移相全桥ZVS直流高压电源的仿真研究

1、移相全桥ZVS直流高压电源的仿真研究装备制造技术)2ol1年第1期移相全桥ZVS直流高压电源的仿真研究傅川,薛兴(桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004)摘要:针对60kV20kHz直流高压电源的高频高压的特点,采用移相全桥ZVS主电路拓扑结构,减小了开关器件IGBT的开通和关断的电压电源应力,降低开关损耗.给出电源的主电路并利用SPB16.3对电源进行仿真分析,仿真结果显示开关管IGBT实现了软开关,降低了开关管的电压应力.关键词:直流高压电源;移相全桥;ZVS;软开关;仿真中图分类号:TM743文献标识码:A直流高压电源广泛应用于打印机,电子束焊机,激光器,x光机等【l】,为了

2、降低电源的体积和总质量,工作频率越来越高,同时频率高带来了开关器件的开关过程中的电压和电流应力增大,增加了开关损耗,降低了电源转换效率,甚至严重影响了开关器件的安全工作和电源的可靠性.利用开关器件的寄生元件参数,实现开关管软开关,降低开关损耗.采用移相全桥ZVS电路拓扑结构,能很好解决开关管IGBT的开关过程的开关损耗,保证IGBT可靠关断.1移相全桥ZVS电路直流高压电源的的主电路原理图如图1所示.三相交流经整流滤波后,得到稳定的直流电压,作为变换器的输入电压,4个IGBT作为开关管,并联电容c1一c4是开关管的输出结电容,L是变压器的漏电感.变压器副边是全桥整流,输出滤波采用RC滤波.图1

3、直流高压的主电路原理图移相全桥ZVS电路,是利用开关管的结电容与变压器漏感谐振,来实现开关管的零电压开通和关断四.每个桥臂的IGBT互为180.导通,z1,z3分别超前Z4,z2一个相位,因此文章编号:1672545X(2011)010037.-02z1,Z3称为超前桥臂,z4,z2为滞后桥臂.通过移相改变占空比,调节输出电压的大小.60kV20kHz直流高压电源,采用传统的硬开关PWM控制方式,将有很大的开关损耗,降低了电源转换效率,开关应力直接影响开关管的可靠关断,甚至击穿开关管.采用移相全桥ZVS变换器,利用开关管IGBT的寄生储能元件和变压器的漏感,在开关管开通前谐振,当开关管IGBT

4、的集电极和发射极电压降为零时,开通IGBT,实现了零电压(zvs)开通.当IGBT关断时,并联在IGBT两端的电容的电压不能突变,所以实现了零电压(zVs)关断.移相全桥ZVS变换器,还具有电路结构简洁,元器件少,控制容易等特点,因而广泛应用在中大功率电源中.260kV20kHz直流高压电源的仿真运用Cadence_SPB一16.3软件对60kV20kHz直流高压电源进行电路仿真.电源的功率是6kW,电源电路元件的参数计算参考翻.IGBT选用三菱的CM200HA一24H(1200W200A)变压器磁芯选用Siemens的N87_30300K_20C.开关管的控制可以由UC7895实现,由于SP

5、B16.3中没有UC3895的PSICE模图2电路仿真图收稿日期:201010-22作者简介:傅川(1986_),男,江西吉安人,在读研究生,研究方向:直流高压电源控制模式;薛兴(1965一),男,广西贺州人,学士,副教授,研究方向:建筑智能化,节能技术,控制技术.37EquipmentManufactringTechnologyNo.1,2011型,所以IGBT的驱动信号由4个脉冲波形替代,三相电压经整流滤波后电压500V,由一个直流电压源代替,其他的元件都是理想的元件模型.仿真原理图如图2.隔直电容cb为1.6F,谐振电感1H,变压器漏感106H.电源的开关频率是20kHz,周期是50S,

6、开关管的死区时间取0.5LLs.死区时问是为了防止开关管IGBT的关断延时,导致一个桥臂直通击穿IGBT.开关管的驱动波形如图3.zl,z3分别超前Z4,Z2一个相位.开关管z1,Z2的驱动和开关仿真波形见图4.图中的波形显示,当关断信号到达开关管时,z1,zl开关管由导通变为截止,IGBT的输出结电容导通时电压为零,电容电压不能突变,关断时电容将IGBT的电压钳位到零,实现了开关管零电压关断.开通到达开关管时,阻断电容cb加上IGBT的输出结电容与电感h谐振,已将开关管的结电容两端电压谐振到零.因电容两端电压不能突变,IGBT两端电压为零,这时给开关管开通信号,开关管实现了零电压开通.丝蔓三

7、二岛兰耋王曼互三E型兰羔:羔蔓薄羔:墨奎要王耋nv每巍日蠹曩看丰薏毒基蒜蠢戛善蔷未舞蠹畦蠹萄耘一20Vi.:."''露至翼挛雪季雾雾需霉翼柳上三三二三三=1王立=1二=兰立=量.二三I二三二三三二=三=量=三=二=土=主=三二±nV(?3:c.0)譬嘉瑶熏鞲雾纛翥蓊需叶毒磊羞黉杀丢离毒菁丢若毒毒舞蠹蠢撼誊誊蔷芈蓦;蒂耘,麟摹蔫熹囊姜蔫器嚣蠹舞毒蠹萋糖蓦囊毒蒸蓦煮翥拳豢蔫慝囊糍20v十一一l0)图3开关管Z1,Z2,Z3,Z4的驱动波形:未.:#.:.:.:.j一:.土.,:.:±.:.:.互:主.i.!:.-:.一.:臣型曼蛋曼拉童邕堇j:臣量:基

8、土:!I伽瞳IOlintm2叶L髓L旧mI略_m1嘣瞄.V(Zl:ct)r堋图4开关管Z1,Z2的驱动与开关波形3结束语60kV20kHz直流高压电源的主电路结构,采用移相全桥ZVS变换器,利用电路元件的电容,电感分布参数,实现开关管的软开关.通过仿真结果,60kV6kW的高压直流开关电源的超前臂和滞后臂开关管都实现了零电压(zVS).电源的仿真,降低了实际电源设计的成本与周期,是验证电源设计方案正确与否的方法之一,为电源电路的搭建和实验提供了依据.参考文献;11孙向东,段龙,钟彦儒,金舜.高压直流LCC谐振变换器的分析与设计【J】.电工技术,2002,17(5):60-64.【2】刘风君.现

9、代高频开关电源技术及应用M】.北京:电子工业出版社.2008.【3】阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术【M】.北京:科学出版社,2001.TheSimulationResearchofPhase-shiftedFull-bridgeZVSHighVoltageDCPowerSupplyFUChuan,XUEXing(GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)Abstract:Withthecharacteristicsofhighvoltageandhi曲frequencyfor60KV20KHzhighvoltageDCpowersupply,whichitutilizethephase-shiftedfullbridgeZVScircuittopology,thetopologycanedueetheswitchingstressandlossesofIGBTwhenIGBTpoweronandoff.Thesimulationmaincircuitisgiven.ItsimulatesandanalysiswithSPB16.3,thesimulationresultss