（电力电子与电力传动专业论文）新型组合式软开关115v400hz逆变电源设计.pdf

嚣悲工渡大学疆圭论文 籀要 t h ep r e s e n ts t a t u s ，d e v e l o p m e n tt r e n d ，a n df o u n d a t i o nf o ra e r o n a u t i c a l s t a t i ci n v e r t e r ( a s i ) a r ep r e s e n t e d 。i t sf o u n d a t i o ni s s o f t s w i t c h i n g t e c h n i q u e s o f s i n g l e s t a g ed c d c c o n v e r t e r s ，a n d s i n g l e s t a g e d c a c i n v e r t e r sw i t hh i g hp o w e rd e n s i t ya n dh i g he f f i c i e n c y 。ap r o t o t y p ef o r 1 1 5 v 4 0 0 h zi n v e r t e rb yu s i n gan o v e lc o m b i n e dp w ms o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e i sd e s i g n e d 。 t h i sc a s c a d ec i r c u i tt o p o l o g yi sc o n s t i t u t e do fap s - z v z c sp w md c d c c o n v e r t e ra n dad c a ci n v e r t e r 。i th a st h em e r i t ss u c ha ss i m p l et o p o l o g y ， s m a l lb u l k ，l o w e rw e i g h ta n dh i g he f f i c i e n c y ，i ta l s oi s o l a t e dt h ed c d c c o n v e r t e ra n dt h ed c a ci n v e r t e r 。t h ed c d cc o n v e r t e ra n dd c a ci n v e r t e r h a v ei t ss e p a r a t ec l o s el o o pc o n t r o lc i r c u i t ，t h ev o l t a g e m o d ec o n t r o l s t r a t e g yi si n t r o d u c e di nt h ez v z c sp 转鹾d c d cc o n e r t e r 。a n dt h et h r e es t a t e s d i s c r e t ep u l s em o d u l a t i o n ( d p m ) h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l s t r a t e g y i s i n t r o d u c e di nt h ed c a ci n v e r t e r 。 t h i sn o v e lt o p o l o g yi sv e r i f i e db yt h et e s tr e s u l t 。 a sar e s u l to ft h i sn o v e lt o p o l o g y ，p o w e rt r a n s i s t o r s s o f t s w i t c h i n g i na s lw i t hh i g h v o l t a g ed c ( 2 7 0 v ) i n p u tw s sr e a l i z e d ，w h i c ho fc o u r s et u r n t h ea s i h i g hf r e q u e n c y ，m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g he f f i c e n c yi n t ot r u e 。 k e y w o r d ss o f t s w i t c h i n gc o n b i n e dt e c h n i q u e i n v e r t e r 西托王业大学颈士学位论文 第一章姥论 第一牵绪论 第节l1 5 v 4 0 0 h z 逆变电源设计的现状与发展 航空静止变流器( a s l - - a e r o n a u t i c a ls t a t i ci n v e r t e r ) 是应用功率半导体 器件，将飞机主直流电源2 7 v 戚2 7 0 v ( 由蓄电池或直流发电机产生) 变换成恒压 遮频交流亳1 1 5 v 4 0 0 h z 藏3 6 v 4 0 0 h z 的一释静止交流装嚣，作为飞机二次电源使 用。 