（电力电子与电力传动专业论文）6kva三相单相400hz静止变流器研究.pdf

6 k v a = , f r t i _ 桐4 0 0 h z 静止变流器研究 a b s t r a c t a6 k v aa v i a t i o ns t a t i c i n v e r t e r ( a s i ) i sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r t h ea s i c o n s i s t so ft h ed cl i n k 、w h i c hc o n c l u d e st h ef o u ri s o l a t e dd c d cc o n v e r t e r sa n d t h ea cl i n k ，w h i c h a d o p t st h ec a s c a d ei n v e r t e rw i t hi n s t a n t a n e o u sc a p a c i t o r - c u r r e n t f e e d b a c k f i r s t l y ，t h eo p e r a t i o n o ft h e a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e ( a h b ) c o n v e r t e ri s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ez v s c o n d i t i o n sf o rt h es w i t c h e sa r ed e d u c e di nt h e o r y t h e s m a l l s i g n a lm o d e li sa l s op r e s e n t e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s a r eg i v e n ，w h i c hv e r i f i e dt h et h e o r e t i ca n a l y s i s s e c o n d l y , i no r d e rt or e d u c et h e d i o d e v o l t a g es t r e s s ，a ni m p r o v e da h bc o n v e r t e r i s p r o p o s e d t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft h ei m p r o v e da h b c o n v e r t e ri si n t r o d u c e d ，a n dt h er e s u l t so fb o 廿lt h e s i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ev o l t a g es t r e s so nt h ed i o d e so ft h e i m p r o v e da h b i sl o w e rt h a nt h ev o l t a g es t r e s so nt h ed i o d e so f t h et r a d i t i o n a l t h u s ， t h ei m p r o v e da h bc o n v e r t e ri se m p l o y e da st h ed cl i n ko ft h ea s i t h i r d l y ，t h e a cl i n ko ft h ea s lw a sd e s i g n e d f i n a l l yt h e6 k v a a v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e ri sb u i l t a n dt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t a r eg i v e n k e yw or d s ：a v i a t i o ns t a t i c c o n v e r t e r , a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e r , s m a l l s i g n a l ，i m p r o v e da s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e r , c a p a c i t a n c ec u r r e n tf e e d b a c k ， c a s c a d e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日 期： 南京航窄航天大学坝十学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 航空静止变流器即s i - a e r o n a u t i c a l s t a t i ci n v e r t e r ) 1 1 是航空电源系统的二次电 源，它用于将弋机上2 8 v d c 、2 7 0 v d c 、单相1 1 5 v 4 0 0 h z 或三相1 1 5 v 4 0 0 h z 的 交流电变换成其他型式的交流电。 