（电力电子与电力传动专业论文）一种新颖的四管混合式dcdc变换器的研究.pdf

r e s e a r c ho nan o v e lh y b r i dd c d cc o n v e r t e r w i t hf o u rs w i t c h e s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c s ，t h et e c h n o l o g yo fs w i t c h i n gm o d e p o w e rs u p p l y ( s m p s ) i sg r a d u a l l yb e i n gp e r f e c t t h et r e n do fs m p st o w a r d sh i g h p o w e re f f i c i e n c y 、h i g hp o w e rd e n s i t y 、l o we l e c t r o - - m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 、p e r f e c t e l e c t r i cp e r f o r m a n c e 、s m a l la n dp o r t a b l ep e r f o r m a n c e i nt h ei n t e r e s to ft h e d e m a n d ，s o f t - - s w i t c h i n gi sp r o p o s e d i nt h em e d i u ma n dh i g hp o w e rs m p s ，p h a s e s h i f t i n gc o n t r o l l e dz v sp w mf u l l - b r i d g ec o n v e r t e ri sf a v o u rt o p o l o g y b u ti nt h i s c o n v e r t e r , z v si sd i f f i c u l tt ob ea c h i e v e df o rt h el a g g i n gl e ga tl i g h tl o a d i no r d e rt o a c h i e v ez v sf o rt h el e a d i n gl e ga n dt h el a g g i n gl e g , t h e r ea r eu s u a l l yt w om e a s u r e s t ob et a k e n ：c o n n e c t i n gs a t u r a b l ei n d u c t o ri ns e r i e sw i t ht r a n s f o r m e rp r i m a r ys i d e ； a d d i n gaa u x i l i a r yr e s o n a n tc i r c u i t b u tt h ef o r m e rm e a s u r ew i l ld e t e r i o r a t er e d u c t i o n o f t h ee f f e c t i v ed u t yc y c l e ，a n dt h el a t t e rw i l li n c r e a s ec o m p l e x i t yo f t h ec o n v e r t e r t h i s p a p e rp r o p o s e s an o v e lc o n v e r t e r , w h i c hb a s e so nap r i n c i p l eo f p h a s e - s h i f t i n g ( p s ) z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ( z v s ) p i nf u l l b r i d g e ( f b ) d c d c c o n v e a e ra n ds o f t s w i t c h i n gh a l f - b r i d g e ，a i ma ta v o i d i n gf a u l t so ft h ep sz v sp w m f bc o n v e r t e r t h e p r o p o s e dc o n v e r t e r , w h i c hf e a t u r e sh i g he f f i c i e n c y h i g h p o w e r - d e n s i t ya n dl o w e re m i ，c a na c h i e v ez e r o v o l t a g e - s w i t c h i n g f o ra l lt h e s w i t c h e sf r o mn o l o a dt of u l ll o a da n db e t c e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s f o re x p l a i n i n gt h ep r i n c i p l eo ft h i sp r o p o s e dc o n v e r t e r , a l lt h es w i t c h i n gm o d e s i nas w i t c h i n gp e r i o di s a n a l y z e di nd e t a i l t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tz v si s a c h i e v e df o re a c