（电路与系统专业论文）带隔离的Elt2gt类DCDC变换器.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 直流直流变换( d d d c 变换) 电源在工业和日常生活中的应用已经非常 广泛。各种开关电源已经占据了主要地位。开关电源技术研究的重要内容是进一 步提高功率密度，即减小体积。而提高功率密度与变换效率又会产生矛盾。本文 的主要目标是在保持效率的前提下，尽可能减小体积。 p w l v l 控制方式的开关电源是当今开关电源的主流控制方式。传统的p w m 控制方式中，功率管工作在硬开关状态，功率管承受的应力大，开关损耗大。e 类软开关电路可以降低开关损耗，抑制开关产生的电磁干扰，有助于进一步提高 开关频率，使电源向体积小，重量轻，效率高，功率密度大的方向发展。本文在 传统的e 类逆变器以及e 类整流器基础上提出了一种带隔离的e 2 类d c d c 变 换器，该方案仅使用一个电感性元件，既实现了输入、输出的隔离，又实现了逆 变和整流的双重e 类软开关模式。有效地减小了整个变换器的体积。 本文首先对传统e 类逆变器以及e 类整流器的工作原理进行介绍，在此基 础上提出了一种带隔离的e 2 类d c d c 变换器，并对其电路拓扑，工作原理和电 路特性进行分析。基于对该d c d c 变换器的分析，本文设计了一台三相交流输 入，输出功率达到1 2 k w 的d c d c 变换器，给出了该系统的设计参数，并通过 了仿真验证，同时设计了该电源的驱动控制电路，并最终给出了该电路的实际调 试结果。 变压器在本系统中不仅有电气隔离的作用，而且变压器的原边电感还参与了 谐振。对于高频变压器的设计，不仅要考虑到原副边匝数，磁心大小以及气隙大 小的影响，而且还考虑分布参数的影响。本文中给出了这个变压器的具体设计过 程。 在本电路中由于i g b t 两端承受的电压较高，所以采用了两个i g b t 串联的 结构，但在实际应用中经常会出现串联的i g b t 由于电压不均衡而损坏的问题。 因此在本文的最后，针对本文中的电路拓扑的特点，设计了一种比较简单的均压 电路。 关键词：开关电源，e 类，i g b t ，串联均压 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t d c d cc o n v e r t e ri su s e dv e r yp o p u l a r l yi nt h ei n d u s t r ya n do u rd a i l yl i f e a l l k i n d so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e sh a v eb c c 均t m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e i m p o r t a n tt h i n gi nt h er e s e a r c ho ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi st oi m p r o v ep o w e r d e n s i t yo ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y b u tt h ep o w e rd e n s i t y si m p r o v i n gh a s s o m ec o n f l i c t sw i t ht h ee f f i c i e n c yo ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e san c wk i n d o fs w i t c h i n gp o w c t s u p p l yw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hp o w e r d e n s i t y p w mc o n t r o lm o d ei s t y p i c a l l yu s e di ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l y i nt h e t r a d i t i o n a lp w mc o n t r o lm o d e ，p o w e rc o m p o n e n t sw o r ki nt h eh a r d - s w i t c h i n gm o d e ， s u s t a i n sg r e a ts t r e s s ，a n dt h es w i t c h i n gl o s si sv e r yl a r g e c l a s se s o f t - s w i t c h i n gc i r c u i t c a nd c c t e a s et h e s w i t c h i n gl o s s r e s t r a i nt h ee m i , a n dc a ni n c r e a s et h es w i t c h f r e q u e n c y s ot h ec l a s ses o f t - s w i t c h i n gc i r c u i t 啪m a k et h ep o