（电机与电器专业论文）半桥串联混合式直流变换器的研究.pdf

s t u d y o fh a l f b r i d g e si ns e r i e sh y b r i d d c d cc o n v e r t e r s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y f s m p s ) h a sb e e nm o r ea n dm o r ea p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s h o w e v e r t h ev a s t a p p l i c a t i o n so fs m p sc a r r yt w on e g l i g i b l ep e n a l t i e so ns u p p l yn e t w o r k ：h a r m o n i c s d i s t u r b a n c ea n dr e a c t i v ec u r r e n t i no r d e rt oo v e r c o m et h et w op e n a l t i e sa n d i m p l e m e n tt h e “g r e e np o w e rs u p p l y ”，t h et e c h n o l o g yo fa c t i v e p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ( a p f c ) s t a r tt ob eu s i n gi ns m p s b u t ，t h eo u t p u tv o l t a g eo fa p f ci s r a t h e rh i g h t h e r e f o r et h ed c 。d cc o n v e r t e r ss w i t c h e sn e e dh i g hr a t e dv o l t a g e f o r t h es a k eo fr e d u c i n gv o l t a g es t r e s so fs w i t c h e s ，t h et o p o l o g i e sd c d cc o n v e r t e r ， w h i c hc a nn o to n l ya c h i e v es o f ts w i t c h i n gb u ta l s or e d u c ev o l t a g es t r e s so f s w i t c h e s b e c o m ear e s e a r c hf o c u si nr e c e n ty e a r s t h e r e i n t o ，t h em a i nt w ot o p o l o g i e sa r e t h r e e 1 e v e ld c d cc o n v e r t e ra n dh a l fb r i d g ei ns e r i e sh y b r i dd c d cc o n v e r t e r t h el o t t e ri ss t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec a u s a t i o no fu n b a l a n c e d v o l t a g e d i v i s i o ni n h e r e si n t w oh a l fb r i d g e s i n p u tc a p a c i t o r si nt h es y m m e t r i c a lh a l fb r i d g e si ns e r i e sh y b r i d d c d cc o n v e r t e r b a s e dt h i sa n a l y s i st w o m e t h o d sb ep r o p o s e dt oo v e r c o m ea b o v e d r a w b a c k t h et w om e t h o d si sb a l a n c e dc h a r g i n ga n de l i m i n a t i n gl o o pc u r r e n t t w o d c d cc o n v e r t e r sa r ep r o p o s e db a s e do nt h et w om e t h o d s w h i c ha r eh a l fb r i d g e s i ns e r i e s h y b r i d d c d cc o n v e r t e rw i t hc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e ra n d a s y m m e t r i c a lh a l fb r i d g ei ns e r i e