（电力电子与电力传动专业论文）并联型高频母线的分布式电源技术.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l yi san e wt e c h n o l o g yo fp o w e rs u p p l yw h i c hs o l v e s s o m ep r o b l e m ss u c h a sl o wr e l i a b i l i t y , h u g ev o l u m ea n dw e i g h ti nc o m p l e x s y s t e m t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fl o wp o w e rm u l t i - o u t p u tp o w e r s u p p l ya n dd i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l yt h ec o n c e p to fm u l t i - o u t p u td i s t r i b u t e dp o w e r s u p p l yi si n l x o d u c e da f t e r t h a t t h ea r t i c l em a k e sac o m p a r i s o na m o n gd i f f e r e n tt y p e so fb u s ，b u st r a n s m i s s i o n s i g r l a la n ds e v e r a lf a m i l i a rt o p o l o g i e so f f r o n t - e n dc o n v e r t e r sa n dl o a d - e n dc o n v e r t e r s f i n a l l y , t h eh a l f b r i d g ec o n v e n e rw i t l lf u l l w a v er e c t i f i e rb a s e do nt h eh i g h - f r e q u e n c y p a r a l l e l - t y p ea cb u sb a ri sc h o s e na sc i r c u i ts t r u c t u r ea n do p t i m i z e d t h ew o r k i n g m o d eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o no f t h ec i r c u i ti sa n a l y z e da n dam a t h e m a t i c a lm o d e li s s e tu pu n d e rc o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e s i m u l a t i o nm s u l ti su s e da sc o m p a r i s o n t h et h e s i sf o c u s e so nt h ec i r c u i td e s i g na n dp a r a m e t e rs e l e c t i o n ，i n c l u d i n gt h e p o w e rc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n dd r i v ec i r c u i to ft h ef r o n t - e n dc o n v e r t e r a p a r tf r o m m nf o rt h el o a d e n dc o n v e r t e r ，t h ed e s i g na n dc r i t i c a lc o m p o n e n t ss e l e c t i o no ft h e t r a d i t i o n a lf u l l w a v er e c t i f i c a t i o na n ds y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o na r ep r e s e n t e d a n a l y s i so ft h eb u st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si sd e t a i l e d ，i n c l u d i n gt h em o d e l i n go f t r a n s m i s s i o nl i n ea n dh i g h f r e q u e n c yc o u p l e di n t e r f e r e n c eo ft r a n s m