（电力电子与电力传动专业论文）全桥零电压、零电流高频功率变换器的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t p w mh a r d s w i t c h i n gm a d es w i t c h i n gl o s s e st ob eo b v i o u so b s t a c l el i m i t i n g u t i l i z a t i o no fm u c hh i g h e rs w i t c h i n gf r e q u e n c yi nd c d cp w m c o n v e r t e r o n l yb y r e d u c i n gt h es w i t c h i n gl o s s e sc a l lw eg e td c d c c o n v e r t e rt h a th a ss m a l l e rv o l u m ea n d h i g h e re f f i c i e n c y s o t e c h n o l o g yo fs o f l s w i t c h i n gh a se m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo b v i o u sd 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 e z 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 l l e r r e a l i z a t i o ns t r a t e g i e s f o rp 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 e a 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 mc o n v e r t e ri s a n a l y z e ds t r e s s t h ec o n v e r t e rr e s e t st h ep r i m a r yc u r r e n td u r i n gt h ef r e e w h e e l i n gp e r i o d t or e a l i z et h ez v 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 s a n dc o m p a r e d 诵mt h e p 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 i th a ss h o w e dt h a tt h ez v z c sp w m c o n v e r t e rb e p r o p o s e di nt h i st h e s i sh a sa d v a n t a g e s i te l i m i n a t e dt h ei d l ec u r r e n ta n dt h i sh e l p s i n c r e a s et h ee f f i c i e n c y t h ec o n v e r t e rc a na c h i e v ez e r o c u r r e n t s w i t c h i n gf o rt h el a g g i n g l e go v e rt h ee n t i r el i n ea n dt h el o a dr a n g e a n dh a so p e n e du pt h es c o p eo fs o f t s w i t c h i n g t h et h e s i sf i r s t l ya n a l y z e st h ec o n v e r t e rp r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n dt h ec i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c u s e dt h ep s p i c es o f t w a r et oc a r r yo nt h es i m u l a t i o na n a l y s i st ot h em a i n c i r c u i to ft h i sz v z c sc o n v e r t e r a n dt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sh a v e b e e no b t a i n e d o n e 5 0 v 15 az v z g 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 t h e d e s i g no fp o