（电气工程专业论文）基于软开关技术馈能性电子负载的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着我国经济的迅速发展，能源问题在当今社会受到越来越多的关注。馈能性 电子负载是一种能够模拟实际电阻负载特性的新型电力电子装置，用于直流电源功 率试验。并将测试的直流电能逆变为交流并入电网，实现电能的再生利用。该装置 具有节能、体积小、重量轻、节省安装空问、试验性能优良等优点。软开关技术是 电力电子装置高频化、高功率密度发展的关键技术，因此把软开关技术应用到馈能 性电子负载中是非常必要的 本文从方案分析入手，详细讨论整个系统的重点，并给出较优的解决方案。系 统由d c d c 升压变换器和d c a c 逆变器两部分构成，作者在查阅国内外大量变换 器的资料基础上，基于软开关的考虑，d i ：】) c 变换选择移相全桥软开关隔离变换器， 其优点可降低副边占空比丢失，饱和电感和辅助谐振网络的引入，解决低压大电流 输入情况下宽负载范围内实现z v s 和副边占空比丢失的矛盾；逆变部分采用辅助开 关零电流开关软开关技术，其优点是电路所用的电感值小，引入损耗小，并且控制 方法简单。主电路开关元件选择i g b t 。 为了满足馈能性电子负载有良好的动静态特性，使电能高质量的反馈到电网中， d c d c 变换器采用平均电流模式下的双闭环控制，提高变换器性能，稳定直流输出 电压；整个系统中，并网电流的跟踪控制是非常关键的，本文研究零误差电流跟踪 控制的方案，改善并网电流波形，并建立模型进行仿真验证。 本文详细分析馈能性电子负载的原理，推导重要公式，并对主要参数的选择进 行讨论，最后进行仿真，表明该方案较好地实现电子负载的功能，负载模块交流侧 电流近似正弦，谐波含量小，功率因数非常高。 关键词：电子负载，软开关，并网逆交器，零误差电流跟踪 重庆大学硕士学位论文英文摘要 w i 也t h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , p e o p l ep a i dm o r ea n dm o 坞a t t e n t i o n0 1 1 e n e r g ys o u r c ep r o b l e m 1 1 把e l e c t r o n i cp o w e rl o a di san e wt y p ep o w e re l e c t r o n i c s i n s l n n n e n tt h a t 锄mw i t ht h es 锄ef u n c t i o na sr e s i s t o r si nt h et e s to fa l lk i n d so fd c p o w e r s o u l c 圮t h ep o w e rl o a dt r a n s f o r m st h ed c p o w e r i n t oa cp o w e ra n ds e n d si ti n t o t h eu t i l i t yp o w e rs y s t e m p o w e rl o a d 咖s a v ep o w e ra n ds p a c cb e c a u s ei ti sl i g h t e ra n d s f m l l l e l i no r d e rt oi n c z e a s et h ep o w e r 出脚a n do u t p u te f f i c i e n c y , t h es o f ts w i t c h i n g t e c h n i q u e si st h ek e ya n di m p o r t a n ls oi ti sn e c e s s a r yt ou s o f t 科商吲血gi ne l e c t r o n i c p o w e rl o a & t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed i 伍嘶o ft h ep o w e rl o a d s y s t e m , a n dp r o p o s e sa p r e f e r a b l ed e s i g np r o j e c tt h es y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ：d c d cc o n v e r t e ra n dd c a c i n v e r t e r i nt h e d e s i g n , t h e c o n v e r t e rs e l e c t p h a s e s h i f t e d f u l l - b r i d g e z e t o - v o l t a g e - s w i t c h e dt e c h n o l o g yc o n v a