hs w i t c hu n d e rf u l l l o a d - r a n g e t h e r e f o r e ，t h ep r o p o s e dc o n v e r t e r c a no p e r a t ea th i g h e r f r e q u e n c y , r e d u c et h eo u t p u t f i l t e r sv o l u m e ，i m p r o v e p o w e r - d e n s i t ya n dp r o d u c el o w e re m i t h ep r o p o s e d c o n v e r t e rh a sl o w e r c o n d u c t i o nl o s st h a nt h ec o n v e n t i o n a lp sz v sp w mf bc o n v e r t e rd u r i n gc l a m p i n g f r e e w h e e l i n gi n t e r v a l t h ef i l t e rr e q u i r e m e n ti s r e d u c e dd u et on e a r - i d e a lf i l t e r w a v e f o r m sa n ds ot h a tt h e p r o p o s e d c o n v e r t e rc a na c h i e v eb e t t e rd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss i m u l a t e di ns a b e ra n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ea l lt h ec h a r a c t e r i s t i c sa b o v e k e y w o r d s ：h y b r i dd c d cc o n v e r t e r w i t hf o u r s w i t c h e s ；s o f t s w i t c h i n g ；h i g l p o w e r - d e n s i t y ；1 0 we m i 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 镳j 堋碑- 哪2 猕脚 j 二毋啦j 魏：黪 黼己以。7 丢亏 剑黪扎露黻 钞砖、西影岳 、， 萤) 苏良 。，临酯 导厩弩1 扒白粑蛳分封f 藕根 图l l 图l 一2 图l 一3 图l 一4 图l 一5 图1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 一1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 一1 6 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 - - t 图4 2 图4 3 插图清单 开关调压系统原理框图2 开关管开关时的电压和电流波形4 零电压谐振开关6 零电压谐振开关结构图6 零电流谐振开关7 零电流谐振开关的结构图8 四管混合式d c d c 变换器的主电路图9 四管混合式d c d c 变换器的理想波形一1 0 六管混合式d c d c 变换器的主电路图1 0 六管混合式d c d c 变换器的理想波形1 1 六管加减式d c d c 变换器主电路图1 1 六管加减式d c d c 变换器加模式时理想波形1 2 六管加减式d c d c 变换器减模式h 寸理想波形13 八管加减式d c d c 变换器的主电路图1 3 八管加减式d c d c 变换器加模式时理想波形1 4 所示为八管加减式配置工作在减模式的波形1 4 副边控制的d c d c 变换器的主电路图，1 5 副边控制d c d c 变换器的理想波形15 半桥并联混合式d c d c 变换器的主电路图，1 6 半桥并联混合式d c d c 变换器的理想波形一1 6 半桥串联混合式d c 国c 变换器的主电路图1 7 半桥并联混合式d c d c 变换器的理想波形l7 四管混合式点d c d c 变换器的主电路拓扑1 9 四管混合式d c d c 变换器的工作波形2 0 ( t o ，t 8 ) 时刻的开关模态2 2 ( a ) 传统的移相全桥变换器磁化电流( b ) 四管混合式变换器的磁化电流 ：1 3 ( a ) b u c k 类变换器的输出电压波形( b ) 四管混合式变换器的输出电压 波形2 4 ( a ) 最小输入电压时输出( b ) 中间某电压时输出( c ) 最大输入电压时输出 2 1 ； 四管混合式d c d c 变换器主电路= 2 6 u c 38 7 5 内部功能方框图3 0 b 采用u c 3 8 7 5 的p w m 控制电路3 9 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 电压反馈与电流反馈电路图4 0 驱动电路4 1 变压器原边抗饱和保护4 2 过压保护电路4 2 s a b e r 下的仿真模型4 5 半桥部分变压器原边电压波形4 6 半桥部分变压器原边电流波形4 7 全桥部分变压器原边电压波形4 7 全桥部分变压器原边电流波形4 7 变换器整流前电压波形4 8 变换器整流后电压波形4 8 空载时混合式d c d c 变换器变压器原方电压和电流波形4 9 重载时混合式d c d c 变换器变压器原方电压和电流波形一4 9 ( a ) 变压器副边绕组上电压波形( b ) 整流后的电压波形4 9 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 i 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果。