（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的高压恒流充电电源的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s t u d yo nac o n s t a n t c u r r e n th i g h v o l t a g ec h a r g i n g p o w e r - s u p p l y b a s e do nd s p a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lh i g h - v o l t a g ed cp o w e r - s u p p l y ，w h i c hu s u a l l yb eg o t t e nb y b o o s t i n g2 2 0 v5 0 i - i za cv o l t a g ew i t ht r a n s f o r m e ra n dt h e nc o n v e r t i n gv o l t a g ew i t l l r e c t i f i e rf i l t e r , h a sb i gb u l ka n dw e i g h t , h i 曲r i p p l ec o e f f i c i e n to f o u t p u tv o l t a g e ，l o w s t a b i l i z a t i o na n de f f i c i e n c y t h ed e s i g no fah i g h - f r e q u e n c yh i g h - v o l t a g ep o w e r - s u p p l yu s i n g s o f ts w i t c h i n gp o w e r - s u p p l yt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r 1 1 1 e c o i ep a r ti n c l u d e sf u l l b r i d g ei n v e r t e r , t r a n s f o r m e ra n dr e c t i f i e r p r i m a r yi n v e r e ri sa f u l l - b r i d g ei n v e r t e rc o n s t r u c t e db yz v sp w md c d c ，w h i c hi n s u r e st h es y s t e m w o r k i n g 砒h i g hf r e q u e n c y n 圮m a i nu o f t r a n s f o r m e rf o rh i g hf r e q u e n c yi st ot r a n s f o n ne n e r g y ，e l e c t r i c i n s u l a t i n g v o l t a g ec h a n g i n ga n di m p e d a n c ec h a n g i n g 嬲m a g n e t i cc o u p l i n g t h e c a p a b i l i t yo f t h et r a n s f o r n l e ra f f e c tt h es a f e t yo f t h ed e v i c eo f t h ep o w e rs w i t c h i n g i n t h ep a p e r , t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ec a p a b i l i t yo ft h et r a n s f o r m e ri sa n a l y z e d ，w h i c h i n c l u d i n gt h a tt h ep r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cm a t e r i a ls e l e c t i n g ，t h ep r i n c i p l eo ft h e s h a p eo f t h em a g n e t i cc o r e , t h ek i n d so f t h em a g n e t i cc o r ea n dt h ec a l c u l a t i o no f t h e d e s i g nf o rt h et r a n s f o r m e r d s pi st h ec o r eo f t h ep o w e rs u p p l y t h ep a p e ra d o p t e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7m a d e b yt ic o m p a n yt or e a l i z ep h a s es h i f tf u l l - b r i d g es o f ts w i t c h , i ti sa l s ou s e dt oa d j u s