（电力电子与电力传动专业论文）改进型半桥零电流转换谐振变换器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fp o w e re l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n d c d cc o n v e r t e r sg e tm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n n o w a d a y s ，h i 曲p e r f o r m a n c e 、h i 曲 e f f i c i e n c ya n dl i g h tw e i g h t a r et h em o s t i m p o r t a n tp e r f o r m a n c ef i g u r eo f a l lk i n d so f p w m d c d cc o n v e r t e r s i no r d e rt oi n c r e a s et h ep o w e rd e n s i t ya n do u t p u te f f i c i e n e ) ；t h es o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e si st h ek e y f o rh a l f - b r i d g ep w md c d cc o n v e n e ru s e di g 转tz e r o c u r r e n t - s w i t c h i n gi sb e t t e r t h e n z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g i n t h e z e r o c u l t e n t s w i t c h i n gt e c h n i q u e s ，z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o nt e c h n i q u ei sm u c hb e t t e rt h e no t h e r s 。b u tt h ea u x i l i a r ys w i t c hi st u r n e do 要谢攮 h a r ds w i t c h i n g i no r d e rt o g e tf i do f t h i ss h o r t a g e ai m p r o v e dh a l f - b r i d g ez e r oc u r r e n t t r a n s i t i o nr e s o n a n td e 怒i cc o n v e n e ri sd e s i g n e d , i t sm a i ns w i t c h e sa n dt h ea u x i l i a r yo n e s a r et u r n e do f f u n d e rz e r oc u l t e n ti nt h ew i d e r a n g e i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so fi m p r o v e dh a l f - b r i d g ez e r oc u r r e n tt r a n s i t i o n r e s o n a n td c d cc o n v e r t e ra r ed i s c u s s e df i r s t l y ，a n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h e f a m o u sc a ds i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h e p r o p o s e c i r c u i t t h e n ，s m a l l - s i g n a lm o d e lo ft h en e wt o p o l o g yi s o b t a i n e db yu s i n gs t a t e s p a c e a v e r a g i n g ，t h i sm o d e li su s e d t oa n a l y z es t a b i l i t yo f t h en e wc o n v e r c e et h i r d ，t h ed e s i g no f m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta l ed e v e l o p e d ，t h ep a r a m e t e r so f t r i a i nc i r c u i ta r eg i v e n ，a s i m p l ea n de f f e c t i v e c o n t r o lc k e m ti sd e s i g n e d ，t h ec i r c u i tc a l ld r i v et w op a i ro fm a i n s w i t c