随着功率半爵体器件的发展，a s i 正逐步取代旋转交流机，欧美一些先进国 家草在上个毽纪7 0 年代就已经傲翁了这点。a s j 在体积、重爨、效率、可纛性 及其它电性姥等方嚣均饯于旋转变渡毫氇。静止交溅器( s i ) 广泛痤题予戳壹漉发 电机、化学能蓄电池和太阳能篱电池为主电源的领域，如飞机、人造卫星、宇宙 飞船和导弹等飞行器；计算机、卫星通信及医疗用电源要求不问断供电，也需要 鼹静止变滚嚣与蓄退、邈缝藏不阂凝毫源u p s 装霉。对s i 懿基本技术要求有嚣类： 使用臻求( 体积小、重量轻、使用维护方便、工作可靠、价格便宜) 和电能质量 要求( 输出频率稳定、输出电压稳定、负载突变时电压恢复快、效率离、输出正 弦波形失奏痰枣、瓣援邀设备鬯滋二f 虢夺) 。 a s i 电路结构经历了三个发展阶段：方波逆变器式电路结构；升压b o o s t 变换器与阶梯波合成逆变器组合式电路结构；单端反激f l y b a c k 变换器与正弦 赫宽瀵裁s p w 鞋遂变器组会式毫潞结褐。下瑶分嚣l 予黻介缁。 1 1 方波逆交器式a s i 输出波形为方波的邋交器称为方波逆变器，通常有推挽式逆变器和桥式逆变 器。 1 撼挽逆变器式a s i 推挽逆变器式a s i 由推挽式逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成，如图l i ( a ) 掰示。输出滤波嚣深焉对罄波其有串、并联谐振豹豳阶l e 滤波器( l 九、c 。、 西北工业丈学颁士学挝论文第一章堵论 l 。c 。) ，可使输出正弦波总的谐波畸变度t h d 小于2 。 推挽逆变器式a s i 主凄是通过调节逆变器输出电压脉宽来实现调压功能的。一 释谲压方法楚调节功率开关s ；、s ：驱动信譬占窒魄，获舔改交输出宅压u 。雄阮 的脉宽，如图l 一1 ( b ) 所示。但这种调压方法存在明显缺点，即感性负载储熊圆馈 电网时，变压器t 副边绕组感应有阴影部分电压，这部分电压随感性负载电感分 量加大而勰宽，纯电感受载有效脉宽调节范闰为o t s 4 ，丽电隧负载有效脉宽调 节范围为0 t s 2 。另一军中调羼方法楚在变联器副边与输溅交流滤波器之间热交流 调压开关调节功率开关s a 驱动储号占空比，即可调节输出矩形波脉宽，楚流 开关将方波电压变成脉宽可调的矩形波电压。 j ，；。一# 二，4 0 5 “豪= 然。糕= 慧0釉戆黧= = ：慧黧= = 悠0 甚2 * ：0 s # 镕l j ￥， 0 r * # i $ # t * & ”女_ p * 镕4 b # “ # ，# 。g $ # c * ； 砖l n # ts # # * j ：# 蹦1 1 推挽逆变器式a s i 电路及其原理波形 这种电路的特点为： 泡路拓扑篱溶，廷霰掰个功率开关( 开关频率篾4 0 0 h z ) 黎一个交流诱 压开关； 功率开关电压应力高( 2 u ) ： 4 0 0 h z 低频交蔗器体积、重整大，变压器原边绕组和厢率低，通过盼半 2 1；警一；二；一 一 。 一”掣。妇一 ，；鬻i丫。攀。一 1 ；p ；，l ， “ 奏tff扎 ；一 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 波电流有效值较大，原边绕组两部分应紧密耦合； 输出四阶交流滤波器体积、重量大，位于主功率信道的l n 、c ，有较大的 损耗。 2 桥式逆变器式a s i 桥式逆变器式a s i 电路及其原理波形如图l 一2 所示。改变功率开关驱动信号 相位，即可得到矩形波的输出电压，调节a 角可实现输出电压的稳定。 图1 2 桥式逆变器式a s i 电路及其原理 这种电路的特点为： 功率开关电压应力低( u ；) ，仅为推挽式逆变器电路的一半： 电路组件数较多，需用四个功率开关，开关频率为4 0 0 h z ： 4 0 0 h z 低频变压器体积、重量大，但相对于推挽式逆变器，原边绕组利 用率高： 输出四阶交流滤波器体积、重量大，位于主功率信道的l 。c ，有较大 的损耗； 串联的两个功率开关的饱和压降与稳态损耗大，在低输入电压( 例如， u - = 2 7 v d c ) 时变换效率低，因此只适用于高输入电压场合( 例如，u = 2 7 0 v d c ) 。 西北工业大学碳士学位论交 第一章鳍论 l 。2 升压b o o s t 变换嚣与阶梯波合成逆变器组合式a s i 为了减小方波遂交器竣文波形谐波含爨，可慕耀升愿b o o s t 变换爨与玲槌波 合成逆变器组合式a s i 电路结构“1 ，如图i 3 所示。阶梯波的阶高按正弦规律 变化，如聚每个躅期阶梯波的阶梯数为2 n ，刚需簧n 台单相逆变器或n 3 台三 楣邋变器。每个攀据功率电爨耀嗣，胃采用搀挽、辑式竣三楣耩式毫路。 这种电路的特点为： 输出电压谐波含量很小，输出交流滤波器体积、重量小： 递交毫潞本身笼谲嚣凌箍，输出壤殛调蕊只憝囊藏缀b o o s t 交换器泉实 现； 功率开关和n 相变压器的工作频率为4 0 0 h z ，变压器体积、爨量大； 整辊体积、繁鲞仍较大。 1 3 革端反激f l y b a c k 交换器与正泫脉宽调稍s p w m 逆凌器缀合式a s i 单端反激f l y b a c k 变换器岛正弦脉宽调帚0s p w m 逆变器组合式a s i 电路结构， 麴图l 一4 ( a ) 搿示。