根据不同的输入输出电气要求，航空静止变流器框架结构一般有三类： d c a c 拓扑直接把输入2 8 v 或2 7 0 v 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 输出电压调整到所需幅值。 d c d c d c a c 拓扑前级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，同时实现输入输出电气隔离。d c a c 再将直流电逆变成 所需的交流电。 a c d c d c d c d c a c 拓扑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合适于逆变器输入要求的值，再转变为频率固定的交流 电。d c d c d c a c 的功能与前面一致。 随着飞机技术迅速发展，对航空静止变流器的要求也越来越高。航空静止 变流器的基本技术要求有两类f 2 】：使用要求和电能质量要求。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。 静j ：变流器的研制主要经历了三个发展阶段p j ：低频隔离静止变流器；正弦 脉宽调制式静j ：变流器和软丌关组合式静止变流器。 低频隔离静止变流器有方波式静止变流器和多重化静止变流器= 种型式。 力波式静止变流器主要由推挽电路、输出低频变压器和交流滤波器组成。这种 电路的优点在于，电路拓扑简洁，功率器件数目少：但是，其缺点在于 变压器工作频率低，体积和重量大，并且噪声严重； 由于输出电压为方波电压，故其输出电压波形失真度大。 多熏化静止变流器由升压式变换器和阶梯波合成逆变器构成，同样有低频 6 k v a 三相单相4 0 0 h z 静止变流器研究 输出变压器，体积重量大等缺点。 i t ! 弦脉宽调制f s p w m ) 静止变流器由f ； 级直流变换器和后级s p w m 逆变器 纰成。该电路先将输入2 8 v 或2 7 0 v 电压通过前级高频直流变换器升压隔离，然 后将输出高压直流电直接逆变成1 1 5 4 0 0 h z 交流输出。这种变流器具有如下优 点： 利用高频变压器实现电气隔离，后级逆变器工作在s p w m 方式，输出波形谐 波含量小，可以较大幅减小输出滤波器的体积，从而减小系统的体积重量； 系统的前级和后缴分别采用独立闭环控制，提高了系统的响应速度。 但这种电路的功率器件都工作在高电压开关状态，电磁干扰严重，而且受到 功率器件的限制，难以进一步提高系统的开关频率和整机效率。 软丌关组合式静止变流器也是由高频隔离直流变换器和高频逆变器构成， 自u 级直流变换器采用软丌关方案，输出脉冲直流电，后级逆变器功率器件在脉 冲直流电的过零期剐丌关转换，因此也是软开关的，这种静止变流器开关频率 比前种有所提高，变流器总体性能也有所提高，但电路和控制复杂。 1 2 本文的主要内容 菜型飞机需要采用将三相1 1 5 v 1 4 0 0 h z 交流电变换为单相4 0 0 h z 交流电的 静止变流器。原方案为二级功率变换，第一级b u c k 变换器将2 7 0 v 1 0 直流 f 乜变换为2 0 0 v 左右的直流电，第二级逆变器采用s 脚盱w m 将2 0 0 v 的直流电逆 变为4 0 0 h z 交流电，并经输出变压器隔离。该变换器体积重量较大，效率较低， 动态特性筹。 本文主要工作是高频隔离6 k v a 三相单相4 0 0 h z 逆变器的研究。各章内容如 第章 第二章 的选择 第= i 章 第删章 第“f l 第六章 绪沧主要介绍了本课题的研究背景、研究的主要内容。 介绍静止变流器整体方案设计。包括直流环节拓扑和交流环节控制方案 介绍不对称半桥电路的构成、工作原理，并设计制作一台样机 分析传统不对称半桥的缺点，采用改进电路，并设计制作样机 介绍了逆变器控制电路和主电路的设计过程，给出了实验结果 展望卜一步的工作 南京航窄航天大学顺卜学位论文 第二章2 7 0 v 输入6 k v a4 0 0 h z 静止变流器方案设计 2 1 模板化航空静止变流器 2 7 0 v 输入6 k v a4 0 0 h z 静止变流器采用模板化航空静止变流器 3 】【4 】的方案。 该方案总体构成上采用级联型逆变器和直流变换器组合而成。