t e r ：t h el o s so fd u t yc y c l ei sg r e a t l yr e d u c e d t h ea d o p t i o no fs a t u r a t e di l k h 略t a n a n da u x i l i a r y 地翻l a n lc i r c u i tr e s o l v e st h ec o n f l i c t b e ! t ：v e e nr e a l i z i n gz v si naw i d e 瑚g eo fl o a da n ds e r i o u sl o s so fd u t yc y c l ei nl o w v o l t a g ea n dh i g hc u r r e n ti n p mc o n d i t i o n ；t h ei n v e r t e ri si m p l e m e n t e dw i t ha s s i s t a n t z e r o - c t m e n t - s w i t c h e dt e c h n o l o g y t h em e r i to ft h i sc i r c u i ti sl i t t l ei n d u c t a n c el o s s e sa n d s i m p l ec o n t r o lw a y i g b ti sc h o s e na qt h ep o w e re l e c t r o n i c se l e m e n t t oa c h i e v eag o o dp e r f o r m a n c eb o t hs t a f i c a u ya n dd y n a m i c a l l yi ne l e c t r o n i cp o w e r i o a 正d c d cc o n v e r t e rt a k e sa d v a n t a g eo f ad o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o lm e t h o db a s e do n a v e r a g e - c u r r e n tm o d e i nt h ew a y , i ti m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e r t e ra n d c a r l g e tas t e a d yo u t p u tv o l t a g e n 圮u 丑c k i n gc o n t r o lo fg r i d c o n n e c t e dc u r r e n ti st h ec e n t r a l t e c h n o l o g yi nt h ea l ls y s t e m t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h em e t h o do fz e r o - e r r o ro fc u 删 b - a c 她u s i n gt h i sm e t h o d , t h es h a p eo f 吼l r 黜tw a v ei si m p r o v e d 1 1 摇s i m u l a t i o n m o d e lo f s y s t e mi se s t a b l i s h e d , a n ds i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u t i t so p e r a , o np r i n c i p l ea n dc r i t i c a lp a r a m e t e r sa 瓤匾i y 笳正a tl a s kt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o no f t h ep r o p o s e dp r o j e c ti sg i v e nt h ee x c e l l e n tp r o o f t of e a s i b i l i t ya n dv a u c u t y 嬲e l e c t r o n i cp o w e rl o a d 1 1 艟o u t p m 删m ：n tt h a ti sc l o s et os i n u s o i d a l i t sh a r m o n i o u si s v e r yl o w p o w e rf a c t o ri sc l o s et ou n i t k 盯w o r 山：e l e c t r o n i cl o a d , s o f ts w i t c h i n g , c n i