攀溱反激f l y b a c k 交换器舜关王终频率爻2 1 6 k h z ，它鹣热 入不但取代了逆变桥输出端笨黧的4 0 0 h z 低频变压器，丽且将来经调节豹2 7 v d c 变换成d c a c 逆变器所需的稳定的1 8 0 v 高频脉冲波u 。，改善了逆变器的工作条件， 对提高整梳往能麓霸了关键径律雳。d c a c 滋变器采用单极性谲翻方式，功率开关 s ：、s 。以蔑频调制频率甄枣 地工作，鬻功率开关s ：、s 4 以4 0 0 h z 输出频率互 地 工作。其原理波形如图1 4 ( b ) 所示。 这种电路的特点为： 单端反激f l y b a c k 变换器取代了笨重豹低频4 0 0 h z 输恕变摄器； 输出交流滤波器和整机体积、重量明显下降： 采用了由美国麻省理工学院a g b o s e 教授提出的高性髓电流控制两态调 毒l 技术蠢奄压邀溅双繇按摩l 技术，毫捱稳态精度毫、动态响痤逮度块； 易于实现模块溅结构a s i 。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 。套j 蠹 搴辩蓐鹣* a 。l 矗i 舞每，# b7 n # for_$pw 。o jn0 j 二口”# 女c o - d ；4 ；r ht i ；8 # ；“v e ，o ， ；7 * ：s 图l 一3 升压b o o s t 变换器与阶梯波合成逆变器组合式a s i 电路及其原理波形 5 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 ；鬈l - 叶曙设蚓 h ，略 琵 ；j ， i i 童橐一l tv v r 4 图l - - 4 f l y b a c k 变换器与s p w m 逆变器组合式a s i 电路及其原理波形 美国s u n d s t r a n d 、a l l i e d s i g n a l 、k g s 公司研制的新代a s i ，采用m o s 功率 器彳串、电流控制、表面寰装、二次集成、高频他等技术，并实现了离功率密度、 裹效率兹模块式魄源结构，髂积小、莛量轻，可靠性高。但具髂豹电路结款迸未 清楚。 以上三种已知电路开关管都工作在硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 状态。图l 5 是开关警开关嚣懿逛垂粒邀滚波形。垂予开关管不是理憋器 孛，在牙透露开关警 的电压不匙立即下降到零，而是有一个下降时间，同时落的电流也不是立即上升 到负载电流，也商一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交迭区，产 生损耗，称必开逶揍耗( t u r n o nl o s s ) 。警开关篱关断辩，开关管戆龟压不楚立 即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，网时它的电流也不是立即下降到 零t 也有个下降时间a 在这段时间里，电流和b 9 1 e , t g 商个交迭区，产生损耗， 称为关断援耗( t u r n o f fl o s s ) 。戳魏在辩关管开关王律辩，黉产生开通损耗和 关断损耗，通称为开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。在一定条 孛下，开关管在每个开 关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与歼关频率成正比，开关频 率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换 嚣舞关频率的提嬲，从嚣限制了变换器豹小爱豫翻轻量纯。 6 西北 = 业大学硕士学位论文第一章绪论 o p 1 0 s 8 o t t 豳l - 5 开关霄开关时的电压羊碍电流波形 开关警工佟在硬开关融还会产生嵩静d i d t 帮d u d t ，获舔产生大静电磁于撬 ( e l e e 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 ) ，对其输入电源产生影响。 为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。疆提高歼关频率，同时提 高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗静途径就蹩实现开关 管鹣软开关( s o f ts w i t c h i n g ) ，爨此软舞关技术嶷运两生。图l 一6 绘出了开关 管实现软开关的波形图。 o h 酗“ 蠡 l ： ：；生 卜 i 芦 掣o i b m ” 8 广1 ： 垒 醅。 ： f 难一 f l ： i p 她翁 捌b 3 j f 魂静 ( 丑) 零屯藏开盖零电压开兼 图1 - - 6 开关管实现软开关的波形豳 鏊兹，a s i 菠赣蓑蔫臻率整度、毫交换效率、无污絷、智麓继方囱发鼹。裹 功率密度、高变换效率的基础是单级d c d c 变换器和单级d c a c 逆变器软开关变 换技术的研究与工程实观。 