w e rs u p p l yi n c l u d e st w op a r t so ft h ed e s i g np r o c e s so fm a i nc i r c u i ta n d c o n t r o lc i r c u i t a n dt h ec h i po fu c 38 7 5i st h ec o r eo ft h ec o n t r o lc i r c u i t f l l r t h e r m o r e d r i v e 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 h 一丘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 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 ft h ec o n v e r t e ra r em e a s u r e do np r o t o t y p e t h e o r y a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t s h a v es h o w e dt h a tt h i sc o n v e r t e r c a l la c h i e v e z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g f o rt h e l e a d i n gl e g u n d e ra 析d el o a d r a n g e a n d z g l d c u r r e n t s w i t c h i n gf o rt h el a g g i n gl e go v e rt h ee n t i r el i n ea n dt h el o a dr a n g e h i g h e f f i c i e n c yh a sb e e nr e a c h e do v e r 玑d er a n g eo fl o a d s ot h i sc o n v e r t e rh a saw i d e a p p l i c a t i o na n dh u g ee c o n o m ye f f e c ti np o w e rc o n v e n i n gf i e l d k e y w o r d s s w i t c h i n gl o s s s o f t s w i t c h i n g f u l l b r i d g ec o n v e r t e r z v z c s p s p i c e s i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 符号注释表 k 一变压器原边串联电感电感量 输出滤波电感电感量 一变压器原边电流 d 一占空比 正一开关周期 乙一导通时间 g 一阻断电容的电容量 吃一阻断电容电压 一阻断电容电压最大值 圪一全桥变换器的直流输入电压 厶 输出负载电流 k 一变压器变比 a b 两点电压 u 一交流电源相电压的峰值电压 c 肼 输入滤波电容 v i t a e 一输入交流电压的有效值 如一磁芯窗口面积 4 嵫芯有效截面积 z 一高频变压器的工作频率 瓯一磁芯材料的最大工作磁密 一变压器绕组导线的电流密度 r 一变压器的输出功率 可一变压器的变换效率 眦 一变压器副边电压的幅值 觚 一最大输出电压 瀚出整流二极管的通态压降 一输出滤波电感上的直流压降 d s c c 咄 一副边最大占空比 l 一变压器原边的匝数 一变压器副边的匝数 s 变压器原边导线的截面积 s 一变压器副边导线的截面积为 一整流二极管所承受的最大反向电 压 一超前臂驱动信号之间的延时时 间 l 一整流二极管流过电流有效值为 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 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用本授权书 不保密 学位论文作者签名 羔 2 0 0 7 年5 月2 7 日 奉童 指导教师签名 云 1 毒可 2 0 0 7 年5 月2 7 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己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 日期 2 0 0 7 年5 月2 7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 2 i p l 第一章概述 近几年随着电力电子技术的迅猛发展 功率变换器在通讯用开关电源和电力操 作电源中得到日益广泛的应用 高频电力电子技术的发展趋势使功率变换器更好地 实现了其基本要求 重量轻 体积小 可靠性高 价格便宜和性能好等 自2 0 世纪6 0 年代开始得到发展和应用的d c d c 