（电力电子与电力传动专业论文）高功率因数软开关电源研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a o i i i l p 0 、榭s y s t e m , 也e p 0 啊e l e e 订o m e 刚p n l e n 忸呲u s e d m o 坞a n d m o r ea t p f e s e n tt h i sb r i n g so np o w e rf a c t o f 伽l i n ga n dh a r m o m ed a m a g e f o re l l s u r i n g t h a tt h ep o w 盯s y s t e mr e g u l 咖w o r k s ，a d o p t sn o w ；w a ys o m e t i m e si st 0r e s t r i c t t h ee 枷i e s s w i s h i n gi nt h ep ( w 盯s ) r s t e m 锄m u 倒o ne q l l i 脚n e n t t h eu o f h i 曲d cp o w 盯s u p p l yi sl i m i t e d t h e r e f o r e , t h eh i 曲p o w 盯f a c t o rh i 曲- p o w e r s 诵t c l l i n 争m o d ep o w e rs u p p l yb e c o m e s t h em a j o rt o p i co f d i s c u s s i o ns t u d y i n g t h e r ee x i s tt w op r o b l e m si nt h eh i 曲- p o w e rs 讹h i n g - m 0 d ep o w e rs u p p l y 蒯z i n g 也eh i 曲鲫榭f a c t o rm a i n l y ：f i r s t , 诵t ht h ep o w 钟m e r e a s i n gb y ，也c s 谢t c h i n gl o s s e sa l s om a yf o l l o wt h a tt 0m e 化a s eb y ，h o wt oc o m et or e d u c et h e s 咖h i n gl o s e s ；w h a tt o p o l o g y , s e e o n d l y ，a d o p t t or e a l i z e p o w 盯f a c t o r a d j u n c tc o m i n g s t r u c t u r e e i ct 0r e l v et h ef i r s tp r o b l e m s an o v e lz v z c s p w mc o n v 哪e ri s p r o p o s e dw h i c hu sac o u p l c do l i l p u ti i l d u c t o r as i m p l ea u x i l i a r yc i r c 疵t h a t c o n s i s t so fn e i m 盱l o s s yc o m p o n e n tn o ra c t i v es w i s h i n gi su s e 正t h ev o l t a g e s 虹弓s so ft h es e c o n d a r yr e e t i f i e rd i o & i sk e p ta ss m a l la st h a to fh a r d - s 疵h i n g c o n v e n e r t h ee u r r 跚tt oe l s ed a m p i n ge 哪i t a n e ei s l f 删u s t e di i l a c c o r d a n c e 、 d t ht l 把l o a da tl i g h tc o n d i 廿o n ，w h i c hg u a r a n t y sh i 曲e f f i e i e yo v e r w i d cl o a dr a n g e d i o d ed co fa u x i l i a r yc h 硫i ss o f u ye o m m u t a ：t e d 趾di t so f 州e r s e 姗v e r yi sm i n i m i z e d a k i n d o f m e 删b r o u g h t f o m 咖r d f 0 rp ( w 盯f a e t o r c o r r e c t i o n t r i e s t o c o 雠t t h em 疵t h a tt h ef b n th a db e e nm e n d o n e d as i n 甜e s t a g ep o 啊f a c t o r c 咄c t i 眦e i r e m tt h a tc o m b m e sat w o s m t e hp o w 玎f a c t o rc o r r e e t i o ne i r e m tt h e n e wm o d e lz v z c s p w mc o n v e r t e ri sp r e n t c di nt h i sp a p e r t h ee k e m