基于实现软开关变换的CUK电路设计.doc

精品论文燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：基于实现软开关变换的CUK电路设计 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 08级应电 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义随着电力电子技术的发展，特别是电子信息、网络、通讯的飞速发展，对其重要的配置设备直流电源性能的要求也越来越高，其中最重要的便是小体积和高效率。DCDC变换器的软开关技术正是顺应这股潮流得到了长足的发展。电力电子装置应用范围同益广泛，几乎涉及从发电储电、输电到用电的所有电能应用领域。电力电子装置的高频化是电力电子学一直追求的目标，这样可以减小装置的体积和重量，提高变流器的功率密度。但由于功率器件的非理想特性，功率器件在电压不为零的情况下开通，在电流不为零的情况下关断，工作在硬开关状态(Hard switching)，器件的开关损耗很大，随着开关频率的提高，功率器件的开关损耗问题只益突出。在硬开关条件下，功率器件的开关频率越高，其开关损耗也越大，从而导致变流器的效率下降，发热量增大，温升提高，这反过来又阻碍了开关频率的提高。另外，随着器件开关频率的提高，电路中的电压和电流的变化率也增大，给电路带来了严重的电磁干扰影响周边电子设备的正常工作。为了克服PWM变流器在硬开关状态下工作的诸多问题，软开关技术应运而生，它成为降低器件开关损耗，提高电路效率以及改善EMI(Electro-magnetic Interference)问题的一个重要手段。Cuk 电路是 1977 年由美国加州理工学院 Slobodan Cuk 根据 Boost 电路和Buck 电路组合，进行变换后得到的。它由一个中间电容 C1传输功率，在开关管开通、关断期间，变换器能够持续传输功率。输入、输出端各有一电感 L1、L2，假如能实现输入、输出电感的电流零纹波，便可以大大减小射频干扰(RFI)与电磁干扰(EMI)。但由于开关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗(Turn-on lOSS)。当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗(Turn-offloss)。因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗(Switchingl OSS)。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总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，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提山东大学硕士学位论文高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。开关管工作在硬开关时还会产生高dudt和didt，从而产生大的电磁干扰。图11开关管开关时的电压和电流波为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关(Soft switching)，因此软开关技术应运而生。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 本课题研究的基本内容，在CUK电路的基础上，选用合适的软开关技术，实现功率开关器件的零电压开通或零电流关断，从而解决了硬开关工作方式带来的诸多问题，达到提高系统效率的目的。在单向DCDC变换器的软开关技术发展中，首当其冲的便是谐振类技术。其中谐振技术出现最早，它使变换器中的电压与电流按照谐振规律变化，解决了硬开关变换器中的开关过程中电压电流交叠的问题，减小了开关损耗。谐振技术负载一般都要参加谐振，因此它的一个不足是对负载的变化比较敏感，负载适应性较差。准谐振技术和多谐振技术的出现进一步推进了谐振类技术的发展，它们的特点是谐振元件参与能量变换的一部分阶段，负载适应性也有所改观。大部分谐振类电路的控制为变频控制，这增加了闭环控制的复杂性，特别是使得滤波器的设计非常困难。针对这些不足，一些定频工作的谐振变换器应运而生。然而，谐振变换器还不可避免存在大的谐振电压电流应力，另外器件的寄生参数分散性对谐振工作的影响很大，多数仅适合于小功率场合。无源缓冲器技术是通过加入无源谐振网络，帮助变换器中的开关管实现软开关工作，此类技术的优势在于不用额外增加有源开关的数目，有利于简化控制和降低成本。但往往无源元件较多，另外变换器中容易出现不利的谐振峰值。对应于无源缓冲器技术的便是有源缓冲器技术，虽然增加了辅助有源开关，但简化了无源网络，且能更好地控制谐振过程，使谐振元件只在主开关的开关过程前后短时工作，降低了谐振元件的损耗。