 多谐振变换器( m u l t i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ：它和准谐振变换器一样，也 是开关技术的一次飞跃，其特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全 程参与。多谐振变换器的谐振回路、参数可以超过两个，例如三个或更多，称为 多谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关。这类变换器需要采 用频率调制控制方法。为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随负荷变化 而变化( 或基本不变) ，谐振、准谐振和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以 是调频系统。调频系统不如p w m 开关变换器那样易控，这是因为调频系统是依靠 l 、c 振荡使得电路产生谐振和准谐振的，l 、c 振荡所产生的正弦波具有较高的 电压或电流的有效值，通常会使导电损耗有所增加，功率器件所受的电压与电流 的应力都要比相应的硬开关p w m 变换电路功率器件承受的压力大，并且该应力随 电路的q 值和负载变化而变化。调频系统是依靠改变开关频率来改变变换器的输 出，开关频率大范围变化使得滤波器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制，而 3 韭宝窑夔叁堂亟土堂建i 盒塞 且由于调频来调节输出，负载变化大时，相应的电压和电流调节范围比相应p w m 变换电路窄，超前一定范围后，变换电路不能达到零电压或零电流开关条件，不 能达到满载或空载。因此为了克服调频系统的缺点和充分发挥p w m 的优点，出现 了零开关一p w m 变换器和零转换一p w m 变换器。 ( 2 ) 零开关p w m 变换器( z c s p w m 2 v s p w m ) 它可分为零电压开关p w m 变换器( z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n gp w m c o n v e r t e r s ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) 该类变换器 是在准谐振变换器的基础上，加上一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程， 实现恒定频率控制，即实现p w m 控制。这样，变换器即有电压过零( 或电流过零) 控制的软开关特点，又有p w m 恒频调宽的特点这时谐振网络中的电感是与主开 关串联的。与准谐振变换器不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比 很短。 ( 3 ) 零转换p w m 变换器( z v t - p w m , z c t - p w m ) 零转换p w m 变换器，与零开关p w m 变换器并无本质上的差别，也是软开关 与p w m 的结合。只不过谐振网络与主电子开关是相并联的。它可分为零电压转换 p w m 变换器( z e r o - v o l t a g e - t r a n s i t i o np w m c o n v e r t e r s z v tp w mc o n v e n e 倦) 和零 电流开关p w m 变换器( z c r o - c u n e n t - t r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r s z v tp w m c o l l v e r t e r $ ) 这类变换器是软开关技术的又一个飞跃。它的特点是变换器工作在 p w m 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时问，实现开关管的 软开关，在其他时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。 