sh y b r i dd c d cc o n v e r t e r t h ep r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w on o v e lc o n v e r t e r sa r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h et w o c o n v e r t e r sa r es i m u l a t e di ns a b e r , w h i c hi sp o w e re l e c t r o n i c ss i m u l a t i o ns o f l w a r e t w op r o t o t y p e sa r eb u i l tt ov a l i d a t et h et w oc o n v e r t e r s c h a r a c t e r i s t i c s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e di nt h ee n d k e y w o r d s ：h a l fb r i d g e si ns e r i e s ，h y b r i dd c d cc o n v e r t e r ， v o l t a g es t r e s s u n b a l a n c e d - v o l t a g e - d i v i s i o n 插图清单 图1 1基本d c d c 变换器拓扑2 图1 2反激变换器3 图1 3各种复位方式的正激变换器5 图1 4推挽变换器6 图1 5半桥变换器6 图1 6全桥变换器及其三种控制方式7 图1 7半桥三电平变换器8 图1 8开关管硬开关时的电压和电流波形9 图2 1四管混合式直流变换器主电路图1 2 图2 2四管混合式直流变换器的主要波形1 3 图2 3六管混合式直流变换器主电路图1 3 图2 4六管混合式直流变换器的主要波形1 4 图2 5六管加减混合式直流变换器主电路图1 4 图2 6六管加减混合式直流变换器加模式时的主要波形1 5 图2 7六管加减混合式直流变换器减模式时的主要波形1 6 图2 8八管加减混合式直流变换器主电路图1 6 图2 9 八管加减混合式直流变换器加模式时的主要波形1 7 图2 1 0八管加减混合式直流变换器减模式时的主要波形1 7 图2 11半桥并联混合式直流变换器主电路图18 图2 1 2半桥并联混合式直流变换器的主要波形1 8 图2 1 3对称半桥串联z v s 混合式直流变换器主电路图1 9 图2 1 4 对称半桥串联z v s 混合式直流变换器假设状态主要波形。2 0 图2 15个工作模式的等效电路2 1 图2 1 6对称半桥串联z v s 混合式直流变换器实际状态主要波形2 2 图3 1主电路和主要波形2 5 图3 2各工作模式的等效电路2 7 图3 3主电路原理图2 9 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 采用u c 3 8 7 5 实现的移相控制电路原理图 电压反馈与电流反馈原理图 驱动电路原理图 满载时的仿真波形 满载时的实验波形 轻载时的实验波形 主电路和主要波形 各工作模式的等效电路 简化等效电路 主电路原理图 控制电路原理图， 仿真波形 实验波形 变换器的实测整机效率曲线 3 7 3 8 3 8 4 0 4 1 4 2 4 3 4 5 ，4 7 4 9 5 5 5 6 5 7 5 8 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及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 盒筵兰些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我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 明并表示谢意。 学位论文作者签字：辐客移松签字日期：) 一占年9 月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金e s 王些友堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金妲王些盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：1 祷勿松 导师签名 签字日期：西昭年争月2 日签字日期：a 卅年牛月工日 学位论文 工作单位 通讯地址 琵分列 电话： 凶扦啦愕邮孙 。殄产g i 6 7 06 ，l f 习8 b 穷 匆 c 丰 致谢 在本人攻读硕士学位三年的时间里，自始至终得到了我的导师杜少武副教 授的悉心指导和无微不至的关怀照顾，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了杜少武老师的大量心血。