（电力电子与电力传动专业论文）移相全桥zvzcs变换器及数字化控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u ei s ah o t s p o to fp o w e re l e c t r o n i cr e s e a r c h i t st h e k e y t e c h n i q u ei nt h eh i g hf r e q u e n c ya n dh i g ld e n s i t yc o n v e n e lt h ed i g i t a lc o n t r o ls c h e m e h a sm a n ya d v a n t a g e si ni m p r o v i n gt h ea n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ，c o n t r o lp r e c i s i o na n d f l e x i b i l i t y ，g e n e r a la n di n t e l l i g e n tl e v e l t h ec o m b i n a t i o no fs o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e a n d d i g i t a lc o n t r o ls c h e m e i sat r e n do f m o d e m p o w e r e l e c t r o n i c t h i sp a p e rp r o p o s e sad i g i t a lc o n t r o l l e dp h a s e s h i f tz v z c sf u l l b r i d g ec o n v e n e r a n da n a l y s e si t s p r i n c i p l e o fo p e r a t i o n o nt h e a n a l y s e s o fs e v e r a l t y p i c a lc i r c u i t t o p o l o g i e s ，az v z c s f u l lb r i d g ep w mc o n v e n e ru s i n gt r a n s f o r m e ra u x i l i a r yw i n d i n gi s i n t r o d u c e d t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o do fc o m p o n e n tp a r a m e t e rd e s i g na n dt h e i m p l e m e n t a t i o n o f d i g i t a l c o n t r o ls c h e m e w i t h i n t e l l i g e n t c o n t r o la n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l ，t h ec o n v e n e r so u t p u tv o l t a g ep r e c i s i o n ，i n t e l l i g e n te x t e n ta n d c o n t r o lm e t h o da r ei m p r o v e d m a r k e d l y t h ea d v a n c e so f t h i sp a p e rl a yo n ： ( 1 ) b yu s i n gd s p b a s e dp h a s e s h i f tc o n t r o lm e t h o d ，t h ez y z c s f u l lb r i d g ep w m c o n v e n e ri sf u l l yd i g i t a lc o n t r o l l e d ( 2 ) w i t h t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n v e n e rc a nb ed e b u g g e d ，c o n t r o l l e da n d m o n i t o r e de a s i l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w ：t h ec o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r ei s s i m p l e ， h i 曲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 ls y s t e m ss o f t w a r ew o r k sp r o p e r l y a n df u l f i l la l lf u n c t i o n s ；m