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

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f 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 ea 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 ) p w m c o n v e r t e rr e s e t st h ep r i m a r yc u r e a td u r i n gt h ef r e e w h e e l i n gp e r i o dt or e a l i z et h ez v s o fl e a d i n g - l e g sa n dt h ez c so f l a g g i n g l e g s ，w h i c ho v e r c o m e ss o m eo b v i o u s d 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 e s w i t c h i n g ( z v s ) c o n v e r t e r a t p r e s e n t t h ee x i s t i n gm e t h o d st or e s e tp r i m a r yc u r r e n th a v es o m el i m i t a t i o n ss u c h 船l o s s i n c r e a s i n g ，d i f f i c u l tc o n t r o la n dc o m p l i c a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n n o l o g y ，e t c an o v e lz v z c sc o n v e r t e ri sp r o p o s e dw h i c hu s e sac o u p l e do u t p u ti n d u c t o r c o m p a r e dw i t ht 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 t c o n s i s t so f n e i t h e rl o s s yc o m p o n e n t sn o ra c t i v es w i t c h i n g si su s e d t h ev o l t a g es t r e s so f t h es e c o n d a r yr e c t i f i e rd i o d ei sk e p ta s s m a l la s t h a to fh a r d s w i t c h i n gc o n v e r t e r t h e c u r r e n tt oc h a r g ec l a m p i n gc a p a c i t a n c ei ss e l f - a d j u s t e di na c c o r d a n c ew i t ht h el o a da t l i g h tc o n d i t i o n , w h i c hg u a r a n t e e sh i g he f f i c i e n c yo v e rw i d el o a dr a n g e d i o d e 现o f a u x i l i a r yc i r c u i ti ss o f t l yc o m m u t a t e da n di t so f r e v e r s er e c o v e r yi sm i n i m i z e d t h ep r i n c i p l eo ft h en o v e lc o n v e r t e ri sa n a l y z e d ，a n dt h ef o u n d a t i o n so f p 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 rc 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 t m o d e sa r ed e d u c e d as i m u l a t i o i l i sp 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 s w o r k m gc h a r a c t e r i s t i c su s i n gp s p i c e 9 2 ，d i f f e r e n tp a r a m e t e r s e f f e c t so np e r f o r m a n c eo f c o n v e r t e ra r ea n a l y z e da n dt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e d o n ei k w z v z c ss o f t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s e do nt h i st o p o l o g yi sd e v e l o p e d ，a n dt h e d e s i g np r o c e s so fm a i nc i r c u i t , c o n t r o lc 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 曲。