软开关非线性电路作业.docx

软开关非线性电路结课论文软开关电源分析专 业 电气工程 学 号 2013203211 姓 名 李龙吉 天津大学电气与自动化工程学院2014年9月20 日软开关电源分析第一章 绪论一 背景意义1955年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，在1964年美国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到1969年终于做成了25千赫的开关电源，这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研究成了国际会议的热门课题。自20世纪60年代开始得到发展和应用的DC-DC功率变换技术其实是一种硬开关技术。60年代中期，美国已研制成20kHzDC-DC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50Hz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。到70年代初期已被先进国家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在1977年左右开始进入控制电路集成化阶段。控制电路的集成化标志着开关电源的重大进步。80年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套电源，即目前所谓的开关电源或开关整流器。70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。最先在70年代出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器(Resonant Converters)。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器(SerieSresonantConverters，SRCS)和并联谐振变换器(Parallelresonant converters，PRCS)两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。准谐振变换器(Quasi-resonant Converters QRCS)和多谐振变换器(Multi-resonantconverters，MRCS)出现在80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。80年代末出现了零开关PWM变换器(Zero switching PWM converters)。它可以分为零电压开关P恻变换器(Zero-voltage-Switching PWM converters)和零电流开关PWM变换器 (Zero-Current-Switching Pwm Coventers)。它采用的是PWM控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的1/10-1/590年代初出现了零转换PWM变换器。它也分为零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。在环境保护意识日益加强的21世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染;其次是电源不能(或少)对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源:向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器方案诞生，有了功率校正的方法，为开关电源产品的绿色化奠定了基础。电源技术发展到今天，融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，己从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。电力系统中，直流系统的可靠性、稳定性及技术性能直接影响到电网的运行和设备的安全;在通信网络中，通信电源的优劣直接影响各种通信的质量和效果，因此人们极为重视电源的质量和技术性能。而研制新型电源和电源仿真的研究也就变得有十分重要的意义。在中大功率DC-DC变换器中一般采用全桥变换的电路结构，全桥变换器有两种典型的控制方式PWM控制和移相控制，PWM控制方式因为具有许多优良的性能应用十分普遍。但是由于PWM控制方式变换器中的开关器件工作在硬开关状态，每个周期都在高电压下开通，大电流下关断，器件承受的开关应力大，并在高频PWM中会产生相当可观的开关损耗，而且开关损耗随开关频率的提高而增大，使得变换器很难实现高频化，从而造成开关电源体积大以及产生严重的电磁干扰等问题。为了解决硬开关的这些问题，Divan博士提出了软开关的概念。采用软开关技术，功率器件在零电压或零电流条件下导通或关断，可以有效的降低开关损耗，理论上为零开关损耗。对于采用移相控制的软开关变换器来说，实现超前臂和滞后臂软开关方式的方法很多，也很复杂，本文在对软开关理论分析的基础上，对ZVZCS全桥变换器的软开关工作方式加以仿真研究。现在开关电源的应用中，在开关动作时，开关电流、电压的上升率大，因而应力大;高频化使得电源体积减小，散热条件变差，变换器的内部工作环境恶化;开关器件频繁开通和关断，在一定条件下会产生谐波，污染电网的用电环境。同时新型变换器元件类型多、参数复杂，如果都采用高质量、高精度的元件又会造成成本提高，市场竞争力下降。对于这些复杂的问题，使用传统的设计方法很难解决。应用计算机仿真来辅助设计，选择适合的软件，上述的问题就会得到一定的解决。在仿真时，读取电路中任意一条支路的电流以及各个点之间的电压非常容易。而且仿真软件还可进行频率响应、噪声分析、参数变化分析、蒙特卡罗分析、最坏情况分析等等，这些都是简单的实验所不能完成的。