i s s i o nl i n e t h e l e a d - w i r er e s i s t a n c ea n db u sp a r a s i t i ci n d u c t a n c ei sa n a l y z e da n dm o d e l e d t h e s e m o d e l sa r es i m p l i f i e db ym a t h e m a t i c a lm e t h o da n ds e v e r a lc o m n l o nf o r m u l a so nt h e c a l c u l a t i o no fb u sp a r a s i t i cp a r a m e t e r sa r eg i v e n t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ) ro fm a i n c i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ti sv e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n tr e s u l t t h et h e o r yi sv e r i f i e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f v o l t a g eu n d e rd i f f e r e n tt y p eo f b u st r a n s m i s s i o n m u l t i - o u t p u td i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l yh a sa ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o nb e c a u s eo f i t s a d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n df l e x i b l ep o w e rw a y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l y h i g h - f r e q u e n c ya cb u s h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r n 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，开关电源朝着高频化、集成化、模块化的方向发 展。小功率多路输出电源除了应该满足最基本的高稳定，高可靠、良好的高频隔 离、低e m i 等特点外，还应该满足结构简单轻巧、成本经济等要求。 在传统的集中式供电方式中，如图1 1 所示，为了满足对不同电压、功率 等级的负载供电，通常变换器直接接在电网上，通过一定的电力电子装置产生适 合负载的电压，然后再用较长的传输线将转换好的电压连接到负载上。这种结构 的供电方式有结构简单、供电独立等优点，但是其成本、体积和重量都是需要解 决的问题。 定制电源 负载 图1 - 1 集中式供电方式 分布式的供电结构最早出现的航空航天领域，最近十年中，分布式电源系统 的优点使得它广泛地应用到其它领域，如工业控制、计算机系统，医疗电子和电 讯工业等。另外，它在军事领域中的应用也越来越广泛所谓分布式电源系统即 是将输入的电网电压变换成某一规定的电压，再在需要的地方用一批d c d c 变 换器把这一规定的电压变换成系统所需要的电压，如图1 - 2 所示。使用分布式电 系统，可以把前端变换器放在离负载很远的地方，把后级的d c d c 变换器放在 离负载很近的地方，这样的供电方式已经在各个应用场合体现出其明显的优点： 重量轻、体积小、可靠性高、稳定性高以及负载和电网之间的良好隔离。 浙江大学硕士学位论文 一前端变换器卜一一负载变换器j 输入电压 l 中间母线电压 i i i i ! 一前端变换器t - -一负载变换器 图 - 2 分布式供电方式 1 2 小功率多输出电源的发展 1 2 1 拓扑结构的发展 随着电力电子技术的发展，小功率电源的拓扑结构也不断发生变化，对于不 同类型的拓扑结构，都有其特定的应用场合。小功率电源的结构主要有以下几种 f 4 i 】： 1 线性电源。它是用普通的工频变压器降压后，又经过四只二极管全波整 流，经过两个电容的平滑滤波后加到三端稳压的输入端，如图1 3 所示。这种设 计中，工频变压器的体积往往选得足够大，以满足各种安全规范中对绝缘和潺电 的要求。它简单、可靠、方便，具有低频隔离特性，在变压器不会影响到整个电 源系统的尺寸和造价的大功率电源系统场合下，这种结构的电源是一个不错的选 择。由于使用了线性电源，这种方案容易实现高精度电压输出，并且没有开关纹 波，但是使用工频变压器会增大电源体积和重量并且高频隔离性能差，组间电容 很大。