tt u r n s n o tt oa p p e n dt h es 1 ) 1 7 i t e hc 0 蚰p m 吼n o ti n c r e a s i n gt h ev o l t a g es t r a i nt h a tt h e s 谢t c hi si nc h a r g eo f m h - b r i d g e t h ep a p e rh a sa n a l 刚t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eb e i n gae i i e u i t st u r n , h a s 百v e no i l tm a i np a r a m e t r i c 爬d 【o 血吕t h ep s p i c e 9 2 ，ak i n do fc i f c l l i ts p e c i a l e m u l a t o r ，h a sb e e na p p l i e dt oa n a l y z i n gt h ec o n v c i i c te h a r a e t e r i s t i co nt h eb a s eo f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o p e nl o o pc o n t r 0 1 1 1 1 ep a p e rh a sa n a l y z e da l li m p a c to fe v e r yp a r a m e l e ro v e r c o n v e r t e rf u n c t i o n , h a sg o to p t i m i z a t i o np a r a m e t e r so f e v e r ym a i nc o m p o n e n t 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e s ：u s e dt h i sc o n v e r t e r st o p o l o g ys t r u c t u r e t h e e n v e l o p ec u r v eo fi m p o ae l e c t r i cc u r r e n tf o l l o w se n t e r i n gv o l t a g ec h a n g e a n d p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nh a sb e e nr e a l i z e d a tt h es a m et i m e ，t h ez e r oe l e c t r i c c u r r e n tc u t o f f i nt h ea d v a n c eb r i d g ea r ma n dt h ez e r ov o l t a g ec u t o f f i nt h el a g g i n g b r i d g ea r ma l ea b l et or e a l i z ea b o v ef i x e dl o a di n1 5 1 1 1 ec o n v e r t e rh a sh i 曲 e f f i c i e n c yw i t h i nl o a d sv e r yb r o a dr a n g e t 1 l i sh a st h ep r o s p e c ta p p l y i n gb r o a d l y i nt h ee q u i p m e n tw h i c hu s e si g b t k e yw o r d s ：p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o n ( p f c ) ；s o f t - s w i t c h i n g ；z v z c s ； p h a s e - s h i f t e dc o n 缸o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：当理壁 日期：口7 年2 月妙日 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 电源是给电子设备提供所需要的能量的设备，任何电子设备都离不开电 源，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电子设备要获得好的工作可靠 性必须有高质量的电源，所以电子设备对电源的要求日趋增高。“1 现有的电源主要由线性电源和开关稳压电源两大类组成。这两类电源由 于各自的特点而被广泛应用。跚线性稳压电源的优点是设计简单、成本低廉、 稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小、无高频辐射干扰。 它的优良的输出特性，使其在对电源性能要求较高的场合仍得到广泛地应用。 但它的不足之处也非常明显： ( i ) 对供电电网电压的波动敏感； ( 2 ) 要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大； ( 3 ) 调整管的功耗较大时电源的效率大大降低，一般情况不会超过5 0 ； ( 4 ) 过载能力差； ( 5 ) 电源的功率因数低，一般在0 6 0 7 之间。 