功率变换技术实际是一种硬开 关技术 6 0 年代中期 美国已研制成2 0 k h zd c d c 变换器及电力电子开关器件 并 应用于通信设备供电 由于这种技术抛弃了5 0 h z 工频变压器 使直流电源的重量 体积大幅度减小 提高了效率 输出高质量的直流电 n t o 年代初期己被先进国家 普遍采用 由于采用传统的硬开关技术 开关损耗将随着开关频率的提高而成正比 地增加 限制了开关的高频化 提高功率开关器件本身的开关性能 可以减少开关 损耗 另一方面 从变换器结构和控制上改善功率开关器件的开关性能 可以减少 开关损耗 如缓冲技术 无损缓冲技术 软开关技术等在减少功率开关器件的开关 损耗方面效果比较好 理论上可使开关损耗减少为零 因此7 0 年代以来 在硬开关 技术发展和应用的同时 国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软开关 技术 1 2 软开关功率变换器的提出和应用 b 1 川刀 1 2 1 硬开关功率变换电路的局限性 在电力电子变换器的发展过程中 6 0 年代 脉宽调制 d c d cp w m 功率变换 技术开始得到发展并应用 它去掉了庞大笨重的工频变压器 提高了电源的功率密 度 单位体积所能得到的最大功率 减小了装置的体积和重量 提高了变换器的整体 效率 随着功率半导体元器件的发展 它可以工作于越来越高的开关频率 因而具 有越来越小的体积 重量和越来越高的功率密度 在7 0 年代 其工作频率己从最初 6 0 年代的几k h z 上升到2 0 k h z 并在当时被称作2 0 k h z 革命 近些年来 随着笔记本 电脑 通讯设备和微小型电器设备的发展 要求d c d cp w m 变换器具有更小的体 江苏大擘硕士学位论文 积 重量和更高的功率密度 这就要求d c d cp w m 变换器具有更高的开关频率 然而 对于常规的d c d cp w m 变换器 功率开关管的开通和关断是在器件上的电 压或电流不等于零的状态下强迫进行的 器件承受的开关应力大 开关损耗也很大 这种开关技术是一种 硬开关 在硬开关下工作的d c d cp w m 变换器 随着开 关频率的上升 会带来诸多的危害 l 开关损耗会成正比地上升 使电路的效率 大大降低 2 会产生严重的电磁干扰 e m i 噪声 因此随着现代电力电子技术向更高频的方向发展 p 删硬开关技术使得开关损 耗已经成为d c d ep w m 变换器高频化发展的一个显著障碍 1 2 2 软开关技术及其发展 为了克服前述i c d cp w m 变换器在硬开 关状态下工作的诸多问题 同时为了 使对通讯用开关电源和电力操作电源的重量 体积 性能 效率和可靠性提出的更 高要求得以满足 软开关技术应运而生 8 0 年代得到了深入广泛的研究 并在近些 年得到了迅速发展 软开关技术是利用感性和容性元件的谐振原理 在导通前使功 率开关器件两端的电压降为零 而关断时先使功率开关器件中的电流下降到零 实 现功率开关器件的零损耗开通和关断 并且减少开关应力 使开关频率可以大幅度 提高 图1 1 给出了软开关的理想波形和硬开关波形的对比 图1 1 软开关的理想波形和硬开关的波形 软开关包括软开通和软关断 软开通有零电流开通和零电压开通两种 软关断 有零电流关断和零电压关断两种 可按照驱动信号的时序来判断 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 按照软开关的 发展过程可以分为 谐振变换器 准谐振和多谐振变换器 零电压和零电流开关p w m 变换器 零转换p w m 变换器等 2 江苏大学硕士学位论文 1 谐振变换器 r e s o n a n tc o n v e r t e r s 1 9 8 4 年 美国v p e c 的f c l e e 等人第一次提出了谐振开关的概念 用它来代替 p w m 开关电路 形成了谐振开关变换器 这种谐振开关主要由开关管 谐振电感 谐振电容组成 按照谐振的方式可以分为电流型谐振开关和电压型谐振开关两种 电流型谐振开关为零电流开关 电感与开关串联 电压型谐振开关为零电压开关 电容与开关并联 与一般的硬开关p w m 电路相比 谐振开关实现了开关管的软开通 或软关断 改善了开关管的工作条件 但是同样存在很多缺点 1 开关器件的通态电流或断态电压应力大 对于电压模式的谐振开关 开关 在零电压开通和关断时 其承受的断态峰值电压是输出电压的两倍以上 而对于电 流模式 则通态电流峰值是输出电流的两倍以上 通态损耗大 2 开关器件的工作频率不恒定 因为是调频方式控制 在电源或负载变化时 只能靠改变开关器件的工作频率厂来调节输出电压 这使得厂的变化范围很大 以致于功率变压器 输入和输出滤波器的设计和优化都难以进行 3 频率的大范围变化不利于与下级变换器同步 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 t c o n v e r t e r s m r c 出现在8 0 年代中期 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 w m 变换器 z e r o s w i t c h i