直流环节由四个 完全独立、相互隔离、规格一致的直流电源模块构成，每个变换器都有自己独 立的一套闭环控制电路；逆变环节主要由驱动功率板，控制电路和输出交流滤 波器组成。具体的系统原理图如图2 ，1 所示。 圈2 1 新型静止变流器的电气原理图 6 t 删静止变流器由4 个直流变换器和4 个逆变器构成，系统内只有四种功 能的r 乜路板( 另二种为控制板和滤波器板) ，实现了功率的分布式变换，使系统 的热源分散、工艺和结构设计简化，而且具有内在的冗余性能，其中任何一个 功率举，l 故障，系统仍可降去功率后正常使用。 2 2 级联逆变器的p w m 调制技术与电容电流瞬时值反馈技术的原理 2 2 1 级联逆变器及其p w m 调制技术 具有独立直流电源的级联例逆变器是一种多电平逆变器 6 】l ”，因而捌有多电 1 f 逆变器的共同优点：随着电平数增加，输出电压谐波含量降低、谐波次数提 高、丌关麻力减小等。同其他形式的多电甲逆变器( 如二极管钳位多电平变换 6 k v a 三相惮柙4 0 0 h z 静止变流器研究 器嘲、飞跨电容型多电平逆变器【8 ) 拓扑相比，级联型逆交器没有直流侧分压 l 乜容4 i 均压等问题；当电平数比较大时，级联型逆变器省去了大量的钳位二 极管和毪跨电容。 四单元级联逆变器主电路拓扑如图2 2 所示。它由四个结构完全一样的具有 独立岜流 乜源的单相全桥逆变器组成，不同电平逆变器的交流端电压串联叠加。 四 圈2 , 2 四单元级联逆变器主【b 路拓扑 级联逆变器p w m 调制方式主要有：空间矢量调制技术s v p w m 1 u 1 2 i 载波 移相s p w m 即( ( 甲s s p w m ) 4 】，消谐波p w m 技术1 1 4 1 ，优化阶梯波宽度技术 ”1 等，这甲采用载波移相调制技术( c p s s p w m ) ，单个逆变桥使用倍频调制方 ，即，i 】龋个频率、幅值相r ，相位相反的j l i 弦波与三角波交截，产生两个控 制信写，分别作为每个桥的上桥臂的丌关管的驱动信号。下桥臂的开关管和上 桥臀的丌关管互补导通。单个逆变桥输出单极性的三阶s p m - w 波，且输出波形 的等效丌关频率是丌关管实际开关频率的两倍。级联的四个逆变桥都使用相 下 州的旷弦脉宽调制控制力式，但是，每个桥的载波之间依次相移二 。采用倍频 南京航窄航天大学颈 学位论文 c p s s p w m 的四单元级联逆变器具有很多优点，如输出基波幅值和幅度调制 比m 呈线性关系；谐波分布规律性强，最低次谐波的中心频率提高到8 ，( 厂为 j i ：芙管的盯关频率) 利于输出滤波器的设计。 2 2 2 级联逆变器的电容电流瞬时值反馈技术的原理 该逆变器采用电压电流瞬时值控制技术4 _ | 【1 6 】 1 7 。输出电压瞬时值反馈作为外 环，电压调节器是p ，控制器，其输出作为电流给定值；电容电流反馈作为内环， ；u 流环波为比例调节器式。控制框图如图2 3 所示 出 图2 3 电容电流瞬时值反馈控制框图 参考电压u 。，和输出电压瞬时值的误差信号经过电压调节器作为电流给定信 r di ，电流给定信号与电容电流反馈的误差信号在经过电流调节器产生调制波。 该渊制波和多路相移的三角载波比较，产生多路s p w m 信号，控制各个逆变桥 协同t 作。 。j 电压平均值反馈控制的逆变器相比，由于对输出波形实现闭环控制，并且 增加r 电流内环，电压电流瞬时值反馈较好的解决了输出波形质量和系统响应 速度问题。与采用电感电流瞬时值控制的逆变器相比，采用电容电流瞬时值反 馈控制的逆变器稳定性略有降低，但外特性硬，而且具有更好的非线性负载适 应能力i ”i 。 2 3 变换器直流环节拓扑的选择 该静止变流器直流环节输入电压较高，输出功率较大，并且输入输岛需要 也气隔离，可选片j 的变换器拓扑主要全桥变换器( 助，一舒，匆pc o n v e r t e r ) 、双 僭i r 激变换器( d o u b l et z a n s i s t o tt b r w a c o c o n v e t t e z ) 、半桥变换器 6 k v a - - t h 中相4 0 0 h z 静止变流器研究 l h a 盱i d 譬cc o n v e t t e r ) j 、不蔼酶半掭变换器0 a s t m m e t z i c a h a i f b r i d g e 厂，旧，f p ，) 2 0 j 等类型。r 面就其中几种变换器拓扑的特点进行简单分析。 1 、全桥变换器 电路拓扑如图2 4 所示，全桥变换器铁心双向磁化，利用率高；功率管承受 电源f c 爪，电压应力低，且易实现软丌关，比较适合大功率场合。但全桥变换 器功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且变压器铁心存在直流偏磁现象，桥 臂可能出现直通现象。 图2 5 磺管正激变换器主电路圈 ： 、传统的： 桥变换器 乜路拓扑如图2 6 所示，使用传统方法控制的半桥变换器铁芯双向磁化， , f l j h j 率高，且不存在偏磁。