也不包含为获得盒世王些盔鲎 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。 学位论文作者签字：节j ；l ，俸字日期：l 吐年钿姻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹王些厶堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金日幽：些盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可咀采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠文者虢布融才翮魏柳趴 签字日期：咕年月f 阳 学位论文作者毕业后去向 “j ：作单位： 通讯地址： 叩罨 签字日期：- r 年6 月( 日 出珍f ；1 弘缸司 电话： 邮编： 致谢 在本人攻读硕士学位三年的时间里，自始至终得到了我的导师杜少武副教 授的悉心指导和无微不至的关怀照顾，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了杜少武老师的大量心血。在学术上，杜老师渊博 的知识、严谨的治学态度、求实的科学精神和精益求精的工作作风值得我认真 学习：生活中，杜老师开阔的胸怀、豁达的人生态度，平易近人、诲人不倦的 良师风范向我展示了为人的道德风尚：杜老师对我的谆谆教诲也将使我受益终 生。在此谨向恩师杜少武副教授致以最诚挚的敬意。并表示衷心的感谢。 在研究生期间，高衡初老师对我的生活、学习、课题关怀备至，在我的学 习和工作中，他以一个长者的丰富知识、坦诚、和善、慈祥给了我许许多多的 帮助，我从高老师身上学习到了很多专业知识，也学到了很多社会知识，在我 即将毕业之际，向尊敬的高老师表达我的敬意! 在学习、科研和论文工作中，还得到葛锁良副教授的热情指导、言传身教： 同时得到了我的师兄王成武、张国兵、金波、刘保颂和同学任祖德、马志保、 朱小强、吴定围等的大力帮助，感谢我的师弟师妹们在论文过程中的帮助和启 发，在此对他们表示由衷的感谢。 感谢我的家人，他们对我的关心和鼓励是对我最大的支持，我的任何成绩 都应该归功于他们对我的教育和支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：杜风付 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进 行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换，是开关电源技术发展 的基础。随着新型电力电子器件以及适用于更高开关频率的电路拓扑和新型的 控制技术的不断出现，开关电源朝着小型化、高效率、低电磁干扰、高可靠性、 模块化、智能化、数字化的方向发展。开关电源豹主要组成部分是开关型d c d c 变换器，它是整个变换的核心。开关电源中几种指标为： 1 ) 功率密度 2 ) 效率 3 ) 电磁兼容性 4 ) 线性调整率 5 ) 负载调整率 以上几种指标是相互联系相互影响的。功率密度的提高强烈依赖于开关频 率的提高，而开关频率的提高会导致开关损耗和变压器损耗加大，导致效率降 低。而且开关频率的提高会产生较大的d v d t 和d i d t ，对周围的设备产生干扰。 利用软开关技术可以克服以上这些缺点。 1 1 开关稳压电源的基本原理 图1 一l 给出一个开关调压系统较详细的原理框图。其中主要部件是 d c d c 开关变换器( 即功率级电路) 及由集成电路组成的反馈控制电路。在主电 路中还有输入及输出的噪声滤波电路，由电感、电容元件组成。交流电网电压 经整流滤彼后得到直流电压，加到开关变换器的输入端。控制电路中有保护电 路、软起动电路、前馈电路以及由分压器、补偿网络、脉宽调制器伊w m ) 、驱 动器组成的电压负反馈控制电路。 软起动电路的作用是避免或限制在起动过程中浪涌电流及输出电压的过冲 现象。软起动电路在控制电路内使p w i v f 的输出脉冲宽度内零开始缓慢地增大 到额定宽度，通常采用电容器充电特性实现输出电压软起动。在交流输入端也 设有软起动电路，使输入电网电压分段接入，合闸时有限流电阻以限制浪涌电 流等到滤波电容充满电以后，再将限流电阻短路。 过流保护电路的功能是：当负载电流超过额定值或系统中发生短路时，过 流保护动作，切断输出，或将电流限制在设定范围内。另外当输出电压升高， 超过设定值时，过压保护动作，使输出电压降为零。 前馈电路是为补偿外界扰动影响，改善系统动态性能而设置的补偿电路。 软起动、保护、前馈电路等都是控制电路中的辅助电路。反馈控制电路则 是保证系统稳定和具有调节功能的主要部分。其中分压器是电压采样电路，将 输出电压信号与约定参考电压v r 相比较，误差经运算放大器组成的有源补偿网 络放大。经过脉冲调制，将连续的误差放大使号变成脉冲，通过驱动器将脉冲 放大后，控制开关晶体管的通断。 ；集成电路 图1 一l开关谲压系统原理框图 1 。2 开关稳压电源的控制方法 非谐振型开关变换器的调制方式可以外为三类： 脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，简称p w m 。这种方式采用恒定开 关频率( 即恒定开关周期) ，而改受导通脉冲宽皮，即改变t 0 。或t 0 片。 脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n j 。简称p f m 。这种方式是保持 t o n 恒定，通过开关频率( 或开关周期) 的改变来改变导通比。这种控制方式要求 滤波电路能适配较宽的频段。 混合调制方式，即p w m 和p f w 的混合，是开关频率和导通或关断时间都 改变的控制方式。 p w m 调制方式由于电路简单、易于实现而在开关电源中大多采用。