（电力电子与电力传动专业论文）滞后臂串联二极管的zvzcs移相全桥变换器研究.pdf

s t u d ya n dd e s i g no fz e r o - v o l t a g ea n d z e r o - - c u r r e n t - s w i t c h i n gp w m f u l lb r i d g ec o n v e r t e ru s i n g t w od i o d e si ns e r i e sw i t ht h el a g g i n gl e g a b s t r a c t m o d e r np o w e rs u p p l yi sb e c o m i n gs m a l l e ra n dl i g h t e r , w h i c hr e q u i r e sd c d c c o n v e r t e rb el i g h t e ri nw e i g h ta n ds m a l l e ri ns i z e t om e e tt h i sr e q u i r e m e n t ，i ti s n e c e s s a r yt om a k et h ed c d cc o n v e r t e rw o r ki nh i g hf r e q u e n c y w h e nd e v i c e s s w i t c hi nh i g hf r e q u e n c y , s w i t c h i n gl o s s e sa n ds w i t c h i n gn o i s ew i l lb e c o m es e r i o u s p r o b l e m s t h e r e f o r e ，t h es o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h c a ns o l v et h e s e p r o b l e m se f f e c t i v e l y ，i sp a i dw i d ea t t e n t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d p h a s e s h i f t e d ( p s ) z v z c sf u l lb r i d g ec o n v e r t e ra c h i e v e sz e r o c u r r e n ts w i t c h i n gf o rt h ed e v i c e s d u et ot h ee l i m i n a t e dc i r c u l a t i n gc u r r e n t t h ec o n v e r t e rr e d u c e st h ec o n d u c t i o nl o s s a n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c y ，s oi ti ss u i t a b l ef o rh i g hp o w e r a p p l i c a t i o n t h ep a p e ra n a l y z e saz v z c sf b p w mc o n v e r t e ru s i n gt w od i o d e si ns e r i e s w i t ht h el a g g i n gl e g t h em e t h o do ft r a n s f o r m e r ，f i l t e ri n d u c t o ra n dc o m p o n e n t p a r a m e t e rd e s i g ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra n ds i m u l a t e db ym a t l a b o nt h es t a t e s p a c ea n a l y s i s a n ds m a l l - s i g n a lm o d e la n a l y s i so ft h i s t o p o l o g y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h ea v e r a g ec u r r e n tm o d ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nu c 3 8 7 5 m e a n w h i l e ， t h ep a p e rd o e se l