另外，三端稳压调整器如l m 7 8 1 5 的通态压降要超过一定的值( 如2 v ) 才 能工作，这将造成很大损耗。因此，传统线性电源，通常应用在小功率、电源电 压精度和纹波要求较高的场合。 浙江大学硕士学位论文 一 2ii 主功率部分 踟 滤波器 = - _ 2lz、 小功率电源部分 i i 、zi 儿匕 t 1 厂 z、zi tt 图1 - 3 线性电源 2 电容隔离型电源。电路结构见图1 4 ，用两只无极性的高频电容直接从输 入端电网电压中取得低频脉动电压，并串联两只电阻限流，经过四只二极管全波 整流后再输入集成稳压器7 8 1 5 ，以提供所需电压。集成电路0 c ) 输入端并联一只 稳压二极管钳位，防止浪涌电压损坏7 8 1 5 。与上一种方案相比，这种电源拓扑 省去了工频变压器，减小了体积和重量。为此付出的代价是输入和输出失去了高 频隔离效果，主功率电路和小功率电源共地困难。同样，这种方案也使用了线性 电压调整器，也会造成较高的损耗。因此，这种电容隔离型电源通常应用在低电 压，小功率，电源电压精度和纹波要求较高，地回路设计简单的场合。 -_ 2、i 主功率部分 e m i 滤波器 2lz i 小功率电源部分 i f - 一卜一 丰 j 【一 i _ 1 r 1 、 电容隔离型电源 式开关电源。用单片式电源芯片，比如t o p s w i t c h 系列芯片，可以 方便成高性能小功率电源。topswitch器件集pwm信号控制、驱动电路及 功率场效应管(mosfet)于一体，内部集成了自启动电路，所以只要在外围 添加的元件，就可以构成一个电路结构简洁，成本低，性能稳定，制作及调 试方单片开关电源，这种方法己得到广泛的应用。开关电源与线性电源相比 最主势在于可以输出较大功率，损耗较小。图15的反激式单片开关电源很 浙江大学硕士学位论文 好的体现了这一优势，被广泛应用在几瓦至上百瓦输出功率场合中。反激电路拓 扑由于结构简单，元件少，可靠性高，成为单片开关电源的主要拓扑。目前的第 四代t o p s w i t c h 产品( t o p s w i t c hg x ) 集成了软启动、过压欠压保护、过流保护、 频率抖动、前沿消隐等技术，开关频率可达到1 3 3 k h z ，转换效率一般在8 0 以上， 输出调整率好，成为小功率电源的最佳选择。然而，开关电源与线性电源相比， 需要更多考虑电磁兼容问题，因此在对电压纹波要求非常严格，而对效率要求不 高的场合，线性电源更具针对性。 ” 牛 一 每 j 。z l ! j 、2i l 二一 z 2 2 v a c ： z lzi l 图1 - 5 单片式开关电源 4 ，由自激式开关变换器构成的小功率电源，可以方便的提供多路输出。图 1 - 6 是由一个自激式反激变换器构成的小功率电源。开始时通过冠、尼的基极驱 动电流使q l 开始导通，之后就随着开关管的开通和关断，引起恐上的电流变化， 为开关管的继续开通和关断提供条件。而绕组只是起着加速开通或关断过程的作 用。自激式开关电源是开关电源的一种，因此具有开关电源体积小、重量轻、效 率高的优势，同时兼具元件少、结构简单的优点。但是与他激式开关电源比较， 自激式开关电源输出功率较为狭窄，开关工作频率等电路工作参数易受干扰， e m i 滤波器难于设计，整体电路可靠性较低。因此，自激式开关电源适用于中小 功率，对效率、成本要求较高，对可靠性要求较低的场合。 4 浙江大学硕士学位论文 图l - 6 自激式开关电源 5 由他激式开关变换器构成的小功率电源，也可以方便的提供多路输出。 小功率的情况下可以用反激式变换器，而功率相对大的时候可以用半桥或全桥的 变换器，图卜7 所示的是反激式变换器的一个应用电路图。这个电路需要一个启 动电路在启动之初为芯片供电。这种多路输出通常采用的方法就是增加变压器的 绕组来实现，电源集中在一块电源板上，将输出端的电压引导需要的负载板上去。 该方案广泛用在各种集中式开关电源中，通过改变拓扑结构实现不同功率等级的 输出。该方案具有开关电源的一切优势以及定制性好，输出功率范围广的优点。 与普通开关电源相同，在与线性电源的对比中也有电磁兼容( e m c ) 、纹波、可靠 性的问题。单片开关电源是他激式开关电源的一种形式，提高了集成度和可靠性， 但应用范围也受到一定限制。 出 图1 7 他激式开关电源 6 分布式结构的电源。有一些电源系统比较庞大，需要供电的负载板空间 距离相对较大，这种电源系统就需要分布式结构的电源。即将输入电压变成另一 条电压母线，再在需要的地方用一批小的变换器变成需要的电源，这样可以比较 稳定的控制输出的电源精度，避免了传输电压的损失。其结构图见图卜2 。与分 浙江大学硕士学位论文 布式电源不同，上述图1 - 3 至图卜5 电路均属于集中式电源。在集中式电源中， 主变换器处理所有的功率变换并输出最终负载所需的电压。在设备对电源供电质 量如电压精度、稳定度、输出功率、电压调整率和保护功能要求越来越高的情况 下，集中式电源可能造成系统可靠性降低、不必要的复杂度提高，这在小功率电 源中是应当极力避免的。分布式电源的出现缓解了这一矛盾。分布式电源将主变 换器输出能量传送到母线上，供下级的小型变换器使用。