t t h ev o l t a g eo fo u t p u ta n dp r o t e c tt h es y s t e mw h e nc u r r e n ti so v e r f l o w t h ec o n t r o l m e t h o di sd e c i d e db ys o f t w a r e ，i tc a nb em o d i f i e da c c o r d i n gt ot h en e e do ft h e c u s t o m 1 1 坞p o w e ro f t h ep o w e r - s u p p l yi s3 0 0 0 w t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yi s2 0 k h z o u t p u td cv o l t a g eo f p o w e r - s u p p l yi s2 4 k va n dc a nb ec h a n g e db yd s e t h er i p p l e c o e m c i e n ti sn om o r et h a no 5 1 1 峙e f f i c i e n c yo ft h ep o w e r - s u p p l ys y s t e mi sm o r e t h a n8 0 k e y w o r d s s o f ts w i t c h i n gp o w e r - s u p p l y ；d s p ；p h a s es h i f tf u l l b r i d g es o f ts w i t c h ； h i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑霞声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的高压恒流充电 电源的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期| 日j 独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他 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：岁7 哥参斟百期：7 纠辞7 月f 7 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的高压恒流充电电源的研究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持。 不保密n 。 ( 请在以上相应方框内打j 作者签名： 剖曰皑 日期：似辞3 月缪同 导师签名：红坤杼( 众) 月期：声彩年3 月；月 略尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 开关电源简介及发展趋势 电源是所有电力设备的动力。就直流电源而言，可分为直流线性电源和开 关电源。 广义地说，凡是使用开关管进行功率变换的任何功率变换装置都属于开关 电源。但习惯上开关电源主要是指利用各类自关断器件并通过变换技术制成的 高频开关式直流稳压电源。它和线性稳压电源相比，具有效率高，体积小和重 量轻等突出优点，但是也存在着电路复杂，纹波大和射频干扰电磁干扰大的缺 点。随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。因而发展非常迅速，应 用范围日益扩大“。 高压开关电源的发展的主要趋势是频率不断提高、功率不断增加。 1 2 国内外开关电源技术发展概况 1 2 1 国外开关电源技术发展概况 在国外，从7 0 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市 电整流后逆变为3 k h z 左右的中频，然后升压“。美国g e 公司生产的a m x - 2 移动式x 线机把蓄电池供给的直流电逆变成5 0 0 h z 的中频方波送入高压发生 器，从而减小体积和重量。进入8 0 年代，高压开关电源技术迅速发展“1 。德国 西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到2 0 k h z 以 上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变压器油 箱，使变压器系统的体积进一步减小。近十年来，随着电力电子技术的进步和 开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提 高：如p h i l i p s 公司3 0 k w 以下移动式x 光机的x 线发生装置，频率达3 0 k h z 以上，德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达4 0 k h z 。9 8 年以后通用电气公司 和瓦里安公司都研制成功1 0 0 k h z x 线机发生器“。