近年来国内外对软开关理论进行了深入研究，软开关技术得到了广泛的应用。 电力电子变换器具有更高的开关频率，更高的功率密度，更强的可靠性；并且还 有效的减小了噪声污染和电磁干扰。现在每年都有大量应用软开关技术的电力电 予变换器出现在市场。 1 2 本文的主要内容 本设计是把软开关这一电力电子新技术应用到传统的电池充电电源中。研制 采用副边辅助回路的全桥移相z v z c s 软开关充电机，以提高电源的性能指标。充 电机三相四线输入，直流输出。最大输出电压1 3 0 v ，最大输出电流8 0 a 。研发的 样机整机效率在9 2 以上，开关频率2 0 k h z 。研制此充电机是为了探索这种软开 关拓扑在生产实践中的应用，并为奥运纯电动汽车充电站建设做技术积累 4 2 全桥软开关电路的比较与选择 2 1 全桥移相软开关技术 软开关全桥p w m 变换电路作为目前中大功率应用场合的首选拓扑，一直是研 究人员关注的热点。近年来，国内外相继提出了多种适用于中大功率应用场合的 全桥软开关技术，大致可以分为三类l 纠：全桥零电压开关p w m 变换器( f b _ 一z v s p w m ) ；全桥零电压零电流开关p w m 交换器( f b z v z c s p w m ) ；全 桥零电流开关p w m 变换器( f b z c s _ p w m ) 。 图2 - 1 就是一种f b - z v s - p w m 变换器。这种电路可以实现四个管子的零电 压开通和关断，这种电路的最大优点是它无需额外的谐振回路，不需要额外的元 件就可以实现软开关，器件应力小，这种电路对于m o s 管可以明显的减小开关损 ，1 l l 一 - 4 1 1 t “ l 一1 图2 - 1f b z v s p w m 变换器 f i g 2 1 f b - z v s _ p w mc , o r l v g t t e r 耗。但本文介绍的1 0 k w 充电机使用i b g t 作为开关器件。i g b t 的丰要损耗来自 拖尾电流，减小i g b t 的开关损耗主要是要减小因拖尾电流引起的关断损耗。 图2 - 2f b 一z c s _ 呻w m 变换器 f i g 2 2 f 口- z v s _ p w mc o n v e r t e r 5 蚋 j 圈2 - 2 介绍的是一种零电流软开关。对于减小i g b t 的开关损耗，零电流软开 关电路无疑是一种最佳的选择。它可以实现四个管子的零电流关断。但现有的几 种z c s 拓扑存在控制及保护网难问题，还有待进一步研究。 图2 - 3 是一种全桥零电压零电流软开关电路。它的两个桥臂分为超前臂和滞后 臂。超前臂零电压开关，滞后臂零电流开关 2、2 、喃q ： j u 2 ： l 图2 - 3f b - - z v z c s p w m 变换嚣 f i g 2 - 3 同b _ z v z c 中w mc o n v e r t 茁 从应用效果和电路的成熟性来考虑，本文中的充电机选择了全桥零电压零电 流软开关电路。在f b z v z c s p w m 软开关电路中，超前臂的零电压开关主要依 靠并联的电容和变压器漏感米实现。滞后臂零电流的实现有多种方式。图2 - 3 介绍 的电路是在副边采用有源器件构成谐振回路的方法。它增加了控制的复杂程度。 使整机的成本提高，系统的可靠性降低。在工程实践中我们希望系统简单可靠， 下面介绍几种利用无源器件使原边电流复位的电路拓扑 ( 1 ) 原边串联隔直电容和饱和电抗器1 6 j 图2 - 4 这种电路中饱和电抗器在正 常工作时工作在饱和状态，在换相期间可以阻l 卜下半个周期导通时的电流上升。 还可以扩大软开关的实现范围。电路在换相期问依靠隔直电容使原边电流复位， 实现零电流关断。缺点是饱和电感的损耗比较大，影响了整个系统得效率 图2 - 4 带饱和电感和隔直电容的软开关电路 f i g 2 - 4 c i r c u i t d i a g r a m o f s o t s w i t c h c o n v e r t e r w i t h a b l o c k i n g c a p a c i t o r 训as a t u r a b l ei n d u e w r 6 ( 2 ) 利用副边能量恢复缓冲回路【7 1 。