a i nc i r c u i t s p a r a m e t e ri sr i g h t ，r e a s o n a b l ea n da c h i e v ea l l d e s i g nr e q u i r e ；t h e c o n v e n e rc a n i m p l e m e n tz e r ov o l t a g e a n dz e r oc u r r e n ts o f t s w i t c h i n gi nal a r g el o a dr a n g e a n dh a sa h i g he f f i c i e n c y k e y w o r d s ： p h a s e - s h i f tc o n t r o l i n t e l l i g e n tc o n t r o l z v z c sd s p c o m p u t e r c o m m u n i c a t e 一， 再 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1电力电子技术的发展小2 1 电力电子技术是电子技术中的一个重要发展方向，它与微电子技术一起构成现 代电子技术的重要内容。电力电子技术研究的主要内容是电能的转换与控制，而这 一任务传统上是由电力技术来完成，使用的是机电能量转换装置( 电机) 和变压器。 使用电力电子装置代替机电能量转换装置和变压器来进行电能的转换与控制，可以 提高控制精度和转换效率、减小装置体积和重量，因此是一种大幅度节约电能、降 低材料消耗及提高生产效率的有效手段。 自1 9 5 6 年第一只晶闸管( s c r ) 诞生的4 0 多年里，电力电子技术的发展大体可 划分为两个阶段。1 9 5 7 年至1 9 8 0 年称为传统电力电子技术阶段，这一阶段以晶 闸管为核心，其主要特点是：( 1 ) 器件为半控型；( 2 ) 在控制技术上采用相控技术。 由于s c r 控制功能上的欠缺，要关断这种器件必须附加电感、电容和辅助开关器 件组成的强迫换流电路，这样将使整机体积、重量增加，效率降低，而且这类器件 立足于分立元件结构，工作频率难以提高，因而大大限制了它的应用范围。另外， 以s c r 为核心的相控变流电路的功率因数低、网侧及负载上的谐波严重，这些都 阻碍了它们的继续发展。因为上述原因，由s c r 及其变流电路组成的传统电力电 子技术经过几十年的发展已处于停滞阶段，这就要求新的一代电力电子器件及其变 流电路尽快取代传统电力电子技术。 8 0 年代以来，由于微电子精细加工技术与电力电子高电压大电流技术的有机 结合，诞生了多种新型电力电子自关断器件，出现了一批新型的电力电子电路和新 的应用领域，从而使传统的电力电子技术跃入现代电力电子技术的新时代。现代电 力电子技术在器件、电路及其控制技术方面与传统电力电子技术相比有如下特点： ( 1 ) 全控化。由半控型的普通晶闸管到全控型的自关断器件，是电力电子器件 在功能上的重大突破，是现代型与传统型的分水岭。不管是双极型的g t o 、g t r 、 s i t h ，单极型的功率m o s f e t 、s i t 以及混合型器件i g b t 、m c t 等都实现了全控 化，避免了传统电力电子器件关断时所需要的强迫换流电路，使结构大为简化。 ( 2 ) 集成化。与传统电力电子器件基于分立的方式不同，几乎所有全控型器件 都是由许多单元器件串并联而成。 ( 3 ) 高频化。从高电压大电流的g t o 到高频率多功能的s i t ，其工作频率己 从数千赫兹到兆赫兹，这标志着电力电子技术已进入高频化时代。目前，g t o 的 华中科技大学硕士学位论文 工作频率为1 - 2 k h z ，g t r 的工作频率可达5 k h z ，功率m o s f e t 可达数百k t i z ， 而s i t 则可达1 0 m h z 以上。 ( 4 ) 多功能化。随着集成工艺的提高和突破，电力电子器件的功能扩大，品种 增多，不但具有开关功能，还增加了保护、检测、驱动等功能，有的器件还具有放 大、调制、振荡及逻辑运算的功能，使用范围拓宽，电路结构简化。 ( 5 ) 控制电路弱电化，控制技术数字化。全控型器件的高频化促进了电力电子 控制电路的弱电化，而且控制技术也逐步实现数字化。 总体上说，电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域相互交叉 而出现的新兴边缘学科，是一门多学科相互渗透的综合性技术学科。电力电子技术 的应用范围极广，每种应用场合都对电路结构、控制方式有特殊的要求，因此，电 力电子技术研究的内容十分庞杂，文献浩如烟海。但其基础技术可归结为如下三个 方面：电力半导体器件的制造及应用技术；电力电子变换器技术；电力电子电路的 控制技术。现主要从这三个方面总结一下电力电子技术的目前的发展状况。 11 1 电力电子器件的发展伽小1 “ 电力电子器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。 可以说，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。