功率管上最大电压只有 ，。，电压应力低，因此半桥 变换器通常用于高输入电压中功率场合，但是开关管的电流定额为全桥变换器 的两倍，而且半桥变换器很难实现软丌关，变换效率低刚。 南京航卒航天大学坝l 一学位论殳 骚曲 蛰。曲 6 k v a 三相，单相4 0 0 h z 静止变流嚣研究 第三章不对称半桥变换器研制 不对称半桥电路f 2 。 f 2 3 i t 2 4 】【2 5 1 结构简单，在不增加额外器件的条件下，仅通过 使用适当的控制方法就可以在很大的占空比变化范围内实现主开关管的零电压 丌通；同时，它在占空比变化很大的情况下仍能保持零电压开通的条件。本章 选择副边采用双半波整流，并采用电感滤波的拓扑作为对象，分析其工作原理 和z v s 实现的条件，建立小信号模型，给出了样机的参数设计和样机试验结果。 3 1 不对称半桥变换器的工作原理 不对称半桥变换器电路如图3 1 所示。q 。和q ：是电路的主开关管，c i 和c ： 是主丌关管卜的寄生电容，c 是隔直电容，l 是谐振电感，变压器的副边采用 舣半波整流方式，c 。、l 。分别是输出滤波电容和电感。 + v 幽31 不对称、r 桥变换器主电路幽 3 1 1 工作模态分析 j 置q l 平q ：在不对称脉宽调制控制下工作时，忽略开关转换过程中的死区n , j m i ，q ，和q ! 的工作周期分别为d t 和( 1 一d ) t 。不对称半桥电路的主要波形如图 3 2 所示，图中由上至下分别为q 。、q ：驱动信号“。、“。，：；流过q ：、q ：的电 流i 。、f 。以及加在输出滤波器卜的电压“。 在分析电路工作过程之前，先作如下假设： 忽略输出二极管的f 向压降和寄生电容； i 劣认为隔氲电容( 1 。足够大， ，= d _ 。； 变瓜器励磁电感很大，认为励磁电流近似为常数f 。，= 。= ( 1 2 d ) l 。，。为输 f 【l 流折合到原边的等效电流： 卿赞 南京航空航天人学砸_ j 学位论文 滤波电感l 。远大于谐振电感上，认为流过l 。的电流连续。 、。降刊卜刊哥b k 恃喇# 号争书悟1 幽3 2 稳态l ：作波形 该电路在一个丌关周期中有8 种工作模态， q 】的占空比d 可在0 到5 0 范 蚓变化。电路工作过程具体分析如下 ( 1 ) 模念1 ( f 。一 ) q 导通，q ：关断，等效电路如图3 3 所示( 图中与变压器并联的电感为变 压器的等效励磁电感) 。在该模态中 j n = f 型； ( 3 t ) 殴j p i ( ，) l = ，那么，该模态结束时流过谐振电感上，的电流 ( 2 ) 模态2 ( ，l f ：) 隆 33 模态1 的等效电路图 ( 3 1 2 ) 每 一 雠 6 k v a = 相单相4 0 0 h z 静止变流器 f 究 ，时刻，岛关断，q ：仍为关断。如图3 4 所示，副边仅一个二极管导通，i ， 等于，_ i ，c ；( q ，的寄生电容) 线性充电，c ：( q ，n n 生电g ) 线性放电，该模 态持续到c ! 上的电压降至d k 。，c 上电压升至( 1 一d ) 。 鳗芷c 玉l ：刘雌l 4 - 幽3 4 模态2 的芬效电路图 对模态2 的等效电路进行简化，可以得出如图3 5 所示电路，图中 c l ! = c 1 c ! 图35 模态2 的等效电路的简化电路 山以上电路可得： g ，：粤：燥! ( 3 3 ) ”( 1 一d ) 所以，l ：f 2 一r l ：( 1 - d _ ) v 一, c 1 2 1 0 l ( 3 4 ) 式中，a t 为模态2 所维持的时间。 ( 3 ) 模念3 ( ，一 ) c ! 上的电压由f 。放电至d k 。，c ，上电压由0 充电至( 1 一d ) 时，加在变压 器原边的电压为零，副边两个二极管同时导通。此时，主功率管的寄生电容与， 谐振。其等效电路如图3 6 所示。该模态持续到c i 上的电压上升至圪而c ：上的 i l = ! _ j l jf 降到0 时亥u进。醯 划36 模态3 的等效电路图 南京航守航天人学坝i 。学位论史 简化模态3 的等效电路可以得出如下电路 圈37 模态3 等效电路的简化电路 出r 述电路，可得到以下关系： “( 去“，沪v 。 经过变换得 萨 o s ( 志( h z ) ) j ! - l jj 得 m h 。压s 叫志”h ，一 邶么 p j 。、j 谐振停止，此刚 j 去蛾：肛矾 d 吆f c ，： ，d l 、上， 所以虬吐_ 2 而a r c s 矾等莎 f 小t t ，f ：为模态3 持续时问。 此时 巳流即模态3 结束时漏感上电流为 i 脚吃c o s 赢蚴叫。吖。12 1 1 ) 恢态1 ( ，3 一，。) ( 3 5 ) ( 3 6 ) f 3 7 1 ( 3 8 ) t 3 9 ) ( 31 0 ) f 3 1 l 、 c ! 上的电压卜降到0 ，q ：寄生二卡及管导通 压 6 k v a = 才日单相4 0 0 h z 静止变流器研究 电容c 。：的 乜压加在谐振电感上，上，该阶段持续到i 。