n gp w m c o n v e r t e r s 8 0 年代末出现的 它分为零电压开关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 g 和零电流开关p w m 变换器 z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g 是p w m 技术与z c s 或 z v s q r c 技术的综合 是在准谐振变换器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 w m 两种变换器模式 实现了恒频控制 有 利于滤波器的优化设计 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 负载电流的变化范围有关 在轻载的条件下可能失去零开关条件 从而限制了软开关的输出范围 江苏大学项士学位论文 4 零转换p w m 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 9 0 年代初出现的 它是软开关技术的又一次飞跃 分为零电压转换p w m 变换 器 z v t 和零电流转换p w m 变换器 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的 与z v s p w m 和z c s p w m 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关条件 但是这种变 换器需要的元器件数成倍增加 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 1 3 软开关技术的应用和存在的问题 应用各种软开关技术可以减少开关损耗 提高效率 能有效地解决容性开通 感性关断以及二极管的反向恢复等问题 同时也能解决由硬开关引起的电磁污染 e m i 问题 为电力电子设备的高频化 小型化发展拓宽道路 到目前为止 软开 关技术在d c d c 变换器中己得到广泛的应用 比较典型的应用有 1 零电压开关或零电流开关的正激 反激或正反激组合式变换电路 2 采用全桥移相式z v z c s 交换电路的开关电源 3 采用z v t z c t 技术的有源功率因数校正电路 软开关技术由于它所具有的优越性能而成为电力电子技术领域最活跃的研究 方向之一 事物的两面性决定了它也有一些不足 随着研究的深入 逐渐显现出的 不足之处在于 1 辅助换相电路 辅助谐振环节的引入增加了设备的成本和控制难度 2 由于软开关的转换过程一般是利用分布电感及电容产生谐振进行的 而分布 参数随着工艺的不一致而变化很大 这必然导致工作的稳定性受到影响 因此 目 前软开关还主要集中应用在中小功率场合 3 用模拟方法控制高频率下实时检测负载变化 瞬间调整开关器件的工作时序 及其他控制策略的计算相对用数字方法控制要困难一些 因此应结合具体情况变模 拟控制为数字控制 1 3 本课题所研究的主要内容 随着现代电力电子技术向更高频的方向发展 p w m 硬开关技术的开关损耗已 4 江苏大学硕士学位论文 经成为高频化发展的显著障碍 采用全桥零电压 零电流软开关技术 在很大程度 上降低了全桥功率变换器开关损耗 大大提高了开关频率及功率变换器的变换效 率 对节省电能具有重要的应用价值 同时也能解决由硬开关引起的电磁污染 e m i 问题 为电力电子设备的高频化 小型化和模块化发展拓宽了道路 因而研制新型 的开关电源和对电源进行仿真研究将具有十分重要的意义 本文主要对全桥零电压 零电流高频功率变换器进行了理论上的分析和仿真研 究 其中包括分析硬开关的局限性 从而提出软开关的概念 全桥变换电路控制方 式的研究和分析 z v z c s 软开关功率变换器主电路的分析与设计 控制 保护和驱 动电路的设计 p s p i c e 仿真分析 根据上面所述 本文的大体结构如下 第一章绪论介绍了硬开关下工作的d c d cp w m 变换器的不足 从而引出软开 关功率变换器的概念 并分析了其目前的发展及应用 介绍本课题的研究价值 第二章介绍了软开关p w md c d c 全桥功率变换器 全桥功率变换器的三种 控制方式 零电压开关p w m 变换器的局限性及各种移相控制z v z c s 全桥变换器 电路拓扑比较 第三章确定本系统所采用的拓扑结构 并详细介绍了该z v z c s 变换器拓扑的 基本原理 工作模态和设计考虑 第四章研制出5 0 w 1 5 a 移相控制零电压 零电流软开关电源模块 给出了该开 关电源模块主电路各部分的设计及各参数的计算 其中包括输入和输出整流滤波电 路 i g b t 全桥变换器 高频变压器等主要部分的器件选择和参数计算 第五章给出了该开关电源模块的控制电路 保护电路和驱动电路的详细设计方 案 第六章运用p s p i c e 9 2 仿真软件对该移相控制的z v z c s 软开关电源的主电路 拓扑进行了仿真 并且在仿真波形中能清楚的看到超前桥臂的z v s 工作方式以及滞 后桥臂的z c s 工作方式 验证了本文对于软开关技术的理论分析和软开关工作方式 分析的正确性 并将样机的实验结果与仿真波形进行了对比分析 