目前，新兴的电 力电子器件主要沿着以下几个方向发展：( i ) 大容量化；( 2 ) 高频化：( 3 ) 易驱动；( 4 ) 低导通压降；( 5 ) 模块化。下面就目前已经产业化的几种全控型器件的发展情况作简 要概述： ( 1 ) 可关断晶闸管( g a t et u r n o f f t h y r i s t o r ，简称g t o ) g t o 是四层结构的双极型全控器件，工作频率一般在2 k h z 以下。g t o 是目 前耐压最高、电流容量最大的一种全控器件，已达到了6 0 0 0 a 6 0 0 0 v 的水平。g t o 主要缺点有两个：一是关断增益小，门极反向关断电流较大；二是为限制咖出及 关断损耗，需设置专门的缓冲电路。但是与传统晶闸管相比，g t o 的自关断能力 省去了强迫换流电路，在体积、效率、可靠性等方面有着明显的优势。因此，在高 压、大电流领域将取代传统晶闸管。 ( 2 ) 功率晶体管 g i a n tt r a n s i s t o r ，简称g t r ) g t r 是三层结构的双极型全控器件，它具有控制方便、开关时间短、通态压降 低、高频特性好等优点。为提高电流增益，减小驱动电流，大多数g t r 模块为达 林顿结构。目前g t r 的单管容量已达8 0 0 a 1 2 0 0 v ，模块般在4 0 0 a 6 0 0 a 1 2 0 0 v ，工作频率在l 一5 k h z 左右。但由于g t r 的结构所限，其耐压等级难以继 续提高。另外，g t r 还存在二次击穿问题，这些缺点限制了g t r 的迸一步发展。 ( 3 ) 功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 2 华中科技大学硕士学位论文 近年来，功率m o s f e t 发展很快，它由多数载流子导电，无少子存储效应， 因而开关时间很短，工作频率可达数兆赫兹。功率m o s f e t 的输入阻抗很大，属 电压型控制器件，驱动功率小，控制简单、方便。它的通态电阻具有正温度系数， 有良好的电流自动调节能力，理论上可并联使用。此外，它还具有热稳定性好、抗 干扰能力强、无二次击穿、安全工作区宽等优点。功率m o s f e t 的一个主要缺点 是通态电阻比较大，通态损耗也相应比较大，尤其是随着器件耐压的提高，通态电 阻也随着增大。由于受到这种限制，所以制造高耐压、低导通压降的功率m o s f e t 较为困难。随着制造工艺的不断提高，功率m o s f e t 的应用领域将更加广泛。 ( 4 ) 绝缘栅极晶体管( i s o l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，简称i g b d i g b t 是8 0 年代中期问世的一种新型复合型电力半导体器件，由于它兼有 m o s f e t 的快速响应，高输入阻抗和g t r 的低导通压降，高电流密度的特性，这 几年发展十分迅速。目前国外5 0 0 k w 以下的功率电力电子装置中都普遍使用i g b t 器件，在国内的应用领域也不断扩大。目前，其容量已达到1 0 0 0 2 0 0 0 a 1 7 0 0 v 。 今后，大容量、高频化将是i g b t 的主要发展方向。 ( 5 ) 静电感应晶体管( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ，简称s i t ) s i t 是一种三层结构的多数载流子导电器件，具有非饱和输出特性，不仅可工 作在开关状态，也可工作在放大状态。它具有输出功率大、线性度好、输入阻抗高、 开关特性好、无二次击穿现象、热稳定性好、抗辐射能力强等一系列优点，所以在 雷达通信设备、超声波功率放大、开关电源、脉冲功率放大和高频感应加热电源等 方面获得了广泛的应用，并且己发展成一个相当大的s i 家族。 总之，在电力电子器件今后的发展中，场控器件仍将是电力电子器件发展的方 向。己商品化的全控型器件将朝着大功率、易驱动和高频率这三个方向继续发展。 随着i g b t 电压、电流容量的进一步提高，g t o 快速性能的改进等，将追使s c r 和g t r 的应用范围变得更窄，这两种器件最终将会被淘汰。集成功率模块 t i p e m ( i n t e g r a t e d p o w e r e l e c t r o n i c s m o d u l o 由于集电力半导体器件，驱动电路、保护、 控制电路之大成，将使电力电子技术跃入一个新的时代。 。 1 1 2 电力电子变换技术的发展5 m m 们 从电能变换功能来看，电源设备中常用的变换电路有四种：a c d c ，d c a c ， d c d c ，a c a c 。每种又有单相，三相及其它各种电路类型。下面仅就四种变 换电路的发展方向进行概述性的介绍： ( 1 ) a c d c 变换 将交流电变换成直流电称为a c d c 变换，这种变换的功率流向由电源传向负 载，一般称为“整流”。通常单相半波可控整流电路因其性能较差，只应用于小功 3 华中科技大学硕士学位论文 率场合，在实际应用中，广泛使用的是单相全波可控整流电路。其电路形式有：单 相桥式全控整流、单相桥式半控整流及单相双半波整流电路。