w e rs u p p l ys m a l l e r , l i g h t e r , h i g h e re f f i c i e n c y , a n dh i g h e rf r e q u e n c y t h i sp a p e rp u tf o r w a r dac l a s s d c d cc o n v e r t e rw i t hi s o l a t i o ni nt h ef o u n d a t i o no ft h et r a d i t i o n a lc l a s sei n v e r t e r a n dr e c t i f i e r t h i sa r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h et r a d i t i o n a lc l a s se i n v e r t e ra n dr e c t i f i e r i nt h i sf o u n d a t i o n , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h en e wc k c u i ta n d a n a l y s e st h es t r u c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e ro ft h en e wc i r c u i t b a s e do nt h i ss t r u c t u r e ，t h ep a p e rd e s i g n sad c d cc o n v e r t e r t h i sd c d cc o n v e r t e r r e q u i r e st h r e ep h a s ei n p u ta n dl o k wo u t p u t t h ep a p e rg i v e st h ep a r a m e t e r so ft h e s y s t e ma n dv a l i d a t e si tb ys i m u l a t i o na s s i s t a n c e a tt h es a m et i m e , t h ep a p e rd e s i g n s t h ec o n t r o l l i n gc i r c u i to ft h i sp o w e rs u p p l y i nt h ee n d , t h ep a p e ra l s os h o w st h e e x p e r i m e n tr e s u l t s i nt h i sc i r c u i t ，t h et r a n s f o r m e rn o to n l yh a st h ei s o l a t i o nf u n c t i o n ，b u ta l s ot h e t r a n s f o r m e r sp r i m a r yw i n d i n gt a k ep a r ti nt h er e s o n a n c e t h ed e s i g n a t i o no fh i 曲 f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rs h o u l dn o to n l yt a k et h et u r nn u m b e r ，t h em a g n e t i cc o m s 郑州大学硕士学位论文 e f f e c t i v ea r c aa n dt h ea i rg a pi n t oc o n s i d e r a t i o n , b u ta l s os h o u l dt a k et h ed i s t r i b u t i o n p a r a m e t e ri n t oc o n s i d e r a t i o n t h i sp a p e rs h o w st h ed e s i g np r o c e s so ft h eh i g h f r e q u e n c y t r a n s f o r m e r i nt h i sc i r c u i tp o w e rc o m p o n e n t s v o l t a g ei sh i g h s ot h i ss y s t e ma d o p t si g b t s e r i a lu s a g e ，b u ti nt h ep r a c t i c et h ev o l t a g eu n b a l a n c ec a u s et h es e r i a li g b t st o d a m a g e i nt h ee n do ft h ep a p e r , as i m p l ev o l t a g e - s h a r i n gc i r c u i ti sd e s i g n e df o rt h i s e 2d c d cc o n v e r t e r k e yw o r d s ：d c d cc o n v e r t e r ，c l a s se ，i g b t ，v o l t a g e - s h a r i n g 第1 章绪论 第1 章绪论 电能是现代人们生活中不可缺少的一种能源。