（电力电子与电力传动专业论文）50v50a移相全桥zvs+dcdc变换器的设计.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 d e s i g no na p h a s e s h i f t e dz v sd c d cf u l l b r i d g e c o n v e r t e rw i t h5 0 v 5 0 a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dp o w e rs y s t e m s ，a h i g h e rd e m a n do ft h ep e r f o r m a n c e ，w e i g h t ，v o l u m e ，e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s u p p l yf o rc o m m u n i c a t i o n a n d e l e c t r i c i t yo p e r a t i o n a r e p r o p o s e d m o r e o v e r , c o m b i n e dw i t ht h es o f t - s w i t c h i n g , t h ef u l lb r i d g ec o n v e r t e rw h i c hi su s e di n h i g h p o w e ro c c a s i o n sh a sb e e nu s e di nr e s o l v i n gt h ei s s u e t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o ri t sr e s e a r c ha n dd e s i g n f i r s t l y ，t h et h e s i sh a se x p o u n d e dt h es o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yo fp w m d c d c c o n v e r t e la n dt h e ni th a sb a s e dam a i nc i r c u i tt o p o l o g yo fp h a s e s h i f t e dc o n t r o l p w mz v sf u l l - b r i d g ec o n v e r t e r , s e l e c t e dt h ec i r c u i tt o p o l o g yo fs o f ts w i t c h i n g t e c h n o l o g yz v s w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h i sp a p e r , t h e ne x p o u n d e di t sb a s i cp r i n c i p l e s a n dt h er e a l i z a t i o ns t r a t e g yo fz v s s o f t - s w i t c h i n g s e c o n d l y , t h et h e s i sh a sd e s i g n e dt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yw h i c hw es e l e c t e d ， a n dg a v et h em e t h o d so fp a r a m e t e r sd e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i o nf o rm a i nc i r c u i t , i n c l u d i n gt h ed e v i c e ss e l e c t i o no fi n p u ta n do u t p u t b r i d g er e c t i f i e ra n di n v e r t e r b r i d g e ；f u r t h e rp a r a m e t e r s d e s i g n i n gw i t hi n p u tr e c t i f y 啦f i l t e rc i r c u i t ，h i g h f r e q u e n c y t r a n s f o r m e ra n dt h er e s o n a n ti n d u c t o r , o u t p u tr e c t i f y i n gf i l t e rc i r c u i t