（电气工程专业论文）数字pwm软开关大功率电源设计与实现.pdf

数# p w m 软开关大功牢电源设计与实现 摘要 电力机车d c l 10 v 电源是一种为电力机车控制系统提供电源的重要电气设 备，它的可靠性直接关系到列车的安全运行。由于电力机车对d c l1 0 v 电源在体 积和效率上有极高要求，论文采用软开关技术研制了一台新型的d c l10 v 大功率 电源。 n 论文分析了电力机车对d c l1 0 v 电源的性能要求和技术指标及软开关技术的 特点，设计了一个基于软开关技术的电力机车控制电源技术方案。论文分析比较 了软开关电源的主要电路拓扑的结构与特点，选用零电压零电流开关( z v z c s ) p w m 全桥变换电路作为电力机车d c l l0 v 电源的拓扑电路。论文分析研究了 z v z c s d 变换器的工作过程，通过增加一个辅助电容并利用高频变压器的漏感的 方法设计了开关电源的主电路拓扑，研究并建立了该电源实现超前桥臂的零电压 开关( z v s ) ，和滞后桥臂的零电流开关( z c s ) 的条件。根据机车d c l1 0 v 电 源的技术指标，论文对所设计的软开关电源的主电路进行了参数计算及关键元器 件的选型，并对高频变压器进行了详细的设计。 论文分析比较了软开关电源的控制系统，采用模块s k h l 2 2 a 设计了i g b t 管 的驱动电路，采用单片机a t m e g a l2 8 设计了电源的控制电路，并设计了电源的控 制软件。论文采用数字p i d 调节器实现了电源的电压闭环控制，为有效的实现p i d 参数的整定，论文对整个电源控制系统建立了小信号模型，采用基于主导极点配 置方法设计了电源闭环p i d 控制器参数，从而提高了电源的稳态性能和动态性能， 提高了稳态时输出电压的精度和稳定性。 为验证所设计电源的正确性，论文最后建立了p s p i c e 环境下的仿真模型， 对上述控制算法进行了仿真，并采用所设计的电路试制了一台功率为8 k w 、工作 频率为2 0 k h z 的机车用开关电源装置。仿真和样机的实验结果均表明该设计是正 确和有效的。与以往的z c z v sp w m 全桥变换器相比，论文提供了一种较为实用 的电源设计方法，所提出的新颖变换器具有电路结构简单、整机效率高等优点， 这使得它特别适合高压大功率的应用场合。 关键词：移项控制变换器；零电压开关；零电流开关；补偿网络 u a b s t r a c t d c1 10 vp o w e ro ft h ee l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v ee n g i n ep r o v i d ep o w e rt ot h e c o n t r o ls v s t e r n o fe l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v e ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h es a l t yo f t h er u no ft h el o c o m o t i v e t h es p a c eo ft h ed c iio vp o w e ro ft h ee l e c t r i cp o w e r 1 0 c o m o t i v ee n g i n ei sl i m i t e d ，a n dt h ee f f i c i e n to ft h ep o w e rm u s tb eh i g h ，s ot h i s p a p e rd e s i g nan e w d ci10 vh i g hp o w e rb yu s e i n gt h es o f ts w i t h i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e ra n a l y z e st h es e r v i c ep e r f o r m a n c eo ft h ed c ll0 vp o w e ra n da n dt h e p r i n c i p l e o ft h es o f t s w i t c h i n gc o n v e r t e r t h e c h a r a c t e r i s t i co fs o f ts w i t c h i n g c o n v e r t e ri sa n a l y z e d ，a n dt h ez e r o v o l t a g e & z e r o - c u r r e n t s w i t c h i n g ( z v z c s ) p w m d c d cf u l l b r i d g ec o n v e n e ri ss e l e c t e d t h eo p e r a t i o np r o c e s si sa n a l y z e di nd e t a i