另外，高压开关电源的功率 也在不断地提高，1 0 - 3 0 k w 的大功率高压开关电源在产品上己很成熟，更高功 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 率的高压开关电源也有很快的发展如：用于雷达发射机的1 4 0 k w 高压开关电源 ( 俄罗斯) ；用于脉冲功率技术中的3 0 0 k w 大功率恒流充电电源( 美国e e v 公 司) 等等国外，利用开关电源技术实现的小型化大功率充电电源技术己较为成 熟，并有相关的成型产品，如美国的m a x w e l l 公司的系列高压电源都采用串联 谐振开关技术。e m i 的商业产品充电功率为3 0 k w ( d c 状态5 0 k w ) ，电压 5 0 k v ，效率8 5 ，重量8 4 k g ，整体尺寸为4 8 0 x3 1 0 x5 6 0 ，功率密度为0 6 w c m 3 ，功率因数为0 9 。 1 2 2 国内开关电源技术的研究和开发情况 我国自8 0 年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分 别列入了“七五”、“八五”、。九五”国家重点攻关项目”1 。我国高压开关电 源技术已取得了很大的进步，但同国外相比还有很大的差距，特别是大功率高 压开关电源技术仍处在研发之中。在国内，利用开关电源技术实现恒流充电技 术的研究一直在进行，但目前仍以小功率变换为主；对于大功率的恒流充电电 源，主要以中频变换为主，如西北核技术研究所的“5 0 k v 4 a 高压恒流电源， 前级采用可控硅实现恒流源，再通过可控硅的全桥逆变电路实现恒流充电，逆 变频率为lk h z ，平均输出功率达1 0 0 k w ，在中频高压恒流充电技术的应用领 域中占据重要的地位嘲而对于高频高压大功率恒流充电技术还不成熟。 1 3 研究的目的、意义 过去，脉冲功率技术主要运用于国防科研。如核爆炸模拟器，惯性约束聚 变，高能闪光x 射线照相，核电磁脉冲研究、强脉冲中子源，电磁炮等等。它 们大都是单次脉冲运行模式，其特点是要求单次脉冲能量相当大，常达几十兆 焦耳，甚至几百兆焦耳。今天，高功率脉冲技术在国防科研中仍有着广泛的应 用。 冷战结束以后，民用的脉冲功率技术受到各国的重视，正日益发展起来， 如烟气治理中的脱硫脱硝，工业辐照加工，材料表面处理，食品保鲜、消毒， 电磁成形，岩石切割，体外震波碎石( 肾、胆结石) 技术，激光，微波，闪光 灯，医疗和工业中的x 射线发生器等等。这些民用脉冲功率技术大多都是重复 频率运行其单次脉冲能量一般较国防科研中的小，但要求有一定的平均功 率 2 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 1 4 技术指标及论文的主要研究工作 针对水中等离子推进器所需的高功率脉冲电源的特点，选择课题：高压恒 流充电电源技术的研究。目的是通过理论分析、数值仿真及实验分析等手段研 究高压大功率开关电源技术实现过程中所存在的一些问题，最后为其完成一台 紧凑型的高压大功率恒流充电电源的设计与制造。 高压电容充电电源的设计目标：2 4 k v ，高压电容直流充电电源要求实现 对高压电容( 2 4 k v ) 进行恒流充电的电源，充电电流在1 安左右，将4 7 0 0 u f 的 电容在2 0 m 内充电到2 4 k v ( 最高值) 充电与放电过程交替进行。 2 4 k v - 5 k w 高压电容直流充电电源要求电容为4 7 0 0 u f ，充电电压范围0 2 4 0 0 v ，电源供电电压为2 2 0 v 5 0 h z ，能量变换器的工作频率f 为2 0 k h z ，能 量变换器的最大输出功率为3 k v a ，变换器效率大于o 8 5 ，体积小于等于o 3 5 m 3 ，充电频率3 次分。 由于是初步研究，制定技术指标如下： 1 开关频率2 0 k h z 2 输入交流电压2 2 0 v x ( 1 1 0 ) 4 5 5 5 h z 3 输出直流l a ，最高电压2 4 0 0 v 4 最大功率3 k w 5 整机效率8 0 论文的主要研究工作 1 根据高压开关电源的特点，选择谐振变换器作为电路的拓扑结构，并 对谐振变换器的电压及电流的频率特性进行分析与比较。 2 对串联谐振变换器的恒流充电电路进行数学分析，分析其运行特性与 谐振回路各参数的关系，为电源的设计提供参考依据。 3 阻碍大功率高压开关电源发展的一个主要困难是高压变压器研制，在 分析高频高压变压器的特点和结合串联谐振变换器的运行特点，提出一个合理 的设计方案并设计一套谐振变换器的控制器。 4 将上述分析及思路成功地应用于一台高压大功率恒流充电电源，并完 成此电源的设计与制造。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 软开关的定义 第2 章软开关技术 所谓的“软开关”是与“硬开关”，相对应的。凡用控制的方法使电子开 关在其两端的电压为零时导通电流，或使流过电子开关的电流为零时关断，则 此开关称为软开关“”。软开关能减少传统的硬开关的开关损耗，理想的软开关 的开关损耗为零从而可提高功率变换器的传输效率“”。 最理想的软开关开通过程是零电压开通，即：电压先降到零，然后，电流 再缓慢上升到通态值，在这个过程中，开通损耗几乎为零，而且开通器件上的 电压在开通时下降为零，器件的结电容上的电压也为零，不存在容性开通的问 题，此意味着二极管已经截至，其反向恢复过程结束，故也不存在二极管的反 响恢复问题；与之相对应的是软开关关断过程( 零电流关断) ：电流先降到零， 然后，电压再缓慢上升到断态值，在这个过程中，关断损耗几乎为零，而且关 断器件上的电流在关断时下降为零，线路中的电感上的电流也相应为零，因此 不存在感性关断的过程“”。 