相对于线性稳压电源来说，开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备 的要求，从2 0 世纪中期开关稳压电源闯世以来就倍受关注，特别是2 0 世纪 8 0 年代以后，由于电力电子技术的发展和新型电力电子器件的产生，使其在 计算机、通信、航天、办公和家用电器等方面得到广泛应用，大有取代线性 稳压电源之势。 开关稳压电源的主要优点有： ( 1 ) 效率高； ( 2 ) 可靠性和稳定性较好； ( 3 ) 体积小、重量轻； ( 4 ) 对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍 能持续较稳定的输出。 但是，由于开关电源中的功率开关管处于开关状态，使其存在输出纹波 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电压较高、瞬变响应较差、对电网和外部电子设备有电磁干扰等缺点。 今后，开关电源的发展，除了继续保持已有的优点外，主要是采用技术 和工艺措施来克服上述缺点。 1 2 开关电源的发展趋势和应用前景 开关电源的发展要推广一系列新技术来提高开关稳压电源的性能和可靠 性。这些新技术包括： ( 1 ) 软开关技术 在开关电源发展的初期阶段，功率开关管的开通或关断是在器件上的电 压或电流不为零的状态下进行的。也就是说，是在器件上的电压未达到零电 压时强迫器件开通，在器件中流经的电流未达到零电流时强迫器件关断。由 于开关管不是理想器件，在开通和关断这段时间内，电流和电压有一个交叠 区，产生损耗，这种工作状态称之为“硬开关”。工作在硬开关状态下的电源 开关损耗很大，并随开关频率的提高，开关损耗也随之增大。所以，硬开关 技术限制了开关稳压电源的工作频率和效率的提高。 软开关技术的出现有效的解决了这个问题。所谓“软开关”是指零电压 开关( z e r o - - v o l t a g e - - s w i t c h i n g ，z v s ) 或零电流开关( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ，z c s ) ，它是应用谐振原理，使开关器件中的电压( 或电流) 按正 弦规律变化，使电压( 或电流) 为零时，器件开通( 或关断) ，减小电压与电 流的交叠区。这样一来，理论上开关损耗可以做到为零。应用软开关技术， 可以使开关稳压电源的工作频率达到姗z 的量级。 ( 2 ) 同步整流技术 近年来，电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越 大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新 的难题。 开关电源的损耗主要由3 部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的 损耗，输出端整流管的损耗。在这种情况下，以前是应用肖特基二极管做次 级整流，当开关稳压电源的输出电压降低时，这种整流方式会使电源的效率 大幅度下降。如输出电压为3 3 v 和1 5 v 时，此时超快恢复二极管的整流 损耗已接近甚至超过电源输出功率的5 0 。即使采用肖特基二极管，整流管 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上的损耗也会达到1 8 4 0 。 利用同步整流技术可以大大提高低电压开关稳压电源的效率。同步整流 技术是通过控制功率m o s f e t 管的驱动电路来实现功率m o s f e t 管完成整流功 能的技术。它能大大提高d c d c 变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压 而造成的死区电压。用功率m 0 s f e t 做整流器时，要求栅极电压必须与被整流 电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。利用同步整流 技木大大提高了次级整流的效率，使开关稳压电源的效率达到9 0 以上。 ( 3 ) 功率因数校正技术 开关电源的电磁干扰是其主要缺点之一。开关电源多数是通过整流器与 电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路， 在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。传 统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低，一般仅为0 4 5 o 7 5 ， 而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的9 5 ，五次谐波的幅度约为基波幅度的7 0 ，七次谐波的幅度约为基波幅度的 4 5 ，九次谐波的幅度约为基波幅度的2 5 。高次谐波的危害在很多文献中 已有论述，这里不再赘述。 抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用无源滤 波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波：二是主动法，即设计新一代高性能整 流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即具 有功率因数校正功能。