h e sa n da u x i l i a r yo n e s a tl a s t , o nt h eb a s i so ft h e o r ya n a l y s i sa n dh a r d w a r ed e s i g n ， e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r eg i v e n i nc o n c l u s i o n , t h ec o r r e c t t l e s sa n d f e a s i b i l i t yo f t h en e w c o n v e n e ra r ep r o v e db yt h e o r y a n a l y s i s ，s i m u l a t i o nr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n k e y w o r d s ： p w md c d cc o n v e r t e r s o f t - s w i t c h i n gt e c h n i q u e s z e r o - c u r r e n t - t r a n s i t i o n s m a l l - s i g n a lm o d e l 鞋 独截性声瞬 本人声踞掰里交数学位论文是我个太在警蛹揍导下进行豹靖究工作及取褥抟磺究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内辚外，本论文不包含任何萁他个人或集体 已羟发寝羲援鸳过魏磷窕残暴。对本文斡骚变锻盎嚣献熬争 尺裁集薅，鸯蠢在文孛戳 明确方式标明。本人究全意识剿本声明的法律效果由本人承搬。 学位论文作者镰名：匆孙露 露翳：办口簪年f 胃罗西 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整、使爝学位论文妁规定，鄄：学技毒援攥 留并向阐家有荧部门娥机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被裔阅和借阅。本 人授投肇孛聪技大学霹以将本学位论文於全帮蠖部分建容缡入有关数据瘁遂嚣捡索， 可以采用影印、缩印或扫描等艇制手段保存和汇编本学位论文。 保密鞠，在年解密后适用本授校书。 本论文属于 币保密秘 ( 请在以上方框内打“”) 学使论文 蕈老签名：专酗霞 日期：c 如m 擘年岁月罗聪 指簿教爨签名二丝纛 日期；一4 年胃t o 蹦 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本文的研究主题是改进型的半桥式零电流谐振变换器的实现。本章首先指出了研 究软开关技术的意义，然后对硬开关电路的局限性，开关损耗的产生机理，软开关的 实现策略及软开关变换器的发展等几个方面做了进一步的阐述，最后介绍了本文的研 究内容。 1 1 引言 电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和变换的学科，它使电能 最终变成不同用途，不同性质，不同容量和频率的电能，以适应千变万化的用电装置 的不同需要。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电 机工程、微电子技术等许多领域密切相关，目前，电力电子技术已逐渐成为一门多学 科互相渗透的综合性技术学科。电力电子技术包括电力电子器件、变换电路和控制电 路三个部分，其中以电力电子器件的制造技术为核心技术【1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 。电力电子器件和电 力电子电路之间的关系十分密切，新器件的出现会促使电路达到新的水平，新的电路 设计又反过来对器件提出更新的要求。 电力电子技术的目的是将电力电子器件按一定的拓扑结构连接，采用恰当的控制 方法，根据用户的不同需求，构成对电能进行变换和控制的电力电子电路口】【”。电力电 子器件f 5 1 1 6 l f 7 1 是电力电子技术的物质基础，电力电子器件的全控化和高频化极大的促进 了电力电子技术的发展。高频化是电力电子技术的一个重要发展方向，是使电力电子 装置能更好的实现诸多要求的重要技术途径，开关器件的高频化是电力电子装置高频 化的物质基础。近十几年来发展的绝缘栅双极型晶体管i g b t ，功率场效应晶体管 m o s f e t 已成为现代高频电力电子装置的主要功率开关器件，并且这些器件正进一步 沿着全控化、高频化、快速化、模块化和智能化的方向发展。 但是，随着变换器功率和开关频率的提高，开关器件的开关损耗已成为制约变换 器可靠性、高频化及系统性能进一步提高的关键技术因数之一，因此减小功率开关器 件的开关损耗受到国内外的广泛关注。电力电子技术的电路拓扑结构的发展，使得电 力电子器件和装置的高频化取得了突破性的发展。从1 9 8 6 年d m d i v a n 教授第一次提 出d c 环节谐振逆变电路以来，软开关技术的研究成为电力电子学领域最活跃的研究 方向之一。软开关技术可以部分或全部实现变换器中功率开关器件的零电压开关或零 电流开关，魔服了常规p w m 型功率开关器件的开关损耗随开关频率成比例增加的缺 点，使功率器件的开关频率提高了一个数量级，甚至更多。 本文主要研究的是半桥d c d c 变换电路。