e m e n t a r ys t u d yo nt h ee m co ft h ec o n v e r t e r , p r o v i d i n gs o m e t h e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v et h es y s t e ma n t i - j a m m i n gc a p a i l i t y alk w ( 4 0 0 vi n p u ta n d2 0 0 v 5 ao u t p u t ) d c d cc o n v e r t e ri si m p l e m e n t e di n t h el a b o r a t o r y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei na c c o r dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s t p h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g e ；l a g g i n gl e g ；s m a l ls i g n a lm o d e l ；a v e r a g ec u r r e n t m o d ec o n t r o l ；e m c 插图清单 图1 1 开关管的开通与关断过程2 图1 2 软开关的开关过程3 图1 3d c d c 全桥变换器3 图1 4p w md c d c 全桥变换器的三种控制方式4 图2 1z v s 移相全桥变换器的主电路拓扑6 图2 2z v s 移相全桥变换器的工作波形7 图2 3z v s 移相全桥变换器的工作过程分解8 图2 4 原边串联有源开关的z v z c s 全桥变换器1 l 图2 5 原边采用饱和电感的的z v z c s 全桥变换器1 2 图2 - 6 滞后臂串联二极管的z v z c s 全桥变换器1 2 图2 7 副边采用有源箝位的z v z c s 全桥变换器1 3 图2 8 副边采用改进能量缓冲电路的z v z c s 全桥变换器1 3 图2 - 9 副边采用耦和电感的z v z c s 全桥变换器1 4 图2 1 0 利用变压器附加绕组的z v z c s 全桥变换器1 4 图3 1 滞后臂串二极管的z v z c s 移相全桥变换器1 6 图3 2z v z c sp w md c d c 全桥变换器的工作波形1 6 图3 3z v z c s 移相全桥变换器六种开关模态的等效电路1 7 图3 4 零电压、零电流开关波形1 9 图3 5 原边电压、电流的比较2 0 图3 6 输出电流波形2 2 图3 7 主电路开环仿真2 6 图3 8 主电路仿真波形一2 6 图3 - 9 全桥变换器d i d t 回路引起的e m i 2 7 图3 1 0 全桥变换器d u d t 回路引起的e m i 2 8 图3 1 l 高频变压器引起的e m i 2 9 图4 1b u c k 电路3 0 图4 2b u c k 变换器的小信号模型3 2 图4 3 滞后臂串联二极管的z v z c s 全桥变换器小信号模型3 5 图4 4u r n ( s ) = 0 时的交流小信号模型3 5 图4 5 电压模式控制反馈环路图3 6 图4 6 峰值电流控制的反馈电路3 7 图4 7 平均电流模式控制环路图一3 7 图4 8z v z c s 移相全桥变换器平均电流控制框图3 8 v l 图4 9 单极点单零点补偿网络3 9 图4 1 0 电流环传递函数的频率特性4 0 图4 11 等效功率等级4 l 图4 1 2 电流内环负载4 1 图4 1 3 电压外环等效控制框图一4 1 图4 1 4 电压环传递函数的频率特性4 2 图4 1 5u c 3 8 7 5 的内部功能方框图4 3 图4 1 6u c 3 8 7 5 外围电路图4 3 图4 1 7 驱动电路4 4 图4 1 8 电压采样电路一4 5 图4 1 9 电流采样电路4 5 图5 1 样机实物图4 6 图5 2 满载下超前臂z v s 波形4 7 图5 3 满载下滞后臂z c s 波形4 7 图5 4 未移相时的驱动信号4 7 图5 5 移相时的驱动信号4 7 图5 - 6 原边电压和原边电流4 7 图5 7 隔直电容电压4 7 图5 8 启动时输出电压4 8 图5 - 9 切换负载输出电压4 8 图5 1 0 变换效率图4 8 v 表格清单 表3 12 m b l 2 5 l 1 2 0 主要参数2 4 表3 2d s e l 3 0 1 0 a 主要参数2 4 表3 3d s e l 3 0 0 6 a 主要参数2 5 v i 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，也不包含为获得金g 巴王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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：鹊礅舛 签字日期：妒j 。