小变换器将单独或者若 干个并联输出负载所需的最终电压。与集中式电源相比，分布式电源中可将小变 换器设计为插拔的形式，降低主变换器的复杂度，使整个电源系统容易维护，同 时可依靠冗余性提高系统可靠性。另外，分布式电源可采取各种形式的拓扑以适 应多种功率、电压等级输出，具有较强的定制性。 1 2 2 多路输出技术的发展 早期制作多路输出电源，人们往往将几个独立的d c d c 变换器装在一起，这 种方法所用的元器件最多，电源的尺寸也大，但电路设计简单，这种电源的缺点是 由于各d c d c 变换器是独立的、若它们的振荡频率有异，就会发生拍频干扰， 在输出电压上出现各振荡频率之差的纹波电压。一般需要一个专门的功能电路来 协调各个独立的d c i d c 变换器模块。 为了解决这个问题，人们设计了新的变换器结构，它只使用一个变换器，不 会发生拍频干扰，在实际中有极高的应用价值。 实现d c d c 交换器的多路输出一般包括三个步骤： 1 选择变换器的主体结构： 隔离式d c d c 变换器由于其输入输出端被变压器隔离，因此可以利用增加 变压器二次绕组的办法实现多路输出，其中正激式和反激式变换器由于其结构简 单、可靠性高而获得了广泛的应用。在大功率场合半桥和全桥变换器，双管正激 变换器等也经常被采用。 2 确定变换器的控制变量： 这是变换器多路输出技术的核心部分，因为控制变量的选择直接决定了多路 输出变换器的整体稳压效果。设变换器的输出支路个数为r l ，控制变量个数为m ， 欲使每个输出都能精确调节，则必须m ”。 6 浙江大学硕士学位论文 3 确定各输出支路的稳压技术： 相对不同的主体结构采用不同的稳压技术。 根据输出隔离变压器的结构特点和在电路中的连接方式，现有的应用较为广 泛的多路输出电源大概有以下三种结构，如图卜8 所示。 a )姊 ( c ) 图1 - 8 现有多路输出电源结构 上图中左边模块为开关电源原边电路，包括整流、p f c 、d c a c 、a c d c 或d c d c 电路中的几种，右边模块为副边二次测电路，包括整流、滤波、稳压 电路等等。从变压器结构上来说，( a ) 、( b ) 两种结构都采用单输入单输出的变压 器，结构简单，对于变压器的设计和绕制都十分方便，供电灵活，可随意增减副 边二次电路的数量，而且提高了系统的可靠性。( c ) 结构变压器的原边和所有副 边绕组全都在一个变压器上，当二次侧输出路数较多时，势必造成变压器体积庞 大，系统结构复杂，高电压区域接线困难等闯题，极大的降低了可靠性。 1 3 分布式电源技术的发展【1 9 j 在分布式电源系统( d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m ) 中，功率处理功能分布在许 多功率处理单元中。按照功率处理功能在功率处理单元的分配不同，d p s 有如下 几种基本结构形式，如图1 - 9 所示。 7 皿皿口 口口k 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 并行结构 ( b ) 串行结构 ( c ) 输入电源分散( d ) 负载分散 图1 - 9 d p s 的基本结构 并行结构已经成功应用与许多电源系统，并行模块可以分散或集中放置。如 图1 - 9 ( a ) 所示。在具有中间母线的d p s 中，并行模块可用于前端变换或负载端变 换。并行结构的优势主要有以下几个方面： 1 简化热设计。在并行结构中，每个功率处理单元仅处理总功率的一部分， 由于每个部分的损耗功率小，因而系统的总体可靠性增加。 2 可靠性增加。虽然并行结构中总元件数量增加，但并行处理减少了半导 体器件上的电气和热应力，使得系统的总体可靠性增加。 3 冗余度。并行处理结构的一个重要特征是使用比负载所需最少模块数更 多的模块以构成冗余系统。在许多要求高可靠性的应用中，冗余是菲常期望的特 征。如大型计算机、航空航天及军事电子设备电源系统等。 4 模块化。并行结构非常适合于模块化系统设计。其主要优点是容易确定 8 浙江大学硕士学位论文 系统结构及设计灵活。如果功率要求增加，则仅需添加附加模块即可满足要求。 由于仅需设计标准化模块，系统开发时间、工程化和制造成本大为减小。 此外，还有诸如减小体积，增加功率密度，提高可维修性等优点。 功率处理单元的串行结构主要用于大多数需要引进中间总线的分布式电源 系统。如图1 - 9 ( b ) 所示。采用这种系统设计方法主要基于以下几点： 1 调节负载点电压，串行结构使得供电电源尽可能地靠近负载，以改善负 载点电压调节及动态相应。 2 提高效率。对于现代高性能的数据处理系统来说，低的供电电压和大功 率等级使得若以逻辑电平进行功率分配，效率低下且体积庞大。在串行结构中， 中间母线电压可以提高到适当的值，通过减小母线电流和分布参数损耗来提高系 统总体效率。 3 简化母线束。高电压功率可使母线束简化，体积小、重量轻、价格低、 线电压大范围变化易处理等。 输入电源分散指的是采用分散的输入电源为一个公共负载供电，如图1 9 ( c ) 所示。特别是在许多需要不间断的电源供电的系统中，当主电源故障时，常采用 后备电源提供l 临时供电，这样采用d p s 也显得极为方便，同时也容易实现系统 的冗余。 