（电力电子与电力传动专业论文）燃料电池发电系统前端dcdc变换器的研究.pdfVIP

浙江大学坝l 学位论义摘要 a b s t r a c t f u e lc e l lh a sv a r i o u sa d v 锄t a g e ss u c ha sh i g he 捕c i e n c yo f p o w e rg e n e r a t o n - h i 曲p d w e rd e n s n y ， f r i e n d l yj n t e r f k e ，g r e a ts t a b i l i t ya n ds o0 n d i s t r b u t e dp o w e rs y s t e mi so n eo f m em o s ti m p o r t a n t 印p l i c a t i o n so ff u e lc e l l c o m p a r e dt oo 也e r k j n d so f p o w e rs u p p ly ，p o w e rs y s t e mb a s e do nf ch a si t ss u p e r i o r i t mf u e 】c e l lw i l lb ew i d e l yu s e d i nt h e f u t u r ea san e we n e 唱ys o u r c e ，a st h er e q u e s tf o re n v i r o n m e n tp r o t ec t i o na n de n e r g y c o n s e r v a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r eu 唱e n ta 1 1 dt h ei n n u e n c eo ft h er i s i n gc o s to fe l e c t r i c n y t r a n s m j s s i o na n dt h es t r e s so f p o w e rs h o r t a g eb e c o m e sm u c hm o r es e v e r e g e n e r a t i n gu n s t a b l ed i r e c tc u r r e n t 。f u e lc e l lm u s tb ee q u i p p e dw i t hap o w e rc o n t r o lu n i t ( p c u ) t o p r o d u c es t a n d a r dd co ra cp o w e rt h m u g hr e g u l a t i o n ，c 仰t r o la i l dm a 工1 a g e m e n to ft h eo u t p u t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff u e lc e l lp r o d u c t sa 1 1 dt c c h n o l o g y 也er e s e a r c h e so nt h ep o w e r e l e c t r o n i c ss u p p l yb a s eo nf u e lc e l lh a ss h o w e dt h es i g n i f i c 锄c en o w a d a y s t h eo u t p u tv o j t a g eo f a 凡e jc e s i n g i eu n “i su s u a l l yl e s s 廿1 a nl va sar e s u l t ，出eo u t p u to r n l e w h o l ef u e lc e l lp a c ki sn o th i 曲e n o u g hf o rad i s t r i b u t e d 黟i d - c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o ns ”t e m ， t h e 耐b r e ，t 1 1 e r em u s tb ea nu p - s t 印c o n v e r t e r b e m e e nt h ef u e lc e l la n dg r i d - c o n n e c t e di n v e n e l t 。