零电压转换技术和零电流转换技术的出现是单向DCDC变换器软开关的一次较大的进步。它的特点是变换器基本保持一般的PWM方式工作，只是额外引入辅助开关和辅助谐振网络，在主开关管开通或关断之前工作一小段时间，使得主开关管工作于软开关状态。零电压转换技术主要用于多子器件(例如MOSFET)，重点降低其开通损耗。零电流转换技术则主要用于少子器件(例如IGBT)，重点降低其关断损耗。这两种技术的不足是往往实际上主开关的开关损耗部分转移到了辅助开关上，辅助管为硬开关或开关条件不理想。为此后来出现了一些改进线路，在一定程度上弥补了不足。因而目前本课题的主要问题是确定软开关方法的确定，继而确定控制电路。三、研究步骤、方法及措施 拿到课题后，首先确定了本设计的目的：设计基于软开关技术的CUK电路，在以往的学习中，已经大致了解了CUK电路的工作原理，通过课本的复习，详细地了解CUK电路的工作原理。而关于软开关技术，只在电力电子器件以及电力电子技术书中有过简单的了解。明确了这些，第一周与第二周的工作就确定了，去图书馆查阅论文，以及借阅图书。鉴于本课题的实用性，在网上我找到了很多论文，山东大学的李洪越在2010年的毕业设计中有过很深的研究，同此，南京航空航天大学的蔡鹏在毕业设计中也在这方面做过一定的研究，等等。从他们的论文中我看到了很多全新的资料，这对于我而言都是全新的知识，引起了我很大的学习兴趣。第三周与第四周主要是详细地阅读了所下载的资料与借阅的书籍。重点是掌握软开关技术的主要分类及各种分类的优缺点及工作原理，以便确定在电路中选择更为合适的软开关技术。此外，关于英文翻译部分，我翻译的文献是与本课题息息相关的。四、研究工作进度 第1-2周确定研究方向，查阅相关资料，借阅书籍。第3-4周主电路、软开关技术工作原理的学习与巩固，大致确定控制方案。第5周主电路以及使用的软开关技术的工作原理的分析以及参数的确定。第6-8周对主电路进行开环仿真并对仿真结果进行分析。第9周对主电路的各种资料进行书面整理。第10-12周确定控制电路参数，并对控制电路进行仿真。第13-15周进行闭环仿真及仿真结果分析。第16周进行所有工作的书面整理，准备迎接答辩。五、主要参考文献 1 阮新波，严仰光直流开关电源的软开关技术北京：科学出版社，2000年：87-116.2 陈坚电力电子学一电力电子变换和控制技术M北京：高等教育出版社，20023李洪越.基于DC-DC拓扑的AC-AC软开关变换器研究J.山东大学硕士学位论文.2010.4蔡鹏.基于简单拓扑的单相直接AC/AC变换器研究J.南京航空航天大学硕士学位论文.2006.5 姚刚Boost型功率变流器有源软开关拓扑技术研究J浙江大学博士学位论文，20076 王兆安，黄俊电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20007 张波高频软开关技术及其应用J新技术新工艺，1999，2：688 王星云，王平，陈莲华软开关技术发展现状的研究J装备制造技术，2008，10：1021039 王建明具有功率因数校正和软开关的高频开关电源的设计J人连理工人学硕士学位论文，200710 张卫平开关变换器的建模与控制M北京：中国电力出版社，200511陈刚软开关双向DCDC变换器的研究D，浙江大学博士学位论文，200112 王任辉，陈春根，丁海洋等一种改进的Cuk软开关拓扑结构J微计算机信息，2006，22(10)：868813 杜少武，陈中一种新颖的软开关双向DCDC变换器J电力电子技术，2007，41(7)：212314 弭洪涛，张春香，陈雪梅等基于IGBT软开关的DCDC变换器应用研究J电气传动自动化，2006，2(2)：4-715 ChienLan Huang，Huann-Keng ChiangAnalysisof a soft switching PWM active clamp cuk converterCIEEE Power Elecironics Specialisis Conference，2007，8:l一8716HUA,G.LEU,C.S.,JIANG,Y.,LEE,F.C.,“A Novel Zerovoltage -transition PWM Converters”J,IEEE Trans. On Power Electron, Vol.9, No.2, 1994, pp213-21917 Ching-Jung Tseng, Chern-Lin Chen, “Novel ZVT PWM Cuk Power-Factor Corrector” J, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.46, No.4, August 1999, pp780-78718 treit R，Tolik DHi【gh efficiency telcom rectifier using a novel softswitched boost-based input current shaperCProeoflNTELEC 1991，120-126 指导教师签字： 年 月 日七、系级教学单位审核意见：审查结果： 通过 完善后通过 未通过 负责人签字：年 月 日附录2一、课题国内外现状现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化发展，必然要求开关频率不断提高。