f r e q u e n c y t r a n s f o r m e ra r cp r e s e n t e d ，l a s t l y ，w o r k i n gw a v e f o r m sa n de f f i c i e n c yo f t h ec o n v e r t e ra r e m e a s u r e do np r o t o t y p e t h e o r ya n a l y s i s s e sa n de x p e r i m e n t sh a v es h o w e dt h a tt h i sn o v e lc o n v e r t e rc a n r e a l i z ez v so f l e a d i n g - l e g sa tt h ec o n d i t i o no f m o r et h a no n e - t h r e ef u l l1 0 a da n dz c s o f l e g g i n g - l e g si nt h ew h o l er a n g eo fl o a d h i g he f f i c i e n c yh a sb e er e a c h e do v e rw i d e r a n g eo fl o a d s ot h i sn o v e lc o n v e r t e rh a saw i d ea p p l i c a t i o na n dh u g ee c o n o m y e f f e c t i np o w e rc o n v e r t i n gf i e l d ，e s p e c i a l l yi nt h eh i g l lv o l t a g ea n dh i g hp o w e rf e i l dw h e r e 1 g b ti su s e da st h em a i ns w i t c h k e y w o r d s ：s o f t - s w i t c h i n g z v z c sp h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g ec o n v e r t e r 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 不保密曰。 学位论文作者签名_ 二三；亿尖、耋 导师签名： 雪1 墨析 签字日期：文f 年钼j 2 日签字日期：一2 他s 年占月f 多日 学位论文作者毕业后去向：曩卅 工作单位：善q 支二耪要弓磁焦锔暇乏司电话：，j ；2 7 口7 望j 、 通讯地址：轴锄区坼k 孚聪张拉上望邮编： j 幻蕊乌妻乃逆魔 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：害搭：童 日期：0 - o , , 7 年月 j 2 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，功率变换器( 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。为了实现功率变换器装置的高性能、高效率、高可靠性、 减小体积和熏量，必须实现功率变换器中开关管的软开关( s o f ts w i t c h i n g ) e 软 开关变换技术是近年来电力电子学领域中的热门话题，软开关理论的深入研究及 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“”。3 。 1 1 软开关功率变换器的发展 功率变换器的最常用控制方式：脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 是以中断功率流通和控制占空比的方法来变换功率的，由于开关元件的非理想性， 其状态变化需要一个过程即开关元件上的电压和电流不能突变，因此，电压和电 流在变化过程中产生了交叉重叠，导致了开关元件的开关损耗。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。但高频化又是功率变换器的发展趋势， 高频化可大大减小功率变换器的 体积和重量，为小型化和模块化创 造条件，从而节省原材料并提高性 能价比。 为了克服以上矛盾，软开关 p w m 技术应运而生。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， 欤歼戈硬珂戈 t u ( 盖辑 心u 救形 岛 _ 弋 i r 遥 一卜厂一! k 二 波形 图1 i 硬、软开关波形比较 江苏大学硕士学位论文 谐振网络一般由谐振电感、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“1 ，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“3 ，先后提出各种软开关变换器有： 1 ) 谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ，该类变换器实际上是负载谐振型变 换器，按谐振元件的谐振方式可分为：串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。 在谐振变换器中，谐振元件直谐振工作，参与能量变换的全过程，该变换器与 负载的关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法，不利于高频变 压器、输入和输出滤波器的设计。 2 ) 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 ) 和多谐振变换器 ( m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，m r c ) ，这是软开关技术的一次飞跃。这类变换器 的特点是谐振元件只参与能量变换的某个阶段，不是全程参与，其分为z c s - q r c 和z v s q r c 两种。主要缺点是：不能同时实现有源开关管和无源开关管软开关条 件的最优化；开关管的应力大，其中z v s q r c 中有较大的电压应力，z c s - q r c 中有 较大的电流应力；都是频率调制，难以实现变压器和电感等磁性元件的最优化。 一般应用在小功率、低电压的场合。 