在学术上，杜老师渊博 的知识、严谨的治学态度、求实的科学精神和精益求精的工作作风值得我认真 学习；生活中，杜老师开阔的胸怀、豁达的人生态度，平易近人、诲人不倦的 良师风范向我展示了为人的道德风尚；杜老师对我的谆谆教诲也将使我受益终 生。在此谨向恩师杜少武副教授致以最诚挚的敬意和衷心的感谢。 在学习、科研和论文工作中，还得到葛锁良副教授、高衡初老师的热情指 导、言传身教；同时得到了我的师兄杜凤付和同学杨钰辉、邹希、绍玉泽、方 如举、汪令祥等的大力帮助，感谢我的师弟师妹们在论文过程中的帮助和启发， 在此对他们表示由衷的感谢。 感谢我的家人，他们对我的关心和鼓励是对我最大的支持，我的任何成绩 都应该归功于他们对我的教育和支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：橘雩力私 2 0 0 6 年3 月 第一章绪论 随着电力电子技术的日盏成熟，开关电源以其体积小、效率高的优点在各 种电子设备中的应用也越来越广泛。通常，开关电源是对电能进行交流一直流 一交流一直流变换的电力电子装置，其核心部分是d c d c 变换器。开关电源 技术是集电力变换、现代电子、自动控制等多学科的边缘交叉技术。随着科技 的发展，开关电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术 等许多领域密切相关。2 0 世纪9 0 年代以来我国电力电子技术和开关电源产业 获得了快速发展。尤其是近年来，随着功率器件的更新换代、新型电磁材料的 使用、功率变换技术的进步、控制方法的改进以及相关学科的融合，开关电源 正朝着小型化、高效率、低成本、高可靠性、低电磁干扰、模块化、智能化的 方向发展。 由于生产技术的不断发展和革新，对双向d c d c 变换器的要求也逐年增 加，在直流不停电电源系统、航空电源系统、电动汽车等车载电源系统、直流 电机的驱动系统以及蓄电池储能等应用场合，双向d c d c 变换器都得到了广 泛运用。 在直流电机的驱动系统中，双向d c - d c 变换器能大幅提高直流电机的工 作性能和效率。若由蓄电池直接给负载供电时，随着蓄电池放电深度的增加， 其端电压变化很大，严重影响了电机的驱动性能：同时直流电机在其运行过程 中不断的加速、减速，使得电机的运转速度变化范围极宽，从而也会引起蓄电 池的端电压变化很大。所以在蓄电池和直流电机之间加入一个双向d c d c 变 换器就能够很好的解决这些问题，既能使得直流电机获得稳定的驱动，也能将 直流电机刹车制动时的动能转化而来的电能回馈给蓄电池，实现直流电机驱动 系统的节能。不过，在某些较高压( 5 0 0 v 1 0 0 0 v ) 直流电机的驱动系统中， 由于双向d c d c 变换器的降压电路的输入电压较高，若采用传统的全桥电路， 因主电路开关管的电压应力较高，需选用耐高压的开关管，则成本增加，所阻 应选择开关管电压应力低的d c d c 变换器拓扑。本文研究的主题就是低开关 管电压应力的直流变换器拓扑。 1 1i ) c - d c 变换器拓扑”1 1 将直流电能由一种不可控、纹波大的粗电形式转变为一种可控的、纹波小 的精电形式，或者从一个直流电压转变为另一个直流电压，并向负载供电的电 力电子装置即为直流一直流( d c - d c ) 变换器，简称直流变换器。有两种方式 可以实现这种功能：一种是线性调节方式，另一种是开关调节方式。 线性调节方式主要由与负载串联的线性元件来实现，该线性元件可以是可 变电阻，也可以是工作在线性区的晶体管。在这种方式下，负载电流全部流过 该线性元件，故整机效率不高，并且随着输入与输出之间的电压差越大，线性 元件上的损耗功率越大，从而整机效率就越低。 开关调节方式主要由工作在开关状态的电子开关来实现，电子开关不断在 导通和阻断两种状态之间转换，通过控制开关导通的之间或开关转换的频率来 控制输出。由于电子开关导通时两端电压很低，而阻断时漏电流又很小，所以 与线性调节方式相比开关调节方式的整机效率要高很多，一般会在8 0 以上。 1 ，1 1 基本d c d c 变换器拓扑 基本d c d c 变换器拓扑主要包括b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k b o o s t 变换器、c u k 变换器、s e p i c 变换器和z e t a 变换器等六种直流变换器，其中最 基本的两种电路是b u c k 变换器( 降压斩波变换器) 和b o o s t 变换器( 升压斩波 变换器) ，其余四种变换器则由它们派生而来。 如图1 1 所示为六种直流变换器的电路结构图，其中图1 1 ( a ) 为b u c k ( 降 压) 变换器，其输出电压等于或小于输入电压，输出端有滤波电感，所以在电 感电流连续时其输出电流脉动小，但输入电流脉动大。图1 1 ( b ) 为b o o s t ( 升 s三 ( a ) b u c k 变换器 sd ( c ) b u c k b o o s t 变换器 厶q d 上d ( b ) b o o s t 变换器 厶g 厶 陌 ： 【 ! q 半对 f ( d ) c u k 变换器 s q乞 f ￥ f_厶f 成 q 丰对 ( e ) s e p i c 变换器 ( f ) z e t a 变换器 图1 1 基本d c - d c 变换器拓扑 2 + k 一 一 k + + k 一 一 + 压) 变换器，其输出电压高于输入电压，所用电力电子器件及元件和b u c k 变 换器相同，仅电路拓扑结构不同，其输入端有滤波电感，所以在电感电流连续 时其输入电流脉动小，适合于对输入电能进行功率因数校正。