因而在 开关电源的原理框图中我们常可以看见p w m 电路。在有p w m 电路构成的开 关电源系统中，通常采用2 种控制方法：电压控莉型和电流控制型。 在开关电源系统中，电压负反馈是把检测到的输出电压与给定参考电压相 比较，将电压误差放大，并通过p w m 控制电路转抉成p w m 信号驱动开关管， 达到输出电压恒定的目的。它是开关电源中最广泛采用的反馈方式。另外一种 是电流负反馈，达到电流恒定的目的。也可以使用电压和电流2 个信号构成双 环负反馈。 开关电源中电压负反馈系统中只有反馈电压环，称为单闭环控制( 调节) 系统，单闭环系统的特点是简单，但是当系统受到某种扰动作用时，无论是输 入电压变化还是元件参数变化或负载扰动，都必须首先反映到输出端，使输出 电压发生变化以后，电压控制环才起作用。这样，在瞬态过程中，单环调压系 统的输出电压可能会产生较大幅度的波动，甚至造成系统的不稳定现象。因此 控制和调节作用延迟了，这就使系统很难得到满意的动态品质。 开关调节系统中应用电流负反馈控制有以下一些优点： 夺 改善了开关调节系统的稳定性和瞬态特性 这是因为系统受到任何扰动影响，只要被检测的电流发生变化( 开关晶体 管或电感的电流) 发生变化，立刻可以反映到控制电路中，使之自动调节而不会 象单环调压系统那样要等到输出电压发生变化才起控制调节作用 夺限制开关晶体管的最大电流值 只要给定或限制参考电流信号( 在双环系统中由电压误差放大信号v x 提供) 就可以限制开关晶体管的最大电流，从而保护了开关晶体管，防止过流。 夺 变换器并联运行时，可以自动分配电流。 同时使用电压电流构成双闭环调节系统，其中外环为电压环，内环为电流 环，因此具有双环控制的优点。负反馈控制系统中还有平均电流法、滞环法、 峰值法等，常用在a p f c 控制系统中。还有一种方法叫当( 单) 周控制，它是 一种单环菲线性系统，动态特性好、鲁棒性强，它比电流型更能抑制输入电压 波动的影响。能抑制输入电压变化和负载波动影响的方法还有前馈控制，它是 开环控制。它检测的是扰动本身，扰动一出现时，同步产生抑制作用。因此系 统误差小，调节作用快，而且不存在不稳定的可能性。但是它的补偿只能是近 似的，所以不精确。 1 3 开关电源拓扑 直流变换器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离的 称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。 不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四 管三类。单管直流变换器有六种，即降压式( b u c k ) 变换器、升压式( b o o s t ) 变换 器、升降压式( b u c k b o o s t ) 变换器、c u k 变换器、z e t a 变换器和s e p i c 变换器 等。在这六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是 从中派生出来的。双管直流变换器有双管串接的电流可逆的不可逆变换器。全 桥直流变换器( f u l lb r i d g ec o n v e r t e r ) 是常用的四管直流变换器。 有隔离的直流变换器也可按所用有源功率器件数量来分类。单管的有正激 式( f o r w a r d ) 和反激式( f i y b a c k ) 两种。双管有双管正激( d o u b l et r a n s i s t e rf o r w a r d c o n v e r t e r ) 、双管反激( d o u b l et r a n s i s t e rf l y b a c kc o n v e r t e r ) 、推挽( p u s h p u l l c o n v e r t e r ) 和半桥( h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r ) 等四种。四管直流变换器就是全桥直流变 换器r ( f u l lb r i d g ec o n v e r t e r ) 。 有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器实现 隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的 应用还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。 1 4 软开关技术 图1 2 是开关管开关时的电压和电流波形。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，也有一个上升时阚。在这段时间里，电流和电压 0 。 0 甙卜。刁_ 舻穿 囝1 2开关管开关时的电压和电流波形 有一个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗( r u m 。o i l 1 0 s s ) 。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( t u m - - o f f l o s s ) 。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( s w i t c h i n gl o s s ) 。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较高的d d t 和d v d t ，从而产生 大的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e q c e ) 。 