3 ) 零开关p 1 】| m 变换器( z e r o s w i t c h i n gp v mc o n v e r t e r s ) ，z v s - p w m ( z e r o v o l r a g e s w i t c h i n g ) 和z c s p w m ( z e r o c u r r e n t 一澌i t c h i n g ) 变换器技术是 p w m 技术与z c s ( 或z v s ) 一q r c 技术的综合，是在q r c 的基础上增加辅助晶体管开关， 特点是一周期内变换器交替运行于q r c 和p 1 m 两种变换器模式，是实现“零电压一 恒频控制”的零开关p v m 变换器。但这类变换器的谐振电感串联在主电路中，因 此零开关条件与电源电压，负载电流的变换范围有关，在轻载的条件下可能失去 零开关条件，从而限制了软开关输出范围。 4 ) 零转换p 州变换器( z e r o - t r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 。z v t 和z c t 是分别 在z v s - p w m 和z c s - p w m 变换器的基础上，将谐振网络与主开关管并联而成。与z v s p w m 和z c s - - p i | l w 变换器相比，它们能在更宽的电源电压和负载范围内满足零开 2 江苏大学硕士学位论文 关条件，但是这种变换器需要的元器件成倍增加，大大增加了成本和控制难度 而且辅助开关的电流应力大。 1 2 软开关全桥功率变换器 1 2 ，1 全桥变换器简介 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，因为该拓扑具用功率开关管的电压、电流额定值 小，功率变压器的利用率高等明显优点“3 。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，其基本拓扑形式和主要波形如图1 2 。圪是输入直流电压，s i & d i s 4 & d 4 构 成两个桥臂，高频变压器t x i 原副边变比为k ，d r ，和d r ：是输出整流二极管， 是输出滤波电感，c ，是输出滤波电感，是负载。 i l i i i 图1 2 基本全桥电路拓扑及主要波形 全桥电路的基本原理是：直流电压k 。经过s i & d 1 s 4 d 4 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i k ，再经过输出整流管将其整成直流方波k ，l i 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。在输出端得到平滑的直流电压， 其电压值为圪= d 等。其中d 是占空比，d 2 乞，l 是导通时间，t 是开关 江苏大学硕士学位论文 周期，通过调节占空比来调节输出电压k 。 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： 不对称控制方式、移相控制控制方式”1 ， 卸q 盈目 _ _ 。_ - n _ _ q - _ 厂lf ( a ) 双极性控制方式 一厂 一 j f i 厂 厂了 ( c ) 不对称控制方式 双极性控制方式、有限双极性控制方式、 如图1 3 所示。 厂 厂 厂 r ， 两 如 岛 矗 ( b )有限双极性控制方式 0 疋2互 ( 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 i & 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 。 2 ) 有限双极性控制方式：在正半周期中，s 1 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 1 ，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 。互补导通，鼹个桥臂的 开关管导通相差一个相位，即所谓移相角。两个有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 l ，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。 4 江苏大学硕士学位论文 从控制策略来看，其可以归纳为两类”1 ： 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 ) 斜对角的豫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。 根据四种只开关管的导通情况不同，d c d c 全桥交换器存在+ 1 ，0 ，一1 三种工 作状态，参照图1 2 ，定义如下： 1 ) + 1 状态：s 1 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 圪。= ( + 1 ) ，定义这种工作状态为+ l 状态。 2 ) 0 状态：s 1 ( d i ) 和s 2 ( d 2 ) 或者s 3 ( d 3 ) 和s 4 ( d 4 ) 同时导通，吃b = ( o ) 。 3 ) 一1 状态：s 2 和s 3 同时导通，。= ( 一1 ) v ，n 。 1 ，2 3 移相p wd c d c 全桥软开关功率变换器 移相控制p w md c d c 全桥软开关功率变换器主要有零电压和零电流两种。移 相控制零电压开关p w m 变换器( p s f b z v s p w mc 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；又关断时电容电压不能突交，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e m i ，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 w m 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。 虽然针对以上缺陷，提出了许多改进的方法，如加入原边电感、增加变压器 江苏走学硕士学位论支 从控制策略来看，其可以归纳为两类”。： 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问错开，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。 