负载分散是采用分离的负载变换器给不同的负载供电，如图1 - 9 ( d ) 所示。这 种结构的优点有以下几点。 1 分布式负载。在许多大规律系统中，负载物理上在一定的空间距离上分 布，对于所需的多重供电电压，若采用逻辑电平级的分布电源供电，则硬件上的 高损耗及电路的复杂性无法接受。具有中问母线的d p s 是解决这一问题的自然 方案。每一负载都配备一个独立的变换器即可提供负载所需的电压等级。 2 电压调节。在分散负载系统中，若采用集中式电源系统，在负载点通常 由于总线阻抗而不能提供合适的电压调节。通过使用位于负载点附近的独立负载 变换器，可以解决这一问题。 3 噪声藕合。当若干个负载连接到一个公共电源分布总线上时，负载问出 现噪声相互干扰。通过在两个负载之间选择任意两个负载变换器，负载分散技术 可使负载间噪声耦合最小。 9 浙江大学硕士学位论文 在大多数大功率和部分中小功率的应用场合，分布式电源无疑必将取代集中 式电源成为供电电源的主要形式。为了更快的实现这个目标，必须从系统集成、 效率、电磁干扰、成本等方面进一步发展相关技术。 1 4 论文主要任务 本论文第二章对比分析了系统各个部分的结构并最终确定整体方案；第三章 对基于半桥电路的前端变换器的工作原理进行分析，并建立数学模型和给出仿真 实验结果；第四章讨论了前端变换器和负载变换器一些关键参数的设计方法，确 定关键器件的型号：第五章对平行传输线及其高频耦合干扰进行分析并给出计算 母线寄生参数的方法；第六章对实验结果进行简要的分析；第七章对全文进行了 总结。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章高频母线电源整体方案分析及选择 对于分布式电源系统来说，母线的类型和结构决定了整个系统的结构，母线 上传输的信号形状决定了前端变换器和负载交换器的拓扑结构。母线主要有直流 母线和高频交流母线两种类型，母线传输的信号主要有方波和正弦波两种，以下 将根据这两个方面来确定系统的整体方案。 2 1 基于两种母线的分布式电源系统比较和选择 在分布式电源系统应用之前，为了保证通信系统的可靠工作，一般每台设备 都备有两套电源系统，这样虽然提高了可靠性，但是系统的成本也提高了不少。 分布式电源系统的引入，在提高供电可靠性的同时，也大大降低了成本，从而这 项技术引起了广泛的关注和重视。在分布式电源系统中把这个负载分为几组，通 过母线给各自的电源变换器供电，优越的隔离性避免了因为一个子系统故障而导 致整个系统的瘫痪。 分布式电源系统的结构如图2 1 所示：输入经过n + 1 个变换器后，输出接到 中间母线上，这样就可以实现n + l 备份，即系统的前端变换器在出现故障时，也 可方便的切除，保证供电的可靠。负载变换器挂在中间母线上，以向不同规格的 负载提供不同等级的能量。同时，也保证了故障发生时整个系统的安全、可靠。 一前端变换器卜一 一负载变换器 输入电压 i中间母线电压 i ： i 一前端变换器 - -一负载变换器i 图2 1 分布式电源结构 这种分布式电源系统中还有一个重要的问题要解决，那就是前端多个变换 器之间的均流设计，即便是批量生产的相同规格的变换器，每台之间都有一定的 性能差别，这就可能造成它们向中间母线供电时出现不均流现象( 即每个变换器 输出电流大小不平均) ，有些模块可能输出的电流过大，超过它的设计值，这样 浙江大学硕士学位论文 就会造成模块的损坏，当一台模块出现故障时，如果解决不及时，就可能造成另 一个模块的过流，这样就可能造成多米诺骨牌效应，严重的后果是将整个输出模 块组都烧毁。所以模块间的均流问题是分布式电源系统中的重要问题。目前电源 系统中实现均流的基本思路是在模块间通过并机电缆或称均流总( c u r r e n t s h a r i n g b u s ) 来传递均流信号。每个模块根据均流信号调节自身输出电流，达到输出相互 一致的目的。目前多数均流方法都基于这种思想，相互的不同之处在于均流信号 的产生方法和自身调节的方法。具体的均流方法有很多，如利用输出调整率均流 法、主从设置法、按平均电流自动均流法、按最大电流自动均流法、热应力自动 均流法、外加均流控制器均流法等。 2 1 1 基于直流母线的分布式电源结构 目前广泛应用的是基于直流母线的电源系统，也就是交流输入经过前端交换 器，输出到中间母线上的是直流电，不同的负载变换器挂在直流母线上，输出不 同等级的直流电，根据中间母线电压的高低，直流母线分布式电源系统可以分为 如下两种形式f 1 高压母线：通过把不同等级的d c d c 变换器挂在高压母线上，实现隔离 的多路输出。 2 氐压母线：直接在母线上挂不同等级的v r m 实现不隔离的多组输出。 直流母线技术已经广泛应用子各种d c d c 交换器的场合，其高可靠性、高 稳定性已得到很好的验证。一般来说，基于直流母线的电源系统如图2 - 2 所示： 图2 - 2 基于直流母线的电源系统 1 2 浙江大学硕士学位论文 从上图结构中可明显看出，不论是基于高压直流母线的分布式电源还是基于 低压直流母线的分布式电源，它们都具有系统结构和控制方法比较复杂的缺点， 同时，对于负载来说，它需要经过多级变换器才能得到电能，这样整个系统的效 率就不会很高，而且随着变换级数的增加，也增大了系统故障的几率。