上述开关过程对应的波形如图2 1 所示，图中还画出了硬开关的工作波 形，以示对比。 u软开关关断波形硬开关关断波形 软开关开通波形硬开关开通波形 图2 1 软开关、硬开关开关过程比较 f i g 2 - 1t h ed i s t i n g u i s hb g t w g 锄t h es o f ts w i t c h i n ga n dh a r ds w i t c h i n g 4 哈尔滨理工大学 学硕十学位论文 2 2 软开关的分类 由图2 - l 可知，软开关包括软开通和软关断；其中，软开通又包括零电压 开通和零电流开通；软关断包括零电压关断和零电流关断。 下面以上图为基础分别对四种方式作一一介绍： 1 零电压关断开关器件在两端的电压为零时实行关断。此关断命令在t l 时刻发出，开关器件上的电流从通态值下降到断态值后，端电压才从通态值上 升到断态值，开关器件进入到截止状态。在t 2 以前，开关器件的端电压必须 保持在通态值，即约为o 。 2 零电流关断开关器件在两端的电流从通态值下降到零时实行关断。此 关断命令在t 2 时刻或其后发出，开关器件上的端电压从通态值上升到断态 值，开关器件进入到截止状态。 3 零电压开通开关器件在两端的电压为零时实行开通。此开通命令在t 2 时刻或其后发出，开关器件上的电流从断态值上升到通态值后，开关器件进入 导通状态。在t 2 以前，开关器件端电压必须下降到通态值( 约等于零) ，并且在 电流上升到通态值以前保持在零。 4 零电流开通开关器件在两端的电流为零时实行开通。此开通命令在t l 时刻发出，开关器件上的端电压从断态值下降到通态值后，电流才从断态值上 升到通态值，开关器件进入到导通状态。在t 2 以前，开关器件的电流必须保 持在断态值( 约等于零) 。 2 3 软开关技术的发展 电力开关变换器在高频时需要着重解决的两大问题是： 1 实现开关管的零电压或零电流开关条件，以尽可能缩小开关损耗； 2 消除开关浪涌。 当前实现的方法很多，按照软开关的发展过程可分为谐振开关、谐振环、 软开关p w m 。 2 3 1 谐振的概念 根据电路理论可知，谐振可分为串联谐振和并联谐振。 对于任何含有电感和电容的一端口网络，在一定的频率下可呈现电阻性， 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 其端1 ：3 电压与电流同相位，则称此一端1 2 1 电路发生谐振“”。 在开关电源电路中，由于所加的电压不是正弦电压，而是直流电压。当直 流电压加在串联的l c 回路时，电路中的电压按正弦规律无阻尼振荡，当振荡 到零时，使电子开关导通流过电流，此方法为零电压开通( z e r o v o l t a g e - s w i t c h i n g ) 。同理，当电路中的流过电子开关的电流振荡到零时，使电子开关 断开，此方法为零电流关断( z e r o - c u r r e n t s w i t c h i n g ) 。电路如图2 - 2 所示。 图2 - 2 零电沉夭研等殁电跖图 f i g 2 - 2t h em o d e lc i r c u i to f z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g 描述电路动态过程的微分方程如下： l 粤+ 玑+ i l r = 以 d t 。 。 c d u h , ：i l 出 。 l l ( o 产0 ，u c ( 0 ) = 0 将式( 2 - 2 ) 带入式( 2 - 1 ) 得： 比警饿警+ v c = u 解之得： u c = u | + 4 e 。4s i n 耐+ & e “。c o s ( o f 屯= l = 4 p 一4 ( t o o a s a , v - c r s i n 研) 一c 4 e 一4 ( t r e o s c o t + a ) s i n r o t ) 由初始条件得： ( o ) = 0 = u i + a 2 屯( 0 ) = 0 = 4 0 一a 2 t 7 解以上两式得： 4 = 一o u , c o ，4 = 一以将a l ，a 2 带入式( 2 _ 4 ) 、式( 2 5 ) 得： = 以【l 一0 ) 。e - “s i n ( 耐+ ) 】 6 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 咕乐徭埋l x 辱! l 罕坝士罕怔化又 屯：u s - 墼。e - a ts i n 耐 ( 2 7 ) z o o , 、。 舯，仃= ；= 肠；搿= 厨了；z o = 厩为特性阻抗 口= t g 一1 旦= c o $ - 1 旦可知，由于r 的存在，这时u c 是一衰减的振荡波形 并最终稳定在电源电压u s 值，也就是说，这时它不再能周期性的返回零点。 为了使它回零点必须补充电路中的损耗。这可以通过电感充电来解决。 如果电感已充电，则流经电感的电流不为零，假设电感初始电流i t ( o ) = i l 0 ，则将初始条件i l ( 0 ) = i l ，u ( o ) = 0 代人得 4 = 丢电町咖手 p s ， a ! u 3 热f 为阻尼系数，f = 詈抬= 云 将a l 、a 2 代回可得； u c5 舌专e 飞i n 卅哪一南如c 褂绷 口。