国外改善开关电源功率因数工作的重点，主要是功率 因数校正电路拓扑结构的研究和功率因数校正控制集成电路的开发，国内一 些厂家也做了类似的工作。采用功率因数校正电路的开关电源，其功率因数 可达0 9 5 0 9 9 ，近似于1 。近年来功率因数校正电路得到了很大的发展， 成为电力电子学研究的重要方向之一。 总之，无污染、高可靠性、高效率、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。无污染必将成为未来电源进入电网的必要前提。 高可靠性和高效率是高频化和小型化的目的，市场对高可靠性开关电源系统 要求的平均无故障工作时间为1 5 万小时，效率能够提高到o 9 以上。高频化 可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和 重量，目前小功率开关电源的开关频率已经可以达到数l v f l i z 。功率重量比或 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。模块化可显著提高电源的可靠性和使用灵活性， 简化生产和使用。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。 1 2 1 功率因数校正技术的发展 目前广泛使用的改善功率因数的方法主要有以下几种： ( 1 ) 多脉冲整流法。它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波电流进 行移相，使奇次谐波在变压器次级相互叠加而抵消。 ( 2 ) 无源滤波法。无源滤波电路结构简单，通常是在电路的整流器和电 容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入一个谐振滤波器。无源滤波成本 低，可靠性高，电磁干扰小。但是这种滤波电路尺寸大，重量大，难以得到 高功率因数( 一般可提高到0 9 左右) ，工作性能对于频率、负载变化及输 入电压波动敏感，电感和电容间有大的充放电电流等。这种方法对抑制高次 谐波有效，但滤波设备庞大，而且运行情况受系统阻抗的影响，若不使用调 谐电抗器，很可能会与系统电抗产生并联谐振。 ( 3 ) 有源功率因数校正法。它直接采用有源开关或a c d c 变换技术， 使输入电流成为和电网电压同相位的正弦波。在整流器和负载之间接入一个 d c d c 开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流i 。的波形跟踪交流输 入正弦电压的波形，从而使电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的 电网电压同相位。有源功率因数校正可得到较高的功率因数，总谐波畸变小， 可在较宽的输入电压范围内和宽带下工作，体积小，重量轻，输出电压也可 保持恒定。但是电路复杂，m t b f ( 平均无故障时间) 下降，成本较高，效率 会有所降低等。有源功率因数校正器已广泛应用在a c d c 开关电源、交流不 间断电源( u p s ) 等领域。 p f c 技术有多种分类方法，根据电网供电方式，p f c ( p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ) 电路可分为单相p f c 电路和三相p f c 电路；根据电路构成，p f c 电路可分为无源p f c 电路和有源p f c ( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a p f c ) 电路。 一般认为有两种基本的有源p f c 技术，其中一种是变换器工作在连续导 电模式下的乘法器型p f c 技术，另一种是变换器工作在不连续导电模式下的 电压跟随器型p f c 技术。实际上还有磁放大p f c 技术，三电平 ( t h r e e l e v e l ) p f c 技术和不连续电容电压模式( d c v m ) p f c 技术等。 乘法器型p f c 技术的基本原理是b o o s t 变换器工作在连续导电模式，其 电感电流就是输入电流。电感电流被采样并被控制，使其幅值和与输入电压 同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校正的目的。乘法器型p f c 电路还可以根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电 流信号，从而获得可调整的输出电压。乘法器型p f c 技术的控制方式可分为 三种：常频控制，常误差带控制和变误差带控制。 基本电压跟随器型p f c 电路中的变换器工作在不连续导电模式，其开关 由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比 于输入电压，因此输入电流波形自然与输入电压波形相同。 事实上，对于不同的变换器结构，输入电流波形会出现不同程度的畸变， 但这对输入功率因数的影响并不明显。与乘法器型p f c 电路相比，电压跟随 器型p f c 电路的控制方式更为简单，仅需要一个输出电压控制开关。因此， 多数现有的开关电源p w m 控制用集成电路均可作为电压跟随器型p f c 电路的 控制器。另外，变换器工作在不连续导电模式下，从而避免了b o o s t 变换器 中因输出二极管反向恢复电流而带来的问题。 电压跟随器型p f c 技术的一个缺点是其输入电流波形为脉动三角波，因 此其前端需添加一个小容量的滤波电容( 或是l c 低通滤波器) 以滤除高频纹 波。