图1 1 ( e ) 为 b u c k b o o s t 变换器，其输出电压既可低于也可高于输入电压，主电路与b u c k 变换器和b o o s t 变换器的元器件相同，但与它们不同的是其输出电压的极性与 输入电压相反，并且其电感在电路的中部，所以其输入、输出电流的脉动均较 大。图1 1 ( d ) 为c u k 变换器，其输出电压也同样是既可低于也可高于输入电 压，而且输入、输出电压极性相反，不过其输入端和输出端均有电感，从而能 显著见效输入和输出电流的脉动。图1 1 ( e ) 为s e p i c 变换器，其输出电压既 可低于也可高于输入电压，但输入、输出电压极性相同，其输入端类似于b o o s t 变换器而输出端类似于b u c k b o o s t 变换器，所以其输入电流脉动小而输出电流 脉动大。图1 1 ( f ) 为z e t a 变换器，其输入、输出电压关系与s e p i c 变换器相 同，输入端类似于b u c k b o o s t 变换器而而输出端类似于b u c k 变换器，所以其 输入电流脉动大而输出电流脉动小。 1 1 2 反激( f l y b a c k ) 变换器 在需要电气隔离的应用场合，直流变换器一般需要加变压器，而反激变换 器是最简单的隔离式直流变换器。反激变换器电路拓扑结构如图1 2 所示，它 由开关管、整流二极管、电容和变压器构成。它实际上可以看作是由b o o s t 变 换器将其电感替换成变压器而演变出来的，只不过这个变压器与一般的变压器 有本质上的不同，它实际上是耦合电感，起着储存能量和输入输出电气隔离的 作用。其工作原理类似于b o o s t 变换器，开关管开通时变压器储存能量，而开 关管关断时变压器中的储能向输出端传递。但与b o o s t 变换器不同的是，由于 有变压器的存在反激变换器既可以升压也可以降压。 反激变换器还有一个与众不同的特点，即变换器的电流连续和电流断续两 种方式的定义，其它变换器的电流连续和断续是指电感电流的连续和断续，而 在反激变换器中则是指变压器副边绕组中的电流的连续和断续。 反激变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合用于多路输出场合。但是 d t 图1 2 反激变换器 它也存在有如下缺点：变换器的输出功率受变压器储能能力的限制，适合于中 小功率场合；输出没有滤波电感，所以输出电压、电流脉动大；开关管的电压 应力大于输入电压；多路输出时难以实现良好的交叉调节特性等。 1 1 3 正激( f o r w a r d ) 变换器 基本正激变换器如图1 3 ( a ) 所示，它实际上是在降压式b u c k 变换器中插 入隔离变压器而成的。与反激变换器不同的是，它的变压器是真正的变压器而 非电感，并且它还增加一个复位绕组。当开关管开通时，变换器的原边向负载 传递能量，当开关管关断时，变换器的副边滤波电感通过续流二极管续流，而 原边则通过复位绕组对变压器进行磁复位，同时把变压器中激磁时储存的能量 回馈到电网。 正激变换器具有电路结构简单、输入与输出电气隔离、适于多路输出等优 点，广泛应用在中小功率场合。但该变换器存在一个固有的缺陷：其变压器必 须要磁复位，因此必须采取磁复位措施。正激变换器的磁复位的基本要求是： 变压器的原边绕组( 或副边绕组) 上的正向电压伏秒面积必须等于负向电压 伏秒面积。近年来，关于正激变换器磁复位技术的研究很多，包括r c d 筘位技 术、l c d 箝位技术、有源箝位技术、z v t 箝位技术以及双管正激技术等。 图1 3 ( a ) 所示的基本正激变换器是最早也是最简单的复位方式，通常为了 降低开关管的电压应力、提高变换器的占空比变化范围，使复位绕组的匝数等 于原边绕组的匝数，从而使得开关管的电压应力为输入电压的两倍。在对变换 效率要求不高的场合，一般采用r c d 箝位技术来实现变压器的磁复位，其电路 结构如图1 3 ( b ) 。该方法虽然电路结构简单，但是因为一部分激磁能量消耗在 了箝位电路中的电阻上，所以效率不高。图1 3 ( c ) 为l c d 箝位正激变换器，l c d 箝位网络为无损网络，能够使激磁能量和漏感能量完全回馈到输入电源端，所 以变换器的效率高。但是，在主开关管开通时电路中存在谐振，谐振电流将流 过主开关管，所以增加了主开关管的电流应力和通态损耗。国1 3 ( d ) 为有源箝 位正激变换器，这种箝位方式增加了个箝位开关，能够降低主开关管的电流 应力和通太损耗，能够使变压器双向对称磁化，磁芯利用率高，占空比可高于 o 5 ，主开关管电压应力低，箝位开关为零电压开通。而其缺陷主要就是增加了 有源器件而使控制电路复杂，主开关管为容性开通。图l 。3 ( e ) 为z v t 正激变换 器，它与前面的几种正激变换器最大的不同在于其主开关是零电压开通，从而 其开通损耗很小。但是其箝位开关却是容性开通，又增加了变换器的开通损耗， 而且主开关的电压应力高于两倍的输入电压。