（电力电子与电力传动专业论文）一种新型零电流全桥dcdc变换器的研制.pdf

江苏大学硕士擘位论文 a b s t r c t z c t ( z e r oc u r r e n tt r a n s i t i o n ) f u l l b r i d g ed c d cc o n v e r t e r , r e a l i z e s t h ez c so fl e a d i n g - l e g sa n dt h ez c so fl a g g i n g l e g sa n do v e r c o m e s s o m e d i s a d v a n t a g e s o fp 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 ea n d z 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 , w h i c h h a s i m p r o v e dt h e c o n d i t i o no fs o f ts w i t c h ，h a sb e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s an o v e lz c tp w m f u l l 一b r i d g ed c d cc o n v e r t e ri sp r o p o s e di nt h i s p a p e r t h e p r i n c i p l eo ft h en o v e lc o n v e r t e r i sa n a l y z e d a n dt h e f o u n d a t i o n so fp a r a m e t e r - d e s i g na r ep r e s e n t e d f u t h e r m o r e ，p a r a m e t e r c a l c u l a t i o nf o r m u l a sa td i f f e r e n tm o d e sa l ed e d u c e d as i m u l m i o ni s p e r f o r m e ds u c c e s s f u l l yt oa n a l y z et h ec o n v e r t e r sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i e s u s i n gp s p i c e 9 2 o n e1 5 k wz c ts o r - s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s e do n t h i st o p o l o g yi sd e v e l o p e d ，a n dt h ed e s i g np r o c e s so f m a i nc i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i t , p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dh i g l l - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra r ep r e s e n t e d , a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea l s oi n c l u d e di nt h i sp a p e r t h en o v e lz c tp 、v mf u l l - b r i d g ed c d cc o n v e g e r ，c o m p a r e dw i m t h ep r e v i o u s l yp r o p o s e dt o p o l o g i e s ，as i m p l ea u x i l i a r yc i r c u i tt h a tc o n s i s t s o fa c t i v es w i t c h i n g si su s e d t h ep r o p o s e dc o n v e r t e rn o to n l ya c h i e v e s z e r oc u r r e n ts w i t e h i n gf o rn l em a i ns w i t c h e sa n da u x i l i a r ys w i t c hi nt h e l o a dr a n g e s ，b u ti ta l s ok e e p st h ev o l t a g es t r e s sl e s sa n dr e a l i z e ss o f t c o m m u t i o no ft h es e c o n d a r yr e c