7 谣北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第二节单级d c d c 变换器软开关技术的发展 2 1软开关技术的实现策略 开关损耗包括开通损耗和关断损耗，减小开通损耗有以下几种方法： 在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减 小电流与电压的交迭区，这就是零电流开通。从图卜一6 ( a ) 可以看出，开通损耗 大大减小； 在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是零电压开通。从图1 6 ( b ) 可以看出，开通损耗基本减小到零； 同时做到和，在这种情况下，开通损耗为零。 减小关断损耗同样有以下几种方法： 在开关管关断前，使其电流减小到零，这就是零电流关断。从图l 一6 ( a ) 可以看出，关断损耗基本减小到零； 在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减 小电流与电压的交迭区，这就是零电压关断。从图1 6 ( b ) 可以看出，关断损耗 大大减小； 同时做到和，在这种情况下，关断损耗为零。 2 2 软开关技术的分类 变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整 形，最早的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度看，它是将开关损耗 转移到缓冲电路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换 效率没有提高，甚至会使效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损 缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。 直流开关电源的软开关技术一般可以分为以下几类： 全谐振型变换器，一般称为谐振变换器( 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。按照谐振组件的谐振方式，分为串联谐振变换 西北工业丈学硕士学位沧文 第一章绪论 器( s e r - i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，s r c s ) 和并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n t c o n v e r t e r s ，p r c s ) 两类。按负载与谐振电路的连接荚系，谐振变换器可分为两类： 类楚受载与谐掇鼙路辍串联，稼羹窜联受载( 或窜褒输密) 器掇交换器( s e r i e s l o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，s l r c s ) ：另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联 负载( 或并联输出) 谐振变换器( p a r a l l e ll o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，p l r c s ) 。 在i 骞叛交换器中，谐振缀俸一豢谙叛王停，参与麓塞交捩的全邋程。该交换器与 负载关系很大，对负载的变化缀敏感，一般采用频率调制方法。 凇谐振变换器( 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 i r e s o n a n tc o n v e r t e r s 。m r c s ) 。这怒较开关技术静次飞跃，这类交换器 的特点是谐振组 警参与熊量变换款菜个阶段，不是全程参与。准谐振变换器分 为零电流开关准谐振变换器( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gq u a s i r e s o n a n t c o n v e r t e r s ，z c sq r c s ) 衽零电压开笑准谐振变换器( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，z v sq r c s ) 。多谐掇变换嚣簸实现开关管豹零毫 压开关。这类变换器需要采用频率调制控制方法。 零歼关p 晰交换器( z e r os w i t c h i n gp 州c o n v e r t e r ) 。它可分为零电压 开关p 硼交换器( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n gp 凝c o n v e r t e r s ) 鞠零宅滤开关p w m 变换器( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) 。该类变换器是在q r c s 的基 础上，加入个辅助开关管，来控制谐振组件的谐振过稷，实现恒定频率控制， 辩实现p 瓣控制。与q r c s 不同麓是，谐振缓伴懿谐振工俸辩阚与开关掰赣禚魄穰 短，般为开关周期的i i o 1 5 。 零转换p w m 交换器( z e r ot r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 。