对d c d c 变换器而言，无变压器隔离的 d c d c 变换器，直流电源与负载之间无电气隔离；带变压器隔离的单端d c d c 变换器， 华中科技大学硕士学位论文 虽然将直流电源与负载隔离，但变压器磁通只在单方向变化，铁心利用率低，且仅靠 电感传输能量，不适用于较大功率场合。具有中间交流环节的半桥d c d c 变换器，由 于其变压器双向励磁、电路结构简单、控制容易，在中小功率的直流变换器中应用非 常广泛，故成为本文的首选拓扑。 随着电力电子技术的发展，电力电子装景的性能指标要求越来越高，体积小、重 量轻、高效率、高可靠性的“绿色电源”已成为新一代电源产品的发展方向。在硬开 关技术日益阻碍电力电子装置向小型化、轻量化和高效化发展的今天，软开关技术显 得尤为重要。本文以半桥d c d c 直流变换器为研究对象，研究其零电流转换谐振软开 关技术，以期能提高变换器的性能指标。 1 2 开关电源软开关技术发展现状”瑚瑚3 本节将在硬开关电路的局限性，开关损耗的产生机理，软开关的实现策略及软开 关变换器的发展等几个方面做进一步的阐述。 1 2 1 硬开关p 删变换电路及其局限性 6 0 年代开始发展起来的p 喇技术因为原理直观、易于实现、线性度高、动态性 能好等一系列优点在各种电力电子装置中获得了广泛应用。p w m 己被认为是电力变换 领域中一项成熟、理想和重要的基本控制技术，而且目前依然具有较大的发展潜力。 近年来，随着个人电脑、通信设备、微小型电器设备的发展，以及空间技术实际应用 的需求，要求d c d cp w m 变换器具有更小的体积、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，进一 步提高开关频率会面i 临许多实际的问题。在常规的d c d cp 1 】| m 变换器中，开关管工作 在硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 状态，图1 1 给出了开关管开关时的电压和电流波形及 其开关损耗。如图，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，在这段时间内，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，称之为开通损耗( t u r n 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，在这段时间内，电 流和电压也有一个交叠区，产生损耗，称之为关断损耗( t u r n - o f f1 0 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 g 】o s s ) 。 传统硬开关有以下缺点：( 1 ) 在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损 耗是一定的，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，变换器效率越低，开关损耗的存在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器 的小型化和轻量化。( 2 ) 开关管工作在硬开关时还会产生较高驯成和d v d t ，从而会 2 华中科技大学硕士学位论文 产生很大的电磁干扰( e m i ) 。图1 2 ( a ) 给出了带感性负载时，开关管工作在硬开关条 件下开关管的开关轨迹，图中虚线为开关管的安全工作区( s a f e t yo p e r a t i o na r e a ，s o a ) 。 如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管损 入 i f v 卯 1 n 锄 ，k ( o n ) 扇 ( o f f ) 图11 开关管开关时的电压和电流波形及其开关损耗 图1 2 开关管开关轨迹 坏。如果采用软开关技术，则能很好的改善开关管的开关轨迹，图1 2 ( b ) 给出了开 关管工作在软开关条件下的开关轨迹，从图中可以看出，此时开关管的工作条件很好， 不会超出安全工作区。 1 2 2 软开关技术的提出及其实现策略 为了克服上述硬开关电路的诸多问题。8 0 年代软开关技术应运而生，并得到了深 入广泛的研究和迅速的发展。所谓“软开关”通常是指零电压开关z v s ( z e r ov o l t a g e s w i t c h i n g ) 和零电流开关z c s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 或近似零电压开关与零电流开 关。它应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流( 或电压) 按正弦或准正弦规 率变化，当电流自然过零时，使器件关断；或电压为零时，使器件开通，实现开关损 耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平。 在这里，首先对“硬开关”和“软开关”两个概念进行一下阐述【9 。由于现代功 率半导体器件的开关转换过渡时间( 开通瞬间和关断瞬间) 在毫秒到纳秒级，因此变 3 华中科技大学硕士学位论文 换器电路中的寄生电感或寄生电容在开关过渡过程中总是要起作用。