（电力电子与电力传动专业论文）软开关无桥boost+pfc技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生论文第1 i 页 a bs t r a c t p f c ( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ) h a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h a s p e c t si np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d i tc a ns h a p el i n ec u r r e n ta n de l i m i n a t et h e u n d e s i r a b l ee f f e c t so np o w e rn e tw o r kb yt h el i n ec u r r e n th a r m o n i c s c o n s e q u e n t l y i ti n c r e a s e st h ep e r f o r m a n c eo fs w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) a n di m p r o v e s t h eq u a l i t yo fp o w e rn e tw o r ka sw e l l t h et o p o l o g ye m p l o y e di np o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ns i n g l e - p h a s es u p p l i e s o f t e nc o n s i s t so faf r o n t - e n df u l l - b r i d g ed i o d er e c t i f i e r a ta n yg i v e ni n s t a n t ，t h e r e a r er e l a t i v e l ym o r eo n - s t a t es e m i c o n d u c t o r si nt h ec i r c u i t t h et o t a lc o n d u c t i o n l o s s e sa l w a y si n c l u d et w od i o d el o s s e sf r o mt h ef r o n t - e n db r i d g er e c t i f i e r i nr a t h e r h i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s ，t h ec i r c u i tu s u a l l yo p e r a t e si nc c mm o d e t h ed i o d e c o n d u c t i o nl o s s e sh a v ei n f l u e n c e do nt h ei m p r o v e m e n to fp o w e re f f i c i e n c y h i g h p o w e rd e n s i t ya n df a s t t r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h ec i r c u i tc a nb ea c h i e v e db y i n c r e a s i n gs w i t c h i n gf r e q u e n c y h o w e v e r ，t h es w i t c h i n gl o s s e si n c r e a s ei nd i r e c t r a t i o t h ep o w e rs u p p l ys u f f e r sf r o mh i g he l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e sp r o d u c e d i nt h es w i t c h i n gt r a n s i t i o na n dt h er e v e r s er e c o v e r yi np o w e rd i o d e f r o mt h e s e ，a ni m p r o v e dm i n i m u mv o l t a g es t r e s so fb r i d g e l e s sb o o s tp f c t o p o l o g yi sp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h eb r i d g e l e s sb o o s tp f cw i t hs o f t - s w i t c h i n gu s e sb i - d i r e c t i o n a ls w i t c h e sa ss u b s t i t u t e sf o rr e c t i f i e rd i o