i n c r e a s et h ev o j t a g eb e t w e e nf u e lc e l lo u t p u ta 1 1 di n v e r t e ri n p u t ，a1 0 0 vd ci n p u ta n d3 8 0 v d o u b l ed c0 u t p u td c d cc o n v e n e ra p p l i e di naf u e lc e 】1 静i d - c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m i sd j s c u s s e dj nt h i st h e s i s j nt h en r s tc h 即t e lt h es t r u c t u r eo f f cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma n daf 如n t e n dd c d cc o n v e r t e r w h i c hj ss u i t a b l et of cg r i d c o 肌e c t e dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi sb r i e f i yi n t r o d u c e d t h e nt h e t 叩0 1 0 9 yo fc i r c u i ti sc h o s e na n dt t i eo b j e c ti sc o n 蜀m e d 1 nt h es e c o n dc h a p t e lt h ep r o c e d u r eo fs t a n - u p ，p h a s e s h mi sa t l a l y z e da n d 血ep r o t e c t i o nc i r c u i t i sd i s c u s s e d t h e nt h ep a r 锄e t e r so f 也em a i nc i r c u ba r eca l c u i a t e da n dt h ec o n v e r t e rb a s e do n t h el0kw 9 0 v 13 0 vo u t p u tv o l t a g ep e m f cp m d u c e db ys h e n l ic o m p a n yi ns h a n g h a i j s d e s i g n e d 1 nt h et h i r dc h a p t c lt h es p e c i n cc o n t r o ic i r c u i t si n c l u d i n gp h a s e - s h 协c o n t r o l ，s t a n 。u pc o n 仃d l ， d r o t e c t i o nc i r c u i ta n di g b td r i v e rc i r c u i ta r ep m p o s e d j nt h ef o u r t hc h a p t e lt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dw a v c f o m l so f s p e c 讯cp o i n t sa r eg i v e n k e yw o r d s ：f u e lc e l l ；p h a s e s h i f tf u l lb r i d g ez c sd c ，d cc o n v e r t e f ；s t a r t 。u p ；p m t e c t l o n i i 浙江火学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了燃料电池并网发电系统的基本结构及其发展概况。根据燃料电池 的特点提出了一种适合作为燃料电池并网发电系统前端的d c d c 变换器，并简 要介绍了本论文的目的和主要研究内容。 1 1 燃料电池并网发电系统简介 燃料电池并网发电系统的作用是将燃料电池产生的直流电压通过交换调整 得到和电网电压频率相同的交流电，在为本地负载提供交流电能的同时将电能送 入电网。 按照功率变换级数将燃料电池并网发电系统分为两大类：一是单级系统，通 过一级功率变换并网发电；一个是多级发电系统，通过两级或多级功率变换并网 发电【3 j 【。 在燃料电池并网发电系统中，因为燃料电池中单体的输出电压往往不到1 v ( 额定工作) ，过多的燃料电池单元串联将会很大程度上增加燃料电池本身的成 本和稳定性”，所以现在的燃料电池整机输出电压一般不高。以1 0k w 质子交换 膜燃料电池为例，它的输出电压范围是9 0 1 3 0 v ，低于2 2 0 v ( 单相) 或是3 8 0 v ( 三相) 电网峰值电压。而现在应用比较广泛的不隔离逆交器大多为电压型逆变 器，有降压的特性，所以在燃料电池输出和到电网之间必须有一级是具有升压功 能的变换装置【6 j 。 d c ，d c 升压装置 图l - i 对于两级并网发电结构中，如图1 1 所示，在燃料电池和逆变器之间有一级 d c d c 变换器。它的主要作用是提升燃料电池输出的不稳定电压，将其变换为 逆变器所需的稳定的直流电压。根据燃料电池的工作特性，系统中d c d c 变换 浙江大学彻1 学位论文第一章绪论 器需要具有以下几个功能【1 0 】： 1 提升电压功能。一般而言，在功率 1 0 0 k 、a ，不采用工频变压器的燃料电池 发电系统中，逆变器要求的直流电压通常要都比一般燃料电池的输出电压高，因 而需要依靠d c ，d c 变换器实现升压。 