d - e o n n e c t e di n v e r t e r , z e r o - e r r o rc u r r e n t 仃：犯虹坞 n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 立青唼 i 签字日期：以勾年如刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：窆 签字日期：加旬年岁 嘉“毫 a 函e t | 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 电力电子技术的发展 电力电子技术是有效的使用电力半导体器件，应用电路理论和设计理论以及分 析开发上实现对电能的高效变换和控制的- - t o 技术。他做为联系弱电与强电的接口， 电力电子技术提供了控制电功率流动与改变电能形态的手段，它包括电压，电流、 频率和波形等方面的变换。1 9 5 6 年晶闸管( s c r ) 的阀世标志着电力电子技术时代的 开端。电力电子技术诞生至今5 0 多年，特别是近二十年来取得了迅速的发展，特别 是在功率器件、电路拓扑、控制方法和装置性能等方面更是人们的关注下得到了长 足的进步l l 】。目前，电力电子技术已经广泛应用于电力、工业、交通、航空航天、 通讯和家用电器等领域，对国民经济发挥越来越重要的作用。 1 1 1 电力电子器件的发展 电力电子器件是电力电子技术的核心，器件的发展是电力电子发展的强大动力， 所以电力电子的发展很大程度上取决于电力电子器件的发展。1 9 5 6 年，美国研制出 世界上第一只普通的( 4 0 0 h z 以下) 反向阻断型可控硅，后称晶闸管( s c r ) ，s c r 是一 种半控型器件。它只能控制开关管开通而不能控制其关断；并且电路结构复杂，开 关频率低，功率密度和整机效率低。经过6 0 年代的工艺完善和应用开发，到了7 0 年代，晶闸管已形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期间，世界各国 总有驱动功率低、安全工作区宽( 几乎不存在二次击穿问题) 、漏极电流为负温度特 性、输入阻抗高等优点，同时又是一种高频器件，能够在高频硬开关环境中工作。 工作频率达到几十千赫至数百千赫，低压管频率甚至可以达到兆赫。m o s f e t 优点 突出，但其导通电阻与耐压大小成正比，这就限制了它在高频、小功率领域的应用 基于g t r 和m o s f e t 的优缺点，8 0 年代电力电子器件最引人注目的成就之一就是 开发出双极型复合器件，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 它将m o s f e t 器件门极驱 动功率小、控制电路简单和g t r 器件电流大、电压高等优点集成为一体，使其兼 有m o s 器件和双极型器件的突出优点，即具有m o s f e t 的输入特性、开关频率和 g t r 的输出特性、开关容量，从而产生出较为理想的高频、高压和大电流器件。由 于i g t b 优良的器件特性和不断提高的制造工艺，i g b t 逐渐成为电力电子器件市场 的主流。 另外还有一些其他的器件，如静电感应晶体管( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r , s i t ) ， s i t 它是一种非饱和输出特性的多子导电器件。它通过静电场控制沟道内部的电位 分布来实现电流控制，输出功率大、失真小、输入阻抗高和抗辐射能力强等优点； 另一个显著优点是s i t 开关速度极快。静电感应晶闸管( s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r , 重庆大学硕士学位论文1 绪论 s i t h ) ，s i t h 一种利用电场效应控制器件的导电能力的新型器件。它与s i t 相比， 具有更高的电压、电流耐一量，又保持较高的开关频率等有点。m o s 晶闸管 ( m o s - c , o n t r o l l e dt h y r i s t o r , m e t ) ，m c t 是m o s f e t 与晶闸管的复合器件，是山电 压控制门极的全控型自关断器件它具有两个m o s 门极，一个为晶闸管的开通门 极，另一个为晶闸管的关断门极。因此，它具有高电压大电流、低导通压降、高电 流密度、低驱动功率和高开关速度等优点。 未来功率半导体器件的发展趋势为大容量、高开关速度、高集成度和低价格方向 发展【2 l 。趋势一：高电压、大电流、低损耗和高速开关的全控型器件。工业市场不 断发展，对器件的电压、电流、功率都提出了新的要求，提高功率器件的频率对降 低工作环境的噪音，减少和减轻器件的体积与质量，增加控制精度以及改善变换性 能是十分显著的，这样就要提高开关速度。趋势二：器件模块化和集成技术的发展 就内部结构而言，m o s f e t 和i g b t 都是功率集成器件( p i d ) ，模块化技术的应用大 大提高了电路功率密度和可靠性f 3 l 。