d e s i tn o t o n l yc a na c h i e v er e c t i f i c a t i o ni nt h ep r i m a r yc i r c u i tb u ta l s oh i g hp o w e rf a c t o ri s o b t a i n e ds i m u l t a n e o u s l y f o rb o t ht h ec o n d u c t i o na n dc o m m u t a t i o nl o s s e sa r e r e d u c e di nt h eb r i d g e l e s sb o o s tp f cw i t hs o f ts w i t c h i n g ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wi t i sah i g he f f i c i e n c yp o w e rf a c t o rc o r r e c t i n ga p p r o a c h b a s e do n o n e c y c l ec o n t r o lc h i pi r 115 0 ，a30 0 wb r i d g e l e s sb o o s tp f c p r o t o t y p ew i t h8 0 - 2 6 4 v a ci n p u tv o l t a g ea n d4 0 0 v d co u t p u tv o l t a g eh a sb e e n m a d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss a t i s f yd e s i g nr e q u i r m e n ta n dt h ep r o p o s e d b r i d g e l e s sp f c c i r c u i th a sg o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ；s o f ts w i t c h i n g ；c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ； b r i d g e l e s sb o o s tp f c 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密u 倔用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) ) 指剥币虢畅啦 隗抄歹杪纠 形町 泪 投 加 、l彳 名 砀 签 q 糍 川 作 乳 划 瑚 啪 日 位学 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文首先阐明了功率因数校证的目的和意义，功率因数校正的发展以及其国内外 研究的现状，总结了功率因数校正的控制策略及其发展方向。 针对传统的b o o s tp f c 电路在应用中存在的问题，指出改进的无桥b o o s tp f c 拓扑 在功率因数校正场合具有更大的优势，详细阐述了无桥b o o s tp f c 拓扑的工作原理， 阐述了适用于这种特殊结构的控制策略。 概括软开关技术的原理，介绍相关的应用电路拓扑，并指出将软开关技术应用在 功率因数校正电路中，是完善无桥b o o s tp f c 电路性能的有效途径。 详细分析了软开关无桥b o o s tp f c 拓扑的工作过程和电路特性，并给出了元件参 数和控制电路设计方法。 讲行系统的仿真和试验并进行分析，验证软开关无桥b o o s tp f c 的电路性能。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： - 7 氐学 日期：训肜彳岁月；j 习 西南交通大学硕士研究生论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 人们使用的各种的电子设备，其内部大多以直接或间接的直流开关电源工 作。开关电源是利用电能变换技术将市电或电池等一次电能转换成适合各种用 电设备使用的二次电能的装置。随着电力电子技术的迅猛发展，现代开关电源 向着高频化、模块化、数字化及绿色化的方向发展。电源系统的绿色化顺应着 当今可持续发展策略的要求。绿色电源的含义包括两方面：首先是显著节电， 意味着电网系统发电容量的减少。众所周知，发电是造成环境污染的重要因素 之一，因而发电量的减少对保护环境有重大意义；其次电源不能或者应减少对 电网产生谐波污染，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性。传统的整流器 是由二极管或晶闸管组成的非线性电路，通过接一个大电容来消除输出电压的 低频纹波，如图( 1 1 ) 所示【l 】，它可以得到波形较为平直的直流电压源。在每半 个工频周期内，只有在输入电压瞬时值大于负载直流电压源时才有输入电流。 解， 量； 以， z【 2 孓 =一 一 2 2【 图1 1 简单的二极管整流电路及输入电流波形 从而导致电源的输入功率因数很低。