在软开关技术出现之前，电力电子装置中通过控制门极来控制开关管的开通和关断，在此过程中，开通电压或关断电流相当大，这种被称之为硬开关的工作方式，当开关频率很高时，会造成很大的开关损耗，而且开关过程中电流和电压的变化率很大,产生严重的电磁干扰，给电路造成严重的噪声污染，严重制约电力电子器件的发展。而软开关技术的出现很好地解决了这一系列问题。二、研究主要成果 自上世纪 70 年代以来，国内外电力电子和电源技术领域不断研制开发高频软开关技术，到目前为止，已提出了多种不同的软开关拓扑结构，实际应用也取得了一系列成功。软开关技术先后经历了串联或并联谐振技术（20世纪70年代）、准谐振或多谐振技术 （20世纪80年代中期）、ZCS-PWM 或ZVS-PWM 技术（20世纪80年代末期）、移相全桥 ZVS-PWM 技术 （20世80年代末期）、ZCT-PWM 或ZVT-PWM 技 术 （20世纪90年代初期）、 全 桥 移 相ZVZCS-PWM 技术（20世纪90年代中期）等发展阶段。目前，软开关技术的进展主要在小功率开关电源领域，对于中大功率电源，特别是焊接电源，由于工作环境恶劣，器件容量及可靠性等方面的原因，软开关技术应用还比较少。但从长远观点来看，软开关技术应用到逆变焊接电源中是焊接电源的发展方向。目前已研制出产品，如双 IGBT 管正激零电压转换 - 脉宽调制（ZVT-PWM）软开关焊接电源，输出 20 kW,500A,开关频率40kHz，效率 92 %。该电源冲击电流小，动态特性好，负载不影响软开关特性。当开关管电流过零时, 使开关管关断；开关管电压过零时, 使开关管导通。从而使开关管关断和导通时损耗为零, 实现了开关电源高频化的设计, 提高了电源效率。软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中, 或是加于其上的电压为零,或是通过开关器件的电流为零。这种开关方式为电源小型化、高效率创造了条件。三、发展趋势随着电力电子技术的发展，目前对电力电子装置的要求愈加趋向于小型化，轻量化，随着频率的提高又带来了电磁干扰、开关应力、开关损耗等问题。目前的研究仍是针对解决上述问题而进行的。到目前为止，软开关变换器基本都应用了谐振原理，在电路中并联或串联谐振网络, 很可能产生谐振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。为此,人们提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收与谐振式零电压、零电流技术的优点,电路中既可以存在零电压开通,也可以存在零电流关断,同时既可以包含零电流开通,也可以包含零压关断,这四种状态可以任意组合。软开技术因其众多优越性, 成为降低开关损耗、提高系统效率、改善电磁干扰、提高系统可靠性的一个重要手段,受到越来越多的关注。四、存在问题目前，世界各国的软开关变换技术，其各种大功率变换方案归纳起来，大体上有如下三种类型。1.谐振链接型变换：将输入直流变为振动的波形，使主电路的开关元件在无电压或无电流的情况下，让其进行开关工作，实现软开关变换。2.电感换流型变换：附加电感器或电容器，在开关断开时，利用电容器对电压低速响应的缓冲作用；在开关闭合时，利用电感器对电流滞后的缓冲作用来进行软开关变换。3.准谐振型变换：仅在开关元件的闭合、断开期间，让其谐振工作，进而达到软开关变换。对于上述三种软开关变换的类型，最合适的控制就是利用PWM控制。以上所述各种形式大容量软开关变换器，各自都有优点和缺点，如并联谐振DC链接型变换器的优点是：原理上主开关元件开关变换损耗为零；没有超过谐振频率的高次谐波成分；不需要缓冲回路。但在另一方面，它还有如下缺点：因为谐振作用，产生了高于电源电压两倍以上的高电压；即使是轻负载，也会产生高频谐振损耗；改变脉冲数量可以调整输出大小，即进行等效的PDM控制，对于要实现宽范围的控制，就要有比输出频率更高的谐振频率；在相同的条件下，输出波形畸变较大。五、主要参考文献 1 阮新波，严仰光直流开关电源的软开关技术北京：科学出版社，2000年：87-116.2 陈坚电力电子学一电力电子变换和控制技术M北京：高等教育出版社，20023李洪越.基于DC-DC拓扑的AC-AC软开关变换器研究J.山东大学硕士学位论文.2010.4蔡鹏.基于简单拓扑的单相直接AC/AC变换器研究J.