当变换器开关的 过渡过程只受外部的寄生成分影响时，这种开关在使用过程中被定义为硬开关。借助 于附加的电感和电容来延缓开通和关断过程，这就是缓冲电路的作用。当在开关过渡 过程中为减小开关的应力而使存储的电磁能量增大，从而造成在每一个开关过程中存 储的能量在下一个循环中不能比较经济地消耗掉，就产生了馈能型缓冲电路技术。当 存储在电磁元件中的能量进一步增加的时候，可以明显的观察到谐振现象，就导致了 谐振变换器技术的产生。将谐振限制在仅在开关周期某一区间内工作就产生了目前变 换器中的使用的软开关技术。 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，目前，谐振软开关技术是电力电子技术领域中最活跃的一个研究方向，图1 3 给 出了开关管实现软开关的波形图。 0 0 l ol 八 八一 i p 刎( 咖 月。( o f f ) = 0 i v “ 入 l | 八一 p t ( ) = 0历，k ( 够) ( a ) 零电流开关( b ) 零电压开关 图1 3 开关管实现软开关波形图 从前面的分析可以知道，开关损耗包括开通损耗和关断损耗。减小开通损耗有以 下几种方法： ( 1 ) 开关管开通时，使其电流保持在零，或限制电流上升率，从而减小电流与 电压交叠区，这就是所谓的零电流开通，从图1 3 ( a ) 可以看出，开通损耗大为减小。 ( 2 ) 开关管开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通，从图1 3 ( b ) 可以看出，开通损耗基本减小到零。 ( 3 ) 同时做到( 1 ) 和( 2 ) 的情况下，开通损耗为零。 减小关断损耗有以下几种方法： ( 1 ) 在开关管关断前，使其电流减小到零，这就是所谓的零电流关断，从图1 3 ( a ) 可以看出，关断损耗基本减小到零。 ( 2 ) 在开关管关断时，使其电压保持在零。或限制电压上升率，从而减小电流 与电压交叠区，这就是所谓的零电压关断，从图1 3 ( b ) 可以看出，关断损耗大为减 4 华中科技大学硕士学位论文 小。 ( 3 ) 同时做到( 1 ) 和( 2 ) 的情况下，关断损耗为零。 1 2 3 谐振变换器的发展概况 谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 是最早出现的一种软开关变换器。1 9 8 4 年美国 v p e c 的f c l e e 等人提出谐振开关的概念“”，其基本思想是：谐振开关是一个半导体 开关s 和谐振元件l 。和c ，组成的子电路。电感l ，与开关管s 串联，以实现零电流开 关；电容c ，与开关管s 并联，以实现零电压开关，这样谐振开关具备了零电压和零电 流的条件。 将谐振限制在仅在开关周期某一区间内工作，利用谐振开关的原理代替硬开关变 换器，就形成了准谐振开关变换器( q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s ，q r c s ) “。准谐振变 换器通过谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦规律变化，从而创造出零电流或零 电压条件，极大的减小了变换器的开关损耗和开关噪音。由于在准谐振变换器中，不 论是零电压型谐振开关还是零电流型谐振开关，他们都可以或者为有源开关管s 或者 为二极管d 创造良好的软开关条件，但不可以同时为两者提供软开关条件。1 9 8 8 年美 国v p e c 的w a t a b t 和f c l e e 等人提出多谐振开关变换器 ( 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 s ) 【1 2 】。多谐振变换器的基本思想是把准谐振开关 的思想同时应用于有源开关管s 和二极管d ，够成所谓的“多谐振开关”，使有源开关 管s 和二极管d 都能在软开关环境下完成导通与关断过程。在多谐振变换器一个开关 周期的工作过程中有多个不同谐振参数的谐振拓扑工作模式，多谐振变换器因此得名。 多谐振比准谐振能更好的改善开关变换中有源开关、无源开关的开关条件，消除寄生 参数对变换器性能的影响，但本质上，m r c 仍是一种谐振参数有所增加的q r c 而已。 在准谐振变换器和多谐振变换中，输出电压的调节是通过调节开关频率实现的，当负载 和输入电压在大范围内变化时，开关频率也需要大范围的变化，这使得变压器和滤波 器的设计变得很困难。 为此，8 0 年代后期又提出了零电压开关p 删变换器( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g p w m c o n v e r t e r s ) 和零电流开关p 咖变换器( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) 1 。这种类型的变换器，将准谐振与常规的p w m 变换器相组合，通过附加的辅助有源 开关阻断谐振过程，使电路在周期内，一部分时间按准谐振方式运行，另一部分时 间按p w m 方式运行，既具有软开关的特点，又具有p 删恒频占空比调节的特点。在z v s p w m 变换器和z c s p w m 变换器中，谐振电感串联在主功率回路中，因此电路中总是 存在这很大的环流能量，这不可避免的增加了电路的导通损耗；另外，电感储能与输 5 华中科技大学硕士学位论文 入电压和输出负载的变化有很大的关系，这使得电路软开关条件极大地依赖输入电源 电压和输出负载的变化。 