（电力电子与电力传动专业论文）移相全桥软开关dcdc变换器的研究.pdf

! 堕登兰堕生三竺塞堕婴主兰垡婆苎 堡塑全堡竺茎茎里呈里曼奎塑堂堂! 里! 翌 a b s t r a c t t h e p a p e r f o c u s e so n a2 4 v d c 3 0 0 v d c ，p h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g e s o f t s w i t c h e dd c f d cc o n v e r t e rw i t hu c 3 8 7 5a si t sk e r n e lc o n t r o l l e r h i 【g hp o w e rd e n s i t y a sw e l la sh i g he f f i c i e n c yh a sa l w a y sb e e nt h eg o a lt op u r s u ei nt h ef i e l do f m o d e m e l e c t r i cp o w e rc o n v e r t e r s t oa c h i e v et h eg o a l ，ac o n v e r t e ri sd e s i g n e db a s e do nt h e s e l e c t i o no ft h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y a n dt h ec o n t r o lm e t h o dt h r o u g ht h e o r e t i c a n a l y z i n g a n ds i m u l a t i o n f u l l b r i d g ec o n v e r t e ri ss e l e c t e da st h em a i n c i r c u i tt o p o l o g yi nt h i sp a p e r d u et o m a n y o fi t sa d v a n t a g e s ，i th a sb e e nt h em a i n s t r e a mt o p o l o g ya d o p t e di nl a r g ec a p a c i t y , h i g hp e r f o r m a n c ep o w e r c o n v e r t e r s t h ei n c r e a s eo f t h ep o w e rd e n s i t ym u s tb eb a s e d o n q u i c k e n i n gt h es w i t c h i n gf r e q u e n c y , t h e r e f o r e ，s o f ts w i t c h i n g i sd e s i r e d t h ep a p e r a d o p t sp h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ez e r o v o l t a g e s w i t c h e d ( p s f bz v s ) t e c h n o l o g y i n s t e a do ft r a d i t i o n a lh a r ds w i t c h i n gt e c h n o l o g yt od e c r e a s et h es w i t c h i n gw a s t a g e i t g e t sg o o d r e s u l t s t h e r ea r et w od i s a d v a n t a g e si nt h et r a d i t i o n a lf bp sz v sd c d cc o n v e r t e r ：o n e i st h el o s so f d u t yc y c l eo fo u t p u tv o l t a g eo fs e c o n d a r yw i n d i n g i sh i g h ，t h eo t h e ri si t i sh a r dt or e a l i z ez v sf o rt h el a g g i n ga r n li nl i g h tl o a dc o n d i t i o n t h er e a l i z a t i o no f z v si sa tt h ec o s to f g i v i n gu pam o i e t yo fd u t yc y c l e ，i tc a nr e d u c eb u t t h e r ei sn o i d e at oa v o i di t t