2 在较宽的输入电压范围内都有稳定的输出电压功能。因为燃料电池本身输出 电压随负载变化将会在一个较宽的范围内变化。 3 抑制输入电流纹波。输入电流纹波不仅会对燃料电池的工作带来损害，而且 将降低燃料的利用率：同时，因为输入电流纹波还会增加燃料电池的最大输出电 流要求，增加系统对于燃料电池容量的要求，增加电池部分的投资。燃料电池发 电系统前端d c ，d c 变换器的输入侧直接接到燃料电池的输出侧，因而可以通过 限制d c d c 变换器的输入电流纹波来达到保护燃料电池的目的。 4 通过d c 他c 变换器实现燃料电池和电网之间的隔离，提高安全性。 适用于燃料电池分布式并网发电系统的d c d c 变换器总体上分为四类： 非隔离d c d c 变换器，以b o o s t 电路族为代表； 隔离电压型d c d c 变换器； 隔离电流注入型d c d c 变换器； 组合式d c d c 变换器，将前面几种结构组合起来的一类d c d c 变换器。 1 2适合于燃料电池并网发电系统前端的d c d c 变换器 1 2 1 隔离电流型d c d c 变换器 相比于电压型隔离d c d c 变换器，隔离电流型d c d c 变换器一般都有输入 电流连续，无直通短路问题，可靠性高等优点。是一种适合作为燃料电池分布式 并网发电系统前级d c d c 变换器的拓扑结构。 1 、电流型推挽d c ，d c 变换器 通过对称变换，可由电压型推挽结构得到电流型推挽d c d c 变换器结构， 电路结构如图1 2 所示。该电路中电感电流总是要通过变压器绕组，增加了绕组 上的损耗。和电压型推挽一样，由于变压器需要中间抽头，增加了变压器的制作 难度。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 沮 图j 一2 电溅型推挽d c 变换器 2 、电流型半桥d c d c 变换器 通过对称变换，由电压型半桥d c d c 变换器可得到电流型半桥d c d c 变换 器结构，如图1 3 ( a ) 所示。在此结构的变换器中，因为在任何时刻，两个开关 管必须保证有一个开关管是导通的，即开关管的导通占空比不能小于o 5 ，因此 两个输入电感总是有一个处于充电状态，输入电流总是大于零，这意味着系统有 一个最低输出功率的限制。图1 3 ( b ) 所示电路结构是图1 3 ( a ) 所示电路结 构的一个改进，通过将两个电感耦合可以消除原来结构中的最小输出功率限制 【2 5 1 一 v d 变换嚣 ( b ) 改进的电i l i i 型半桥d c 仍c 变换器 图1 - 3 电流型半桥d c ，d c 变换器 3 、电流型全桥p w md c d c 变换器 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 通过对称变换，由电压型全桥p w m 控制d c 他c 变换器可得到电流型全桥 p w m 控制d c d c 变换器结构，如图1 4 所示。该结构电路稳定工作时候，两组 对角的开关管在前后半个开关管周期内交替关断( 等效为两个b o o s t 轮流工作) ， 将电能传送到变压器副边，通过p w m 调制控制输出电压1 2 “。 电流型全桥p w m 控制d c ，d c 变换器也是一种适合做软开关的变换器，在 中、大功率场合应用较多的电路拓扑结构1 2 ”。 图l _ 4 电流型全桥p w m 控制d c ，d c 变换器 4 、电流型全桥移相控制d c _ d c 变换器 当电流型全桥移相控制d c d c 变换器工作于移相控制方式下时，开关管需 要有承受反向电压的能力，一般可以在开关管外串联一个二极管，得到如图1 5 所示结构3 1 】。在该结构中，开关管和二极管的串联可以通过一个逆阻型的i g b t 得到其要求的反向阻断能力1 2 j 。 该结构电路稳定工作时候，通过调节上下两组开关管之间的相位来控制输出 电压。这个电路特别适合做原边开关管的零点流关断z c s ，适合i g b t 的应用。 同时副边整流二极管也可以工作于自然关断条件下，二级管的反向恢复损耗可以 消除【3 2 】f3 3 】。 k 静 【jc i 。r。1 ， _ 一 - 【jl 图1 5 电流型全桥相移d c ，d c 变换器 5 、隔离电流型d c ，d c 变换器小结 电流型全桥d c d c 变换器结构也是目前软开关技术中被广泛研究的电路拓 浙江人学硕 学位论文 第章绪论 扑，是隔离电流型d c d c 拓扑结构中很有应用潜力的电路结构。且随着逆阻型 i g b t 等电流型开关管的开发、应用，其优势将更加明显【3 4 1 。 隔离电流型d c d c 变换器相对于电压型结构最大的优势在于其输入电流是 连续的，且隔离电流型d c d c 变换器的输出结构可以方便地改为倍压型输出： 可减少变压器副边绕组匝数；也可以用两个输出绕组得到半桥型逆变器所需要的 两路直流电压输出。 但是隔离电流型d c d c 变换器的保护电路设计难度相对隔离电压型结构要 大很多。