另一个缺点是其较高的开关峰值电流会带来较大的开关关断损失。 根据软开关特性，有源p f c 技术可分为两类，即零电流开关( z e r oc u r r e n t s w i t c h i n g ) p f c 技术和零电压开关( z e r ov o t a g es w i t c h i n g ) p f c 技术，按实 现软开关的具体方法，每一种p f c 技术还可以进一步划分为并联谐振型、串 联谐振型以及准谐振型。 在控制方法上，有源p f c 技术可以采取脉宽调制( p 咖) ，频率( f 岫，单环 电压反馈控制，双环电流模式控制，数字控制，滑模( s l i d i n gm o d e ) 控制以 及单周期( o n ec y c l e ) 控制等控制方法。从拓扑结构上划分，有源p f c 电路可 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分为预调整器( p r e r e g u l a t o r ) 型p f c 电路以及单级组合p f c 变换器两种形式， 后者被认为是较理想的有源功率因数校正电路结构。 综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，即通过电路方法将输 入电流波形校正为正弦波或使其无限接近正弦波，即可实现功率因数校正。 有很多的电路方式可以实现这一目的。 1 2 2 软开关技术的发展 电源是电子设备正常工作的基础部件，有很高的要求，包括使用要求和 电气性能要求。使用要求是：高的可靠性、好的可维修性、小的体积重量、 低的价格及使用费用和好的电气性能。 平均故障间隔时间盯b 是衡量开关电源和其他设备可靠性的重要标志， 某些电源模块的m t b f 已大于5 0 万小时。减小损耗、提高效率和改善散热条 件，从而减小电源的温度升高，是提高可靠性的基本方法。加强生产过程质 量控制，保证好的电气绝缘和机械强度等也十分重要。 对于中大型开关电源，改善可维修性十分重要。及时诊断出故障部位， 不用专用工夹具即能排除故障是可维修性好坏的衡量标志。或者说，不需要 熟练工人而能在较短时间内排除故障的电源就具有好的可维修性。因此这些 开关电源必须有计算机故障检测、保护、诊断和故障记忆与报警电路。可维 修性包括现场维修和车间维修两个方面。现场维修要求在电源系统运行情况 下快速卸下故障电源模块，更换新模块，并使新模块方便地投人系统运行。 车间维修是对故障电源本身的修理。对于小功率电源模块则一般不再修理。 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。直接装在印制板上的模块电源， 还要求薄型化。对于为电子设备配套的电源，即使它并不在电子设备内部， 也要求有小的体积和重量。提高开关频率是减小开关电源体积和重量的基本 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。 提高开关频率要求发展高速电力电子器件和高频低损耗的磁芯及电容器，发 展高强度、高绝缘性能和高导热性的绝缘材料，发展新型的零开关损耗电路 拓扑和相应的电源结构与工艺方法。 降低开关电源生产成本和使用费用是提高市场竞争力的主要条件。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电源的电气性能对电子设备的工作有重要影响，电子设备的发展对开关 电源的电气性能要求也不断提高。开关电源在家用电子电器和个人计算机中 的应用，对安全性提出了更高的要求，应防止电源故障危害人身安全。 直流开关电源的电气性能包括输入特性、输出特性、附加功能、电电磁 兼容性和噪声容限。 直流开关电源的输入电源有两种：直流电源和交流电源。交流输入时， 交流电压往往要先经整流滤波变换成直流电压后，再通过直流变换器转变为 所需的直流电压。使用直流电源时，电源电压额定值及其变化范围，输入电 流额定值及其变化范围，输入冲击电流，输入电压的突然下降或瞬时断电， 输入漏电流等是必须考虑的因素。输入为交流时还必须考虑输入电压相数， 电源额定频率及其变动范围，输入电流波形和输入功率因数等要求。 输出参数有额定输出电压、电流，输出电压可变范围，输出电流变化范 围和输出电压的纹波。输出电压稳压精度是直流开关电源的重要技术指标， 输入电压的变化、负载电流的变化、工作环境温度的变化和工作时间的增长 都会使电源输出电压变化。稳压精度包括负载效应( 负载调整率) 和源效应 ( 电网调整率) 。负载效应是指当负载在0 1 0 0 额定电流范围内变化时， 输出电压的变化量与输出电压整定值的比值。源效应是指当电网电压在规定 的范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压整定值的比值。 开关电源还应有输出过压、欠压、过流和过热等保护功能，以免损坏用 电设备。在构成电源系统时，开关电源还应有遥控、遥测和遥信功能。 开关电源应有高的电能转换效率、低的噪音、好的电磁兼容性和绝缘性 能等。 在2 0 世纪中期发展起来的p w i v i 功率变换技术是一种硬开关技术。所谓“硬 开关”是指功率开关管在导通或关断时，其上的电压或电流不为零，即开关 管是在控制信号的强制控制下变换状态的。此时必然存在开关损耗。随着电 力电子技术的高速发展，体积小、重量轻、效率高、可靠性高等要求提到日 程上来。这便要求变换器的工作频率越来越高。这样，仍采用硬开关技术必 然会遇到一系列问题。 ( 1 ) 开关损耗大。开关管导通时，电流上升而电压下降，但两者均不为 零。开关管关断时，电流下降而电压上升，但两者均不为零。所以不管开关 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管是导通还是关断，均要产生开关损耗。开关损耗随开关频率的提高而急剧 的增加。 ( 2 ) 开关管关断时，电路中的感性元件会产生反电势，这是一个幅值很 高的尖峰电压。同样，在开关管导通时，电路中的容性元件将产生充电电流， 这是一个幅值很高的尖峰电流。感性关断尖峰电压和容性导通尖峰电流均会 对开关器件造成危害。频率越高，尖峰电压和电流越大，会造成开关器件的 损坏。 ( 3 ) 随着工作频率的增高，电磁干扰更加严重，会对电源本身和周围的 电子设备的工作造成严重影响。 从硬开关技术中得到启示：若能在开关管导通或关断的瞬间，使电压或 电流为零，即可使开关损耗为零。理想的关断过程是电流先降到零，电压再 缓慢上升到断态值，关断损耗近似为零。因为开关器件关断之前，电流已下 降到零，这便解决了感性关断尖峰电压的问题。这种动作称为零电流开关 ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ，z c s ) 。理想的导通过程是电压已先降到零，电 流再缓慢上升到断态值，导通损耗近似为零。开关器件结电容上的电压也为 零，解决了容性导通尖峰电流的问题。这种动作称为零电压开关( z e r o v o l t a g es w i t c h i n g ，z v s ) 。这种开关技术，相对于硬开关技术，称为软开关 技术。按控制方式，软开关技术可分为脉冲频率调制( p f m ) 、脉冲宽度调制 ( p w m ) 和脉冲相移控制( p s ) 。p f m 软开关变换器由于频率变化给变压器、 电感器等的设计带来定困难，所以在开关电源中很少应用。而p w m 软开关 多用于中小功率开关稳压电源中，p s 则多见于中大功率开关稳电源中。 1 3 本文的主要工作 前面阐述了开关电源目前的发展现状及发展方向，目前国内电源技术落 后于国外，虽然一些研究单位也进行了比较深入的研究工作，但主要是采用 国外先进的拓扑结构进行实践与改造。 本文介绍了一种新型次级箝位f b z v z c sp 嘲d c d c 变换器，分析了该变 换器的工作原理，推导了变换器各种状态时的参数计算方程以及参数设计依 据；并且在此基础上提出了一种三相单级功率因数校正电路，成功地运用 p s p i c e 9 2 仿真软件对变换器进行仿真，分析各种参数对变换器性能的影响 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并总结出变换器理想的设计参数。 论文中所设计的电源指标如下： 额定输入电压：三相3 8 0 v 额定输出电压：4 8 额定输出电流：1 2 0 a 额定功率因数： 0 9 8 论文的具体结构分配如下： 第1 章为绪论，主要介绍目前国内外电源技术发展现状，功率因数校正 技术与软开关p w md c d c 全桥变换器的发展方向。提出了本论文的工作方向。 第2 章在比较现有各种z v z c sp w md c d c 全桥变换器优缺点的前提下， 介绍并分析了一种新型次级箝位f b z v z c sp w md c d c 变换器。 第3 章分析了各种常用的三相功率因数校正电路，并且采用双开关拓扑 结合第2 章中提出的新型次级箝位f b z v z c sp w md c d c 变换器提出了一种三 相单级功率因数校正电路的拓扑结构。对这种电路进行了分析。 第4 章画出了仿真电路的结构图并且给出了其中一些主要参数的计算方 法，得到了各种状态下的仿真结果并对结果进行了分析。得到了主要的参数 变化对电路的影响。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章移相控制z v z c sp w md o d c 全桥变换器 2 1软开关全桥功率变换器 2 1 1 全桥变换器简介 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，其中p w m 开关技术以其电路简单，控制方便而获得了广泛 的应用。全桥变换器拓扑是目前在中、大功率d c d c 变换器中首选的电路拓 扑，因为该拓扑具有功率开关管的电压、电流额定值小，功率变压器的利用 率高等明显优点。嘲基本的全桥变换电路根据供电方式的不同可分为电压源 型和电流源型两类，其中电压源型d c d c 全桥变换电路是由基本的b u c k 变换 电路演变而来，因此又称为全桥b u c k 变换器，在实际中得到广泛应用，其基 本拓扑形式如图2 1 ( a ) 所示。v 。是输入直流电压，s 。d s 4 d 。构成两个桥 臂，高频变压器t x l 原副边变比为k ，原边漏感为l 。，d 。和d 。是输出整流二 极管，h 是输出滤波电感，c ，是输出滤波电感，r 。是负载。图2 1 ( b ) 给出 了该拓扑电路的主要波形，为a b 两点之间电压，v “为高频变压器t x l 副 边电压，v 。为c d 两点之间电压，v o 为输出电压。 图2 1 基本全桥电路拓扑及 1 0 丰七 丰、一 b 口， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 全桥电路的基本原理是；直流电压v 。经过s 。d s 。d 。