年牛月6 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业太堂。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。本人授权金目墨王些太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：药强弓牢 签字同期：弘l 拜中月圮同 导师虢r 未寺 签字日期：加io 年年月gr 黧一黝臀刁 工作单位：天地( 弭州j 臼谗他撇柏片r j 通讯地址：讧荔角昂州午钳枝区木枇鼢i 勺 电话：i 弓1 歹铲叫邗 邮编： zi ；o1 5 致谢 本课题是在导师徐宁副教授和杜少武教授的细心指导下完成的。他们严谨 认真的治学态度、一丝不苟的工作方法和兢兢业业的敬业精神，给我以深刻的 影响，促使我不断地进步和完善自己。 在整个硕士阶段，徐老师在学习方面为我提供了许多帮助，在各方面给我 启迪，使我取得了长足的进步。杜老师自始至终都给与我悉心的指导和无微不 至的关怀照顾，无论课程学习、论文选题，还是资料收集、论文成稿，都倾注 了杜老师的大量心血。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给我很大的影响，杜老师在科研学术上有着 自己独到的见解和领悟力，开阔、敏捷的思维，不辞辛劳的谆谆教导，以及提 出的许多建设性意见使我成长很快；生活中，杜老师豁达的人生态度，平易近 人、诲人不倦的良师风范展示了为人的道德风尚，使我受益匪浅。在此我要向 徐老师、杜老师表示我最诚挚的谢意! 在这里要特别感谢姜卫东老师，在研究生阶段给予的帮助和关怀。在整个 科研阶段姜老师丰富的经验和随和的性格让我感受颇深，在此谨向他表示我最 衷心的感谢! 向所有在硕士研究生阶段曾经帮助过我的老师深表谢意，还有我那些最可 爱的同学们，他们是赵钦、孟祥志、钟安明、汤华奇、史金仙、邵文、李新杰、 张丽君、邢栋、方勇、咸秀超、王非、李俊、赵勇等，在此向他们表示感谢。 感谢我的家人、女友，感谢他们对我深深的爱和无私的奉献，我的任何成 绩都离不开他们对我的教育和支持。 m 作者：芮骐骅 2 0 10 年4 月 第一章绪论 随着电力电子技术在能量变换技术上的发展，对开关式稳压电源的要求越 来越高，主要表现在开关电源的体积小、重量轻、效率高和电磁兼容性好等方 面。d c d cp w m ( 脉宽调制) 功率变换技术去掉了庞大的工频变压器，减小 了装置的体积重量，而功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 和场控晶体管( m c t 、m g t ) 等全控型、高速电力电子器件的出现，进一步促 进了开关稳压电源的高频化发展。现在高频开关电源已广泛应用于基础直流电 源、交流电源、通讯电源等。开关式稳压电源的进一步发展，进而可以取代传 统工业行业的电镀、电解、电加工、电力操作等各种直流电源，其主要材料可 以减少8 0 9 0 ，节能2 0 3 0 ，动态反应速度提高2 3 个数量级。开关电 源的高频化已成为发展趋势。 2 0 世纪7 0 年代以来，变换器工作频率提高到2 0 k h z 甚至更高。然而，常 规的d c d cp w m 功率变换技术进一步提高开关频率会面临许多问题。当功率 开关管在电压不为零时导通或电流不为零时关断，处于硬开关状态，随着开关 频率的提高，开关管的开通和关断的损耗会成正比上升，使电路的效率大大降 低，变换器处理功率的能力大幅下降；另一方面，电路存在感性关断和容性开 通问题，会对外产生严重的电磁干扰。 为了克服d c d c 变换器在硬开关状态工作下的缺陷，从2 0 世纪8 0 年代以 来，国内外电力电子界和电源界不断研究开发高频软开关技术，近些年得到了 巨大的发展。软开关技术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 零电流开关z c s ( z e r oc 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。硬 开关过程是电力电子开关器件在大电压或大电流条件下通过门极的控制实现开 通或关断，从而完成能量的变换；而软开关过程是应用谐振原理，通过电感三 或电容c 的谐振来对开关的开关轨迹进行整形，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，当电压下降到零时，使器件导通，或者当 电流过零时，使器件关断。