且电流型电路需要特殊的启动电路或是启动策略，这些因素都限制了隔 离电流型d c d c 变换器的应用。 1 2 2 电路拓扑的选择 由上节分析，隔离电流型具有输入电流连续的特点，且因为发电系统后级采 用单相半桥逆变电路结构，因此需要输出两路3 8 0 v 作为逆变器输入，因此从 燃料电池发电系统安全性角度考虑，采用图1 6 所示的结构，即前级d c d c 变 换器为隔离电流型。 移相全桥零电流开关d c d c 变换器是一种适用于大功率开关电源的软开关 电路。如图1 6 所示，它具有主电路结构简单，易于实现高频化；变压器的漏感 可以纳入谐振电路实现功率器件软开关；主电路i c 漕t 电压应力小。因为电路中 i g b t 的关断是在零电流条件下，可以有效地抑止i g b t 由于拖尾电流带来的关 断损耗。主电路变压器匝比小更容易避免饱和等优点【2 l ，【3 l 】【3 4 】。 图1 6 本文所分析的电路，通过输入电感储能向输出端供电，类似与b o o s t 电路。 由于在启动过程中，输出电压从o 开始逐渐增大，在启动的一段时间范围内，输 入电感始终出于充电状态，电感电流持续增大，最终导致输入电流过流；另外， 浙江大学坝j ：学位论文 第一章绪论 在输出端也会有类似b o o s t 电路的电压超调现象，使得输出电压过压。因此如何 解决电流型d c d c 变换器启动过程中出现的输入过流、输出电压超调问题成为 此种电流型d c d c 变换器能否应用于燃料电池发电系统前端d c d c 变换器的 关键技术之一。 本文所采用的启动电路结构如图1 7 所示f 3 s 】，即在输入电感上附加个耦合 线圈。 在电路启动过程中，给原边的四个i g b t 加上完全相同的控制信号，即采用 同时开通，同时关断的方式，此时，主电路变压器被短路，整个电路等效为一个 n y b a c k 变换器。为减小桥臂上开关管电压应力，在电感原边安装r c d 吸收电路。 为限制启动电流增大过快，启动时占空比从o 逐渐增大。具体的控制逻辑见第二 章第一节。 在电路检测到故障信号后，合理选择关闭电路的时间，使关闭时变压器漏感 上没有能量，而输入电感的能量通过输入电感上的耦合线圈向输出释放，降低电 流型移相全桥d c d c 变换器功率器件在关闭电路时的电压应力，保护功率器件。 具体控制方法见第二章第三节。 1 2 3 设计要求 图】7 将输入电感绕上耦合线圈起启动和保护的作用 本次论文讨论的是根据1 0 k w 质子交换膜燃料电池的特点，开发的燃料电池 并网发电系统前端d c 仍c 变换器。 该燃料电池的输出特性如图l - 8 所示： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 剖卜85 1 0k w 质于交换膜燃料屯池输出特性 根据该燃料电池手册中的说明，应控制输出电压不低于9 0 v ，输出电流不高 于1 2 0 a ，加载速率应低于5 0 s ，发电站负载功率不得高于1 0 k w 。 由于本次设计的前级d c d c 变换器的最大功率为5 k w ，根据图1 8 可得到 此次d c 仍c 变换器设计的输入参数：输入电压范围9 0 v 1 2 0 v ，输入电流范围 o a 6 0 a 。变换器的基本要求为：输入电压范围9 0 v 1 2 0 v ，输出两路3 8 0 v ， 最大功率5 k w 。 1 2 本论文的目的和主要工作 本论文的目的：由于燃料电池整机输出一般电压不高，所以在燃料电池输出 和并网逆变器之间必须有一级是具有升压功能的变换装置。移相全桥零电流开关 d c d c 变换器是一种适用于大功率开关电源的软开关电路。它具有主电路结构简 单，易于实现高频化；变压器的漏感可以纳入谐振电路实现功率器件软开关；主 电路i g b t 电压应力小，可选择耐压较低的i g b t ，降低开发成本。因为电路中i g b t 的关断是在零电流条件下，可以有效地抑止i g b t 由于拖尾电流带来的关断损耗； 同时副边的全桥二极管整流电路的二极管均工作在零点流关断条件下，避免了因 二极管反向恢复带来的各种问题；主电路变压器匝比小更容易避免饱和等优点 ”1 。另外隔离电流型d c d c 变换器相对于电压型结构最大的优势在于其输入电 流是连续的，对于使燃料电池以恒定功率输出，保护燃料电池长期稳定运行有十 分重要意义。 主要工作：完成5 k w 燃料电池发电系统前端d c d c 变换器的设计，达到给 后级不隔离电压型半桥逆变器提供两路3 8 0 v 的输入电压。 d c d c 变换器采用电流型移相控制全桥z c s 变换器，输入电压范围9 0 v 1 2 0 v ，输入电流范围o a 6 0 a 。电路的基本要求为：输入电压范围9 0 v 1 2 0 v ， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 输出两路3 8 0 v ，最大功率5 k w 。 同时进行电流型全桥移相控制z c sd c d c 变换器启动、保护电路的研究， 解决电流型d c d c 变换器在启动过程中的输入电流过流，输出电压超调的问题。 解决电流型d c d c 变换器在保护过程中能否安全关闭电路，达到保护目的的问 题。 