， 8 = t g - - 蜒 只要选择合适的i l o ，就可保证u c 返回到零 2 3 2 谐振开关的软开关实现 谐振开关主要由电力开关管、谐振电感和谐振电容组成。 按照不同的组合方式，分为电流型谐振开关和电压型谐振开关两种。 电流型谐振开关为零电流开关，电感与开关串联；电压型谐振开关为零电 压开关，电容和开关并联。同时，根据开关管是否能可逆控制，谐振开关的运 行方式可分为半波和全波两种。如图2 3 所示： 7 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 图2 - 3a ) 电流谐振半波电路 f 遮2 - 3a ) t h ec i r c u i to f h a l f w a v ec u r r e n ts y n t o n y 图2 - 3b ) 电流谐振全波电路 f i g 2 - 3b ) t h e c i r c u i to f w h o l ew a v ec u r r e n ts y n t o n y 图2 - 3c ) 电压谐振半波电路 f i g 2 3c 1t h e c i r c u i to f h a l f w a v ev o l t a g es y n w n y 图2 - 3d ) 电压谐振全波电路 f i g 2 - 3d ) t h ec i r c u i to f w h o l ew a v ev o l t a g es y m o n y 下面我们以电流谐振电路半波电路为例来说明它的软开关是如何实现的。 对开关管z l 而言，h 与c i 组成一个串联谐振电路。当z l 开通时，由于l l 限制 电流的上升速度，可实现零电流开通。当z l 导通时，电流以准正弦形式经z l ， l l 进入c i 。当电感电流下降到零时，电容电压使d l 承受反向电压而关断。这 样，谐振开关具备了零电压和零电流的特性。其它的工作原理依此类推。 与半波结构相比，全波结构谐振变换器的直流电压转换比与负载的大小无 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 关，只与开关器件的工作频率和l c 谐振频率有关。因此，全波结构变换器的 控制比半波结构要简单，在工程中应用更普遍。 与一般的p w m 开关相比，谐振开关的优点是能实现软丌通或软关断，但 是它的缺点也很明显： 1 开关器件的通态电流或断态电压应力大。对于电压模式的谐振开关， 开关在零电压下开通和关断，其承受的断态峰值电压是输出电压的两倍以上， 对电流模式则它的通态电流峰值输出电流的两倍以上，通态损耗大。 2 开关器件的工作频率不恒定。当电源或负载变化时，只能靠改变开关 器件的工作频率f 来调节输出电压，使f 的变化范围很大，以至于功率变压 器，输入，输出滤波器的设计和优化都难以进行。 3 f 的大范围变化不利于与下级变换器的同步。 2 3 3 软开关p w m 变换技术 由上述介绍可知，软开关的实现形式有许多种，一般的谐振环或谐振开关 都可以克服传统p w m 变换器硬开关的缺陷，实现软开关。但由于他们既利用 谐振实现换相，又利用谐振来实现功率传输，而不能很好的应用p w m 控制方 式，因此，器件的通态电流峰值或断态电压峰值是负载或电源的电流或电压的 两倍以上，这不但增加了稳态器件的电流或电压应力，又增加了通态损耗。而 传统的p w m 开关变换器的器件通态电流、断态电压等于负载或电源的电流或 电压，通态损耗小，通态电流或断态电压应力小 由此可见，若用谐振来实现换相，换相完后再用p w m 来实现功率传输， 则可综合以上两种方式的优点，则既能克服硬开关p w m 在开关过程中的缺 陷，又能保留硬开关p w m 变换器的低稳态损耗和低稳态应力，完成效率更高 的功率传输。 2 4 本章小结 本章介绍了软开关、谐振的概念分析了实现谐振需要满足的条件。谐振实 现换向，换向后用p w m 实现功率传输。 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章全桥变换器的控制方法 3 1 基本的全桥p w m 变换器 p w m ( p u l s e - w i d t h m o d u l a t i o n ) 开关技术以其电路简单，控制方便而获得了 广泛的应用，许多国家争先致力于功率电子器件、磁性材料、控制集成芯片和 电路拓扑等方面的研究“”p w m 脉冲宽度调制是指在开关电源工作过程中， 开关频率不变，通过改变开关接通时间的长短即脉冲宽度来实现对输出电压和 输出电流的调整，开关管的通断控制与开关管上流过的电流和两端所加的电压 无关在d c d c 变换器中，有单管构成的变换器，一般适用于中小功率应用 场合。全桥变换电路拓扑是目前国内外多管d c d c 变换电路中最常用的电路 拓扑之一，在中大功率应用场合更是首选拓扑，这主要是考虑它具有功率开关 器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。全桥变换器 的主电路有双极性控制方式，有限双极性控制方式和移相控制方式。双极性控 制方式是全桥电路最基本的方式，在这种方式中，功率变换是通过中断功率流 和控制占空比的方法来实现的，其工作频率恒定“”。 