如图2 - 5 。这种电路中的谐振回路由小 二极管，小电容等无源器件构成。副边箝位电容在换相期间箝位副边电压，通过 折射到原边的电压强迫原边电流复位。这种电路结构简单，有较高的 程应用价 值。本文的充电机就采用了一种改进的副边能量恢复缓冲回路，实现原边电流复 位。 图2 - 6 利用i g b t 反向击穿特性的软开关电路 f i g 2 - 6 c i r c u i td i a 掣a mo f s o f ts w i t c hc o n v e r t e r u s i n gi c v 日s ca v a l a n c h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ei g b t 7 2 2 使用副边能量缓冲回路的几种全桥移相软开关拓扑比较 在使用副边能量恢复缓冲回路的软开关电路中，如何给箝位电容充电也有多 种方法，下面就介绍一下几种不同的拓扑。 ( 1 ) 利用变压器的辅助绕组来构成一个回路给箝位电容充电。如图2 5 。它 在变压器副边增加了一个绕组，此绕组经过一个小的二极管整流桥给箝位电容充 电，在换向期间电容c c 经d h 放电筘位副边电压。这种电路需要对变压器进行特 殊的设计，增加了额外的成本 ( 2 ) 图2 7 利用三个二极管和两个小电容组成的简单辅助回路给电容充电 例在这种电路中没有有源器件，回路简单。不需要额外的控制，便于工程应用。 本文中的充电机应用了在此种拓扑的改进电路。 图2 7 利用简单副边能量恢复缓冲回路的软开关电路 f i 9 2 - 7 c i r c u i td i a g r a mo f s o f t s w i t c hc o n v e r t e rw i t has i m p l es e c o n d a r y e n e r g yr e c o v e r ys n u b b e r ( 3 ) 图2 - 8 中的电路利用耦合电感给箝位电容充电l ”j ，这种充电方式使得 箝位电容的充电电流和输出电流成正比关系。在零电压零电流软开关中，超前臂 的零电压软开关的实现和滞后臂零电流软开关的实现是一对矛盾零电压是靠漏 感上储存的能量来抽干( 充满) 管予并联的小电容来实现的。理论上说它希望并 _l _l jl c o = l = il 图2 4 利用耦合电感的软开关电路 f i 9 2 - $ c i r c u i td i a g r a mo f s o t ts w i t c hc o n v e r t o rw i t hac o u p l e do u t p u ti n d u c t o r 8 全盘筮珏羞虫堕的出拉生选搔 联的电容尽量大。这样关断时的电压上升的慢，电压和电流交叠的部分小，损耗 也小。并联的电容大，要实现软开关就需要漏感上的能量足够大，也就是原边电 流足够大。但滞后臂的零电流关断需要原边电流尽快地复位。原边电流越大，电 流复位就越困难。采用耦合电感给箝位电容充电的方式，可以较好的解决这个问 题。当负载电流大的时候，箝位电容上储存的能量多，筘位作用强，可以迫使原 边电流更快的复位。当负载电流小的时候，箝位电容上储存的能蹙小，使原边电 流复位慢一些以保证超前臂的零电压软开关的实现。这样可以扩大软开关的范 围，克服了超前臂零电压软开关在轻载的时候难以实现的缺点。从理论上讲这种 电路是一种比较理想的软开关拓扑。但是耦合电感不仅加工复杂成本高，而且增 加了额外的损耗。 9 韭塞銮适盍堂亟堂僮 逾 塞 3 主电路工作原理分析 本文中的l o k w 软开关充电机是采用的是一种由图2 7 所示电路简化而来的电 路，如图3 - 1 所示。它比图2 7 中的电路少了一只二极管和一只电容，进一步的 简化了电路，降低了成本。在这种电路的四个开关管s 1 - $ 4 中，s l 和s 3 是超前臂， s 2 、s 4 是滞后臂。