三相a c d c 变流 器具有比单相变流器更加优越的性能，诸如输出电压高、脉动程度小、源侧功率因 数高以及动态响应快等。因此它不仅在中、大功率领域中得到广泛应用，而且还在 直流电机调速系统中得到应用。 常规的整流装置，由于工作方式的影响，功率因数低，且谐波电流污染了电网， 而导致用电设备之间的相互干扰。因此近年来，国内外研究功率因数校正器f p f c l 成为热点。目前比较成熟且应用广泛的是前级p f c 和后接d c d c 级，p f c 级使 线电流跟随线电压，线电流正弦化，功率因数高，谐波含量减少。后接的d c d c 级可以实现快速输出电压调节，缺点是电路复杂、体积大、成本高。而单级p f c 变换使p f c 级和d c d c 级共用一个开关管，只有一套控制电路，同时实现对输 入电流的整形和对输出电压的调节。正是由于单级p f c 电路在满足谐波标准的同 时还能够实现低成本、高性能，尤其适用于小功率应用，因此具有很大的市场前景。 ( 2 ) d c a c 变换 将直流电变换成交流电称之为d c a c 变换，也就是通常所说的“逆变”。中、 高压大功率逆变技术是当前电力电子技术的一个最新发展动向。它们主要应用于大 功率电机调速传动系统和电力系统。这一方面是因为工业应用的实际需要；另一方 面是因为在这一领域有许多挑战性的前沿研究课题：如高功率开关容量( 5 0 m v a ) 、 高耐压( 9 0 0 0 v ) 、大电流( 6 0 0 0 a ) 的新型大功率器件；新型多电平逆变器：大功率 逆变器的串并联及动态投切；超大功率逆变器的e m c 、保护及控制：新型灵活交 流输电系统等。 由d i v a n 教授最先提出的谐振d c 环节逆变器引起了世界各国电力电子研究人 员的极大重视。十年来，新型电路拓扑在不断出现，促进了谐振d c 环节逆变器的 研究与应用。同时，自八十年代以来，高频链( h i g h f r e q u e n c y l i n k ) 逆变技术 也一直是人们研究的热点。高频链逆变电路采用高频脉冲变压器代替低频变压器传 输能量，并实现了变流装置的一、二次侧电源之间的电气隔离，降低了重量、体积， 提高了功率密度和可靠性。 ( 3 ) d c d c 变换 将直流电能的任一参数( 幅值和极性) a n 以转换，实现这一转换的装置称为直流 变换器或斩波器。以直流变换器为核心的开关电源随着电力电子技术和计算机科学 与技术的发展，其应用越来越广，目前己成为一个重要的新兴产业。 8 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心( v p e c ) 的李泽元等研究人员提出了谐 振开关一软性开关的概念，并用于d c d c 变换器中，先后推出了准谐振变换器、 多谐振变换器、零电压转换变换器等一系列电路拓扑结构。为了实现谐振变换器的 4 华中科技大学硕士学位论文 恒频控制，1 9 8 5 年有人提出了移相控制p w m 变换器，通过调节移相角的大小来调 节输出电压。目前，d c d c 电源的软开关技术仍是电力电子技术的一个研究热点。 ( 4 ) a c a c 变换 a c a c 变换亦称交流调压与周波变换，把恒定交流变换为可变交流称为交流 调压，把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频。变频电路按照变换次数又 可分为间接变频和直接变频两种结构。前者指包括整流和逆变两次变换，即将工频 电网的交流电能经整流器变换为直流电能，再由逆变器变换为另一频率的交流电 能。这种电路结构较简单，技术也较为成熟，生产上已得到广泛应用。所谓直接变 频是指无直流环节的一次变换结构，和逆变器相仿。直接变频电路较间接变频电路 在结构上复杂，但只有一次转换，系统效率较高，对大容量装置有价值。 1 1 3 电力电子控制技术的发展1 埘州7 1 就控制方式而言，可分为以下三种方式： ( 1 ) 相控方式：指控制信号幅度的变化表现为变流器控制脉冲相位的变化，是工 作于交流电源的变流器常用的控制方式之。 f 2 ) 频控方式：指控制信号幅度的变化表现为变流器控制脉冲频率的变化，是工 作于直流电源的逆变器常用的控制方式之一。 ( 3 ) 斩控方式：指控制信号幅度的变化表现为变流器件导通比的变化，是直流变 换电路常用的控制方式之一。 上述控制方式都各有所长，也各有所短。例如，简单的相控方式并不能改变输 出频率，而简单的频控方式又不能改变输出的幅值。所以实际应用中，一般都是上 述方式的结合。 1 2软开关技术的发展朝 电力开关变换器出现以后，p w m 技术因为原理直观、实现容易、线性度高、 动态性能好等优点在各种电力变换器中获得了广泛的应用。如p w m d c d c 斩波 器，s p w m 逆变器，s p w m 变频器等。p w m ( s p w m ) 已被认为是电力变换领域中 一项成熟、理想和重要的基本控制技术，而且目前依然具有较大的发展潜力。 然而传统的p w m 硬开关技术有下述缺陷：( 1 ) 开关器件在开通和关断时电压电 流交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随着开关频率的提高而增加；( 2 ) 开关器件关 断时，电路中的杂散电感产生很大的击出，过高的尖峰电压加在开关器件两端， 易造成开关器件电压击穿；f 3 ) 当开关器件在高压下开通时，开关器件结电容通过开 关器件放电，产生很大的冲击电流，不仅增加器件的损耗，而且还可能导致器件的 过热损坏；( 4 ) 开关器件在开关过程中产生高频噪声造成传导与辐射干扰。 