（电路与系统专业论文）大功率软开关氙灯电源的研究.pdf

p k 一 ， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i i i iii iii i ii ii iii ii i l y 18 0 8 8 8 0 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nh i g hp o w e rx e n o nl i g h ts o s w i t c hp o w e rs u p p l y c a n d i d a t e ：h a nc h u n x i a s u p e r v is o r ：a s s o c p r o f e s s o rw a n gy u y e a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a li t y ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 k p 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。除文中己注明引用的内容外， 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) ：角嚼滋 日期：矽勿年3 月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：韩春鼓导师( 签字) ：玉守野 日期：砂矽年3 月肚日矽矽年3 月凸日 哈尔滨1 ：群人学硕十学仲论文 摘要 随着科学技术的不断进步，开关电源正向着小型化、轻量化、高可靠性、 低噪声以及采用计算机辅助设计等方向发展，而软开关技术相对于硬开关技 术而言是实现电力电子装置高功率密度、高可靠性的关键技术。氙灯电源是 一种恒流源，本文利用软开关技术，对大功率氙灯电源进行研究与设计，使 其具有良好的性能。 文中首先介绍了适用于大功率场合下的全桥变换器的工作原理和控制策 略。通过分析移相零电压( z v s ) 全桥变换器及移相零电压零电流( z v z c s ) 全桥 变换器各拓扑结构的工作原理和优缺点，选择滞后桥臂串联二极管的移相零 电压零电流全桥变换器作为主电路结构，此拓扑结构具有电路结构简单，容 易实现，几乎无占空比丢失等优点。 然后按照技术指标要求，从工程实现角度对开关电源主电路部分的参数 进行确定及部分元器件的型号进行选择，主要包括逆变桥电路、整流滤波电 路以及高频变压器等参数的选择及设计。同时，又给出了控制部分的设计方 案，对控制芯片u c c 3 8 9 5 的外围电路和驱动电路分别进行了设计。 利用p s p i c e 软件对主电路进行仿真研究，仿真结果验证了参数设计的合 理性和超前桥臂零电压开关及滞后桥臂零电流开关的可实现性。最后将理论 用于实践，研制了台样机，经实验中的实测波形和数据证实了所设计的电 源实现了零电压零电流软开关，其性能满足设计要求。由于软开关技术的应 用，从而使所设计的氙灯电源具有开关损耗小，效率高的优点，因此本文对 今后的电源设计具有一定的参考意义。 关键词：软丌关；氙灯电源；恒流源；全桥变换器 哈尔滨一l ：稗人学硕十学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m i n i a t u r i z i n g ，l i g h t e n i n g ， h i g hr e l i a b i l i t y , l o wn o i s e sa n dt h eu s e o fc o m p u t e r - a i dd e s i g na r et h em a i nt r e n d o fs w i t c hp o w e rs u p p l y t h es o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sr e l a t i v et o h a r d s w i t c h i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yt oa c h i e v eh i g hp o w e rd e n s i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y f o rp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t t h ex e n o nl i g h tp o w e rs u p p l yi sc o n s t a n tc u r r e n t s o u