但在通常情况下，一般电力( 市 电) 不符合使用的需求，需要进行变换。实现这一变换的装置称为电源。现代电 源技术是电力电子技术，自动化技术，计算机技术和电磁技术的多科学边缘交叉 技术。在各种高质量，高效率，高可靠性的电源中起关键作用的是现代电力电子 技术的具体应用。 1 1 电力电子技术的发展 电力电子技术的发展方向【1 】田【3 】，是从以低频技术为主的传统电力电子学， 向以高频技术为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于上世纪五十 年代末六十年代初的硅整流器件，在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的 普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管和门极可关断晶闸管成为当时电 力电子的主角。类似的应用还包括高压直流输出和静止式无功功率动态补偿等。 这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低 频范围内。进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代 电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术中的精细加工技术和高压大电 流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率m o s f e t 的 问世，是中小功率电源得以向高频化发展，而后绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来了机遇。m o s f e t 和i g b t 的相继 问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。新型器件的发展不仅为电 机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不 断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和 智能化提供了重要的技术基础。 1 2 开关电源技术概述 电力电子技术与装置的市场需求与日俱增，其中电源是电力电子技术的主要 应用领域之一。随着微电子制造技术的进步，计算机、通信设备、家用电器得到 第1 章绪论 飞速发展，这些设备内部往往需要采用直流稳压电源供电。很多关键的设备还需 要不间断电源，以确保市电停电时设备仍能工作。 近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新 变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源1 4 l 【5 】 达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高。因此，许多领域， 例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来 越多的应用开关电源，并取得了显著效益。 随着芯片集成度的不断提高，电子设备内功能部件的体积不断减小，因而要 求设备内部电源的体积和重量不断减小。提高开关频率是减小开关电源体积的基 本措施，因为变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随频率的提高而减小。 高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关电源的发展方向。高频化是小型化 和模块化的基础，目前开关频率为数百k i - i z 至数m h z 的开关电源已有使用。功 率重量比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，5 0 w i n 3 的开关电源早已 上市，目前已向1 2 0 w i n 3 发展。模块化与小型化分不开，同时模块化可提高电 源的可靠性，简化生产与使用。模块电源的并联串联和级联既便于用户使用，也 便于生产。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天 器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的 自动管理。 现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载需求。一个特定用 途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本的要求。 安全可靠是必须加以保证的。高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质。 无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并有相 关的国际和国家标准规范进行约束。 电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、 计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成 长为独树一帜的功率电子学。 