以上五种正激变换器的电压应力 都比较高，至少于输入电压，限制了正激交换器的功率容量的提高。为了进一 步降低正激变换器的主开关管的电压应力，又出现了双管正激变换器，如图 1 3 ( f ) 所示，其两个箝位二极管不但将两个主开关管的电压应力箝位在输入电 压，而且为变压器提供了磁复位通路，将激磁能量和漏感中的能量回馈到输入 4 d上 ( a ) 基本正激变换器 ( c ) l c d 箝位正激变换器 一毒 d上 ( d ) 有源箝位正激变换器 ( e ) z v tp w m 正激变换器 ( f ) 双管正激变换器 图1 3 各种复位方式的正激变换器 端。从结构上看，双管正激变换器不存在桥臂直通的问题，这一点它优于半桥 和全桥变换器，因此在输入电压较低的中等功率场合双管正激变换器获得了普 遍应用。不过，它也有弱点，即为了可靠完成变压器的磁复位，变换器的占空 比只能小于0 5 。 1 1 4 推挽( p u s h p u | | ) 变换器 推挽变换器如图1 4 所示，工作时两个开关管交替导通，将能量从原边传 递到副边供给负载，所以它实际上相当于两个正激变换器的组合。推挽变换器 将直流电转变为交流电，输出整流、滤波电路再将交流电转变为直流电，故推 挽变换器属于直流一交流一直流变换器。推挽变换器电路结构简单，变压器双 t 向励磁，磁芯利用率高，广泛用于中小功率场合。但它也存在以下弱点：开关 管的电压应力高，为输入电压的两倍：变压器虽能双向励磁，但由于电路不可 能完全对称，如开关的导通压降和开关时间不可能完全一致，所以会引起变压 器出现直流偏磁现象，甚至导致变压器磁饱和，从而损坏元器件。所以在控制 电路中必须采取防偏磁措施，通常推挽变换器采用电流控制方式来抑制变压器 偏磁。 j i sd 叫h 矿 ! d 4 4 一 l t d 三 ! s 1 ：c 丰r 1 l ；。d 2 图1 4 推挽变抉器 1 1 5 半桥( h a l f - b r id g e ) 变换器 半桥变换器包括两种：对称半桥变换器和不对称半桥变换器，它们的电路 结构分别如图1 5 ( a ) 和( b ) 所示。对称半桥变换器的两个开关管采用p w m 控 制，两个开关管的开通时间相移1 8 0 。，变压器原边电压为一正负对称的脉冲 方波电压，每个输入电容的分压为输入电压的一半，开关管的电压应力为输入 电压。不过，半桥的软开关不易实现，需采用专门的电路。而不对称半桥虽也 采用p w m 控制，但是其两个开关管的导通是互补的，所以两个开关管的导通时 间是不同的，从而变压器原边电压就是正负幅值不相等的脉冲方波，但是它们 仍满足伏一秒积平衡原则。这样，不但电路结构简单，而且容易实现软开关。 d三 币 b + k 一 圪 1 r 广斟一“n r 驯j i n c 木 g 卡 。卜 丘+ ； 一 c 半 鲥2i 砬g 丰 q l 斟一 ( a ) 对称半桥变换器( b ) 不对称半桥变换器 图1 5 半桥变换器 1 1 6 全桥( f u l i - b ri d g e ) 变换器 全桥变换器如图1 6 ( a ) 所示，它是目前中、大功率d c d c 变换器应用最 普遍的电路拓扑，主要是由于它具有开关管的电压应力、电流应力较小，变压 器磁心利用率高，软开关较易实现等优点。全桥变换器有三种常用的控制方式： 双极性控制方式，有限双极性控制方式和移相控制方式。 双极性控制方式的驱动波形如图1 6 ( b ) 所示，变换器对角线上的两个开关 管同时开通和同时关断，而同一桥臂上的两个开关管则相移1 8 0 。，对称开通 和关断。这种控制方式是过去硬开关全桥变换器的常用控制方式，由于变换器 的漏感和电路中的杂散参数的影响，开关管的电压和电流尖峰较大，因而开关 损耗大，开关噪声大，输出纹波大。 有限双极性控制方式的驱动波形如图1 6 ( c ) 所示，变换器的一个桥臂的两 个开关管采用占空比可调的p w m 控制方法，而另一个桥臂的两个开关管则是占 空比为5 0 ( 如果忽略死区时间) 的互补导通。这种控制方式主要用于零压零 流( z v z c s ) 全桥变换器中，可以实现超前臂的z v s 和滞后臂z c s 。不过， 超前臂的z v s 不是真正的z v s ，而是近似的z v s ，因为它的超前臂开关管开 通前，其两端的电压不为零，而是隔直电容的电压。 移相控制方式的驱动波形如图1 6 ( c ) 所示，同一桥臂上的开关管互补导通 1 8 0 。( 忽略死区时间) ，而两个桥臂之间移相一个角度，通过控制移相角来调 l 嘣2i d ，=l c 。到ji d 2 21 c o q 三l 。 勤； i d f= g “zs d 。牛e 习厂 罔 习厂 罔 ( a ) 全桥变换器 习厂 。 罔 订厂 。 田 d 。 三 可广 罔。 冈厂 m 。 ttt ( b ) 双极性控制方式( g ) 有限双极性控制方式( d ) 移相控制方式 图1 6 全桥变换器及其三种控制方式 节输出电压。它实际上是准谐振p w m 技术，是软开关全桥变换器最常用的一 种控制方式。