对这种脉冲状的电流进行傅立叶分 可得到如下表达式：l = 五s i n c o t + 1 3s i n 3 a ) t + 1 5s i n 5 a ) t + 式中，厶为基波分 厶，厶分别为3 次和5 次谐波分量。由于输入电流是一个奇次谐函数，所 譬卜掌掌薯三 西南交通大学硕士研究生论文第2 页 它除了含有基波分量外，还有大量的高次谐波分量，这些谐波电流注入电 网就会造成电网的严重污染，其主要危害有： ( 1 ) 谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压( 原来是正弦波) 发生畸变 ( 称之为二次效应) ，影响供电系统的供电质量； ( 2 ) 谐波会增加电网电路的损耗，在变压器中谐波分量不但增加了铜损，还增 加了磁滞和涡流损耗，在电机中，也会给定转子带来额外的损耗； ( 3 ) 谐波电流造成输电线路故障【2 】，影响电气设备的正常工作，谐波对电机的 影响除了会引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压 器、电容器和电缆等设备因过热而损坏； ( 4 ) 谐波会对通信电路和雷达设备造成干扰，高次谐波噪声会对周围的通信系 统产生很大的干扰，严重时会使通讯系统无法正常工作； ( 5 ) 谐波引起继电保护装置的误动作，会使测量仪表产生谐波误差。 另外，网侧较低的功率因数也给电网造成大量的能源浪费，使发电和输电 设备的运行效率下降，同时也加大了对电气设备容量的额定要求。同时，对装 置本身也有较大危害，如：过大的尖峰脉冲电流，严重危害直流侧的滤波电容； 整流管正向压降增加、导致功耗增加；输入侧的e m i 滤波元件因承受高峰值 电流脉冲，需要加大参数指标，以提高承受能力等。为了减小a c d c 变流装 置输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污染，以保证电网的供电质 量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果； 必须限制a c d c 电路输入端谐波电流分量【3 4 】。一些世界性的学术组织相继提 出了谐波限制标准，如i e c 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 、i e c l 0 0 3 2 等，其中i e c 5 5 5 2 标准自19 9 4 年起已在欧盟国家全面实施。我国国家技术监督局也在19 9 4 年颁 布了电能质量公用电网谐波标准( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) 。在19 9 8 年12 月1 4 日 发布了国家标准g b l7 6 2 5 1 19 9 8 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 ( 设备每相输入电流簇16 a ) 。因此，使用功率因数校正技术把谐波污染控制在 相应标准要求的范围之内已成为当务之急。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 功率因数相关定义 根据电工学的基本原理，功率因数( p f ) 定义为有功功率( p ) 与视在功率( s ) 的比值，用公式表示为： 阡：一p ：e i 丙1 c o s 0 ：_ 1 1c o s 0 = z o o s 矽( 1 - 1 ) s v l ir ir 西南交通大学硕士研究生论文第3 页 式中， 为输入电流基波有效值；厶为电网电流有效值， 厶= 矸+ e + + 露，其中，厶，厶为输入电流各次谐波有效值；为输 入电压有效值； 为输入电流的波形畸变因数( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ， 7 ，= i i r = l i q j ；+ i ；+ + j ：；c o s t 为位移 数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) o 即功率 因数为畸变因数和位移因数的乘积。 为了更好的表征电流失真给非线性电路带来的影响，用总谐波畸变 t h d ( t o t a lh a r m o n i c sd i s t o r t i o n ) 来衡量电流波形失真情况。令 册：犟2 ：巫孚互 m 2 ， 因此可以得到畸变因数丫与总谐波畸变因数t h d 的关系如下： ，= 厶= i 1 + t h d 2 ，当9 = 0 时，p f = k = 1 x l + t h d 2 由式( 1 2 ) 所得t h d 值和p f 值的关系如表1 1 所示。 表1 1 已知p f 值时t h d 的计算结果( 设秒= 0 ) 由上表可知，t h d 指标能很好的衡量非线性电路的功率因数，当t h d ) 时，l 、s 2 和d l 组成b o o s t 电路，如图2 2 ( a ) ，s 2 开通时电流流过电感l 的电流增加( 方向如图所示) ，电 感储能。s 2 关断时电流流过d l 向负载提供能量，流过电感l 的电流减小，s 3 在该阶段内均流过反向电流处于续流状态，反向电流流过s 3 沟道还是它的体 二极管要看s 3 是否有驱动信号。当输入电压处于负半周( k v n )b ) 负半周( v l v n ) 图2 2d b p f c 工作模态 在传统b o o s tp f c 电路中，不管正半周还是负半周，输出功率地都是通过 整流桥与输入母线相连，图2 1 a ) 中通过普通二极管d 2 、d 3 ，但是d b p f c 由 于电感的特殊位置，将产生很高的共模干扰。