组成的全桥开关 变换，在a 、b 两点之间得到交流方波电压，该电压经过交压器的电压变换得 到幅值为v 。k 交流方波电压，再经过输出整流管将其整成幅值为v 。j i k 直流 方波电压，l f 和c ，组成输出滤波器将这个直流方波电压中的高频分量滤波， t ， 在输出端得到平滑的直流电压，其电压值为圪= d 鲁，其中d 是占空比， a 巾 d = ，l 是导通时间，t l 是开关周期。 i j ，二 2 1 2 全桥变换器控制策略 为了在输出端得到脉宽调制电压，实 际上只需要在高频变压器的原边得到一个 交流方波电压。为了得到这个交流方波电 压，最传统的方法如图2 2 所示，即斜对角 的两只开关管s 。s 。和s 2 s 。同时导通或关 断，每只开关管导通时间小于1 2 开关周期。 事实上，如果我们在此基础上对开关 管导通时间稍作修改就可以得到九种不同 的控制策略。叫它们分别为： 方式1 ：两个桥臂都不增加导通时间， 图2 2 全桥变换器传统控制策略 这就是传统的控制方式，为于其他控制方式进行比较，重新画如图2 3 ( a ) ： 方式2 ：s 2 s 。桥臂不增加导通时间，s ，s 。桥臂向前增加一段导通时间， 如图2 3 ( b ) ； 方式3 ：s 2 s t 桥臂不增加导通时间，s 。s 。桥臂导通时间向前增加到1 2 t 。， 如图2 3 ( c ) ； 方式4 ：s 2 文桥臂向前增加一段导通时间，s 。s 。桥臂不增加导通时间， 如图2 3 ( d ) ； 方式5 ：s 2 s 。桥臂向前增加一段导通时间，s 。s 。桥臂向前增加一段导通 时间，如图2 3 ( e ) ； 方式6 ：s 2 桥臂向前增加一段导通时间，s 。s 。桥臂导通时间向前增加 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 斗二l 9 二1 、 一f s 一 s jl 一 岛 厂 s 贸厂 岛& + 二1 二l4 二丑 二k il # 答j 丌 厂 i 盯 ( d ) 方式4 厂 。 ll 历厂 t 厂1 t 厉广 ( e ) 方式5( f ) 方式6 图2 3p 咖d c d c 全桥变换器的控制方式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( g ) 方式7( h ) 方式8 ( i ) 方式9 续图2 3p w md c i d c 全桥变换器的控制方式 到1 1 2 t 。，如图2 3 ( f ) ； 方式7 ：s 2 s 。桥臂导通时间向前增加到1 1 2 t ，s 。s 。桥臂不增加导通时间， 这就是有限双极性控制方式，如图2 3 ( g ) ； 方式8 ；s 2 桥臂导通时间向前增加到1 1 2 t 。，s 。s 。桥臂向前增加一段导 通时间，如图2 3 ( h ) ； 方式9 ：s 2 s 。桥臂导通时间向前增加到1 1 2 t 。，s , f l s ，桥臂导通时间向前增 加到i 2 t 。，这也是本论文采用的方法，如图2 3 ( i ) 。 1 3 一 心 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2p w md c d c 移相全桥软开关功率变换器 p w m 移相全控桥软开关功率变换器的软开关方式分为两类：z v s 方式和 z v z c s 方式。移相控制零电压开关p 晰变换器( p s f b z v s p 删c o n v e r t e r ) 是利用在“0 ”状态时开关管的结电容和高频变压器的漏感( 或漏感与输出滤 波电感折算到原边值之和) 谐振，高频变压器的漏感储能对功率开关管两端寄 生电容( 或并联电容) 充、放电，在开关管两端电压下降到零使得其反并联的 二极管导通之后开通开关管，实现零电压开通；又因为关断时开关管并联电 容电压不能突变，从而实现开关管零电压关断。z v s 有效地降低了电路的开 关损耗和开关噪声；减少器件开关过程中的电磁干扰，为变换器装置提高开 关频率、效率、减小尺寸及重量创造了条件；同时还保持了常规全桥p 嘲电 路的拓扑简洁、控制方式简单、开关频率恒定、元器件应力小等一系列优点。 非常适合于高频、大功率、开关器件采用m o s f e t 的应用场合。但该电路拓扑 有如下缺点： ( 1 ) 滞后臂开关管在轻载的条件下难以实现零电压开关； ( 2 ) 原边有较大的环流，增加了系统的通态损耗； ( 3 ) 存在较大的副边占空比丢失； ( 4 ) 输出整流二极管为硬开关，反向恢复时造成很大的电压、电流尖峰， 开关损耗大。 伴随着电源功率的增加，m o s f e t 通态损耗大的缺点变得更加突出。绝缘 栅双极性晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r 即i g b t ) 与m o s f e t 相比较，其有更高的耐压值、更低的通态损耗、较大的功率密度和较低的成 本，更适合于高压大功率的场合。但i g b t 在关断时有较长的电流拖尾，造成 关断损耗大，为了减小关断损耗，有必要给i g b t 并联一个较大的电容。这样 虽然减小了关断损耗，但是降低了开关频率。如果能做到零电流关断，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 将基本上不存在关断损 耗。