z v sp w m 移相全桥变换器常适用于以功率m o s f e t 作为功率开 关管，开关管两端的并联电容用于实现零电压关断，超前开关管的零电压软开 关是利用变换器漏感积输出滤波电感中的能量实现的，而滞后开关管则只能依 靠变压器漏感中储存的能量来实现零电压软开关，故在轻载时滞后臂相比于超 t j iiiiiijijiiii 前臂要难于实现零电压软开关。z v z c sp w m 移相全桥变换器常适用于以功率 i g b t 为功率开关管的全桥变换器中，以克服i g b t 关断后的电流拖尾现象。其 超前臂的z v s 的实现与z v sp w m 移相全桥变换器相同，而滞后臂的z c s 则 是利用专门的电路或器件迫使原边电流在筘位续流期间下降到零来实现的。 1 1 7 三电平( t h r e eie v e i ) 变换器 刚g2沮 = c ， 一l i l d 72x 啦 zi d 2 上c 2 r 气， 一= c 。 d g z l 勤釜 一 i d ：午e ； z 一，_ 1 一l i 2 一 t 啦牟g“2 d ； 三 图1 7 半桥三电平变换器 三电平直流变换器种类很多，常用的为半桥三电平变换器，其电路结构如 图1 7 所示，因其开关管的电压应力为输入电压的一半故多用于高压输入场合。 三电平变换器主要采用移相控制方式，而全桥移相变换器的各种软开关实现方 法大多都适用于三电平变换器。三电平变换器的特点在于两个输入电容对输入 电压进行分压，增加了箝位电路，保证每个开关管的电压应力仅为输入电压的 一半，再辅以软开关技术，即可提高开关频率，缩小变换器和输出电感的体积， 提高变换器的功率密度。当然，开关管电压应力的降低，使得在高输入电压应 用场合可以选择较低额定耐压的功率器件，从而降低了成本。此外，三电平变 换器和谐振技术相结合，也可以实现软开关，这类变换器叫做三电平多谐振变 换器。 1 2 软开关技术“3 图1 8 是开关管开关时的电压和电流波形。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，也有一个上升时间。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( t u r n o nl o s s ) 。当开关管关 断时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同 时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和 电压也有一个交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗( t u r n o f fl o s s ) 。因 此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗 t 0 ( s w i t c h i n gl o s s ) 。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒 定的，变换器总的开关损耗与丌关频率成正比，开关频率越高，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较高的 击斫和咖函，从而产生大的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。 0 p s 0 欹2 广。 舻吣愈声。 图1 8 开关管硬开关时的电压和电流波形 为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时 提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现 开关管的软开关( s o f ts w i t c h i n g ) ，因此软开关技术应运而生。 使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这 种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关； 使开关关断前流过其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这 种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关； 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。 与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有 时称之为零电流开通。 与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有 时称这种关断过程为零电压关断。 直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类： 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 ) 。