它可分为零电压转 换p w m 交换器( z e r o v o l t a g e t r a n s i t i o np r 0 4c o n v e r t e r s ，z v tp 瓣c o n v e r t e r s ) 和零电流转换p w m 变换器( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r s 、z c tp 弧 c o n v e r t e r s ) 。这类变换器是软开关技术的又个飞跃。它的特点是变换器工作在 p w m 方式下，辅助谐振电路只是主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开 关，褒其它对藏则停止王传，这样辘躜电路豹损耗缀，、。 上述方法中、属于谐振软开荚技术，、属于软开关p w m 技术。在谐 9 西北二c 业大学硕士学位论文 第一章绪论 振软开关技术中，谐振变换器存在电路循环能量大、稳惑电压戏电流应力大、稳 态导通损耗大、z v s 或z c s 开关条件对电源墩压或受载变化范囤敏感、炎频控制方 式等缺点，嚣覆觳路设诗难以德化，整捉效率闯题泰根本勰决。绞开关p 撑礁接零 利用谐振技术软化开关的转换，开关转换完成后变换器恢复其p w m 工作模式，使 得电路循环能量最小，在导通损耗增加最少的情况下大大降低了开关损耗。因此， 较开关p 撵技本兼有谨振技术秘p w m 技术= 者之钱焦，在提裹交换器功率密发豹 同时保证其效率，因而怒最有发展前途的软开关技术”1 。 第三节单级d c a c 逆变器软开关技术的发展 憋d e 裟交换器谐援较开关技本筑爆到犹矗e 逆交器( 楚焚是多鞠递交器) 中去，遇到了相当大的尉难，其根本原因是雾个谐振开关组件相互影响，电路难 以正常工作。自1 9 8 6 年戳来，以美国w i s c o n s i n 大学d m d i v a n 教授为代表的电 力奄予技来人员，瓣单级d c a c 遂交嚣较开关技拳进行了大量翁研究，提出了谐 振支路逆变器( r p i r e s o n a n tp o l ei n v e r t e r ) 、谐振壹流环节逆变器 ( r d c l i r e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r ) 、谐振缓冲软开关逆变器( r s 3 - r e s o n a n t s n u b b e rs o f ts w i t c h i n gi n v e r t e r ) 新概念，取褥了令人振奋的研究成果，譬f 起 了世界各国电力电子技术研究人员的赢度重视，下嚣予以分别分缨。 3 。i 谐振支路逆变器r p i 谐强支貉瓣基本原理楚鸯嚣个开关器箨率联橡残一个交流器极点，弼图l 7 所示，附加的l c 组件为两个开关器件的z v s 提供条传。当s ；开通矮，c 充电至u ，i 。 持续增加，电感l 储能，同时s t 提供负载电流i ，：当i 。达到某预定电流阀值i 。+ 时，s ；关断，壶予c 上宅鹾不麓突交，驮焉为s ，提供了z v s 关断条件：s ；关断后， l c 谐摄、u c 反囱，最终导致班蛰透，为s 。提供了z v s 瑟邋条 牛；岛开邋后电鼹工 作情况类似于s 。开通后，u c 不能突变，为s 。提供z v s 关断条件，而s ：关断后l c 再 次谱强为s t 提彳盐了z v s 开通条件。详缁研究谐振极的工作状态就会发现，它相当 于掇式逆变器一个携鹫躲工接状态。 1 0 西北工此大学硕士学位论文第一章错论 图1 7 谐掇支路原理电路 d i v a n 教授在逃一步研究的基础上，提出了以谐振支路作为逆变器的一个桥臂 来构成单相、三相谐振支路逆交器电路拓扑，如图l 一8 所示。电路谐振电容c ， 氇可以分教羧在上、下耩爨牙关器 孛嚣溃，戳吸段野关器徉戆寄生电容，蠡黧l - - 8 ( c ) 所沭的三相r p i 电路。 锄 刽 ： th r w - f 惫争l0 i ， i d l 口r t ” 图l 8 谐叛支路逆交器及其缀理波形 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 在图1 8 ( a ) 所示的单相r p i 逆变器中，控制谐振支路上下管的关断电流 阀值i 。i 。就可以获得不同脉宽的正负半周输出电压波形，从而实现p w m 控制， 控制输出电压平均值及电感电流平均值的大小和正负极性。因此，r p i 逆变器是一 种可以在高频实现p w m 控制的软开关逆变器。r p i 逆变器谐振回路放在输出交流侧， 每相具有独立的谐振回路，易于实现各相电路独立的p w m 控制。此外，r p i 将电感 电流作为直接控制参数，属于电流控制型逆变器。r p i 谐振支路是l c 并联谐振， i 。，的峰值电流为2 o 3 5 倍输出电流，开关器件电流应力较大。谐振电感l 。处于 主功率信道且兼有滤波功能，其电流有效值和损耗大。 如果将图l 一8 ( c ) 所示电路中每相电路的滤波电容改接在电源正负极与输 出点之间，输出点移至同一桥臂上下两个开关器件之间而另加滤波电感l ，( 目的 是使谐振电感l r 不处于主功率信道上) ，便可获得变化型r p i 电路“1 。变化型r p i 电路的工作规律及特点同原始r p i 电路一样。