9 0 年代初，移相全桥z v sp _ | i m 变换器被提出“”，其主要优点是：开关管在z v s 条件下运行，开关损耗小，可实现高频化； 运行；无需缓冲电路；电压和电流应力小 控制简单( 脉宽恒定，只控制移项) ：恒频 类似p _ | v m 变换器。主要缺点是：当负载很 轻时尤其是滞后桥臂开关管的z v s 条件难以满足；原边有较大环流，通态损耗大：存 在占空比损失，而且随着负载的增大而增大。针对移相全桥z v sp w m 变换器的缺点， 1 9 9 4 年美国v p e c 的f c l e e 提出了移相式全桥z v z c sp w m 变换器“”，在超前桥臂实 现z v s ，在滞后桥臂实现z c s 。1 9 9 8 年f c l e e 等人又提出了在移相式全桥z v z c s p w m 变换器二极管整流输出侧并联一条由电容和辅助开关管串联而成的支路来减小占空比 损失，完成滞后桥臂的零电流关断“。2 0 0 0 年韩国的e s k i m 等人采用改进的钳位方 法( m o d i f i e dc l a m pc i r c u i t ) 来实现z v z c s ，达到了良好的效果。 1 9 9 4 年美国v p e c 的f c l e e 等人提出的零转换( z e r o t r a n s i t i o n ) 技术“”，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 gp i p “tc o n v e r t e r s ) 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 gp w mc o n v e r t e r s ) 。它们的主要特点是把谐 振回路从主功率回路移开，变为与主功率开关器件并联。在主功率开关器件变换的很 短一段时间间隔内，导通辅助开关管使辅助回路起作用，为主开关器件创造零点压和 零电流开关条件，转换过程结束后，电路返回到常规的p w m 工作方式。由于辅助谐振 回路与主功率开关器件并联，因而在使主开关器件软开关的同时，并没有增加过高的 电压和电流应力；同时，辅助谐振回路并不需要处理很大的环流能量，使环流能量被 自动的保持在较小数值，因此减小了电路的导通损耗；另外，谐振网络所处的位置使 其可以不受输入电压和输出负载的影响，电路可以在很宽的输入电压和输出负载变化 范围内在软开关条件下工作。所有这些特点使得零转换电路成为目前在工程实际应用 中最有发展前途的功率变换拓扑之一。但零转换技术明显的不足之处在于辅助开关管 是硬开关的，其产生的开关损耗部分的抵消了电路中主功率开关器件由于软开关而减 小的损耗，使整个电路的效率难以进一步提高。本文在后续章节中所给出的改进型半 桥式零电流转换谐振变换器很好的改进了辅助开关管的开关条件，进一步提高了变换 器的效率。 在开关电源的软开关技术中，还有无源无损软开关技术，即不附加有源器件，只 是采用电感电容和二极管来构成无损缓冲网络。 综上所述。软开关技术的应用使开关频率由几千赫兹提高到兆赫的水平。其发展 经历了串联或并联谐振技术( 7 0 年代) 、准谐振和多谐振技术( 8 0 年代中) 、z c sp w m 6 华中科技大学硕士学位论文 和z v sp w m 技术( 8 0 年代末) 、移项全桥z v sp w m 技术( 9 0 年代初) 、z v tp w m 和z c t p w m ( 9 0 年代初) 等过程。 软开关技术的诸多显著优点使其从理论一出现就显示出了蓬勃的生命力。近年来， 对软开关理论的深入研究以及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换器设计出现了 革命性的变化。软开关的技术的应用使电力电子变换器自身损耗大大降低，自身体积、 重量大大减小，可以具有更高的效率，更高的功率密度，以及更高的可靠性；并可有 效的减小电能变换装置引起的电磁污染和环境污染，为在2 1 世纪大力发展绿色电力电 子产品提供有效的方式和方法。但其中仍有许多问题有待解决，如进一步扩大功率使 用范围，完善控制技术，提高工作可靠性等，但软开关技术的应用已经给功率变换器 的发展带来了深刻的变革。而且随着软开关的技术的进一步完善和实用化，必将为实 现更高品质的功率变换系统提供有力的技术保障。 1 3 本文研究的主要内容 开关变换器的核心是d c d c 变换器，对d c d c 变换器而言，半桥拓扑由于其电路 结构简单、控制容易，应用非常广泛。一般来说，对于中小功率的直流变换器，采用 高频软开关技术控制的半桥拓扑结构是较为理想的。不仅易于实现高频化，使整个系 统体积变小，而且可以进一步提高系统效率及功率密度，改善系统动态性能。 针对半桥拓扑d c d c 变换器，本文研究的是一种改进型的半桥式零电流转换谐振 变换器。该电路在不加额外电路的情况下，不仅能实现主开关管的零电流关断，还能 实现辅助管的零电流关断，很好的解决了基本的半桥式零电流转换谐振变换器中的此 不足之处。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 本文第二章首先综述了半桥d c d c 变换器比较常用的软开关技术，并对它们 的有优缺点进行了分析，得出零电流转换谐振技术在半桥d c d c 变换器中的应用相比 其他具有很大的优越性，但其不足之处在于辅助开关管是硬开关的。