t i f i e rd i o d e s d i o d eo fa u x i l i a r yc i r c u i ti s s o f t l y c o m m u t a t e da n di t so fr e v e r s e r e c o v e r y i s m i n i m i z e d f u r t h e r m o r e ，t h et r a n s i t i o nh a sl o wc o n d u c t i o na n ds w i t c hl o s s w h i c h g u a r a n t e e sh i 曲e f f i c i e n c yo v e r 埘d el o a dr a n g e k e y w o r d s ：p u l s e w i d t h ，m o d u l a t i o n ，z e r o c u r r e n t - s w i t c h i n g ， z e r o c u r r e n t - t r a n s i t i o n ，f u l l b r i d g ec o n v e r t e r 江苏大学硕士学位论文 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者躲粼杠 签字只期：2 0 0 7 年5 月2 8 日 学位论文作者毕业后去向：无锡 工作单位：电话：1 3 8 1 2 0 3 3 0 3 9 通讯地址：邮编： 导师签名： 方、3 摩析 签字日期：2 0 0 7 年5 月2 8 日 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，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。 学位论文作者签名： 弘珠 日期；2 0 0 7 年5 月2 8 日 第一章绪论 近年来，随着电力电子技术的发展迅猛，功率交换器( p o w e rc o n v e r t e r s ) 在 开关电源、电机驱动控制、高频感应加热、焊接电源、电网的无功补偿和谐波治 理等众多领域得到日益广泛的应用。其中直流开关电源广泛运用于计算机、邮电 通讯、电力系统和航空航天等领域从2 0 世纪6 0 年代开始得到发展和应用的 d c d cp w m “硬开关”功率变换技术，功率开关管导通或关断时，器件上的电 压和电流不等于零“】。因此，功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗。这种 开关损耗，随着频率的提高而增加，降低了变换器的整体效率，限制了元件的开 关工作频率，同时随着频率增高，还表现出了其它固有的缺陷：电路的寄生电感 和开关器件的寄生电容在高频时产生严重的高压尖峰和浪涌电流，使得开关元件 承受的开关应力增大，要求更大的安全工作区：同时较大的动态电压、电流应力 还会产生很大的电磁干扰( e 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 ，e m i ) ，是变换器噪声 的主要来源；且桥式电路的上下桥臂容易发生短路“】为了实现电源装置的高性 能、高效率、高可靠性、减小体积和重量，必须实现开关管的软开关( s o f t s w i t c h i n g ) 啦哪嘲。软开关变换技术是近年来电力电子学领域中的热门话题。 另一方面，如何提高开关频率也是现代开关变换技术的重要发展方向之一。 开关变换器的高频化可以使变换器的体积、重量大为减小，从而提高开关变换器 的功率密度，提高设备的集成化程度此外，提高开关频率也有利于降低开关电 源的音频噪声和改善动态效应。为了克服以上矛盾，高频软开关p w m 技术在这 种要求下应运而生，使开关电源能够在高频下高效率地运行软开关p w m 技术 的基本思想是在常规p w m 变换器拓扑基础上，附加一个谐振网络，谐振网络_ 般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成，利用谐振原理使开关周期中开关管的 电流( 或两端电压) 按正弦或准正弦规律变化，电压和电流的波形错开，从而使 开关损耗理论上降到零，如图1 1 所示；同时谐振参数中吸收了高频变压器漏抗、 电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频时产生的电压尖峰和浪涌 电流，达到降低器件开关应力，消除电磁干扰和电源噪声以及提高变换器的可靠 性和效率等目的。可见软开关p w m 技术既保持了p w m 技术的特点，又实现了 软开关，所以软开关变换器一直是电力电子技术领域中的热点研究方向之一“1 。 江苏大学硕士学位论文 u 软开关开关波形硬开荧开关波形 u 图1 1 软，硬开关波形比较 p w m 软开关技术应用的关键谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流或 电压按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关管关断；或开 关管电压自然过零时，使开关管导通，从而使开关管关断和导通损耗为零，实现 了开关电源高频化的设计，而且提高了电源效率。 