h el o s so f d u t yc y c l ei ss e r i o u si nl o wv o l t a g e ，h i g hc u r r e n ti n p u t c o n d i t i o n i td e c r e a s e st h e e f f i c i e n c y o ft h ec o n v e r t e ra n dm a k e si th a v e n o s i g n i f i c a n c et or e a l i z ez v s a c c o r d i n g t ot h e s ep r o b l e m s ，as a t u r a b l ei n d u c t a n c ea n d a u x i l i a r yr e s o n a n tc i r c u i ti si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h el o s so fd u t yc y c l ei sg r e a t l y r e d u c e dd u et ot h ea d o p t i o no fs a t u r a b l ei n d u c t a n c ea n da u x i l i a r yr e s o n a n tc i r c u i ta n d t h el a g g i n ga r n lc a nr e a l i z ez v si n l i g h t l o a dc o n d i t i o nd u et ot h ea d o p t i o no f a u x i l i a r yr e s o n a n tc i r c u i t t h ea d o p t i o no f s a t u r a b l ei n d u c t a n c ea n da u x i l i a r yr e s o n a n t c i r c u i tr e s o l v e st h ec o n f l i c tb e t w e e n r e a l i z i n gz v s i naw i d e r a n g eo f l o a da n ds e r i o u s l o s so fd u t yc y c l ei nl o w v o l t a g e ，h i g hc u r r e n ti n p u tc o n d i t i o n i tr e a l i z e sz v s w h i l e r e d u c e st h el o s so fd u t yc y c l en e a r l yt oz e r oa n dm a k e st h ef bp sz v st e c h n o l o g y c a nb ec o m m e n d a b l yu s e di nt h i st y p eo f d c d cc o n v e r t e r s t oa c h i e v eag o o dp e r f o r m a n c eb o t hs t a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l l y ，c l o s e d l o o p c o n t r o lm e t h o dh a st ob ea p p l i e d t h ep a p e rt a k e sa d v a n t a g eo fad o u b l ec l o s e d - l o o p c o n t r o lm e t h o db a s e do na v e r a g e c u r r e n tm o d ea n d i m p r o v e st h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e o f t h ec o n v e r t e r 里! ! 兰堕皇三! 壅堕堡：! 兰垡堕苎 鳖塑全堡墼墅茎里璺竺奎垫墨! ! ! ! 