针对此不足本文 设计了一种改进型的半桥式零电流转换谐振变换器。 ( 2 ) 本文第三章分析了改进型的半桥式零电流转换谐振变换器的基本工作原理， 对电路的工作过程进行了详细的数学分析，并对谐振过程进行了研究；对比基本的半 桥式零电流转换谐振变换器，分析了所给出的电路的优缺点；最后对主电路进行了仿 真，以验证电路的可行性。 ( 3 ) 本文第四章基于传统b u c k 电路模型建立了半桥式零电流转换谐振变换器小 信号模型，并对其传递函数进行分析，为系统的动态分析奠定了基础。并用m a t l a b 软件对其稳定性进行了仿真分析。 ( 4 ) 本文第五章从主电路和控制电路两部分对实验装置进行了设计。在主电路部 7 华中科技大学硕士学位论文 分，对磁性元件如变压器和电感的参数选择和设计以及主电路的关键元件参数选择进 行详细的说明：控制电路部分，本论文给出了一种由单片t l 4 9 4 结合c d l 4 5 3 8 b e 构 成的简单、经济的控制电路，解决了该电路两对主辅管的驱动问题；最后给出了实验 波形和实验数据，并对实验波形和数据进行了分析总结，以验证电路的可行性。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 半桥变换器中的软开关技术 2 1 开关器件硬开关需解决的问题 常规的p w i v l 变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关严重阻碍变换器工 作频率的提高，般来说有如下四大缺陷： ( 11 开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行； 关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗 和关断损耗随开关频率的提高而增加。 ( 2 ) 感性关断问题：电路中难免存在感性元件( 引线电感、变压器漏感等寄生电 感或实体电感) ，当开关器件关断时，由于通过该感性元件的别西很大，感应出很高 的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。 ( 3 ) 容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容 中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。 ( 4 ) 二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期 间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源 瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管功耗急剧增加，重则 致其损坏。 图2 i 半桥d c d cp w m 变换器原理图 软开关技术的运用成功的解决了上述问题。最理想的软开通过程：电压先下降到 零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压 己下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问题，这意味着二极管 已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题亦不复存在。最理想的软 9 华中科技大学硕士学位论文 关断过程：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由 于器件关断前电流己下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解 决。 本论文研究的是半桥d c d cp w m 变换器，其基本结构如图2 1 所示，所采用的 开关器件是i g b t2 m b l 5 0 l 。1 2 0 。下面将着重分析半桥d c d cp w m 变换器中的软开 关技术。 2 2 半桥变换器中的零电流技术 软开关有两种基本方式：零电流开关( z c s ) 和零电压开关( z v s ) 。本实验采用 的开关管是i g b t 这种少数载流子的开关器件，关断时有一个很大的拖尾电流，会导 致非常大的关断损耗；而半桥d c d cp w m 变换器由于变压器漏感的作用，器件开通 时的电流较小，开通损耗亦很小。因此在使用i g b t 的半桥d c d cp w m 变换器上， 使用z c s 技术比z v s 技术更有效。下面将着重介绍半桥d c d cp w m 变换器中的零 电流技术2 3 3 2 1 。 2 2 1 半桥零电流准谐振变换器( z c s - 0 r c ) 半桥零电流准谐振变换器( z c s q r c ) 是一种比较完善的电路，有很多专用的集 成芯片可供选用，其电路拓扑如图2 2 所示。其基本原理是开关管导通后，利用谐振 电感l ，和谐振电容c ，的谐振，使流过开关管的电流呈近似正弦波，当电感电流谐振到 c 1”3 i i 一0 1石乞乃 t呵。 i训 c 2 ：均略4 飞 图2 2 半桥零电流准谐振变换器 零时，就可以实现开关管的零电流关断。这种变换器开关管的导通时间是固定的，输 出稳压靠调频来控制。 