t h e n ，i th a sd i s c u s s e dt h ef o r mo fap h a s e - s h i f t e dc i r c u i t ，a n dt h e nc h o s ec h i po f p h a s e s h i t f e d b e s i d e si th a sa l s oa n a l y z e dt h ep h a s e - s h i f t e dc h i p u c 3 8 7 5i nd e t a i l m o r e o v e r , i td e s i g n e da n da n a l y s i s e dt h ed r i v i n gc i r c u i tf o rt h em a i np o w e rd e v i c e s m o s i 吧t f i n a l l y , b a s e do nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，i ts i m u l a t e dt h em a i nc i r c u i ts y s t e m ， r e s e a r c h e dt h ep a r a m e t e r so fs y s t e m sd i f f e r e n tp a r t s ，a tt h es a m et i m ed e t e r m i n e d w h e t h e rt h e ya c c o r d e d w i t hap r a c t i c a lc i r c u i t u l t i m a t e l y , t h ea r t i c l eh a ss t r u c t u r e da t e s tp l a t f o r mf o rp h a s e s h i f t e dz v sd cld cf u l l b r i d g ec o n v e r t e r , o nw h i c h m a s s i v ee x p e r i m e n t sh a sb e e nd o n e 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 ii l l 皇詈皇墨鼍置皇詈量置詈墨皇昌暑詈鼍鲁皇詈詈暑詈詈鲁鲁宣盲= 皇鼍昌詈詈詈詈暑皇暑毫葛昌暑詈暑詈詈鼍= 皇暑暑皇詈詈皇墨暑詈罩皇詈詈詈詈暑摹鼍昌置曩鲁皇鲁皇量量宣置葛皇詈暑暑量墨皇= 量鲁暑= 兽 t h er e s u l t sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h ed c | d cc o n v e n e rt h a tw e r ed e s i g n e db yt h e a r t i c l ec a na c h i e v eg o o ds o f t - s w i t c h i n g , i m p r o v ee f f i c i e n c y , a n dc a u s et h es t a b l e c o n t r o lo fo u t p u t v o l t a g e u l t i m a t e l y , t h ed co u t p u t g a l lr e a l i z eaw i d er a n g e a d j u s t m e n t ，a n di th a sag o o dp r o j e c tp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ss w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ，h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ，p h a s e s h i f t e d c o n t r o l ，z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g ，u c 3 8 7 5 l 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文5 0 v 巧0 a 移相全桥z v sd c d c 变换器的设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明的部分外，不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：砑、玩讳f ，日期：例年弓月f 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 5 0 v 俗0 a 移相全桥z v sd c d c 变换器的设计系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密因形 ( 请在以上相应方框内打d 作者签名：勾、稚琥术 导师签名： 李j 匐多 日期：、 弼年 月，乡日 日期：影年扣f 弓日 哈尔滨理1 = 大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电力电子技术从6 0 年代诞生以来，经历了4 0 多年的发展，已经形成了较 为完整的学科体系和理论。