1 1 软开关功率变换器的发展 几十年以来，高频软开关技术得到了迅猛的发展和应用，大致经历了以下几 个阶段硼嘲嘲： 1 1 1 谐振变换嚣 ( 1 ) 串并联谐振技术。串联谐振变换器( s r c ) 和并联谐振变换器( p r c ) ：串联 谐振变换器中，谐振电感k 和电容g 与输出变压器原边绕组串联；而并联谐振 变换器中，谐振电感l f 和电容c f 与输出变压器原边绕组并联。二者都是应用谐 振原理，使开关变换器的电流( 电压) 按正弦规律变化，当开关管电流自然过零时， 开关管关断；偶或开关管电压为零时导通，从而实现了串并联谐振变换器。 谐振变换器一般应用于大功率，输入电压较窄的场合串联谐振变换器适用 于高电压、小电流；并联谐振变换器适用于低电压、大电流。 ( 2 ) 准谐振或多谐振技术。降压型z v s - q r c 和z c s q r c 是利用z v s 谐振开 关和z c s 谐振开关代替p w m 开关的软开关交换器技术：由于电路中k 和c r 谐 振，使主开关功率m o s f e t 的电压v 出a d i ) 按正弦规律变化，a d s ) 过零时主开 关管开通( 关断) ，实现准谐振变换器。 准谐振变换器也可以用两个以上谐振元件组成多谐振开关代替p w m 开关 2 江苏大学硕士学位论文 变换器中的p w m 开关，实现多个谐振频率的准谐振变换器( m u l t i r c s o n e n t c o n v e r t e r ) 。 ， 谐振变换器( q r c ) 实现了软开关，提高了开关频率，降低了开关损耗，但其 输出电压与开关频率有关，为保证输出电压不变，必须采用变频调制。因此，控 制方式不如p w m 变换器简单，并且变压器、电感等元件的最低频率设计不易实 现。因此，出现了将p w m 恒频控制和q r c 相结合的z v s p w m 和z c s - p w m 变换技术。 i 1 2 零开关脉宽调制变换器 ( 1 ) z v s z c s p w m 变换器 z c s p w m 和z v s - p w m 均实现恒频控制，但谐振电感在主回路中，z c s 条 件和z v s 条件均与电网电压，负载变化有关。前者主开关电压应力小，但二极 管d 电压应力大；后者电流应力小，但电压应力大。由于z c s - p w m 和z v s p w m 两种变换器的谐振电感串联在主回路中，在轻载下有可能失去零开关条件，因此 提出了一种谐振网络与主开关并联的“零转换”( z e r ot r a n s i t i o n ) 技术 ( 2 ) z v t z c t - p w m 变换器 z v t - p w m 变换器零电压导通，保持恒频运行；二极管零电流截止，避免了 二极管反向恢复使关断损耗过大的问题，开关电流和电压应力小，在较宽的电源 电压和负载电流变化范围内可满足z v s 条件。 ( 3 ) 移相控制全桥变换器 移相全桥( p h a 辨s h i f i i i l gc o n u o l - - - p s c ) p w m 变换器可将开关频率提高至 0 5 m i m h z 级水平，利用功率m o s 管的输出电容和输出变压器的漏感作为谐 振元件，使f bp w m 变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。 但是，由于滞后桥臂开关s 2 、s 4 实现z v s 主要靠变压器漏感储能，轻载时不易 满足z v s 条件。同时，在输出能量的开始时，f b - z v s p w m 会发生占空比丢失 现象，造成开关损耗严重。 鉴于p s cf bz v s p w m 变换器的滞后臂不易满足z v s 条件，2 0 世纪9 0 年 代初开发了一种p s cf bz v z c s p w m 变换器。p sf bz v z c s - p w m 变换器中为 实现滞后桥臂z c s 而在原边串联了饱和电感，而非线性电感就是用来减小占空 比的丢失。p s cf bz v z c s - p w m 变换器实现了超前臂开关z v 开通，滞后桥臂 3 江苏大学硕士学位论文 开关z c 关断；开通和关断损耗几乎为零；满足软开关条件的负载和输入电压变 化范围很宽，效率高，功率密度高。 1 1 3 广义软开关p w m 技术 我们把利用吸收电路技术，减小p w m 变换器开关损耗，提高电路效率的过 程称为开关过程软化，这种技术称为广义软开关p w m 技术。 比如可以在开关交换器的功率开关管上并联钳位电路( c l a m p ) ，就是采用并 联吸收电路抑制电力电子系统的开关浪涌电压或电流，从而提高电路的效率。也 可采用有源箝位网络，使得谐振电压、电流幅值约束在一个较小的范围内，减小 了开关的电压、电流应力，提高了开关的可靠性，同时使得励磁电流可以双向流 动，磁滞回线位于一、三两个象限，提高了变压器的利用率，易于减小其体积。 