r c e ，i nt h i st h e s i s ，im a k eu s eo fs o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yt os t u d ya n dd e s i g n ah i g hp o w e rx e n o nl i g h tp o w e rs u p p l y , a n dg e ta ne x c e l l e n tp r o p e r t y f i r s t l y , t h et h e s i s i n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo f f u l l b r i d g ec o n v e r t e r , w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no c c a s i o no fh i g hp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t s t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fp h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g ez e r o 。v o l t a g es w i t c h i n g ( z v s ) c o n v e r t e ra n dp h a s e - s h i f t e d f u l l _ b r i d g ez e r o 。v o l t a g e a n dz e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ( z v z c s ) c o n v e r t e r , t h ep h a s e - s h i f t e df u l l b r i d g e z v z c sc o n v e r t e r u s i n gt w od i o d e si n s e r i e sw i t ht h el a g g i n gl e gi sc h o s e na st h em a i nc i r c u i t t o p o l o g y t h ec i r c u i tt o p o l o g yh a sa d v a n t a g e sw h i c ha r es i m p l es t r u c t u r e ，t ob e r e a l i z e de a s i l ya n ds m a l l e rd u t yc y c l el o s s a f t e r w a r d ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fx e n o nl i g h tp o w e r s u p p l y ，f r o mt h ee n g i n e e r i n gp o i n to fv i e w , t h ep a r a m e t e r sa n dc o m p o n e n t m o d e l s o ft h em a i nc i r c u i ta r ed e t e r m i n e d t h em a i nc i r c u i tm a i n l yi n c l u d e sb r i d g e i n v e r t e rc i r c u i t ，r e c t i f i e ra n df i l t e rc i r c u i ta n dh j g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r m e a n w h i l e ，t h ed e s i g np r o j e c to fc o n t r o lp a r ti sg i v e n t h ep e r i p h e r a lc i r c u i to f t h ec o n t r o l l e rc h i pu c c 3 8 9 5a n dt h ed r i v ec i r c u i ta r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t h em a i nc i r c u i ti ss i m u l a t e db yp s p i c e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a