随着集成技术的发展，功率模块逐渐向智能化 方向发展，即模块内部除了主电路器件之外，还包括相应的各种接口电路、保护电 路( 过流、过压、过热保护等) 和驱动电路，故也称智能功率模块( i p m ) 或功率集成电 路。这是电力电子技术的一大进步，说明集成电路已从信息电子技术领域扩展到功 率电子技术领域。 1 1 2 电力电子电路的发展 电力电子电路按照电能的变换形式可以分为四大类： 1 整流电路：由交流电能到直流电能的变换称为整流( 或称a c d c 变换) ，凡能 实现这一变换的电路称为整流电路； 2 逆变电路：由直流电能到交流电能的变换称为逆变( 或称d c a c 变换) ，凡能 实现这一变换的电路称为逆变电路： 3 直流变换电路：能将一种直流电压( 电流) 的幅值或极性加以改变的电路( 或称 d c d c 变换) ； 4 交流变换电路：能将一种交流电的电压( 电流) 或频率加以改变的电路( 或称 a c a c 变换1 。电压变换称为交流调压电路，频率变换称为变频电路。 电力电子电路最基本的拓扑形式最基本的整流电路、逆变电路及斩波电路等很 早就己经确定。晶闸管出现以后，并没有立即产生一些新的电路拓扑形式，自到8 0 年代以后，随着全控型器件的普遍应用，电力电子电路向高频化方向发展，基于电 路效率的考虑，有关电力电子电路拓扑的研究又活跃起来近年来一些新的电路拓 扑形式如谐振型逆变电路、矩阵式交频电路等不断涌现。 1 1 3 脉宽调制( p w m ) 技术 随着器件性能高频化的发展，使得p w m 技术控制方式成为当今逆变电路的主 2 重庆大学硕士学位论文i 绪论 要控制方式p w m 脉冲宽度调制技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来 等效的获得所需要波形( 含形状和幅值) 。p w m 作为诸多斩波控制方式中的一种， 从直流变换电路( d c d c ) 发展到逆变电路( d c a c ) ，利用改变调制信号频率实现输出 电压基波频率的调节；利用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节与方 波逆变电路比较起来，p w m 逆变电路有如下特点【4 1 ： 1 逆变器本身同时有电压和频率调节功能。 2 减少输出电压的谐波含量。载波频率越高，谐波含量就越低 p w m 控制技术如今也越来越多的被应用在整流电路( a c d c ) 和交流变换电路 ( a c a c ) 等各种变换器中，以获得高的功率因数。 1 1 4 高频化软开关技术 常见的硬开关就是开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠，电压、电流变 化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。比较大的缺点就是开关损耗大、感 性关断电压尖峰大、容性开通电流尖峰大、电磁干扰严重等。针对这些缺点就提出 来电力电子电路的软开关技术 l ￥ 卜| f 图1 1 软开关的工作波形 f i 9 1 1t h eo l 跫曙吐o nw a v e f o r mo f l h e s o f ts w i t c h i n g l l 软开关( s o l ts w i t c h i n g ) 技术利用谐振原理，通过电路中引入很小的电感电容等 谐振元件，构成辅助换流网络，使得开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降 为零，就可以消除开关过程中的电压电流的重叠，如图1 1 所示；这样使开关器件 在零电压或零电流条件下动作，因而在理论上把开关损耗降为零，因而使电路的效 率大大提高；同时软开关技术也有效地防止了电磁干扰。 因此，近年来对软开关技术的研究及其应用非常引人注意，越来越多的电力电 子装置采用了软开关技术高频化是现代电力电子的特点，但由于器件的开关损耗 与开关频率成正比，频率越高器件和电路的损耗也就越大，电路的效率也随之降低， 另外频率的提高对于电路所产生的电磁干扰( e m i ) 也越强，对环境污染也越严重。 一般从以下两方面考虑嘲： 1 从器件工艺角度，缩短器件的开关时间。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 改善器件在电路中的开关环境来减少损耗，将器件在开关过程中的电流和电 压相位错开。例如在零电压或零电流下开关，器件就不会产开关损耗，具有这些条 件的开关环境称为软开关环境。 由于器件工艺在一定时期内是没有办法突破的，因此对器件所在电路进行改造以 实现软开关就变得更为重要，软开关技术也成为是当今电力电子技术的主要发展方 向之一 1 2 电力电子技术在馈能性电子负载中的应用 1 2 1 电子负载研究的意义 电子模拟功率负载，它是一种利用电力电子技术、计算机控制技术及电力系统 自动化技术，用于对各种直流电源进行考核实验的实验装置 6 1 。