为了减小d b p f c 电路的共模噪 声又保持高效率，近年来出现了许多新拓扑，如图2 3 a ) 为文献【1 3 】中提到的对 称结构无桥b o o s tp f c ，结构上比d b p f c 多两个二极管，将图2 1 c ) 中的电感 分成两个相同的电感。该电路只有在所有相关寄生参数相对称的情况下才能减 小e m i ，而在实际电路中实现起来比较困难，所以这种对称结构的无桥b o o s t p f c 电路在实际的应用中不是很普遍。图2 3 b ) 为文献 8 】中提到的假图腾柱无 西南交通大学硕士研究生论文第1 3 页 桥b o o s tp f c 电路，这个电路也由两个b o o s t 组成，在输入正半周期的时候， d 4 导通，l 1 、d 1 和s 1 组成b o o s t 电路，此时，输出功率地通过d 4 与输入母线 相连；同样，在输入负半周的时候，d 3 导通，l 2 、d 2 和s 2 组成b o o s t 电路， 此时，输出正母线与输入母线相连。由于该电路在输出功率地与输入母线间添 加了一条高频通道，以使得输出功率地与输入母线相连，故这种电路的e m i 与传统b o o s tp f c 相同。但是s l 与s 2 不能同时驱动，且s 2 需要变压器隔离驱 动，因此这种假图腾柱p f c 电路由于电路和控制的复杂性而很少在实际中使 用。 a c ! d l 2【誓 3 - 骨 c o = ：r l 【 、 w 【 s 1 仁 d 本d ：2、 l j a ) 对称结构无桥b o o s tp f cb ) 假图腾柱无桥b o o s tp f c 图2 - 3 文献【2 8 】和文献【3 3 】中提到的无桥b o o s tp f c 图2 4 为d b p f c 的另一种演变形式，在输出功率地与输入母线间增加了 两个普通二极管d 3 、d 4 ，同时在n 母线上也增加了与原来相同感值的电感 【3 5 】【36 1 ，与d b p f c 不同的是，每个电感分别工作在半个周期，所以l 1 = l 2 = l ， 其工作模态分成两个阶段：( 1 ) 正半周( 屹 ) 时l 1 、s 2 和d 1 组成b o o s t 电路， l 2 被d 4 短接，如图2 4 b ) 。( 2 ) 负半周( 圪， v n )c ) 负半周( v l v n ) 图2 42 n dd b p f c 拓扑结构和正、负半周等效电路 如上图可知，在正( 负) 半周的时候，输出功率地通过普通二极管d 4 ( d 3 ) 与 输入母线相连，所以相对于输入母线，输出功率地是固定不变的，与传统b o o s t p f c 电路相同。2 n dd b p f c 的优点是e m i 小，几乎和传统b o o s tp f c 相同， 西南交通大学硕士研究生论文第1 4 页 缺点是电感量增加一倍，且增加了两个二极管。 2 2 无桥b o o s tp f c 电路与传统b o o s tp f c 电路效率简析 本文主要研究d b p f c 与2 n dd b p f c ，下面简单分析d b p f c 和2 n dd b p f c 这两种无桥b o o s tp f c 电路与传统b o o s tp f c 的损耗比较。 如表2 1 所示，d b p f c 是三种电路中功率器件最少的一种拓扑，从电流路 径中可以看出，与传统b o o s tp f c 电路相比，d b p f c 用一个续流m o s f e t 代 替两个整流二极管，所以相对于传统b o o s tp f c 拓扑效率的提升就在于前者续 流m o s f e t 的损耗与后者整流桥的损耗之差；而2 n dd b p f c 比传统b o o s tp f c 少一个普通二极管的损耗。 图2 5 给出了三者在输入线电压为9 0 v 时的损耗对比图【3 7 】。计算数据基 于以下器件：整流桥选k b p c 5 0 1 0 ，开关管选用s p w 2 0 n 6 0 s 5 。 表2 1 三种电路的比较 由图2 5 a ) 可见当输入电压一定时，随着变换器输出功率的增加，续流二 极管相对于整流桥的损耗越小，则d b p f c 和2 n dd b p f c 相对于传统b o o s tp f c 电路的效率提升越明显，如图2 - 5 b ) 。 输 h 功率p o w输出功率p d w ( a ) 三种器件的损耗曲线对比( b ) 三种电路损耗曲线对比 图2 5 损耗曲线 西南交通大学硕士研究生论文第1 5 页 由以上的分析可知，d b p f c 和2 n dd b p f c 电路要比传统b o o s tp f c 电路 的效率高。图2 5 中的续流m o s f e t 损耗是按照反向电流完全流经其体二极管 来计算的，由前述可知d b p f c 两个m o s f e t 的驱动信号可以同步，部分反向 电流会流经m o s f e t 本身。实际工作中的损耗比利用体二极管压降计算所得 值还要低，但这种效率的提升并不明显【3 8 】。 2 3 单周期控制在无桥b o o s tp f c 电路中的应用 以往无桥b o o s tp f c 控制方案都相当复杂，既要解决传统b o o s tp f c 控制 芯片所需的输入正弦半波线电压的采样，又要对不断变化方向的电感电流进行 检测。