1 2 软开关全桥功率变换器 1 2 1 全桥变换器简介1 4 全桥变换器拓扑是目前国内d c d c 变换器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，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。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1 2 所示 0 江苏大擘硕士学位论文 v j n 是输入直流电压，s 1 & d l s 4 & d 1 4 构成两个桥臂，开关管可以在l r 、 l s 、c i c 、c 2 c 、副边耦合电感等的谐振作用下实现软开关，如果我们让s 3 、s 4 在移相时滞后，则我们又可以把s i 、s 2 称为超前桥臂，s 3 、s 4 称为滞后桥臂， 高频变压器t x l 原副边变比为k ，d r i 和d r 2 是输出整流二极管，k 是输出滤 波电感。g 是输出滤波电感，凡是负载。 全桥电路的基本原理是：直流电压v i i i 经过s i & d i s 4 & i m 组成的全桥开 关变换，在变压器的原边得到交流方波电压，该电压经过变压器的电压变换得到 交流方波电压v k 再经过输出整流管将其整成直流方波v m g ，l - 和c r 组成 输出滤波器将这个直流方波电压中的高频分量滤波，在输出端得刭平滑的直流电 1 7下 压，其电压值为圪= d 等。其中d 是占空比，d = 菩告，t 饥是导通时间，t i j 二 是开关周期，通过调节占空比来调节输出电压v o 。 1 2 。2 全桥变换器控制策略 全桥电路的控制方式一般分成四种：双极性控制方式、有限双极性控制方式、 不对称控制方式、移相控制方式，如图1 3 所示 即 毛 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 。_ _ 1 _ 一 ： 广阿 厂 广一 r 广 j 一 ( a ) 双极性控制方式 5 ( b ) 有限双极性控制方式 江苏大学硕士学位论文 龟“ 屯 广 ： i 厂 厂了 ( c )不对称控制方式 ， ( d ) 移相控制控制方式 图1 3 全桥电路四种不同的控制方式 ( 1 ) 双极性控制方式：斜对角的两只开关管s 1 & s 4 和s 2 & s 3 同时开通和关 断，开通时间不超过半个周期，即导通角不超过1 8 0 0 。 ( 2 ) 有限双极性控制方式：在正半周期中，s l 一直开通，s 4 只开通一段时 间；负半周期中，s 3 一直开通，而s 2 只开通一段时间，由于s 4 ，s 2 分别在s 1 ， s 3 之前关断，可定义s 4 ，s 2 为超前桥臂，s l ，s 3 为滞后桥臂。 ( 3 ) 不对称控制方式：斜对角的两只开关管s i & s 4 和s 2 & s 3 同时开通和关 断，与( 1 ) 中不同的是，该方式中开通和关断是互补的。且s i & s 4 的开通时间和 s 2 & s 3 的开通时间是不一样的，因此变压器两端的交流方波电压不对称。 ( 4 ) 移相控制控制方式：每个桥臂的两个开关管1 8 0 0 互补导通，两个桥臂的 开关管导通相差一个相位，即所谓移相角。两个有一个相位差的电压叠加后输送 给负载，通过调节移相角的大小来调节输出电压由于s 1 ，s 3 的驱动信号分别 超前于s 2 ，s 4 ，可定义s i & s 3 为超前桥臂，s 2 & s 4 为滞后桥臂。 从控制策略来看，其可以归纳为两类雠：， ( 1 ) 斜对角的两只开关管同时关断，控制方式( a ) 、( c ) 属于此类，一般不能实 现软开关。 ( 2 ) 斜对角的两只开关管关断时间错开，一只先关断，一只后关断，控制方 式( b ) 、( d ) 属于此类，适宜实现软开关。 根据四只开关管的导通情况不同，d c d c 全桥变换器存在+ l ，0 ，1 三种工 作状态，参照图1 3 ，定义如下： 6 江苏大学硕士学住论文 ( 1 ) + l 状态：s l 和s 4 同时导通，加在a b 两点上的电压为正的输入电压， 即= ( + 1 ) 吒，定义这种工作状态为+ l 状态 ( 2 ) 0 状态：s i ( d 1 ) 和s 2 ( d 2 ) 或者s 3 ( d 3 ) 和s 4 c i ) 4 ) n 时导通，= ( o ) 。 ( 3 ) 一l 状态；s 2 和s 3 同对导遁，么= ( - l 1 2 3 移相p w md c d c 全桥软开关功率变换嚣“加”嘲 传统的全桥( f u l l - b r i d g e f b ) p w m 变换器适用于输出低电压、大功率的 情况，以及电源电压和负载电流变化范围大的场合。其特点是开关频率固定，便 于控制。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，器要将 全桥p w m 变换器开关频率提高到o 5 m h z i m h z 级水平。为了避免开关过程中 的损耗随频率增加而急剧上升，采用移相( p h a s e - s h i f t e dc o n t r o l ，v s c ) 的控制方 式，为了优化输出滤波器，须采用恒定频率控制，即采用脉冲宽度调$ , ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n , p w m ) 控制方案。 