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，会使器件的开关损耗在理论上降为零。软开关技术的应用提高了电力 电子变换器效率和可靠性，并有效的减小电能变换装置体积、重量和引起的电 磁污染和噪声。 1 1 软开关技术 功率变换电路中，开关管在每个开关周期都要开通与关断一次。在开关过 程中，开关管电压和电流发生变化，从“关 到“开或从“开 到“关 有 一个过程。开关过程中，电流由零逐步上升，电压则逐步下降，电流上升和电 压下降有个交叠过程，使开关管有较大的功率损耗，称为开通损耗1 1 ( t u r n o n l o s s ) ，如图1 1 ( a ) 所示。同理，关断时，电流下降和电压上升也有一个交叠过 程，使关断过程中开关管也有较大的功率损耗，称之为关断损耗( t u r n o f f l o s s ) ， 如图1 1 ( b ) 所示。因此在开关管开关工作时，产生的开通损耗和关断损耗，统 称为开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) ，开关损耗可由式( 1 - 1 ) 算出。 ( a ) 开通过程( b ) 关断过程 图l - 1 开关管的开通与关断过程 + = 1 i i v d t + r 融】 ( 1 - 1 ) 假设导通时集电极电流为l ，关断时集电极承受得电压为阢，导通时的管 压降忽略不计，则由图1 1 可知，开通过程： 江i _ g cf ， 材：坼一堡f f 仰 。 f “ 关断过程： i = i 一生f 。 “：堡f c t啦t晤 p s - = - f 木( r 苦心c 一告触+ rc l 一丢r ，鲁础j ：! 盟f v c i c ( 1 - 2 ) 由此可知，开关管在每个开关周期中的开通和关断时间内，功率损耗的大 小是非常可观的。变换器总的开关损耗与开关频率成正比，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。同时，开关管工作在硬开关 时还会产生较高的d u d t 和d i d t ，从而产生较大的电磁干扰。针对这种状况， 人们采取的最早方法是利用缓冲电路来改善电路的开关环境。缓冲电路是人们 为改善器件在电路开关环境而进行的一项有限尝试，远在晶闸管( s c r ) 电路 时代，缓冲电路就是不可或缺的一部分，但是它只是将开关损耗转移到缓冲电 路，并没有从本质上解决电源的变换效率，甚至会使整机效率降低。减小开关 损耗的有效途径是实现开关管的软开关( s o f ts w i t c h i n g ) 。 2 ( a ) 开通过程( b ) 关断过程 图1 - 2 软开关的开关过程 通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换 流网络，在开关管导通时电压先降为零，获得零电压的开通过程；在开关管关 断时电流先降为零，获得零电流的关断过程，消除开关过程中电压、电流的重 叠，降低它们的变化率，从而减小甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路 称为软开关电路【2 】。软开关电路中典型的开关过程如图1 2 所示。具有这样开 关过程的开关称为软开关。迄今为止，用来实现软开关的主要技术措施有1 3 】： 1 、借助控制信号的合理安排实现软开关，此类电路称为控制型软开关电路； 2 、在电路中增设缓冲电路以实现软开关，此类电路称为缓冲型软开关电路； 3 、在直流侧或交流侧设置谐振电路以实现软开关，此类电路称为谐振型软 开关电路。 1 2 全桥d c d c 变换器的基本原理 d c d c 变换技术是指将一种直流电压变换成另一种直流电压的过程。功率 开关管的电压和电流定额相同时，d c d c 变换器的输出功率通常与所用开关管 数量成正比。全桥( f u l l b r i d g e ，f b ) d c d c 变换器( d c d cc o n v e r t e r ) 采用 四个开关管构成两个桥臂，输出功率大于单管的f l y b a c k 、f o r w a r d 和双管的 d u a l f l y b a c k 、d u a l f o r w a r d 、p u s h p u l l 、h a l f - b r i d g e 等电路，且能通过变压器 实现隔离和多路不同或相同电压输出，因而全桥变换器在高压输入和中大功率 场合得到广泛应用【4 j 。 