从而验证了参数 设计的正确性 第七章结论 对系统的整体性能做出评价 并指出需要进一步做的工作 5 江苏大学硕士学位论文 第二章p w md c d c 全桥软开关功率变换器 由于b u c k b o o s t c u k 等单管构成的变换器一般适用于中小功率的应用场合 而全桥变换器则适用于中大功率的应用场合 因此研究其软开关技术具有非常重要 的意义 2 1 全桥功率变换器的构成及原理 全桥功率变换器又称为四管直流变换器 当功率开关管的电压和电流额定相同 时 变换器的输出功率通常与所用开关管的数目成正比 即双管直流变换器的输出 功率是单管的2 倍 而全桥变换器的输出功率是单管的4 倍 因此全桥变换器是直流 变换器中输出功率最大的 全桥变换器的基本电路结构及主要波形如图2 1 所示 它由四个功率开关管构成 主变压器只需要一个原边绕组 通过正 反向的电压得 到正 反向磁通 变压器铁芯和绕组得到了最佳利用 使效率和功率密度得到了明 显的提高 全桥变换器具有功率开关器件电压 电流额定值较小 功率变压器效率 高等优点 所以在实际中获得了广泛的应用 下面对全桥变换电路在p w m 方式下的 工作原理做简要叙述 堪 斗 弋薅叫 止l tk 釉 y 吨 n 剐 l 一 五 2 图2 1 基本全桥电路拓扑及主要波形 输入直流电压圪施加在s 1 s 2 s 3 s 4 四只开关管组成的两个桥臂上 通过 控制开关管的通断顺序以及通断的时间 在变压器t x l 的原边得到按某一占空比d 变化的正负半周对称的交流方波电压 如果变压器的变比为k 变压器原边绕组匝 数为 i 副边绕组匝数为 z 则变比k 瓮 则交流方波电压经过高频变压 6 江苏大学硕士学位论文 器的隔离和电雎焚换 升j 盘或1 5 筚雎 庙 征焚毖器阴剐边对应得到一个倔值为吃 k 的交流方波电压 交流方波电压圪 k 再经过输出整流管将其整流成直流方波电压 吆 k 最后通过 和q 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 在输出端得到一平滑的直流电压 其电压值为匕 d 等 其中d 是占空比 a 考丢 l 是导通时间 z 是开关周期 通过调节占空比可以调节输出电压圪 的女小 2 2 全桥功率变换器的控制方式 1 全桥功率变换器的控制方式和电路拓扑一样 也是不断发展的 其控制方式最 早为双极性控制方式 工作波形如图2 2 所示 斜对角的两只开关管s 1 和s 4 s 2 和 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 当s l 和s 4 导通时 s 2 和s 3 上的电压为圪 反之亦然 龟瓯 当四个开关管都处于截止状态时 每个开关 矿 管承受的电压为导 由高频变压器的漏感与 二 z j 开关结电容在开关过程中产生的高频振荡所 引起的电压尖峰 当其值超过输入电压时 图2 2 双橱 生控制方式 钳位二极管d i d 4 将导通 使开关管两端的电压波形被钳制在输入电压上 这种控 制方式中 功率变换是通过中断功率流和控制占空比的方式来实现的 其工作频率 是恒定的 但该控制方式对于带感性负载的全桥功率变换器不适用 图2 3 有限双极性控制方式图2 4 移相控制方式 随着开关管控制方式的改进 又出现了有限双极性控制方式和移相控制控制方 式 其工作波形如图2 3 图2 4 所示 7 江苏大学硕士学位论文 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 l s 3 之前 关断 s 2 s 4 为超前桥臂 s 1 s 3 为滞后桥臂 移相控制方式 同一桥臂的两个开关管1 8 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 s 1 和s 3 为超前桥臂 s 2 和s 4 为滞后桥臂 由此可见 全桥功率变换器有三种控制方式 其中以有限双极性和移相控制方 式为好 负载的性质不会导致输出电压波形畸变 然而 无论是有限双极性控制还是移相控制 都是基于满足以下两点的基础上 进行的 1 保证得到的高频变压器原边的交流电压波形不变 2 相同桥臂的开关管 s l 和s 3 s 2 和s 4 不发生直通现象 因此可以考虑把其中一只开关管的开通时刻提前 或将其关断时刻延后 只要开通的重叠时间不变 就能得到相同的电压方波 这样 根据开关管导通时间增加情况的不同 将全桥式变换器的控制策略总结划分为以下 九种方式 方式一 s l 和s 3 的导通时间不变 s 2 和s 4 的导通时间也不变 这就是传统的双极 性控制方式 方式二 s 2 和s 4 的导通时间不变 将s l 和s 3 提前开通 使导通时间向前增加一段 时间 增加以后的导通时间小于t 2 方式三 s 2 和s 4 的导通时间不变 将s 1 和s 3 提前开通 使导通时间向前增加到正 2 方式四 s 1 和s 3 的导通时间不变 将s 2 和s 4 延时关断 使导通时间向后增加一段 时间 增加以后的导通时间小于z 2 方式五 s l 和s 3 的导通时间不变 将s 2 和s 4 延时关断 使导通时间向后增加到t 2 称为有限双极性控制 方式六 将s l 和s 3 