里 b a s e do nt h ea n a l y z i n go ft h et h e o r y ，t h ep a r a m e t e r so fm a i nc i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i ta n dc l o s e d l o o pp a r ta r ed e s i g n e dt h r o u g hs i m u l a t i o n s o m ep e r f o r m a n c e so f t h ec o n v e n e ra r ea l s oa n a l y z e di nt h es i m u l a t i o n f i n a l l y ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t h ec o n v e r t e ra r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e di nt h e p a p e l k e y w o r d s ：d c d cc o n v e r t e r ；p h a s e - s h i f t e df b ；z v s ；a v e r a g e 。c u r r e n tm o d e ； a u x i l i a r yr e s o n a n c e 中国科学院电工研究所硕士学位论文 移相全桥软开关d c 九) c 变换器的研究 第一章绪论 1 1 课题背景 d c d ) c 变换器将输入的直流电压，经过高频斩波或高频逆变后，通过整流和 滤波环节，转换成所需要幅值的直流电压。它在家用电器、工业控制、通信、国 防、交通等领域都有广泛的应用。d c f d c 变换器作为开关电源中的重要组成部 分，人们对其性能、重量、体积、效率和可靠性也提出了更高的要求。随着近年 来电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新的电磁材料、新的变换技术、 新的控制理论和软件不断涌现，使得高效率、高功率密度、高质量输出和高可靠 性成为包括d c d c 变换器在内的各种功率变换器不断追求的目标，同时也使这 一目标的实现成为可能。 在d c f d c 变换器中，高功率密度和大容量化是其主流发展方向之一。在! 些特殊的应用领域，例如需要蓄电池供电的场合、新能源技术中太阳能与燃料电 池的研究与开发、电动汽车的研究与开发和军工等领域，需要将十几伏至二十几 伏的低压直流电，转换成几百伏的高压直流电，供给逆变器或其它负载使用。低 压大电流输入情况下的d c d c 变换器急待解决的一个问题就是效率问题，即如 何降低损耗。由于低压大电流输入d c p d c 变换器应用的领域比较少，导致对低 压大电流输入、高压大功率输出的d c d c 变换器的研究也很欠缺，有必要对这 类变换器进行研究和探讨，选择出合理的方案，研制出在低压大电流输入情况下 的高功率密度，高可靠性、高效率、大容量的d c f d c 变换器。本论文正是针对 这一背景提出来的。 1 2 国内外d c d c 变换器技术研究现状和发展趋势 在高频化和大容量化方面，国内外对d c f d c 变换器的研究都取得了长足的 进展，其发展速度是相当快的。在高频化方面，国外己研制出了开关频率几千赫 兹甚至几十千赫兹的d c d c 变换器，国内对几千赫兹的d c f d c 变换器的研究也 正f | 趋成熟。在大容量化方面，国内d c f d c 变换器单机输出功率已达到了几千 至十几千伏安。d c f d c 变换器中软开关技术的使用越来越普遍，逐渐取代了硬 中n 4 1 学院电工研究所硕士学位论文移相仝桥软开关d c d c 变换器的研究 开关技术，已成为趋势。最早的软开关技术是谐振变换器( r e s o n a n t c o n v e r t e r ) “1 。但是谐振变换器，诸如串联谐振变换器( s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s r c ) 、 并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r , p r c ) 、以及准谐振变换器 ( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r ，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 ) 很难实现p w m 控制，而是通过频率调制方式( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) 来控制。为了在很宽的输入电压和负载变化范围内调节输出电压，开关频率范围 要求很宽，一方面使得控制方式变得复杂，另一方面也使得输出滤波器的优化设 计十分困难，磁性元件体积和重量的减小受到限制，而且开关管和谐振电感、谐 振电容的电压和电流应力较大。 为了消除因频率调制而造成的不足，人们提出了恒频谐振变换器。尽管这类 变换器的开关频率恒定，但是由于变换器的谐振电感串联在主电路内，谐振电感 和电容直参与工作，一方面开关管和谐振电感、谐振电容的电压和或电流应 力较大，另一方面变换器在轻载时可能失去零开关条件1 2 1 。 - 为了减小开关管和谐振电感、谐振电容的电压和电流应力，d r 1 3 c h u a 在 9 0 年代相继提出了零电压转换( z e r o v o l t a g e t r a n s i t i o n ，z v t ) 和零电流转换 ( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o n ，z c t ) 的概念“”。其主要原理是：变换器采用p w m 控 制，开关频率恒定。谐振电路只是在开关切换时才工作，使主开关管实现z v s 或z c s 。 z v t 和z c t 的思想就是将p w m 控制和谐振变换器结合起来，既可实现恒 频控制，又能实现开关管的软开关，同时也减小了开关管和谐振电感、谐振电容 的电压和或电流应力，是d c d c 变换器技术发展的趋势之一。 1 3 课题方案的选择 1 3 1 主功率拓扑的选择 在d c - d c 变换器中，b u c k 、b o o s t 、b u c k - - b o o s t 、c u k 、f l y b a c k 和f o r w a r d 等单管构成的电路般只适用于中小功率场合，而在中大功率场合，则一般采用 全桥变换器。此外，由于本论文所研制的d c d c 变换器是将蓄电池输出的低压 2 4 v 直流电，变换成3 0 0 v 稳定不变的直流电输出，输入输出差别比较大，所以 非隔离型d c d c 变换器是不适用的。在隔离型的d c d c 变换器中，下激电路需 中国科学院电工研究所硕- 学位论文 移相全桥软开关d c i d c 变换器的研究 磁复位绕组，变压器单向磁化，利用效率低。推挽电路铁芯容易引起直流偏磁饱 和。反激变换器的功率很难做大，一般只用在数十瓦到百瓦级的功率变换场合。 对于全桥d c d c 变换器，由于开关管承担的电压电流应力小，功率变压器为双 向磁化，磁芯利用效率高，易于实现大功率输出。d c f d c 全桥变换器可以分为 两类：类是电压型，一类是电流型。电压型d c d c 全桥变换器是一种类似于 b u c k 型的变换器，电路结构简洁，控制简单；电流型d c d c 全桥变换器则是 种类似于b o o s t 型的变换器，该变换器的电感处于输入电源侧，可用于大功率功 率因数校正电路。 综上所述，本变换器的主功率电路采用的是带隔离变压器的b u c k 型d c d c 全桥拓扑结构。 1 3 2 控制方案选择 传统的p w m 全桥变换器，由于工作在硬开关状态，因而影响了效率的提 高；谐振变换器可以工作在软开关状态，但它的输出变化是通过调节开关频率来 实现的，这就给滤波器的优化设计带来了麻烦。而全桥移相软开关技术，以恒定 频率p w m 方式工作，在功率器件开关过程中谐振，使其工作在软开关状态，兼 顾了p w m 变换器和谐振变换器的优点。使用移相软开关技术的全桥电路的优点 是： 1 ) 实现了功率管的z v s ( z e r o v o l t a g es w i t c h ) 工作方式； 2 ) 开关频率恒定。 这种电路的缺点是： 1 ) 由于谐振电感l r 的存在，造成了副边占空比的丢失； 2 ) 电路内部存在环流损耗。 对于存在副边占空比丢失的现象，可以用两种方法改善： 1 ) 谐振电感l r 可以用可饱和电感代替。可饱和电感是一种工作在线性区时具 有一定的电感量，工作在饱和状态时电感量为零的电感。 2 ) 采用辅助谐振网络来减小谐振电感，从而减小副边占空比丢失。 对于存在环流这种现象，可以使用零电压零电流( z v - z c s ) 开关方案“”， ! 里型堂堕鱼三墅塞堕堡堂垡堡苎 壁塑全堑竺墅叁里! 尘! 奎垫壁! ! ! ! 塑 即左边桥臂实现零电压开关，右边桥臂实现零电流开关。但是，z v - z c s 方案需 要在变换器的主功率电路中串入某些元件( 如阻断二极管，阻断电容等) ，用以 阻断变压器原边电流的反向通路。由于串入的元件不是理想器件，在变换器工作 时它们存在通态损耗，这在低压大电流输入的情况下，损耗尤为巨大。故权衡利 弊，还是决定采用z v s 方案。 1 4 论文的主要研究工作 本论文主要是研制2 4 v 输入，3 0 0 v 输出的移相全桥z v sd c d c 变换器。 为了解决以上提出的低压大电流问题，本论文从原理分析，电路拓扑选择和控制 方案确定等方面入手，着重分析了移相全桥z v s 软开关技术，在此基础上研制 了实验原理样机。论文主要进行了以下几项工作： 1 、根据低压大电流输入的特殊情况，选择了变换器的主功率拓扑和控制方 案。 2 、对移相全桥z v sd c d c 变换器在一个开关周期内的工作过程进行了详 细的分析，给出了实现z v s 的条件，并指出了副边占空比丢失的问题。 3 、探讨了采用可饱和电感和辅助谐振网络对占空比丢失问题的改善，以及 对变换器实现z v s 条件的拓宽。通过理论分析和计算，给出了其参数设计的方 法和步骤。 4 、d c d c 变换器是独立的小系统，为使其达到较好的动态特性和稳态特性， 必须采用闭环控制的方式。本论文采用了平均电流模式的闭环控制方法。