电力电子学更是获得了突飞猛进的发展，这种发展 被各国专家学者视为人类社会的第二次电子革命。电力电子技术的应用范围十 分广泛，其中的应用热点之一就是电源。各种电子装置一般都需要不同电压等 级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所使用的直流电源，以前用晶闸 管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的 工作电源、微型计算机内部的电源在8 0 年代也都采用高频开关电源，率先完成 计算机的电源换代。随着电力电子技术的高速发展，9 0 年代各种电子、电器设 备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源、军事装备， 交通设施，工业设备等领域都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技 术的迅速发展，并且取得显著的效益。 2 0 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速的发展和变化，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。自2 0 世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，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 年国际电力电子界研究的 热点之一。 早期提出的软开关变换器是谐振变换器，准谐振变换器和多谐振变换器。 它们实现了开关管的零电压开关( z v s ) 或零电流开关( z c s ) ，减小了开关损耗， 提高了变换器的变换效率，开关频率大大提高，减小了体积和重量。但是这些 变换器的器件应力大，循环能量大，而且要采用频率调制，不利于优化设计滤 波器。为了保留谐振变换器的优点，实现开关管的软开关，同时采用p w m 控 制方式，实现恒定频率调节，利于优化设计滤波器，9 0 年代出现了零转换变换 器。所谓零转换变换器，就是只是在开关管开关过程中变换器工作在谐振状态， 实现开关管的零电压开关或零电流开关，其他时间均工作在p w m 控制方式下。 这种变换器适应通讯技术和电力系统的发展，对通讯开关电源和电力操作电源 的性能、重量、体积、效率和可靠性都有很大的提高。 由于单管构成的变换器，如b u c k 、b o o s t 、c u k 、f o r w a r d 、f l y b a c k 等一般 哈尔滨理- t 大学工学硕士学位论文 适用于中小功率的应用场合，而且单管直流变换器实现p w m 控制时，主开关 管和辅助开关管得开关应力依然很大。而全桥变换器，其变压器双向励磁，容 易达到大功率，并且全桥变换器是四管变换器，它可以利用主功率器件自身来 实现软开关技术，这也是其得到广泛应用的重要原因，而且特别适用于通讯用 开关电源和电力操作电源n 一。 1 2 课题研究的背景及现状 电源是各种用电设备的动力装置，是电子工业的基础产品。经济建设和社 会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。中国电源产业的规模可分三 个发展阶段： 第一阶段为1 9 7 6 年以前，是中国电源产业发展的初期阶段。 5 0 年代随着建设了一大批国有企业，随着电子工业原材料、原器件和整机 产业的发展，电源产品也从无到有。1 9 5 9 年有二厂一校生产五种规格1 6 0 0 多台 电源。到1 9 7 6 年，经过1 7 年的发展，已发展到2 6 个工厂，3 4 个品种，5 2 个 规格，3 3 0 0 0 多台电源。生产单位增长8 7 倍，品种规格增长1 0 4 倍，产量增长 2 0 2 倍。第一阶段从无到有，虽然增长速度较快，电源产业的规模还是很小。 这一时期是电源整机的创建和仿制时期，主要是仿苏的电子管直流电源、磁饱 和交流电源和仿美、仿欧的电子或磁放大式交流稳压电源，并逐渐实现了国产 化。 第二阶段是1 9 7 7 1 9 8 9 年，是中国电源产业初步壮大时期。 这一阶段是我国改革开放的初期，经济建设逐步加快，电源产业也逐步进 入快速增长期。1 9 8 9 年电源生产企业已发展到1 7 1 家，产品规格3 4 0 多种，年 产电源5 4 万多台。