1 3 几种现有移相全桥电路拓扑的比较 1 3 1 移相式z v sp w md c d c 全桥变换器 该变换器在四个开关管两端并联电容或利用开关管的寄生电容，即可实现开 关管的零电压关断。而要实现开关管的零电压开通，必须要有足够的能量来抽走 将要开通的开关管结电容( 或外部附加电容) 上的电荷，并给同二桥臂将要关断 的开关管结电容( 或外部附加电容) 充电。 图1 4 移相式z v sp w md c d c 全桥变换器主电路原理图 7 江苏大学硕士学位论文 该变换器的优点是功率开关管实现了z v s ，减小了开关损耗，保持了恒频 控制，电路结构简单。其主要缺点为：( 1 ) 滞后管实现z v s 比较困难，通常增加 谐振电感来帮助实现z v s ；( 2 ) 漏感或外加谐振电感带来占空比丢失；( 3 ) 原边 存在环流，降低了变换效率；( 4 ) 漏感和副边整流二极管及电容会产生电压尖峰 和电压振荡，会迸一步降低交换效率 1 3 2 移相式z v z c sp w md c ，d c 全桥变换嚣 鉴于移相式z v sp w md c 囝c 全桥变换器的滞后桥臂不易满足z v s 条件， 于是移相式z v z c sp w md c 仍c 全桥变换器应运而生，如图1 5 所示。这种交 换器的特点是滞后桥臂不再并联电容，以避免开通时电容释放的能量加大开通损 耗；超前桥臂仍然是零电压开通，利用其输出电容与电感谐振。 图1 5 移相式z v z c sp w md c d c 全桥变换嚣主电路原理图 这种变换器开通和关断损耗较小，满足软开关条件的负载和输入电压变化范 围很宽。但是和z v s 全桥变换器一样，副边整流二极管上也存在电压尖峰和振 荡。 1 3 3 箝位二极管的移相式z v sp w md c d c 全桥变换嚣 开关上并联吸收电路可以抑制电力电子系统中开关浪涌电压或电流，使电路 中储能被利用或反馈到电网，从而将器件电压嵌定于某一范围内。利用这一概念， 在传统z v sp w md c ，d c 全桥变换器的基础上，在变压器的原边引入一个谐振 s 江苏大学硕士擘位论文 电感和两只箝位二极管，不仅保持了开关管的软开关特性，同时有效地消除了输 出整流管上的电压尖峰和电压振荡，如图1 6 所示。 图1 6 加箝位二极管的z v $ p w md e d e 全桥变换嚣 该变换器的变压器与z l 和z 3 组成的桥臂相联，箝位二极管d 3 和d 4 在一个 开关周期内导通两次，但只有一次对输出整流管的尖峰起到箝位作用，这就增加 了箝位二极管的电流有效值，同时带来了比较大的关断损耗；为了防止直流偏磁， 一般采用隔直电容与变压器或谐振电感串联。但在上述的变换器中，直流分量会 导致变压器原边电流或谐振电感电流不对称，影响变换器的可靠工作。 1 3 4 删边采用有源箝位的z v z c s 电路 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闻充当电压源复位原边电流，如图l 。? 所示。在原 边续流时，触发箝位开关管乙，箝位电容上的电压反射到原边，使主边电流下 降到零，从而实现滞后桥臂的零电流开关 9 江苏大学硕士学位论文 l 蛳“ = j 封 f _ 济。曲 一 图1 7 变压嚣副边采用有源箝位的z v j w s 电路 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 z 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：而且乙工作在硬开关状态，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 i 。n 的电压 尖峰。 综上所述，这些软开关还存在着较为明显的不足移相控制p w md c d c 全 桥软开关功率变换器主要分为零电压和零电流两种，而我们这次研究的零电流转 换p w md c d c 变换器则不同，它较好的克服了前面几种开关结构的缺点，电 路性能大为改善其电路结构的特点在于：它的谐振网络在主变压器的副边；在 开关转换期间，谐振网络产生谐振，获得零开关条件；在开关转换结束后，电路 又恢复到正常的p w m 工作方式。这种电路结构给其带来了四个方面的优点；( 1 ) 功率开关器件工作在软开关条件下，承受的电压、电流应力较低；( 2 ) 在整个输 入电压和负载范围内，都能较好地保持零电流特性：( 3 ) 辅助谐振网络并不需要 处理很大的环流能量，器件工作在软转换状态，因此电路的导通损耗较小；( 4 ) 采用p w m 控制方式后实现了恒频控制。 1 4 几种现有z c s 电路拓扑的比较 1 4 1 谐振型z c s 该谐振型z c s 电路拓扑结构包含两种电路形式，分别如图1 8 ( a ) 所示。 