在电子技术应用领 域，经常要用到开关电源、线性电源、u p s 电源、变压器、整流器、电池、充电器 等一系列的直流电源电子设备而这些装置运行可靠与否是非常重要的，因而这些 电源出厂前检验及使用前检验是非常必要的。 目前，电源出厂实验、使用前的可靠性实验( 主要是老化实验) 及电源输出功 率实验一般都是采用电阻能耗放电的办法进行，电阻类负载由不同材质的金属材料 制成，这种传统的电阻性负载是各种电阻器、固定电阻仿真恒定负载、可变电阻仿 真变动负载，电阻消耗的功率就是等效功率，在实验过程中它1 0 0 的消耗了电能 举例来讲，蓄电池在出厂前一般要进行三充两放”和容量校核，且由于多用于国民 经济中极为重要的部门，出厂后也需要定期恒流放电，进行容量校核和日常维护， 以保障蓄电池的正常使用。实际操作时，由于一般是几十节串联或并联在一起组成 蓄电池组，其放电过程需要较大功率的电阻负载，所以现场放电时，一般把蓄电池 组分段、分时进行操作。这样既延长了工作时间，增加了劳动强度，又不能保证蓄 电池的一致性和容量校核的准确性，这给蓄电池的校核带来不便。为解决各种直流 电源出厂试验问题，研究电予模拟功率负载f r j - 1 4 1 。 1 2 2 馈能性电子负载优点 本论文提出的电能反馈性电子负载，是以高频电能变换理论为基础，充分的利 用现代电力电子技术，运用能量反馈的方法将各种待测试或进入试运行阶段的独立 交、直流供电设备所输出的能量循环使用( 本文主要针对直流供电设备) 。它既完 成了特定负载的功能，同时又把无谓消耗在电阻型负载中的能量，通过一系列变换， 以标准工频正弦波的形式将负载能量返回至电网，从而大大节约了能源的无谓消耗 和电费的支出，具有广阔的实用前景。本设计与普通能耗式负载的区别在予：一方 面，它从被试电源吸收的电能最大量的可为被试电源循环使用，其损耗仅仅是p w m 变流器的开关损耗和线路损耗，从而最大限度的节约了电能；另一方面，容易实现 4 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 大功率应用的要求，因而具有更广阔的应用领域。它的主要作用是替代传统电阻性 功率负载进行相关的功率实验，也可应用于仪器设备的测试实验。电能反馈性电子 负载与电阻型负载相比有以下的优点1 1 5 i ： 1 因为它的工作方式是利用电力电子功率变换技术在完成测试功率实验的前 提下，将待试设备的输出能量大部分高质量地反馈回电网，节约能源，另一方面因 为能源的节约不会产生大量的热量，避免试验场所环境温度升高的问题，从而不必 因冷却装置而增加设备的费用，提高了试验的经济性； 2 电子负载装置的体积小、重量轻。由于电子负载没有把试验的功率变成热量， 因此不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，因而节约了安装空间： 3 所模拟的功率可调电阻负载在功率较高时不得不采用有级调节，所以在使 用时受到很大限制，带来诸多不便，而电子负载使得用户在具体使用时可通过计算 机界面设定所需要的功率时间变化曲线( 在本论文中可以改变负载输出电流的给定 值的幅值，从而模拟实际电阻负载的大小，实际应用中当设备启动后其负载大小 就严格按设定运行； 4 由于采用的是能量反馈方式，因此，试验场所不必配备较大的电源容量，如： 假设该电子模拟功率负载的效率为9 0 ，待试设备的容量为5 0 k v a ，则试验场所的 供电容量仅需1 0 k v a 即可完成5 0 k v a 的满载实验，从而降低了系统供电容量的开 支； 5 一般的讲，设备的投资将因该设备的使用所节约的电费在l - - 2 年内收回； 若考虑使用该设备后节省了供电容量、减少了安装空间的费用，设备的投资将在小 于1 年的时间内收回。 随着国民经济的发展，人们对能源的要求及试验自动化的要求也会越来越高， 一方面需要越来越大的功率试验手段，另一方面由于能源的紧缺使得能耗的费用也 越来越高，基于节约能源减少开支和试验自动化的要求，很多场合，如通信电源出 厂试验、各种整流柜出厂试验、大功率充电电源试验、蓄电池放电试验、电机出厂 试脸、柴油机汽油机出厂试验、汽车动力性能试验、电解电镀电源出厂试验，以及 不停电电源出厂试验等，将越来越多的采用电子负载进行考核试验【1 日 本文以通信开关电源为被试电源，研究能量回馈式电子模拟功率负载。通信开 关电源适用于市话的支局、端局、汇接局、移动通信基站，也可用于铁路、电力、 军队等专用电话通信网所测试的通信电源的输入为市电，输出额定电压为6 0 v ， 额定电流为2 0 a 。 1 2 3 电能质量的要求 随着电力电子技术的广泛应用和发展，供电系统中出现了大量的非线性负载， 其主要是静止变流器，静止变流器是用开关方式工作的，这就给电网带来了大量的 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 谐波。