结实型软换流逆变器( r s c i - - r u g g e d s o f tc o m m u t a t e di n v e r t e r ) “1 在变化型r p i 电路基础上增加了两只辅助二极管 d 。、d 。，如图1 9 所示，因而也有人称之为辅助二极管谐振支路逆变器 ( a r d p i a u x i l i a r yr e s o n a n td i o d ep o l ei n v e r t e r ) 。辅助二极管的引入使电路 的工作原理发生了根本性变化，但仍保持着r p i 的两个基本特点，即电压应力小 和各相电路独立的p w m 控制。而且r s c i 的最大特点是可以实施开环p w m 控制，但 开关器件电流应力大( 2 0 2 5 i 一) ，l ，和辅助二极管上有一定损耗，尤其轻载时 效率低。 眨一 c 。蛔 心嗣 一矿p k * ：。镯 图1 9 结实型软换流逆变器 ；l ? o o 西北工业大学硕士学位论文 第一牵绪论 3 2 谐振直流环节逆变器r d c l i 谐振直流环节逆变器r d c l i 是d i v a n 教授提出的一个全新的概念“1 ，基本电 路如图l 一1 0 ( a ) 所示。该电路借鉴了高频环节变换器( h i g hf r e q u e n c y l i n k c o n v e r t e r ) 的思想，利用谐振组件l ，、c 。及谐振控制开关s ，在逆变器输入侧产生 谐振，将输入直流电压u 。转化为如图1 1 0 ( b ) 所示的一系列高频脉冲电压波u 。， 供给逆变桥。谐振控制开关s ，在u c r 为零时z v s 换流，改变开关的工作状态；另一 方面电源u ：给谐振电感l r 充电补充能量，以保证下一个谐振周期内u 。，能可靠地回 零。当i 。，上升到一定的电流阀值后，s 。在z v s 条件下关断，下一个谐振周期开始。 周而复始，逆变器输入端就得到了一系列高频脉冲电压波u 。，。 r d c l i 最突出的优点是电路简洁，谐振回路放置在直流侧，只需一组谐振组 i r 群上 d c ，a c 产c i t 曼甲 k l v 目t e r u c ) r i r i td i f - m cb ) $ c h e m - t ic * ”| f o r m s 图1 1 0 谐振直流环节逆变器 件l 、c ，和一个控制开关s 。就可获得整个逆变器所有器件的z v s 开关条件。特别 是换流时直流环节电压u c ，要保持一段零电压时间，这样逆变桥的主开关器件将获 得较好的零电压开关条件。 为了获得开关器件z v s ，r d c l i 必须在n o r = o 时切换开关状态。因此，采用 r d c l l 只能采用离散脉冲调制( d p m ) 来控制，而不能采用传统的脉宽调制( p w m ) 控制技术。d p m 控制下逆变器输出的频谱特性将比p w m 波差。只有当d p m 逆变器工 作频率高于p w m 逆变器3 4 倍工作频率时，二者输出波形品质基本相当。而这一 点对r d c l i 这样的软开关逆变器是不难做到的。 r d c l i 有其不足之处：由于在直流环节上进行电压谐振，使高频脉冲电压 波幅值u c ，。高达2 2 5 u ，功率器件承受的电压应力增加；谐振电感l 。处于主功 西j t m 业大学硕士学位论文 第一章绪论 率信道上，流过的电流较大，其电阻将消耗功率，造成逆变器效率降低及l 。发热； d p m 控制下逆变器输出波形存在次谐波分量( s u b h a r m o n i cc o m p o n e n t s ) ，这在 某些应用场合是不允许的，且宽频带的次谐波不易用滤波器滤除”1 。 为了弥补以上不足，近年来各国学者先后提出许多改进电路和新拓扑( 逆变 桥均采用d p m 控制) ：采用变压器耦合技术的无源箝位谐振直流环节逆变器 ( p c r d c l i ) 未大幅降低u 。，峰值，只是起到了过压保护功能，并保持了r d c l i 的工 作规律：采用一个非线性开关控制电容网络技术的有源箝位谐振直流环节逆变器 ( a c r d c l i ) 限制了u 。峰值( 2 u 。) ，但l ，损耗较大：并联谐振直流环节逆变器( p r d c l i ) 将l r 移出主功率信道与c 。并联，使l r 上只流过谐振电流，限制了u 。峰值( u ) 和 降低了l r 损耗，是一种性能较理想的软开关逆变器，但电路拓扑和控制均复杂； 准谐振直流环节逆变器( q r d c l i ) 在r d c l i 或a c r d c l i 电路基础上增添一个有源 开关，控制谐振起始和终止时刻，限制了u 。峰值( u ) 和降低了l r 损耗；结实型 谐振直流环节逆变器( r r d c l i ) 由各自独立的结实型谐振支路( 相当于直流斩波 器) 与d c a c 逆变桥组合而成，这种组合式结构软开关逆变器限制了u 。，峰值( u ) ， 消除了两级之间的耦合关系，但位于主功率信道上的l 损耗较大，效率不占优势。 3 3 谐振缓冲软开关逆变器r s 3 i 为了克服r d c l i 过压和过流问题，一些学者提出了谐振缓冲技术来实现d c a c 逆变器的软开关。