提前开通 使导通时间向前增加到 2 同时 将s 2 和s 4 延时 关断 使导通时间向后增加一段时间 增加以后的导通时间小于t 2 方式七 将s l 和s 3 提前开通 使导通时间向前增加一段时间 增加以后的导通时 间小于0 5 t 同时 将s 2 和s 4 延时关断 使导通时间向后增加一段时间 增加以 后的导通时间小于正 2 8 江苏大学硕士学位论文 方式八 将s l 和s 3 提前开通 使导通时间向前增加一段时间 增加以后的导通时 间小于正 2 同时 将s 2 和s 4 延时关断 使导通时间向后增加到t 2 方式九 将s 1 和s 3 提前开通 使导通时间向前增加到f 2 同时 将s 2 和s 4 延时 关断 使导通时间向后增加到一 2 这就是目前使用较多的移相控制方式 以上九种控制策略包括了p w md c d c 全桥变换器的所有控制方式 根据斜对 角的两只开关管的关断情况来看 这九种控制方式又可以分为两类 1 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 一般 不能实现软开关 只能采用r c 或r c d 等有损缓冲电路来改善开关管的工作状态 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 四 控制方式九属于此类 适宜实现软开关 又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2 1 定义如下 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 2 0 状态 s 1 d 1 和s 2 d 2 或者s 3 d 3 和s 4 d 4 同时导通 o 圪 3 一l 状态 s 2 和s 3 同时导通 d r 从上述分析可知 当斜对角的两只开关管关断时间错开 一只先关断 一只后 式断时 就可实现软开关 在图2 1 中 若s 1 和s 3 分别先于s 2 和s 4 关断 则定 义s 1 和s 3 组成了超前桥臂 s 2 和s 4 组成了滞后桥臂 由于超前桥臂的开关是 i 0 i 0 的切换方式 只能实现零电压开关 z v s 而滞后桥臂既可以实现零电压开 关又可以实现零电流开关 z c s 由此p w md c d c 全桥功率变换器的软开关方 式可分为两类 t 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 0 状态工作在电流复位模式 超前桥臂实现零电压开关 滞后 桥臂实现零电流开关 9 江苏大学硕士学位论文 2 3z v z c sp w md c d c 全桥功率变换器电路 2 3 1 引言 p w m d 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 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 o 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 8 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 但该类电路拓扑仍具有以下缺点 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 副边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j 另外 现在在大中功率变换器中 i g b t 己经开始逐步取代了m o s f e t 在d c d c 全桥变换器领域中的应用 但是i g b t 的关断存在较大的拖尾电流 在z v s 软开关 条件下 仍会有较大的损耗 而且必需设置较大的死区时间 限制了频率的进一步 提高 因此到了2 0 世纪9 0 年代中期 人们改进了z v s p w md c d c 全桥变换器 的诸多不足 在此基础上开发了z v z c s p w md c d c 全桥变换器 该变换器超前 桥臂实现零电压开关 滞后桥臂实现零电流开关 拓宽了软开关范围 消除了原边 环流 提高了变换器的效率 由于z v z c s 的滞后桥臂不再实现z v s 而是实现z c s 这就消除了i g b t 拖尾电流的影响 而且环路电流小 因此特别适用于以i g b t 作 为功率器件的中大功率的应用场合 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 滞后桥臂不并联吸收电容 是在原边电压过零 期间 使原边电流复位而实现z c s 的 原边电流没有环流 减小了通态损耗 有利 1 0 江苏大学硕士学位论文 于提高变换器效率 2 3 2z v z c s p w md c d c 全桥功率变换器的实现伽 删 小 胡 1 超前桥臂的控制方式 在2 3 1 节内容的分析中可知 z v z c s p w md c d c 全桥功率变换器的超前桥 臂和传统的z v s p w md c d c 变换器一样 通过并联电容来实现其z v s 滞后桥 臂是在原边电压过零期间 使原边电流复位而实现零电流开关 