它们与传统的并联谐振开关变流器的不同之处在于：第一，互感( 1 1 、1 ：2 、m ) 与电 江苏大学硕士擘位论文 容c ，组成多谐振电路，并根据主开关功率管t l 、t 2 与辅助开关t 、t b 、d i 、 d b 的开关状态构成不同的开关参数：第二，在两个辅助开关中，图( a ) 实际上是 二个双向开关的串连，而图( ”则是两个单向开关的并联，通过对辅助开关t 1 、 t 2 的调节控制，使得变流器可以工作在恒频p w m 方式下。 图1 8 ( a )图1 s c o ) 图1 8 衡频脉宽调制型多谐振零电流开关变换嚣( a ) 加) 谐振z c s 变换器要承受体二极管很大的反向恢复电流，输入也要求为电流 源，这就使得它在实际应用中不太合适。有限双极性移相控制z c sp w m d c d c 全桥变换器。 1 4 2 有限双极性型z c s 有限双极性移相控制z c sp w m d c 】) c 全桥变换器。从图中1 9 可以看出， l b 图1 9 移项控制z c s p w m d c d c 全桥变换器 江苏大学硕士学位论文 该电路的基本结构实际上是电流型全桥变换器，其外特征与b o o s t 电路一样。b 是升压电感，q 3 、q 哆为超前管，q l 、q 2 为滞后管，d 1 d 4 分别是q l q 1 4 的串联二极管，使主开关管只能单方向导通，同时承受反向电压；h k 是变压器 的漏感，c ，为谐振电容，该变换器采用移相控制，两只超前管( 或滞后管) 之间 有一个重叠的时间，用来实现开关管的z c s 。 该电路拓扑实现了开关管的零电流开关，避免的电流拖尾，输出整流管实现 了零电压开关，不存在反向恢复问题。但是滞后管实现零电流开关要比超前管困 难，谐振电容的存在也使得副边输出电流存在占空比丢失问题。 3 ) 双偶结构的z c s 采用双偶结构的无辅助电路z c s - p w mf b 变换器也是移相全桥z c s 变换 器的一种。这种电路拓扑的主要优点就是结构简单，设备应力低，所有的开关都 能实现z c s 。尽管如此，原边开关管必须是单向导通的，而且输入必须是电流源， 这在实际应用中并不常见。 1 5 国内外研究现状 国外对全桥高频软开关d c d cp w m 功率变换器研究起步早、研究深入。 美国、欧洲、新加坡等电力电子及开关电源领域的专家和学者们先后提出了多种 新的电路拓扑、思想，参见文献嘟m 3 咖，其中也不乏有对于z c t 变换器的研究 t a x i 【卿 国内高校和科研单位对该领域也进行了深入的研究，南京航空航天大学严仰 光教授课题组都对高频零电压零电流全桥变换器进行较深入的探讨，严仰光教授 课题组做出了实验z v z c sp w md c d c 全桥功率变换器等样机“”：西安交 通大学王兆安教授对高频零电压( z v s ) d c d c 全桥变换器进行了研究并做出 了实验样机嘲；还有浙江大学、上海交通大学等国内一批高校对此都有较为深入 的研究。不过国内多是对国外的先进拓扑进行实践或改进，有基于新的思路的全 新拓扑的还不多m m 儿矧。 目前从国内外对全桥高频软开关d c d c 变换器的研究来看，高频软开关 d c d c 全桥变换器大致可分为三类：一是全桥零电压开关p w md c d c 变换器 ( f b z v s p w m ) ；二是全桥零电压零电流开关p w m 变换器 ( f b z s p w m ) ；三是全桥零电流开关p w m 变换器( f b z c s - p w m ) 。 江苏大擘硕士学位论文 第一类拓扑存在滞后桥臂零电压开关困难和变压器占空比丢失以及原边环流大 的问题；第二类拓扑仍存在少许占空比丢失、超前桥臂不能实现零电流开关和输 出整流管电压过冲和振荡问题；第三类拓扑是全桥四只开关管都采用零电流开 关，但是辅助电路开关管的零电流开关以及实际运行条件较为苛刻，使得目前第 三类拓扑大多处于实验室样机试验改进阶段，实际的应用还不多。 总结国内外的研究成果，未来软开关全桥p w md c d c 交换器发展趋势主 要有： ( 1 ) 四只开关管都实现零电流开关是高压大功率全桥p w m 变换器的发展趋 势。 ( 2 ) 开关频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器的工作是必 需的，也是减小体积的重要途径“”。 ( 3 ) 变压器、电容体积都要减小，效率要高，热量要减少，功率密度要高。 ( 4 ) 针对传统控制系统的不可靠性，采用数字控制的方法，利用数字信号 处理器( d s p ) 或嵌入式系统的运算速度快、计算精度高、编程灵活、性价比 高等特点，可以满足对高质量变换器的可靠性和实时控制的要求伽。 ( 5 ) 无谐振网络的软开关功率变换器“那”。 1 6 本文主要研究内容 本文介绍了软开关的基本概念、发展历程，在分析了多种移相式全桥p w m d c d c 软开关功率变换器拓扑和一些零电流z c s 拓扑的基础上制口刀删侧，介绍 了一种新型零电流转换( z c t ) 全桥d c d c 变换器。论文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，成功地运 用p s p i e e 9 2 仿真软件对变换器进行仿真，进而分析验证了电路的工作原理，创 新地研制了基于该拓扑的1 5 千瓦的零电流软开关电源，给出了其主电路、控制 电路、保护电路及高频变压器等的设计，并在实验样机上测量了波形和效率。