1 4 1 软开关技术的实现策略 为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高_ 丌关频率，同时 4 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( s o f ts w i t c h i n g ) ，因此软开关技术应运而生。 使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这 种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关： 使开关关断前流过其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这 种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关： 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。 与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有 时称之为零电流开通。 与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有 时称这种关断过程为零电压关断。 直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类： 全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e a e o 。该类变换 器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( s e r i e s r e s o n a n tc o n v e r t e r ，s r c ) 和并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n t c o n v e r t e r ，p r c ) 两类。按负载与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类： 类是负载与谐振回路相串联，称为串联负载( 或串联输出) 谐振变换器( s e r i e s l o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s l r c ) ；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联 负载( 或并联输出) 谐振变换器( p a r a l l e ll o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，p l r ) 。在谐振交 换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器与负载关 系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。 准谐振变换器( q u a s ir e s o n a n tc o n v e r t e r ，q r c ) 和多谐振变换器( m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r ，m r c ) 。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点 是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。准谐振变换器分为零 电流开关难谐振变换器( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n gq u a s ir e s o n a n tc o n v e r t e r 。 z c sq r c ) 和零电压开关准谐振变换器( z e r ov o l t a g es w i t c h i n gq u a s ir e s o n a n t c o n v e r t e r ，z v sq r c ) 。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关。这类变 换器需要采用频率调制控制方法。 零开关p w m 变换器( z e r o s w it c h i n gp w mc o n v e r t e r ) 。它可分为零电 压开关p w m 变换器( z e r ov o l t a g es w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r ) 。该类变换器是在q r c 的基 础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制， 即实现p w m 控制。与q r c 不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比 很短，一般为开关周期的1 l o l 5 。 零转换p w m 变换器( z e r ot r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r ) 。它可分为零电压 转换p w m 变换器( z e r ov o l t a g et r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r ，z v tp w b lc o n v e r t e r ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r oc u r r e n tt r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r ，z c tp w m c o n v e r t e r ) 。