南京航空航天大学硕士学位论文.2006.5 姚刚Boost型功率变流器有源软开关拓扑技术研究J浙江大学博士学位论文，20076 王兆安，黄俊电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20007 张波高频软开关技术及其应用J新技术新工艺，1999，2：688 王星云，王平，陈莲华软开关技术发展现状的研究J装备制造技术，2008，10：1021039 王建明具有功率因数校正和软开关的高频开关电源的设计J人连理工人学硕士学位论文，200710 张卫平开关变换器的建模与控制M北京：中国电力出版社，200511陈刚软开关双向DCDC变换器的研究D，浙江大学博士学位论文，200112 王任辉，陈春根，丁海洋等一种改进的Cuk软开关拓扑结构J微计算机信息，2006，22(10)：868813 杜少武，陈中一种新颖的软开关双向DCDC变换器J电力电子技术，2007，41(7)：212314 弭洪涛，张春香，陈雪梅等基于IGBT软开关的DCDC变换器应用研究J电气传动自动化，2006，2(2)：4-715 ChienLan Huang，Huann-Keng ChiangAnalysisof a soft switching PWM active clamp cuk converterCIEEE Power Elecironics Specialisis Conference，2007，8:l一8716HUA,G.LEU,C.S.,JIANG,Y.,LEE,F.C.,“A Novel Zerovoltage -transition PWM Converters”J,IEEE Trans. On Power Electron, Vol.9, No.2, 1994, pp213-21917 Ching-Jung Tseng, Chern-Lin Chen, “Novel ZVT PWM Cuk Power-Factor Corrector” J, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.46, No.4, August 1999, pp780-78718 treit R，Tolik DHi【gh efficiency telcom rectifier using a novel softswitched boost-based input current shaperCProeoflNTELEC 1991，120-126 指导教师审阅签字： 年 月 日燕 山 大 学本科毕业设计（论文）中期报告课题名称： 基于实现软开关变换的CUK电路设计 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 08级应电4班 学生姓名： 王 婷 指导教师： 魏艳君 完成日期： 2012年5月1日 一、目前的工作情况说明开题报告中根据本可以国内外研究动态，说明了选题的依据和意义，确定了毕业设计的主要内容，研究的主要问题，研究步骤、方法和措施，并且提出了毕业设计的进度安排。前4周的工作任务是了解Cuk主电路的工作原理以及软开关的基本分类及工作方法，比如谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器等等。这几周的主要工作内容如下：1. 确定所采用的软开关技术为零转换PWM变换器技术；2. 了解整个开环电路的工作原理3. 对引用了软开关技术的Cuk电路进行了参数设计，并进行了初步仿真。二、 主电路的研究图2-1所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。在Cuk变换器中，输出电压Uo可以高于或低于输入电压Ui，开关管S开通与关断期间，输入一直保持功率传输的进行，而且流过输入电感L1、输出电感L2的电流iL1、iL2均连续。2.1 Cuk 电路工作原理当S处于通态时，Ui-L1-S 回路和C1-S-R-L2回路分别流过电流。当S处于断态时，U1-L1-C1-D回路和L2-D-R回路分别流过电流。输出电压极性与电源电压极性相反。在该电路的等效电路中，相当于开关S在A、B之间交替切换。Cuk电路中，稳态电容C1的电流在一周期内的平均值为零，它对时间的积分为零，即： （2-1）在等效电路中，开关S合向B点的时间即S处于通态的时间ton，电容电流和时间的乘积为I2ton；开关S合向B点的时间即S处于断态的时间toff，电容电流与时间的乘积为I1toff。所以有如下等式:I2=I1 （2-2)从而可得：= （2-3)当电容 C1很大时，电容电压脉动足够小，输出电压 Uo和输入电压 Ui的关系可用以下方法求出。当开关 S 合在 B 点时，电压 UB等于零，A 点电压 UA=-UC1，当开关 S 合在 A 点时，UB=UC1，UA等于零。因此，UB平均值为UB=Uc1,UA的平均值UA=-Uc1。