论 文的具体结构分配如下： 第一章为绪论，讲述了软开关p w md c d c 的概念及各种全桥变换器拓扑 结构的比较，给出一些当前零电压零电流拓扑结构与零电流拓扑结构的研究比 较，并介绍课题的国内外研究现状，研究目的。 第二章介绍新型z c t 拓扑的工作原理和设计考虑。 第三章为1 5 千瓦软开关电源的研制，给出控制电路、保护电路、驱动电路、 江苏大学硕士学位论文 高频变压器、输出滤波电感、输入输出滤波电容、谐振电感电容、辅助电源等的 设计 第四章为变换器在设定参数下的仿真，验证了电路的工作原理。 第五章给出了样机的实验结果，验证了参数设计的可行性和有效性。 第六章全文总结。 1 4 江苏大擘项士学位论文 第二章新型零电流转换z c t 电路工作原理 从绪论中可知p w m d c d c 全桥软开关交换器可以分为三类：( 1 ) z v s 方式， “0 ”状态工作在恒流模式，超前桥臂和滞后桥臂均实现零电压开关：( 2 ) z v z c s 方式，“o ，状态工作在电流复位模式，超前桥臂实现z v s ，滞后桥臂实现z c s 。 ( 3 ) z c s ，“0 ”状态工作在电流复位模式，超前桥臂和滞后桥臂均实现零电流开 关。本章主要阐述了一种新型零电流转换( z c d 全桥d c d c 变换器，并详细分析 了其工作过程以及设计中几点讨论，为后面的样机设计奠定基础。 2 1 新型z o t 电路概述 本文介绍的一种新型零电流转换( z c t ) 全桥d c d c 变换器，其电路拓扑如图 2 1 所示，在副边采用了一个简单的辅助电路，这种新型变换器不仅能在负载范 围内成功实现所有主开关和辅助开关的z c s ，还实现了整流二极管的软转换。此 外，辅助电路的谐振电感也对主开关的导通有作用，存在于部分z c s 电路中的 辅助开关反并联二极管的反向恢复问题也得以消除。其简单的辅助电路由一个谐 振电感k ，谐振电容c f ，辅助箝位二极管d l 和辅助开关s 。组成，加在主变压器 的副边，以实现主开关的z c s 。l r 是变压器漏感，l m 是变压器的磁感应电感， d r i 和d r ：为输出整流二极管。v 缸、v o 和i 。分别是直流输入、输出电压和输出电 流，变压器原边与副边变比为n 。 厂瓦1 t 引 l r 垂沁 l f - - - - - - v 2 i ；c , l 璺l 岛1 因2 1新型零电流转换( z c t ) 全桥d c d c 变换嚣 江苏大学硕士学位论文 s i 。s 4 i s 2 ，s 3 i s 1 s 4 一 li i s as 盎 l s l i s i 盈 v - - 1 | | 厂 k & k 1 b _ ，一一 - ，一一 t “? - t - 。 l l f 吃l 广 v 二( s 1 ) 、k ( s 4 ) l 7 了 刃 i 1 i k ： i l ： v o i f i i l ： ： i v 嗽 1 2 v i , n 吣 ii ：n i l 。! i i- | i i f 2 v l 丑 v 弧l i 轮 _ 一j ! 、 。 。： l l乞t 3 与t ；6t r 图2 2 变换器的工作波形图 2 2 新型z c t 全桥d c 变换器电路工作过程分析 为了分析稳定状态时变换器的工作过程和简化稳态电路原理的分析，假设在 变换器中所有用到的元件都是理想的，例如漏感k 小到可以忽略不计；输出滤 波电感足够大以使输出可以看作一个电流源。在一个稳态开关周期中共有1 4 个 工作模态，每个模型理论波形和等效电路分别在如下图示详细介绍。 a 模态1 t o - t 1 】 在这个模态中，s l 和s 4 导通，功率从输入端传递到输出端。这个工作模态 跟传统的硬开关p w mf b 变换器相同，磁感应电流呈线性上升。 1 6 江苏大学项士学位论文 l i )彻 图2 3 模式a ，b 的工作原理目 b 模态2 n - t 2 1 在t l 时，辅助开关s 导通，k 、g 发生谐振。t 2 时，谐振电感的电流k 达 到i o ，变压器原边电流减少到磁感应电流i i 。，通过d r l 的电流降为0 ，l r 的谐振 电流和c f 的谐振电压计算如下： 。= 矗咖b ( f 一棚 ( 2 - 1 ) o ) = 争f l c o s ( o , , ( r r 1 ) ) 】 q - - l 厄c , 。，乙= i 7 虿，n 为变压器变比。 l r c f l c j田 图2 4 模式c ，d 的工作原理图 c 模态3 t 2 - t 3 】 在t 2 时，d r i 软关断，谐振电感c ，由i o 开始线性放电，原边电流下降到磁 感应电流i m 的最大值，并保持不变 d 模态4 t 3 - t 4 因为磁感应电流i m 很小，所以s l 、s 4 在t 3 时零电流关断，谐振电容c r 仍 然线性放电，s l 、s 4 的集射极电压v c , e 通过l 。线性充电，上升斜率取决于磁感 江苏大学硕士学位论文 应电流i m 和s l 、s 4 的寄生电容。 