根据提 出的变换器拓扑和闭环控制方式，对变换器的各项性能进行了仿真分析。 5 、设计和研制了变换器的原理样机，最后给出了实验结果。 中国科学脘屯工研究所硕士学位论文 移相全轿软开关d c j d c 变换器的研究 第二章移相全桥7 v s 变换器 移相全桥z v sp w m ( f bp s z v s p w m ) 变换器利用变压器的漏感和原边 串联电感与功率管寄生电容的谐振来实现z v s 开关，电路的主要拓扑及波形如 图2 1 1 f a ) 所示，其中l r 为谐振电感，c 1 c 4 分别是四个功率管的寄生电容， d l d 4 分别是四个功率管的寄生二极管。图2 1 1 ( b ) 是功率管的四个驱动信号， 每个桥臂的两个功率管成1 8 0 0 互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位， 即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。q l 和q 3 分别领先于q 4 和 q 2 一个相位，所以称q 1 和q 3 组成的桥臂为领先桥臂，q 2 和q 4 组成的桥臂为 滞后桥臂。 o ， 厂 q t 厂一 鼍剐 i 。 u 。tu b r i 。- d ( a ) f bp s ，z v s - p w m 变换器的电路拓扑 ( b ) f bp s z v s p w m 变换器的驱动和原理波形 图2 1 1 f bp s - z v s - p w m 变换器的电路拓扑及主要波形 2 1 工作原理分析 图21 2 所示是p s z v s p w m 变换器的主要波形，在每个开关周期内，共有 1 2 个开关模态”1 ，为便于分析，作如下假定： 1 所有原器件均为理想化； 2 c l2 c 3 = c , d d ，c 2 = c 4 = c l , , g ： 3 变压器变比胛= 聍。肝。，一为变压器原边匝数，：为变压器副边匝数 一5 一 ! 里型兰堕生三竺茎堕堕圭兰丝垒苎：一一型旦垒堡塑翌2 羔里呈里兰翌望塑! ! ! 曼 4 副边阻抗在原边的折算值为：z = n 2 z ，z 为副边阻抗，z 为副边折算到原边的 阻抗； 5 ， h 2 ，。 图2 1 2p s z v s p w m 变换器的1 2 个开关模态 1 、开关模态0 ( 0 - t o 时刻) 如图2 1 3 ( a ) 所示： 图2 1 3 ( a ) 开关模态0 ( o - t o 时刻) q 1 和q 4 导通，原边电流回路： v ”j q l 变压器原边绕组；l ，等q 4 j v 。 ! 璺型堂堕皇王竺壅堕堕主兰笙笙苎一一塑旦叁堡竺墅茎旦鱼里呈壅苎堂! ! ! 堕 副边电流回路：变压器副边绕组d r j j l f 等c f 和r i 。a d j d “j 变压器副边绕组。 2 、开关模态l ( o ，t l 时刻) 图2 1 3 ( b ) 所示，t o 时刻关断q l ，由于电感电流不能突变，原边电流从 q l 转移到c 。与c ，中，给c l 充电，c 3 放电。原边电流回路： v m + jc j c j ；变压器原边绕组j l r q 4 v i n ； 副边电流回路：变压器副边绕组d r i l f 辛r f o a d j d “j 变压器副边绕组。由于 c 与c ，的存在，q l 关断为零电压关断。 图213 ( b ) 模态1 ( t o t l 时刻)图2 1 3 ( c ) 模态2 ( t r t 2 时刻) 此过程的电路方程如下 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 对前面两公式可作如下近似处理：输出滤波电感值较大，副边电流折算到原边的 电流下降斜率很小，c l 与c 3 充放电时间很短，在这段时间内原边电流f 。( f ) 可认 为恒流，即：f ，( 0 = i ，。v 。1 线性上升，v c 3 线性下降，斜率为i p 2 c , 。一，负载越 大斜率越大，c d 越小斜率越大。在t l 时刻，c ，的电压下降到零，q 3 的反并二 一7 一 。 坐 印等兰 里型兰堕皇王竺窒堕婴主堂堡堡苎垡塑全堑竺互耋旦鱼旦旦壅垫量! ! ! 坚 极管d 3 自然导通，从而结束开关模态i 。该模态的时间为： = 鼍导 旺3 3 、开关模态2 ( t l - t 2 时刻) 图2 1 3 ( c ) 所示，原边电流回路： v 。j d 3 j 变压器原边绕组j l r j q 4 j v i n - 副边电流回路： 变压器副边绕组j d ，l j l p r i o a d j d r 4 j 变压器副边绕组。 在t l 时刻以后导通q 3 ，由于l r 和较大的原边电流，d 3 仍然导通，所以q 3 是零电压开通。q 3 和q l 驱动信号之间的死区时间0 t o 。，即： 。一旷等等 4 ， 扣1 ( 丧) 亿， q 2 开通后，由于l r 的作用，原边电流还未反向，电流仍流经d 2 。