l t h i sc o n v e r t e rr e a l i z e sz v sf o rl e a d i n gl e ga n dz c s f o rl a g g i n gl e g ，w i t h i n gas i m p l e a u x i l i a r yc a p a c i t a n c ea n dt h el e a k a g ei n d u c t a n c eo ft r a n s f o r m e rt h es u p p l yc i r c u i t ， h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra n d t h ek e yc o m p o n e n to fs w i t c hp o w e ra r ed e s i g n e da n d c a l c u l a t e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h es o f ts w i t h i n gp o w e r ，u s e st h e c i r c u i ts k h l 2 2 aa st h ed r i v i n gc i r c u i to ft h ei g b t ，a n du s e s t h em i c r o c o m p u t e r a t m e g a l2 8a st h ec o n t r o l l i n gc i r c u i to f t h ep o w e r t h ec o n t r o l l i n gs u b p r o g r a ma n d t h ep i dc a l c u l a t i n gs u b p r o g r a ma r ea l s od e s i g ni nt h i sp a p e r a n ds oo nm a i n l yt h i s p a p e rd e s i g n s t h e d i g i t a l p i da d j u s t e r ，t h e p a r t st y p e i sa s c e r t a i n e da n dt h e s m a l l s i g n a lm o d e lo ft h ef bz v z c s p w md c d cc o n v e r t e ri se s t a b l i s h e d s ot h e s t e a d yc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs u p p l y a r ei m p r o v e d i no r d e rt oa s s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e r ，t h ew h o l es i m u l a t i o nm o d u l eo f c o n t r o ls y s t e mi sb u i l tu pu n d e rt h ep o w e rp s p i c ep l a t f o r ma n dt h ea b o v es e v e r a l w a v sa r eu s e di nt h es i m u l a t i o nm o d u l e t h es c h e m ei sv e r i f i e do nt h e8 k wp r o t o t y p e c o n v e r t e ru s e di nt h ee l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v ee n g i n eo p e r a t i n ga t 2 0k h z t h e r e s u i to ft h es i m u l a t i o np r o v e st h a tc o n t r o lw a y sa r er i g h ta n df e a s i b l e t h ep r o p o s e d n o v e lc o n v e r t e rh a ss u c ha d v a n t a g e s a s s i m p l ea u x i l i a r yc i r c u i t ，h i g h o v e r a l l e f f i c i e n c ya n ds e l f - a d j u s t m e n to ft h ec i r c u l a t i n gc u r r e n tw i t hc o m p a r e dt op r e v i o u s z v z c sf u l l b r i d g ep w mc o n v e r t e r s ，w h i c hm a k et h ep r o p o s e dc o n v e r t e rs u i t a b l e f o rh i g hv o l t a g ea n dh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s 。 