电感L2的电压平均值为零，有Uo=UC1，可得到输出电压和输入电压的关系为UO= （2-4） 上式中，为开关管S1的导通占空比。当=0.5时，Uo=Ui；当0.5时，Uo0.5时，UoUi。Cuk电路与其他斩波电路相比，它有一个明显的优点，即输入电流、输出电流都是连续的，而且脉动分量小，大大简化了输入、输出滤波装置的设计。三、 软开关技术本章将讲述软开关这种技术，并把这种技术融入到Cuk变换电路中去，得到具有更为优良性能的变换电路。3.1 零电压转换Cuk变换器拓扑Cuk 变换器的输入、输出电流连续，输出电压范围宽，输出滤波器简单，所以近年来受到越来越多的关注。软开关在 Cuk 电路中尤其重要，因为它对半导体器件的功率变换要求更加严格。新型零电压转换(ZVT)应用于 Cuk 变换器实现软开关，这些新型变换器可以拥有 PWM 变换器和谐振变换器的双重优点。ZVT 拓扑中的功率开关在短暂的 ZVT 时间内，由谐振变换单元的帮助，实现零电压开关。本节讨论近年来较多使用的应用电力MOSFET的ZVT Cuk变换器。图3-1 ZVT Cuk 变换器在ZVT cuk变换器中，辅助二极管的阳极接到输出端，而不是接在主二极管的阳极。该ZVT Cuk拓扑的特点总结如下：优点：1) 谐振电感 的放电回路不经过主开关 ，所以在 完全放电之前，可以关断，从而最小占空比降低了。B 类拓扑适用于宽占空比情形，如功率因数校正装置场合等。在线性场合，主开关 占空比范围决定输出电压范围，所以 B 类拓扑的输出电压范围也增大了，也不需要抗饱和装置。2) 最小的 ZVT 时间，与其他 ZVT 拓扑不一样的是，的放电时间不包含在 ZVT 时间中，主开关 在极短的时间里传递 、的电流，除了 ZVT 时间外，都是方波，减少了开通损耗和辅开关的电流应力。缺点：1) A 类和 B 类拓扑中，辅开关 和辅二极管 均为硬开关工作；2) 与A类拓扑相比较，辅开关和辅二极管的电压应力从增加到。3.2 ZVT Cuk变换器工作分析在上一节的四种 ZVT 方式中，本文选择 B 类 ZVT Cuk 拓扑(图 3-5 所示)进行深入研究，谐振单元由辅开关 、谐振电感 、谐振电容、续流二极管组成。本节详述一下图 3-3 所示 ZVT Cuk 电路的工作原理，为了便于分析，假设变换器处于稳定运行状态，电容 的电压 恒定，电感、上的电流 、恒定，二极管为理想器件，新型电路的一个开关周期可以分成 7 个模态，各个模态的等效电路如图 3-4 所示。模态 1(图 3-4a)，t，之前，主开关、辅开关 均为断态，二极管为通态，流过电流=(+)，时，开通 ，给 充电，上流过的电流从零开始线性上升，以相同速率线性下降，时，上升到+，下降为零，变为截止状态，电路进入模态 2。 (t)=(t-) (3-1)模态 2(图 3-4b)，t，之前，的电压 =()，时，经过与开始谐振，1/4 谐振周期后，即时，电压放电至零，谐振电流达到峰值，进入模态 3。 (t)=+ (3-2) (t)= (3-3) 其中Z=, 。模态 3(图 3-4c)，t，时，放电至零，主开关的体二极管导通，漏源极间电压被钳位为零，保持其谐振峰值不变，时，打开，实现零电压开通，同时关断，进入模态 4。 + (3-4)模态 4(图 3-4d)，t，时，打开，关断，辅二极管为提供续流通道，给输出端放电，线性下降，由于不在的放电回路图3-2 一个开关周期各个模态的等效电路上，迅速上升为(+)，并持续导通，时，关断，进入模态 5。 =-(t-) (3-5)模态 5(图 3-4e)，t，时，关断，、开始给充电，两端电压线性上升，时，上升至，开始导通，进入模态 6。 =(t-) (3-6)模态 6(图 3-4f)，t，时，上升至，零电压开通，电流迅速上升为()，继续线性下降，时，下降至零，截止，实现谐振电感能量复位，进入模态 7。模态 7(图 3-4g)，t，时，进入截止状态，流过电流()，时，开通，再次进入模态 1，开始下一个工作周期。四、 仿真波形图4-1 基于软开关技术Cuk电路仿真原理图图4-2 开关S1电压电流波形图4-3 开关S2 电压电流波形图4-3 输出电压电流波形图4-4 、波形五、 工作进度安排1. 第11-12周确定控制电路的具体组成部分，进行参数设计，建立整个电路的仿真原理图，得到符合实际的仿真结果图。 2. 第13-15周，绘制整个电路的原理图，完善所有参数的设计，以及进行元器件的选择。3. 第16-17,周，撰写论文，提交导师检查，并进行最后的修改与完善。4. 第18周，准备答辩。六、 参考文献1 杜少武, 陈中. 一种新颖的ZVT BOOST变换器J. 电力电子技术, 已录用.2 郑颖楠.电源技术3 陈坚电力电子学一电力电子变换和控制技术M北京：高等教育出版社，20024 姚刚Boost型功率变流器有源软开关拓扑技术研究J浙江大学博士学位论文，20075 王增福，李昶，魏永明软开关电源原理与应用M北京：电子工业出版社，20066 王兆安，黄俊电力电子技术M北京：机械工业出版社，20007 张波高频软开关技术及其应用J新技术新工艺，1999，2：688娄洪立改进型全桥软开关变换器研究J重庆大学硕士学位论文，20079 李洪越.