c l 和c 3 是超前臂上并联的缓冲电容。工膳是变压器的原边漏感。 谐振电容c c ，二极管d c 和d h 在副边构成一个能量缓冲电路，在换相期间复位原 边电流l o 、c o 构成输出的l c 滤波电路。 图3 - 1 主电路拓扑 f i g 3 - it o p o l o g yo f m a i nc i r c u i t 3 1 软开关工作过程分析【1 1 1 如图p 2 整个软开关电路的工作过程共分为九个阶段图3 - 3 是九个工作阶段 中的相关电压、电流波形首先我们对电路原副边参数归算 玎：n _ l 2( 3 一1 ) l 班 乃，= 等= 孟= 砉鲁= 砉乙z c s z ， 所以副边参数折合到原边为与r 、丢工、n 2 c 下面我们就对这九个工作阶段逐 一进行分析。 一一 模式l模式5 西i 卿西璃 西晌匿响 醉璃懂净晌 模式4模静 图3 - 2 工作模式等效图 f i g 3 - 2 e q u i v a l e n tc i r c u i t sf o re a c ho p e r a t i n gm o d e 图3 - 3 工作波形圈 f i f r 3 3t h eo p e r a t i o nw a v e f o r m m o d e l ( t o ，i ) ：s 1 和s 4 管同时导通，二极管i c 导通形成谐振回路，漏感和副 边电容谐振，副边电流和整流桥电压谐振上升。等效回路见图3 - 2 。简化电路见图 3 - 4 。所以可以得到方程3 - 3 ”k v o 图3 - 4 等效电路图 f i g 3 - 4 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s c 争飞锄匕吲 ( 3 - 3 ) “c c ( f ) 。( 1 一c o s h 屹v o ) 所以由方程3 - 4 可以求出在周期，r 时谐振电容上有最大电压2 ( ”巧一v o ) 谐振周期由 t = 砣万三，七g 确定当半个周期后副边电流恢复到，。，谐振电容上的电压达到 最大值2 如- v 。) m o d e 2 ( t 1 t 2 ) ：这时d c 截止，整流桥+ 卜的电眶变为”瞻( 当占空比大于0 5 ) 并保持到这半个周期的结束。谐振电容上的电压被嵌位在2 0 巧- v 。) 负载功率 完全由原边提供。 v o = d n 珞( 3 - 5 ) p 乙( ，) = ( 疗v s 一砀) ( 1 一c o s 耐) = ( 1 一d - ( 1 一c o s m t )0 - 6 ) v c cm “= 2 0 一d 加v s ( 3 - 7 ) 由式3 7 可以看出当占空比d 小于等于0 5 的时候吃，m n v s ，电容上会通过 d h 放电，直到c c 上的电压等于n v s 。 m o d e 3 ( t 2 - t 3 ) ：s l 关断，s 4 保持导通。原边电流在漏感上膳的作用下保持方 向不变给c l 充电给c 3 放电q 的电压上升，c 3 的电压下降变压器两端的电压 快速线性的下降。如果认为漏感足够大，原边电流，l l 基本保持不变，电路的等效 图如图3 - 5 变压器原边的电压p 盔如式3 1 0 所示也线性下降 1 2 幽3 5 等效电路幽 f i g 3 5 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s v c l ( 0 = v c ，( o 一) + 筝 ( 3 8 ) ，( f ) = ，( o 一) + 掣 ( 3 - 9 ) j a b = 吃32 一石雨n l o ( 3 一l o ) m o d e 4 ( t 3 t 。) ：变压器副边电压与原边以相同的速率下降，当电压下降到 2 ( n v s v o ) 时，d h 导通，c c 放电，副边电压被电容电压箝位并反射剑原边。原 边电流，p 在反射电压的作用下快速下降，p 仍然给c l3 e 电c 3 放电。等效电路如 图3 - 6 所示。 。一f 沁一、 + i c l + 叶矿q 十怕 i。