关于直流电源，目前有很多种的电力变换电路，主要有线性放大电路、相控 电路和开关电路。变换电路的控制方式主要有相位控制、脉宽调制控制电路 ( p w m ) 和脉冲频率控制( p f m ) 。线性放大电路虽然可以满足不同幅值的直流 2 第1 章绪论 电压( 精度、纹波等) 的要求，但有两个严重的缺点：一是调整管工作在线性放 大区，损耗很大，效率很低；二是需要一个工频变压器，体积大，重量重。相控 电源的电力电子器件工作在开关状态，其工作频率为工频，与开关电源相比有一 个显著的优点是电路简单、控制方便。它主要缺点也是要使用一个工频变压器， 体积大、重量重，这与线性稳压电源相似。另外，相控电源的直流输出电压纹波 频率仅是工频的几倍，需要较大的滤波器才能满足要求。开关电源的出现克服了 线性稳压电源和相控电源的缺点，具有效率高、体积小、重量轻的突出优点。其 一般工作在2 0 k h z 以上，直流输出纹波频率很高，因此输出滤波器可以很小。 目前市场上的开关电源多采用p w m 控制的方式，在常规的p w m 控制的 d c d c 变换器中，功率开关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断，处 于强迫开关过程，这种开关过程又称为硬开关过程。这使得p w m 开关技术的高 频化受到了许多限制，主要表现在以下几个方面【6 1 门嘲： ( 1 ) 开通和关断损耗大；在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时 进行：关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压电流的同时存在使器件有开 通损耗和关断损耗，且随开关频率的提高而增加 ( 2 ) 感性关断问题：实际电路中不可避免的存在感性元件，如变压器的漏 感、连线电感等寄生电感或实体电感。在高频状态下，开关器件关断，当通过感 性元件的电流较大时，感应出的高电压尖峰分量加在开关器件的两端，易造成电 压击穿。 ( 3 ) 容性开通问题：当开关器件在很高电压开通时储存在开关器件结电容 中的能量将全部耗散在该开关器件内，会引起开关器件过热损坏。 ( 4 ) 二极管的反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在反向恢复期， 在此期间内，二极管仍处于导通状态，若与其串联的开关器件此时立即开通，容 易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关管和二极管的 损耗急剧加大，重则致使其损坏。 ( 5 ) 电磁干扰( e m d 严重：随着频率的提高，电路中的d i d t 和d u d t 增 大，从而导致e m i 增大，影响周围电子设备的正常工作。 为了克服前述p w md c d c 变换器在硬开关状态下的问题，8 0 年代以来 软开关p w m 技术得到了深入广泛的研究，并在近些年得到了迅速的发展【9 】。所 3 第1 章绪论 谓软开关，通常是指零电压开关z v s ( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 和零电流7 _ x 2 s ( z e r o c u r r e n ts w i t c h i n g ) 或近似零电压开关与零电流开关。一般而言，硬开关过 程是通过突变的开关过程中断功率流而完成能量的变换：而软开关过程是通过电 感l 和电容c 的谐振，使开关器件中的电流( 或其两端的电压) 按正弦或准正弦规 律变化，当电流过零时，使器件关断，或者当电压下降到零时，使器件导通。开 关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使器件的开关损耗在 理论上为零。 软开关技术的应用使电力电子变换器可以具有更高的效率、功率密度和可 靠性，并有效的减小电能变换装置引起的电磁污染和噪声等。这使d c d c 变换 器的工作频率得到很大的提高，功率密度也相应增大。 1 3 软开关技术 凡用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使流过电子开关 电流为零时关断，此开关称为软开关。通常是利用电感和电容谐振的方法，使电 子开关器件两端的电压或电流按正弦规律振荡，当振荡到零时，使电子开关导通 或关断，这样就可以消除开关器件上电压和电流同时存在的现象，而且还可以降 低开关过程中d i d t 和d u d t ，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声。 硬开关软开关 荧 义圹 龋 渡 形 开 义 l 迥 波 形 表1 1 硬开关与软开关波形比较 比较表1 1 中硬开关和软开关工作波形可以看出，在硬开关工作状态下，关 断时电流下降和电压上升有交叠的过程，这样就会使开关管有功率损耗，称为关 断损耗。同理，开通时电流上升和电压下降也有交叠过程，使开关管有功率损耗， 4 第1 章绪论 称为开通损耗。显然，开关频率越高，开关损耗( 关断损耗和开通损耗之和) 越 大，这就制约了电路频率的提高。而在软开关工作状态下，开通时，电压降为零 时，电流才开始上升。关断时，电流降为零时，电压才开始上升。这样就消除了 在开关过程中电压和电流的交叠，使开关损耗和开关噪声大大降低。 准谐振、多谐振开关变换器是一类软开关变换别1 0 1 【1 1 1 【1 2 1 。