z c s 的 下面我 们来分析开关管的开通情况 如图2 5 和图2 6 在超前桥臂的s l 零电压关断到s 2 开通前的 时段 变换器工作在0 状态 在z v z c s 方式下 为了实现滞后桥 臂的z c s 0 状态为电流复位模式 原边电流f 将会减小到零 如果在s l 关断 职 图2 5 变换器0 状态工作模式图2 6z v z c s 方式 导通时 不及时开通s 3 在0 状态中 f p 很快减小到零 b 截止 己将被重新充电 使 s 3 失去零电压开通的条件 而f 减小到零的时间与负载有关 为了在任意负载下实 现s 3 的零电压开通 必须将s 3 的开通时间提前到s 1 关断时 即将s 3 的开通时间向 前增加到正 2 同理 s l 的开通时间也要向前增加到瓦 2 如图2 6 所示 2 滞后桥臂的控制方式 滞后桥臂是实现z c s 因此开关管两端不能并联电容 当超前桥臂的s l 关断 后 变换器工作在0 状态 在 1 时刻减小到零 此时关断s 4 就是零电流关断 因此 s 4 的关断时刻必须向后推迟到f 时刻 t o r i 一 的大小与负载和原边电流复位有 关 1 3 f 1 4 1 在 f i t 2 时段 f p 继续保持为零 那么s 4 的关断时刻也可以一直向后推 迟到t 时刻 即s 4 的开通时间可以向后增加到t 2 s 2 的情况类似 因此滞后桥 臂的开通时间有两种方式 即将其开通时间向后增加一段时间 该时间由电流复位 l l 江苏大学硕士学位论文 时间决定 或者将其开通时间向后增加到t 2 因此 z v z c sp w md c d c 全桥变 换器的控制方式有两种 即控制方式六和控制方式九 3 原边电流的复位方式 目前原边电流的复位方法主要有以下几种 1 利用超前桥臂开关管的反向雪崩击穿 使储存在变压器漏感中的能量完全 消耗在超前臂的开关管中 为滞后桥臂提供零电流开关的条件 2 在变压器原边使用隔直电容和饱和电感等 在原边电压过零期间 将隔直 电容上的电压作为反向阻断电压源 使原边电流复位 为滞后桥臂开关管提供零电 流开关条件 3 在变压器副边整流器输出端并联电容 在原边电压过零期间 将副边电容 上的电压反射到原边作为反向阻断电压源 使原边电流迅速复位 为滞后桥臂开关 管创造零电流开关的条件 2 3 3z v z c s p w md c d c 全桥变换器电路拓扑比较 到目前为止 已提出了多种z v z c s p w md c d c 全桥功率变换器电路拓扑结 构 且其各具特点 参见文献 1 4 卜 2 l 下面就其中的几种拓扑结构加以分析比较 1 变压器原边加隔直电容和饱和电感的全桥z v z c s 变换器 一 一 i l 兰怠i t 2 恐 7 原边加隔直电容和饱和电感的全桥z v z c s 变换器 图2 7 所示 当隔直电容上的电压使原边电流复位到零以后 饱和电感 退和 它在 d 段时间内将电流箝位在零值 使滞后桥臂开关实现零电流关断 但饱和电感工作在正 负饱和值之间 而且频率很高 使得饱和电感的损耗较 江苏大学硕士学位论文 大 以及饱和电感磁芯的散热问题必须解决 另外 它在低的输入电压情况下还会 引起较为严重的副边占空比丢失 1 5 1 6 1 2 变压器副边带能量恢复缓冲电路的全桥z v z c s 变换器 如图2 8 该变换器的副边增加了三个快恢复二极管和两个小电容组成的能量 恢复缓冲电路 该电路在能量传递的初期 电容c c c c 与变压器漏感发生谐振 图2 8 副边带能量恢复缓冲电路的全桥z v z c s 变换器 电容上的电压高达2 k 当超前桥臂关断 电容上的电压就折合到原边 在漏感 上产生一反压 使原边电流复位到零 该变换器的主要缺点是 由于电容c c c c 2 图2 9 副边带有源箝位开关的全桥z v z c s 变换器 与变压器漏感发生谐振 使得副边整流电压高达2 k v m 因而增加了整流管的电压 应力 并且存在大量的环流 使变压器和开关的导通损耗增大 1 7 1 8 3 变压器副边带有源箝位开关的全桥z v z c s 变换器 如图2 9 该变换器没有使用耗能元件 在变压器副边附加了一个有源箝位开 关 这不仅能复位原边电流 还能有效的抑制副边电压的寄生振荡 但是 该变换 l j 江苏大学硕士学位论文 器因附加的辅助开关 使得电路结构和控制复杂 同时辅助开关工作在硬开关状态 这会引起附加损耗和电磁干扰1 1 9 1 2 们 4 采用有限双极性控制方式的全桥z v z c s 变换器 一 墼j 督 f 塑j 2 兰c 曙 三c 瑶 3 1 5 而该变换器的超前桥臂在开关过程中 变压器原边串联电感k 和输出滤波电 感上 是串联的 而且输出滤波电感0 很大 则可近似认为f p 不变 类似于一个恒 流源 而此时用于实现z v s 的能量是变压器原边串联电感l 持和输出滤波电感 的 能量总和 该能量很容易满足式 3 1 5 因而超前桥臂很容易实现零电压开关 此外 由前面3 2 节中对模态1 的分析可知 t l o 就是超前桥臂开关管s 1 和s 3 的驱动信 号之间的死区时间 从式 3 5 g n 看出 当负载小时 i p 就小 f l 则变大 所以要 保证超前桥臂的零电压开通 s 1 和s 3 