k e yw o r d s ：z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ；z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ；p h a s e - s h i f t e dc o n v e r t e r ； c o m p e n s a t i o nn e t w o r k 1 1 1 硕一j ：学位论文 插图索引 图2 1 机车控制电源示意图5 图2 2 开关电源构成框图6 图2 3 软开关和硬开关波形7 图2 4 开关管开关时的电压和电流波形8 图2 5 软开关开通和关断波形8 图2 6 开关电源结构图10 图2 7 三种全桥电路拓扑结构1 1 图3 1z v z c s p w m 变换器的主电路13 图3 2v z c s p w m 变换器的主要波形1 4 图3 3 最大占空比的确定17 图3 4d c l l 0 v 开关电源主电路图：1 9 图4 11 1 0 v 电源系统框图2 6 图4 2a t m e g a l2 8 引脚配置图2 8 图4 3 快速p w m 模式时序图2 9 图4 4s k h i 的内部电路框图3 0 图4 5i g b t 驱动器的输出极3 2 图4 6s k h l 2 2 a 与a t m e g a l2 8 接口电路图3 4 图5 1 程序设计模块图3 6 图5 2 系统主程序流程图3 7 图5 3 闭环结构框图3 8 图5 4f b z v z c s p w m 开关变换器理论分析波形图3 9 图5 5b u c k 型变换器小信号等效电路模型4 0 图5 6 移相全桥变换器的线性小信号电路模型4 1 图5 7 闭环控制子程序流程图4 4 图5 8p i d 算法子程序流程图4 5 图6 1 采用p s p i c e 软件仿真的电路图4 6 图6 2 原边电压( 上面曲线) v a b 和原边电流i p ( 下面曲线) 4 7 图6 3 阻断电容电压v 。b 4 7 图6 4 滞后桥臂中z 4 的c 极电流i c ( z 4 ) ( i 面曲线) 和驱动电压v c e ( z a ) ( 下面曲线) 4 8 图6 5 超前桥臂中z 3 的c e 极电压v c ec z 3 ，( 上面曲线) 和驱动电压v g e 。z 3 ，( 下 v i l 数宁p w m 软开关大功牢电源设计j 实现 面曲线) 4 9 图6 6 超前桥臂中点电压v a ( 上面曲线) 和滞后桥臂中点电压v b ( 下面曲线) 4 9 图6 7d c l l 0 v 大功率电源外观5 0 图6 8 输入2 7 3 v 的输出电压波形图：一5 l 图6 9 输入4 9 5 v 的输出电压波形图5 1 图6 1 0 负载3 0 a 网压4 7 9 9 v 突变到3 2 8 v 时输出电压的波形图5 2 图6 1 1 负载4 1 7 a 突变到5 1 a 时的波形图5 2 图6 1 2 负载2 4 4 a 输入电压3 7 7 8 v 突变到4 7 0 v 时的输出电压波形5 3 图6 1 3 负载5 6 a 突变到4 7 5 a 时的波形图5 3 i l 硕上学位论文 _ _ 皇_ | _ 鼻毫_ _ 霉j _ 目目_ _ _ | | _ e e _ e 目l - - ! i 附表索引 表1 1 高频开关电源与相控整流电源性能比较表3 表2 1 三种全桥电路拓扑特点比较表1 2 表4 1s k h l 2 2 a 的引脚功能3 l 表5 1 半周期内原边电流变化3 9 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：e t 期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年月日 年 月 日 硕f j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 在铁路牵引动力中，电力机车具有其他机车无可比拟的优势。随着我国经济 的腾飞，我国铁路电气化发展很快，目前我国电气化铁路通车里程已达1 万公里 以上。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工 作条件好等优点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实 现电气化，在技术上、经济上均有明显的优越性。 中国从本世纪3 0 年代开始引进电力机车。1 9 5 8 年，中国研制出第一台电力 机车。1 9 6 1 年，中国第一条电气化铁路宝凤线( 宝成铁路宝鸡至凤州段，9 3 k m ) 建成通车。