本文采用一种新型、可靠无需输入线电压检测的控制方案一单周期控制 技术( o n e c y c l ec o n t r o l ，o c c ) ，给无桥b o o s tp f c 电路提供了很好的解决方 案。单周期控制是一种不需要乘法器的新颖控制方法，同时具有调制和控制的 双重性。其突出的特点是无论稳态还是暂态，都能保持受控量的平均值恰好等 于或正比于控制参考信号。这种控制方案具有动态响应快、开关频率恒定和易 于实现等优点。近几年来，单周期控制在p f c 技术上的应用越来越广。 2 3 1 单周期控制无桥b o o s tp f c 电路原理与电路实现 p f c 电路实现的目标是输入电流跟踪输入电压，即输入电流i g 与输入电 压v 。成比例，从而使得输入阻抗为纯阻性，即： 乓= r e 。f g ( 2 - 1 ) 其中尼为变换器输入等效电阻。对于b o o s t 型变换器又有如下关系： 罟= m ( d ) = 1 - d ( 2 2 ) 矿 、7、 将式( 2 2 ) 代入式( 2 - 1 ) 得： 足名= ( 1 一d ) 圪 ( 2 - 3 ) 等式两边同时乘以电流检测电阻足，有 “= 警( 1 咖 ( 2 - 4 ) 令圪= 警，化简得 圪一名咫= 圪。d ( 2 5 ) 式( 2 - 5 ) 是单周期控制无桥b o o s t 变换器的控制方程，称为下降沿调制 ( t r a i l i n g e d g em o d u l a t i o n ) ，构造单周期控制方程如下： 西南交通大学硕士研究生论文第1 6 页 f k ( ，) = 圪一名( f ) b = ；r 呐o ，r t , o t 2 7 r q 6 c l 图2 6f 降沿调制的o c cd b p f c 原理图与王要工作波形 式( 2 5 ) 也可以写成如下的形式 t r e = ( 1 一d ) 圪 式( 2 7 ) 称为上升沿调带t j ( l e a d i n g - e d g em o d u l a t i o n ) ，构造方程如下： l 巧( f ) = 名( f ) b 1 砭 ) ：；f 1 们7 圪d f 。 f 丁，。 ； 、 1 ： j ： 一 ( i 。 一 t ，) l 图2 7 上升沿调制的o c cd b p f c 原理图与主要工作波形 ” 比q 。 西南交通大学硕士研究生论文 第1 7 页 2 3 2 单周期控制d b p f c 稳定性分析 单周期控制属于非线性控制理论，其稳定性是一个非常重要的问题1 9 1 ，下 面对单周期控制的d b p f c 的稳定性进行分析。 先分析下降沿调制，其控制方程式( 2 5 ) 可以写成如下形式： 名= 鼍啬饵( 2 - 9 )名2 乏一赢_ z ： 图2 - 8 下降沿调制t 作原理波形 令：= 商v ，码= 专，= 警，图2 - 8 是下降沿调制的工作原理波 形，其中以、吨+ ，分别是第n 和第n + 1 个周期的占空比，从图中可以得到如下 关系： 吃c + ( 1 一吃) i = ( + ) 以+ 。c ( 2 - 1 0 ) 上式可以推导得： 以+ l _ 兰l + 兰兰吃 ( 2 1 1 ) l 、m c l f 、tm c 令：生，g ：m c - m 2 ，则上式可以化简得：以= 呸( 1 - 9 ”) + g ”d og j ： m 十码十 式收敛，必须满足条件： - | 嚣| 三c 训 亿 将式( 2 6 ) ( 2 11 ) 代入式( 2 1 2 ) 得： d ! + 生盟。( 2 13 ) 2 疋 其中z 是开关管的频率，厶是输入电感。在大部分的开关周期内，这个稳 定条件是很容易满足的，只有在输入交流正弦电压过零附近，这个条件是不满 足的，但是这个时间是很短暂的，而且造成的影响也很小。 上升沿调制的稳定性分析与下降沿调制的稳定性分析类似，这里就不在赘 西南交通大学硕士研究生论文第1 8 页 - - - - - ribil i 一一i 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼寰蔓曼鼍曼曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍 述，上升沿调制的单周期控制d b p f c 变换器系统稳定条件为： d 三一生赳( 2 - 1 4 1 2 疋 与下降沿调制类似，在大部分开关周期内，这个稳定条件是很容易满足的， 只有在输入交流正弦电压峰值附近以及在轻载的情况下，这个条件是不满足 的，所以这个时候就会出现不稳定的现象。 2 4 本章小结 本章系统的回顾了各种无桥b o o s tp f c 电路，分析了各种电路的优缺点； 并通过损耗对比，进一步的阐述了无桥b o o s tp f c 电路高效率的缘由；接着详 细分析了适合无桥b o o s tp f c 电路的控制方法一单周期控制技术；最后阐述了 单周期控制无桥b o o s tp f c 的工作原理和电路实现，并对其稳定性进行了分析， 推导了稳定性条件。 