= 0 为止。该阶段是下管 町以零电压丌通的阶段。其等效电路如图3 8 所示 醴8 e 商 图3 8 模态4 的等效电路图 对模念4 的等效电路进行简化，可以得出如图3 9 所示电路 幽39 模态4 等效电路的简化电路 j t 图3 9 ，可得 一些+ 工 ：，s2 ) 5 一 d z , ，= 上，( d i “一o ) ( t 。一f 3 ) 故d t 3 = l 。一f 3 = ，a i ，( o 圪) 式中，出，为模念4 持续时间。 i q - ( 3 1 1 ) 代入，得 ，：j|、1-d 2 v j2c2 1 02 l , d ， 耵 1 | 个模态前列个模态类似，故不赘述。 3 1 2 零电压开通条件分析 将功率刀：关转换时的三个模念持续时间长度写在一起，如下所示 虬= 半等! f2 = 上，( 1 2a r c s i n ( d v , , ，1 a l g ! l ，) ，=，如i_、jl-飞d 2 v i z c i2 ( i o t 2 l , ) ( 3 1 3 ) f 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 南京航卒航天犬学碳，l 学位论文 _ 卜- 式可以得出q ：软丌通条件 凿振时u 。i = ，“( 2 = 0 ，即f2 必须存在，故应满足 些，譬。l n 1 6 ) ( 儿， 绞必须在模态4 出现的时i 刈f 4 通，描述了这段时间的氏度 在夕e 隧时问蚓定的情况f ，q 1 必须始终在模态4 之内开通，即当k ，和，。l 在 要求零电、丌通的范罔内必须使 口7 矗r ( f l + f 2 ) m n ( a t l + f 2 + f 3 )( 3 1 7 ) j 此对应，分析9 的开关状态也可以得出类似表达式。 为作进一步分析，忽略流过滤波电感的电流纹波，忽略因占空比丢失以及死 区m j - i e j j 而降低的电压，输出电压为 吒= 2 d ( 1 一d ) 胛2 1( 3 1 8 ) n ，和 ，分别是变压器的原边* l i ar 边的匝数。 令形：r ，旦可得出 胛2 ，n = 2 d ( i d )( 31 9 ) 因，j ：，尘( ，。为流过负载的电流) ，r 。：与，那么r 。：r 。_ 了7 1 2 门l ，。 胛2 。 i 小对称半挢的特性可得出 ? 。= 2 0 一d ) i 。 ( 3 2 0 ) 则j f 315 ) 呵变为 f ：刍! 堡! 。4 d o d 1 越= 丽a r c s i n ( r , , 上4 ( 1 - d ) 2 悟， b ：- ， r ， 厣叫c 旁_ 仃细研：究的表达式，町以发现如果以志为自变量，那么，屯就 6 k v a 二柏，甲相4 0 0 h z 静止蹙流器i l ： 究 韪该r 变量的减函数。 为r 便y - 工程1 - 的分析计算，这里? 悔出，的表达式作适当的简化与近似，由 c 。很小，通常是纳法数量级的，因此c l ! l ，电很小，可以忽略，则 a t 3 4 ( 1 一矿，一1 亭n ( 3 2 2 ) | 1 ：式町得 三r = 墼( 32 3 ) 上j 。丽丽 p 娃然，“1 b 路参数确定后，d 越大r 输入卧k 越小) ，a t ，越小，所以对于( 3 2 2 ) ， d 就足d 。在实际麻用i h 要求变换器在定的一i 作范嗣内，有足够的a t ，时 间，比如在定负载r 。时，r ，要求有若干纳秒，那么n ( 3 2 3 ) 式可以直接地得 凿振 i 感和最大占空比必须满足的条件。在谐振f 电感大于( 32 3 ) 式的计算结果 的阿提hl t 要，吒。，d d 。，r 。r q ：管就有足够的零电压丌通 时川。 4 j , j 称半桥变换器在d 接近o 5 叫电压调整率非常低( 见式( ，1 9 ) ) ，向d 过 小刚，输入电流脉动很大，并且偏磁很大，所以，在殴计时，通常将其最大占 夺比定在o 4 - 右，由此可以确定变压器的变比，尔后，重新计算占空比，继 | f | ji h 式( 32 3 ) 就可以估算出所需谐振l h 感的大小。 3 2 不对称半桥变换器电路的设计 样机的技术指标如下 输入电压：2 4 3 v 一2 9 7 v 直流输入 输出电压：4 8 v 直流输出 功率：1 5 0 0 w jr 关频率：5 0 k h z 纹波： 0 4 南京航串航天大学硕士学位论文 时电j l i 调整率很小，所以预选d 。、= 0 4 t 由1 8 ) r t j 以得出 生：! ! ! f 3 2 4 ) h l2 d ( 1 一d ) 将n 1 。1 = 2 4 3 v 代入( 3 2 4 ) ，得n 2 ： lz 0 4 5 将_ 。】= 2 9 7 v ，”2 ：n i = 0 4 5 代入( 3 2 4 ) ，得d 。0 2 7 ， 那么，流过原边励磁电感的平均电流的最大值为 ，。= ( i 一2 d ) ，。