一，一 图3 6 等效电路图 f i g 3 - 6 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s 厥边电流，。可以表示为式3 - i i 。 州2 心蔫+ 叱焘( 3 1 1 ) 如玩1 + 丽i 丽= 等藉 ( 3 - 1 2 ) k 撑2 c ck ( c l + g ) k 疗2 q ( c l + g ) 、 m o d e s ( t ，) ：q 被完全放电到零，d 3 导通。s 3 可以在此阶段零电压开通。 整个反射电压加在漏感上，电流在反射电压的作用下持续减小。等效电路如图3 - 7 设初始状态下原边电流为“o 一) ，则原边电流可表示为式3 - 1 3 。 图3 7 等效电路图 f j 备3 7 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s l p ( ，) ：( 即一) 一，l ，d ) c 0 $ 0 5 1 - - 霉堕s i n e a t + d d ( 3 - 1 3 ) o ：l i k 刀 m o d e 6 ( t ，一t 。) ：当原边电流完全为零后。变压器副边输出电流为零，负载电 流完全由谐振电容提供。副边电压快速下降，在此阶段结束时下降到零。副边等 效电路如图3 - 8 。设上一阶段结束的时候副边谐振电容上的电压为u ( o 一) 。 罔3 8 等效电路图 f i g 3 8 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s = 硼户警 ( 3 - 1 4 ) m o d e ( t 。f ，) ：谐振电容的电压下降到零后，副边整流桥臂二极管导通，副 边电流由滤波电感通过整流桥臂续流。 m o d e s ( t ，f 1 ) ；在此阶段s 4 关断，此时原边的电压电流都为零。s 4 是零电 压、零电流关断 m o d e 9 ( t 。f ，) ：s 2 零电流开遥，电流在漏感的抑制下线性上升 知。嚣 ( 扣”) 3 2 软开关实现条件分析 在s l 关断之后，超前臂上的电容c l 的电压要在死区时间乃内升到母线电压， 同时c 3 上的电压要由母线电压降到零，也就是说在恒定的负载电流下要在死区时 l 问r d 内要把电容上的电荷抽干。 v s ( c 1 + c 3 ) - n 1 0 t d( 3 1 6 ) 4 充电机主电路设计【1 2 l 根据上一章分析的电路拓扑结构，本文设计研制了1 0 k w 移相全桥z v z c s 充 电机此充电机是为机车车载蓄电池组充电而设计的专用充电电源。其基本技术 指标为： ( 1 ) i 相四线3 8 0 1 0 v 输入。 ( 2 ) 最大输出电压为1 3 0 v 。 ， ( 3 ) 最大输出电流。 “) 满载效率在9 0 以上 ( 5 ) 电压纹波l 图4 - l 充电机主电路拓扑 f 螗4 1 t o p o l o g yo f d l a l l g e r sm a i nc h c u i t 图4 1 是充电机主电路原理图现在对主电路简单说明：在三相进线首先和一 个三相接触器j l 相连，这个接触器是用来短路串入三相输入中的三个预充电电阻 r 1 、r 2 、r 3 的。上面由接触器和电阻组成一个给输入电容预充电的电路经过预 充电电路后，三相交流输入二极管i 相整流桥。整流桥得后丽是支撑电容c k 。母 线上还有一个r c d 吸收回路。它可以吸收母线上得振荡和尖峰。原边i g b t 桥和高 频变压器之间串联了一组隔直电容c 5 ，以矫正变压器的直流偏磁。副边是二极管 全桥整流电路。在电感的出线与能量缓冲【旦l 路二极管o c 连接的节点a 之后有一个 电流传感器。电流传感器位置很重要。如果电流传感器放在电容之后，小利于调 节器提高响应速度。电流传感器也不能放在a 点的左边。因为输m 电流中有一部 分是经过能量缓冲回路输出到负载的。在r ，假负载得后面还有一个防l i 二电池反接 的接触器j 2 。从电路图上可以看出如果没有j 2 ，当电池反接得时候整流二极管会 短路。