生产企业数量比1 9 7 6 年增长6 6 倍，品种增长1 0 倍，产量 增长1 6 4 倍。在此阶段随着晶闸管、晶体管技术和产品的发展，电子管直流电 源，磁饱和式交流电源逐渐被淘汰，晶闸管电源、晶体管电源、磁放大式交流 稳压电源得到迅速发展，占据了电源市场的统治地位。 第三阶段是1 9 9 0 年至今，是中国电源产业的大发展时期。 这一阶段，除原电子工业部系统以外，其他行业和系统，如机械、邮电、 铁路、电力、军工系统等都有电源开发和生产，特别是乡镇企业和民营企业大 量涌现，全国有上千家，几乎遍布全国，出现了一批超亿元，甚至超l o 亿元的 电源企业。这一阶段主要是全控功率器件的出现促进了电源技术的极大发展。 g t o 可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍 一2 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 在电源中广泛应用。功率m o s f e t 的出现，构成了高频电力电子技术，开关频 率可达1 0 0 k h z 以上，并可并联大电流输出。i g b t 是m o s 输入、双极性输出 的复合型功率器件，工作频率与g t r 相当，其电压定额较高。随着新型功率器 件的出现，脉宽调制( p w m ) 电路、各种各样的零电压、零电流变换的拓扑电路 得到广泛应用。电源产品更加小型化、集成化、智能化、高效率、高可靠。 近年来，我国开关电源得到快速发展，产品质量有t , t l 大提高，其性能指标 与国外同类型产品不分上下，能基本满足国内用户的要求。这在具有自主知识产 权的通信开关电源上体现得尤为明显。随着通信行业的发展，以开关电源技术 为核心的通信用开关电源，仅国内就有2 0 多亿人民币的市场需求，吸引了国内 外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大 势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在 启动，并将很快发展起来。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路 拓扑的不断出现，为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源 性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关 工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作 效率，设计出性能优良的开关电源。 随着信息产业的发展，传统工业的改造，以及人们对节约能源和保护环境 给予越来越多的重视，开关电源的发展空间将更广阔，其发展前景也会更加明 朗口一一一1 0 1 3 课题所做的工作 本课题所做的具体工作如下： 1 分析移相控制p w m 全桥变换器软开关技术的基本工作原理，并分析实 现软开关的条件，以及整流二极管的换流情况。 2 对移相控制p w m 全桥变换器的主电路拓扑结构进行电路设计，研究主 电路中各参量的设计方法，包括：输入整流桥、逆变桥、输出整流二极管的选 型，输入滤波电路母线支撑电容的设计，高频变压器及谐振电感的设计，输出 滤波电路中滤波电感及滤波电容的设计。 3 详细分析移相控制芯片，对驱动电路进行设计与分析。 4 根据理论计算和仿真研究设计参数，搭建移相控制全桥变换器的实验平 台，在实验平台上验证设计思想和设计方法。 一3 一 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 第2 章p w md c d c 全桥变换器软开关技术 移相p w m 控制方式是近年来在全桥变换电路中广泛应用的一种软开关控 制方式。这种控制方式实际上是谐振变换技术与常规p w m 变换技术的结合， 移相全桥软开关电路有效降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关 过程中产生的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率和效率降低尺寸及重量提 供了良好的条件。同时，还保持了常规的全桥p w m 电路中拓扑结构简洁，控 制方式简单，开关频率恒定，元器件的电压和电流应力小等一系列优点。 2 1p w md c d c 全桥变换器的软开关技术 2 1 1p w md c d c 全桥变换器的基本工作原理 p w md c d c 全桥变换器的基本电路结构及其波形如图2 - 1 所示。t l 也是 四支主功率管，d l d 4 为主功率管的反并联二极管，t r 是输出变压器，其原副 边绕组匝数比b 1 佻，v d l 和v d 2 是输出整流二极管，匆和q 是输出滤波电 感和电容，毗是负载。输入直流电源电压为，输出直流电压为圪。 ! 一d l _r 叫岛j - l 二k 1 。 atb i l i ! 一d 2 j l d 4 j l k 。 、 。 r trcm 3 v d - 0 。雨 卢 峪 d e 忸 k y c d 圪 t llb t it 1i i iv , , k iv , , k ：d 倩 一 0 l 凡2 f a ) 全桥变换器的基本电路结构”主要波形 a ) b a s i cs t r u c t u r eo ff u l l - b r i d g ed c d cc o n v e r t e rb ) m a i nw a v e f o r m 图2 - 1 全桥变换器的基本电路结构及其主要波形 f i g 2 - 1b a s i cs t r u c t u r ea n di t sm a i nw a v e f o r mo ff u l l - b r i d g ei x ：d cc o n v e r t e r 所谓移相控制方式就是t 1 和t 2 轮流导通，各导通1 8 0 。电角度，t 3 和t 4 4 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 亦如此，但是t l ( 或t 2 ) 和t 4 ( 或t 3 ) 不同时导通，两者导通差a 电角度，如图2 1 ( b ) 所示。其中t 1 和t 2 分别先于t 4 和t 3 关断，故称t 1 和t 2 组成的桥臂为超前桥 臂，t 3 和t 4 组成的桥臂为滞后桥臂。通过控制t l 也四只开关管，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 器副边得到一个幅值为皿的交流方波电压，然后通过由v d l 和v d 2 构成的 输出整流桥，在c d 两点得到幅值为肛的直流方波电压。厶和c ，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，其电压值为圪- d r ，其中d 是占空比，d 一2 x 乙殆，是导 通时间，殆是开关周期，由的公式知，可以通过调节占空比来调节输出电压 圪，又d - 2 x 死拄珐- 1 一a 1 8 0 ，从而可以通过控制移相角来调节输出电压 2 1 2p w md c d c 全桥变换器的软开关实现 为了实现开关管的软开关，可以给它们分别并联吸收电容，如图2 2 中所 示的c 1 以。当开关管关断时，变压器原边电流给关断管如t 1 或t 4 的并联电容 c 1 或c 4 充电，同时给c 2 或c 3 放电。这样就限制了t 1 ( 或t 4 ) 在关断时所产生的 电压上升率，实现了t i ( 或t 4 ) 的软关断。当c l ( 或c 4 ) 的电压上升到时，c 2 ( 或 c 3 ) 的电压下降到零，t 2 ( 或t 3 ) 的反并联二极管d 2 ( 或0 3 ) 导通，为t 2 ( 或t 3 ) 提供 了零电压开通的条件。 图2 - 2p w md c d c 全桥变换器的主电路图 f i g 2 - 2m a i nc i r c u i to ff u l l - b r i d g ep w m d c - d cc o n v e r t e r 1 超前桥臂的软开关实现在图2 3a ) 中，t 1 和t 4 同时导通，砌口= ， 变压器一次侧电流流过t 1 和t 4 。在某一时刻先关断t l ，原边电流从t 1 上转移 到c 1 和c 2 支路上，给c l 充电，同时c 2 被放电( 如图2 - 3b ) ) 。由于有c 。和q ， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t l 是零电压关断。在这个过程中，漏感l l k 和滤波电感三厂串联，而且，很大， 因此可以认为原边电流近似不变，类似于一个恒流源。这样c t 的电压线性增 大，同时c 2 的电压线性减小。当c 1 的电压上升到时，c 2 的电压下降到零， t 2 的反并联二极管d 2 自然导通，此时开通t 2 就是零电压开通。此时砌口= o 。 同理于t 2 关断的情况。 从上面的分析可以得到：超前桥臂在关断时，输出滤波电感与漏感串联， 原边电流是一个恒流源，因此超前桥臂只能实现零电压开关，不能实现零电流 开关，而且超前桥臂容易实现零电压开关。 2 续流状态如图2 3c ) 是续流状态电路图。此时d 2 和t 4 导通，砌口= o ， 因此变压器原边电压亦为零。由于d 2 和t 4 存在通态压降，此时原边电流略有 减小。如果在主电路中加入一定的电路，就可以使续流状态出现两种工作模式： ( 1 ) 恒流模式，即在续流状态下，保持原边电流基本不变；( 2 ) 电流复位模式，即 在续流状态下，使原边的电流减i j , n 零，为滞后桥臂提供零电流开关条件。 3 滞后桥臂的软开关实现滞后桥臂的软开关实现分零电压开关和零电流 开关两种。 