l v i n “属 0 v 1 “雇 图3 一lp w md c d c 全桥变换器结构及主要波形 f 培3 一lp w m d c d cf u l lb r i d g ec , o i l v f i r t o ra n dw a v e d c d c 全桥变换器由全桥逆变器和输出整流滤波电路组成，图3 1 是 1 0 哈尔滨理t 欠掌t 学颅十学付论文 p w md c d c 全桥变换器的基本电路结构及其主要波形。v 。足输入直流电 压，q l 、d 1 与q 3 、d 3 组成一个桥臂，q 2 、d 2 与q 4 、d 4 组j 戊弓一桥臂。高频 变压器l 的原副边匝比为k ：1 ：l ，d r l 和d r 2 是输出整流二极管，c f 是输 出电容负载。考虑所有元器件为理想情况，通过控制四只开放管，在八b 两 点得到一个幅值为v 。的交流方波电压，经过高频变压器的陷离和变压及由 d r l 和d m 构成的全波整流，在c ，d 畴点得到幅值为v ，, o kf 流方波电压， t ， 在输出端得到一个平直得直流电压，其电压值为v o = d 鲁其中d 是占空比。 r d = 享戋，b 是导通时间，t | 是开关周期。通过调节占空i o 束调节输出电压 j j ，二 v 。 3 2 基本的移相控制z v sp w m 全桥变换器 传统的全桥p w m 变换器的特点是开关频率恒定，便f 2 制。为了提高变 换器的功率密度，减少单位输出功率的体积或重量，需要将j f 炎频率提高，但 会遇到歼关转换时功率管损耗随开关频率提高而增加的难题，这是因为功率开 关管工作在硬开关状态下，由于电路中杂散参数的影响，丌天i 堂在开关过程中 的电流尖峰( 容性开通) 和电压尖峰( 感性关断) 会很高。”。软开天皆振型工作，功 率管在零电流或零电压时转换，大大减少了导通和关断过程r ，的牙关损耗。最 早的软开关技术是谐振变换器技术，它是通过频率调制方式术拧制，不是将功 率电路各元器件简单理想化，而是在充分研究功率开关变换f u 路的参数和寄生 元件作用机理的基础上，应用电感电容网络的谐振原理，迫佳j 由率斤关器件的 电流或电压按正弦规律变化，当电压或电流过零时，使器件j r 通或关断，因此 解决了开关动态损耗、电流冲击、电压应力和电磁干扰等问题。但是频率调制 谐振变换器也带来了以下问题： 1 输出电压与频率有关，为保证输出电压在各种运行条件下不变，必须 采用变频控制，对负载变化的适应性差，所以常用于负载基本不变或变化不大 的场合； 2 为了在很宽的输入电压和负载变化范围内调节输出f 歼关频率变 化范围要求很宽，这样使输出滤波器、变压器等磁性器件自1 优化设计十分困 难，磁性元件体积和重量的减少受到限制； 3 功率器件和谐振电感、谐振电容的电压和电流应力较欠； 哈尔滨理工大学t 擘硕士学位论文 根据两个桥臂导通时间增加的情况不一样，斜对角两只开关管关断方式的 不同，可以将控制方式归成两类：一类是斜对角的两只开关管同时关断，它不 能实现软开关；另一类是斜对角的两只开关管关断时间错歼，一只先关断，一 只后关断，它可以实现软开关。 相移软开关p w m 控制方式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。这种控制方式实际上是谐振变换技术与常规p w m 技术的 结合。其基本工作原理为：每个桥臂的两个开关管1 8 0 。互补导通，两个桥臂的 导通之间相差一个相位，即移相角通过调节移相角的大小，来调节输出电 压脉冲宽度，在变压器副边得到占空比d 可调的正负半周对称的交流方波电 压，从而达到调节相应的输出电压的目的。 要实现p w md c d c 全桥变换器的软开关，必须引入超前桥臂和滞后桥臂 的概念，定义斜对角两只开关管中先关断的开关管组成的桥臂为超前桥臂，后 关断的开关管组成的桥臂为滞后桥臂。超前桥臂实现零电压开关，并且很容易 实现零电压开关，不能实现零电流开关。滞后桥臂可分别实现z v s 和z c s 。 实现z v s 时较超前桥臂困难。 根据超前桥臂和滞后桥臂实现软开关方式的不同，可以将软开关p w m 全 桥变换器分为两大类：一类是z v sp w m 全桥变换器，其超前桥臂和滞后桥臀 都实现z v s 。无论是超前桥臂还是滞后桥臂，为了实现z v s ，有必要在开关 管两端并联电容，或者利用开关管自身的输出电容c o s s ：另一类是零电压零电 流开关( z v z c s ) p w m 全桥变换器，其超前桥臂实现z v s ，滞后桥臂实现 z c s ，对于滞后桥臂，为了实现z c s ，不能在开关管两端并联电容。它们均采用 移相( p h a s e s i f t f o 控制方式 相移软开关p w m 控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作 为谐振元件，利用高频变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电来 使开关管两端电压下降为零，使全桥p w m 变换器的四个开关管依次在零电压 下导通，从而有效地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、提高效率、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。 