j 2 平时是断开的，充电机每次开机时先检测电池电压，当发现电池接反的 时候j 2 会保持断开状念，只有当电池电压正常时j 2 才会吸合。 4 1 主变压器设计 三相交流不控整流后的直流电压为 r i , = 1 3 5 研( 1 o 1 ) = 1 3 5 3 8 0 0 o 0 v = 4 6 1 v 5 6 4 v( 4 - 1 ) n = 1 3 5 u i = 1 3 5 x 3 9 0 = 5 1 3 v ( 4 - 2 ) 设计额定输出电压为1 3 0 v 。考虑系统町靠性，这吧把同一桥臂上下管之问的 死区时间设为r d = 5 肺。人类的正常听觉频率范围为5 0 2 0 0 0 0 h z ，为了降低充 电机得t = 作噪卢，我们应把开关频率设计为2 0k h z 以上。但开关频率提高义会加 大开关损耗。综合考虑噪音和效率，我们把开关频率定为2 0 k z ，t = 5 0 9 s 。从 上一章得分析可以看出在死区时间内原边电流不能复位，否则s 3 不能保证零电压 开通。只有当死区结束后原边电流才能复位，然后再使s 4 零电流关断。我们设从 死区结束到s 4 关断得时间为0 砣膨。所以最大占空比可以表示成式4 - 3 。设计的 额定输出u o = 1 3 0 v d m 。：兰堑掣= 0 7 2( 4 - 3 ) n r j , , = 等= i $ 0 v( 4 4 ) l m a x l f 兴l = o 3 9 ( 4 5 ) ，i n m i n 再考虑到开关管和变压器等元件损耗我们将变比整定为鲁= ； 1 7 表4 - l 受雎器参瓤 t a b l e - 4 - l p a r a n e t e to f m m s f o r m e r 充电机选择南京新康达公司的环型铁氧体磁芯，磁芯有效面积以= 1 2 8 0 r a m 2 ， 窗口面积s = 3 0 27 r = 2 8 2 6 m m 2 ，磁芯的最高工作磁密取占k = o 2 t 。每个变压器原 边绕组匝数由下式确定： p = z 矿i n 瓦m j a x i = i i 五i 而f 忑5 6 五4 i 五i 孑= 2 8 匝 ( 4 。6 ) 副边绕组匝数： 以= 誓= 惫圳匝 则其有效值： = 4 0 a ( 4 - 8 ) 次边电流有效值： l = 熹= 4 0 2 = 8 0 a 阻 选取导线电流密度j = 3 a m m 2 ，则原边导线的截面积： = 等= 4 3 0 _ 1 4 ( 4 - t o ) 副边导线的截面积： s ：冬：8 0 ，：2 7 m m 2 ( 4 - 1 t )。 ， 3 原边和副边导线总截面积所占用的总窗口面积百分比： 虬= s p x n p 了+ 一s sx n s = 1 4 x 可2 8 + i j 2 f 7 x 一1 4 = 2 7 2 ( 4 1 2 ) 4 2 高频电感设计 设计高频电感首先要确定电感量的大小。额定输出电流为8 0 a ，在一个开关周 期中电感电流允许波动的峰峰值虬。= 8 0 x 2 0 = 1 6a 最大占空比 d m 。= o 7 2 ，有电感电流的上升时间，= t x d j l r x 品舻_ 1 1 5 膨副边电 压的最大值u a u = 妻m “宅8 2 v 。额定输出u o = 1 3 0 v 所以带入可以求得所需要 的电感量。 上：( u a v - u o ) a t ：1 0 9 d - ( 4 1 3 ) a o m “ 所以电感整定为i o o j 日。 高频电感技术指标 4 3 输入滤波电容设计 表4 - 2 电感参数 t a b l e 4 - 2p a r a m e t e ro f j n d u c t o r 按经验公式计算 吲5 而i 2 j ( 5 - 8 ) = 4 3 6 一胪 ( 4 1 4 ) 这里，为5 0 h z , r 为输出电阻，为输入功率( 效率按0 9 算) 所以输入电 容至少要大于7 0 0 uf 。直流母线电压的最高电压为5 6 4 v 。实际中要考虑工作环境 温度对电解电容的电容量影响，还有电容发热和一些特殊的测试要求。