i 2 i 全桥d c d c 变换器工作原理 吧k 爿p 【v d lv d 3 j【 1 a b - 辜 n p 【v d 2v d 4 j【 爿p h 2 图1 3d c d c 全桥变换器 3 在图1 3 中，矾n 为输入直流电压，v t l 、v t 2 、v t 3 和v t 4 构成两个桥臂， t 为高频变压器，原副边匝比为n l ：n 2 = t l ，v d 5 和v d 6 是输出整流二极管，三、 c 是输出滤波电感、电容，足l 是负载。 控制v t l v t 4 对角导通，电源通过变压器t 隔离，变压后向负载提供能 量。变压器副边得到幅值为阢厢的交流方波电压，通过v d 5 和v d 6 输出整流 得到一个直流电压，三、c 组成的低通滤波回路，将直流电压高频分量滤除，最 后得到一个平直的直流电压玑，其值为u o = d u i n n ，其中d 为占空比，d = 2 t o n t ， “n 是对角同时导通时间，r 是开关周期。通过调节占空比d 可以方便地调节输 出电压。 1 2 2 全桥d c d c 变换器控制方式 在参考文献【5 1 中，系统的提出了全桥d c d c 变换器的三种控制方式：双极 性控制方式、有限双极性控制方式和移相控制方式。各自的控制脉冲如图1 - 4 所示。 ll n iii n i 一 厂 ii ll iil llr ii i i ( c ) 图1 4p w md c d c 全桥变换器的三种控制方式 双极性控制如图1 4 ( a ) 所示，电路对角线上的开关管同时导通或关断，开 通时间均小于1 2 开关周期。由于斜对角的两开关管同时动作，电路切换方式 中，a 、b 两点出现+ 1 1 或1 + 1 情况，电路工作在硬开关状态下。受到杂散参 数的影响，变换器在开关过程中产生较大d u d t 和d i d t 。由于开关管工作时需 要较大的安全工作区避免损坏，设计人员一般采用r c 或r c d 等有损缓冲电路 来改善开关管的工作状态。 如图1 8 ( b ) 所示，电路中一个桥臂的开关管( 如v t 3 、v t 4 ) 互补导通，并 且导通时间延长至半个开关周期，另一个桥臂的开关管与各自对角管同时导通， 但其导通占空比d 可调，这种控制方式称为有限双极性控制。有限双极性控制 可以实现软开关，但是只有一个桥臂采用p w m 方式，另一个桥臂驱动信号与 其互补，因此在实现软开关的过程中，控制不太灵活。 如图1 8 ( c ) 所示为移相控制方式，其将硬开关p w m 拓扑的两种开关状态 ( 断态和通态) 改变成三种开关状态( 通态、断态和续流状态) ，一个周期内a 、 b 两点从+ 1 1 或1 + 1 态转变为+ i 0 1 或i 0 + 1 态，因此可以在续流状态实现 4 开关管的软开关。每个桥臂的开关管互补导通，两桥臂驱动差开一个角度，通 过控制移相角，来调节输出电压的脉冲宽度，从而达到改变输出电压的目的。 有限双极性控制和移相控制方式都可以实现软开关控制，从图1 4 所示图 中可以看出，两种控制方式的差别在于超前臂的开通时间。移相控制将超前臂 的开通时间扩展至半周期，使得超前臂开通时间互补。而有限双极性控制超前 臂开通时间没有扩展至半周期。此外，移相控制可以借助专用的模拟芯片实现， 如u c 3 8 7 5 、u c 3 8 9 5 ，有限双极限的专用芯片绝少见到，用数值逻辑电路搭建 费时费力。因此移相控制是近年来在全桥变换电路拓扑中广泛应用的一种软开 关控制方式。 1 3 论文主要工作 实验室与某电源公司合作，采用软开关技术研制大功率直流开关电源样机。 论文从全桥d c d c 变换器的基本理论入手，计适用于大功率场合的移相全桥软 开关变换器，主要研究工作包括以下部分： 1 、对比全桥d c d c 变换器的z v s 和z v z c s 两种软开关技术，在分析了 几种典型移相全桥软开关变换器拓扑的基础上，选择一种合适的拓扑。 2 、对选择的拓扑进行仿真实验，验证方案的可行性并合理设计实验样机电 路参数，并考虑系统的电磁兼容性设计。 3 、研究移相全桥软开关变换器常用控制方法，给出系统控制回路的设计。 4 、研制出l k w 的实验样机，并对其主要实验波形和数据进行分析。 5 第二章移相全桥软开关变换器的拓扑分析 本章主要分析全桥直流变换器z v s 和z v z c s 两种不同的软开关工作原理 以及它们的差异。对z v z c s 移相全桥软开关变换器，本章也将讨论滞后臂实 现零电流关断的原理和几种典型的拓扑。 2 1z v s 移相全桥变换器 2 1 1z v s 移相全桥变换器的工作原理 z v s 移相全桥变换器利用原边串联电感和开关管结电容( 或者外并电容) 和变压器的漏感来实现超前臂和滞后臂的零电压开关。在所有以电压源为电源 的全桥变换电路中，由于输出滤波电感和变压器原边漏感的存在，原边电流不 能突变，因此超前臂无法实现z c s ，只能实现z v s ( 在z c z v s 变换器中，输 入为电流源，负载为电压源，可与z v z c s 变换器实现对偶变换) 。实现z v s 的方法是在开关管两端外并电容，从而限制开关管两端电压变化率【6 】。 