在这类变换器中， 通过电感和电容的谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦规律变化，从而创造 出零电流或零电压开关条件。准谐振与多谐振变换器f 1 3 】可分为零电压开关准谐 振变换器( z v so r c ) 、零电流开关准谐振变换器( z c sq r c ) 、零电压开关多谐 振变换器( z v t m r c ) 。图1 1 给出t - - 种软开关电路的基本开关单元；1 4 1 。其中， s 为开关器件，d 为二极管，h 和c r 分别为谐振电感和谐振电容，l 为储能电 感。 l ( b ) ( c ) 图1 1 准谐振与多谐振电路的基本开关单元 ( 幻z v s q r c 电路( b ) 7 _ c s q r c 电路( c ) z v t m r c 电路 另一类软开关变换器是e 类放大电路，也可以称为e 类逆变电路i x 4 ( 见图 1 2 ) ，它是按照功率管的电压和电流不同时存在的原理设计，工作原理依然是利 用电感和电容产生谐振使功率管的电压和电流不同时存在。 传统的e 类逆变器的优点是在输出高频正弦波电压时只有较小的开关损耗。 但在传统的e 类逆变器电路中包含了两个电感和两个电容。一些资料介绍了在负 载网络中只用一个电感和一个电容的e 类谐振放大器，这种放大器适于用在高功 5 第1 章绪论 率密度设计中，但是它的电压输出是非正弦波形。还有一些e 类和e 2 类d c d c 变换器是基于e 类逆变器和e 类整流器改进得来。它们能够工作在高频下并能得 l l r 图1 2 e 类逆变电路 到高效率，但是它们必须用2 个或3 个电感，而电感元件占用体积大，不利于提 高变换器的功率密度。而本文介绍的带隔离的e 2 类的d c d c 变换电路中的逆变 电路和整流电路都工作在软开关模式下，只需要一个电感性元件，而且实现了输 入输出之间的隔离，更适合于高功率密度变换器的设计。 1 4 本课题的总体工作 本课题的总体工作主要分为四个部分，即：电路拓扑的构思与选用；基于 该拓扑的d c d c 变换器的设计；高频变压器的设计以及在该电路拓扑下i g b t 串联均压问题的探讨与研究。 1 电路拓扑的构思与选用 在设计d c d c 变换器之前，需要先找到一种较为合理的电路拓扑，作为该 电源的理论基础。本课题在传统e 类逆变电路的基础上，找到了一种结构更加 简单的e 类逆变电路，并在该e 类逆变电路的基础上设计出相应的e 类整流电 路，在综合以上两种电路的基础上，设计出带隔离的e 2 类的d c d c 变换电路。 在构思该电路的时候，考虑了对可能出现的i g b t 串联均压问题的解决，该解决 方法在后面的实验中得到了验证。这一部分的内容如第2 章中所述。 2 d c d c 变换器的设计 基于该d c d c 变换电路的拓扑，本文设计了一种要求三相交流输入，输出 功率达到1 2 k w 的d c d c 变换器，给出了该系统的设计参数，并通过仿真辅助 对设计结果进行了验证，同时设计了该电源的驱动控制电路，并最终给出了该电 源的实际调试结果。这一部分的内容如第3 章中所述。 3 高频变压器的设计 6 第1 章绪论 高频变压器是该d c d c 交换器的核心部件之一，在电路中的主要作用有： 谐振，磁能转换，电压变换和绝缘隔离。在高频条件下，变压器的性能不仅受原 副边匝数，磁芯大小以及气隙大小的影响，而且还受高频分布参数的影响，所以 在设计制作时，对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等都要周密考 虑具体内容如第4 章中所述。 4 i g b t 串联均压问题的探讨与研究 在系统设计完成后，本课题还考虑了如果出现串联的i g b t 由于开关工作不 一致所造成的均压问题。并根据前面所设计的电路结构，对基于该系统中e 类 结构下的均压问题进行了比较详细的分析，并设计出了一种较为简单有效的解决 方案。这一部分的内容如第5 章中所述。 7 郑州大学硕士学位论文 第2 章系统电路结构的选取与设计 在设计d c d c 变换器之前，需要先找出一个合适的电路拓扑作为d c d c 变换 器的电路基础，d c d c 变换器的主电路包括逆变和整流两部分。e 类逆变电路和 e 类整流电路都是在软开关模式下工作的，因此具有极高的效率，这对于用来提 供能量的电源系统来说，是至关重要的。因此，本系统中选用e 类逆变电路和e 类整流电路的结合来作为d c d c 变换器的主电路。同时，为了有目的地对在耐压 级数要求较高时i g b t 串联均压的问题进行探讨和研究，需要对现有的e 类结构进 行调整，使之能够实现串联时对i g b l 均压问题的解决。本章中首先对传统的e 类逆变电路和整流电路进行了必要的分析，在此基础上，找到了一种较为合理的 带隔离的e 2 类的d c d c 变换器，给出了它的工作波形以及最佳状态下的理论分 析。 2 1 传统e 类逆变电路的分析 e 类逆变器( e 类放大器) 最早是由s o k a l 所提出，它工作于软开关工作状 态下，电路结构简单，理想效率为1 0 0 ，是一种效率极高的变换电路【1 4 】。 e 类逆变器( e 类放大器) 在现代电子行业里得到了较为广泛的应用，它主 要用于对功率效率要求较高的地方，例如中继通信站，可提高电源效率，减小损 耗，降低维护成本嘲。另外e 类功率放大器在射频和微波段也有着极为广泛的 应用【1 6 1 ，可以应用于无线通信领域【川。