经过2 0 多年的初创阶段，到1 9 8 0 年初，中国铁路电气化和电力机车 技术得到了迅速发展，到1 9 8 8 年中国铁路电气化里程达5 7 3 7 正线k m ，电力机 车保有量1 2 2 4 台，完成运量的1 3 4 。据统计，到1 9 9 7 年末，中国电气化铁 路已经达到1 1 6 3 7 7 正线k m ( 不含香港3 4 k m 和台湾4 9 8 k m ) ，电力机车保有 量2 8 7 0 台，完成运量的2 7 左右。 和传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同，电气化铁路是指从 外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行的铁路。电力机 车控制电路是机车三大电路中最为复杂的电路，属于低压直流小功率电路。它由 司机控制器、低压电器、主电路与辅助电路中的各电器电磁线圈及各电器的连锁 等组成。控制电路控制主电路和辅助电路中各电器的动作，其工作对确保行车安 全非常重要。 电力机车的控制电源为直流11 0 v ，供机车低压控制电路使用，另外再给机车 蓄电池充电，并经逆变，整流，滤波，产生+ 1 5 v 、2 4 v 、4 8 v 、电压，分别供给 司机台信号显示屏、仪表照明及三项设备之用。韶山系列电力机车的d c l l 0 v 控 制电源采用传统的电源方式，即：电源柜及蓄电池并联构成。在机车正常运行时， 两者并联使用，主要由d c l l 0 v 电源提供电源，蓄电池起稳压作用；在降弓情况 下，蓄电池供机车作低压试验，辅助风机打风及照明作用。在运行中电源柜故障 时，蓄电池作维持机车故障运行的控制电源。 电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长，且电力机车 的供电系统特点是供电质量差，有较多的偕波、电压波动闪变、浪涌等，环境恶 劣，功率大。而该d c l l 0 v 电源关系到机车用电安全问题，其性能好坏直接影响 机车控制的可靠性及运行安全，因此要求电力机车的d c l1 0 v 控制电源输出的电 数字p w m 软开关人功率电源设计与实现 能品质好，且电源设备可靠性高、体积小，可制造性好、能规模生产【2 j 。 随着电力电子技术的进步，传统的直线线性稳压电源发展到现在的高频直流 开关稳压电源，不同功率等级的高频开关电源已应用到工业和民用的各个领域。 开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电 能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社 会各方面的重视而得到迅速推广。 与传统采用工频变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电 源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是 甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源 装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能 得到进一步提高。并且开关电源的使用能节省大量铜材、钢材和占地面积，由于 变换效率提高，能耗减少，也降低了电源周围环境的室温。 因此，研究更高电能品质，更小体积的d c l l 0 v 电源有着十分重要的意义，特 别是大功率，高性能的机车控制电源具有广泛的应用前景。 1 2 机车控制电源研究现状和发展趋势 国内现在广泛采用的电力机车和电动车组用d c l1 0 v 控制电源是1 9 7 0 年代 从s s l 1 3 1 号机车开始研制生产的相控式1 1 0v 晶闸管直流稳压电源，它与机车 蓄电池并联充电，为机车控制电路提供d c l l 0v 的稳定电压。该d c l l 0 v 电源装 置的工频整流变压器原边从主变压器辅助绕组的副边输入3 9 6 v 单相交流电源， 次边输出为2 2 0 v ，经晶闸管半控桥整流器整流，并通过由平波电抗器滤波电容器 和蓄电池组并联组成的l c 滤波电路滤波后，输出1 1 0 v 5 直流电压，电压脉动 有效值5 v 。其工频整流变压器及直流滤波电抗器非常笨重，。使得整个电源柜的 体积和质量都大( 为4 0 0k g 以上) ，这对减小电力机车的质量和缩小有限的设备安 装空间都是不利的。 目前我国电力机车均采用的相控式稳压电源，虽经不断改进，但由于原理性 的问题，仍然存在下述主要缺点：电源稳压性能差，反应速度低，动态性能不好； 输出谐波大，易对其他设备形成干扰；功耗大、效率低；体积大、重量大；可靠 性差；容易造成机车微机系统死机。 随着电力电子技术的进步，传统的直线线性稳压电源发展到现在的高频直流 开关稳压电源，数字高频开关电源在体积、重量、效率等指标上，都远远优于相 控电源，并且功率大，精度高，纹波小，抗干扰能力强，可靠性高。高频开关电 源与目前我们大部分机车所采用的相控整流电源的性能比较见表1 1 硕十学位论文 表1 1 高频开关电源与相控整流电源性能比较表 随着电力机车技术的发展，作为机车控制电源的传统相控整流电源已经不能 满足机车设计水平的要求，因此用大功率高频开关电源来替代传统的相控电源己 成为一种发展趋势，相控整流电源必将被开关电源所取代。