新颖的谐振缓冲软开关逆变器( r s 3 i - - r e s o n a n ts n u b b e rb a s e d s o f t s w i t c h i n gi n v e r t e r ) 。“，如图1 一l l 所示。图l 一1 1 ( a ) 所示单相r s 3 逆变器谐振缓冲网络，由两个谐振开关( s 。s 。) 、两个谐振电感( l 。l 。：) 和 四个谐振电容( c 。，c ，t ) 组成：图l 一1 l ( b ) 所示三相r s 3 逆变器谐振缓冲网络， 由三个谐振开关( s 。s n 、s r o ) 、三个谐振电感( l 。l 。、l ，。) 和六个谐振电容 ( c 。c 。s ) 组成。r s l 逆变器具有电路拓扑简洁、功率开关为z v s 开通和关断、 谐振开关为z c s 关断、采用p w m 控制策略等优点。 4 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 lr h ，一，h 膏， h v p t r 图1 1 1 谐振缓冲软开关逆变器r s 3 i 谐振支路逆变器r p i 、谐振直流环节逆变器r d c l i 、谐振缓冲软开关逆变器 r s 3 i 等新概念提出后，每年都有一批围绕这些软开关逆变器研究的论文发表，新 的电路拓扑和控制方式不断涌现。这些软开关逆变器各有自身的特点和应用场 合，但总的来看，由于r p i 逆变器将谐振回路放在d c a c 逆变器交流侧，r s 3 i 逆 变器将缓冲电路也放在d c a c 逆变器交流侧，因而这两类软开关逆变器工作机理 在本质上是十分相似的。而r d c l i 逆变器将谐振回路放在d c a c 逆变器直流侧， 因此其电路拓扑要比r p i 、r s 3 i 简洁一些( 尤其针对三相d c a c 逆变器更是如此) ， 在三类软开关d c a c 逆变器中更具有生命力。国外学者甚至预言r d c l i 将是下一 代逆变器发展的主流。 然而，上述三类逆变器均未实现交流用电负载与直流电源之间的电气隔离， 不适用于交流用电负载与直流电源共地的场合。由于航空交流用电负载与主直流 电源共地( 飞机机壳即为电源地线) ，因此，作为二次电源的航空静止变流器a s i 输出与输入之间必须有变压器电气隔离，否则a s i 将无法正常工作。 耍j ! 三些查堂：堕主兰垡笙苎一一皇兰生! i 堡 第四节本文的主要研究内容 近年来，国内基于第二节单级软开关d c d c 变换器和第三节单级软开关 d c a c 逆变器的研究非常活跃，利用二者设计软开关组合式a s i 已有成功应用“”， 其设计思想见图l 1 2 所示。 图i 一1 2p w m 组台式a s i 电路框图 高频电气隔离d c d c 变换器将输入2 7 v 直流电变换成峰值为1 8 0 v 的高频脉 冲波，同时实现电气隔离；谐振直流环节( r d c l ) 吸收d c a c 逆变器交流侧回馈 无功能量；d c a c 逆变桥实现1 1 5 v 4 0 0 h z 交流电输出。高频电气隔离d c d c 变换 器和r d c l 电路不但实现了d c i d c 变换器的软开关，而且还为d c a c 逆变器实现 软开关创造条件。整个电路具有结构简洁、效率高、体积和重量小等优点。 目前，基于上述设计思想的成功应用仅局限于2 0 3 0 v 直流输入变换为 1 1 5 v 4 0 0 h z 的输出，如果将输入电压变为2 7 0 v 直流，则该设计将不可实现( 详 见第三章论述) 。本论文借鉴上述思想，着手设计一种基于软开关技术的新型组 合式电路，将输入2 7 0 v 直流变换为11 5 v 4 0 0 h z 交流输出。 本论文主要研究内容分为以下五章： 第一章论述了a s i 的现状及其发展方向，系统分析了单级d c d c 变换器和 单级d c a c 逆变器软开关技术； 第二章详细介绍了p w mo c o c 全桥变换器软开关技术的理论基础； 第三章介绍了产生图1 1 2 中高频脉冲波u 。的三种电路、原理及相应的 m a t l a b s i m u l i n k 仿真结果，并以此为根据选择适当的电路作为最终的产生高频 脉冲波u 。的方案； 第四章完成整个电路的设计，给出试验结果： 第五章对论文的工作进行了总结和展望。 6 西北_ 业大学硕士学位论文 第二章软开关技术理论基础 第二章p w md c d c 全桥变换器软开关技术的理论基础 第一节p w md c d c 全桥变换器基本工作原理 p w md c d c 全桥变换器的基本电路结构及其主要波形如图2 一l 所示。v 。是输 入直流电压，q 。d 。q 4 d 4 构成两个桥臂，高频变压器t 的原副边匝比为k ，d r l 和 d r 2 是输出整流二极管，l f 是输出滤波电感，c f 是输出滤波电容，r l d 是负载。 玑t c r e d v 口 o i v i ni ：| i f i ni 扣矾i ： ： i v i a “k lil i d v i x k ： ： t a 最 ，2 ( a ) 基本电路结构( b ) 主要波形 图2 1 基本的全桥电路结构及其主要波形 通过控制四只开关管，在a 、b 诱点得到一个幅值为v 。的交流方波电压，经过 高频变压器的隔离和变压后，在变压器副边得到一个幅值为v 。