1 ) 滞后桥臂的零电压开关 如果续流状态处于恒流模式，原边电流流过d 2 和t 4 如图2 3c ) 所示。当 t 4 关断时，原边电流从t 4 上转移到c 3 和c 4 支路上，给c 4 充电，同时c 3 被放 电( 如图2 3d ) ) 。由于有c 3 和c 4 ，t 4 是零电压关断。当c 4 的电压上升到时， c 3 的电压下降到零，t 4 的反并联二极管d 4 自然导通，此时开通t 4 就是零电压 开通。此时v a b = 0 。同理于t 3 关断的情况。 在t 4 关断后，由于口= 一叼4 ，口为负电压，使v n 2 导通，v d l 与v d 2 换 流，因而短接了变压器副边，变压器原边电压为零。此时与c 3 和c 4 谐振的能 量是由漏感三腩提供的。由于雎的电感量很小，如果三髓提供的能量不能使c 4 和c 3 充放电结束就使得原边电流拓反向，那么c 3 上的电压就会开始增加，此 时开通t 3 就不能实现零电压开通，而是硬开通。 从上面的分析可以得到：( 1 ) 滞后桥臂实现z v s 的能量是漏感的能量；( 2 ) 漏感远远小于输出电感，因此滞后桥臂较超前桥臂实现z v s 更困难；( 3 ) 漏感能 量与负载有关。负载越大，能量越大；反之越小。在负载较小时，漏感能量不 足以使滞后桥臂实现零电压开关，必须采用辅助电路来帮助漏感实现滞后桥臂 的零电压开关。 2 1 滞后桥臂的零电流开关 如果续流状态处于电流复位模式，则当t 4 关断时，原边电流为零，t 4 是零 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 电流关断。当t 3 开通时，由于漏感的存在，原边的电流不能突然增加，而是以 一定的斜率增加，因此可以认为t 3 是零电流开通。同理于t 3 关断的情况。 a ) t l 和t 4 同时导通状态 a ) t la n di 4c o n d u c t i n gs t a t e b ) t 1 先关断的状态 ”t 1s h u t d o w nf i r s t l y c ) 续流状态d ) 恒流模式下t 4 关断的状态 c ) c u r r e n t - r e f l o w i n gs t a t ed ) 1 4s h u t d o w ni nc o n s t a n tc u r r e n tm o d e 图2 - 3p w md c d c 全桥变换器的软开关实现 f i g 2 - 3s o f t - s w i t c h i n gi nf u l l - b r i d g ep w md c - d c c o n v e r t e r 从上面的分析可以得到：( 1 ) 在电流复位模式下，滞后桥臂实现z c s ；( 2 ) 滞 后桥臂开关管两端不能并联电容，否则在开关管开通时，其并联电容上的电压 不能为零，其能量将全部消耗在开关管中，使开关管发热，而且还会在开关管 中产生很大的电流尖峰，造成开关管的损坏；( 3 ) 在续流状态时，原边电流回到 零后，不能反向增加。否则在开关管开通时，就会产生很大的开通电流尖峰， 容易损坏开关管，从而失去了零电流开通的条件盯。1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 移相控制z v sp w m 全桥变换器的工作原理 移相控制全桥零电压p w m 软开关的实际电路如图2 4 所示。移相控制全桥 零电压开关p w m 变换器( p h a s e s h i f t e dz e r o - v o l t a g e s w i t c h i n gp w m c o n v e r t e r ， p s - z v s - p w mc o n v e r t e r ) 利用变压器漏感或串联电感和开关管的结电容或外接 电容谐振，在不增加额外元器件的情况下，通过移相控制方式，实现功率开关 管的零电压导通与关断。图中t 1 也是四支主功率管，d 1 一d 4 为主功率管的反 并联二极管，c l 以为主功率管的结电容或外接电容，厶是谐振电感，包括变 压器的漏感，t r 是输出变压器，其原副边绕组匝数比b 1 鹏，v d l 和v d 2 是 输出整流二极管，三，r 和。是输出滤波电感和电容，也是负载。输入直流电源电 压为，输出直流电压为。 二科 r 叫c ，牛鸥， l ai p lb li 1 ll 、斗 d j l q 铲 l j - + l f - f t ry d l 幸 0 一 上j ；l s lc ，t ；l s 。2 v d 2 图2 4 移相控制全桥零电压开关p w m 变换器的主电路 f i g 2 - 4m a i nc i r c u i to fp h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g ez v sp w m d c - d cc o n v e r t e r 在一个开关周期中，移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器有十二种开 关模态，包括正半周和负半周的两个功率输出过程、两个钳位续流过程、四个 谐振过程以及四个主变压器原边电流缓变过程。