t t h ep a r a m e t e r sa r er e a s o n a b l e z v sf o rl e a d i n gl e ga n dz c sf o rl a g g i n gl e ga r e 产 哈尔滨- i 稃人学硕十学何论文 r e a l i z a b l e f i n a l l y , t h et h e o r y h a sb e e n p u ti n t op r a c t i c e a n da ne n g i n e e r i n g p r o t o t y p ei sd e v e l o p e d t h em e a s u r e dw a v e f o r ma n dd a t aa f f i r mt h a tt h ez v z c s f o r t h ep o w e rs u p p l yd e s i g n a r ea c h i e v e d ，a n dt h ep o w e rs u p p l yp o s s e s s e s e x c e l l e n tp r o p e r t i e sw h i c hm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ex e n o nl i g h tp o w e r s u p p l yp o s s e s s e s l i t t l el o s sa n dh i g he f f i c i e n c yb e c a u s eo fs o f ts w i t c h i n g t e c h n o l o g y t h u s ，t h i st h e s i sh a ss o m es i g n i f i c a n c et op o w e rs u p p l yd e s i g nf o rt h e r e f e r e n c ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s o f ts w i t c h i n g ；x e n o nl i g h tp o w e rs u p p l y ；c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e ； f u l l b r i d g ec o n v e r t e r 哈尔滨f ：秤人学硕十学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 开关电源的发展概况2 1 3 软开关技术”3 1 3 1 软开关技术概念”：3 1 3 2 软开关技术的分类5 1 4 软开关技术的发展现状及趋势”8 1 5 课题研究的内容和章节安排9 第2 章主电路拓扑结构方案选择一1 0 2 1 全桥变换器基本原理1 0 2 1 1 工作原理1 0 2 1 2 控制策略1 0 2 2 移相z v s 全桥变换器”1 2 2 2 1z v s 实现的条件1 3 2 2 2 副边占空比的丢失1 4 2 3 移相z v z c s 全桥变换器及拓扑1 4 2 4 主电路工作原理分析1 9 2 4 15 1 2 作模态分析2 0 2 4 2 超前桥臂软开关的实现条件2 4 2 4 3 滞后桥臂软开关的实现条件2 4 2 5 本章小结2 5 第3 章主电路参数设计与仿真一2 6 3 1 主电路参数设计及器件选择2 6 3 1 1 输入滤波电容的选择2 6 3 1 2 开关频率的选择2 7 哈尔滨r 秤大学硕十学何论文 3 1 3 高频变压器的设计”2 7 3 1 4 功率开关管的选择”3 2 3 1 5 输出滤波电感的选择”3 2 3 1 6 输出滤波电容的选择3 3 3 1 7 隔直电容的选择3 3 3 1 8 输出整流管的选择”3 4 3 2 p s p i c e 仿真3 4 3 2 1 p s p i c e 概述3 4 3 2 2 仿真分析3 7 3 3 本章小结3 9 第4 章控制电路设计4 0 4 1电压模式控制原理4 0 4 2 控制芯片u c c 3 8 9 5 的应用4 2 4 2 1u c c 3 8 9 5 引脚图4 2 4 2 2 振荡器设计”4 3 4 2 3 延时死区设置4 3 4 2 4 软启动设计一4 4 4 2 5u c c 3 8 9 5 及外围电路4 4 4 3 驱动电路4 5 4 4 本章小结4 7 第5 章实验结果及分析4 8 5 1 实验调试4 8 5 2 性能分析5 0 5 2 1效率5 0 5 2 2 负载调整率”5 1 5 3 本章小结5 1 结论”5 2 哈尔滨。