但是它们 具有良好的使用性能，对于每一组负载，输出都是可以精确进行电压电流控制的， 同时由于前端变换器和负载变换器之间是由直流母线连接的，这样即使母线较 长，它的e m i 也是比较小的，对本身和周围的电子设备不容易产生电磁干扰。 2 1 2 基于高频交流母线的分布式电源系统 对于基于高频交流母线的分布式电源系统，其系统结构如图2 3 所示： 图2 - 3 基于高频交流母线的电源系统 从上两图明显可以看出，基于高频交流母线的分布式电源系统结构上少了 中间两级变换，即a c i d ( ? ，d c i a c 。对于目前的技术和工艺水平，电力电子 装置不可能存在满功率传输。这就意味着减少变换器的级数，简化电路的拓扑， 就是从根本上提高了系统的效率。所以，交流母线的应用前景也是非常值得关注 的。 对于基于高频交流母线的分布式电源系统，一般有两种结构类型的高频母 线，如图2 4 所示： 浙江大学硕士学位论文 并联型高频母线结构串联型高频母线结构 图2 _ 4 并联型和串联型高频母线结构 并联型的高频母线上每一个负载变换器都并联在高频母线上。高频母线上可 以是电压信号或是电流信号，若为电流信号则每个负载变换器需要用到均流技 术，比较复杂，一般很少采用。一般在并联结构的高频母线系统中，母线上传输 的是交流的电压信号。由于每路变压器一次侧电压均为母线电压，不需要均压措 施，非常适合用于多路输出场合。每路变压器二次侧分别通过整流、滤波，便成 为一路电源。 串联型的高频母线上每一个负载变换器都串联在高频母线上。交流母线上可 以是电压信号或是电流信号，若为电压信号则每个负载变换器之间需要用到均压 级数，一般母线上的电压相对控制级的电压高很多，控制比较复杂，若为交流的 电流信号，则不需要均压或均流措施。一般在串联结构的高频母线系统中，母线 上传输的交流的电流信号。通过高磁导率的磁环变压器讲电流信号从一次侧转化 到二次侧，经过滤波、电流电压转换电路等。 可靠性和稳定性对于一个电源系统来说是最为重要的，所以选用高频交流母 线作为母线类型，结构简单，功率传输级数少，能够有效提高整个系统的可靠性 和效率。由于并联型结构可方便的在二次侧实现负载变换器数量的增减，而且对 于一定的输出功率，只要适当提高母线电压，便可将母线电流限制在一个合适的 范围之内，既能实现可靠性的要求，方便工程使用操作，又能够将母线传输上的 损耗控制在一定的范围之内，提高系统效率。 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 两种传输信号的比较和选择 在基于高频母线的分布式电源系统的设计中，有两个因素是最关键的：频率 和母线信号波形。频率的选择对系统无源器件如电感、电容的尺寸有很大的影响， 增大频率能够减小其体积，增加功率密度，但同时也会提高损耗，比如磁芯的损 耗，母线的分布参数损耗等等。对于母线信号波形的选择，有方波和正弦波两种。 一般来说，选用哪种母线信号，就决定了其前端和负载变换器的拓扑类型。 一般来说，方波逆变电路的结构和控制比较简单，但是母线上是方波交流信 号，含有丰富的谐波分量，对周围的电子设备干扰很大。正弦波逆变电路母线上 是正弦交流信号，电磁干扰要小很多。对于正弦波逆变电路，一般有两种方法实 现：一是特殊的控制方法，如s p w m 控制策略，但其控制方法相对比较复杂； 二是在方波逆变电路后面加一级或多级的谐振网络，但其最佳的谐振效果只在一 个点及其附近，在负载的变化比较大的场合，谐振的效果不是很理想，远远不能 达到要求。 出于系统简单可靠性的考虑，对比基于两种信号的系统的优缺点，选用方波 信号作为母线传输信号。至于母线的电磁干扰问题，可以通过改进系统结构、改 善布局以减小母线传输距离和采用一定的电磁屏蔽措施来解决。 2 3 前端变换器的比较 2 3 1 前端交换器的特点和功能 对于一个分布式电源系统来说，前端变换器的稳定可靠程度决定了整个电源 系统的稳定性，根据分布式电源系统的特点，前端变换器必须具有以下几种特点： 1 较宽的输入范围。在变换器设计的过程中，为了使得变换器能够在一个较 宽的电压输入范围内正常工作，要求电路参数设计必须满足最低电压输入条件， 此时变换器工作在占空比最大的状态下，随着输入电压的不断升高，占空比不断 减小以稳定交换器输出。 2 高可靠、高稳定性以及额定负载条件下一定的效率。前端变换器作为母线 信号的发生器，要求高可靠性、高稳定性。所以要求变换器必须结构简单，变换 浙江大学硕士学位论文 级数少，一方面可以简化结构，提高可靠性，另一方面也可以减小级间传输损耗， 提高整体效率。 前端变换器的功能应该包括以下几个方面： 1 市电整流和滤波。 2 母线信号产生。一般来说，对于直流母线，产生为具有工业标准的4 8 v 直流电：对于高频交流母线，产生高频交流的方波或正弦波，信号可为电压或是 电流。 2 3 2 前端变换器拓扑比较 常见的前端变换器的拓扑如图2 5 所示主要有单管反激，双管反激，单管正 激，双管正激，推挽，半桥，全桥等。 