副边整流 桥同时承担负载电流，副边绕组短路，输入电压v 。全部加在l r 上，原边电流线 性下降： 矿 i p ( f ) = i ，( ，j ) 一_ t n ， ( 2 】o ) 原边电流下降率与l ，成反比，此过程虽然p 么= 一彰。，但能量输不到副边， 负载由l f 和c f 中的储能提供，l t 中的剩余储能反馈回输入电源。当i p 下降到零 此模态结束，模态时间为： 如图2 1 3 ( f ) 所示，原边电流回路 v , o + q 2 j l ，变压器原边绕组q 3 j v , o 一； 副边电流腑黜绕d 组r l 鹕，卜j p 洲d r 4 始组。 ( 2 1 1 ) t 4 时刻，原边电流i 。过零点反向，继续反向线性增加，原边电流仍不足以提 供负载电流，负载电流仍有整流桥所有管子承担。输入电压仍然加在l r 上，功 率传不到副边，原边电流： 兰 ! 里型堂堕! ! 三堕茎堕堡：! 兰堡堡苎 一堡塑全堡竺茎茎旦鱼里垄丝堂! ! 型堕 “归一孕 ( 2 1 2 ) 图2 - 1 3 ( f ) 模态5 ( t 。- t5 ) 时刻图2 - 1 3 ( g ) 模态6 ( t 5 t 6 ) 时刻 t 5 时刻，原边电流达到负载电流在原边的折算值：- n l ( f 5 ) = 一，此模态结束， d n 、d ，4 关断，此模态时间为： 屯= 蛩 ( 2 1 3 ) 7 、开关模态6 ( t s t 6 ) 时刻 如图2 1 3 ( g ) 所示，原边电流回路： v 。n j q 2 j l r ；变压器原边绕组j q 3 j v 。； 副边电流回路：变压器副边绕组j d r 3 j l p r l o a d j d 。2 j 变压器副边绕组。 此模态电源给负载供电，原边电流： 枞归一耘警， ， 詈c 跚螺+ c 外吃 由于输出滤波电感l f 不参与滞后桥臂z v s 的实现 较小，因此滞后桥臂不容易实现z v s 。 ( 2 1 7 ) 只是l r 参与，而l r 的值又 中国科学院电工研究所硕士学位论文 移相全桥软开关d c d c 变换器的研究 由上述分析可知 1 1 增大l r 有利于实现z v s ； 2 ) ，i 。越大越容易实现z v s ，所以在重载时容易实现z v s 。 3 1 功率管的寄生电容和外并电容越小越容易实现z v s 。 4 ) 输入母线电压v 。越低越容易实现z v s 。 3 、副边占空比的丢失 p s z v s p w m 变换器中，在滞后桥臂开关动作后，u a b 电压已经反向，由于 l t 的作用，原边电流不能突变，缓慢反向，在原边电流向副边的折算值小于滤波 电感电流时，整流桥继续短路续流，变压器副边绕组得不到电压，u a b 完全加在 l r 上。当原边电流反向上升到副边电流的折算值后，u a b 才加到变压器绕组，对 应于图2 1 2 的阴影部分，即t 2 - t 5 和t s - t l l 对应的时间段。 变压器副边两端电压u 。小于变压器原边两端电压u a b 的占空比，称之为副 边占空比丢失，定义为d f 。= d a 。一z k ，其中d 。为变压器原边两端曳压u 。的 占空比，q 。为变压器副边两端电压k 的占空比。d 。表示为： 盼驾乒 其中，。、，2 如图2 1 2 所示，为输入电压，t 为开关周期。 由式( 2 1 7 ) 可见： ，越大，d 。越大： 负载越大，d 。越大； 越低，d ，。越大； 开关频率越高，d ；。越大。 ( 2 17 ) ! 望! ! 堂堕皇三翌窒堑型主兰垡丝塞 堡塑全堑竺茎茎里! 竺! 茎垫墨! ! 堕 第三章采用可饱和电感和辅助谐振网络实现z v s 开关 从上一章的分析中我们知道，变换器为了实现滞后桥臂的零电压开关，在原 边串联了谐振电感。而谐振电感的加入导致了副边占空比的丢失，尤其在输入电 压最低、负载最大时，占空比丢失最最为严重。占空比丢失严重，会导致变换器 效率的急剧降低，甚至不能提供所需要的输出电压。为了在输入电压最低、负载 最大时依然得到要求的输出电压，必须减小变压器原副边匝比。匝比的减小将带 来两个不利的影响：原边电流变大，使得开关管的通态损耗加大，开关管的电 流定额提高；副边整流桥的电压应力增大。 谐振电感的加入是为了利用其能量抽走并接在开关管两端的电容上的电荷。 所以，要实现z v s ，占空比的丢失是不可避免的，它是实现z v s 必须付出的代 价。为了减小漏感或串接电感，提高副边有效占空比，同时实现滞后桥臂的z v s 开关，需要采取一些辅助措施。采用可饱和电感替代谐振电感是一种行之有效的 方法。但是，如果对副边最大占空比丢失进行限制，仅采用可饱和电感的方法也 无法在较宽的负载情况下和较宽输入电压范围内实现软开关。文献 5 提出了几 种在传统变换器的基础上加入辅助谐振网络的新的变换器拓扑。利用辅助谐振电 路的电感能量，可以在较宽的负载范围内实现z v s 。 本章采用可饱和电感和辅助谐振网络相结合的电路拓扑，将占空比丢失减小 到近似为零。接下来我们来分析该拓扑的工作原理及参数设计。 