本课题旨在设计一种 高频软开关电源取代传统的相控整流电源，使机车的电源水平提高到一个新的水 平。 1 3 开关电源的发展趋势 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维 持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制( p w m ) 控制i c 和 m o s f e t 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而 增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关 电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源 技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源 提供了广阔的发展空间。 上世纪6 0 年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和s c r 相 控电源。4 0 多年来，开关电源技术有了飞迅发展和变化，经历了功率半导体器件、 高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件( b p t 、s c r 、g t 0 ) 发展为m o s 型器件( 功率m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等) ，使电力电子系统有可能实现高频化， 并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自2 0 世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功 率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小，高频化和软开关技术是过去2 0 年国际 数 7 - p w m 软开关人功牢电源设计与实现 电力电子界研究的热点之一。 第三个阶段从2 0 世纪9 0 年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子 模块( i p e m ) 技术开始发展。器件模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模 块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、 六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标 准”功率模块( s p m ) 。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块 中去，构成了“智能化”功率模块( i p m ) ，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的 设计制造。由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重， 对器件造成更大的电应力( 表现为过电压、过电流毛刺) ，因此模块化的目的不仅 在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小， 从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性 2 】。 1 4 论文主要研究工作 用于机车控制的d c l1 0 v 电源的设计是一个复杂的系统工程，包括的环节很 多，如变换器的设计，控制电路的设计，i g b t 的驱动和保护，p i d 控制器的设计 也占 可o 根据本课题要求，为了突出重点，本文主要研究与探讨的问题包括以下几个 方面： ( 1 ) 分析了开关电源的工作原理，并结合机车用d c l1 0 v 电源的设计要求， 结合铁道机车车辆电子装置标准，设计了d c l1 0 v 电源的总体设计方案。 ( 2 ) 设计逆变主电路、整流主电路以及功率器件的选型和辅助设计。 ( 3 ) 根据软开关变换器的控制原理选择a v r 单片机a t m e g a l 2 8 作为电源 的控制电路，及对i g b t 驱动电路选型。 ( 4 ) 对变换器主电路进行小信号建模分析和利用主导极点概念设计系统的 p i d 控制器，使变换器输出电压稳定、动态响应快，有效地改善了系统的动态响 应。按照模块化设计d c l1 0 v 电源的软件流程。并列出用p s p i c e 软件对变换器 进行仿真的结果及样机的实验结果。 硕十学位论文 第2 章机车d c110 v 电源的总体设计 2 1 机车控制电源 电力机车的控制系统是由控制电源柜提供直流1 1 0 v 、4 8 v 、2 4 v 、1 5 v 电源。 