西南交通大学硕士研究生论文第1 9 页 mm m 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼舅曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼 第3 章谐振软开关技术回顾 3 1 软开关功率变换技术的提出 功率电路中开关器件的开关条件分为硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 和软开关( s o f t s w i t c h i n g ) 两种。硬开关是指开关器件在承受电压或流过电流的情况下接通关 断电路，在开通或关断过程中开关管上的电压和电流有一个交叠区，产生开关 损耗。一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，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，系统的效率越低。开 关损耗的存在限制了开关频率的提高，也限制了磁性元件的小型化。 所谓的软开关是利用辅助网络中电感l 和电容c 的谐振，修正开关管的 开关轨迹使开关器件上的电压( 或电流) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然 过零时，使开关管关断；或电压下降到零时，使开关管导通；开关器件在零电 流或者零电压的情况下完成开通与关断的过程。理想的情况下，开关过程中没 有电压电流的重叠区，这样就实现了功率开关器件的零损耗开通和关断，开关 频率可以提升到兆赫级。图3 1 给出软开关和硬开关方式下开关管上电压电流 波形及对应的开关轨迹图，可以看出软开关条件下，开关器件的开关轨迹不易 超出安全工作区( s a f e t yo p e r a t i o na r e a ，s o a ) 。 专犷、 t 八、 图3 1 软开关和硬开关时开关波形 软开关包括软开通和软关断。软开关方式分为零电流开关( z e r oc u r r e n t s w i t c h i n g ) 和零电压开关( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) ，因而有四种软开关组合方式： 零电流开通、零电压开通、零电流关断和零电压关断。零电流开通是限制电流 的上升率，从而减少电压和电流的交叠区，大大减少了开通损耗。最理想的软 开通过程是零电压开通：开关管开通前，其电压先下降到零，然后电流再缓慢 上升到通态值，开通损耗基本减少到零。而且由于开关管导通前电压已下降到 零，器件寄生电容上压降亦为零，消除了开关器件容性开通的问题。若在普通 西南交通大学硕士研究生论文第2 0 页 寡曼璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼| 一i i 一； 一；= ；h = i 二。；。= i = = i = = i n = 曼i l l 曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼! 曼 的b o o s t 电路中零电压开通开关管，此时升压二极管也己经截止，其反向恢复 过程结束，故二极管反向恢复问题也不再存在。零电压关断通过限制电压的上 升率从而减少电压和电流的交叠，同零电流开通实现开关管的软开关的方式相 似。理想的软关断方式是零电流关断：开关管关断前，其电流先下降到零，电 压再缓慢上升到断态值，关断损耗近似为零。由于开关关断前电流已下降到零， 即线路电感中电流为零，所以不存在感性关断问题，不会出现关断时的电压尖 峰。 对软开关理论的深入研究，以及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换 器的设计出现了革命性的变化。在实际应用中，软开关技术不仅能有效提高功 率电路的效率，而且还可吸收变换器中的寄生电感和寄生电容作为谐振元件， 无需增加额外的谐振元件，即减少了电路寄生参数的不良影响，也进一步减少 了变换器的体积和重量。软开关技术利用了谐振变换原理将开关器件开关时刻 的电压或电流波形整形为正弦波，软化了开关过程，电压和电流的变化率始终 小于1 ，避免了容性组件或感性组件在开关通断瞬间产生大的d v d t 和d i d t ， 减少了其对开关器件的冲击，尤其减少了电路的电磁干扰噪声。 依据控制方式的不同，可以将谐振软开关变换器粗略分为两大类，一类是 使用脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) 方法的软开关变换器，另 一类是采用脉冲宽度调制的( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 变换器。由于p w m 控制方式具有许多突出的优点【29 1 ，当前谐振软开关变换器多采取p w m 控制方 法。 3 2p f m 调制的准谐振和多谐振变换器 为了实现开关管的软开关，早在8 0 年代就提出了准谐振变换器 ( q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，q r c s ) 和多谐振变换器( m u l t ir e s o n a n tc o n v e r t e r s ， m r c s ) 拓扑。q r c s 和m r c s 实现软开关的关键在于构造谐振开关，谐振电感 和谐振电容与普通的p w m 功率变换器中的开关器件组成谐振开关取代原变换 器的开关部分即可构造相应的谐振变换器。 