给予DC-DC拓扑的AC-AC软开关变换器研究J.山东大学硕士学位论文，2010.10 王星云，王平，陈莲华软开关技术发展现状的研究J装备制造技术，2008，10：102-10311 陈溪，刘韬，谭光慧，纪延超一种简单新型拓扑CukACAC变换器及其仿真研究J电气应用，2006，25(9)：111-11412 陈刚软开关双向DCDC变换器的研究D，浙江大学博士学位论文，200113 Streit R，Tolik DHi【gh efficiency telcom rectifier using a novel softswitched boost-based input current shaperCProeoflNTELEC 1991，120-12614 Hua G，Leu C S，Lee F CNovel zero-voltage-transition PWM convertersCProcofPESC 1992，55-6115 ChienLan Huang，Huann-Keng ChiangAnalysis of a soft switching PWM active clamp cuk converterCIEEE Power Elecironics Specialisis Conference，2007，8：l一8716JGCho，JWBack，WYoo，CYW，GHRimZerovoltageswitchingthree-levela uxiliiary resonant commutated pole inverter for high-power applicationsC，lEE Proe-ElectrPower Appl，1998，145(1)：25-32七、 指导教师意见在做毕业设计的这10周时间里，魏老师针对我毕设的问题给予了很多的耐心详细的指导，对我提出的 问题都做了很深刻的讲解，帮助我对软开关技术及Matlab仿真模型的建立增加了更多的认识，这就让我把平时所学应用到了具体的实践之中。在此，我很感激所有老师们的辛苦付出和学院的尽心安排。在做毕业设计的过程中，学院给了我们很大支持，让我们有实践、有空间去完善自己的设计，在综合实践中得到锻炼。八、指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日九、系级教学单位审核意见：审查结果： 通过 完善后通过 未通过 负责人签字：年 月 日摘要一种新型的应用于DC-DC转换器的软开关拓扑被提出。它在几百瓦到几千瓦的范围里得到了很好的应用。它本质上是仅实现于4个开关电路中的一个半桥不可控部分与一个全桥位移可控的部分的组合。该拓扑结构的主要特点是零电压开关在无负载中没有严重的传导损耗，恒定的频率以及近乎理想的滤波波形。改进后的滤波波形对输入输出滤波器有了更高的要求，导致了较高的功率密度。新的拓扑需要两个变压器和两个直流旁路的电容器。在输入量可变的应用中，组合的两个变压器的伏安等级比传统的全桥变换器中的单变压器的伏安等级明显要高。第一部分研究分析了变换器作为典型的大多数的开关电源，即使输入电压变化很大但输出电压是稳定的，这一点做得很好。关键词：DCDC变换器 复合变换器 全桥位移 零电压转换 全桥相位换算变换器是一对DCDC功率变流的拓扑，特别是在像几百瓦的功率等级。它的主要吸引力的特征是刺激零电压转换，他的恒定转换频率和简单的控制和全桥硬开关变换器相似。复合变换器主要的缺点是获得较低零电压开关，举例来说，一般负载的代价是传导损耗的很大程度的增加。常见的PMC原理图如图1（a）所示，理想的转换电压和主要的电流波形如图1图1 PMC 原理图及电压电流波形（b）所示。零电压开关之所以能实现主要依赖于在开通之前将合适的开关电容充放电。从零电压的观点来看，左臂的两个开关和右臂的两个开关明显是在不同的条件下运行的。右臂的开关在能量转换时开通，在自由区间时关断；而左臂的开关在自由区间内开通，在能量转换时关断。如图1-b所示，在右边从开通到关断的过程中，变压器原边电流不改变方向并仍然在正的方向通过将开关电容放电来实现零电压转换。然后在左臂转换工作状态时变压器原边电流减小并最终改变极性。因此可用于对开关电容充放电的能量变少，导致左臂的零电压转换变得更加困难。可用的能量是一个关于负载电流的函数，在轻负载情况下，零电压转换不能够成功。在常见的相位调制转换器中有两种方式能将零电压转换的负载范围增加。第一种方法是使变压器的漏电感很大或者变压器的原边串联一个额外的电感。这种方法在增加负载范围的同时也导致了很高的伏特损耗，要求变压器的匝数比做出让步。最终的结果是增加开关电流与传导损耗。利用饱和电感器，而非线性电感在一定程度上能够减少伏特损耗，但是仍然不能实现在负载很小的情况下达到零电压转换。第二种提高负载范围的方法是增加变压图2 配置方案的原理图器的磁化电流。