5 华中科技大学硕士学位论文 我们知道，电力变换器中许多元部件的体积、重量乃至价格都和开关频率有关， 提高开关频率可使开关变换器( 特别是变压器、电感等磁性元件以及电容) 的体积、 重量大为减小，从而提高变换器的功率密度( 单位体积的输出功率) 。此外，提高开 关频率对于降低开关电源的音频噪声和改善动态响应性能也大有好处。这样p w m 硬开关技术就阻碍了电力变换器向着高频化、小型化、高可靠性方向发展。 解决这个问题的基本思路是发展新型的主电路拓扑及运行方式来改善器件的 开关轨迹。一般是通过有序、受控的谐振造成开关管的零电压或零电流开关环境， 并让变换器中全部或部分开关管只在这种环境下进行开通和关断，这就是“软开关” 技术。为了使开关电源能够在高频下高效率的运行，国内外自7 0 年代以来不断研 究开发高频软开关技术，并取得了十分可喜的成果。 1 2 1 谐振开关技术 谐振开关技术是最早提出的软开关技术，先后出现了串联谐振开关变换器、并 联谐振开关变换器、准谐振开关变换器、多谐振开关变换器等。 1 9 8 4 年美国v p e c 的ec l e e 等人提出了谐振开关的概念，用它来代替p w m 硬开关电路，形成准谐振开关变换器( q r c ) 。这类变换器利用谐振原理使开关管两 端的电压或电流在一个周期内有一段时间成正弦规律变化，电压电流波形错开，从 而实现了零电流开关( z c s ) 或零电压开关( z v s ) 条件，使得开关管自然关断或导通。 谐振参数吸收了变压器的漏感和开关管的输出结电容。谐振开关由开关管、谐振电 感和谐振电容组成，按照不同的组合方式，分为电流型谐振开关和电压型谐振开关。 电流型谐振开关为零电流开关( z c s ) ，电感与开关是串联的，电压型谐振开关 为零电压开关( z v s ) ，电容与开关是并联的。将p w m 开关变换器中的p w m 硬开 关用谐振开关来代替，即可派生出众多的准谐振开关变换器拓扑结构。 零电流开关准谐振变换器( z c s q r c ) 采用电力开关管的电流过零关断技术，消 除了开关断开时的开关损耗，使得开关频率很容易提高到l 一2 m h z ，但是它所付出 的代价是开关内有较高的电流有效值和电流峰值，使得通态损耗增加，此外，谐振 回路内的环流也产生了附加的通态损耗。零电流开关准谐振变换器的主要缺点是容 性开通损耗。由于电力开关管的非零电压开通，使存储在开关管输出结电容内的能 量在开关导通时消耗在开关管内，随之出现开关噪声及寄生振荡，而且这一损耗与 开关频率成正比，因此也就限制了其开关频率的进一步提高。 零电压开关准谐振变换器( z v s _ q r e ) 采用电力开关管的电压过零开通技术； 解决了z c s q r c 存在的容性开通损耗的问题，使开关频率进一步提高到了1 0 m h z 。 但是z v s q r c 仍有两个主要缺点：( 1 ) 电力开关管上的电压应力与负载变化范围成 e 比。在要求负载变化范围较宽的场合，开关管上所承受的电压应力将非常高，因 6 华中科技大学硕士学位论文 此难以实现软开关化。( 2 ) 无源开关( 整流二极管) 关断时，其寄生结电容与谐振电感 产生振荡。如果加入阻尼衰减，将引起显著的高频功率损耗，如果不加阻尼衰减， 将对变压器的电压增益和系统的闭环稳定性产生十分严重的不利影响。 为了进一步改善变换器中有源开关和无源开关的开关条件，尽可能消除寄生参 数对变换器性能的影响，又提出了多谐电力开关变换器( m r c ) 。在零电流开关准谐 振变换器的无源开关上并联一谐振电容，构成零电流开关多谐振变换器 ( z c s m r c ) ；在零电压开关准谐振变换器的无源开关上并联个谐振电容，构成零 电压开关多谐振变换器( z v s m r c ) 。多谐振网络的独特结构吸收和利用了开关变换 器中所有的开关器件的寄生电容和电路中的寄生电感，使有源开关、无源开关均具 有良好的开关条件。与q r c 相比，降低了开关器件承受的电压、电流应力，增大 了负载的工作范围，减小了开关频率的调节范围。从本质上看，m r c 仍是一种q r c ， 只是谐振参数的个数有所增加。 与p w m 变换器相比，谐振变换器具有诸多优点。首先，寄生参数被纳入谐振 元件后，大大降低了电路中的讲疵或咖出；储存在寄生电感和寄生电容中的能 量可以通过谐振回馈到电网中，而不至于被损耗掉：高频变压器的设计和制作具有 更大的自由度。其次，开关损耗明显减少。再者，由于谐振波形与方波相比，谐波 分量大大减少，因此，减小了变换器的电磁干扰( e m l ) 。但是，谐振变换器也存在 着许多不足： ( i ) q r c 和m r c 一般都是变频控制的，控制电路复杂，易受干扰，且在高频 时，还会通过高增益放大器传递大量噪声，限制有效带宽，所以很难得到满意的品 质，这也是阻碍其实用化的主要原因。 ( 2 ) 功率电路拓扑分析复杂，在不同的负载条件下，存在着不同的工作模式，且 电路参数的数学表达式大多是隐式的，所以分析设计复杂。 ( 3 ) 开关管的电流和电压应力比p w m 硬开关变换器还要大一些，且高频谐振使 得开关管的导通损耗以及储能元件的损耗增大。 ( 4 ) 电磁元件要按最小频率设计，不可能做得很小，所以优化设计十分困难，且 减小了磁性元件的利用率。 1 2 2 恒频软开关技术 为了消除频率调制造成的困难，恒频控制谐振变换器( c f r c ) 成为研究热点。 这种变换器的目标有两个：( 1 ) 谐振变换器的开关频率恒定，有利于滤波器和磁性元 件的优化设计。( 2 ) 保留谐振变换器的优点，因而提高了变换器的开关频率。 1 9 8 7 年，有人提出了开关电感和开关电容的概念，利用辅助开关改变等效电 抗，通过可变电抗调整谐振周期以控制输出，从而达到恒频控制的目的；1 9 8 9 年， 7 华中科技大学硕士学位论文 有人提出用有源开关代替整流二极管，强行改变变换器的续流时间控制输出，以实 现恒频控制：还有人用磁放大器控制谐振变换器的输出，实现了恒频控制等。 另一方面，由于p w m 技术的优点，人们试图找到一种谐振技术与p w m 技术 相结合的方法，于是出现了z c s ( z v s ) 一p w m 变换技术，即移相式p w m 变换技术。 它利用电路中的寄生电感和寄生电容实现软开关。与谐振软开关技术相比，它具有 开关频率恒定、主开关管电流和电压应力比p w m 硬开关和谐振软开关都低、不需 辅助器件、结构简单等优点。移相控制全桥z v s p w m 变换器的主要优点是：开关 管在z v s 条件下运行，开关损耗小，可实现高频化；控制简单f 脉宽恒定，只控制 移相) ；恒频运行：无须缓冲电路；电流、电压应力小，与p w m 硬开关变换器相 似。其主要缺点是：当负载很轻时尤其是滞后桥臂开关管的z v s 条件难以满足； 原边有较大环流，增加了通态损耗；存在占空比损失，而且随着负载的增大而增大。 针对移相控制全桥z v s p w m 的特点和缺点，有人提出了移相式全桥z v z c s p w m 变换器，即领先桥臂实现z v s ，滞后桥臂实现z c s 。 值得注意的是1 9 9 2 年f c l e e 等人提出的“零转换”f z e r o - - t r a n s i t i o n ) 技术， 通过采用一个辅助谐振网络与主开关管并联，以实现软开关，可分为z v t ( 零电压 转换) p w m 、z c t ( 零电流转换) p w m 两种。分析和实验表明：零转换p w m 变换器 的通态损耗和开关损耗都非常小，除了能恒频控制外，还避免了移相式p w m 技术 的占空比损失、零电压开通条件受负载大小影响等缺点，能实现零开关特性而不增 大开关的电流或电压应力。零转换p w m 技术的不足之处在于需增加辅助开关管， 控制较复杂，且辅助开关仍工作在硬开关状态。 综上所述，软开关技术的应用使开关频率由几赫兹几十千赫提高到兆赫级水 平，几十年来，国内外已研究开发并得到应用的各种高频软开关变换技术类型如表 1 1 所示。 【序号时间 名称应用 17 0 年代 串联和并联谐振技术半桥和全桥变换器 7 8 0 年代中准谐振和多谐振技术单端和桥式变换器 i38 0 年代末z c s p w m 和z v s p w m 技术单端和桥式变换器 l 48 0 年代末移相全桥z v s - - p w m 技术2 5 0 w 以上全桥变换器 i 59 0 年代初z c t - - p w l v l 和z v t - - p w m 技术单端和桥式变换器 表1 1高频软开关变换技术的发展过程 8 华中科技大学硕士学位论文 1 3 电力电子电路的数字化控制技术恤”1 随着微电子技术、计算机技术的发展，以及数字控制理论的成熟和发展，数字 控制系统的优势日益明显。近年来，数字控制技术在电力电子领域获得了广泛的应 用，采用以微机为基础的数字控制替代模拟控制已成为现代电力电子电路控制的重 要发展趋势。相对模拟控制系统，数字控制系统一股具有下列优势： f 1 ) 系统紧凑，通用性强，可一机多用，性能价格比高。与模拟控制系统不同， 数字控制系统的控制方案并不是全部体现在硬件电路上，而是主要集中在控制程 序，即软件上。用于控制的微处理器，又称微控制器，往往具有丰富的片内外设可 供使用。因此，系统的硬件设计一般比较紧凑。而且，在硬件配置确定之后，系统 始终具有较强的通用性，仍可选择多种控制方案。另外，微控制器内部资源丰富， 还可进行分时处理，故容易实现一机多用，达到较高的性能价格比。 ( 2 ) 控制规律灵活，且可在线修改控制算法或参数。数字控制系统中，若想改 变控制规律，一般只需改变控制程序，硬件结构则可保持不变。因此，可以方便地 尝试各种可能的控制规律，甚至可以在控制程序中根据控制对象的不同工况在线、 实时地变更控制算法或参数，实现所谓的变结构、自整定控制。 ( 3 ) 可以实现许多先进、复杂的控制算法，可望从根本上提高系统的性能指标。 电力变换器往往受电网波动和负载变化的双重影响，且高频工作下的开关器件和储 能元件均会偏离其理想特性。这样，控制对象的精确模型就无法获取，经典控制理 论遇到了一定的困难。而现代控制理论或智能控制理论涉及到的许多复杂运算，是 模拟系统无法或难以完成的，但具备运算、记忆和判断能力的微处理器则擅长于实 现这类算法。 ( 4 ) 抗干扰能力强，可以获得较高的稳定性和控制精度。数字控制使用的是以 “l ”、“0 ”表示的逻辑“高”、“低”电平，区分明显，不易受外界干扰和元件参 数老化、漂移的影响。另外，数字调节器的控制精度不象模拟调节器那样取决于元 器件的精度，而是主要取决于机器字长和运算误差。一般来说，元器件的精度很难 达到1 0 3 ，而数字调节器的运算精度则很容易达到这个数量级。 ( 5 ) 便于实现控制、管理与通信的结合，可提高分布式系统的自动化程度和可靠 性。随着分布式电源系统的发展，数字控制系统的网络通信和集中监控功能也越来 越受到重视。 现在用于实现电力电子电路数字化控制的主要手段有： ( 1 ) 由专用大规模集成电路( 如可编程控制器p l c ) 组成的数字式硬件控制手 段，促使控制电路运算能力加强，并可实现小型化、集成化。现在p l c 已经发展 9 华中科技大学硕士学位论文 成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、p i d 运算、联网等能力 的多功能控制器。 ( 2 ) 由微处理器和单片机组成的软件控制手段。如单片机和d s p ，它们具有极 好的快速运算、信息存储、逻辑判断和数据处理能力，以及丰富的片内外设，因此 很容易实现电力电子变换器系统中的许多控制要求，在电力电子变换器中得到了日 益广泛的应用。 1 4 本文研究内容 软开关技术和数字控制技术都是当前电力电子技术研究的热点，而将数字控制 技术应用于软开关电路的研究还刚刚开始。本文将对一种适用于大功率场合的移相 全桥z v z c s p w m 软开关电路进行数字化控制改造，在验证其各方面优点的同时， 引入智能控制和微机通讯控制，使其更适合于现代用电设备和管理的需要。 本文第二部分将对移相全桥z v z c s - p w m 软开关电路的基本工作原理和目前 常用的几种z v z c s 软开关电路拓扑进行了简要的分析，指出它们各自的优缺点， 并在此基础上选取一种利用变压器辅助绕组实现的z v z c s 软开关电路作为实验研 究的主电路拓扑。在文章第三部分对此电路工作原理进行了较详细的分析，对电路 中关键元器件参数的选取方法给出了详细的说明，并根据实验设计要求选取了实验 用参数，最后对主电路进行了仿真分析，验证了原理分析和参数设计的正确性。 移相控制策略的数字化实现方法在本文第四部分中进行了详细的论述，并介绍 了各主要功能的软件实现策略和程序流程图。第五部分给出了实验结果和分析，验 证了系统设计的正确性和移相全桥软开关电路实现数字化控制的可行性。 l o 华中科技大学硕士学位论文 2 移相全桥z v z c s - - p w md o d e 变换器 p w m - - d c ，d c 全桥变换器的基本电路结构及主要波形如图2 1 所示。是直 流输入电压，q 1 & d 1 q 4 & d 4 构成两个桥臂，高频变压器t r 的原副边匝比为k ， d r i 和d r 2 是输出整流二极管，是输出滤波电感，c ，是输出滤波电容，舢是 负载。 l 叫媳。纠好。 脚臣 旦一 - 一叫再。 l 叫b 。 flf， 肾商f 鞘 ( a ) 基本电路结构 w w + v o k 一0 l 1 ， 0 聆 一 每k1 毒kf 毒kff d k t ，i，i ， 一 ( b ) 主要波形 图2 1基本的全桥电路结构及其主要波形 通过控制四只开关管，在a b 两点得到一个幅值为的交流方波电压，经过高 频变压器的隔离和变压后，在变压器副边得到个幅值为k 的交流方波电压， 然后通过由d r j 和d r 2 构成的输出整流电路，在c d 两点得到幅值为k 的直 流方波电压。l f 和c r 组成的输出滤波器将这个直流方波电压中的高频分量滤去， 在输出端得到一个平直的直流电压，其电压值为k = d k ，其中d 是占空比， d ：2 t o n ，是导通时间，瓦是开关周期。通过调节占空比来调节输出电压阼。 2 1 移相全桥p w m 变换器的控制策略与工作状态“钉“町 移相全桥p w m 软开关变换器是在基本的全桥p w m 变换器基础上演变而来的。 在全桥p w m 硬开关变换器中，经常采用如图2 2 所示的双极性控制策略。在这种 丑 卫 j 巨 卫 至 卫臣 图2 2 双极性控制驱动电压波形 华中科技大学硕士学位论文 控制策略下，变换器开关管q 1 和q 4 同时导通，q 2 和q 3 同时导通。硬开关状态 时，电路有如下一些缺陷： ( 1 ) 开关管是感性关断容性开通。由于电路中存在寄生电感，开关管在关断时 d i d t 很大，会在寄生电感上产生很高的感生电势，开关管两端有很高的电压尖峰。 开关管在开通时，其并联电容或寄生结电容中的能量将消耗在器件中，同时导致很 大的电流尖峰。 ( 2 1 开关管开关过程中，电压和电流的交叠区产生很大的开关损耗。尤其是象 i g b t 这样的由少子导电的器件，在关断时存在较大的拖尾电流，关断损耗很大， 开关管的开关频率越高，开关损耗越大。 ( 3 ) 开关管需要很大的安全工作区( s a f e t yo p e r a t i o na r e a ，s o a ) 。 ( 4 ) 二极管的反向恢复也造成很高的电压、电流尖峰和损耗。 ( 5 ) 驱动电路不稳定。