v t l 和v t 4 的控制信号是同相位的，v t 2 和v t 3 的控制信号是同相位的， 如图2 1 所示的z v s 移相全桥变换器中v t l 、v t 2 分别超前v t 4 、v t 3 一个相 位角够。假设： 1 、所有电感、电容和变压器均为理想器件； 2 、所有开关管、二极管均为理想器件； 3 、c 1 = c 2 = c 3 = c 4 = c r ； 4 、输出滤波电感三 三l k n 2 ，l i k 为变压器原边漏感； d 图2 1z v s 移相全桥变换器的主电路拓扑 在一个开关周期中，z v s 移相全桥变换器有1 2 个不同的工作过程，正半 周与负半周大体对称。图2 2 给出该变换器的工作波形，图2 3 给出了该变换 器在不同工作阶段的电流路径和方向。 ( 1 ) 第l 阶段 t o ，l 阶段，超前臂谐振阶段：f o 之前，v t i 、v t 4 导通，材a b 为+ u n ，t o 时 刻，v t l 由导通变成截止，切断了电源供电通路。变压器原边电流f p 从v t l 转 移到c 1 、q 支路，这时三i k 与三( 折算到原边的电感值为刀2 ) 串联和c l 、c 2 6 开始谐振，由于玎2 三足够大，f p 基本不变，谐振过程c l 两端电压线性增大，c 2 两端电压线性减小，c l 、c 2 容量很小，f l 时刻，c l 两端电压增大到职n ，c 2 两 端电压减小到零( u a 为零) ，v d 2 导通，第l 阶段结束。该阶段的电流路径与 电流方向如图2 3 ( a ) 所示。 ( 2 ) 第2 阶段 t l t 3 阶段，续流阶段：f l 时刻，c l 两端电压增大到u n ，c 2 两端电压减小 到零，”a = 0 ，v d 2 导通，将v t 2 两端电压箝位成零电压，t 2 时刻开通v t 2 ，则 v t 2 零电压开通，这时由负载电流( 恒流) 折算到变压器原边的电流经v t 4 、 f o lt 2 1 3 1 4 t 5 t 6 7 l t 9 l l o t l i t l 2 1 1 3 t 1 4 t 1 51 1 6 图2 - 2z v s 移相全桥变换器的工作波形 v d 2 续流。u a b 为零，变压器副边电流路径不变，直到t 3 时刻，v t 4 关断，第2 阶段结束。该阶段的电流路径与电流方向如图2 3 ( b ) 所示。若负载不是恒流源， 变压器原边电流在这一阶段将开始下降，v d 5 、v d 6 将开始换相。 ( 3 ) 第3 阶段 f 3 t 4 阶段，滞后臂谐振阶段：f 3 时刻，v t 4 关断，变压器原边电流在全桥 右臂突然失去主要通道，f p 从v t 4 转移到c 3 、c 4 支路，这时l i k 和c 3 、c 4 开始 谐振，谐振过程对c 4 开始充电，同时抽走c 3 中的电荷，变压器原边电流开始 下降并至最大负值时，v d 6 完全导通，副边v d 5 、v d 6 将开始换相，使副边绕 组上下两端被同时导通的两只二极管正向压降钳位在2 * 0 7 v = 1 4 v ，这对感应 了上百伏高压的副边绕组相当于短路，同时从副边反射到原边的电感拧2 三被切 断，使原来滞后臂参与c 3 、c 4 冲放电的串联电感量巨减，只剩下l i k 。t 4 时刻， c 4 两端电压增大到u n ，c 3 两端电压减小到零，v d 3 导通，谐振过程结束，第 3 阶段结束。该阶段的电流路径与电流方向如图2 3 ( c ) 所示。 ( a ) 阶段1 ，超前臂谐振阶段 7 ( f ) 阶段6 ，能量传输阶段 图2 - 3z v s 移相全桥变换器的工作过程分解 ( 4 ) 第4 阶段 “t 6 阶段，能量回馈阶段：t 4 时刻，c 4 两端电压增大到m n ，c 3 两端电压 减小到零，v d 3 导通续流，这时变压器原边漏抗中储存的能量经v d 2 、v d 3 回 馈到输入电源，t 5 时刻开通v t 3 ，由于v d 3 导通将v t 3 两端电压箝位成零，为 v t 3 实现零电压开通准备了必要条件，直到，6 时刻，变压器原边电流f 口下降到 零，第4 阶段结束。该阶段的电流路径与电流方向如图2 3 ( d ) 所示。 8 ( 5 ) 第5 阶段 t 6 f 7 阶段，电流反向增大阶段：t 6 时刻，变压器原边电流f p 下降到零之前， 滞后臂v t 3 已经开通，电源经过v t 3 、v t 2 将矾n 加到变压器原边。由于变压器 副边换相短路，变压器原边电流f p 将以u i n l i k 的速率增加，t 7 时刻f p 下降到等 于负载电流，副边换相结束，v d 5 关断，第5 阶段结束。该阶段的电流路径与 电流方向如图2 3 ( e ) 所示。 ( 6 ) 第6 阶段 f 7 t s 阶段，能量传输阶段：t 7 时刻f p 下降到等于负载电流，v d 5 、v d 6 全 部关断，副边换相结束，v d 5 关断，电源玑n 将经过v t 3 、v t 2 、变压器和v d 6 向负载传输能量，这一阶段变压器原边电流仍增加，增加速率为 ( u i n - n u o ) ( l t k + n 2 l ) ，直到，8 时刻，v t 2 关断，第6 阶段结束，为下一步即将 开始的负半周功率输出阶段创造了条件。 2 1 2z v s 移相全桥变换器软开关实现 为了实现零电压开通需满足两个条件：1 、谐振电路本身( 参数与状态) 应保 证能通过谐振使导通管结电容或外并电容完全放电；2 、驱动信号必须在导通管 结电容或外并电容完全放电后给出，即同一桥臂的导调与关断信号之间的间隔 应大于相应电容的充放电时间。 超前臂容易实现z v s 。由工作过程分析可知，在超前臂开关过程中，输出 滤波电感与谐振电感串联，为高压开关管的并联电容器充放电提供了足够的谐 振磁场能量。当滞后臂关断时，因变压器副边绕组被同时导通的两只全波整流 二极管钳位在很低电平，切断了副边反射电感，使开关管的充放电过程只能靠 变压器漏感维持，电流变化率大，故在相同负载电流时，滞后臂实现软开关较 困难，需增大附加电感量。 2 1 3z v s 移相全桥变换器的占空比丢失 如图2 3 所示，在阶段3 、4 、5 时间段，原边电流由正变负，变压器原边 虽有正电压方波仍不足以提供负载电流，变换器副边的两个整流二极管都导通， 把副边钳位在1 4 v 低电平，负载处于续流状态，其两端电压为零，这样就丢失 了t 2 t 7 这部分电压方波。在移相全桥p w m 软开关变换器中称这种现象为占空 比丢失，如图2 2 所示的阴影部分。通常变压器漏抗越大，占空比丢失越严重。 从全桥变换器总体看，原边电流f p 从正峰值变成负峰值，即从正到负必然有一 个过渡时间，原边电感的电流不可能突变，因此副边占空比丢失总是存在的。 如图2 - 2 所示，假设，i p ( t 3 ) = i i ，i p ( t 7 ) = 一1 2 ，占空比丢失为a d ，则： 互! ! 坠 a d r s 2k 整理得： 9 a d 三生! 互型 ( 2 1 ) u 证7 i 考虑滤波电感足够大，滤波电感中的电流纹波可以忽略，则1 1 = 2 = o n ，代 入式( 2 1 ) 得丢为的占空比： a d 4 , f s l o ( 2 2 ) 2 1 4z v s 移相全桥变换器的特性分析 z v s 全桥变换器与普通的硬开关全桥变换器相比，其成本和电路的复杂程 度基本没有增加，利用变压器漏感与开关管结电容谐振，通过移相控制方式， 在开关换流时实现了开关的零电压导通，减小了开关损耗，可保证电路效率为 8 0 9 0 ，降低了开关噪声，不会增加开关应力，使开关频率达到了 1 0 0 5 0 0 k h z ，其性能、效率与可靠性明显优于硬开关全桥变换器。其主要缺点 为：超前臂和滞后臂储能情况不同，滞后臂开关管在轻载下将失去零电压开关 功能1 6 l ；电路存在内部循环电流，增加了器件的导通损耗；由于谐振电感三i k 的存在，使换流期间中产生占空比的丢失；输出整流二极管为硬开关，开关损 耗较大。 2 2z v z c s 移相全桥变换器 z v z c s 移相全桥变换器是在z v s 移相全桥变换器的基础上发展起来的， 它进一步解决了z v s 移相全桥变换器的某些缺陷，如变压器副边存在的占空比 丢失、变压器原边的环流损耗、滞后臂实现零电压开关受负载范围限制等【_ 7 1 。 对于较高的功率量级如l 1 0 k w 应用，需要选用i g b t 作为开关管，与 m o s f e t 相比，其降低了导通损耗，更适用于高电压大功率场合。i g b t 主要 缺点是具有较大的开关损耗，尤其是其在关断以后会有一个较大的电流，造成 关断损耗大。为了减少i g b t 拖尾电流的影响，使其能够工作在较高的开关频 率，就必须减小它的关断损耗。显然，零电流关断状态更适合i g b t 工作【8 】。 如果电路中i g b t 在关断之前少数载流子就已经复合完毕，那么i g b t 将基本 不存在关断损耗。而且z v z c s 移相全桥变换器可以在所有的负载范围内实现 滞后臂开关管的零电流关断，这是其相对于z v s 移相全桥变换器的另一个显著 优点。 2 2 1 电流的复位方式 全桥d c d c 变换器中，超前臂只能实现零电压开关。z v z c s 移相全桥变 换器与z v s 移相全桥变换器的差别在于，当超前臂的v t l 关断后，变换器工作 在零状态，原边电流i p 开始减小到零，此时关断v t 4 就是零电流关断。 