机车主变压器辅助绕组输入3 9 6 v 单相交流电到1 1 0 v 开关电源装置，经1 1 0 v 开 关电源输出较平稳的1 1 0 v 直流电源。1 1 0 v 直流电源再经逆变、整流、滤波，产 生+ 1 5 v 、2 4 v 、4 8 v 电压，分别供给司机台信号显示屏、仪表照明及三项设备之 用。 图2 1 机车控制电源示意图 2 2 机车d c l1 0 v 电源系统的性能指标 司机台信号显示屏 仪表照明 三项设备 设计标准采用国家和铁道部相关标准。既要为电力机车提供控制电源，又能 为机车蓄电池充电。其中还应包括了过压、欠压、过流、短路、过热等保护功能。 机车用d c l1 0 v 电源的技术指标如下： ( 1 ) 电源额定输入电压 输入电压：a c 3 9 6 v ，输入电压变化范围：2 7 7 2 v - - 4 9 5 v ( 2 ) 控制电源输入电压 控制电源电：d c l l 0 v ，电源变化范围：d c 7 7 v - d c l 3 7 5 v ( 3 ) 输出电压 标称输出电压范围：直流11 0 v ；输出电压变化范围：1 0 8 9 v - l1 1 1 v ( 4 ) 输出纹波电压有效值 输出纹波电压有效值2 v 数 7 - p w m 软开关大功率电源设计与实现 ( 5 ) 标称输出电流 标称输出电流：7 5 a ( 6 ) 输出电流限制值 输出电流限制值8 2 5 a ( 7 ) 转换效率 额定工况下，转换效率9 0 ( 8 ) 主要功率散热器温升 主要功率散热器温升4 0 k ( 9 ) 电源工作频率 电源工作频率f 2 0 k h z ( 1o ) 开关电源柜输入电压和欠压的保护功能：当输入交流电压小于2 7 7 v 时或大于4 9 6 v 时，开关电源柜停止输出。 2 3 开关电源技术基础 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控 制开元件的占空比来调整输出电压。开关电源的构成框图如图2 1 所示，它由输 入电路、变换电路、输出电路和控制电路等组成。功率变换是其核心部分，主要 由开关电路和变压器组成。为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频 状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，最典型的功 率开关晶体管有功率晶体管( c t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘型双极型 晶体管( i g b t ) 等3 种。控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调 制等3 种，其中最常用的是脉宽调制( p w m ) 方式。 图2 2 开关电源构成框图 硕一f ：学位论文 从6 0 年代开始得到发展和应用的d c - - d cp w m 功率变换技术是一种硬开关 技术。p w m 开关电源按硬开关模式工作，因而开关损耗大。高频化虽可以缩小 体积重量，但开关损耗却更大了。为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运 行，必须研究开关电压电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关( z v s ) 零 电流开关( z c s ) 技术，或称软开关技术。上世纪7 0 年代谐振开关电源奠定了软开 关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现，如准谐振( 上世纪8 0 年代中) 全桥 移相z v s p w m ，恒频z v s p w m z c s p w m ( 上世纪8 0 年代末) z v s p w m 有源 嵌位；z v t - p w m z c t - p w m ( 上世纪9 0 年代初) 全桥移相z v - z c s p w m ( 上世纪 9 0 年代中) 等。国内外电力电子界和电源技术界自7 0 年代以来，不断研究开发高 频软开关技术。我国已将最新软开关技术应用于6 k w 通信电源中，效率达9 3 。 软开关和硬开关波形比较如图2 2 所示。 软开关 硬开关 关断 ：二 l i k 。k 为变压器原副边匝数比。 在一个开关周期中，变换器有1 0 种开关模态，各开关模态的工作情况描述如 v v 0 v r z 1： z 3z 1 z 4 i ! z 2 i ： z 4 一 i v ；nn 恰i 卜 l 1 l 一i 。 i j f ，i 卜i | il _ l i 岫- - - i o 1 ni li i l，i l i i 1r ：十t * t o l ，即： 纭 2 c r v 自, i p o ( 3 6 ) 在这段时间里，d 3 和z 4 导通，a ，b 两点电压u a b 等于零。此时加在变压 器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容电压v 。