该类 变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振 变换器( s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s r c ) 和并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n t c o n v e r t e r ，p r c ) 两类。按负载与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类： 一类是负载与谐振回路相串联，称为串联负载( 或串联输出) 谐振变换器( s e r i e s l o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s l r c ) ；另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 ll o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，p l r ) 。在谐 振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器与负 9 载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。 准谐振变换器( q u a s ir e s o n a n tc o n v e r t e r ，q r c ) 和多谐振变换器( m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r ，m r c ) 。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点 是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。准谐振变换器分为零 电流开关难谐振变换器( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n gq u a s ir e s o n a n tc o n v e r t e r ，z c s q r c ) 和零电压开关准谐振变换器( z e r ov o l t a g es w i t c h i n gq u a s ir e s o n a n t c o n v e r t e r ，z v sq r c ) 。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。 零开关p w m 变换器( z e r o s w i t c h i n g p w mc o n v e r t e r ) 。它可分为零电 压开关p w m 变换器( z e r ov o l t a g es w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n gp w m c o n v e r t e r ) 。该类变换器是在q r c 的基础 上，加入一个辅助开关管，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。与q r c 不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相 比很短，一般为开关周期的1 1 0 l 5 。 零转换p w m 变换器( z e r ot r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r ) 。它可分为零电压 转换p w m 变换器( z e r ov o l t a g et r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r 。z v tp w mc o n v e r t e r ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r oc u r r e n tt r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r , z c tp w m c o n 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间，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。 1 3 本课题研究的意义和本文所做的主要工作 为了有效抑制电力电子装置对电网的污染( 谐波于扰和无功电流) ，必须采 用有源功率因数校正技术( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，a p f c ) ，但功率因 数校正器的高输出电压增大了后级变换器开关管的电压应力，而开关管的额定 耐压值也需相应提高。为了解决这一问题并进一步提高装置的功率密度，各种 软开关三电平直流变换器纷纷问世。同时也出现了另外一类解决方案，即对称 半桥串联结构的z v s 混合式直流变换器，他们能够和三电平直流变换器一样把 主开关管的电压应力降为输入电压的一半，而且也能够实现软开关。