浙江大学硐j 学位论文第二章电流型移相全桥d c ，d c 变换器 第二章电流型移相全桥d c d c 变换器 本章详细介绍了移相全桥电流型d c 他c 变换器的工作过程，包括了启动模 式，移相模式和保护模式。给出了适合1 0 k w 燃料电池并网发电系统前端d c d c 变换器的电流型移相全桥d c d c 变换器的设计方法。 2 1 电流型移相全桥d c d c 变换器的工作过程 2 1 1 启动状态时的工作过程方式一 本文所采用的启动电路结构如图2 1 所示在输入电感上附加一个耦合线圈。 在电路启动过程中，给原边的四个i g b t 加上完全相同的控制信号，即采用 同时开通，同时关断的方式，此时，主电路变压器被短路，整个电路等效为一个 f l v b a c k 。为减小桥臂上开关管电压应力，在电感原边安装r c d 吸收电路。为限 制启动电流增大过快，启动时占空比从o 逐渐增大，如图2 2 所示。具体的控制 原理如图2 3 所示，采用三角波和逐渐增大的一个电平信号比较，得到占空比逐 渐增大的p w m 波形。 图2 1 输入电感带有副边耦台线圈 图2 2 启动控制逻辑原理 浙江人学删l 学位论文 第二章电流型移相全桥d c ，d c 变换器 7 逐渐增大的电平信号 图2 3 启动拄制信号原理匿 在启动工作模式下电路共分两种工作模式。 模式l ：充电模式 “。 。， 【。商鼻一 m _ i 。 乡 o 上 。= 、 j ， # j m 一懂 ：_ _ l a ) 导通状态 ；呈：二 三三弓：二 三三三2 b ! = = j = = = = = = l 一c = = = = = = 1 呻 = = 1 一j = = = = = = l f 。= i 。- “1 = = 】明 ! 口口 ( b ) 控制时序，输入电流，拿桥桥臂上的电压应力 图2 4 启动开关状态l s ，s 4 同时开通时工作过程如图2 4 ( a ) 所示，输入电流、变压器原边桥臂 上的电压、二极管d f 上的电压由图2 - 4 ( b ) 所示。 输入电压u d 给输入电感充电，负载通过输出端的大电容续流，整流二极管 d ，上没有电流流过。假设n 为输入电感上耦合线圈和原边线圈的匝比，则此时 整流二极管d f 上反向电压应力大小为： = 屹+ k 。， ( 2 - 1 ) 模式2 ：供电模式 s 。s 。同时关断时工作过程如图2 ，5 所示， ； 浙江人学硕l 学位论文 第二章电流型移相全桥d c d c 变换器 。= = j = = = ：i 口。 鏖三二二三三罩二 三三三= = i 1 了。 “ 臼口 1 一 ( a ) 导通状态 ( b ) 控制时序输入电流，全桥桥臂。卜的电鲰应力 倒2 - 5 s 1 s 。同时关断时工作过程如图2 5 ( a ) 所示，输入电流、变压器原边桥臂 上的电压、二极管d f 上的电压由图2 5 ( b ) 所示。 输入电感上的能量通过耦合在上面的副边线圈和整流二极管d f 向负载端释 放，并给输出的大电容充电。此时原边开关管的电压应力为： 矿= 二盟+ 屹( 2 - 2 ) n 副边耦合线圈和电感原边线圈的匝比。由于启动过程可完全等效成一个反 激电路，且工作在输入电流连续模式下，启动过程的最大输出电压理论上等于占 空比最大时输出的电压： = 嵩忡 d 1 ) 2 1 2 启动状态时的工作过程方式二 孤矿取 一f毒j 墚 ( 2 3 ) |h i i k ， l _ h 一，b e口 忙l( 一 。i l l 掣 t l _ w r f ij ：* i h l 髋。一 j，- 一i ( a )s 1 s 3 同时导通( b )s 2 - s 4 同时导通 浙江人学硕十学位论文第二章电流型移相全桥d c ，d c 变换器 _ 辩 孑t 圣 毫忭 立一_ “江矗 ( c ) s 1 s 2 s 3 ，s 4 川时关断 图2 6 控制方式二的三种1 = 作状态 与工作过程方式一的拓扑相同，方式二采用了全桥桥臂两侧功率器件交替导 通的控制方式，且在软启动过程中，占空比从o 开始逐渐变大，产生方法与方式 一相同。具体控制信号如图2 7 ，电路共分三种状态，如图2 6 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示， 实际上该启动模式仍就可以等效成一个f l y b a c k 。 图2 7 启动时同侧管s 1 s 3 和s 2 s 4 交替导通，给输入电感充电；当四个开关管都 关断时，输入电感通过二极管d f 向输出侧放电。该种方法的优点在于使两侧桥 臂上的功率器件轮流工作，解决了当四个i g b t 同时开通时的均流问题。当使用 电压型p w m 芯片时，两路输出可以分别接s 1 一s 3 和s 2 一s 4 ，这样可使两侧桥臂 的启动占空比肯定在o 5 以下，因此简化了控制难度。输入输出电压关系为： 肾主乞删 d 0 5 ) ( 2 _ 4 ) 2 1 3 启动状态时的工作过程方式三 该种启动方式将等效的反激式启动模式和普通的电流型全桥p w m 模式相结 合，在启动过程中，使用全桥桥臂对管s 1 ，s 4 和s 2 ，s 3 交替导通，从而同时使 用了输入电感副边的耦合线圈和主电路的变压器，提高变换器的启动效率。