自从60年代计算机应用以来，对分析电路和系统提出过很多分析方法，但是对于以开关状态工作的电路与系统，直到70年代才有相应的仿真软件出现。其中应用比较普遍并且对开关工作电路与系统仿真产生影响的有如下几种:CANCER:美国加州大学伯克利分校创建的原始电路模拟程序，以此为蓝本发展SPICE。后来，基于改进节点分析法形成了SPICE2，获得了很大成功并广泛应用。ECAP(electronic cireuit analysis program):分析电子线路的程序，在前期发挥过一定的作用。SCAP(Switching Conventer analysis program):美国加州理工学院研制开发，以状态空间平均法为基础的分析方法，应用也比较广泛。还有以节点分析法为基础的EMPT(电力系统瞬态分析工具)，APT(功率变换器和电气传动仿真工具)等软件也在一定范围内得到应用。目前较为普遍使用的计算机辅助设计软件有:MATLAB、ICAP、ORCAD等等，MATLAB是命令驱动的交互式程序，可对微分方程、结构图模拟以及数字系统进行仿真;ICAP是SPICE发展形成的一种电路分析程序，在windows下运行，可以用电路或图形方式输入，可以用于变压器、整流器、静止变换器、电网供电、保护装置等系统的仿真。二 课题研究的主要内容及工作重点本文主要对全桥变换的软开关电源进行了理论上的分析和仿真研究。其中包括开关电源工作中开关损耗的产生原因、开关电源拓扑结构的分类、全桥式变换电路控制方式的研究和分析、软开关的不同类别及其实现方式、ZVZCS软开关变换器主电路的分析与设计、尸SP工CE仿真分析;电源控制结构的MATLAB模型仿真。主要是以下几个方面：1.开关电源软开关技术的理论分析，着重分析了软开关ZVZCS方式的各个工作模态、超前臂和滞后臂的控制方式以及超前、滞后桥臂的死区形成问题;变换器在零状态时的电流复位问题。2.开关电源功率变换主电路的结构设计和参数设计。其中包括输入和输出整流滤波电路、IGBT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。3.使用PSPICE软件对移相控制的ZVZCS软开关电源的电路拓扑进行了仿真，并且在仿真波形中清楚的看到了超前桥臂的ZVS工作方式以及滞后桥臂的ZCS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是正确的。4.应用Matlab软件对系统控制部分进行了设计和仿真。首先采用频率法对控制器进行了设计，绘出了所设计环节的波特图，分析了控制器对系统动态、静态性能的改善。然后应用Simulink建立了系统的数学模型，得到了系统的阶跃响应。针对负载变化和电网波动进行相应的仿真试验，仿真图说明了系统具有较好的动态性能和稳定裕量。第二章 软开关技术的分类一.开关电源的开关损耗和软开关技术的由来在电力开关变换器的发展过程中，PWM为电力电子技术的发展揭开了新的序幕。PWM技术以其电路简单，控制方便而获得了广泛应用。一般说来，PWM技术是指在开关变换过程中保持开关频率恒定但是通过改变开关的接通时间长短，使得当负载变化时，负载上的电压输出变化不大的方法。但是这种开关技术是一种“硬开关”，即开关管的通断控制与开关管上流过的电流和器件两端所加的电压无关，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，开关损耗很大。尤其是现代电力电子技术正在向高频更高频的方向发展，PWM硬开关技术使得开关损耗已经成为高频化发展的显著障碍。图1 硬开关状态下的开关管开通和关断波形开关电源中所应用的功率开关器件GTR、MOSFET、IGBT等并不是理想的开关器件。在硬开关电源技术中，如图1在开通的过程中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，电压和电流有一个交叠区，从而产生损耗，称之为开通损耗(Turn-on loss)。其值为（TS是开通关断时间）当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时开关管的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里电压和电流也有一个交叠区，所产生的损耗称之为关断损耗(Tum-off loss)其值同样可以由上式计算得到。将开关管工作过程中产生的开通损耗和关断损耗通称之为开关损耗。在一定条件下，开关管在每个周期中的开关损耗是恒定不变的，提高变换器的频率则开关管的开关损耗也随着增加，总开关损耗为f是开关频率。由此式可得，开关频率越高损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在严重地限制了开关电源的小型化和轻量化以及开关频率的提高。图2开关管轨迹开关管工作在硬开关状态下，会产生很高的dv/dt和di/dt，从而产生较大的电磁干扰,同时在开关过程中开关管也会承受较大的电压和电流应力，由图2的开关管开关轨迹可以看出，硬开关方式的工作状态很容易超出安全工作区，导致开关管的损坏。为了减小开关管在工作时产生的电磁干扰和免受过压过流损坏同时减小开关电源的体积和重量，必须实现高频化，高效率化，其方法就是减小开关损耗。减小开关损耗的方法除了选择高性能的器件外还有就是实现变换器开关管的软开关。在20世纪70年代中期，针对硬开关换流过程中存在的问题，学术界研究了频率调制的谐振技术，其实是一种调频的办法。它的核心内容是抛弃将功率电路各个元器件简单化的观念，在充分研究功率开关变换电路的分布参数和寄生元件作用机理的基础上，应用电感电容网络的谐振原理，迫使开关器件的电流或电压按正弦规律变化，当电流或电压过零时，使器件开通和关断，因而解决了开关动态损耗、电流冲击、电压应力和电磁干扰等问题。但是，频率调制谐振变换技术也带来了新的问题:(1)输出电压与频率有关，为保持输出电压在各种运行条件下基本不变，必须采用变频控制，对负载的适应性很差，所以通常只能用于负载基本不变或变化不大的场合;(2)功率器件的容量需要更大;(3)开关频率大范围变化导致滤波器变压器等磁性器件的设计难以优化。