b ，原边电流开始减小，同时使变 压器原边电压极性改变，副边感应电势成为下正上负。变压器副边两个整流二极 管d r l 和d r 2 同时导通，因此变压器原、副边绕组电压均为零。此时阻断电容 的电压全部加在漏感上，原边电流减小，阻断电容电压上升。由于漏感较小，而 阻断电容较大，因此可认为在这个开关模态中，阻断电容电压基本不变，原边电 流基本是线性减小，即： v c 6 ( t ) = v 。b ( t 1 ) 三v c b p ( 3 7 ) i p ( t ) ：i p 。一孕f ( 3 8 ) 在t 2 时刻，原边电流下降到零。该开关模态的时间为 t 1 2 = 三戤厶o 故印 ( 3 9 ) 3 1 4 开关模态3 t 2 ，t 3 】 在开关摸态3 中，原边电流为i p - - 0 ，a 点对地电压为u a = 0 ，b 点对地电压 为加= 一。副边两个整流管同时导通，均分负载电流。在次开关模态中关断， 此时开关管中并没有电流流过，因此是零电流关断。 3 1 5 开关模态4 t 3 ，t 4 】 在t 3 时刻，关断z 4 ，此时z 4 中并没有电流流过，因此z 4 是零电流关断。 在很小的延时后，开通z 2 ，由于漏感的存在，原边电流不能突变，z 2 是零电流 数7p w m 软开关火功率 乜源设计与实现 开通。 由于原边电流不足以提供负载电流，副边两个整流管依然同时导通，变压器 的原、副边绕组被钳在零电压。此时加在漏感两端的电压为( v i n + v c b p ) ，原边 电流从零开始反向线性增加。 易( f ) ：一鼍堡f ( 3 1 0 ) 在t 4 时刻，原边电流反方向增加到负载电流。该开关模态的时间为： t 3 4 ：鲁 ( 3 1 1 ) = 一 i j 1li 玩+ 以幻 、7 3 1 6 开关模态5 t 4 ，t 5 从t 4 时刻开始，原边为负载提供能量，同时给阻断电容反向充电。输出整 流管d r l 自然关断，所有负载电流均流过d r 2 。在这个开关模态中， 啪) = 一芑f ( 3 1 2 ) 在t 5 时刻， v , o ( t 5 ) = 一譬如 ( 3 1 3 ) l ，6 阻断电容上的电压为下一次z 2 零电流关断和z 4 零电流开通做准备。在t 5 时刻，关断z 3 ，开始 t 5 ，t l o 】的另一个半周期，其工作情况类似于前面描述的， t 5 】。 阻断电容电压在t 6 时刻达到负的最大值- v 。b p ，而【t 5 ，t 6 时段与 t o ，t 1 】时段是 类似的，因此有： v c b ( 1 6 ) 圳哪- 2 警= 一争4 5 - 2 罢一 ( 3 1 4 ) l 一6l 6乙6 一般c r 2 i d = 7 0 6 a 根据以上结果和元器件系列化特性，选取整流桥型号q d l 0 0 。 ( 2 ) 输入平波电容的选择 c 1 为平波电容，其容量计算如下： p 己= 迎= 8 8 0 0 - 0 9 = 9 7 7 7 8 w l l p k = 萨= 9 7 7 7 肿8 2 7 7 = 3 5 3 a 数宁p w m 软开关火功率电源设计与实现 c ：丝：3 5 3 8 1 0 - 3 = 4 7 0 6 f l f i u o 乙= 一= = y 是纹波峰峰值之差，大约为输出电压的2 0 。 t 是电容所能提供电流时间，大约为8 m s 。 r 2 用于在开关电源关闭之后，释放平波电路中4 个电容存储的能量，工 程上一般采用1 0 0 q1 0 0 w 的电阻。 ( 3 ) 开关元件i g b t 的选择 根据设计，逆变电路的输入为2 7 7 v 4 9 5 v 直流电压，i g b t 的最大关断电压 为： u 关断m “= ( 1 1 5 ) 4 2x 4 9 5 = 6 9 3 v 1 0 3 9 5 v i g b t 额定工作电流： l z 等 所以i d 旦堡垒掣= 5 6 5 a , 工程上考虑到i g b t 的擎柱效应一般选择 3 倍左右的通态电流，为1 6 9 5 a 。根据以上结果和元器件系列化特性，选取整流 桥型号1 2 0 0 v ，2 0 0 a 。 ( 4 ) 二次整流侧功率二极管的选择 二次整流的最大输入电压为u s 觚= 4 9 5 2 5 = 1 9 8 v 。元件的最大反向耐压值是： u d r m = ( 2 3 ) 4 2x1 9 8 5 6 0 v - 8 4 0 v 功率二极管额定电流【1 1 】： 丁：土= 5 0 伪 1 6 b 如。珧 ， 1 = l 嘲x 6 d = 8 0 x 0 4 = 3 2 a 由于逆变电路的开关频率为2 0 k h z ，所以选用开关频率大于等于2 0 k h z 的功 率二极管。根据以上结果和元器件系列化特性，选取功率二极管型号为 m u r 2 0 0 2 0 c t 。 ( 5 ) 输出滤波电感l f f ? 一- - e o u t t - o f f 一，= 。0 1 乙 其中e 删为输出电压1 1 0 v d c ，切为最大截止时间【1 2 】： 硕l 学位论文 t o o - = 0 5 x ( 学，= 1 2 t s = 乎) = 所以三= 器= 1 6 湖 ( 6 ) 滤波电容( 纹波电压2 v ) 据输出纹波电压来求解 厂、一k ( 1 - d ) 8 1 3 2 f 2 三o a v o c ：! ! q 兰! ! 