由于正半周与负半周从原理上 说大体对称，因此这里仅分析正半个周期中的六个模态。在分析之前作出如下 假设： 1 ) 所有开关管，二极管均为理想器件； 2 ) 所有电感，电容和变压器均为理想器件； 3 ) c 1 = c 2 = g 谢，c 3 = c 4 = ； 4 ) ， 厶酽，k 是变压器原副边匝数比。 图2 5 是电路的开关控制波形及电压电流波形。 一8 一 哈尔滨理工大学工学硕：t 学位论文 l ， e 坩 o r o t t t t t ililt l1 少对 r 一_ j ；： 川 ：l 夕； |励i 厦铴 t ， ，f ，| t 一九t j 。 t 一i 图2 - 5 移相控制全桥零电压开关p w m 变换器的主要波形 f i g 2 - 5t h em a i nw a v e f o r mo f ap h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g ez v sp w md c - d cc o n v e r t e r 六个工作过程详细分析如下： 1 ) 【0 训：原边电流正半周功率输出模式，如图2 - 6 所示。 匕璇d f o l ，即 白( 如谢) 2 厶 ( 2 - 8 ) 4 ) 【t 2 一t 3 ：滞后桥臂谐振模式，如图2 - 1 0 所示。 三 f 2 3 ，即 q 妒1 埘咖。1 袭 ( 2 - 1 7 ) 6 ) 【“啮】：原边电流缓变( 即原边电流下冲过零后负向增大) 模式，如图2 - 1 3 所示。 图2 1 3 【“嘲：原边电流缓变( 即原边电流下冲过零后负向增大) 模式 f i g 2 - 1 3s l o w - v a r y i n gm o d eo fp r i m a r yc u r r e n t ( n a m e l y , i td r o p p e dz e r ot on e g a t i v ei n c r e a s i n g ) 在t 4 时刻，原边电流由正值过零，并且向负向增大，此时t 2 和t 3 为原边电 流提供通路。由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍有两个整流管 提供回路，因此原边绕组电压仍然为零，电源电压依旧全部施加在谐振电感 厶两端，原边电流线性上升，原边电流为( 2 1 3 ) 但初始条件为枞o ) = o ，则解方程 为： i p ( t ) 一一y & p 一，4 j ，( 2 1 8 ) 在此过程中： 变压器原边的电流回路是：n t 2 一上p 一厶一t 3 一p ( 易 匆一9 和毗一b 异渊亦枷徜 到t 5 时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流一毋厦值，此时，整流管 v d l 和v d 2 换流结束，v d l 截止，v d 2 通态。 7 ) 【t s - t 6 原边电流负半周功率输出模式，如图2 1 4 所示。 在t 5 时刻，整流管v d l 和v d 2 换流结束，t 2 和t 3 为电源供电提供了第二 个功率输出回路，且电源的能量经变压器和整流二极管v d 2 全部转移到输出滤 波电感和负载上。在此过程中： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 v d i 图2 1 4 t s - t 6 ：原边电流负半周功率输出模式 f i g 2 - 1 4 【t s t 6 ：p o w e ro u t p u tm o d ei nn e g a t i v eh a l fp e r i o do fp r i m a r yc u r r e n t 变压器原边的电流回路是：n t 2 一上p 一工，一t 3 一p ( 知 0 ) ； 变压器副边的电流回路是：异名端一v d 2 一匆一9 、毗一如同名端。 这时的等效电路如图2 1 5 所示。 v 图2 - 1 5 能量传递的等效电路 f i g 2 - 1 5e q u i v a l e n tc i r c u i to fe n e r g yt r a n s f e r 则原边电流为： q ，+ k 2 三，垮- k v o 一圪 ( 2 1 9 ) 初始条件为易( 0 ) = i p ( t 5 ) = - i l f k ，则解方程得 洲等等h ) 一i i l l 因为l r i - - i t q 卿v + 去c 豫吆 ( 2 2 3 ) j二 式( 2 2 3 ) 是将式( 2 2 2 ) q a 等号右边的g y 孑改变为4 c u o s v 加2 3 得到的。