3 2 1 准谐振变换器( q r c s ) 白t j 原理 准谐振变换器实现软开关的方式是通过谐振使开关管两端的电压或开关 管上电流呈正弦波形，从而为开关管的开通和关断创造零电压或零电流开关条 件。由于运行中，变换器工作在谐振模式的时间只占一个开关周期的一部分， 其余时间工作均在非谐振模式，所以称之为准谐振变换器。准谐振开关通常由 西南交通大学硕士研究生论文第2 1 页 一个开关器件s 和一个l c 振荡电路组成。可以分为零电压型和零电流型。每 一类按照拓扑结构形状的不同又可分为l 型和m 型，其工作原理是相似的。 如图3 2 所示。从图中可以看出，零电流谐振开关中谐振电感l 与功率开关管 s 串联，基本思想是在s 开通之前，l 的电流为零；当s 受控开通时，l 限制 s 中电流的上升率，从而实现s 的零电流开通；然后l 和c 谐振使l 上电流回 到零时实现s 的零电流关断。零电流谐振开关管的节电容没有被吸收，开关管 是容性开通的，存在开通损耗。零电压谐振开关中谐振电容c 与开关管s 并联， 通过c 与谐振电感l 组成的谐振回路，可以实现功率开关的零电压开通和零 电压关断。在准谐振变换器中，不论是零电流开关变换器还是零电压开关变换 器只能改善开关管和二极管中的一个器件的开关条件，而不能同时为二者创造 软开关条件【30 1 。 irl rl rir 零电流l 型零电流m 型零电压m 型零电压l 型 图3 2 零电压和零电流谐振开关 3 2 2 多谐振变换器( m r c s ) f l c j 原理 多谐振变换器的提出是为了同时实现功率开关管和二极管的软开关，也有 零电压和零电流多谐振之分。将m r c s 中的电压源和滤波电容短路，同时将滤 波电感开路，就可得到如图3 3 所示的零电流多谐振开关( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g m u l t ir e s o n a n tc o n v e r t e r s ，z c - m r s ) 和零电压多谐振开关( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g m u l t ir e s o n a n tc o n v e r t e r s ，z v - m r s ) 的等效电路图。它们具有对偶的电路拓扑 结构，在每个开关周期中有多个不同谐振频率的谐振阶段，分别为有源开关s 和二极管d 提供良好的软开关条件。 l rid l r a 、z cm r sb 、z vm r s 图3 - 3z cm r s 和z vm r s 的等效电路图 从实际应用来看z v o m r s 比较合理，它直接利用了开关管和二极管的节电 容，线路中可能存在的线路电感或变压器漏感都可用作谐振电感，不必另加谐 振元件，从而减少了z v - m r s 中元件数量。实用中，任何一种p w m 型变换器 西南交通大学硕士研究生论文第2 2 页 都可由以下步骤变成相应的z v - m r s 3 1 】。 ( 1 ) 在有源开关s 旁并联一个谐振电容； ( 2 ) 在整流二极管d 旁并联一个谐振电容； ( 3 ) 在包含有上述有源开关和二极管的回路中嵌入一个电感，这个回路中还可 能包含有电压源或滤波电容或者能量传递电容。 准谐振和多谐振变换器中谐振元件一直参与能量的传递过程，它们的电压 和电流应力比较大；同时由于谐振元件上可以承受双向的电压或流通双向的电 流，变换器中开关器件较之普通的p w m 变换器将承受更大的电压或电流应力。 在不同的输入电压和负载范围里，得到要求的输出电压时，准谐振和多谐振变 换器都必须采用脉冲频率调制方法。这是因为一旦电路参数取定，则电路的谐 振过程也就确定了，电路中可以控制的量只是谐振过程之后的剩余时间，也就 是只能通过调整开关周期来得到稳定的输出电压。变化的开关频率导致很难优 化设计电路中的磁性元件和滤波器，通常设计过程中以最低的开关频率决定磁 性元件和滤波器参数的取值，元件体积比较大。为了能够优化设计这些元件， 必须采用恒定频率控制，在8 0 年代后期到9 0 年代初期，提出了能实p w m 控 制的软开关技术，通过采用这种技术使变换器同时具有p w m 变换器和谐振变 换器的优点。 3 3p w m 调制的软开关变换器 p w m 调制软开关技术的基本思想是在常规p w m 变换器的基础上附加一 个谐振网络，谐振网络通常由谐振电感、谐振电容和半导体器件组成：当开关 转换时，谐振网络工作使开关器件在开关点上实现软开关过程。一般相对一个 开关周期而言，谐振过程极短，基本不影响p w m 调制的实现；从而在功率电 路中既保持了p w m 技术的优点，又实现了开关器件的软开关。根据谐振网络 里使用有源辅助开关器件与否，p w m 软开关技术分为有源软开关和无源软开 关。有源软开关技术是在常规的p w m 变换器引入辅助开关管与谐振元件组合 作用于特定的开关过程，实现主开关管的零电压或零电流通断；无源软开关技 术则是在功率电路中不附加额外的有源器件，只采用简单的电容电感和二极管 等构成无源无损回路，实现开关管的软开关。 3 3 1 有源软开关拓扑概述 1 零开关p w m 变换器 零开关p w m 变换器包括零电流p w m ( z c s - p w m ) 和零电压p w m ( z v s 西南交通大学硕士研究生论文第2 3 页 曼曼曼! 曼曼曼曼量曼曼曼曼曼甍i i i i ! 