二q ：兰竺! ! ：6 5 1 5 1 0 - 6 f i ，：= 一= x 3 2 4 0 0 0 0 1 6 5 l o - d l 根据输出电压动态幅度来求解 c = 蛙 2 一2 其中j d 一为输出电流的最大值取8 0 a ；为电源从满载突变为空载时输出 电 压的上冲幅度，取该值为1 1 2 v 。 因此，输出滤波电容为： c = 可1 6 5 x 丽1 0 - 6 8 0 z - 2 3 7 8 f l ， i 一一 ， 1 1 2 2 一1 1 0 2 取以上两者最大值，并考虑一定预量，最后取c = 4 7 0 0 t f 。 ( 7 ) 电源滤波器 为了抑制电网及开关电源所产生的噪声和高频谐波，考虑到电源功率，选用 了z y h e y 型电源滤波器，其额定电流为8 0 a ，工作频率为5 0 6 0 h z 3 4d c l l o v 电源高频变压器设计 主电路中变压器的设计是影响电路性能的关键。选用面积乘积法来设计高频 变压器。全桥变换开关电源，副边带中心抽头全波整流，输出电压v o = 5 4 0 v ， i o = 7 5 a 。 ( 1 ) 计算总的视在功率p t p t 的大小取决于变压器输出功率及输出侧整流电路形式，视在功率随线路结 构不同而不同。本电源所用结构有： p r = p o ( 土+ 压) ( t l 1 ) 刁 变压器输出功率p o = 8 2 5 k wu i = 5 4 0 v ，r l = - 0 9 8 代入上式得： 数宁p w m 软开关大功牢电源设计。i 实现 n 郐2 5 ( 志+ 4 2 09 8 ) 毛o、 ( 2 ) 确定磁通密度b m b m 与磁芯的材料、结构形式及工作频率等因素有关，考虑到稳升及磁芯不 饱和等要求。对于软磁铁粉心采用2 8 材取b m = 0 9 7 4 0 t 。 ( 3 )窗口使用系数硒的确定 窗口使用系数是表征变压器窗口面积中铜线实际占有的面积量。它由导线 截面积、匝数、层数、绝缘漆的厚薄及线圈的纹距等决定【1 3 】。一般取典型值k o = 0 4 。 ( 4 ) 磁芯结构常数 查表得环型铁芯允许温升2 5 c 时，取k j = 3 2 3 ，x - - 0 1 4 1 计算磁芯面积乘积a e ( c m 2 ) 及窗口截面积a w ( c m 2 ) 的乘积，即 a p - 彳4 ，：( 丛) 击( c m 4 ) ( 3 2 0 ) 、k o k ：b w f k j 、7 式中：a p 为a w 和a e 两面积的乘积( c m 4 ) 【1 5 】； 卜开关频率f - 2 0 k h z k 广波形系数，方波取k f = 4 0 将上述参数代入式( 3 2 0 ) 4 一制。：r 三q 兰! q ：兰! q ： 、赤 廓2 彳4 w 2 ( 而04 瓦x 40 x 0 而9 7 4 x 2 0 x 丽03 2 3 ) m 。 、1 = 3 2 3 ( c m 4 ) 根据a p 查磁芯规格表，选环型磁芯d t 2 5 2 5 2 ，其a w = 1 2 5 6 ( c m 4 ) ， a e = 3 6 5 ( c m 4 ) 。 ( 4 ) 计算绕组匝数 原边绕组匝数为： n e = 舞 ( 3 2 1 ) 代入数值计算得： ， 5 4 0 x 1 0 4 伽= 一 4 x 0 9 7 4 x 2 0 x 1 0 3 6 5 = 1 8 9 8( 匝) 为计算副边绕组匝数，原边绕组匝z 数取整数n p - - 2 0 ( 匝) 副边绕组匝数：n 2 = n 1 k ( 3 2 2 ) n 2 = 2 0 2 5 = 8 ( 匝) ( 5 ) 计算原边绕组电流 厶：卫= 型：1 7 9 7 ( a )( 3 2 3 ) e , a 7 5 4 0 x 0 8 5 、 硕j j 学位论文 ( 6 ) 计算电流密度 j = 为( 彳“。) x = 3 2 3 x ( 1 2 5 6 x 3 6 5 ) 加1 4 = 1 8 9 ( a c m 2 ) ( 7 ) 计算原边绕组裸线面积 由于是有中间抽头电路，i p 需乘上o 7 0 7 的校正因数。 厶x 0 7 0 7 ，坳一一 j 17 9 7x 0 7 0 7 ：0 0 6 7 2 ( c l l l 2 ) 1 8 9 故要求导线的截面积为：6 7 2m m 2 ( 9 ) 计算副边绕组裸线面积 中间抽头变压器的i o 需再乘o 7 0 7 校正因数1 刀 彳塔：o x 0 7 0 7 j = 7 5 x 0 7 0 7 ：0 2 8 l8 9 故要求导线的截面积为：2 8m m 2 由于变压器是在高频下工作，故在选取导线的直径时， 起的导线截面积的减小。穿透深度公式如下： 万= ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( c m 2 ) 应考虑到集肤效应引 ( 3 2 7 ) 式中：f - 变压器的工作频率； y 电导率，铜导线，y =