由于m i l l e r 效应，m o s f e t 和i g b t 开通时的电压尖峰 通过m i l l e r 电容耦合到驱动电路中，导致驱动电路不能稳定工作，同时产生很大的 噪声。 ( 6 ) 开关损耗限制了开关频率的提高，从而限制了变换器的增益带宽，动态特 性不理想，同时也限制了滤波器的小型化。 为了克服上述硬开关状态下的缺陷，提高开关频率，降低开关管电压、电流应 力，降低开关损耗，对基本全桥p w m 变换器的控制策略进行了如下两个方面的改 进，形成了全桥p w m 软开关变换器： ( 1 ) 改变双极性驱动为移相驱动。 ( 2 ) 利用电路中的寄生电感和电容实现谐振，创造开关管软开关条件。 改进后的移相全桥p w m 变换器基本电路拓扑和驱动信号波形如图2 3 所示。 图中电容c b 为隔直电容，c l c 4 为开关管q l q 4 的寄生结电容，d 1 d 4 为q 1 q 4 的体二极管，电感l r 为表示高频变压器原边漏感和线路寄生电感的等效电感。 在移相全桥p w m 软开关变换器中，开关管q 1 和q 4 、q 2 和q 3 不是同时导通 和关断，而是有一个相位差。在不考虑死区的情况下，同一桥臂的开关管q l 和 q 3 、q 2 和q 4 的驱动电压波形是互补的。硬开关控制中，通过调节开关管的导通 占空比d 来调节输出直流电压的大小；而在移相控制中，驱动信号脉冲宽度是不 变的，通过调节驱动信号相位差的大小来调节输出直流电压的大小。这样一来，变 压器原边电流不会发生突变，而是由一个续流过程所代替，因此大大降低了d i d t ， 改善了开关管工作条件。在硬开关工作状态下，杂散参数( 寄生电感和寄生电容) 是 使开关管工作环境变坏的主要因素，而在软开关工作状态下，正是利用这些参数实 现谐振，为开关管创造零电压( z v s ) 或零电流( z c s ) 开关条件。有时为了需要，还 1 2 华中科技大学硕士学位论文 眇铬 叫蚶。： 刖 卜制叫辅 一。收当商f 鞘 ( a ) 移相p w m 软开关变换器主电路拓扑 二盈 二 二 j 二互 二 二至 匝二 f b ) 移相控制驱动电压波形 图2 3移相全桥软开关主电路和驱动波形 要并联电容或串联电感来增加谐振电容或电感的值。 在如图2 3 所示的驱动电压波形作用下，根据四只开关管导通情况不同，移相 p w m 全桥d c d c 变换器存在如下三种工作状态： ( 1 ) + 1 状态 从图2 3 中可以看出，当q l 和q 4 同时导通时，加在a b 两点的电压为正的输 入电压，即：v _ a = ( + 1 ) ，定义这种工作状态为+ l 状态。 ( 2 10 状态 当q i ( d 1 ) 和q 2 ( d 2 ) 同时导通或q 3 ( d 3 ) 和q 4 ( d 4 ) 同时导通时，加在a b 两点 的电压为0 ，即： d a b = 0 = ( 0 ) ，定义这种工作状态为0 状态。 f 3 ) 一1 状态 当q 2 和q 3 同时导通时，加在a b 两点的电压为负的输入电压，即 l a b = ( 一1 ) ， 定义这种工作状态为一1 状态。 通过分析可以看出，移相全桥p w m 变换器在+ l 状态和一1 状态之间切换时总 夹着一个0 状态。正是在0 状态中，电路谐振元件发生谐振，为开关管创造软开关 1 3 华中科技大学硕士学位论文 条件。 0 状态中变压器原边电流如的变化不同，使0 状态出现两种工作模式，一种是 恒流模式，一种是电流复位模式。所谓恒流模式，就是在0 状态下，使原边电流l p 基本保持不变；而电流复位模式，就是在0 状态下，使原边电流减小到零。 2 2移相全桥z v z o s 软开关的实现原理1 1 3 j 1 1 4 j f 2 2 f 2 9 j 随着i g b t 的出现，它以快速、低通态压降和低成本获得广大电源设计者的青 睐。尤其在中大功率场合，有取代m o s f e t 的趋势。但i g b t 是少子器件，关断 时存在拖尾电流，会大大增加关断损耗，这影响了开关频率的提高。如何实现i g b t 的软开关，一直是电源设计者关注的热点。基本的解决方法是零压开关( z v s ) 或 零流开关( z c s ) 。但后来的研究发现，i g b t 并不适合用于零电压全桥p w m 变换 器。这是因为零电压范围太窄。要扩大零电压范围就必须将变压器漏感变得很大。 而且占空比丢失大，输出整流二极管工作在硬开关状态，开关损耗较大。这些都限 制了变换器最大效率的提高。相比之下，i g b t 更适合工作在零电流状态下，在此 工作状态下，i g b t 的关断损耗大大降低。但要实现全桥零电流( z c s ) 工作，必 须在桥臂上串联二极管以阻断电流的反向流动，也存在着副边电流占空比的丢失。 基于各方面的因素的考虑，现在使用i g b t 的软开关电路中大多采用零电压零电流 ( z v z c s ) 技术。实践表明，全桥z v z c s 方案是比较适合于使用i g b t 作为开关 管的。采用全桥z v z c s 方案可以解决z v s 方案的固有缺陷、可以大幅降低电路内 部的循环能量、提高变换效率、减小副边占空比丢失，而且其软开关范围不受输入 电压和负载的影响。因此全桥零电压零电流p w m ( z v z c s f b p w m ) 技