所以移相控制零电压、零电流开关p 嘲变换器( p s f b z v z c s p w l 4 ) 变换器 应运而生，就是超前桥臂开关管和传统z v s 变换器一样实现零电压开关，在 “0 ”状态期间，使原边电流恢复为零，实现滞后桥臂开关管z c s 开关，从而 解决了f b z v s - p w m 变换器中诸多问题，这种变换器的共同特点是：超前桥臂 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一般并联有吸收电容，用来实现z v s 开关；滞后桥臂不能并联吸收电容；原 边电流没有环流，减小了通态损耗，有利于提高变换器效率。 可见z v z c s 的关键是在“0 ”状态时使原边电流恢复为零，常用的方法可 归纳为以下三种： ( 1 ) 利用超前臂开关管的反向雪崩击穿，使存储在变压器漏感中的能量 完全消失在超前臂的i g b t 中，为滞后臂创造z c s 开关条件； ( 2 ) 在变压器原边使用直流阻断电容和饱和电感，在原边电流过零期间， 将直流阻断电容上的电压作为反向阻断电源，使原边电流恢复为零，为滞后 臂提供z c s 开关的条件； ( 3 ) 在变压器副边输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容 上电压反射到原边作为阻断电源，从而使原边电流恢复为零，实现z c s 开关。 该方式拓扑最为活跃，优点多，本文将重点讨论。 2 3 几种现有z v z c s 电路拓扑 2 3 1 采用有限双极性控制方式的z v z c s 电路 长 8 旦一 r j kl f士。 ，k 挣m j k d 图2 4 有限双极性控制方式的f bz v z c sp 删电路 s 。和s 。组成超前桥臂，z v s 开关；s 。和s 。是滞后桥臂，z c s 开关。控制时 序如图2 3 ( g ) ，假定s - 和s 一初始时处于导通状态，某一时刻关断s 。c 。作为 s t 并联的缓冲电容为其关断提供了零电压条件，此后变压器原边电流i 。给c 。 充电，c 。放电，当s 。的反压超过3 0 v 左右时发生雪崩击穿，雪崩过程持续到 】5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 - 。 l ；霉的能量全部消耗在s s 上使i 。衰减到零。此后由于a 点电位仍小于0 ， z 其差为i g b t 的反向雪崩电压值，因此一个较小的电流将通过s 4 逆i 。方向流 回v t 。，复合s t 中的存储电荷，从而完全消除电流拖尾，s 实现z c s 关断。 该电路无需增加任何元件，减少了i g b t 的反并联二极管，实现了z v z c s ， 且控制方式不复杂。但由于采用超前桥臂反向雪崩击穿来消耗变压器漏感储 能，开关管的功耗增加，发热厉害，并不具有实用性。 2 3 2 原边使用饱和电感的z v z c s 电路 图2 5 是原边加串联直流阻断电容c 。和饱和电感l 。的全桥z v z c s 交换器 的基本原理图，它在基本全桥移相式z v s - p w m 变换器的基础上增加一个饱和 谐振电感l ”并在主回路上串联阻断电容& ，超前桥臂s 。、s 。和z v s 变换器 一样，利用开关管并联电容的办法实现零电压开关。假定s 。和s 。同时导通， 输入能量从原边传送到副边，c b 由i 。充电，饱和电感处于饱和状态，当s 。关 断，s t 导通，原边续流阶段时，c “恰好成为一个反向阻断电源使i 。下降，当 原边电流下降到i 。时，饱和电感退出饱和阻止电流的变化：阻断电容电压全 部加在饱和电感l - t 上，使i ，保持在零，此时关断s 。从而实现滞后桥臂的 s t 和s 。的零电流关断，如果死区时间足够小即可实现零电流开通。1 v 穗点， h 但 妒 1 c 寸 ” d 图2 5 原边使用饱和电感的z v z c s 电路 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该电路拓扑具有软开关负载范围宽、占空比损失小等优点。脚。“”但是饱 和电感的设计和磁性材料的选择比较困难，饱和电感工作在饱和到不饱和的 交替中，磁芯发热严重。另外，饱和电感按照最大输入电压来设计，在直流 电压较低时，副边的占空比丢失较大。 2 3 3 变压器副边采用有源箝位的z v z c s 电路 图2 6 是变压器副边采用有源箝位的z v z c s 电路，同样采用移相控制， 在变换器副边引入一个电容在原边续流期间充当反相电源使原边电流恢复为 零。假定s 。和s 。同时导通，输入能量从原边传送到副边，副边筘位电容c 。 通过筘位开关管s 。的反并联二极管d 。充电至2 v 。k 并保持，在原边续流时， 触发箝位开关管s 。箝位电容上的电压反射到原边，使i ，下降到零，从而实现 滞后桥臂的零电流开关。n ” 该电路能实现很大范围内的零电压、零电流开关，占空比丢失极小，很 好地解决了原边使用饱和电感的z v g c s 电路中的问题。但需要增加一个功率 管，增加了电路成本和控制难度；而且s 。工作在硬开关状态，开关频率为主 开关管的两倍，开关损耗不可忽视；在箝位电容充电时，副边将产生2 倍于 v 。k 的电压尖峰。 v 图2 6 变压器副边采用有源欲位的z v z c s 电路 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 4 使用无源无损网络副边箝位的z v z c s 电路 在有源筘位的z v z c s 电路基础上提出的无源副边箝位电路，去掉了辅助 功率开关管。让箝位电容在输入电源的能量传递到副边时通过二极管通路充 电，在超前桥臂完成状态转换后即原边续流时从另外的二极管通路放电，从 而使箝位电容上的电压反射到原边，使原边电流迅速下降到零，