i ：袢大学硕十学何论文 参考文献5 4 攻读学位期间发表的学术论文6 1 致谢6 2 哈尔滨i ：稚大学硕十学侍论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 氙灯具有发光效率高，发光强度大且稳定，发出的光近似于日光，寿命 长，瞬时启动快等优点，被广泛应用于电影放映、船舶导航、汽车照明、大 型庆祝活动场合。氙灯属于气体放电照明光源，它没有钨丝，而是利用自身 的正负两个电极，在特定环境下进行极间放电，利用电弧所发出的弧光进行 发光的近似点光源。通过设计不同的外界条件，就可以得到不同的弧光波长、 光谱、光强，以此达到不同的用途【。 在电影放映系统中，由于氙灯所具有的特点成为公认的最佳放映光源。 放映氙灯是一种恒流源，全部采用直流供电，具有低电压、大电流的特点。 电影放映用氙灯点燃并正常工作需要三种电压：高频电压、辅助电压和工作 电压。在氙灯触发时，高频电压起到使灯内的高压氙气被电离的作用，而辅 助电压起到为阴极发射的电子加速的作用，这两种电压均由氙灯触发器所提 供。工作电压的作用是在氙灯点燃后维持氙灯正常工作所需的电压，工作电 压由氙灯电源所提供，也是保证氙灯工作的最为核心的部分1 2 l 。 我国大功率氙灯电源发展一直非常缓慢，很长一段时间都是饱和电抗器 式和可控硅式氙灯电源，其重量大、体积大、成本高、效率低。随着电力电 子元器件的发展及相关技术的应用，开始出现了开关电源型氙灯电源，但又 多采用脉宽i 雕t j ( p w m ) 硬开关控制方式。这种控制方式的应用使开关功率器 件的开通和关断损耗非常大，在开通关断过程中会产生很高的尖峰电压和电 流，导致氙灯电源的效率不高，电子器件经常损坏。在氙灯电源的设计中， 将硬开关技术转变为软开关技术，可以很大程度地改善电力电子器件的工作 环境，并能进一步提高氙灯电源的效率和可靠性，还可以有效地减小电磁污 染( e m i ) 和环境污染( 噪声等) ，为在2 1 世纪大力发展绿色的电力电子设备提 供了有效的方法。 同时，由于软开关技术的应用，在理想情况下开关损耗几乎降为零。这 1 哈尔滨i ：种人学硕十学何论文 样使得变换器的工作频率也相应得到提高，而开关频率的提高，有效地减小 了电路中变压器和储能电子器件的体积及重量，开关变换器的功率密度得到 大幅度提升，动态响应得到改善。因此，对软开关技术理论的深入研究并将 其应用于氙灯电源中变得十分有意义。 1 2 开关电源的发展概况 在我们的日常生活中，许多电气控制设备和各种电子装置的工作电源一 般都为直流电源。在开关电源出现之前，这些电子设备的工作电源均采用线 性稳压电源。随着电子装置的集成度不断增加，体积越来越小，功能越来越 强。因此，迫切需要重量轻、体积小、性能好、效率高的新型电源与之匹配， 这就促成了开关电源技术的快速发展【3 l 。 由于新型电力电子器件的发展，使得工作于高频率下的开关电源得以问 世。开关频率的提高使得开关电源的体积变小、重量减轻。早阶段的开关电 源的开关频率只有几千赫兹，随着开关功率器件及磁性材料的不断发展，开 关频率也逐渐提高。当开关频率达到1 0 k h z 左右时，变压器及电感等磁性元 件所发出的噪声变得十分刺耳。 在2 0 世纪7 0 年代，开关频率终于突破了2 0 k h z 人耳听觉极限频率，这 一频率减小了噪声，被称为“2 0 k h z 革命”。后来随着功率开关器件m o s f e t 的应用以及2 0 世纪8 0 年代i g b t 的出现，开关电源的开关频率得以进一步 提高，电源体积变得更小，重量更轻，功率密度更高。 目前，推动开关电源质量和性能不断提高的技术有： ( 1 ) 新型高频功率半导体器件 功率开关器件m o s f e t 和i g b t 已完全可取代晶闸管和功率晶体管，使 开关电源工作频率大大提高，小功率d c d c 变换器的开关频率可达到1 m h z 。 而超快恢复功率二极管与m o s f e t 同步整流技术的开发，为高效率低电压输 出的开关电源的研制提供了条件。 ( 2 ) 软开关技术 2 哈尔滨r i ：稗人学硕十学位论文 p w m 开关电源工作在硬开关模式下，在开关过程中，功率开关器件的 电流和电压波形有交叠，形成很大的开关损耗。高频化可以缩小开关电源体 积和重量，但频率的提高使得开关损耗更大。因此必须研究开关电压电流波 形不交叠的技术，即软开关技术，主要包括零电压开关( z v s ) 技术和零电流开 关( z c s ) 技术。软开关技术的应用可以有效的降低开关损耗和开关应力，提高 开关电源效率。 邝) 分布电源技术 分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型数字电子交换系 统、大型工作站等的电源，其具有很多优点：可以实现d c d c 变换器组件 的模块化：容易实现n + i 功率冗余，提高系统可靠性；易于扩增负载容量； 可以降低4 8 v 母线上的电流和电压降；容易做到热分布均匀、便于散热设计； 瞬态响应好；可在线更换失效模块等。