同样能量回馈电子负载通过升压逆变，使得电能反馈到电网中，其输出的电 压电流必须满足合格的电能质量，使得对电网没有污染”，关于并网电能质量的要 求，9 0 年代以来，国家技术监督局也根据国际标准委员会要求【1 7 】颁布了相关的标准： 1 电能质量供电电压允许偏差( o b1 2 3 2 5 - 9 0 ) 2 电能质量一电压允许波动和闪变( g b1 2 3 2 6 - 9 01 3 电能质量一公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - 9 31 4 电能质量一三相电压允许不平衡度( g b i t l 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 5 电能质量一电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 可以看出主要从电能电压的幅值、相位和频率来要求，这里简单举例电能质 量公用电网谐波( o b , r l 1 4 5 4 9 - 9 31 对并网点压的谐波要求，标准并规定了各电压 等级的总谐波畸变率，各奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值，以及 各个谐波断对谐波总含量( 刀囝) 的最大限制，详见表1 1 表1 1 电压谐波技术指标 l 谐波hi 1 1i1 1 - 而 1 7i1 7 s l 。一旦。小于l ，当0 下 降到一屯时，屹还未上升到。此时辅助谐振网络一方面要继续给c 4 充电，使 c 2 放电，另一方面还要给负载供电。为了使。在吃、继续上升到的过程中不 至于上升得太快，而使c 2 放电的电流过小，导致无法上升到吆，有必要对工。做 出约束，其一般要求就是： l 一2 l ( 3 2 3 ) 式中的刀为变压器原副边匝数比，为输出滤波电感。 3 5 7 参数设计步骤 通过以上的参数设计的讨论，可以看出电路参数选择是一环扣一环的，参数设 计的步骤为： 1 确定4 、c 。可以设定a s - - - - 0 9 5 、c = 2 0 u f 。 2 确定r 1 是从零上升到的时问，为了尽可能的减少开关损耗，一般 值为：f l = ( 2 3 ) t ，这里f r 为开关管固有关断的时间。 3 确定k 值。在f t 确定后就可以确定k 值。 4 l 的确定。在已知k 值的情况下，就可以计算l 值。 5 由前四个步骤确定了。、f l 、芷、l ，就可通过前面所得到的计算公式确 定l 、乞、 3 6 闭环控制电路的实现 3 6 1 移相p w m 脉冲发生电路 专用电源模块u c 3 8 7 5 | u 3 j 可以产生移相控制电路发生信号，作者根据模块 u c 3 8 7 5 内部结构在p i s m 软件中，利用一些数字、模拟器件来构成移相生成电路， 模仿其工作过程。u c 3 8 7 5 中移相p w m 脉冲发生电路的原理为：振荡器( 方波发 生信号) 首先产生的时钟信号经过d 触发器2 分频后，从d 触发器的“q ”和“q ” 得到两个1 8 0 0 互补的方波信号，这两个方波信号分别从o i 玎a 、o u t b 输出，延时 电路为这两个方波信号设置死区。p w m 比较器将锯齿波和误差放大器的信号比较 后，这个信号与时钟信号经过“或t f - j 后送到r s 触发器，r s 触发器的输出“虿”与 d 触发器的q ”异或运算后，得到两个1 8 0 0 互补的方波信号这两个方波信号决定 o u t c 和o u t d 输出，延时电路为这两个方波信号设置死区o u t c 和从o i r i d 分别领先于o u t b 和o u t a ，他们之间相差一个移相角，移相角的大小定于误差放 大器的输出与锯齿波的交接点输出o l r r a o l 玎d 分别来控制电路主开关管 q 1 一q 4 开通关断。 搭建的移相电路如图3 9 ，首先来搭建d 触发器模型，输出端q 和虿是互补的 方波信号，并且频率是输入方波频率的一半，其方波信号频率的大小决定了开关频 重庆大学硕士学位论文 3 d c d c 变换器设计 率的大小。然后根据u c 3 8 7 5 内部结构原理图搭建如图的简化模型，由误差信号决 定异或门输出一定相位量的p w m 的脉冲，即为移相角的大小，控制输出电压。右 边的输出分别控制电路中的主开关管q l q 4 。 d 触发嚣 q l 矾 图3 9 移相p w m 脉冲生成电路 f i g3 9t h ec i r c l | i to f g e n e r a t i n gp h a s e m h i t tp w m 3 6 2 全桥d c 】) c 变换器的闭环控制 d c d c 变换器的闭环控制有电流模式和电压模式两种1 2 4 1 1 2 5 1 。电压模式是单环 控制，它是以输出电压作为反馈量来对变换器进行调节的电压模式虽然具有控制 方法简单，容易实现的优点，但相对与电流模式而言，其动态性能和稳态性能都较 差，而且电压模式对电流没有控制，无法对变换器进行功率控制，也不利于交换器 的并联使用，其可移植性差 电流模式又分为峰值电流模式和平均电流模式。