i ( a ) l r l 一 l i ( f ) ( g ) 图2 - 5 常见前端变换器拓扑 ( a ) 单管反激：由b u c k b o o s t 加隔离变压器演化而来，具有结构简单，输 入输出电气隔离，电压升降范围广，多路输出负载自动均衡等优点。但同时由于 1 6 浙江大学硕士学位论文 单向磁化，磁芯利用率不高；滤波结构只有电容没有电感，输出电流纹波比较大； 由于反激电压、宽输入电压变化范围、输出轻载状况、变压器漏感等因素，使得 开关管电压应力和e m i 都比较大。因此总体来说，单管反激电路的总体效率不 高。特别适用于几十到一百瓦，效率要求不高的小功率场合。 ( b ) 双管反激：工作原理与单管反激类似，但由于增加了一个开关管和两 个钳位二极管，使得开关管的电压应力降低为输入电压，大大方便了器件的选择； 且由于钳位二极管的存在，无需任何吸收装置，便可将漏感能量回馈电源，提高 整机的效率和可靠性。但是，由于单向磁化，磁芯利用率也不高；由于增加了器 件，使得成本相应提高。双管反激电路特别适用于高压输入、高性能要求的中小 功率电源。 ( c ) 单管正激：由b u c k 加隔离变压器演化而来，由于采用无气隙的铁芯， 励磁电感量大，具有变压器原副边的电流峰值小，铜耗小，副边的纹波电流小等 优点，可靠性和效率上都有所提高。但也存在以下一些缺点，如磁芯利用率不高 ( 单向磁化) 、电压应力大、结构相对复杂( 需要复位绕组) 等。单管正激电路 适用于低压大电流的中小功率场合，在电源和负载条件恶劣、干扰很强的环境下 以及对体积、重量和效率要求不高的场合，单管正激是不错的选择。 ( d ) 双管反激：为目前工业界引用最广泛的电路拓扑之一，具有开关管电 压应力低，内在抗桥臂直通能力，可靠性高等优点。但同时由于单向磁化，磁芯 利用率不高，必须增大变压器体积；占空比必须小于5 0 ，使得输出电压和电流 的脉动较大，限制了双管正激变换器在高输出电压场合的引用，不过该问题可通 过采用两个或多个双管正激变换器交错并联来解决，有效克服占空比的限制问 题。双管反激电路适用于中大功率场合，最高可达到1 0k w 。 ( e ) 推挽电路：为带中心抽头变压器原边两组线圈轮流工作的一种电路， 双向磁环，磁芯利用率较高。由于任何时候最多只有一只开关管导通，所以在低 压输入场合，对于同样的输出功率，开关损耗较小，效率较高，同时开关管的电 压应力也比较大。推挽电路适用于低压输入的大功率变换场合。 ( f ) 半桥电路：具有驱动简单，低开关管电压应力，变压器利用率商，无 磁偏，良好的平衡能力等优点。非常适合应用于中小功率场合，同时由于开关器 件数量少，同样功率成本要低，被普遍采用于功率不超过1 0k w 的电力电子装 浙江大学硕士学位论文 置中。但是在瞬变负载条件下，阶梯饱和效应的问题比较严重。还有一个问题就 是开关管的直通。这两个问题都可以通过改进控制方法来解决。 ( g ) 全桥电路：广泛应用于大功率场合，变压器利用率和功率密度都比较 高，开关管电压应力低，且无需能量恢复绕组便可利用恢复反激能量。由于开关 管数量比较多，损耗增加，成本提高，但是在高压离线开关电源系统中，这些损 耗还是可以接受的，同时上下桥臂开关管直通也是一个非常严重的问题。 对比以上几种前端变换器拓扑，根据适用功率、磁芯利用率、开关管耐压及 其他特点，选用结构简单、磁芯利用率高、开关管电压应力低、成本适中的对称 半桥拓扑。 2 4 负载变换器的比较 母线上的信号通过母线达到负载变换器，常见的几种负载变换器的拓扑如图 2 - 6 所示： 图2 - 6 常见负载变换器拓扑 ( a ) 为常见的全桥整流电路，d l 、见和d 2 、d 3 分别在半个导通周期内同 时导通，其主要特点是：管子数量多，成本高，损耗大，但电压应力小，适用于 高压小电流场合；( b ) 为半波整流电路，d l 和d 2 分别导通，只在d l 导通时，传 递能量，主要特点是：结构简单，适用于电压电流都较小的场合，但容易由于半 浙江大学硕士学位论文 个周期获取能量而造成的电流不对称和偏磁；( c ) 为全波整流电路，d 1 和d 2 分 别导通，整个周期传递能量，主要特点是：各种性能介于前面两者之间，电压应 力为两倍输出电压，二极管数量小，适用于低压大电流的场合。 针对负载供电的电压电流等级都不是很高的情况，选用各种性能适中，且适 用于低压大电流场合的全波整流电路。 2 5 系统整体结构 根据上四节的分析，选用了基于并联型高频交流母线的分布式电源系统，前 端变换器为对称半桥拓扑，负载变换器为全波整流电路，低压大电流供电场合为 同步整流。其结构框图如图2 7 下所示： 器 l 对称半矫ll i 高频母线l 存篙杰尬 l ”驻。：。 = 刮主变压器l 一一f i 变换器广 工叉止们 i研 可 负载变换 l 控制电路 。，【一 负载变换 器 广一 i 咱哥 i 存菏亦墟 l 、i 一 图2 - 7 系统整体结构框图 对于这种基于并联型高频母线的分布式电源系统，它具有以下优点： 1 整体结构简单，电路效率提高； 2 简化主变压器结构，大大方便了变压器的参数设计和绕制，对于提高系统整 体性能也有很大好处； 3 通过高频化处理的母线，对于相应的变压器和整流电路的设计带来很大的好 处。 