根据四种只开关管的导通情况不同，d c d c 全桥变换器存在+ l ，0 ，一l 三种工 作状态，参照图1 2 ，定义如下： 1 ) + 1 状态：s 1 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 ) ，定义这种工作状态为+ 1 状态。 2 ) 0 状态：s 1 ( d 1 ) 和s 2 ( d 2 ) 或者s 3 ( 0 3 ) 和s 4 ( d 4 ) 同时导通，n 。= ( o ) 吒。 3 ) 一l 状态：s 2 和s 3 同时导通，n 。= ( - o r , 。 1 2 3 移相p 洲d c d g 全桥软开关功率变换器 移相控制p w mo c 3 c 全桥软开关功率变换器主要有零电压和零电流两种。移 相控制零电压开关p 删变换器( p s f b z v s p 州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；又关断时电容电压不能突变，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e m i ，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 w m 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。 虽然针对以上缺陷，提出了许多改进的方法，如加入原边电感、增加变压器 虽然针对以上缺陷，提出了许多改进的方法，如加入原边电感、增加变压器 l 江苏大学项士学位论文 的励磁电流、采用辅助电路等，但是这些都不能解决较大的原边环流问题“3 。另外 近年来，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 ，i g b t ) 较 m o s f e t ，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，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 1 i y m 变换器 ( p s f b z v z c s p w m ) 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，使原边电流复位，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 1 】| m 变换器中诸多问题，这种变换器的共同特点是：超 前桥臂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 ”状态时使原边电流复位，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 ) 在变压器原边使用隔直电容和饱和电感，在原边电流过零期间，将隔蛊电 容上的电压作为反向阻断电源，使原边电流复位，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，从而复位原边电流，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。 1 3 几种现有z v z o s 电路拓扑的比较 1 3 ，1 采用有限双极性控制方式的z v z c s 电路 s 。和s ：组成超前桥臂，z v s 开关；s ，和只是滞后桥臂，z c s 开关。控制时序 如图l _ 3 ( b ) ，假定墨和s 4 初始时处于导通状态，某一时刻关断s 4 ，c 。作为s n u b b e r 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1 2 l t , i 。2 的能量全部消 耗在是上使i 。衰减到零。此后由于b 点电位仍高于，其差为i g b t 的反向雪崩 6 江苏大学硕士学位论文 电压值，因此一个较小的电流将通过s 逆f 。方向流回，复合墨中的存储电荷 从而完全消除电流拖尾，s 。实现z c s 关断。 只晒 图i 4 有限双极性控制方式的f b z v z c s p 删电路 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，发热厉害脚。 1 3 2 原边使用饱和电感的z v z c , s 电路 l 一魁琶 搬lj _ 一律f s f ll 一 一一 _ u 一 f f r d r 1r l r 蟮 图1 5 原边使用饱和电感的z v z c s 电路 图1 5 是原边加隔直电容和饱和电感的全桥z v z c s 变换器的基本原理图，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电感上，并在主回路上 串联阻挡电容g ，超前桥臂s 和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。假定鼠和s 。同时导通，输入能量从原边传送到副边，c 。由f 。 充电，饱和电感处于饱和状态，当墨关断，s 开通，原边续流阶段时，g 恰好成 江苏大学项士学位论文 为一个反向阻断电源使i 。下降到零，但电流试图反向时，饱和电感退出饱和阻止 电流的变化，使l 。保持在零，从而实现滞后桥臂的s 。和s ：的零电流开关。 该电路拓扑具有软开关负载范围宽、占空比损失小。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，在低输入电压时，副边的占空比 丢失较大。3 。 1 3 3 变压器副边采用有源箝位的z v z c s 电路 图1 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电压源复位原边电流。假定s 。和瓯同 时导通，输入能量从原边传送到副边，副边籀位电容c 。通过簿位开关管q 。的反并 联二极管充电至2 。m ( m = n 1 ：) 并保持，在原边续流时，触发箝位开关管q c ， 箝位电容上的电压反射到原边，使f 。下降到零，从而实现滞后桥臂的零电流开关。 