= ( 1 _ 2 o 2 7 ) 3 1 2 5 0 4 5 = 6 5 a 2 、磁_ _ 芒；：的选取 根据公式 s q2i 函芴1 - i 。巧( 3 2 5 选变压器磁芯【2 6 1 【2 7 】。 埘r 铁氧体k 。= 1 ，取k 。= 0 3 。选用高频铁氧体材料r 2 k b d ，其饱和磁密 j , jo 5 l 1 考虑不对称半桥特有的偏磁现象，a b 不宜选取过大，预选z k b = 0 2 t ， r 0 9 引算得= 1 9 x 1 0 m4 = 1 9 x 1 05 m m 4 m 烈e e 5 5 b 铁心的s = 3 5 4 r a m2 ，q = 3 8 3 m m2 ，阳m2 7 1 0 5 m m4 ，可选用。 文m 数的改 f ：生望璺二竺! ：一! ! ! ：! ：! ! ! ! 二! ：竺：。8 (326)i 2 一一 j 一，- z k b s t0 2 2 3 5 4 1 0 一。5 0 x 1 0 3 选原边绕组为9 ，根据变比要求副边一，取4 。即变压器的绕组匝数为94 ：4 。 1 、励磁j u 感的设训 九2 9 7 v 输入，满载辅： 时，流过变纠i 器原边励磁l | - ：! 感的平均r b 流为最大值 65 , 4 。为川啦不对称、r 桥变换器神限常工作时不会饱和，变压器的励磁电感必 殒小1 ：荣定值。预选，。= 6 5 a 时，b 。，o 1 6 t ，计算出变压器励磁电感值的 l j 限 。：譬墅：_9x2x354x10-6x 0 1 6 。1 5 7 1 0 h ：1 5 7 删q ( 32 7 ) 。2 f 2 i j i 2 1 3 7“1”2 l 2 此i j 以确定变墟器应该孕的。e 隙 ! ! 坚兰塑! 兰塑! ! ! ! ! 塑生竺塑塑鲨塞 占：。霉：4 删。一 b m ，9 2 3 5 4 1 0 6 。0 2 3 m m( 3 2 8 ) 5 、绕组的设计 考虑集肤效应，首先计算丌关频率为5 0 k h z 时。铜导体的穿透深度 r = 一厂一 _ j 啬。j 赢示瓦惫丽 o 2 9 6 1 旷_ 0 2 9 6 删 。2 导体铜带厚度应小于两倍的穿透深度 首先汁算原副边电流有效值。满载工作时，不考虑流过变压器原副边的电流 纹波，则流过变压器原边的电流有效值 l 巾： 扣一d ) t , , - - = - 叭c ：观秘1 - d ， ：2 1 。堡抓i 面 ( 3 3 0 ) 胛2 考虑到d ( 0 ，0 4 】，当d = 0 4 时取最大值 把d = o 4 ，。= 3 1 2 5 a ，2 i = 9 ，n 2 = 44 弋x ( 3 3 0 ) 得 流过变压器副边的电流有效值是 i 、m 一j 西 j d = o4 时取最大值，那么h 川z2 0 a j n = j 。1 1 一d ( 3 3 1 ) f 3 3 2 ) ! 与d = 02 7 时取最大值，那么，“。“2 7 a 电流密度，取3 a 玳m2 ，s i = 1 4 3 4 6 r a m2 ，铜带宽3 4 r a m ，厚度取0 2 r a m 。 s 。：2 0 3 a6 ，7 r a m 2 ，铜带宽3 4 r a m ，厚度取0 2 r a m 。 s 。：2 7 3 ：9 r a m2 ，铜带宽3 4 r a m ，则厚度耿0 3 r a m 因此原边绕组用0 2 x 3 4 m m 的铜皮绕9 匝，副边两个绕组分别用0 2 x 3 4 r a m 和0 _ 3 3 4 r a m 各绕4 匝，层问加0 1 m m 厚的绝缘。 l j l z 3 e 。编i - g 度：( 0 2 十o 1 ) x 9 十( o 2 + o 1 ) 4 + ( o 3 + o 1 ) 4 = 5 5 m m 实际窗口厚度( 3 7 5 一1 8 7 ) 2 = 9 4 m m ，绕得f 3 2 1 2 开关管的选取 7 l ：x ? 爵t r b 电压取大于最高输入电压的i5 倍，即不小于4 5 0 v 。 l jf 不对称半桥两个丌关管工作的不对称性，流过上下开关管的电流不同。 考虑 ：管q 。在一个工作周期内丌通叫阃是d r ，此时，流过q 1 的电流为 南京航卒航天人掌坝l 学位沦义 ，。= 2 ( 1 一d ) i ，= 2 ( 1 ( 33 3 ) 那么，流过q 的电流确效值为 ，1 ：2 西( 1 一d ) t 。n l ( 3 3 4 ) 1 7 1 当。= ；，取最大值，将。= ；，。= 3 1 2 5 a , n i = 9 , n 2 = 4 代入( 3 3 4 ) 得 ，删1 1 i a 卜管q ! 在一个工作周期内丌通时间是( 1 一d ) t ，此时，流过q 1 的电流为 ，。2 ：2 d i 。72 d l 。生 ( 3 3 5 ) n i 那么，流过q 的电流有效值为 ，：2 di 正d - d i 。n 2 ( 3 3 6 ) 一 疗 肖d = o 4 ，取最大值，将d = o 4 ，。= 3 1 2 5 a ，”l = 9 ，n 2 = 4 代n ( 3 - 3 6 ) 得 ，煳2 ) 8 6 a q i 和q 2 均可选取2 s k l 5 2 2 型号的m o s f e t 。 