在传统的相位调制转换器中，将会显著增加开关电流有效值，因为在整个转换间歇期间磁化电流都以其峰值在变换器中流动。因此在传统的相位调制转换器中，轻载时零电压转换能够实现是以增加传导损耗为代价的。许多在相位调制转换器的基础上进行修改，以达到使零电压转换器负载范围下限下降至很轻的负载的目的，都会在传导损耗上有了一定的增加。在参考文献中提出了一种整流网络，它由一个额外的电感与变压器原边和两个嵌位二极管串联。在参考文献5中讨论到了随着磁化电流的增加，饱和电感的引用，并且参考文献9中建议在变压器副边的控制中采用磁性放大器。在参考文献10中提出了一种新型的混合桥式变换器，它在负载下降至空载的情况下，实现了零电压转换并且没有增加传导损耗。除了提高软开关特性，这种新型的混合变换器的输入、输出滤波波形都是接近理想波形的。因此滤波要求明显降低。本论文是参考文献10中提到的混合变换器的更为完善的陈述。二 提出配置方案 配置方案的原理图如图2所示。如图所见，它是一个由开关、和变压器组成混合相结合的半桥部分；以及一个由开关、以及变压器组成的全桥。由于开关和是半桥常见的两部分，相对于普通的具有相同的总开关等级的全桥变换器仅用了4个开关就实现了混合组合。每一部分的输出都增加到副边，经过整流、滤波获得稳压直流输出。在以后的章节将详细的解释通过控制两个桥臂A和B之间的相位差实现当全桥部分的脉宽是可控的同时，实现板桥部分的脉宽不可控。四个开关都是在50%的占空比以及恒定的开关频率下工作的。Abstract A novel soft-switching topology for dcdc converters is proposed. It is well suited for applications in the range of a few hundred watts to a few kilowatts. It is essentially a hybrid combination of an uncontrolled half-bridge section and a phase-shift controlled full-bridge section, realized with just four switches. The main features of the proposed topology are zero-voltage-switching down to no-load without serious conduction loss penalty, constant frequency operation and near-ideal filter waveforms. The improved filter waveforms result in significant savings in the input and output filter requirement, resulting in high power-density. The new topology requires two transformers and two dc-bypass capacitors. The combined VA rating of the two transformers is more than that of the single transformer of conventional full-bridge converters,for variable-input applications. In Part I of the paper,the converter operation is analyzed for typical switch-mode power supply applications, where the input voltage varies widely but the output voltage is fixed and is well regulated. Experimental results obtained from a 100-W/200-kHz proof-of-concept prototype confirm the superior features of the proposed hybrid configuration.Index TermsDCDC converters, hybrid converters,phase-shifted full-bridge, zero-voltage-switching.I. INTRODUCTION The phase-modulated full-bridge converter (PMC) 13is a preferred topology for dcdc power-conversion, especially at power