这两种电流模式都采用电压外 环、电流内环的双环控制方式。所不同的是峰值电流模式的内环是以电流的峰值作 为控制对象，而平均电流模式则采用的是电流的平均值。文献 2 6 1 提出了一种峰值 电流模式的移相全桥d c d c 变换器，提高变换器的动态性能，防止变压器的偏磁。 但相对于平均电流模式而言，峰值电流模式存在噪声敏感、控制方法较复杂、需要 谐波补偿和不易于实现等不足之处。因此全桥d c d c 变换器将采用平均电流模式 对d c d c 变换器进行控制 图3 1 0 给出移相全桥d c d c 变换器平均电流模式闭环控制的原理图： 重庆大学硕士学位论文 3 d c d c 变换器设计 图3 1 0 平均电流控制模式原理图 r i g3 1 0t h ed i a g r a mo f t h e 种哪紫c u r r e n t - m o d ec o n t r o l 图3 1 0 中，( ，为输出电压参考给定电压，u ，为输出电压反馈检测值。二者的 误差信号经比例积分调节器，正后，得到的输出信号作为输出滤波电感电流f ，的给 定值，f ，为滤波电感电流检测值的平均值。电流误差信号经比例积分调节器：后 送给移相生成电路，移相生成电路如图3 9 所示，就产生4 路p w m 脉冲信号，经 过驱动电路后驱动i g b t 管进行功率调节。这样输出的电压就可以稳定在给定电压 玑，来满足整个电子负载的系统输出的需要。 输出 电压 输出电 感电流 图3 1 1 平均电流控制的具体实现电路图 f g3 1it h es p e c i f i cc i t v u i to f i m p l e m e n t i l i ga v e r a g ec u r r e n t - m o d ec o n l r o l 图3 1 1 中为平均电流控制的具体仿真实现电路，运算放大器i c 2 、给定电压以 及和运算放大器i c 2 连接的电阻电容构成电压闭环，这里的给定电压可以确定要稳 定输出的电压值，输出做为电流闭环的给定信号，电流闭环由运算放大器i c l 以及 和运算放大器连接的电阻电容构成，他的给定信号为电压闭环的输出。电流闭环输 出的误差信号做为移相控制的输入，这个误差信号的大小决定移相电压的移相相位， 进而来调节输出电压稳定在给定电压。 3 7 小结 本章主要分析的是电子负载中d c d c 升压模块，基于软开关的考虑选择可饱 重庆大学硕士学位论文 3d c d c 变换器设计 和电感辅助谐振实现z v s 的全桥变换器，详细分析电路的工作原理，并给出各个开 关阶段的等效电路结构，同时给出电路实现软开关的条件和电路中主要参数的设计 原则。选择合适的控制方法，实现电路的闭环控制满足电子负载对模块的要求。 重庆大学硕士学位论文4 逆变部分设计 4 逆变部分设计 4 1 引言 整个电子负载模拟单元中，逆变部分为系统的核心部分，要完成将直流电能高 质量的逆变为交流电能并网，满足并网的基本条件，并且能够通过调整交流输出电 流的大小来模拟实际不同负载大小。电子模拟负载就是为节约能源，把本来测试通 信电源所自动释放的能量，回馈到电网实现再利用，为了是系统能够进一步的提高 效率，随着逆变器软开关技术的发展，在逆变部分应用软开关技术，减少开关的损 耗也是必须考虑的。 4 2 控制方案的选择 逆变器分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。直流侧是电压源称为电压型逆 变电路，通常在直流侧并联大电容；直流侧是电流源称为电流型逆变电路，通常串 联大电感，往往电感的串入会影响到系统的动态响应。因此并网逆变器选用电压源 型逆变器。 各个开关管的开通关断采用s p w m 控制，即相同桥臂两个开关管的开通关断互 逆，不同桥臂开关管开通关断相角相差1 8 0 0 ，正弦波脉宽调制方式有两种，单极性 控制方式和双极性控制方式。他们的最大区别就是全桥电路中两个对角的开关管的 开通组合不同和开关频率不同，由于双极性控制方式的输出电流变化率较大，并且 在调制波半个周期里存在极性相反，对外界的干扰较强，开关损耗大，所以系统采 用单极性调制方式【姗。 单极性调制如图4 1 ，他是在正弦调制波和三角载波信号的交点时刻控制开关器 件的通断。系统逆变电压的极性在正弦波的半个周期内保持不变，在开关切换时， 逆变输出电压先降为零，电流通过主电路回路续流，当下一个定时周期到来时，开 关状态发生改变，重新输出电压。单极性调制时，在半个周期内的逆变输出电压脉 冲列是由零和正电压或者零和负电压组成，而不存在极性相反的情况，这也是与双 极性的区别。由于单极性调制时输出逆变电压有零电压的过渡，所以系统输出电流 的变化率较小，功率器件承受的电压应力也相应减小，对外部设备的谐波干扰减小。 由图可以看出调制过后的基波分量的频率是三角载波频率的二倍，产生倍频现象， 使逆变电路输出电压脉冲数加倍，有利于减小系统的谐波f 3 i