这类变换器是软开关技术的又一个飞跃。它的特点是变换器工作 在p w m 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关 管的软开关，在其他时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。 1 4 1 1 零电压谐振开关 给出了零电压谐振开关的电路图，它也有两种电路方式：l 型和m 型，其 工作原理是一样的。从图中可以看出，谐振电容c r 是与功率开关s l 相并联的， 其基本思路是：在s l 导通时，c r 上的电压为零；当s l 关断时，c r 限制s i 上电 压的上升率，从而实现s 1 的零电压关断；而当s l 开通时，l r 和c r 谐振工作使 c r 的电压回到零，从而实现s l 的零电压开通。因此，l r 和c r 为s l 提供了零 电压开关的条件。 ( a ) m 型( b ) l 型 图i - - 3 零电压谐振开关 根据功率开关s l 是单方向导通还是双方向导通，可将零电压谐振开关分为 半被模式( h a l f - - w a v e m o d e ) 和全波模式( f u l l - - w a v e m o d e ) ，如图1 4 所示。这 里的半波模式和全波模式的定义与零电流谐振开关有所不同。图l - 4 ( a ) 是半波 模式，功率开关s 1 由开关管q 1 及其反并二极管d 0 1 构成，可以双方向流动电 ( a ) 半波模式 ( b ) 全波模式 图l 一4零电压谐振开关结构图 流，为s l 提供反向电流通路。这样，谐振电容c r 的电压只能为正，不能为负， 因为此时c r 的电压被d o l 箝在零电位。图1 4 ( b ) 是全波模式，功率开关s 1 由一 个开关管q l 和一个二极管d o , 相串联构成，d o l 使功率开关s 1 的电流只能单 方向流动( 如果q l 采用m o s f e t ) ，而且为q l 承受反向电压( 如果q l 选用b j t 、 i g b t 等器件，它们不能承受反向电压，否贝l 将被反向击穿) 。谐振电容c r 上的 电压既可以为正，也可以为负，l r 和c r 以自由谐振工作。 1 4 1 2 零电流谐振开关 图1 5 给出了零电流谐振开关的电路固，它有两种电路方式：l 型和m 型， 其工作原理是一样的。从图中可以看出，谐振电感l r 是与功率开关s l 相串联 的，其基本思想是：在s 1 开通之前，lr 的电流为零：当s l 开通时，l r 限制 s l 中电流的上升率，从而实现s 1 的零电流开通；而当s 1 关断时，l r 和c r 谐 振工作使lr 的电流回到零，从而实现s l 的零电流关断。因此，l r 和c r 为s 1 提供了零电流开关的条件。 坠 h 一，。楠 宁n ( a ) l 型( b ) m 型 图1 - 5零电流谐振开关 根据功率开关s l 是单方向导通还是双方向导通，可将零电流谐振开关分为 半波模式( h a l f - - w a v em o d e ) 和全波模式( f u l l - - w a v em o d e ) ，如图1 6 所示：图 1 - - 6 ( a ) 是半波模式，功率开关s 1 有一个开关管q l 和一个二极管d o i 相串联构 成。d o l 使功率开关s l 的电流只能单方向流动( 如果q 1 采用m o s f f e t ) ，而且 为q l 承受反向电压( 如果q 1 采用b j t 、i g b t 等器件，它们不能承受反向电压， 否则将被反向击穿) 。这样，谐振电感l r 的电流只能单方向流动。图1 6 ( b ) 是 全波模式，功率开关s 1 由开关管q l 及其反并二极管d o 【构成，可以双方向流 过电流，d o i 提供反向电流通路。谐振电感l r 的电流可以双向流动，l r 和c r 可以自由谐振工作。 ( a ) 半波模式 ( b ) 全波模式 图i 一6零电流谐振开关的结构图 1 5 本论文研究的主要内容 跟踪国内外电源技术的发展并结合本文四管混合式d c 国c 交换器的实际 情况，本文将对如下几个问题展开讨论和研究： 1 开关电源基本的工作原理、控制方法，开关电源的拓扑回顾，软开关技 术的发展和应用。 2 结合本文四管混合式d c f d c 变换器，介绍了其余的6 种基本的混合式 d c d c 变换器，并且详细分析了各种混合式d c d c 变换器的工作原理， 给出了这6 种变换器的理想状态下主要波形。 3 详细分析了四管混合式d c d c 变换器的从空载到满载均可实现软开 关，软开关特性使得变换器具有较低的e m i 。并且由于变换器输入和输 出接近理想波形，使得变换器对滤波元件要求减低，滤波元件要求减低 和软开关的双重结合，使得变换器具有较高的功率密度，并且滤波元件 要求减低，使得系统具有更好的动态特性。传统的变换器实现软开关是 以牺牲通态损耗来实现软开关，而四管混合式d c d c 变换器优越的磁 化电流特性，使得变换器在实现软开关过程中，不会增加通态损耗从而 使得变换器具有更高的效率。 4 设计出一台指标为：输入电压：3 0 - - 6 0 v d c ；输出电压：d c l 2 ；输 出电流：8 a ：输出电压纹波：小于5 0 m y ；负载调整率：l ：电 压调整率：1 ；具有的保护功能有：输入过压、欠压、过流保护， 输出过流、过载保护等。由于拓扑的新颖性，给出不同于常规的变压器 匝比设计方法，对主电路的主变压器、辅变压器、滤波电感、滤波电容、 分压电容进行设计，给出详细的电路设计过程。 5 最后给出基于s a b e r 仿真结果，并且给出实验波形，实验结果表明，该 变换器具有高功率密度、高效、低e m i 、更好的动态特性。 第二章一族新颖的混合式d c d c 变换器 新颖的混合式d c d c 变换器可以实现从空载到满载的软开关，而不会增勰 通态损耗和变换器损耗，获得近乎理想的输入电流和输出电压波形。