现有的z v z c s 移相全桥变换器，按照其辅助电路位置大致可以分为两类 【5 】：第一类变换器的辅助电路位于主变压器原边，通过引入一个阻断电压源， 1 0 图2 4 原边串联有源开关的z v z c s 全桥变换器 - 爿p巩k= = 【v d l v d 3 2k = = gg a k 经o 1 b i g _ g 爿p吧k = = z【v d 2v d 4 2i = ： 图2 5 原边采用饱和电感的的z v z c s 全桥变换器 该拓扑在较宽的范围内满足z v z c s ，尤其是滞后臂，极大地改善了z v s 移相全桥d c d c 变换器滞后臂在轻载时不易实现软开关的缺陷，而且占空比损 失小。整体性能优良，效率在9 0 以上。该电路的不足之处也是存在的，电路 在实际运行中饱和电感有很大的损耗，需要解决饱和电感磁芯的散热问题。另 外受目前的材料和技术水平的限制，低损耗的饱和电感还很难设计，也就是说 该拓扑在实际运用中的效果与预期效果之间可能会产生较大的偏差。 2 2 2 3 滞后臂串联二极管的z v z c s 全桥变换器【l o 】 该拓扑是在带饱和电感的拓扑的基础上经过改进而得出的，其与变压器原 边带饱和电感的拓扑在运行机制和预期效果上均差别不大，所不同的是，由于 原边电路的滞后臂串入一对快速恢复二极管，当电流到零后，若要向反方向增 大会受到二极管的阻断，将电流钳位在零值上，保证滞后臂开关管实现z c s 。 实际上一个理想的饱和电感器可视为一个开关管。 q k = 2i v d ，v d 3 ji ：= 爿阴g g h a ，_ 、，一r 、g b 1 b 辜 、厂b y c 2 c 4j i v l k = _ 【v d 2v d 4 j - = l = 2i = 图2 - 6 滞后臂串联二极管的z v z c s 全桥变换器 该拓扑能在较宽的范围内满足z v z c s ，消除了环路损耗，占空比损失小， 整体性能优良，效率在9 0 以上。更重要的是该拓扑结构简单，容易实现，避 免了因理想饱和电感的设计困难而带来的附加问题。唯一的缺憾是串联在滞后 臂中的二极管在通态时流过电流，增加了电路的通态损耗。 2 2 2 4 副边采用有源箝位的z v z c s 全桥变换器】 如图2 7 所示，在变压器副边采用有源箝位的z v z c s 全桥变换器与上述电 路的区别在于该电路是在变压器副边引入一电压源，当原边电流续流时，开通 1 2 有源开关管q 。，将箝位电容c c 上的电压反射到原边，作为一反向阻断电压源， 使原边电流迅速下降到零，从而为滞后臂开关管提供零电流条件。超前臂的零 电压开通与关断和z v s 移相全桥变换器相同。 q i l i t ： 4 、假设c l = c 2 = c r 。 在每个工作半周期间，变换器有六种开关模态，图3 2 、图3 3 分别为工作 波形和每种开关模态的等效电路。超前臂v t l 、v t 2 和滞后臂v t 3 、v t 4 具有接 近5 0 的占空比交错通断，两个桥臂之间的相移决定变换器的工作占空比。 ( 1 ) 开关模态0 t o 之前( 如图3 3 ( a ) ) ：开关v t l 和v t 4 导通，输入功率传递给负载，这期 间，原边电流f p 给隔直电容充电。隔离电容c b 上的电压线性上升。 c b ( f ) = 要f u c h p ( 3 - 1 ) 刀乙b 其中刀是变压器初级与次级匝比，下同；阢b p 是电容c b 的峰值电压。 r o 时刻，v t l 关断，开关模态0 结束，进入开关模态1 。 ( 1 ) 开关模态l t o r l 阶段( 如图3 3 ( b ) ) ：t o 时刻，v t l 关断，电流向v t i 、v t 2 的结电容 c l 、c 2 转移，c l 充电，c 2 被放电，开关管v t l 两端电压”c l 线性上升。c l 和 c 2 限制了v t l 两端电压的上升率，v t l 实现了z v s 关断。在这个时间段，变压 器原边漏感三肛和滤波电感串联，原边电流类似一个恒流源。 ， ”，。( f ) = l ，= 上f ( 3 2 ) 。 n ( c i + c 2 ) 2 n c ， 开关管v t 2 两端电压u c 2 和u a b 线性下降。 1 5 啪) = 一而of = 【，h 一面i o f ( 3 - 3 ) ，l 时刻u c 2 下降至零，随后v d 2 导通，进入开关模态2 。 这一阶段c b 两端的电压仍按式( 3 1 ) 线性上升。 v t u k = _ v d l v d 圣i = ! i l v t a c c 3 a ， 一 1 “ 碚。 b v t 2 j k c ， - 鱼 爿n ：d 2 v d 正i = _ - d 图3 1 滞后臂串二极管的z v z c s 移相全桥变换器 v t l i 2 l i v t v t ： l3 ；4 ；l 二 i- ，i iiii 1 ；：u c b p ： ；! ： lz 。 i 一 ：t ：i ln - l j ii i - i i j ； x；z：t i ：i i ii ：i i i i 一丁1 、：i o 一 ! !