k 的交流方波电压， 然后通过d r i 和d r 2 构成的输出整流桥，在c d 两点得到副值为v 。k 直流方波电 压。l f 和c f 组成的输出滤波器将这个直流方波电压中的高频分量滤去，在输出端 得到一个平直的直流电压，其电压值为v 0 = d v i n k ，其中d 是空占比，d = t o n 芸， z t 。是导通时间，t 。是开关周期。通过调节空占比来调节输出电压v 。 堕! ! 王些查堂：堡主堂堡熊苎 苎三塞茎茎整垫查堡照苎堕 第二节p w md c d c 全桥变换器的控制策略 2 1 基本控制策略 为了褥到输出壤的黥冲调割电压强，实嫁上只蓑在藏频交艨器豹裂边褥到一 个交流方波电压，亦即在高频变压器的原边( 即a b 两点) 得到一个交流方波电压。 为了褥蓟这个交流方波嘏压，焱传统的方法如图2 - - 2 所示，即斜对角的两只开关 警毽；鞠；奄盛盆。圈慰导遴或关叛，每只开关管导逶嚣耀小予：2 开关爱期，罄 t o 。 t ，2 。 实际上，仔细分析一下该控制方式，就会发现一个膏意义的现象，从而得到 l _ _ |ii i! ： ： iii i i l i 黼z 一2 传统的控带n 方式 一个新静怒法，蒸恙鼹翻瞬2 3 所示。 在图2 2 的基础上，貔和q 4 螅导通融闻不变，将馥帮毡的导邋封闼穗蕙 增加一段时间或者增加刹半个周期；绒者q ，和q 。的导通时间不变，将q ：和q 4 静导道时间向后增加一段时闻或者增加到半个周期；或者将q 和q 。的导通时间 囱蘩增热一毁对溺或者趱您到拳个躅期，两慰涛毡彝鼠鹳导逶瓣阗窝嚣增熬一羧 时间或者增加到半个周期，那么在a b 两点得到的电压与图2 2 完全样。因为 只有当q 。和q 4 同时导通时，在a b 两点才能得到正的电压脉冲( + 1 ) v 。而当瓯 和毡弱时警逶辩，在a 8 嚣点方戆褥剿受豹魄压脉洚( 一1 ) 砜。蠢两只要保证麓 狲 讲 掣 o 西北工业大学硕士学位论文第二章软开关技术理诧基础 对角的两只开关管的导通重叠时间不变，开关管的导通时间向前增加和向后增加 对于a b 两点电压没有任何影响。基予以上的思路，可| 三f 襻到一族p w md c d c 企桥 交换器款控捌方式，f w md c d c 全辑变换器黪控割方式全部被包镑在内。 _ 朔 - 鞠 -_ 醛i隧 一 ! 醛i l 一 瞬2 3 新的控制箫略示意图 2 2 开关导通辩间定义 艮循导通明1 日j 瑁刀口日可盯刚t , d a 小问每个轿臂确三种靛制方式，即：不增加 导通时间；增加一段导通时间，但t o n 主k 增加导通时间，使t o n = 三t 。定 义两个桥臀的导通时间如下： ( 1 ) q l 和q 3 的导通时间定义 n 不增加导通时间，t d n d ： 卧向前增加段导通时间，t 硼一d 十t “a ： 向麓增掇导通眠搜驴d 墨2 帆= 。 埘 铀 姒 甜 o 西北工业大学硕士学位论文 第二章软开关技术理i 奁基础 q 2 和q 4 导遇时i 司定义 虬：不增加导通时间，t 。：d 三羔： 如：向后增加导通时间，l ：d 睾+ l 。 曼： 22 囱惩罐鸯曩学逶对蠲，健强= 转+ 羊m = 。 2 3p w md c d c 全桥炎换器的控制策略族 根据两个桥臂导通时间增加的情况不一样，可以组合得到3 x 3 = 9 种控制策略 “。它们分别为： 羟摹l 方式一：矗磊整：嚣今援臀都不增热零遴辩阕，这就楚传统豹控糊方式； 控制方式二：b t a z ：q 2 | q 4 挢臂不增加导通时间，q & q 。桥臂趣翦增加一段母通 时间： 控翩方茂三：c 渣& ：奄2 馥轿臂不蹭加导通时阕，q 。岛桥臂离前增加劐i 2 t 。： 控制方式四：a z b ：q 商忿榜甓不嫫加导遽时阕，q 盔愈榜譬自爱增魏一段譬通 时间： 控制方式五：b t 1 3 2 ：q 一如桥臂向前增加段导通时阅，同时q 2 瓴桥臂向腐增 麴一段粤通时润； 控制方式六：c & b 。：q ；q 3 拼臂的搏通时间向翦增加到昙t ：，q 艘酞揆譬肉爝增 加一段导通时间： 控制方式七：a t c z ：q t q 桥臂不增加导通对间，同时q 翘甚桥譬的导通时闽南 后增加到妻t 。，这就是有限双极性控制方式； 控制方式八：b 插岛：q t q 。榜譬的导通时间向前增加一段导通时闽，同时q 。始； 桥譬的导通对问向聪增加刹当b ； 西北工业大学硕士学位论文 第二章软开关技术理论基础 控制方式九：c 。c ：q q 3 桥臂的导通时间向前增加到三t s ， 时q 2 & q 。桥臂的 导通时间向后增加到昙t 。，这就是目前研究的比较多得移相控制 方式。 第三节p w md c d c 全桥变换器的两种切换方式 以上九种控制策略包括了p w md c d c 全桥变换器所有的控制方式。这九种控 制方式，从斜对角的两只开关管的关断来看，可以分为两类： 斜对角的两只开关管同时关断。控制方式一控制方式三属于此类。 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 四控制方式九属于此类。 根据四只开关管的导通时间不同，d c d c 全桥变换器存在+ 1 ，0 ，一1 三种工 作状态。在讨论实现开关管软开关之前，有必要定义d c d c 全桥变换器的三种工 作状态。 3 1 三种工作状态 鼢 图2 - 4d c d c 全桥变换器基本电路 2 1 1 + l 状态 从图2 4