4 采用全波整流电路可以有效的提高电路的整流效率； 浙江大学硕士学位论文 5 使用基于同步整流的负载变换器在低压大电流场合提高电路效率； 6 结构和控制比较简单，不需要多个可控的负载变换器，就可以实现高频可靠 隔离的多组输出。 2 6 本章小结 本章主要从母线类型、传输信号类型两个方面对比几种分布式电源的结构特 点，比较分析了前端变换器和负载变换器的拓扑结构，最后确定了电源的整体方 案，选取了基于并联型高频交流母线的半桥变换器加全波整流作为电路结构，并 且基于工程考虑，优化了整体结构。 浙江大学硕士学位论文 第三章前端变换器的研究 前端变换器是高频信号的发生装置，其稳定可靠性在整个电源中占举足轻重 的意义，本章主要分析了半桥变换器的工作原理，并给出仿真实验结果。 3 1 对称半桥变换器工作原理分析 对于半桥变换器，同样也存在电流连续和电流断续两种不同的工作模式。以 下面将分别分析两种模式下半桥变换器的工作过程。 3 1 1 电流连续模式 半桥变换器工作于电流连续模式时，在一个开关周期内电路有四种工作状 态，如图3 1 所示，其中状态( b ) 和状态( d ) 是相同的。在半桥电路中，变压 器原边两端分别连接在电容c l 、c 2 中点和开关管s 、是的连接点。电容c 1 、c 2 上的电压均为形2 。s 、最交替导通，使变压器原边形成幅值为g 2 的交变方 波，改变开关管的占空比，就可以改变副边整流电压的平均值，也就改变了输出 电压圪。开关管s 、是的电压应力均为输入电压k 。各点波形如图3 - 2 所示。 曲d2 v i , 魍- s i b 曲d2 v 辟1 曲 图3 - i 半桥变换器电流连续模式工作过程 2 1 d 诤，诤 浙江大学硕士学位论文 l i r _ 7 1 l 1 7 。 一 一1 r l r 。 1 1 。 7 1 r t o t 3t 4 图3 - 2 半桥变换器电流连续模式各点工作波形 工作状态1 ：f o 时段，s 导通，变压器原边电流线性上升，且满足 t 2 。( f o ) + 丢( f 一) ，r o r 。副边整流二极管d j 处于导通状态，电感电 流流经变压器副边绕组上半部分、二极管d 1 和滤波电容c 及负载r ，电感电流 浙江大学硕士学位论文 线性上升。 工作状态2 ：f 2 时段，s 、岛都处于关断状态，变压器原边电流为零。 根据变压器的磁动势平衡方程，副边上下绕组e p 的电流大小相等、方向相反，所 以d l 、d 2 都处于导通状态，各分担一半的电流。输出滤波电感l 上的电流逐渐 下降，直到t ，时刻，电感电流下降为零 工作状态3 ：f 2 f 3 时段，是导通，变压器原边电流线性上升，且满足 t 2 。( f 2 ) + 老。一f 2 ) ，t 2 t 岛。副边整流二极管d 2 处于导通状态，电感电 流流经变压器副边绕组下半部分、二极管d 2 和滤波电容c 及负载r ，电感电流 线性上升。 工作状态4 ：如f 4 时段，与工作状态2 相同。 由于电容的隔直作用，半桥变换器对由于两个开关导通时问不对称而造成的 变压器原边电压的直流分量有自动平衡的作用，因此不易发生变压器偏磁和直流 磁饱和的问题。 为了避免上下两个开关管在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路，又 称为直通现象，每个开关管各自的占空比不能超过5 0 。 根据上述分析，可得出当滤波电感l 的电流连续时，半桥变换器输入输出 电压的关系： 圪= 鲁， 。 ， 式中：n = 传，d = 2 0 疋。 3 1 2 电流断续模式 半桥变换器工作于电流断续状态时，在一个开关周期内电路有六种工作状 态，如图3 - 3 所示。该工作模式下各点波形如图3 - 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 奇+ 陆奇 0 2 争上 一1 3 2 _ b 抽d2 磨曲d 2 d 奇 旺奇岛 0 2 l 争- - - s 2 0 2 图3 - 3 半桥变换器电流断续模式工作过程 电流断续状态工作的工作过程分析如下： 工作状态1 ：f o 一时段，s 导通，变压器原边电流线f t 上爿r ，且满足 。= g ( t o ) + 老。叫。) ，岛f 。副边整流二极管d 1 处于导通状态，电感电 流流经变压器副边绕组上半部分、二极管皿和滤波电容c 及负载r ，电感电流 线性上升。 工作状态2 ： f 2 时段，s 、最都处于关断状态，变压器原边电流为零。 根据变压器的磁动势平衡方程，副边上下绕组中的电流大小相等、方向相反，所 以d 1 、d 2 都处于导通状态，各分担一半的电流。输出滤波电感l 上的电流逐渐 下降，直到 时刻，电感电流下降为零。 工作状态3 ：f 2 岛时段，输出滤波电感上的电流保持零值，输出电容c 向 诤睁辞 负载r 放电。直到f 3 时刻，开关是开通。 工作状态4 ：毛一时段，f 3 时刻，开关管是开通。变压器原边电流线性上 升，且满足f ：f 。他) + 善( f 一毛) ，r 3 - l 时， 电容充电；当屯 l 时，电容放电。可见，电容充放电时间几乎各占一半，而且 充放电流