z c s q r c 实现了电路中开关器件的零电流导通和关断，但是由于谐振的作用，流 过开关器件的电流应力大大增加，这必然会导致开关器件的导通损耗增加；该变换器 采用的是调频控制，虽有很多集成芯片供选用，但由于频率大范围变化，变压器、电 感等磁性元件不能优化设计，也给输出滤波器的设计造成了困难：另外，开关器件的 容性开通问题没有解决。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 为解决开关器件的容性开通问题，出现了z v s q r c ，加在开关器件上的电压被整 形成一准正弦波，可以减小开关器件的开通损耗和解决容性开通的问题，但开关器件 的关断损耗和感性关断问题无法解决。 2 2 2 半桥零电流p m 谐振变换器( z c s p u - r c ) 半桥零电流准谐振变换器( z c s q r c ) 由于其变频控制，使得变换器的开关频率 不能进一步提高，变压器、电感、滤波电路不能优化设计，半桥零电流p w m 谐振变 换器( z c s p w i v i r c ) 很好的解决了这一问题。半桥零电流p w m 谐振变换器结合了 p w l v l 电路和准谐振电路的优点，既可以通过谐振为开关管创造零电流关断的条件， 又可以实现恒频控制，其电路如图2 3 所示，它在半桥零电流准谐振变换器的基础上， 给谐振电容串联了一个带反并联二极管的功率开关管。它通过控制辅助开关管的通断 _ 下- 一w 1 一 l f 7a【， j 卜甲吐j c 1 急霎卜。瞻 刮l rc f t 。 l 幢 c 2 去。穆纭 图2 3 半桥零电流p w i v i 谐振变换器 来阻断谐振过程，使电路在一周期内，一部分时间按准谐振方式运行，另一部分时间 按p w m 方式运行，既具有软开关的特点，又可以在恒定的开关频率下，调节主开关管 的导通占空比来控制输出。 z c s p w i v l r c 很好的解决z c s q r c 的变频问题，使变换电路能够优化设计，进 一步提高了开关频率。但是z c s p w m r c 仍然存在开关管电流应力大，及容性开通 的问题。 2 2 3 半桥零电流转换谐振变换器( z c h t c ) 上述的几种半桥软开关拓扑，它们在实现软开关的同时，都增加了开关管的电压 或电流应力，电路的导通损耗明显增加，同时辅助谐振电路中的谐振元件由于电应力 造成了体积的增大。另外，它们的谐振电感串联在主功率回路中，由于谐振电感要承 受两个方向的电压，给开关器件造成了额外的电压应力；全部能量都要通过谐振电感， 使电路中存在很大的环流能量，这样会导致电路整体的导通损耗增大；谐振电感的储 能极大的依赖于输入电压和输出负载，电路难以在一个很宽的输入电压和输出负载范 围内实现软开关。 半桥零电流转换谐振变换器很好的解决了上述问题，其电路拓扑如图2 4 所示。它 华中科技大学硕士学位论文 把谐振回路从主功率回路移开，由辅助开关s a ，和s a 2 、谐振电感l r 和谐振电容c r 组 成的辅助谐振网络，与主功率开关器件并联。其基本原理是在主功率管关断前导通其 相应的辅助开关管，使谐振电路谐振，为主开关管创造零电流关断的条件，主功率管关 断后，尽快关断辅助开关管，使辅助谐振回路停止工作，电路重新以常规的p w m 方式 运行。 图2 4 半桥式零电流转换谐振变换器 2 3 半桥零电流转换谐振变换器的改进 从上面的分析中我们发现半桥零电流转换谐振技术相对于其它零电流技术，具有 很大的优越性，具体论述如下： 1 ) 恒频调制，能够优化设计变换电路，减小变换器体积、重量。 2 ) 半桥式零电流转换谐振变换器在原有的半桥p w m 变换器上，采用辅助谐振网络 实现主开关器件的零电流关断，从而极大的降低了i g b t 这种具有很大拖尾电流的少数 载流子开关器件的关断损耗，同时没有明显增加主功率开关管的电压和电流应力。 3 ) 辅助谐振网络与主开关器件是并联的，谐振网络受负载变化的影响很小，所以 变换器可在负载电压、电流变化很大范围内实现主开关的零电流关断。 4 ) 辅助开关的导通时间很短，谐振电感和谐振电容取值都很小，所以谐振所需能 量很小，减小了整个电路的导通损耗。 综上所述，对采用i g b t 作为开关器件的半桥p w m 变换器，零电流转换谐振技术 是一种最有效的软开关技术，但是这种半桥零电流转换谐振变换器也有很明显的不足 之处，下面分述之。 华中科技大学硕士学位论文 首先其容性开通问题没有解决。近年来，为解决这些问题，出现了一种z v z c s p w m 变换器“”，它让辅助开关管在一个周期中导通两次，分别为主开关管创造零电压 开通和零电流关断的条件，但是这类变换器辅助管的开关频率是主开关管的两倍，而 且控制电路设计复杂，严重阻碍了变换器开关频率的提高，而辅助电路增加的元器件 降低了变换器的功率密度，且增加了变换器成本。如何简单有效的解决这一问题，还 有待于进一步的研究。 另外，半桥零电流转换谐振变换器主开关管是零电流关断的，但其辅助开关管却 是硬关断的，这样严重阻碍了变换器效率的提高。为了解决这一问题，文献 5 3 中介 v 图2 5 改进型的z c t - - b o o s tp w m 变换器 绍了一种改进型的z c t - - b o o s tp w m 变换器，其电路拓扑如图2 5 所示。