3 2 1 3 副边整流管的选取 l 、剐边整流管电压定额的计算 t 与v l j ) r 机软启动或者空载时，输入电压几乎全部加在变压器的原边，此时副 边的整流管d ：承受电压应力最大2 睾k 。呻；) ：半：2 6 4 v ，而d 。上电压 船，y 成力较小。满载工作时变压器剐边整流管d ：承受的电压应力最大值为 2 瓢m “l - - d m i a ) = 半( 1 - 0 2 7 9 3 矿d i 承受的电压应力最大值为 2 嚣。、域。= 垒篙孚兰o 4 2 8 6 矿，考虑到d l 和。：选取相同的管子，并且电 墩两倍安全裕量，则可选取刷压大于4 0 0 v 的二极管。 ! ! 坠三! ! ! 兰塑! ! ! 坚! 堂生壅堕塑里! 茎一 2 、副边整流管电压定额的计算 满载工作时d 上电流有效值为 ，。一。扫 ( 3 3 7 ) 当d = 0 4 时取最大值3 1 2 5 , 6 4 “2 0 a 平均值为i 生。1 3 爿 满载工作时d ，上电流有效值为 ，= 14 i - 一d ( 3 3 8 ) 当d = o 2 7 时，取最大值3 1 2 5 x 4 1 一o 2 7z 2 7 a 平均值为i 三z t 7 a 考虑到d 。和d ：选取相同的管子，并且电流取两倍安全裕量，则可选取电流 定额大于3 4 a 的二极管。出于期间购买的原因，样机选用m u r 6 0 6 0 为整流管。 3 2 1 4 电感的设计 l 、f 乜感值的设计 滤波电感根据变换器的额定输出功率设计。在输入电压最大，占空比最小时 不对称半桥输出电流纹波最大。满载电流为3 1 2 5 a ，选取，= 7 a ，姚7 1 ( “。“l - ，) 鲁州舯r 。，2 百2 f 一(297x(1-027)4_48)x02720)(10-637l。一6h：37f村 7 所以，滤波电感值取3 7 p h 。 2 、铁心的选瞅 选取高频铁氧体材料r 2 k b d 制成的e e 5 5 b 铁芯，其饱和磁密为0 5 1 t ， d 1 4 1 03 棚 则= 雁= 厩磊焉川 选取n = 1 1 匝 ( 3 3 9 ) 预选 r 3 4 0 ) 南京航窄航天人学顾l 学位论文 止l h tj ：掣。1 5 。l o 一3 ，”：1 5 ，”，h l ( 34 1 ) 2 7 。y 输入，满载输出时l 蜘。，= 3 1 ，2 5 + 三= 3 4 7 5 a 时，b 一= 些! 堕= 。3 2 7 1 3 、导线的选取 考虑到集肤效应，铜皮的厚度1 1 , 于两倍穿透深度 电感中的电流的有效值可瞄近似看作负载电流，满载时，= 1 1 5 0 f 0 = 3 1 2 5 爿 墩电流密度，= 3 a m m2 ，故s 。= 3 1 2 5 + 3 2 1 0 4 r a m2 。 取厚度为0 3 0 r a m ，宽度为3 4 r a m 的铜皮，则s 。= 0 3 0 x3 4 = 1 0 2 r a m 2 ，电流 密度为3 1 1 0 2 _ 堕2 5 = 3 。6 爿。绝缘o 1 m m ，则占用窗体厚度为( o - 3 + 。1 ) x l l = 4 4 脚脚， e e 5 5 b 的窗体厚度为1 0 3 r a m ，“m e , 绕下。 3 2 1 5 滤波电容的设计 滤波电容根据变换嘉平均输出功率1 5 0 0 设计，考虑豉波要求，利用公式 ( 户j a 了q _ 一攀1 ：竺 ( 3 4 2 ) f ，2 万一可2 2 f a v i 。牝 为便于工程计算不妨耿a i = 7 a ，d = 0 4 ，再以厂= 5 0 1 03 h z ，a v = 1 v 代 入上式得 c ，z2 - 8 1 0f = 2 8 ：胪 。实际电路中，滤波电容采用1 0 0 0 胪6 3 v 电解电容。 3 2 1 ，6 谐振电感的设计 为了让主开关管能够顺利地实现零电压开通，谐振电感不但要把开关管寄生 电容上的电量抽走，而且需要让模态4 能持续较长时间。预选当r ，、= 4 q 时 a t ，1 4 0 n ，则由( 31 9 ) 可得 ，：_ 磐：三兰旦兰! 旦掣。2 。1 0 h ：2 x h ， 4 f i d ) ! f ，1 4 ( 1 o4 ) 2 4 2 即当l ，2 p t t 时，只要r 。玉4 q ( 约4 0 额定负载) ，q 2 有足够的零电压 6 k v a 三柙十相4 0 0 h z 静止变流器研究 迎m t | j ，变压器漏感司以存电路q j 起到谐振电感的作用。 3 2 2 控制电路、驱动电路和保护电路的设计 3 2 2 1 控制电路和驱动电路 卅：对称半桥控制电路如图3 1 0 所示。 剀3 1 0 不对称、f 桥控制和驱动电路 不对称半桥变换器控制电路采用的控制芯片型号是s g 3 5 2 5 ，s g 3 5 2 5 是电压 型控制：艺：片。