驱动信号之间的延时时间应取小负载时的计算 值 即 f 捌 f l 2 c v u 3 1 6 3 3 2 滞后桥臂实现零电流开关的条件 从上面的分秽r 中可以知道 要实现滞后桥臂的z c s 原边电流f 必须在滞后桥 臂开通之前从负载电流减小到零 而从模态2 的分析中可知 原边电流f 从 下 降到零所需的时间为f 2 l 百l a i 结合式子 3 1 3 可得 厶 丝墨 盟 3 1 7 4 5d l 式中d 是占空比 t 是开关周期 从上式中可以看出 与负载电流无关 与占空比d 成反比 即可以在任意 负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关 3 4 滞后桥臂串入二极管的z v z c s p w m 变换器的优缺点 与z v s p w m 变换器和前面提出的各种z v z c s p w m 变换器相比较 该变换 江苏大擘硕士学位论文 器具有的优点如下 l 不存在原边环流 提高了变换器的变换效率 2 可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关 然而 该变换器也存在一些缺点 由于引入了两个串联二极管 使得变换器原 边侧的通态损耗有所增加 且串联的二极管在关断时还会有一定的反向恢复电流 引起高频振荡 但是 这些所增加的损耗同上述的几种拓扑电路所增加的损耗比较 起来相对较小 3 5 本章小结 本章介绍了一种滞后桥臂串入二极管的全桥z v z c sp w md c d c 变换器 详细 分析了该变换器在一个周期内的1 0 种工作模态 然后分析了该变换器的电路特性 包括超前桥臂实现z v s 的条件 滞后桥臂实现z c s 的条件以及最大占空比的确定 等 最后简单地介绍了该变换器的优缺点 江苏大学硕士学位论文 第四章高频全桥软开关电源主电路的设计 4 1 高频开关电源的设计要求 传统的开关电源中 功率开关管一般工作在硬开关条件下 必然引起过大的开 关损耗 难以提高开关频率 因而限制了电源的高频化 小型化和模块化 同时也 限制了变换器的效率 2 7 l 2 8 1 本章基于第三章介绍的移相控制z v z c s 全桥变换器电 路拓扑 设计了5 0 v i 5 a 全桥软开关电源的主电路 该电源采用移相控制零电压零 电流软开关技术 因而开关损耗小 开关频率及电源效率得以大大提高 根据实际 需要 电源应该能在一定的条件下工作 达到所要求的技术指标 其主要技术指标 如下 1 输入交流电压 单相5 0 h z 2 2 0 圪嚣 0 7 6 2 5 3 v 2 输出直流电压 额定电压为5 0 v 3 输出直流电流 额定1 5a 4 最大输出功率 9 0 0 w 5 效率 8 5 6 输出直流电压纹波取5 0 m y 7 过载保护 过压 过流和限流等保护功能 该电源系统的结构框图如图4 1 所示 图4 1开关电源系统结构框图 由上图可知 整个电源系统的主电路主要包括输入整流滤波电路 全桥z v z c s 变换器 高频变压器 输出整流滤波电路 下面将详细介绍这几部分的设计和相关 参数的计算 江苏大学硕士学位论文 4 2 输入部分整流滤波电路的设计 4 2 1 电路结构的设计 在交流输入部分 一般采取的输入方式有单相 三相四线和三相三线方式 本 系统采用单相输入方式 其电路如图4 2 所示 即将单相交流电 2 2 0 v 5 0 h z 进行 整流 滤波 为单相逆变桥提供一个平滑的直流电压 为了防止电网的浪涌电压 遭 受雷击 电路中接有压敏电阻r m 因为电源相电压的峰值电压 u 2x2 2 0 3 11 v 考虑1 5 倍的裕量 其值为4 7 1 v 若u 4 7 1 v 时 从压敏 电阻处形成回路 吸收尖峰电压 c 抽为滤波电容 用于滤去整流输出电压中的纹 波 由于单相整流后的直流电压最高可达3 8 0 v 左右 且一般电解电容的耐压为 4 5 0 v 可以采用多个电解电容并联滤波 不必采用电容串连的方式减小电容的耐压 c n 为涤纶电容 用来吸收直流母线上的高频电压尖峰 鼍幸羊 本 儿 功 率 变 下拥下 换 电 路 图4 2 输入整流滤波电路 图4 2 中的e m i 是输入滤波器 能抑制电网对电源的干扰 同时又能阻止高频 干扰反串入交流电网 该滤波器通常采用万型低通滤波器 其基本结构如图4 2 虚 框部分所示 它由共态扼流圈厶 正态扼流圈厶 厶 跨接线路电容c 2 c 以及线路高通滤波电容c c y 构成 其中厶和 用于滤除低频共态噪声 c 和 c 用于滤除低频正态噪声 上 上 和c r c r 构成了共模滤波电路环节 用于滤 除电源线与地之间非对称的共模干扰 l 3 l 和c 2 g 构成了差模电路 用于滤 除两输入电源线之间的差模干扰 共模电感一般取值为0 3 m h 3 8 m h 而差模电 感的取值一般为几十到几百微亨 江苏大学硕士学位论文 4 2 2 输入滤波电容的选择 2 2 0 v 5 0 h z 的交流电经过全桥整流后得到脉动的直流电压圪 约为3 1 0 v 输入滤波电容巳是用来平滑该直流电压的 减小其脉动 因此选择合理的c 是非 常关键的 然而 若c 过小 直流电压圪的脉动就大 为了得到所要求的输出电 压 需要过大的占空比调节范围和过高的控