曼 p w m ) 变换器，它们是在准谐振变换器的基础上加入一个辅助开关管，通过控 制辅助开关管的开关来控制谐振网络的谐振过程，从而实现变换器的p w m 调 制。变换器工作时只利用谐振实现换相，创造软开关的条件；换相完毕后电路 仍采用p w m 方式。典型的零电流和零电压开关如图3 4 所示。将开关单元带 入相应的p w m 变换器，即得到零开关p w m 变换器组。 零电压开关变换器综合利用零电压q r c s 和常规p w m 变换器的优点，在 零电压q r c s 电路的基础上，给准谐振电感l 并联一只辅助开关管，通过控制 辅助开关管使l 短路，周期性消除电路谐振，使其只在主开关管转换期间产生 谐振，为主开关管创立零电压通断条件。定时控制辅助开关管的开通和关断就 可以实现主电路的恒频控制。 z c s p w m 开关 c ， z v s p w m 开关 图3 4z c s p w m 和z v s p w m 开关 同理，零电流开关变换器是在零电流q r c s 的基础上，在谐振回路中的电 容c ，上串联一个辅助开关管，周期性的断开c ，消除l r 和c ，之间的谐振回路， 仅仅在主开关管转换瞬间产生谐振，为主开关管提供零电流通断的条件并能实 现主电路的恒频控制。 准谐振变换器中谐振电感和谐振电容的谐振贯穿于电路工作的全过程：而 在零开关变换器中，谐振回路只在主开关管开关时谐振工作一段时间，相对于 开关周期而言很短，因而电路中损耗相对较低。准谐振变换器和零转换变换器 都实现了主开关管的软开关，两种电路中对应的开关管和二极管的电压、电流 应力亦是完全一样的，都较普通的p w m 变换器中开关应力大。同时，这两类 软开关变换器中谐振电感都串于主回路之中，软开关变换器受固有问题的影响 【3 1 】。首先，在半导体器件上会产生附加的电压应力；其次，所有的电能都通过 谐振电感，会产生循环能量，增大导电损耗；再者，储存在谐振电感内的能量 对电源电压和负载变化范围有很大的依赖性，因此电路实现软开关的条件依赖 输入电压和负载电流的变化范围，在高输入电压或轻载的条件下甚至不能保证 实现软开关。 2 零转换p w m 变换器 为了克服上述变换器的缺陷，文献 3 2 】提出了零转换变换器的概念。零转换 西南交通大学硕士研究生论文第2 4 页 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼鼍曼曼曼曼m nu ! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼! ! 曼曼! 曼曼! 曼! 曼皇! 曼! 曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼 一变换器中将谐振网络从主回路移开与主开关管并联。在主开关管开关时，谐振 回路投入工作，谐振产生主管的软开关条件；主管开关结束后，谐振回路不再 工作，电路又回复到p w m 控制模式。零转换p w m 变换器包括零电压转换( z v t ) 和零电流转换( z c t ) p w m 变换器，相应的零转换开关如图3 5 所示，将开关单 元带入相应的p w m 变换器，即得到零转换p w m 变换器组。 零电压p w m ( z v tp w m ) 变换器工作的基本原理是：为了实现主开关管的 零电压关断，可以给其并联一个缓冲电容c ( 包括开关管和二极管的结电容) 限 制开关管电压的上升率。为了实现开关管的零电压导通，则必须在其导通之前 将结电容中的能量释放到零。因而引入了辅助电路，在主开关管s 导通之前， 先触发导通辅助开关管s 。使辅助电路谐振。当c 两端电压谐振到零时，s m 体 二极管d s 导通从而可实现主管的零电压导通。主管完全导通后关断辅管，则 断开了谐振回路，电路又回到p w m 模式。z v tp w m 变换器内电压电流应力 小，与常规p w m 变换器相同，电路实现了主开关管和二极管的软开关，更适 用于因整流二极管存在严重的反向恢复问题的高压变换场合，比如可作为中大 功率的功率因数校正电路。 z v tp w m 变换器的谐振元件不在电路主回路上，仅在开关瞬间参与工作， 因而导通损耗比较低且能在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关。z v t p w m 变换器存在的主要问题是辅助开关管在大电流( 接近谐振峰值电流) 下关 断，关断损耗很大，甚至比普通硬开关情况下的开关管的关断损耗还要大，因 此有必要改善辅管的关断条件。文献【33 】提出一种改进型z v tp w m 变换器拓 扑，可以同时实现主管与辅管的软开关。 窜t a ) z c l i 二p w mb ) z v i 二pw m 图3 5z c t - p w m 和z v t - p w m 开关 i g b t 等电力电子器件关断性能差，存在电流拖尾问题，特别适合z c t p w m 变换器的应用。z c tp w m 变换器的基本思想是在开关管关断前，需使 开关管上电流减少到零，实现开关管的零电流条件下关断。因而需增加辅助支 路在开关关断前谐振工作，使主开关管电流下降到零；当主管电流到零后，辅 助电路停止工作，电路可以实现恒频控制。 z c tp w m 变换器是在不增大开关管和二极管的电压应力的情况下实现了 西南交通大学硕士研究生论文第2 5 页 主管的零电流关断。它的循环能量较小且可调节，辅助支路的能量能随着输入 电压和负载的变化而调整。但电路中辅助开关