混合式 d c d c 变换器具有如下特性： 冷高功率密度：在各种条件下可以获得软开关，使变换器可以工作在更高 的开关频率，减小了变换器和滤波电感的体积，使得变换器具有更高的功率密 度。 夺高效率：传统变换器是以牺牲通态损耗来实现软开关，而混合式d c d c 变换器在实现软开关的同时并不增大通态损耗。因此，混合式d c d c 变换器在 很高频率条件下也可以获得较高的转换效率。 夺低e m i ：在各种条件下获得软开关，使变换器具有更低的e m i 。 夺更好的动态特性：由于更小的滤波电感，变换器可以设计成比传统的变 换器具有更好的动态特性，本文提出的四管混合式交换器和带辅助谐振网络的 全桥z v sp w m 软开关变换器一样，适合于中大功率场合。 2 1 四管混合式变换器 图2 一l 为新颖的四管混合式d c d c 变换器的主电路拓扑，图中，c 1 、c 2 、 t 1 、s 1 、s 3 组成半桥变换器；s l 、s 3 、t 2 、s 2 、s 4 组成全桥变换器，全桥和 半桥公用左桥臂，因此左桥臂比右桥臂承受更大的电流应力。变压器t 1 和t 2 在副边同相串联连接来对高频变压器t 1 、t 2 的电压波形进行叠加，用d 1 、d 2 、 d 3 、d 4 组成的全桥整流，整流之后用l f 、c f 对电压波形进行滤波。由于仅仅 用2 对桥臂和2 只分压电容就组成了全桥和半桥，故名四管混合式d c d c 变换 器。 c 1 占 s u 匡 ! jcs u 匡2 jc l f 兰生t 1ljc d 2 - v i 寻；矗1忌t 2 a 皇c f 1 。 b 宝一 c 2 1 - , d 3 jd 4l u 庄 = j s 4u e 【 l 。j 四管式d c d c 变换器的主电路图 式d c d c 变换器的理想的工作波形如图2 2 所示。由于变换器 的四关管都工作在恒频50占空比。因此变压器t1的原边电压vtl的波形 为纯，sl、s3、t2、s2、s4组成全桥变换器，通过移相获得希望的输出电 压，变压器t 2 的电压v t 2 波形如同传统的移相全桥z v sp w m 换器电压9 波形。变压器t l 和t 2 在副边叠加获得四阶梯的电压波形v a b ，此电压经整流 得到v c d 。从图2 2 可以看出整流后的电压波形与传统的移相桥式p w m 变 换器的输出电压相比，具有非常低的高频分量。 s 1 s 3 $ 2 s 4 v t l v t 2 v a b v c d 厂 厂 厂 广 一 _ ir 广 广 i ji j1 _ jl 厂r 广 一 uuuu 一 、nnn l j juul 厂一 ：同：闩二同二同：r ：同：同f 图2 2四管混合式d c d c 变换器的理想波形 2 2 六管混合式变换器 图2 3 为一种新颖的六管混合式d c d c 变换器的主电路拓扑。与四管式 不同的是，s 5 、s 6 取代了四管式配置的分压电容c l 、c 2 。s 5 、s 6 、t 1 、s 1 、 s 3 组成一个全桥变换器( 称左桥) ；s 1 、s 3 、t 2 、s 2 、s 4 组成另外一个全桥变 换器( 称右桥) ，左桥和以右桥共用s 1 、s 3 这只桥臂，因此s 1 、s 3 组成的桥臂 比s 2 、s 4 和s 5 、s 6 组成的桥臂承受更大的电流应力。变压器t 1 和t 2 在副边 同相串联连接来对高频变压器t 1 、t 2 的电压波形进行叠加，用d 1 、d 2 、d 3 、 d 4 组成的全桥整流，整流之后用l f 、c f 对电压波形进行滤波，这种变换器适 合大功率场合。 、l f ? 等 2 jc刚e 【s 列e 1土鬲 鬲一2 a bc 吐f t1 ji s 3 锄； _ j e s d_ j 庄= 】d r 0 图2 3六管混合式d c d c 变换器的主电路图 六管混合式d c d c 变抉器的理想的工作波形如图2 4 所示。由予用s 5 、 s 6 取代了四管式配置的分压电容c l 、c 2 ，因此也要对s 5 、s 6 施加驱动信号。 1 0 其中s 6 与s 1 驱动信号同相，s 5 与s 3 驱动信号同相，同一桥臂的两个开关管 的驱动信号完全反相。由于变换器的六个开关管都工作在恒频5 0 占空比。因 此变压器t l 原边电压v t l 的波形为纯方波，s l 、s 3 、t 2 、s 2 、s 4 组成全桥变 换器，通过移相获得希望的输出电压，因此变压器t 2 的原边电压v t 2 和传统的 移相全桥z v sp w m 变换器电压波形一样。变压器t 1 和t 2 在副边叠加获得四 阶梯的电压波形v a b ，整流此电压得到v c d 。从图2 4 可以看出，整流后的电 压波形与传统的移相桥式p w m 变换器的输出电压相比，具有非常低的高频分 量。 v a b v c d 1 厂 厂 厂 广厂 厂 厂 广 厂 厂 l jl j l jl 一 广厂厂 u u u u 、nnn hhh | 一 1 二r 丹闩二r 二r 二r r f 图2 4 六管混合式d c d c 变换器的理想波形 2 3 六管加减式变换器 以上介绍的四管、六管混合式d c d c 变换器，根据变换器副边绕组的同名 端连接不同而只能工作在加或者减模式，而电路一旦确定，就不能同时工作在 gl f 卜 b c l跚e 2j【s j j e2 j c蹦e ! i t c f 一 jii一b c d e 。 1鞴一 i 2 ： f 一 = c 2既 = j墅e j坠 1 0 图2 5 六管加减式d c p d c 变换器主电路图 加减模式。以下介绍的只需在四管混合式基础上外加2 管就可以工作在加减模 式。如图2 - - 5 所示，s 5 、s 6 、t 1 、c 1 、c 2 组成一个半桥，s l 、s 3 、t 2 、s 2 、 | 荟| 寸h s s s s 4 组成一个全桥。从该电路可以看出，六管加减式配置是在四管混合式基础上 变化而来，把原来复用的左