目前分布电源系统有两种结构类型， 一种是两级结构，另一种是三级结构1 4 j 。 ( 4 ) 有源功率因数校正技术 由于输入端存在整流元件和滤波电容，多数整流电源供电设备的电网侧 ( 输入端) 功率因数只有0 6 5 。采用有源功率校正技术( a p f c ) ，可提高到 0 9 5 o 9 9 ，减少了对电网的谐波“污染”，同时又提高了开关电源的整体效率。 ( 5 ) 电源智能化技术和系统的集成化技术 主要是指开关电源系统内部通信、电源微处理器监控、电源系统智能化 技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。 开关电源相关技术的研究仍处于迅速发展阶段。开发高频率、高功率密 度、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，预计是开关电源发展的永恒方 向。 1 3 软开关技术 1 3 1 软开关技术概念 按照功率开关器件的工作状态，可以将开关技术分两类，即硬开关和软 3 哈尔演i i 程大学硕十学何论文 开关。所谓的硬开关技术是指功率开关器件在开通和关断时，其上的电压或 电流不为零，开关器件状态的变换是在控制信号的强制控制下进行的。由于 开关管不是理想器件，因此在开通和关断时会产生损耗。开关管开通时其两 端的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时开关管中的电流也 不是从零立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段电压电流逐渐变 化的时间罩，电流和电压有一个交叠区，产生开通损耗。同理，当开关管关 断时，开关管的电压不是从零立即上升到电源电压，而是存在一个上升的时 间，同时它的电流也不是立即下降到零，也存在一个下降的时间。在这段时 间里，电压和电流也有一个交叠区，产生关断损耗。硬开关过程波形如图1 1 所示。 p i 嘲 o 图1 1 硬开关过程波形 传统p w m 变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关技术存在以 下缺陷【5 叫： ( 1 ) 开通和关断损耗大：开关管开通时，电压下降和电流上升同时进行， 两者均不为零；关断时，电压上升和电流下降同时进行，两者也均不为零。 电压、电流波形的交叠产生了器件的开关损耗，并且损耗随着开关频率的提 高而剧增。 ( 2 ) 感性关断问题：开关管关断时，电路中存在的感性元件，如引线电 感、变压器漏感等寄生电感或实体电感等，会产生反电势，即峰值很高的尖 峰电压，产生的这些尖峰电压加在开关器件两端，容易造成电压击穿。 4 哈尔滨一i ：程大学硕十学位论文 ( 3 ) 容性开通问题：开关管开通时，电路中的容性元件将产生充电电流， 即峰值很高的尖峰电流。随着频率的增高，尖峰电流就会越大，容易造成歼 关器件的损坏。 ( 4 ) 二极管反向恢复问题：二极管由导通转为截止时存在着反向恢复时 间，在这段时间内，二极管仍处于导通状态，如果立即开通与其串联的开关 器件，容易形成直流电源瞬间短路，产生大的冲击电流，使该开关器件和二 极管功耗急剧增加，甚至损坏。 ( 5 ) 干扰问题：随着工作频率的提高，电磁干扰变得更加严重，会对电 源自身及周围的电子设备的工作造成严重影响。 为了解决硬开关技术的缺陷对变换器发展所带来的阻碍，软开关技术被 提出来。软开关技术主要是通过控制策略或改变拓扑结构，利用电感和电容 的谐振，使功率开关器件在开通前其两端电压先降为零或者使开关器件在关 断前流经的电流先降为零，尽量使开关器件两端的电压和流经的电流不交叠。 如此，功率开关器件就实现了零电压开通( z v s ) 或者零电流关断( z c s ) ，从而 极大地降低了开关损耗，减少了电磁干扰和噪声污染。软开关过程波形如图 1 2 所示，开关过程中电压与电流的乘积为开关损耗，从图中可看出来功率开 关器件实现了开通和关断的零损耗。 p i 鼢 o o 图1 2 软开关过程波形 1 3 2 软开关技术的分类 直流开关电源的软开关技术可以分为以下几大类： 5 哈尔滨t 稃人宁硕十导：何论文 ( 1 ) 全谐振变换器 全谐振变换器，又称为谐振变换器，实际上这类变换器是负载谐振型变 换器，按谐振元件的谐振方式，可分为两类：串联谐振变换器和并联谐振变 换器。按负载与谐振电路的连接关系，又可分为两类：串联负载谐振变换器 与并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直工作于谐振状态， 参与能量变换的全过程。