其控 制信号如图2 8 所示，且在软启动过程中，占空比从o 开始逐渐变大，产生方法 与方式一相同。 1 2 浙江大学硕一i 学位论文第二章电流型移相全桥d c ，d c 变换器 s 1 s 4 s 2 一s 3 _ 。 圈2 8 在此启动模式中，一个周期共分四种工作状态。 工作状态一【t 0 t l 】 如图2 9 所示，s 1 ，s 4 导通，s 2 ，s 3 关断。输入电源给电感充电，并通过主 电路变压器向输出侧充电。 剖2 9 工作状态一 工作状态二l t l q 2 】 如图2 1 0 所示，s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 同时关断。输入电感上的能量通过耦合线圈 向副边释放，同时使箝位r c d 导通，吸收因漏感引起的全桥臂上功率器件关断 时的电压尖峰。这个工作状态和方式一、二时，四个i g b t 关断时的情况一致， 都可以等效成n y b a c k 开关管关断的工作过程。 韬_ 黜 p r “薄卅“ 图2 - 1 0 工作状态二 工作状态三【t 2 一t 3 】 如图2 1 1 所示，s 1 ，s 4 关断，s 2 ，s 3 导通。输入电源继续给电感充电，并 浙江火学坝i 。学位论文第二章电流型移相全桥d c 变换器 通过主电路变压器向输出侧电容充电，和工作状态一相同。 孝净群。r f l 幽a 怍 工作状态四【t 3 t 4 】 s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 同时关断。输入电感上的能量通过耦合线圈向副边释放，同 时使筘位r c d 导通，吸收漏感引起的全桥臂上功率器件的电压尖峰，和工作状 念二相同，见图2 1 0 。 由上面四个状态的导通过程，可知在工作状态一、三内电感被充电： 2 2 d 7 ( 一号) ( 2 5 ) 在工作状态二、四内，电感被加了反相电压： 屹一( 1 2 d ) 7 1 等 2 _ 6 ) 根据输入电感伏秒平衡原理可得： 2 州一争_ ( 1 - 2 d ) 丁等= o ( 2 - 7 ) 2 巅 o ，二投蛰琢不导遵， 即输入电感上糨合线圈在该时刻不影响主电路正常工作。 漪汪大学疆j ：学撼论室 繁 = = 章窀滚璧罄鸹垒褥琢：船交接嚣 ：、卜_ “一。 ：_ 。； t 产“7 r 。一 1 ：r _ 叶，十： b6ht if b b 1i l j _ _ ： ”i 1 ： f 整碧 簿； 群f r ：孙洲 ，i 臻i ；l ； i i 争、 ；： i 、 i i 、? i i i 输a 曩： ” ：； ：弘 j ：i ! ：；j； ：苷i：j ：嚣： ：，：i 。i ： ：； ， i ：i ；i 翌三i ：! i ； ! 圈2 - 1 3 饔胍器原边叫个桥臀e 乜雎波形 图2 - 1 4 变压器原遗电流，副边电艇，输入屯流波形 图2 - 1 3 的阴影部分就为t o 时刻及其黼一个工作状态中，主电路变压器原媳 器个褥饕熬惫压菠露，每个轿甓琶菇一个l g 酋善密一个超承受反囊窀嚣律蘑静二 檄管。由式2 6 得，在状态工作过程肉桥臂2 和桥臂3 上承受的电压应力为 矿 聪粼：= 哎一，= 娜= 鼍笋 图2 一1 4 的阴影部分中为谐振电感即变压器漏感上的电流即为变压器原边电 流，谐振电容电压鄂变压器剐边的电压。 露2 - 1 5 隔如l 开关状态2 t i 】；如图2 - 1 5 所示，在t o 时刻开通s 3 。在这段时间里，s l ， s 2 ，翦导逶，副边龟渡b 仍滚羟整流警魏，魏，p 6 ，0 7 。变压器原边绕组毫 滟扛夫学颤生学位论文 第二嚣电流型移相全耩d c ，d c 交按嚣 艇为巧一= 兰铲，下正上负，且该电联全部加在漏牒l r 上，使褒压器原边电 流线牲藏夸，鞭 ) = ，j 一警( ) ( 2 - 1 4 ) s 4 中嚣电浚淘s 3 中转移，筑中静电滚默零线整上舞。韶 “啦竽( ( 2 - 1 5 ) 谐叛电容c r 鬯筮为珞国。；= 虼。舭：= ，因为照时d 2 ，强，瓿，d ，导 遇t 谐振电容c ，和输出大电容c 。并联，电压基本维持不变。 当变压器原逑电流i 。瓴) = 0 该竣态续瓷。持续实现为 ”掣( 2 舶) r 。，l 在。( ) = 0 麓关繇s 4 裁实凌了s 4 蕊零点浚关辑，强器重氇实臻了主邀路交压 器副边全桥整流二极管d 2 ，d 4 ，d 6 ，d 7 的零电流关断。 该过程中，输入电感愿边线溜土静患压为巧= ，副边勰舍线蠲上的压跨 为k = ”= f 。此时四个桥臂的电压威力全部为o 。 二极管d f 上的反向电压为： 圪，= k k 州2 封+ 吃删一糟+ 圪 ( 2 一1 7 ) 可见， 0 ，二极管d f 不导通，即输入电感上耦舍线圈在该过程中不影响 覆豢工俸。 灏波丈学醺土学位论文第二鬻憩漉型移相垒桥d e 帕c 变换嚣 ： 尊圭= 岳芋#。k 躺：! l 釜= 舀， ：卜譬三三嚣峙簟三。e 嘉兰三兰 二薹三 ：音篡暑= 兰三二景三蔓兰三i 苎二窨 3 罨毒_ 黑手= 紊一莲霉三= 誉三三菱= f 酣 1i ：变联警 l 。 | j ! i ： l3 r ：膊搬电j 强i il ! j 除- 、i z ， 蠢? ；_ 输入8 l j | ：i 。i 鬟j 。， j 蠢：l ：lii + ： ： ； 蹦2 + 1 6变椭燎边g h 个轿臀电压波形 图2 - 1 7 变压器原边啾流t 副边电压，输入电流波形 图2 1 6 的阴影部分就在为t o t 1 时间内，主电路变聪器原边四个桥臂的电压 滚鼯，每令包揍一个】g b j 积个起黎受获淘逢压麴二缀管。出上受熬分褥，在 该工作状态内网个桥臂承受的电压应力均为0 。 图2 1 7 的阴影部分中为t 0 t 。时间内，谐振电感上的电流即变压器原边电流 熬为8 ， 毒摄恕豢电压上蕊惫澄绦骜不变，输入电感技态毫，输入魄滤变大。 _ _ _ q k s ) 1 ： ： m 二 u 一 4 鹎 i 图2 1 8 【t l 一蝴 开关状态3 f t 吨】：如图2 * 1 8 所示，在这段时间里，输入电流流经s l 积s 3 ， 输入龟感被鸯接嬲灭输入电疆，电流线佼增大。 警 ( 2 - 1 8 ) 浙江大学颂，l 学位论文第二章电流型移相余桥d c ，d c 变换器 k 。( f 2 一，i ) l 出。 疋- 2 亍 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 该过程中输入电感被充电，而输出侧仅由大电容续流，可以等效看出b o o s t 电路开关管闭合的工作过程。由于谐振电容c ，上的电压仍为v o ，且上正下负， 所以原边电压依然为。= 兰尹。 此时桥臂2 承受正向电压应力k ：。= 兰笋，而桥臂4 承受反相电压应力 矿一导。 该过程中输入电感被充电，雨输出侧仅由大电容续流，可以等效看出b o o s t 电路开关管闭合的工作过程。 由于s 。上串连的二极管d 4 的作用，i 。不能反向流动，一直保持为零。变压器 原边电压就加在在s 4 和d 4 上，由于s 4 没有承受反相电压的能力，该反相电压被 d 。所承受。因此s 4 上串连的二极管山起到两个作用： 使s 4 的电流单方向流动： 为s 。承受反向电压。在这个开关状态中，s 4 的电流一直为零，关断q 4 ，则 q 4 是零电流关断。 此时输入电感原、副边压降和工作模式2 一样，所以二极管d f 不导通，即 输入电感上耦合线圈在该状态内不影响电路正常工作。 浙江大学硕，j + 学位论文第二章电流型移相全桥d d d c 变换器 ；齄 _ 一 ”瓢“u “。 矧 i - 罄广 n j ； 。嘴r 圉：； j _ 嘲1 ，： | ；熬 l _ y - 势； t 雕厂 豁； 瞄i 蓉。 黧 w n 酷- ； f i 6e。b b t b l - - 一 ! 蹙压? 辫i 辫 ， j ；谐振电 ! ：- 。 黔 叫卜、输入日 _ ，1 ! 幽2 一1 9变压器原边四个桥臂屯压波形图2 - 2 0 变压器原边电流，副边电压，输入电流波形 图2 。1 9 的阴影部分就在为t l t 2 时间内，主电路变压器原边四个桥臂的电压 波形，每个包括一个i g b t 和一个起承受反向电压的二极管，在这个工作状态内 桥臂4 上就承受了反相电压，大小为k 。= 一兰尹。 在图2 2 0 的阴影部分中为t l t 2 时间内，谐振电感上的电流保持为o ，谐振 电容电压即变压器副边的电压基本保持不变。 厂竖二二二一二二 型 图2 - 2 1 【1 2 ，1 3 j 开关状态4 【1 2 ，t 3 ：如图2 2 1 所示，在t 2 时刻，开通s 2 。变压器原边电流i p 从零开始反向增长，谐振电容开始放电，其电压开始从2 v o 减小。漏感与谐振电 容谐振，谐振电感上电流增大，谐振电容上的电压减小，这体现了全桥移相z c s 浙江人学硕士学位论文第二章电流型移相全桥d c ，d c 变换器 d c ，d c 变换器的特点，由外加的谐振电容帮助实现软开关，刚好和z v sd c d c 变换器软开关的方式相反。 折， ， 上，音一青 ( 2 之1 ) 肥一堡：生 d f2 黼排专压一志 吃( f ) = i 厂c o s ( f f 2 ) t ( f ) 一是s i n 啪t ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) 此时s ，上的电流为： ( r ) 2l ”一惹8 i n ( h z ) ( 2 2 5 ) 等到( 屯) = 0 后再关断s 1 。当则开关状态4 持续的时间为： k = 去a r c s i n c 等， 则在t 3 时刻，谐振电容上的电压为 圪，( 岛) = 曙一( m ，。z 0 ) 2 ( 2 _ 2 7 ) 四个桥臂上的电压应力全部为0 。 此时输入电感原副边压降和工作模式2 一样，所以二极管d f 不导通，即输 入电感上耦合线圈在该状态内不影响移相f 常工作。 2 浙江大学坝一l 学位论文第二章电流型移相全桥d c d c 变换器 ： hi l f i i r 1ih： b i 。 l “r h 卜 1 | l i ： 堪门厂 ： ：f 。f l ： 一 i 哺； ：_i i ：；i f ； l ； ? f 。 