除了应用于大功率的电力电子场合，在 弱电系统如手机中，利用e 类放大器原理制作的直流变换器【1 8 1 9 1 也可以被用来 提高功率效率，降低电源消耗，减小体积重量，延长通信使用时间。 2 1 1e 类逆变电路的特征 e 类逆变器的工作状态可以分为三种，即最佳工作状态、准最佳工作状态和 偏离这两种状态的失调状态。 e 类逆变器工作在最佳状态下须满足的条件，也可以说是e 类逆变器( 放大 器) 区别与其它的逆变器( 放大器) 的特征如下面的等式所示： 8 第2 章系统电路结构的选取与设计 k 妇一0 鲁k h - o d 。v c g “枷+ m ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 其中v 诬为系统开关元件上的电压，开关元件在耐一2 石时开通 条件( 1 ) 表示开关元件开通时刻的电压为零；条件( 2 ) 表示开关元件开通 时刻电压对时间的导数为零；条件( 3 ) 表示开关元件关断时刻之后的电压上升 率为有限值脚1 2 1 1 ( 2 2 1 。在本设计过程中，主要是要考虑对条件( 1 ) 和条件( 2 ) 的满足。 2 1 2 传统e 类逆变电路的拓扑结构与工作原理 1 传统e 类逆变电路【1 4 】的拓扑和工作原理 图2 1 给出了e 类逆变器的电路拓扑。其中a 为电路原理图，b 为理想状态 下的等效电路模型。 uc 2 l 2l 1 c 2l 2 a 电路原理图 b 理想状态下的等效电路模型 图2 1 传统e 类逆变器的基本电路拓扑 开关元件q 受驱动信号的控制周期性地开通和关断。l 1 是一个电感量足够 大的电感，阻止高频电流通过，使流过的电流为一个恒定值。在q 导通期间， l 2 、c 2 、r 组成一个谐振回路，这个谐振回路的品质因数值足够高，保证其中 的电流为近似正弦波。当q 关断时，l 2 、c 2 、r 谐振回路中的电流流入c 1 ，u 中的直流电流由q 切换到c 1 中。 图中，l 1 的阻抗应足够大。l 2 、c 2 为谐振元件，在r 上产生高频的正弦波 输出。c 1 为外加电容，目的是使开关管q 工作在理想状态。 9 r 第2 章系统电路结构的选取与设计 该电路在最佳工作状态下的原理分析如下。 当q 导通时，l 1 中的电流全部流过q ，由于l 2 、c 2 在开通之前已经储存了 能量，这时l 2 、c 2 、r 就形成了一个闭合的谐振回路，这个谐振回路的品质因数 值足够高，r 上就得到一个近似正弦波输出。此时通过q 的电流则为u 中的电流 与l 2 ，c 2 ，r 谐振回路中的电流之和 当q 关断时，因为q 的两端并联着一个较大的电容c 1 ，c 1 上的电压由零缓慢 上升，从而使q 在关断电流拖尾期间，两端的电压上升幅值受限，从而大大降低 了关断损耗。关断期间，l 2 、c 2 、r 和c 1 形成了一个闭合的谐振回路继续谐 振，u 对谐振回路充电，补充谐振能量。当c 1 上的电压又谐振到零时，q 导通， 从而实现了开关管q 的零电压开通，且大大降低了开通损耗。至此，电路完成了 一个完整周期的工作，在r 上得到了一个完整的近似正弦波输出。 由上述分析可见，e 类逆变器可大大减小开关管的开通损耗和关断损耗，并 且电路结构简单，使用一个开关管，就能容易地获得较高频率的正弦波输出。 2 e 类逆变器的3 种工作状态 由前文所述，e 类逆交器在工作时会出现三种不同的工作状态。图2 2 给出 了开关元件在三种工作状态下其两端电压的示意图。其中1 为最佳工作状态波 形，2 为准最佳工作状态波形，3 为失调状态波形。 在品质因数q 和占空比d 一定的时候，产生上述三种状态的原因主要是由负 载引起的。e 类变换器的工作状态受负载的影响很大。根据负载r 大小的不同， 会导致变换器工作在不同的状态。 图2 2 传统e 类逆变器的基本电路拓扑 当负载r 为最佳负载r o r r 时，开关管两端电压在开关管开通时恰好谐振到0 ， l i p ，。一0 ，所以是零电压开通，并且同时d 吆出一0 ，这时系统工作在最佳 1 0 第2 章系统电路结构的选取与设计 工作状态下，开关损耗最小。如图2 2 中曲线1 所示。 当r r o f r 时，会导致i g b t 电压在开通时无法谐振过0 ，因此如在这种状 态下开通，将会导致较大的损耗，而且严重的时候甚至还有可能损坏开关管，所 以这种失调状态是不允许的，在正常工作中要予以避免。如图2 2 中曲线3 所示。 最佳工作状态下的r e r r 的估算方法之一是可以通过解满足条件( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 下的二阶电路的方式求得刚。 该e 类逆变器在正常状态下的工作波形如图2 3 所示。 一、 ， 、 ，、 a 最佳工作状态波形b 准最佳工作状态波形 图2 3e 类逆变器在正常状态下的工作波形 2 1 3e 类逆变电路的其他拓扑结构 e 类逆变电路的拓扑结构如图2 4 所示。图中( 1 ) 为前面分析过的传统经 典式e 类逆变器，它的优点是效率高，输出波形为近似正弦波。( 2 ) 是在文献 2 4 】 1 1 眇 b 山 培 训 咿 第2 章系统电路结构的选取与设计 和【2 5 】中所提到的e 类逆变器拓扑，( 3 ) 是本系统中所用的e 类结构，( 2 ) 和( 3 ) 的主要区别在于电容上的电压值相差一个常数项，即电源电压。从( 2 ) 到( 3 ) u bu b 图2 4e 类逆变器电路拓扑的演变 的变化，即改变电容的位置主要是出于均压的考虑。