目前应用比较广泛的有l l c i 7 母】串联谐振变换器和 l c c l l 0 - 1 3 】串并联谐振变换器。l l c 串联谐振变换器具有拓扑结构简单，高效 率和易高频化的特点，因此得到了广泛的采用。l c c 串并联谐振变换器综合 了串、并联谐振变换器的优点，克服了它们的缺点，具有更好的负载适应性 和调节性，当开关工作频率大于谐振频率时，表现为恒流源的特性，适合于 类似电火花力h i ( e d m ) 对电源负载多变和加工电流恒定的要求。作为电流源 工作时，可以实现零电压开关，减小开关损耗。在高频工作环境下，具有很 好的稳定性和良好的瞬态响应能力。 ( 2 ) 准谐振变换器和多谐振变换器 这类变换器的主要特点是将一谐振电路加于脉宽调$ 1 j ( p w m ) 型功率变换 器电路的功率开关器件上，使得功率开关器件工作在零电压或零电流条件下。 在p w m 开关电源里，开关的反复操作，随着开关频率的增加电力损耗也线 性增长，并且还非常容易产生电磁干扰信号，而准谐振变换器可以有效地解 决上述存在的问题【1 4 1 。准谐振可以分为零电压开关准谐振电路、零电流开关 准谐振电路，零电压开关多谐振电路。多谐振变换器一般实现零电压开关i l 引， 零电压开关多谐振变换器是准谐振中的一种，本质上是准谐振变换器基础上 的拓扑改进，却具有比准谐振电路更优越的特性。由于多谐振网络的独特结 构，利用了电路中包括开关管的并联电容及结电容和线路或变压器的漏感等 寄生参数，为所有开关器件创造了良好的开关条件，并且降低了开关管所承 受的电压应力，改进了电路在负载工作范围内的稳定性。准谐振电路的特点 是：谐振电路只参与能量变换的某一个阶段，即在整个运行中变换器工作在 谐振模式的时间只占一个开关周期中的一部分，而其余的时间都是工作在非 6 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 谐振模式。准谐振电路中电压或电流的波形为j 下弦半波，此类变换器需要采 用频率调制控制方法。采用调频方式有如下缺点1 1 6 】：为了在大负载范围和输 入范围内实现稳压，必须获得一个比较宽的调频范围，其中的元件设计又需 依赖于最小的开关频率【1 7 1 ，因此低频滤波网络和反馈控制电路的设计复杂， 很难进行优化；由于开关频率的不固定，对于噪卢的抑制也很难1 1 8 l 。这些缺 点都是由调频工作方式引起的，因此近年来有很多学者开始研究准谐振的恒 频工作方式【1 9 - 2 。 ( 3 ) 零开关p w m 变换器 变换器工作频率的进一步提高使得开关损耗增加和电磁干扰严重，为了 解决这一问题，近年来提出了将谐振技术和p w m 技术相结合的零开关p w m 变换器【2 2 1 。零开关p w m 变换器可以分为零电压开关p w m 变换器和零电流 开关p w m 变换器。此类变换器是在准谐振变换器的基础上，通过加入一个 辅助开关，来控制谐振电路的谐振过程，以此来实现恒定频率控制。其特点 是：通过谐振为功率开关管提供零电压或零电流开关条件；能量传输与常规 的p w m 一样，在恒频下通过改变占空比来调节输出电压。当谐振结束后， 变换器返回到普通的p w m 操作模式，这样可以减小电路的能量，避免产生 较大的谐振通态损烈2 3 1 。然而由于在主电路中串有谐振电容及谐振电感，所 以零开关p w m 变换器要受到固有问题的影响【2 4 j ：半导体器件要承受附加的 电压应力；所有的电能都通过谐振电感，产生循环能量，使损耗增大；零开 关条件对电源电压和负载电流的变化非常敏感，在轻载情况下可能会失去零 开关条件。 ( 4 ) 零转换p w m 变换器 零转换p w m 变换器可以分为零电压转换p w m 变换器和零电流转换 p w m 变换器两类。于1 9 9 1 年e c l e e 、h u ag 等共同提出了最初的零电压转 换技术1 2 5 1 。零转换p w m 变换器的特点为：开关管与它的谐振网络并联的电 路结构；开关管在转换期间，通过谐振网络产生谐振获得零开关条件；在开 关转换完成后，电路拓扑又返回到正常的p w m 工作方式【2 6 1 。零转换p w m 变 7 哈尔滨下程大学硕十学位论文 换器由于在功率开关上并联了一个谐振电路，使得主功率开关器件工作在软 开关条件下，因此承受较低的电压、电流应力，辅助谐振电路不需要处理很 大的环流能量，电路的导通损耗也比较小1 2 ”。 1 4 软开关技术的发展现状及趋势 软开关技术先后经历了不同的发展阶段，主要有串联或并联谐振技术、 准谐振或多谐振技术、z c sp w m 或z v sp w m 技术、移相全桥z v sp w m 技术、z c tp w m 或z v tp w m 技术、移相全桥z v z c sp w m 技术【2 8 1 。随着 高频电力电子技术的不断进步，电力电子装置和变换器向着小型化、薄型化、 轻量化、高频化的方向发展1 2 9 j 。