j l | u f | l i 厂 。- i ：l t y_ _ _ _ ；。 ： fl - r i 。 卜 t b f 誊 i 变压尉 一 蠊螋 j ： l ： 卜 一输入”剖 l t | ：| | i i | | ：j 图2 - 2 2 变压器原边四个桥臂电压波形圈2 - 2 3 变压器原边电流，副边电压t 输入电流波形 图2 2 2 的阴影部分就在为t 2 t 3 时间内，主电路变压器原边四个桥臂的电压 波形，每个桥臂包括一个i g b t 和一个起承受反向电压的二极管。在此段工作状 态内四个桥臂的电压均为o 。 图2 2 3 的阴影部分中为t 2 t 3 时间内，谐振电感即变压器漏感上的电流方向 增大，谐振电容电压被反向充电，即变压器副边的电压逐渐变小。 图2 - 2 4 【b k j 开关状态5 t 3 伽：如图2 2 4 所示，在此开关模式中，变压器原边电流上升 为i h ，折算到幅边电流芝譬，给谐振电容反相充电 z ，咖。0 ) q 了 j = 一 1 2 ( 2 2 8 ) 2 2 浙江大学硕上学位论文第二章电流型移相全桥d c ，d c 变换赫 k ( ) = 吆( f 3 ) 一嘉( h ，) ( 2 2 9 ) 、 谐振电容下丁f 上负的电压逐渐变小，在电压为零时刻前，关断s t ，s t 实现零 电流关断。在t 4 时刻，谐振电容电压达到- vo u tn u t l ，即使副边全桥二极管导通， 该工作状态结束，持续时间为： + 一2 嵋 k ，( ) + 忉，f 】 屯42 二。：。 ” ( 2 3 0 ) 输八电感原边上的雎降= w l 。，折算到输人电感副边祸合线幽的，_ = | 三 降为： k = = n ( 扩k m ) ( 2 _ 3 1 ) 桥臂1 ，桥臂4 上的电压应力从k 川= k 。们一堑笙掣连续变化 至_ 。，= 、。= 兰笋。由此可以看出，当电路输出功率越大，即。越大是， 桥臂上的反向电压越小，也就是说实现软开关越困难。 另外，必须在谐振电容电压改变方向前关断s 1 ，避免无导通现象，即 t 。l ” d n ot 二极管d f 不导通，即输入电感上耦合线圈在该状态 内不影响t f 常移相工作模式。 浙江大学坝i 学位论文第二章电流型移孝日全桥d c d c 变换器 f；j l ji景； 一 ： 。ii 。： i隋 i ! 删卜订1i 麓 ；i 7 鬻j | | 1 | l 黧u ” f门t 鬣 ；： 口_ 。：r 目 一 p 1 ： 卜o o ： i。：， n i ； l i ：l变压譬 | | ：m 1 ：一 i ， i 谐振电： ： l 艮 一一 、输入日 l t | | ! = i | _ | i 流 图2 2 5变压器原边四个桥臂电压波形图2 之6 变压器娘边电流，副边电压t 输入电流波形 图2 2 5 的阴影部分就在为t 2 t 3 时间内，主电路变压器原边四个桥臂的电压 波形，每个桥臂包括一个i g b t 和一个起承受反向电压的二极管。该工作状态里 先由二极管承受反向电压，随着谐振电容被反向充电，桥臂上的反向电压逐渐减 小并转变为一个正向的压降，工作状态结束时桥臂1 和桥臂4 达到最大正向压降 矿 。= l 。= 鼍等。 v 图2 2 6 的阴影部分中为t 2 t 3 时间内，谐振电感即变压器漏感上的电流等于 输入电感电流，谐振电容电压变化到一k 。，上正下负。 到2 - 2 7h ，t j 开关状态6 m ，t 5 】：如图2 2 7 所示，在t 4 时刻，由于谐振电容电压达到一k 。忡， 浙江大学硕上学位论文第二章电流型移相全桥d c 仍c 变换器 此时输出整流二极管d l ，d 4 ，d 5 ，d 8 导遗，原边升始给负载强供电流。 一等= 上掣 邓，：尘塑卜u p ，。， 由2 3 4 和2 3 5 可知该工作模式相当于b 0 0 s t 电路开关关断的工作状态。 桥臂1 和桥臂4 上承受的正向电压应力为k 。，= k 。= 兰笋。 此时输入电感原副边压降和工作模式1 ，5 一样，所以设计合理的n ，就可以 体二糨管d ，不导通，即输入申感耦含线圈在币常工作时不起作用。 h 目l ；。 【：毒l ，_ i 髫l i： ji l _ i i 卜；： 5 j ： j；i ：! 日 ：i ”。 kb ：。 t k l ，i f 园 ： ： 十 ， l 一 i 几 e | | _|1 ：。 l ： r ! +! ! - | 卜 ；眉卜 y fi t 熊o 霆 i 。_ r i 虱 。：o 。二 埔li _ _ ! i 弛? ： | f j | | | i - i i 霍|i r ll 谐振科 | l ：i ： 羔： k 骨专从t 专 薯 l | ；： ； 蔓 l；： ：j l 卦 浙江人学碳+ 学位论文 第二章电流型移相垒桥d c ，d c 变换器 去了详细的分析过程。 2 1 5 谐振过程造成电流占空比丢失 1 实现z c s 的条件 从2 1 2 节的分析可得，超前管即桥臂3 和桥臂4 上的i g b t 容易实现z c s ， 而滞后管即桥臂l 和桥臂2 上的i g b t 则要困难些。只要满足条件使滞后管能够 实现z c