这是 因为m o s f e t 的结电容c u o s 不是一个恒定电容，而是一个非线性电容，其容 值是反比于其两端电压的平方根的n 引。 2 超前桥臂实现z v s 在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感三，是与谐振 电感厶是串连的，此时用来实现零电压开关的能量是滤波电感三，与谐振电感厶 中的能量。另外参与谐振的还有变压器的励磁能量嵫( 相对很小，可忽略) ， 因此要实现超前桥臂的z v s ，只要满足 忙，+ k 2 三厂妇+ 口g c f 吃+ 二1c 豫v t ( 2 2 4 ) 一般来说，三，很大，在超前臂开关过程中，其电流近似不变，类似于一个 恒流源。所以在一定的负载电流下可让超前桥臂的并联电容迅速充放电，较容 易实现大范围负载电流下的零电压开关。因此超前桥臂容易实现z v s 。 3 滞后桥臂实现z v s 在滞后桥臂的开关过程中，变压器副边是短路的， 此时整个变换器就被分为两部分，一部分是原边电流逐渐改变流通方向，其流 通路径由全桥提供；另一部分是负载电流由整流桥提供续流回路，负载侧与变 压器原边没有能量传递。此时用来实现z v s 的能量只是谐振电感厶中的能量， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 如果不满足( 2 2 2 ) 式，那么就无法实现z v s 。即 i 1l ，2 c f 口g 吆+ 去吃 ( 2 2 5 ) 由于输出滤波电感三，不参与滞后桥臂z v s 的实现，较超前桥臂而言，滞后 桥臂实现z v s 就困难得多，因为输出谐振电感比输出滤波电感要小得多。 4 两个谐振过程的比较正如前面所说，超前桥臂的谐振过程中，参与谐振 的电感量很大，电流衰减的很慢，那么式( 2 2 4 ) 很容易满足。因此相位超前桥臂 t l 、t 2 实现零电压开通的条件主要就由谐振时间( 死区时间) 决定。即满足 乙岫l22 c 乙吆 ( 2 - 2 6 ) 而滞后桥臂的谐振过程中，电感量很小，储能少，因此相位滞后桥臂t 3 、 t 4 实现零电压开通的条件主要由谐振电感厶的大小决定。而且死区时间为谐振 周期的1 4 时，即谐振电压达到谐振峰值时结束换流为最好。那么滞后桥臂实 现z v s 的条件是 z 口1 2 ( 2 2 7 a ) 即 0 2 c 蛔如 c 2 7 b ) 公式c z s ) 同( 2 2 7 b ) ，那么要实现滞后桥臂t 3 、t 4 的零电压开通只需满足 ( 2 2 7 b ) 且p 可，这也是设计厶的依据。 两个谐振过程的共同点是都与负载电流五，的大小有关，重载时易实现z v s ， 轻载时不易实现z v s 。比较( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 b ) ，取谐振时间为谐振周期的1 4 ，且 认为g 珏，那么 1 一 ，d ( 删) t 2 f f 、 2 l r c22 c 厶 ( 2 2 8 ) 由于 与1 2 相近，故近似认为，1 = 1 2 = i l f k 。那么式( 2 2 8 ) 和式( 2 2 7 b ) 变成 i l l 2 k v i n 页l r ( 2 - 2 9 ) i l l k v i n4 2 c l r ( 2 - 3 0 ) 由此可知，当协满足滞后桥臂的零电压条件时，一定也满足超前桥臂的零 电压条件“训。减小开关等效并联电容对z v s 是有利的，但对限制d v d t 及寄生 振荡是不利的，且死区时间的选择为0 等2 三，c 。 2 3 2 实现z v s 的策略及副边占空比的丢失 通过上面的讨论可以知道，超前桥臂容易实现z v s ，而滞后桥臂要困难些。 哈尔滨理工大学工学硕：t ：学位论文 而且只要满足条件使滞后臂实现z v s ，那么超前桥臂就能实现z v s ，因此移相 全桥实现z v s 的关键在于滞后桥臂。而滞后桥臂实现z v s 的条件就是( 2 2 7 b ) ， 可以看出，要满足它们，要么增加厶，要么增加，2 。 1 增加励磁电流对于一定的谐振电感厶，必须有一个最小的易的值z 拥加 来保证式( 2 2 7 ) 得到满足从而实现z v s ，通常有用增加励磁电流厶的办法来实 现零电压开关，这实质上就是提高如嘲。但是增加励磁电流厶通常能带来另一 个问题，因为原边电流在负载电流的基础上多了一份励磁电流，因而增加了它 的最大电流值，也使通态损耗增大。同时，励磁电流的增大，也增大了变压器 的损耗。因此在励磁电流的选取上，应充分考虑器件和变压器损耗。 2 增大谐振电感由于励磁电流与负载无关，因而在轻载时，变换器的效率 很低。实现z v s 的另一种方式是增加谐振电感。要在一定的负载范围内实现 z v s ，就可以知道一个最小的负载电流，根据这个电流，忽略励磁电流，可得 到厶的最小值栩，利用式( 2 2 7 b ) p - i 计算出所需的最小谐振电感。 3 副边占空比的丢失p s z v s p w m 电路中的一个特殊现象就是副边占空 比丢失，它总是开