尽管软开关逆变器有许多显著的优势，但还 没有成熟起来，今后将主要从以下几个方面发展闭l ：合理地设计高频谐振电 感和电容；在不增加开关器件的电压、电流应力的前提下，用比较简单的拓 扑结构实现逆变器的软开关；优化控制方式，更好地实现逆变器的软开关。 在新型电路拓扑结构上，近年b e h e r d 等提出了一种新型结构，多用准谐 振三相逆变器结构；o g i w a r a 等设计出了一种单端推挽式软开关高频逆变器， 该逆变器可以用于高频感应加热装置，具有非常好的安全性和高效性。同时， 一些学者还提出了组合软开关功率变换器的理论。该组合软开关技术将无损 耗吸收与谐振式零电压、零电流技术的优点相结合，电路中既可以存在零电 压开通，也可以存在零电流关断，同时既可以存在零电流开通，也可以存在 零电压关断，这四种状态可以任意组合。 控制型软开关理论f 3 1 l 的提出，拓展了软开关技术发展的空间，控制型软 开关是在不增加主电路元器件的前提下，通过对控制电路合理地设计来实现 软开关。文献 3 2 1 总结了控制型软开关的5 个特点：开关组为半桥结构形式； 半桥结构的开关组的两个开关管的驱动信号要求互补；板桥结构的开关组的 每一个开关管需并联电容；半桥结构的中点对外至少要连接个电感；在一 个开关管连续导通的时段内顺半桥结构电感中的电流需要反向；在一个开关 管连续导通的时段内逆半桥结构电感中的电流不可以反向。 8 哈尔滨丁稗人学硕十学何论文 1 5 课题研究的内容和章节安排 通过对软开关技术的研究，设计一台5 k w 氙灯专用电源。而所研制的 氙灯电源作为电影机的配套电源，将大幅度提高电影机的整体性能，降低成 本，增强产品的竞争能力。主电路采用滞后桥臂串联二极管的z v z c s 全桥 变换器，利用软开关技术及移相控制方式提高效率，控制电路采用模拟控制 方式，利用全桥移相专用芯片u c c 3 8 9 5 进行精确控制。 第一章介绍了课题的背景，开关电源的发展概况，重点介绍了软开关技 术的概念、优点及发展趋势。 第二章对适用于大功率场合下的全桥变换器拓扑结构进行研究。较详细 地分析了z v sp w m 全桥变换器和z v z c sp w m 全桥变换器各个拓扑结构的 的工作原理、软开关的实现条件及各自优缺点。重点分析滞后桥臂串联二极 管的z v z c sp w m 全桥变换器拓扑结构的工作模态和软开关实现条件，选择 它作为主电路拓扑结构。 第三章选择滞后桥臂串联二极管的z v z c sp w m 变换器拓扑结构作为主 电路结构，根据其工作原理对电路中的各个参数进行设置及元器件型号进行 选择，最后通过p s p i c e 仿真证实参数设计的合理性及软开关的可实现性。 第四章对电路的控制部分进行研究，并对控制芯片、驱动芯片等的外围 电路参数进行设计。 第五章制作一台样机，通过实测的波形和数据对其软开关的实现和性能 进行了验证与分析。 9 哈尔滨下稃人学硕十学传论文 第2 章主电路拓扑结构方案选择 2 1 全桥变换器基本原理 2 1 1工作原理 在中大功率场合一般应用全桥变换器做为电路拓扑结构。d c d c 全桥变 换器一般由全桥逆变器、高频变压器及输出整流滤波电路组成，电路结构如 图2 1 所示： 。j； l 。 ，q 2 勺：2 a铂a l i 啊i ? i 1l f y 跏2 + 去c ：吃+ i 1l 豫y 加2 - - c , v 2 + i 1l 豫2 o = l e a d ，肠g )( 2 1 ) 二二二二 超前桥臂比较容易实现z v s 。在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感， 与谐振电感l ，串联，l ，和，中的能量一起来实现超前臂z v s 。而输出滤波 电感l ，很大，在超前桥臂开关过程中，电流几乎不变，相当于一个恒流源。 这个能量非常容易满足上式( 2 1 ) 。 滞后桥臂若要实现z v s 就有些困难。由于在滞后桥臂开关过程中，变压 器副边被短路，位于负载侧的输出滤波电感l ，与变压器原边没有关系，不参 与能量的交换。此时用来实现z v s 的能量只有谐振电感中的能量，如果不满 哈，j ：滨r 程人学硕十学何论文 足式( 2 2 ) ，就无法实现z v s 。 丢0 ，；( f ：) 吃+ 吾c 豫吆( 2 - 2 ) 由于输出滤波电感l ，不参加滞后桥臂z v s 的实现，而谐振电感l ，又比 输出滤波电感l ，要小得多，因此较超前桥臂而言，滞后桥臂实现z v s 就比 较困难。 2 2 2 副边占空比的丢失+ 副边占空比的丢失是指z v sp w m 全桥变换器的副边的占空l 9 4 , 于原边 的占空比，两者差值就是副边占空比丢失部分。 = d 。一皿 ( 2 3 ) 其中，d ，为原边占空比，g 为副边占空比，d t o ，s 为副边占空比丢失。 