在文献【2 4 】中虽然也出现了 该电路结构，但是并没有对其进行分析，也没有指出它可能的应用场合及均压性 能。该e 类电路结构简单，只使用了一个电感性元件，实现了输入输出隔离， 但输出波形不是正弦波，可以应用在对高次谐波要求不高的场合。本系统中的逆 变器只需要对直流输入进行逆变，不需要得到正弦波，因此可以选用( 3 ) 作为 本系统的逆变电路。 2 2 传统e 类整流电路的分析 在研究如何减少d c d c 变换器功率损耗的过程中，一般都会考虑如何减少 逆变电路中功率开关管的功率损耗，例如前面提到的e 类逆变电路，这些电路 都是用来减少逆变电路中开关管的损耗。但对于d c d c 变换器来说，只考虑逆 变电路中开关管的功率损耗是不够的，这样就忽略了电路中另外一个开关元件上 的损耗，也就是整流二极管中的功率损耗。因此，相对于e 类逆变电路，提出 了e 类整流电路，来实现整流电路的软开关，减少整流电路中开关管的功率损 耗，进一步提高整个电路的效率。 e 类整流电路分为零电流e 类整流电路和零电压e 类整流电路，下面就对这 两种电路进行简单的介绍。 第2 章系统电路结构的选取与设计 2 2 1 零电流e 类整流电路的拓扑及工作原理 零电流e 类整流电路闭拓扑如图2 5 ( a ) 所示。在输出端由于大电容c f 的存 i v o 1 ( e ) 图2 5( a ) 零电流e 类整流电路( b ) 等效电路 ( c ) 二极管导通时的等效电路( d ) 二极管截止时的等效电路( c ) 电路工作波形 在，输出可以等效为直流电压源，其等效电路如图2 5 ( b ) ，二极管导通或关断 时的等效电路图如2 5 中( c ) 、 d ) 所示。电路工作波形图见图2 5 ( e ) 电路工作原理为： ( 1 ) 二极管关断时，从图2 5 ( d ) 中可以得到电感两端电压吃一工譬，其 中i - 屯，其中i 为一正弦电流，当电感两端电压大于输出电压时，二极管导通。 ( 2 ) 二极管导通后，流过二极管的电流f d - i - i l ，而此时电感两端的电压为 一定值匕，v o 0 ，所以在二极管导通期间，电感上电流为一段以一定的斜率上 升的直线，当f - 屯，即- o 时，二极管关断，实现了零电流关断。 2 2 2 零电压e 类整流电路的拓扑及工作原理 零电压e 类整流电路【韧拓扑如图2 6 ( a ) 所示，在电路的拓扑中，k ，c f 组 成滤波电路，对前面的整流进行滤波，因此可以用直流电流源来等效，如图2 6 第2 章系统电路结构的选取与设计 ( b ) 所示，另外，二极管关断或导通的等效电路如图2 6 ( c ) 、( d ) 所示，电路 工作波形图见图2 6 ( c ) 。 圈至卫兰 圈 圈- 圈- ( e ) 图2 6( a ) 零电流e 类整流电路( b ) 等效电路 ( c ) 二极管导通时的等效电路( d ) 二极管截止时的等效电路( e ) 电路工作波形 电路工作的基本过程为： ( 1 ) 二极管关断时，根据电流关系，流过电容的电流t 一屯一i ，其中为直 流电流，f 为正弦电流。电容两端的电压毪一”t i , d t ，所以当电容两端电压即 二极管两端的电压( 电压参考方向见图) 从负逐渐变零的时候，二极管导通，实 现了零电压开通。 ( 2 ) 二极管导通时，二极管中的电流f d - 一f ，所以当二极管中的电流由正 过零时，二极管关断。 2 3 传统的e 2 类d c d c 交换器 在设计d c d c 变换器的时候，如果希望能够提高变换器的效率和频率，就 必须使d c d c 变换器的逆变电路和整流电路都工作在软开关模式下，也就是使 d c d c 变换器工作在e 2 类的模式下。因此，可以用上面介绍的e 类逆变电路和 1 4 第2 章系统电路结构的选取与设计 e 类整流电路来组成e 2 类的d c d c 变换器。如图 、，i r 图2 7 e 2 类d c d c 变换电路电路图 图2 7 就是一种e 2 类d c d c 交换器田l ，从图中可以看出这种电路虽然可以 使逆变电路和整流电路都工作在软开关模式下，提高了电路的频率和效率，但是， 这样的电路需要两个或者两个以上的电感，而在实际电路中，电感所占的体积比 较大，因此，这样的设计不利于减小电路的体积，提高电路的功率密度。因此， 就需要寻找一种更为简单的e 2 类d c d c 变换电路，不仅使d c d c 变换电路中 的逆变电路和整流电路都工作在软开关模式下，而且使电路中含有较少的电感性 元件。 2 4 本系统中e 2 类d c d c 变换器电路的工作原理与分析 在本节里，将对本系统中所采用带隔离的e 2 类d c d c 变换电路进行详细的 分析，并给出了在最佳工作状态下的参数设计。其电路原理图及理想状态下的等 效模型如图2 8 所示。 o o r t ( a ) 电路原理图( b ) 理想状态下等效模型 图2 8 本系统中所用的e 2 类d c c 变换电路电路图 1 5 u o r 第2 章系统电路结构的选取与设计 2 4 1 工作原理 由图3 6 所示，该电路的核心器件为开关元件k 1 、k 2 。开关元件k 1 、变压器 原边电感哪电容c 1 构成e 类逆变电路，其中开关元件k 1 的驱动信号为方波信 号，该方波信号的频率为f ，占空比为d ，电容c 1 并联在开关元件k 1 两端，它包 括开关元件k 1 上的寄生电容。变压器的副边、开关元件k 2 、电容c 2 以及电阻r 构成e 类整流电路。该电路不仅使逆变电路和整流电路都工作在e 类模式下，而 且整个主电路只有一个电感性元件，即变压器t 。 