e 模态5 t 4 - t 5 】 在t 4 ，整流二极管d r 2 的电压v d 吐减少到0 ，d 船导通，l r 、c r 再次以另一 条路径发生谐振，当d 融的电流上升到n k ，谐振完成，原边电流降为0 。 ( c ) l rl k 硝多j l f 1 期 m 图2 5 模式e ，f 的工作原理图 f 模态6 i t s - t 6 通过d 勉和k 的输出电流发生惯性滑行，如谐振电容c r 完全放电，则d 导 通，箝位电压v c ，为0 。 g 模态7 t 6 - t 7 s 2 、s 3 在t 6 时导通，l r 的电流线性下降，s 2 、s 3 的电流线性上升，由于 l r 的存在，s 2 、s 3 的软启动以及d 。的软转换得以实现在一些轻负载场合，电 容电压v c f 将不会完全放电，从而使d i 一直关断，而s 的反并联二极管则一直 导通。 h 模态s t 7 - t s 】 在下半周期模态中，s 2 和s 3 导通，功率从输入端传递到输出端。这个工作 模态也跟传统的硬开关p w mf b 变换器相同，磁感应电流呈线性上升。 图2 6 模式g 。h 的工作原理图 1 8 江苏大擘硕士学位论文 i 模态9 t s - t g 在氓时，辅助开关s a 导通，k 、g 发生谐振t 9 时，谐振电感的电流k 达 到i o ，变压器原边电流减少到磁感应电流i l m ，通过d r 2 的电流降为0 ，期间k 的谐振电流和g 的谐振电压如式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 计算 c | 圈2 7 模式l ，j 的工作原理图 j 模态l o t g - t l o 在t 9 时，d r 2 软关断，谐振电感g 由i 。开始线性放电，原边电流下降到磁 感应电流i l l i 的最大值，并保持不变 k 模态4 t 1 0 - t l1 】 因为磁感应电流i m 很小，所以s 2 、s 3 在t 1 0 时零电流关断，谐振电感c r 仍然线性放电，s 2 、s 3 的集射极电压v 。通过l m 线性充电，上升斜率取决于磁 感应电流l n 和s 2 、s 3 的寄生电容 l 模态1 1 t 1 1 4 1 2 】 在t l l ，整流二极管d 船的电压v d 贮减少到0 ，d r l 导通，k 、c r 再次以另 一条路径发生谐振，当d r t 的电流上升到d i 。，谐振完成，原边电流降为0 。 m 模态1 2 t 1 2 - t 1 3 】 匪2 b 模式x ，l 的工作原理图 通过d r l 和k 的输出电流发生惯性滑行，如果谐振电容c r 已经完全放电了， 则d 。导通续流，箝位电压、r c r 为0 。 n 模态1 3 t 1 3 - t 1 4 s l 、s 4 在t 1 3 时再次导通，i f 的电流线性下降，s 1 、s 4 的电流线性上升， 由于k 的存在，实现了s 1 ，s 4 的软启动以及d 的软转换。交换器完成一个周 期的开关模态。 h 呻 目2 9 模式m ，n 的工作原理图 从以上分析来看，该新型变换器成功实现了主开关和辅助开关的z c s ，以及 所有功率二极管的软转换。 2 3 新型z c t 全桥d c d c 变换嚣电路的分析 2 3 1 辁i 藏时的佰况分斫 在一些轻载的场合，尤其变换器工作在较大占空比轻载时，电容c r 将不会 完全放电，而会持续放电到t 7 ，使二极管d i 一直关断，s 。的反并联二极管则会 一直导通。电容c ，的放电前后电压差值为： 圪“一圪= 击肛皇苦唔 ( 2 3 ) 此时o = 一一一圪) 导血( q f ) 一- ( 1 - d ) 警雁s 试q r ) ( 2 4 ) 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 主开关管零电流开关条件 为保证主开关桥臂的零电流开关，在模式2 后c ，的能量应该足够复位变压 器原边串联电感h 上的储能，而此时原边电流值为： = 字劬b 2 一如) 】， ( 2 5 ) 由电容、电感的能量计算公式，应满足： 印( 鼍笋 2 k 同时，在超前桥臂关断之前，k 应该复位，即应该满足： 扣。够s 砸 2 万z 万 2 l ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 江苏大学硕士学住论文 嘴 ( 净碚 这里取t d 肭2 石厄虿 ( 2 1 2 ) 即有 过载保护：限流。 3 1 变换器的主电路结构 工程样机的主电路主要包括输入整流滤波电路；检测保护电路；单相桥式逆 变电路；高频变压器、谐振电感电容；辅助电路；输出整流滤波电路等。总体结 构框图如图3 1 所示 图3 1 总体框架图 工程样机主电路结构如图3 2 所示，输入整流滤波电路是将单相交流电进行 整流，滤波，为单相逆变桥提供一个平滑的直流电压，其中，f u s e 对过大电流 起到快熔保护作用，e m i 是输入滤波器，能减小电源内部对电网的干扰，同时又 抑制电网对电源的干扰。r m 是压敏电阻，防止异常情况，如雷击时电网对电源 的干扰，c 7 、c s 、c 9 是电解电容用于平波直流母线电压，d 5 和c i o 可以吸收电 压尖峰，能量并在r l 上释放掉，r 2 和r 3 起检测直流电压作用，外接检测电路