它对原z c t b o o s tp w m 变换器的辅助电路进行了调整，它的工作原理是，在主管s 关断前导通辅助 开关管s a ，l r 、c r 、s a 组成谐振网络谐振，当l r 电流谐振到零，v c r 的作用使d a 导 通，形成另一条谐振回路s 、l r 、c r 、d a ，辅助开关实现了零电流关断，而另一条谐 振回路将为主开关管创造零电流关断的条件。这种电路结构简单，控制容易，很适合 于单管的d c d cp w m 变换器。但是对两主开关管共用谐振电感和电容的半桥电路，此 法并不适用。 本文设计了一种改进型的半桥零电流转换谐振变换器，它在对半桥零电流转换谐 振变换器电路不做任何改动的情况下，既能实现主开关管的零电流关断，又能实现辅 助开关管的零电流关断。本文将在后续章节中详细分析该变换器的工作原理，从理论、 仿真和实验的角度分别验证该电路的可行性。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 改进型半桥式零电流转换谐振变换器 本章首先分析了本文所给出的改进型半桥式零电流转换谐振变换器的工作原理， 并对其优缺点进行了总结；然后对其谐振过程进行了详细的数学分析，得出了相关参 数对零电流关断的影响；最后对主电路进行了仿真，以验证电路的可行性。 3 1 改进型半桥式零电流转换谐振变换器的工作过程及特点 改进型半桥式零电流转换谐振变换器与前面所介绍的基本的半桥式零电流转换谐 振变换器在电路拓扑上没有任何变化，其电路拓扑如图3 1 所示。下面将会详细分析 这种变换器的工作原理。 图3 1 改进型半桥式零电流转换谐振变换器的主电路原理图 3 1 1 基本的半桥式零电流转换谐振变换器工作过程 改进型半桥式零电流转换谐振变换器与半桥式变换器主电路相比，不同之处就在 于由辅助开关s a l 和s 葩、谐振电感b 和谐振电容c r 组成的辅助谐振网络。图3 1 中标出了变压器初级电流、谐振电感电流和谐振电容电压的假定正方向。 在分析之前，我们先作如下假设： 1 ) 所有开关管、二极管均为理想器件； 2 ) 所有电感、电容和变压器均为理想元件： 3 ) l j - ( 上r + 厶) k 2 ，k 是变压器原副方匝比； 4 ) 输出滤波电容c f 足够大，故在一个开关周期中，c f 和r l 可用一恒值电压源代替。 改进型半桥式零电流转换谐振变换器的工作原理在一个周期中可以分为1 6 个状 1 4 华中科技大学硕士学位论文 态，每半个周期有8 个状态，正半周期与负半周期的工作原理相同，所以在这里只分 析开关桥臂下部开关s i n 2 开关过程的半个周期。各个电路状态如图3 2 所示，其中的 粗线表示电流流通的回路。半桥式零电流转换谐振变换器的主要电流电压波形如图 3 3 所示。 在t o 时刻以前，两个主开关都处于截止状态，a 点电位大约为2 ，谐振电容 c 。电压为右正左负，次级2 个整流管处于共同导通的续流状态，变压器的初级电压为 零。 在分析电路原理前，为了更直观的认识整个工作过程中电感电流f l ，和电容电压屹， 的变化情况，可以将它们的状态变化轨迹在状态平面图上表示出来。定义电感电流f 。 和电容电压的归一化因子分别为z ，和。，即有： 2 器 1 啪) ：笋 。 l 7 c r m 状态平面图如图3 4 所示，其横轴为，纵轴为t 。，图中虚线为下半个周期的 状态平面图。 ( 1 ) 开通转换阶段 t o ，t 1 t o 时刻，主开关s m 2 被驱动开通。此时变压器次级的2 个整流二极管同时处于续 流导通状态，初级电压保持为零，换流电容c 2 上的电压坎2 全部加到变压器的等效 漏感l k 上，初级电流迅速上升。同时次级整流二极管d r l 中的电流上升，d l i 2 中的电 流下降。在t 1 时刻，初级电流达到次级电流折算到初级的电流值，这时d i l 2 截止，d r l 承担输出的电流。这一时间段对应的电路拓扑如图3 2 ( a ) 所示。 在这段时间里： u 。吐鲁 毛胁= 芝， 在t l 时刻，= v 。2 ，= l o n ，n 为变压器初级与次级的变比。 故 铲等= 铹= 等 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 这一段时间谐振回路没有参加工作，电感电流0 为零和电容电压为一圪。，故 1 5 华中科技大学硕士学位论文 这段时间在状态图上表示为一点p ( t o ) 。 ( 2 ) 输出能量阶段 t l ，t 2 t l 时刻，d r 2 截止，换流电容电压全部加到变压器初级上，这时次级滤波电感l f 和 等效负载电压v o 折算到初级分别为”2 上，和n k ( n 为变压器初级与次级的变比， n ：h ) ，这样( 蚝2 一竹) 加到电感( n 2 三r + 厶) 上，所以初级电流缓慢上升， 这期间原边能量经变压器传递到副边。经过由占空比决定的导通时间后，在t 2 时刻开 始进入关断期。这一时间段对应的电路拓扑如图3 2 ( b ) 所示。 这一段时间谐振回路同样没有参加工作，故这段时间在状态图上表示为同一点 p ( t o ) 。 ( a ) t o - t l ( c ) t 2 - t 3 ( b ) “- t 2 (e)“一ts(f)ts-ts 图2 3 改进型半桥式零电流转换谐振变换器的电路状态图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 (g)t6-t7(h)tt-tb 图2 3 改进型半桥式零电流转换谐振变换器的电路状态图 ( 3 ) 谐振关断阶段1 t 2 ，t 3 j 在t 2 时刻，辅助开关s a 2 被驱动导通，