为了使该电路工作的模式下，该e 类电路结构同样需要满足式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 中所述的最佳的工作条件。 该e 2 类d c d c 变换电路的工作波形如图2 9 所示： 最佳状态下工作原理如下所述： 开通时段：开关元件k 1 开通后，电源 对变压器的原边电感储能充电，通过电感l 的电流i l 线性增加，变压器原边电感两端的 电压为直流输入电压u i ，则变压器副边的 r r 感生电压为一竺( 为变压器原副边匝数 以 比) ，这样，整流电路中二极管两端的电压 为负，则此时二极管处于关断状态。 关断时段：当开关元件k 1 断开，则开 n v o 关元件中电流i c 下降为零。电感l 中的电 流i l 全部切换到电容c 1 中，开始对电容c 1 充电，电容c 1 上的电压从零开始上升，当图2 9 电路工作波形图 电容两端电压上升到n i t 。+ u i 时，变压器副边的感生电压为u o ，如果假设整流二 极管的理想的二极管，则此时二极管开始导通。二极管导通后，电容c 1 两端电 压将会被箝在n u o + u i ，那么电感l 中的电流i l 也将停止对电容c 1 充电，电感 中电流i l 会切换到变压器的副边，对输出电路补充能量，当电流i l 下降到零时， 二极管自然关断，实现了整流电路的软开关。由于电流i l 下降到零，则电感上的 电能为零，而电容c 1 两端的电压为n u o + u i ，所以电容c 会开始反向放电，也 第2 章系统电路结构的选取与设计 就是电容、电感以及电源组成的串联回路将发生谐振，当电容两端的电压谐振到 零，同时流过电容的电流也为零时，开关元件k 1 导通，也就是开关元件两端的 电压以及电压的导数同时为零时，开关导通，满足了e 类电路工作在最佳状态 的条件。准最佳状态下情况将在下章实际应用的时候予以介绍。 2 4 2 对理想的带隔离的酽类d c d c 变换电路的分析 1 、假设 对如图2 8 ( a ) 所示的e 2 类d c d c 变换电路的分析是基于图2 8 ( b ) 所示的 理想电路模型和下列的各项假设： 假设1 ：i g b t 工作在理想开关状态，即当i g b t 导通时，其上的电阻和电 压都为零；当i g b t 断开时，i g b t 中没有漏电流；i g b t 的下降时间、上升时间 以及存储时间都为零。 假设2 ：整流二极管工作在理想开关状态，即二极管加正向偏压时其上电压 为零，加反向偏压时其上电流为零，它的开通和关断时间都为零。 假设3 ：电阻、电感和电容元件都是理想的。即电阻上没有寄生参数，电感、 电容是无损的，也没有寄生参数。 2 、分析与计算 ( 1 ) 开关元件k 1 上电流f ，的分析 在关断期间，开关元件k 1 上没有电流通过，因此电流t 为零。 在导通期间，开关元件k 1 上的电压为零，流过开关元件的电流跟流过电感 的电流i l 相等，此时电路的等效电路如图2 1 0 所示， l 图2 1 0 开关元件k 1 导通时等效电路图 从图2 1 0 n - f f j 知，电感两端的电压为u i ，所以可以计算出流过电感的电流i l 为： t 一扩q 加u 工l t 、 0 班叨 ( 4 ) 1 7 第2 章系统电路结构的选取与设计 _ l 工 ( 5 ) 从式( 4 ) ( 5 ) 可以看出，在导通期间，开关元件k 1 上的电流为一段斜率为阢l 的线段，电流的最大值t 。旦警。因此，开关元件k 1 上的电流f c 为： 陪( o , c t , c d t ) ( 6 ) 【0 ( d r f - r ) ( 2 ) 开关元件k 1 上的电压分析 在导通期间，开关元件k 1 上的电压为零。 在关断期间，开关元件k 1 上的电压跟电容c 1 两端电压。相同。根据电容 两端电压的波形图，可以很容易的得到。一行以+ z 等效电路如图2 1 1 所示， 图2 1 1 关断期间电路的等效电路图 根据等效电路图，可以得到关于电容c 1 两端电压的二阶微分方程： l c l 磐d t 饥，一弘 ( 7 ) z l ji a 在气一f 2 阶段，电路的初始条件为： ( 1 ) 在时刻，电容两端的电压为o ； ( 2 ) 在毛时刻，流过电感的电流为乏； 根据初始条件及式( 7 ) 可以求得电容c 1 两端的电压v c 。 。- 也c o s q 章一f 1 ) + 吾。s 缸q ( f 一毛) + 玩其中q 击( 8 ) b 在乞岛阶段，电容两端的电压被箝在甩u o + q 。 c 在岛f 4 阶段，电路的初始条件为： 第2 章系统电路结构的选取与设计 ( 1 ) 在岛时刻，电容两端的电压为弹虬+ q ； ( 2 ) 在岛时刻，流过电感的电流为o ； 根据初始条件解微分方程( 7 ) ，可求得电容c 1 两端的电压v c l ， p c l - n u 。c o s o ( t f 3 ) + u 其中q - 丽1 ( 9 ) 所以开关元件k 1 两端的电压吃的表达式同( 8 ) ，根据e 类最佳工作状态【1 4 】的条 件( 1 ) ，( 2 ) 代入( 8 ) 中，可以解出，； n u , 一阢 ( 1 0 ) f 4 一岛- 5 霉- - 万1 ( 其中t r 、f f 为原边电感l 和c 1 的谐振周期) ( 1 1 ) 根据( 1 0 ) 式可得，电容两端的最大电压v c 。一- 2 u , ，则开关元件k 1 两端的最大 电压为一2 玑。 ( 3 ) 电路各参数之间的关系 a k 1 中电流最大值t 一与k 2 中