副边占空比丢失是由于原边电流方向改变期间，即图中的眨，毛】和阮，。】 时段。在这段时间里，虽然原边有电压方波( 正或负) ，但原边提供的电流无 法满足负载对电流的需要，因此，副边整流桥的所有二极管都处于导通状态， 负载两端电压为零。这样，副边对于眨，f 5 】和【f 8 ，f 1 。】这部分时间段的电压方波 就丢失了。这部分时间与半个开关周期的比值就是副边的占空比丢失， 即 2 荔( 2 - 4 ) f 2 5 ：业笔竽幽 ( 2 - 5 ) k 为变压器原副边匝比，将式( 2 5 ) 代入式( 2 - 4 ) ，得 d r o s s = 型学 ( 2 - 6 ) 从式( 2 6 ) n - - l ：谐振电感t ，负载和输入电压圪对占空比丢失 均有影响。谐振电感0 和负载越大，越小；输入电压圪越小，越大。 2 3 移相z v z c s 全桥变换器及拓扑 移相式z v sp w m 全桥变换器利用原边串联电感或变压器的漏感和功率 哈尔滨i 。程大号：硕十学何论文 管的结电容或并联电容实现了开关管的z v s ，因而大大减小了开关损耗，提 高了开关频率，减小了变换器的体积和重量。但它又存在许多问题和不足， 在轻载条件下，滞后桥臂很难实现z v s ，因此负载范围受到限制；变压器副 边存在着占空比丢失；副边整流二极管导通时刻存在较大电压尖峰；原边存 在环流，降低了变换器效率。 随着功率开关器件的发展，2 0 世纪8 0 年代出现了绝缘栅双极型晶体管 i g b t ，i g b t 是由m o s f e t ( 功率场效应管) 与g t r ( 电力晶体管) 复合而成的 器件，结合了两者的优点，不仅具有m o s f e t 的电压型驱动、驱动功率小的 特点，而且还具有g t r 大电流、饱和压降低和耐高电压等优点，与m o s f e t 相比i g b t 更适用于高压大功率场合，多应用于z v z c s 变换器中，由于i g b t 的出现，移相z v z c sp w m 全桥变换器作为一种新型软开关变换器在移相 z v sp w m 全桥变换器的基础上发展起来。这种变换器实现了超前桥臂z v s 和滞后桥臂z c s ，并且可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂 z c s ，不存在z v sp w m 全桥变换器的原边环流，减小了损耗，提高了变换 器的效率【3 7 1 。 移相z v z c sp w m 全桥变换器，其超l j 桥臂z v s 的实现是利用开关管 的结电容或并联电容电压不能突变原理，与移相z v sp w m 全桥变换器类似。 而滞后桥臂z c s 的实现则是通过原边电压过零期间使原边电流复位为零来 实现的。零电压的实现比较容易，而滞后桥臂零电流的实现关键在于零电流 的复位。目前，应用较多的电流复位方式主要有以下几种【3 8 。3 9 】： ( 1 ) 通过在原边增加饱和电感和隔直电容，相当于在原边加入了一个阻 断电压源来实现电流复位； ( 2 ) 在滞后桥臂串联开关二极管，利用二极管替代饱和电感使原边电流 复位； ( 3 ) 在电路中增加辅助电路，利用谐振来实现滞后桥臂的零电流开关。 根据这一思想，列出下面几种典型拓扑结构【岫1 l ： 原边串联隔直电容和饱和电感的z v z c s 拓扑结构( 图2 5 ) f 4 2 删。在电路 1 5 哈尔滨i ：秤大学硕十学何论文 中饱和电感工作时相当于一个开关元件，当绕组中的电流较小时，铁心处于 不饱和状态，绕组电感比较大，相当于“开路”；当绕组中电流较大时，铁心 处于饱和状态，绕组电感比较小，相当于开关“短路”【4 4 1 。因此，当变换器 原边向副边传输能量时，绕组中电流较大，饱和电感处于饱和状态，表现为 很小的电感。当原边电压过零时，隔直电容上的电压反向加于变压器漏感上， 在这个阻断电压作用下，原边电流迅速减小，饱和电感退出饱和且呈现很大 的电感，阻止原边电流反向增大并保持电流为零不变，实现原边电流的复位。 这种拓扑结构具有电路结构比较简单，软开关负载范围宽的优点。但饱 和电感设计和磁性材料的选择比较困难，并且饱和电感上有较大的损耗。另 外在低输入电压时，副边占空比损失较多。 t h u 图2 5 原边串联隔直电容和饱和电感的z v z c s 原边滞后桥臂串联二极管的z v z c s 拓扑结构( 图2 6 ) i 4 5 1 。此电路的特点 为滞后桥臂中串联了一个二极管。在原边电压过零期间，通过串联的隔直电 容与漏感谐振，将电路中的能量全部转移至隔直电容中，滞后桥臂串联二极 管将滞后桥臂电流通路由双向流通改为单向，从而阻止了隔直电容电压引起 的原边电流反向流动的可能性，保持原边电流在一段时间内为零，实现了原 边电流的复位。 这种拓扑结构具有无环路损耗，电路结构简单，实现