s g 3 5 2 5 集成芯片有两路p w m 脉冲输出，取其中一路经过处理产 n i 两路互补的p w m 信号，两路信号的死区时间由电路中两个电位器r d t i m e l 和r dt i m e 2 调节，这两路信号分别作为1 r 2 1 1 0 中l o 脚崩肝和1 2 脚l i n 的输入信 号。i r 2 1 1 0 的7 脚和l 脚的输出信号分别作为q 1 和g ：的驱动信号。该变换器丌 天频j 笨，= 5 0 l e h z ，则s g 3 5 2 5 集成芯片内部的振荡频率为1 0 0 k h z ，由下式决定： 1 f o s c 。币高毫面 。4 3 5 c c t ( o 7 r t 十3 r d ) 、 l ：式中，c ，= 3 3 n f tr t = 4 3 觑土，r ，) = 0 。 控制电路采用单电压环，要求原副边电气隔离，因此使用光耦4 n 3 5 构成电 川涓离采样电路。 3 2 2 2 保护电路 、刍主电路中出现输入过压、欠压和输出过压、欠压，保护电路能产生保护 信号，并送到s g 3 5 2 5 芯片的1 0 脚和i r 2 1 1 0 的1 1 脚，关闭p w m 脉冲，以达到保 南京航空航天大学颂士学位论文 护目的。当功率电路的输入电压或输入电流恢复f 常后，经过复位，控制电路 霞新恢复讵常工作。 保护电路原理图如图3 1 l 。 幽3l l 不对称、r 桥变换器的保护电路 保护电路中使用了c d 4 0 4 3 型舾触发器。当输入电压和输入电流正常时， c d 4 0 4 3 的s l 、s ：、s 和s 。端的输入电平均为高电平，对应的q 】、q ：、q 3 和q 4 端的输出电平都为低电平。当主功率电路的输入电压或输出电压出现一种或一 种以上的故障时，c d 4 0 4 3 对应的s 端的输入电平变为高电平，相对应的q 端输 出电平为高电平，与之相连接的发光二极管变亮，同时，s g 3 5 2 5 芯片的1 0 脚 i r 2 1 1 0 芯片的1 l 脚变为高电甲，以关断p w m 脉冲驱动信号的输出。 3 3 不对称半桥变换器的仿真研究 3 3 1 不对称半桥变换器的小信号建模 3 3 1 ，1 小信号模型 玎关电源山于有很多半导体器件，这些半导体器件具有单向导电性或是开关 的特性，因此具有很强的非线性，这为系统模型的建立带来了很大的困难，目 6 k v a _ 三相单相4 0 0 h z 静止坐流器研究 前已经有很多方法来对主电路进行模型分析，如：状态空间平均法，电流注入 等效电路法、等效受控源法、三端器件法等 2 8 【2 9 1 3 0 3 1 】。这些方法的根本思想一 致，并目，不管采用什么样的方法，对同一个电路所建立的模型都是一致的。 这旱使用电流注入等效法对不对称半桥变换器建立模型 3 3 1 1 3 4 1 ，并加以分 析。电流注入等效电路法( c i e c a ) 3 5 1 ，首先要求确定一个功率变换器级的非线 性部分和线性部分。其中非线性部分包含了开关器件( 晶体管和二极管) 与电 感，在一个开关周期中，随着晶体管的丌通和关断，这部分的电路连接形式发 生变化，用线性器件来表示非线性部分。余下电路包含开关器件，为线性部分。 t j 电路的非线性部分向线性部分注入的平均电流产生预期的电压，就是电流注 入等效电路法的思想。 依据变压器及其电压、电流波形建立一组方程后，再令以上方程中的微分 形式和扰动都为零，得到稳念解。在稳态工作点附近引入交流小信号扰动，忽 略微小曼的乘积，再减去稳态量可以得到一组线性方程，利用这组方程可以得 到变换器的低频小信号等效电路，再由等效电路可以写出输入- 输出传递函数、 控制输出传递函数、输入阻抗和输出阻抗。 在分析电路之前先作如下假设： ( 1 ) 功率管的死区时间很小，可以忽略不计； ( 2 ) 变压器的漏感忽略不计； ( 3 ) 变压器的励磁电感折算到原边： ( 4 ) 丌关管、整流管、变压器为无损元件： ( 5 ) 电容c 。上寄生电阻r ，滤波电感寄生电阻r ，滤波电容的寄生电阻r 。 图3 1 2 所示电路为考虑寄生参数后的不对称半桥变换器主电路图。图3 1 3 ( a ) 为一管q l 导通时等效电路，图3 1 3 ( 1 0 ) 为下管q ：导通时等效电路。 幽3 1 2 考虑寄生参数屙不对称、r 桥土电路图 南京航窄航天大学硕i ：学位论文 ( a ) q 1 导通时等效电路 ( b ) q 2 导通时等效电路 幽313 不对称、 | 桥电路工作的两种等效电路 分别对图3 13 ( a ) ，( b ) 所示电路中非线性部分列出电压及电流方程式，则有 。鲁巩飞 l 鲁刮飞) _ v 。墨 i = j 。+ n i ， 上。擘：叱 d t l 霉：厂f 尺， a t lh2 l m n l t 由此可得平均状态方程组 ( 3 4 4 ) d t t t f 3 4 5 ) 6 k v a 三十日单相4 0 0 h z 静止变流器研究 k 鲁= 饥飞 l 等= 幽( ，一v ( 1 - 咖v 。- v ，f r ， i = i ，。一n 0 2