但这种变 换器存在着严重缺点，它在传统移相控制条件下会出现上下两个半桥之间分压 不均衡的现象，为了实现分压均衡不得不采用两路隔离的输入电源或交错移相 控制，从而增加了电路复杂度。 本文详细分析了对称半桥串联z v s 混合式直流变换器在移相控制方式下 工作时产生上、下两个半桥分压不均衡的原因，并据此提出了两种改进措施： 充电均衡法和消除环流法。由这两种方法本文又分别提出了两个相应的电路拓 扑：倍流整流输出对称半桥串联混合式直流变换器和不对称半桥串联z v z c s 混合式直流变换器。在不增加电路复杂度的情况下，这两种改进的电路拓扑均 0 能既实现分压均衡又实现软开关，从而使得半桥串联混合式直流变换器不但具 有理论意义，同时也具有很强的实用价值。 本文主要内容如下： 第一章：概述了d c d c 变换器的主要拓扑，说明了本课题的由来和研究 意义，介绍了本文的主要内容： 第二章：简要介绍了混合式直流变换器各个主要电路拓扑，详细分析了对 称半桥串联z v s 混合式直流变换器在移相控制方式下工作时产生上、下两个半 桥分压不均衡的原因，提出了改进措施； 第三章：提出了倍流整流输出对称半桥串联混合式直流变换器，分析了其 工作原理和电路特性，给出了变换器的参数设计以及仿真和实验结果； 第四章：提出了不对称半桥串联z v z c s 混合式直流变换器，分析了其工 作原理和电路特性，给出了变换器的参数设计以及仿真和实验结果； 第五章：对本文工作进行小结并对未来作出了展望。 第二章混合式直流变换器 2 1 概述 混合式( h y b r i d ) 直流变换器为近几年来刚出现的一类变换器，目前尚无 确切定义。从结构上看，它们具有一个统一的特点：变换器由至少两个基本的 半桥和或全桥直流变换器或串联或并联组合并进行适当简化而成，拥中有至少 两个变压器，变压器的原边相互独立，副边同相串联在一起将原边传递来的电 压波形进行叠加，通过移相控制重叠部分的大小来调节输出电压。基本直流变 换器的串联是为了在实现软开关的前提下降低开关管的电压应力，故适合高压 输入场合；而基本直流变换器的并联是为了更加容易实现开关管的软开关，从 而有利于进一步提升变换器的功率密度、降低变换器的e m i 。目前，已出现的 混合式直流变换器中以并联结构的居多，并受到了较多的研究，而串联结构的 仅有半桥串联结构的混合式变换器，而且它还具有分压不均的缺点，降低了其 实用性，目前对它的研究很少。为了进一步改进半桥串联混合式直流变换器， 提高其实用价值，本文将把如何克服半桥串联结构的混合式直流变换器的缺陷 作为研究重点，而对于并联结构的混合式直流变换器仅作简要介绍。 2 2 并联结构混合式直流变换器”。3 2 2 1 四管混合式直流变换器 图2 1 为四管混合式直流变换器的主电路拓扑，图中c 1 、c 2 、t l 、s 1 、s 3 组成半桥变换器：s 卜s 3 、t 2 、s 2 、s 4 组成全桥变换器，全桥和半桥共用左桥 臂，因此左桥臂比右桥臂承受更大的电流应力。变压器t l 和t 2 在副边同相串 联连接来它们的副边电压波形进行叠加，用d 5 、d 6 、d ，、d 8 组成的全桥整流， 整流之后用上，、c r 对电压波形进行滤波。由于仅仅用2 对桥臂和2 个分压电容 就组成了全桥和半桥，故名四管混合式直流变换器。 c 弓 - = = g蹦j s n 2 2 e ，蹦2i 蹲= q 2i n2i 珐 木。术l a ；硝 b9 = - t 【2 id _ 2qzi n2i q r m ： 2 1四合式直流变换器主电路图 合式直流变换器的理想的工作波形如图2 2 所示。由于变换器的四 个管都工作在恒频50占空比，因此变压器tl的原边电压vtl的波形为固 定1 8 0 。脉宽的方波，而全桥变换器则采用移相控制获得与传统的移相全桥 z v sp w m 变换器相同的原边电压波形v t 2 。变压器t l 和t 2 在副边叠加获得四 阶梯的电压波形v a b ，此电压经整流得到v c d 。从图2 2 可以看出，整流后的 电压波形与传统的移相桥式p w m 变换器的输出电压相比，具有较低的输出电 压纹波。 v a b v c d 厂 厂 厂 广 一 广 厂 广一 ll 一 厂厂广 一 u u uu 一 、nnn uuul 厂一 1 ：同：同：同：同二同：同二：同二p 鲴2 2四管搅合式直流变换器的主要波形 2 2 2 六管混合式直流变换器 图2 3 为六管混合式直流变换器的主电路拓扑。与四管混合式不同，s 5 、 s 6 取代了四管混合式直流变换器中的分压电容c 1 、c 2 。s 5 、s 6 、t i 、s i 、s 3 组 成个全桥变换器( 称左桥) ；s i 、s 3 、t 2 、s 2 、s 4 组成另外一个全桥变换器( 称 右桥) ，左桥和右桥共用s 1 、s 3 这个桥臂，因此s l 、s 3 组成的桥臂比s 2 、s 4 和 s5 、s 6 组成的桥臂承受更大的电流应力和通态损耗。变压器t l 和t 2 在副边同 相串联连接来对它们的副边电压波形进行叠加，经全桥整流之后用上，、白对电 压波形进行滤波，这种变换器适合大功率场合。 c 弓 勤旨2i n 上g 邺jj q 千c l驯zi 踌! q 2i n2i q l d 0 z i 式直流变主电路图& 一函 h s 六管混合式