图1 6 变压器副边采用有源箝位的z v z c 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q 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 倍于吆m 的电压尖峰“”。 1 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 8 江苏大学硕士学位论文 开关管。让筘位电容在输入电源的能量传递至t j i , j 边时通过二极管通路充电，在超 前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，实现滞后臂的零电流开关。在此 类电路中，放电通路的二极管在电容充电时不导通，同样，充电通路的二极管在 电容放电时也不导通。以下是几种已经提出的副边无源箝位的z v z c s 电路： 1 ) 图1 7 所示的电路中副边筘位电容c ，、c ，的充电回路为变压器副边整流 输出到c ，再经二极管d 3 再到c 2 ，在原边续流阶段，由于以。小于c 1 、c ：上的电 压，c 、c ，将通过d 、d ，放电使原边电流下降到零。 图1 7 副边无源箝位的z v z c s 电路一 该电路比副边有源箝位的z v z c s 电路减少了功率开关管，降低了控制难度和 成本。但在箝位电容充电时，副边仍将产生2 倍。m 的电压尖峰1 。 2 ) 圈1 8 所示的电路中副边箝位电容c 。的充电电路为附加绕组的输出，附加 图1 8 副边无源箝位的z v z c s 电路二 的绕组的匝数远小于变压器副边绕组匝数的一半，因此充电过程中见不会导通， 同时副边不会有电压尖峰。变换器续流阶段，当p k 下降到小于g 上电压时，见导 9 江苏大学硕士学位论文 通，复位原边电流。 该电路克服了电路中副边电压尖峰的问题，但同时增加了绕组，增加了工 艺难度和成本“。 3 ) 图1 ，9 所示的电路中副边箝位电容c ，的充电电路为变压器副边的整流输 出经c 。到d c 再至u c r ，由于c r 较大可以看作恒压源，因此e 充满后其上的电压为 2 ( v i n m 一) ，同时l 。的电压最高为2 m 一，变换器续流阶段，当下降 到小于c 。上的电压时，导通，e 放电使原边电流迅速下降到零。 图1 9 副边无源箝位的z v z c s 电路三 该电路在无需增加绕组的情况下使副边电压y 纛的峰值下降，电路简单容易实 现，但该电路副边电压的峰值2 埘和决定，当变换器软启动时，上升缓慢， 吃。将出现较大的尖峰。同时工作在小占空比时，2 k m 较大，较小，的尖 峰也很大“。 1 4 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 的v i r g i n i ap o w e re l e c t r o n i c sc e n t e r ( v p e c ) 、韩国的k o r e a e l e c t r o t e c h n o l o g y r e s e a r c hi n s t i t u t e ( k e r i ) 等先后提出了多种新的电路拓扑、思想，参见文献【8 】， 【9 ，【l o 】，【1 1 】，【1 2 ，【1 3 ，【1 5 ，【1 6 ，【1 7 ，【1 8 。 国内高校和科研单位对该领域也进行了深入的研究，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；中国矿 业大学北京研究生院王聪教授和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，严仰光教授课题组于1 9 9 6 年做出了实 l o 江苏大学硕士学位论文 验z v z c sp w md c d c 全桥功率变换器样机。但国内多是对国外的先进拓扑进行实 践或改进，少有基于新的思路的全新拓扑“”。 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 州d c d c 交换器 ( 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 v z c s p 州) ；三 是全桥零电流开关p w m 变换器( f b z c s p w m ) 。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目前第三类拓扑仍处于实验室 仿真和样机试验阶段，未见成熟地应用。 总结国内外的研究成果，未来软开关全桥p 州d c d c 变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 ) 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 ) 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“； 3 ) 无谐振网络的软开关功率变换器。； 4 ) 应用一些优良的控制算法，诸如：滑模变结构等。“。 1 5 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，在比较分析了多种移相控制零电 压、零电流全桥p w md c d c 软开关功率变换器拓扑的基础上”“”m 瑚”“”， 介绍了一种新型次级箝位f b z v z c sp w md 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 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并 总结出变换器理想的设计参数；创新地研制了基于该拓扑的1 千瓦移相控制零电 压、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，介绍课题的国内外研究现状，研究目的，软开关p w m d c d c 全 桥变换器的概念及各种z v z c s 拓扑的比较。 江苏大学硕士学位论文 第二章介绍新型次级箝位z v z c s 拓扑的工作原理和设计考虑。 第三章为1 千瓦软开关电源的研制，给出控制电路、保护电路、驱动电路、 高频变压器、输出滤波电感、谐振电感的设计。 