3 3 移相控制z v sp w m 全桥变换器的特点 1 2 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 3 3 1 移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器的工作原理 移相控制零电压开关p w m 变换器利用变压器的漏感或原边串联电感和功 率开关管的寄生电容或外接电容来实现零电压开关，它的电路结构及主要波形 如图3 2 所示其中，d l d 4 分别是q l j q 4 的内部寄生二极管，c l c 4 分别 是q l q 4 的寄生电容和外接电容之和。k 是谐振电感，它包括了变压器的漏 感。每个桥臂的两个功率管成1 8 0 互补导通，两个桥臂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 分别超前q 4 和q 2 一个相位，称q i 和q 3 组成的桥臂为超前桥臂，q 2 和q 4 组成的桥臂为滞 后桥臂1 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1 2 种开关 状态。在分析之前，作出如下假设； 1 所有开关管，二极管均为无损耗理想器件； 2 所有电感、电容和变压器均为无损耗理想元件； 3 c i = c 3 = c 枷，c 2 = c 4 = g n ； 4 工， l , k 2 ； f叫i q 1 ，一 、 力、 l | i f | 。j y 吖 一 | 厂 八 - | 图3 - 2 主电路及主要波形 f i g 3 - 2t h em a i nc i r c u i ta n dt h ew a v e 图3 3 给出了该变换器在不同开关状态下的等效电路。各开关状态的工作 情况描述如下： 哈尔滨理工大学工学颂十学位论文 ( 1 ) 开关模态0 ：原边电流i 。正半周功率输出过程 在t o 时刻，对应于图3 - 3a ) 。q 】和( h 同时导通，且q 3 和q 2 截止。在此 时刻，全桥左臂支路中点电压u a = v i n ，右臂中点电压u b = 0 ，两臂中点电 压u a e = v m ，它加在主功率变压器原边绕组( 包括附加电感l r ) 两端，使原边电 流由电源正经q l 变压器原边绕组、谐振电感l f 以及q 4 最后回到电源负。副边 电流回路是：副边绕组l s l 的正端，经整流管d d 、到电容c 。在功率输出的过 程中。软开关移相控制全桥电路的工作状态与普通的p w m 硬开关全桥脉宽调 制电路相同，即两臀对角线上下开关管同时导通，输入电压v 。全部施加在原 边绕组两端。 ( 2 ) 开关模态l , t l 】：超前臂皆振过程 对应于图3 - 3b ) ，在t o 时刻关断q l ，原边电流从q l 中转移到c 3 和c 1 支 路中，给c l 充电，同时c 3 被放电。由于有c 3 和c l ，q i 是零电压关断。在这 个时段里，谐振电感k 和滤波电感l f 是串联的，而且h 很大，因此可以认 为原边电流i p 近似不变，等于滤波电感电流i l f 除以变比k ，这样原边电流i 。 和c l c 3 的电压为： f ，= f ，( f o ) = = 0 ( f o ) ，量 驰) = 跫) = 一是) 时捌 图3 - 3 ( a x t o ) 时刻 f i g 3 3 ( a ) t h ec i r c u i t a tt ot i m e 在t l 时刻，c 3 的电压下降到零， 开关模态l 。该模态的时间为： ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 图3 - 3 c o ) t o t 1 1 f i g 3 - 3 ( b ) t h ec i r c u i tf r o mt ot ot l q 3 的反并二极管d 3 自然导通，从而结束 1 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ”错 ( 3 啕 ( 3 ) 开关模态2 【t l ，捌：i p 正半周箝位续流过程 对应于图3 - 3c ) 。d 3 导通后，开通q 3 。虽然这时候q 3 被开通，但q 3 并没 有电流流过，原边电流由d 3 流通。由于是在d 3 导通时开通q 3 ，所以q 3 是零 电压开通。q 3 & q i ，驱动信号之间的死区时间【k “， t o i ，即： ， 笔普 p s ， 在这段时间里，原边电流等于折算到原边的滤波电感电流，即： 御：华( 3 - 6 ) 在t 2 时刻，原边电流下降到i 。( t 2 ) 图3 - 3 ( c ) t l 犯】 f i g 3 - 3 ( c ) t h ec i r c u i tf r o ml 】t ot 2 ( 4 ) 开关模态3 t 2 ，t 3 】：滞后臂谐振过程 对应于图3 3d ) 。在t 2 时刻，关断q 4 ，原边电流i p 由c2 和c4 两条路径 提供，也就是说，原边电流i d ，用来抽走c2 上的电荷，同时又给c4 充电。由 于c2 和c4 的存在，q 4 是零电压关断。此时v a b = v c a ，v b 的极性自零变为 负，变压器副边绕组电势下正上负，整流二极管d r 2 导通，副边绕组l s 2 中开 始流过电流。整流管d r l 和d 乜同时导通，将变压器副边绕组短接，这样变压 器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，v a b 直接加在谐振电感k 上。因 此这段时间由谐振电感k ，和c2 、c4 谐振，原边电流i 。