最后经实 验输入电容采用了2 4 只n i c h i c o n 公司生产的l g u 2 w 4 7 1 m e l c 电解电容。电容的 韭 塞銮塑盘堂塑堂僮 j 金 塞 电容值为4 7 0 伊，耐压值为4 5 0 v ，1 2 只一组并联，两组串联使用输入滤波电 容的总电容量c f n = 1 2 4 7 0 = 5 6 4 0 旷 4 4 输出滤波电容设计 设计电压纹波为1 以下，所以a u = 1 3 0 x 0 0 1 v = i 3 v ，代入由4 1 2 节中计 算得到的a = 1 6 a ， c 口 8 屯a v o8 4 0 1 0 3 1 3 - - 3 8 5 ，( 4 - 1 5 ) 式中兀l 是整流桥输出的电压频率。纹波电流1 6 a ，我们取了8 只4 7 0 2 f 4 5 0 v 的电容，平均每只电容承受的纹波电流为2 a ac o = 8 x 4 7 0 p f = 3 7 6 0 f 4 5 i g b t 的选择 由4 1 1 节讨论知，变换器原边电压最大值m “= 5 1 3 x ( 1 + l 句v ；5 4 6 v ， 考虑到2 倍左右的裕量，可以选择酎压值为1 2 0 0 v 的i g b t 模块 可得原边电流的有效值，p = 4 0 a ，考虑到裕量和系统的散热，选取e u p e c 公 司的d b _ f f 2 0 0 r 1 2 k e 3 型号的i g b t 模块，耐压值为1 2 0 0 v ，最大工作电流为 2 0 0 a 4 6 副边整流二极管的选择 由4 1 1 节讨论知，变换器的副边最大电压是2 7 3 v 文章3 1 中m o d e l 阶段 的分析可知，在启动时最大的谐振电压为两倍的副边电压5 4 6 v 再取两倍的余量， 所以选择i 2 0 0 v 耐压的整流二极管。副边的最大工作电流是8 0 a 我们选择了i x y s 公司生产的d s e l 2 1 0 1 1 2 a 型快恢复二极管模块它在一个模块中封装了两个二 极管。每个二极管耐压值为1 2 0 0 v ，平均工作电流为9 1 a ，反向恢复时闯4 0 n s 考虑到散热条件和系统的可靠性，我们使用了8 个二极管模块( 两个模块并联) 组成一个全桥整流电路 4 7 超前桥臂开关管并联电容计算 超前桥臂的开关管上并联电容是为了实现超前桥臂开关管的零电压开通和关 断，以减小开关损耗。 当变换器工作在额定功率下，此时输入电压瞻= 5 1 3 v ，则输入电流为： i i n = d m e o 。2 罴- 2 7 4 。 ( 4 1 6 ) 第二章的分析中给出了超前桥臂实现z v s 的条件，式2 - ii 表明了在死区时间 内，开关管并联电容上的电荷要被完全抽净。为满足这一要求并能够得到较大的 超前桥臂软开关的范围，设变换器在额定功率下经过a t = 2 a s 能够达到z v s 要求， 此时每个开关管的并联电容为 q = q = 箦= 鼍等= 0 0 5 2 ( 4 17 ) 考虑到i g b t 本身的寄生电容及隔直电容对超前臂软开关的影响，每个开 关管并联电容用两个l o n f 电容并联，即c 1 i c l = 2 l o n f = 2 0 n f 。我们再来 简单估算超前臂软开关的范围。取i 二下桥臂的死区时间为5 脚，由式4 1 0 可得， 在输入电压为额定电压，即v i n = 5 1 3 v 时，能完全满足z v s 条件的原边电流值 为l i n ：! ! 咝! ! ! ：羔塑：4 1 a 即在人于1 5 2 负载的工况f ，变换器能够 5 1 0 一。 实现超前桥臂开关管的z v s 。 4 8 副边箝位电容的选取 副边箝位电容的主要作用：一是筘位变换器输出整流二极管的电压，降低整 流二极管的电压应力；二是超前桥臂的开关管关断后，筘位电容上的电压反射到 变压器原边，使原边电流下降到零，实现滞后桥臂的z c s 。由第三章的3 1 电路拓 扑原理分析中可得，副边筘位电容两端的最高电压为吆o = 2 ( n 圪一r o ) 。当输出电 压匕= o v 时，即变换器的启动工作阶段，副边筘位电容两端的最高电压 o 。= 2 2 7