3 1 电流增强的思路 加入辅助谐振网络的移相全桥变换器拓扑如图3 1 1 所示： 图3 1 1 带辅助谐振网络的移相全桥主电路 中固科学院电丁研究所硕士学位论文移相全桥软开关d c d c 变换器的研究 当s 4 关断时，原边电流i l r 和辅助电感电流i n 。同时流入节点b ；而当s 2 关断时， i u 和i l 。同时流出节点b 。因此在开关管开关时，原边电流和辅助电感电流同时 流入或同时流出节点b ，两个电流相互叠加增强，这就是电流增强的思路。利用 这两个电流同时给开关管的并接电容充放电，使之在各种工作状态下，在开关管 开通前抽完并联于该管的电容的电荷，实现零电压开关。 3 2 工作原理 ( a ) t o 时刻 ( c ) ( t t ，2 ) 时刻 ( d ) ( t 2 ，t 3 ) 时刻 中国科学院电工研究所硕士学位论文 移相全桥软开关d c d c 变换器的研究 ( f ) ( t 5 ，t 6 ) 时刻 图3 21 各工作状态下的等效电路图 图3 2 1 为各模态的电路图。q 1 和q 3 构成领先桥臂，q 2 和q 4 构成滞后桥 臂，d 是可饱和电感，在开关管q 2 和q 4 开关过程中，它工作在线性状态，这 样可防止开关管开关过程中原边电流向相反方向变化太快。开关管开关过程结束 后，它立即进入饱和状态，原边电流很快上升到负载电流，从而使占空比丢失减 小到近似为零，提高副边有效占空比，使副边有效占空比近似等于原边占空比。 在分析之前，作如下假定： 1 所有开关管、二极管均为理想器件： 2 ，电容、电感均为理想器件； 3 可饱和电感在线性区电感量为如，在饱和状态时电感量为1 3 ，其临界饱和电 流为i c ： 4 c 2 = c 4 = c r ，c a l = c a 2 = c a 。 在一个开关周期中，变换器有1 2 种工作状态，描述如下： l 、丌关模态0 在t o 时刻( 对应于图3 2 1 ( a ) ) ：变换器原边处于续流状态，此时d 处于饱和 临界点，即f 。( r o ) = ，c 。辅助电感电流也处于续流状态，它流过q 4 和d 2 ，电流 值为f 一，o ) “。= 彘， 同时f o ) - o ，嘣f 0 ) = ( f 。) _ 0 ， 屹。( t 。) = 。 2 、开关模态1 ( t o ，f )( 对应于图3 2 1 ( b ) ) 在t o 时刻，q 4 关断，i 。和i 。，同时使c 4 充电，给c 2 放电。d 脱离饱和， 中圈科学院电工研究所硕士学位论文 移相全桥软开关d c d c 变换器的研究 进入线性区。在这段时间里，各电容电压、电感电流为 ( 3 1 ) c ! 【j j 毒m z i 【c + 日，s i n n i ( 3 2 ) 姒垆詈沁+ , a x o o s o , , t - 0 + 尼 ( 33 ) i , o ( f ) = 笺十 a x c o s d 0 ，r 一1 ) + l a( 3 4 ) l a 、 式中心2 丽l r l a 一= 厕甄叫= 志 在i 时刻，c 4 电压上升到v i n ，d 2 自然导通，开关模态1 结束，其持续时间为： f o l 5 1 qs i n - 1 菇两 ( 3 s ) 开关模杰i 结柬时，f d 和r ，的由流南 l e l a瓣 f i 蔼 竺+肠)+lala 、 7 z l d e ( 1 c + 向) + 尼 ( 3 6 ) ( 37 ) 3 、开关模态2 ( t l ，t 2 ) ( 对应于图3 2 、1 ( c ) ) ： 在这段时间里，q 2 零电压开通。l a 和l r 两端电压均为一，其电流均线性下 降。在t 2 时刻，厶的电流下降到零。 。( f ) 吐，( f 。卜告7( 3 8 ) l r r 一7 屯( ，) 吨) 告 ( 3 9 ) 上口 、一7 开关模态2 的持续时间t 1 2 为： 亿“1 笋( 3 j o j 辅助电感电流下降到，。( t 2 ) ： ，舶) = ，h ( ，1 ) 一，以) i l p ( 3 ，1 1 ) 上口 7 4 、开关模态3 ( t 2 ，t 3 ) ( 对应于图3 2 1 f d ) ) ： ! 旦型兰堕! ! 三婴窒盟塑! 堂垡垒苎 壁塑全堡鉴茎差旦鱼里茎垫堡! ! 翌堕 在t 3 时刻，l r 的电流过零反向，其电流迅速下降到一c ，l r 进入饱和状态， 其电流迅速下降到负载电流一j 。开关模态3 持续的时间为： k 她，筹 ( 3 12 ) 辅助电感电流下降到i a , ( f 3 ) ： ，。( ) = ，。( ，：) 一尼五z r 3 ) 5 、开关模态4 ( t 3 ，t 4 ) ( 对应于图3 2 1 ( e ) ) 在这个开关模态中，主功率回路给负载供电，而辅助电感电流继续线性下降，直 到i l a 下降到零，结束开关模态4 。在这段时间里， 讹h 以) 一篆f ( 3 1 4 ) 开关模态4 的持续时间为： f 3 4 = l a ，( t 4 ) 4 。 ( 3 15 ) 6 、开关模态5 ( t 4 ，t 5 ) ( 对应于图3 2 ( f ) ) ： 从t 4 开始，l a 与c a l 和c a 2 谐振，到t 5 时c a 2 的电压上升到v i n ，d a l 自然导通。在这段时间里，主功率回路给负载供电，与辅助谐振网络无关。 k ( ) = s i n 吲 ( 3 16 ) 屹。2 ( ，) = 。0 一c o s o ) 2 r ) ( 3 17 ) 圪。，( ，) = 。c o s 2 t( 3 18 ) 式中，z ：= 扛硪瓦，q = l 厮 开关模态5 的持续时问为： = 昙面 ( 3 19 ) ， 。( t 5 ) = 一z 2( 3 2 0 ) 7 、丌关模态6 ( t 5 ，t 6 ) ( 对应于图3 21 ( g ) ) ： 在t 5 时刻，d a l 导通，把l a 两端电压钳位为零，辅助电感电流通过q 2 和 d a 2 续流，其电流值为，。( f ，) 。同时，这段时间中的t 。时刻，q s 关断，原边电 中国科学院电工研究所硕士学位论文 移相全桥软开关d c d c 变换器的研究 流迅速上升到一，电感l r 处于临界饱和状态。由于负载电流很大，故在负载 电流上升到一，的这个期间内，q 1 两端并联电容c 1 上的电荷已被抽完，d i 自 然导通，使得l r 两端的电压近似为零，l r 电流保持在一，。这样为t 6 时刻关断 q 2 作了初始条件与q 4 关断时相似的准备，即：k ：( f 。) = 0 ，圪。( “) = ， i l , ( r 6 ) = 一i c ，( r 6 ) = 一z 2 ，l ( t 6 ) = 0 ，吃2 ( ，6 ) = 。 从t 6 开始，到t 1 2 时，这是一个开关周期的另一个半周，工作情况与 t o - t 6 半 周类似。 33 实现零电压开关的条件 从上节讨论可知，要实现z v s ，关键在于开关模态1 。它必须满足下面两个 条件，即： j 去“。) s i n m d = 。 ( 3 2 1 ) 兰( 止+ l a x c o s 】，一1 ) + i c 一i c( 3 2 2 ) l r 条件( 3 2 1 ) 是要求在开关模态1 结束时，c 4 的电压达到v i n ，能使d 2 自然导 通，给q 2 提供零电压开通的条件：条件( 3 2 2 ) 是保证在开关模态l 结束时，可 饱和电感l r 仍然处于线性状态，不至于饱和。如果可饱和电感此时进入饱和状 态，原边电流就会立即变化到负载电流，从而使q2 失去零电压开关。但是它也 接近于饱和边缘，以减小其从线性区变化到饱和区的时间，达到减小副边占空比 丢失，提高副边有效占空比的目的。 一般而言，s i n c a l f 。选择在0 9 到1 之间，以减小z 。+ i a ) 的值。 3 4 参数设计 根据上一节分析可以知道，要实现滞后桥臂的零电压开关，必须满足下列三个条 件： z i ( ，。+ ，口) s i n l f = ( 3 2 3 ) ! 里登兰堕皇三竺茎堕堡主兰焦笙苎一堡塑全堑墼互耋旦竺堡窭苎量! ! ! ! 堕 竽+ l a ) c o s , t 1 ) + c - c ( i c + a ) ( c o s 6 9 l ，1 ) + 如o 那么，我们应在已知v i n ，t l 和i a 的前提下求出下列参数 r r 34 1 辅助网络的参数选择 ( 3 24 ) ( 3 25 ) 给定一个i a 值i a g ( 在某一电压g 时) ，口 以确定辅助刚络的特征阻抗值 z 2 ，即： 乙= 压= 毒 n 2 6 ， 同时对辅助网络的谐振周期作出限制。假设要求l a 的电流从0 上升到i a 的时间 詈以丽在半个开关周期t s 的去，即： 至压z 荔= 蔓( 3 2 7 ) 2 2 k 就可以由( 3 2 6 ) 和( 3 2 7 ) 确定l a 和c a 的值。 小怒 ( 3 2 8 ) r ：生，三 2 k z r 3 4 2l r 、c r 和i c 的确定 ( 3 2 9 ) 这三个参数由下面三个方程决定： j 急“。) s i n c ”, t = ( 33 。) 丝l r ( 止+ 。x c 。s 。f 1 ) + 尼一尼 ( 3 3 1 ) s i n ( o i i = a g ( 3 3 2 ) ( 注意到前面提到过，要实现滞后桥臂的零电压开关必须同时满足三个条件，这 ! 里至兰兰堕生三堕壅堕堡主兰垡堡苎 壁塑全堡竺墅差旦鱼旦壅塑塑堕! ! 塑 罩只用了前两个，即式( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ，而未用式( 3 2 5 ) 。后面将证明只要前两个条 由式( 3 2 8 ) ( 3 3 2 ) 可以求出下列三个参数： 址g 蔫2 1 4 。s i n 。4 + r l ( 1 一爿9 2 1 】肪 。= ( 南k 拈l ( 2 t s a 和gs i n 酊- l a g s ( t , 可( 瓜+ 1 )