和电容c2 和c4 的 电压分别为： ( f ) = ( f 2 ) o o s c o ( t f 2 ) ( 3 - 7 ) 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 4 ( f ) = 乙( t 2 ) s m c o ( t t 2 ) v c 2 ( t ) = 圪一z j p ( t 2 ) s i n c a ( t t 2 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 其中，z ，= , l , 2 c 姆，= 1 ，2 c k 在t 3 时候，当c 4 的电压上升到v j l i ，d 2 自然导通，结束这一开关模态。开 关模态3 的持续时间为： 1矿 岛2 寺咖。1 赢( 3 - 1 0 ) ( 5 ) 开关模态4i t 3 ，叫：谐振结束时，原边电感储能返回电网过程 对应于图3 - 3e ) 。在t 3 时刻，1 3 2 自然导通，将q 2 的电压箝在零位，此时 就可以开通q 2 ，q 2 是零电压开通。q 2 & q 4 驱动信号之间的死区时间 岛( 姆) k ，即： p 石1s i n 乙g m ( 岛) ( 3 - 11 ) 国 z 。l “ 图3 - 3 ( d ) 开关模态3 【t 2 ，t 3 1 f i g 3 - 3 ( d ) t h ec i r c u i tf r o mt 2t ot 3 图3 - 3 ( e ) 开关模态4i t 3 ，t 4 1 f i g 3 3 ( e ) t h ec i r c u i tf r o mt 3 t ot 4 虽然此时q 2 已开通，但q 2 不流过电流，原边电流由d 2 流通。原边谐振 电感的储能回馈给输入电源。由于副边两个整流管同时导通，因此变压器副边 绕组电压为零，原边绕组电压也为零，这样电源电压v 。，加在谐振电感两 端，原边电流线性下降。原边电流为： i t ( t ) = ( ) 一t 一，3 ) ( 3 1 2 ) 1 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 到t 4 时刻，原边电流从( 岛) 下降到零，二极管d 2 和d 3 自然关断，q 2 和 q 4 中将流过电流。开关模态4 的时间为： = o i p ( t d g , 。 ( 3 1 3 ) ( 6 ) 开关模态5 阻，t 5 】：原边电流下降过零点后开始负向增大过程 对应于周3 30 。在t 4 时刻，原边电流由正值过零，并且向负方向增加， 此时q 2 和q 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 载电流仍由两个整流管提供回路，因此原边绕组电压仍然为零，加在谐振电感 两端电压是电源电压v j n ，原边电流反向增加。原边电流为； 矿 ( f ) = 一二； 芝( f 一，4 ) ( 3 1 4 ) 厶， 到t 5 时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流i l f ( t 5 ) k 值，该开关模 态结束。此时，整流管d r l 关断，d a 流过全部负载电流。开关模态5 的持续 时间为： ：一l , 1 g _ ( t s 一) k ( 3 - i s ) 图3 - 3 ( 0 开关模态5r 饥切 f i g 3 - 3 ( 0t h ec i r c u i tf r o mt 4t 0t 5 【t 5 埔】 图3 3 ( 曲开关摸态6 如，纠 f i g 3 - 3 t h ec i r c u i tf r o m1 5t ot 6 ( 7 ) 开关模态6 t 5 ，蝴原边电流i 。负半周功率输出过程 对应于图3 - 3g ) 。在这段时间里，电源给负载供电，原边电流为： 删一糍 因为0 ，k 2 ，式( 3 - 1 6 ) 可以简化为下式： 1 7 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 炒一警) ( 3 - l7 ) 在t 6 时刻，q 3 关断，变压器开始另半个周期的工作，其工作情况类似于上 述的半个周期。 3 3 2 移相控制z v sp w m 全桥变换器的优点 移相控制z v sp w m 全桥变换器集谐振变换器和p w m 控制优点于一体： 1 开关频率恒定，利于滤波器的优化设计； 2 实现开关管的z v s ，大大降低了开关损耗； 3 元器件的电压、电流应力小，电压应力为电源电压，电流应力等于折 算到原边的负载电流； 4 与传统p w m 硬开关变换器相比，仅仅增加了一个谐振电感，成本和 电路的复杂程度没有增加。 3 3 3 移相控制z v sp w m 全桥变换器的缺点 移相控制z v sp w m 全桥变换器也存在一些问题，主要有： 1 滞后桥臂实现z v s 比较困难。因为只有变压器漏感的能量用来实现滞 后桥臂的z v s ，实现z v s 的负载范围窄。为了在较宽负载范围内实现滞后桥 臂z v s ，必须加大变压器原边漏感或在变压器原边中串入谐振电感1 ； 2 变压器的漏感或附加的谐振电感带来占空比丢失。漏感或附加的谐振电 感越大，占空比丢失越大；为了得到相同的输出电压，必须减小变压器的原副 边匝比，这样要增加原边电流和输出整流管的反向电压1 ； 3 输出整流二极管换流时，变压器的漏感或附加的谐振电感与变压