80年代末期，脉宽调制软开关技术(SPWM)的问世，推动大功率逆变技术的研究与应用水平又上了一个新的台阶。脉宽调制软开关技术综合了传统脉宽调制技术和谐振技术的优点，仅在功率器件换流瞬间，应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时，使器件关断;或电压为零时，使器件)l.通实现开关损耗为零，从而实现零电压或零电流转换，而在其余大部分时间采用恒频脉宽调制的方法，完成对电源输出电压或电流的控制。因此开关器件承受的电流或电压应力少。在这种思想的引导下，软开关技术获得了迅猛的发展。近10年来，恒频脉宽调制软开关技术在功率变换电路中逐渐占据了主导地位。另外开关变换器DC-DC电路拓扑结构的多样性和研究进展，使得两者结合后在软开关功率变换器中应用日益增多，软开关技术的研究已成为当前电力电子学最热门的研究方向之一。二 软开关的类别与工作方式电力开关变换器在高频时需要解决的两个问题是:1)实现开关的零电压或零电流开关条件，以尽可能的减小开关损耗。2)消除开关浪涌。按照软开关的发展过程可以分为:谐振开关、准谐振开关、零开关pwm等。1.谐振开关1984年美国人提出了谐振开关的概念，用它来代替PWM开关电路，形成了谐振开关变换器。为了说明方便，我们先简要分析一下谐振的概念。根据电路可知，谐振可分为串联谐振和并联谐振。串联谐振是把某正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电容串联的电路上。当正弦频率为某一值时，感抗和容抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大;并联谐振是把正弦电流加在理想的(无寄生电阻)电感和电容并联的电路上。当正弦频率为某一值时，电路的总导纳为零，电感、电容上的电压达到无穷大。在开关电源电路中，由于所加的电压不是正弦电压，而是直流电压。当直流电压加在串联的LC回路时，电路中的电压按正弦规律无阻尼振荡，当振荡到零时，使电子开关导通流过电流，此为零电压开通(Zero-Voltage-Switching)；同理，当电路中流过电子开关的电流振荡到零时，使电子开关断开，此方法为零电流关断(zero-Current-switching)。谐振电路原理如图3图3 谐振电路示意图描述电路的动态过程的微分方程组如下：通过上面两式可得通过带入初始条件可得式中，并且u和i均为周期性振荡的正弦信号。考虑到实际的电路中存在线路损耗，尤其是电感的绞线有一定的损耗，并且该损耗将随着工作频率的提高而增加，因此实际的LC谐振电路将为图2.4所示的R、L、C电路，其中,相应的动态方程用如下的微分方程组来描述通过带入初始条件可得带入初始条件可得解得将A1，A2带入可得式中由于电阻R的存在，这时Uc为一衰减的振荡波形并最终稳定在电源电压认，也就是说，这时它不再能周期性的返回零点。为了使它回到零点，必须补充电路中的损耗。可以通过是电感充电来解决。如果电感己充电，则流经电感的电流不为零，假设电感初始电流为，则可得式中为阻尼系数。选取如下参数Us=513V，L=60mH，C=1mf，R=0.1W，可以看到Uc的振荡波形如图4所示，较大时为a图，可以周期的回归零点。较小时，波形呈衰减的趋势b图。因此要选择合适的就可以保证Uc返回到零。图4 Uc震荡波形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。下面我们以一种电流型谐振回路为例来说明这种谐振开关的工作过程，其电路拓扑如图5所示。图5电流型谐振电路在这种电流型谐振电路中，对于开关管Z1而言，L1和C.组成一个串联谐振回路。当Z1开通时，由于L1限制电流的上升速度，可以实现零电流开通。当开关管Z1导通时，电流以准正弦形式经Z1、L1进入C。当电感电流下降到零时，电容电压使D.承受反向电压而关断。这样，谐振开关具备了零电流开关的特性。同理，还有多种拓扑结构来实现零电压特性以及同时具有零电压和零电流特性。根据功率开关管是双向导通还是单向导通，谐振开关电路又可分为半波结构和全波结构前面的电流谐振回路就属于半波结构，与半波结构相比，全波结构谐振变换器的直流电压转换比与负载的大小无关，只与开关器件的工作频率和LC谐振频率有关。而且全波结构变换器的控制比半波结构要简单，在工程应用中更为普遍。与一般的硬开关PWM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，开关在零电压下开通和关断其承受的断态峰值电压是输出电压的两倍以上，对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f来调节输出电压，这使得f的变化范围很大，以致于功率变压器、输入、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.谐振环技术谐振变换器在DC/DC变换中应用还比较成功，但是在DC/AC变换器中，尤其是在逆变器中，由于多个谐振开关的谐振元件相互影响，电路的工作出现了不正常。1986年，美国威斯康星大学的D.M.Divan教授提出了谐振环的概念，包括直流环(RDCL)和谐振交流环(RACL)。它们都可以有串联和并联两种形式，一般交流谐振环所用开关器件的数量是相应直流谐振环的两倍，在实际中应用较多的是直流谐振环(RDCL)。谐振环的基本思想是使母线电压或电流以较高的频率振荡，恒定的直流电压或电流变成高脉冲的直流电压或电流，从而出现周期性的过零点，给在母线上的所有开关器件创造零电压或零电流开通和关断条件。我们仅以较典型的RDCL来说明谐振环技术的软开关概念，其基本电路如图6所示。图6 RDCL原理图RDCL电路利用谐振元件L和C及谐振控制开关在逆变器的输入直流电压电路中产生谐振，把输入直流电压转换成一系列高频脉冲电压波供给逆变桥。谐振控制管VT1在Ucr谐振回零时零电压开通，并保持Ucr=0一段时间。在此时间内，逆变桥在零电压下进行换流，改