第四章为变换器各种参数下的仿真，分析参数变化对变换器的影响，从而总 结出理想的参数。 第五章说明了样机的实验结果，并与仿真波形进行了比较，验证了参数设计 的可行性和有效性。 第六章全文总结。 江苏大学硕士学位论文 第二章新型次级箝位z v z c s 电路工作原理 从绪论中知道p w md c d c 全桥软丌关变换器可分为两类：1 ) z v s 方式，“0 ” 状念工作在恒流模式，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， “0 ”状念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 。本章主 要阐述了一种新型次级籀位z v z c s p w m 电路拓扑结构眦1 ，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 新型次级箝位z v z c s 电路概述 本文介绍的新型次级箝位z v z c s p w m 变换器，除副边的辅助电路外和传统的 z v s p w m 变换器一样。如图2 1 ，变压器副边采用中央抽头结构，全波整流方式。 变换器采用移相控制，超前桥臂和传统的z v s p w m 变换器一样来实现零电压丌关， 由于输出电感参与了超前桥臂的谐振，所以在原边串联电感k 很小的情况下也可以 给超前臂丌关管s ，、s 并联电容c 、c ，来实现零电压开关。辅助电路是在输出滤 波电感磁芯上增加一个绕组，当原边向副边传送能量时，由增加的绕组经辅助回路 给箝位电容g 充电。其后当s 关断，原边电压过零期帕j ，g 通过二极管仇放电把 电压折射到原边，作为阻断源复位原边电流i 。，为滞后桥臂开创零电流丌关条件。 图2 2 为各丌关管的时序和有关波形。 幽2 1新型次级箝位的z v z c s 变换器 江苏大学硕士学位论文 sli 最lr 了- 一 & 矗i f 名 d j 、 h 、 e 鹱j 、k 7 、 r 。l? 。 ， f八 、一一卜 ， 拽f j !i ： ； ；f 、 ：；k ，t 图2 2 变换器的工作波形图 2 2 新型次级箝位z v z c s 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，假定所有元件都是理想的，且输出 滤波电感足够大，在半个工作周期内输出滤波电感上电流可被看做恒流源，变换 器在半个工作周期可分成8 个状态。在轻载肘，工作状态稍有变化。 模式1 ( 瓦一z ) ：l 时s 。、s ：都导通，输入吃加在变压器原边电感“上， 变压器原边电流j 。线性增加，直到等于输出电流折算到原边值，所以的开通是 零电流开通。 矿 j p ( r ) = f ( 2 - 1 ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 在l p 达到输出电流折算到原边值前，由于二极管d ，导通，变压器副边电压为零， 原边不向副边传送能量，这段时间为占空比丢失。 圈2 3 模式1 ，2 趵一 作缘理幽 模式2 ( i 一疋) ：二极管d i 关断输入功率传递到变压器副边。箝位电容c 。 通过辅助电路与绕组漏感三。谐振来充电，其电压、电流满足关系式： e h ( t ) ：皂 1 一。s ，) 】( 2 - 2 ) 桃卜争乏时删 。， 此中：兰( 孥一) ( 2 - 4 ) m 其寺；= l f 瓜n = n 、f n ! m = n 3 n 。 疋时，箝位电容充电结束，其电压为，设计中应注意使) 小于刀， 以防二极管d 。此时导通。 图2 4 模式3 ，4 的工作原理图 模式3 ( 疋一疋) ：电容g 充满并保持电压，充电电流，。等于零，d c 零 电流软关断，原边继续向副边传送能量。 1 5 江苏大学硕士学位论文 模式4 ( 瓦一瓦) ：在e 时，开关管s ，关断，原边的串联电感与开关管并联 电容c ；、c ；谐振，原边电流i p 给c f 充电，c j 放电，变压器原边电压： 嘣。吨一老 ( 2 巧 其中 ，。是输出电流，c 。= c 1 + c ， 同时变压器副边电压p k 以同样的速率下降，直到电压等于被箝位。 模式5 ( l e ) ：当变压器副边电压下降到p k = 时，d ，导通，变压器 原边电压以同样的速率下降，直到零，但y 0 由于箝位电容的箝位，下降缓慢， 相对原边电压来说，可被看作恒压源。变压器副边折算到原边的电压与原边电压 的差加在漏感上，原边的电压、电流为： l ( ，) = 二殳c o s ( 钆，) ( 2 - 6 ) n 味f ) 钏肾去s i n ( d ( 2 1 ) 其中= l 缸e 。 最后，c ，充满到输入电压，c ，完全放电，其反并联二极管d 3 导通，原边电压 也降到零。 图2 5 模式5 ，6 的工作原理图 模式6 ( 正一瓦) ：电容c 3 完全放电，开关管s 反并联二极管d 3 开通，随后 墨零电压开通，变压器副边折算到原边的电压完全加在漏感上，原边电流，。快速 下降到零： 1 6 江苏大学硕士学位论文 u 归知( 吼5 ) - 争s i 岍) ( 2 _ 8 ) 其中m 。= n 瓜，f 。，= t l ，z 。= 丽 同时变压器副边电压也下降，其值为： ( f ) = c o s ( o d ) ( 2 - 9 ) 模式7 ( 瓦一l ) ：原边电流完全复位，整流二极管d 。关断，c 一通过仍放 电给整个负载供电，副边电压随着电容c 。的电压下降，直到零： k 蜘c 。s ( 刚一一鲁r 其中 ，。= 疋一正 ( 2 - 1 0 ) 图2 6 模式7 ，8 的工作原理图 模式8 ( 五一马) ：箝位电容g 完全放电，二极管d i 导通，输出滤波电感通 过q 续流，给负载供电，原边电流为零，在瓦时，s ：零电流关断。 2 3 新型次级箝位z v z c s 电路的几点考虑 2 3 1 轻载时情况分析 轻载时，尤其变换器工作在大占空比轻载时，箝位电容c 。在模式7 中并没有 完全放电，持续放电到7 i 。箝位电容c 。的放电前后电压差值为： 江苏大学硕士学位论文 旷w “= 拍“啪兰每”。) 1 1 ) 此时 乇( o = 一( 吃m a x 一“) j 专s i n ( 织f ) _ ( 卜。) 等j 导血( 吖) ( 2 _ 1 2 ) 从式( 2 1 2 ) 可知轻载时，给箝位电容c 充、放电电流根据负载情况自调整。负 载大