levels above a few hundred watts. Its main attractive features are zero-voltage turn-on switching (ZVS), constant switching frequency and simple control similar to that of the hard-switched full-bridge PWM converter. The main disadvantage of the phase-modulated converter is that achieving ZVS below, for example, one-half load is at the expense of significant increase in the conduction losses 4.The schematic diagram of the conventional PMC is shown in Fig. 1(a), and the idealized waveforms of the transformer voltage and primary current are shown in Fig. 1(b).Zero-voltage-switching is achieved relying mainly on the transformer primary current to charge/discharge the appropriate switch capacitances just prior to turn-on. From ZVS point of view, the left-leg switches ( and ) and the right-leg switches ( and ) operate under significantly differentconditions. The right-leg switches undergo turn-on/turn-off during the transition from the power-transfer interval to the freewheeling interval, while the left-leg switches turn on/off during the transition from the freewheeling interval to the power-transfer interval. As shown in Fig. 1(b), during the right-leg transition, the transformer primary current does not change direction and remains in the proper direction to achieve discharging of the appropriate switch capacitance to achieve ZVS. However, during the left-leg transition the current reduces and eventually changes polarity. Therefore, the energy available for charging/discharging the switch capacitance is less, and hence, achieving ZVS for the left-leg switches is more difficult.The energy available is a function of the load current, and atlight-loads ZVS is lost 14.There are two main ways by which the ZVS load range can be increased in the conventional PMC. The first approach is to make the leakage inductance of the transformer very large or to add an external inductor in series with the transformer primary.This approach, while extending the ZVS load-range, results in high loss of volt-seconds, requiring the transformer turns-ratioto be compromised. The net result is increased s