（电力电子与电力传动专业论文）高频开关型阴极保护电源研究与设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y , i n c r e a s i n gd e m a n df o r e n e r g y , o i l ，t r a n s p o r t ，s t o r a g ec a p a c i t yi n c r e a s e s ，p i p e l i n e ，t a n k e r , t a n kc o r r o s i o n p r o t e c t i o nh a sr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n c a t h o d i cp r o t e c t i o ni sw i d e l yu s e dt o s l o wo rp r e v e n tc o r r s i o no ft h es t e e lm a t e r i a l su n d e r g r o u n da n db u r i e dp i p e l i n e a s ar e c t i f i e rf o rc a t h o d i cp r o t e c t i o n ，t h ec o n v e n t i o n a lp h a s e c o n t r o l l e dr e c t i f i e rw i t h 5 0 - - o r6 0 - - h zi s o l a t i o nt r a n s f o r m sh a v e b e e nu s e ds of a ri n s p i t e o fs u c h s h o r t c o m i n g sa sl a r g ev o l u m e ，h e a v yw e i g h t ，a n dp o o rp o w e rf a c t o r i no r d e rt o o v e r c o m es u c hd i s a d v a n t a g e s ，t h i sa r t i c l ea p p l i e sh i g h - p o w e rs w i t c h i n gp o w e r s u p p l yt e c h n o l o g yt ot h ef i e l do fc a t h o d i cp r o t e c t i o n ，a n dd e v e l o p sah i g hf r e q u e n c y s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc a t h o d i cp r o t e c t i o n f i r s t l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eh i g h - p o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys o f ts w i t c h t e c h n o l o g y , f o rt h ef u l lb r i d g ep h a s e s h i f t e dz e r o - v o l t a g ec o n v e r t e r ( f b - z v s p w m c o n v e r t e r ) s o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ed u t yc y c l el o s s ，a n dl o s so ft h el a r g e r s i t u a t i o n t h em a i nc i r c u i tu s e sp h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ez e r o v o l t a g e z e r o - c u r r e n ts w i t c h i n gp w m c o n v e r t e r ( f b z v z c s p w mc o n v e r t e r ) ，t oa c h i e v e s o f ts w i t c h i n go fp o w e rc o n t r o l ，u l t r a - f o r e a r mt oa c h i e v ez e r ov o l t a g es w i t c h i n g , z e r o - c u r r e n t s w i t c h i n gd e l a ya r m ， a n di t sb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eh a sb e e n d e s c r i b e da tt h es a m et i m e t h i sp a p e ra l s og i v e ss o m es t r a t e g i e st oa c h i e v ez c s l a g g i n ga r i n s e c o n d l y , t h i st h e s i sd e s i g n st h eh a r d w a r eo ft h ef b - z v z c s - p w mc o n v e r t e ri n d e t a i l ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n o ft h e h i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r , i n d u c t a n c e s ， c a p a c i t o r s ，c o n t r o lc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i to fi g b ta n da d i t a l s od e s i g n st h e s o f t w a r e i no r d e rt oo b t a i na c c u r a t ea n dr e a l t i m ec o n t r o l ，h i g hp e r f o r m a n c ed i 酉t a l s i g n a lc o n t r o l l e rd s p i c 3 0 f 2 0 2 0i sa d o p t e df o rc o n t r o lc o r e a n dt h ev o l t a g e f e e d b a c kp ia l g o r i t h mi su s e dt oa d j u s tt h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tc h a r a c t e ro f p o w e rs o u r c e f i n a l l y , t h i st h e s i sb u i l d st h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fe n e r g ys t o r a g es y s t e m a c c o r d i n g t ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ：h i g hp o w e rd c d cc o n v e r t e ri ss u i tf o rc a t h o d i c p r o t e c t i o n t h i sp a p e ra l s os h o w st h a tt h ec o n t r o ls y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h i i a sh i 曲c o n t r o lp r e c i s i o n ，m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p o w e rs u p p l yf o rc a t h o d i cp r o t e c t i o n ，p h a s es h i f t e df u l lb r i d g e ，z v z c s ， p w m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得武汉理工大学或其它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明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名：囱! 立造日期 生：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：触导师( 签名) ：乏重茸日期：旦 武汉理j ：人学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 本课题来源于湖北省科技攻关项目，研制出高频开关型阴极保护电源是本课 题的关键任务。 自1 8 6 5 年美国建成了第一条输油管道至今，管道运输业已有1 4 0 多年的历 史。管道运输业主要用于能源运输，除普遍用于石油、天然气、液化石油气、化 工原料等的运输。在全球已建成的2 3 0 多万千米管道中，输气管道约占6 0 ， 原油管道和成品油各占1 5 ，化工和其他管道不足1 0 【1 1 ，并且每年以4 万公 里的速度在增长。目前世界上1 0 0 的天然气，8 5 以上的原油运输是通过管道 输送实现的。 管道运输的优越性越来越被人们所认识，由于腐蚀引起的管线穿孔更时有发 生。随着我国经济的不断发展，对能源需求越来越大，石油和天然气的运输、存 储越来越大，管道、油轮、油库的防腐问题越来越受到人们的重视p 】。 一般情况下，这些金属管道或金属罐都是放置于地表或地下，由于金属管道 长期与地下物质接触而在接触面形成原电池，发生电化学反应，其结果就是金属 件的腐蚀。在所形成的电化学反应中，金属件失去电子成为阳极，在反应过程中 被消耗掉。腐蚀作用严重时使钢质管道穿孔、油漆泄漏等，威胁人身安全，污染 环境，后果极其严重【4 】。 为了延长金属管道和金属储罐的使用寿命，采用阴极保护方法，可以使金属 件避免或减缓腐蚀。阴极保护技术就是通过形成直流电流对金属表面电化学反应 施加干扰，改变金属件的相对电位，使金属结构免除腐蚀【6 】。 阴极保护技术中的主要保护方法有牺牲样机法、强制电流法和排流保护法。 其中强制电流法就是它是由外部的直流电源直接向被保护金属通以阴极电流，使 之阴极极化，达到阴极保护的目的【5 ) 。 本课题的研究目的是为埋地管线阴极防腐系统设计一个提供阴极电流的高 频阴极保护电源系统。将高频开关型变换器引入到外加电源的阴极保护领域，研 制出i g b t 逆变式阴极保护电源，利用现代电力电子技术，可以大大减小变压器 体积和重量，提高系统效率。 高频开关阴极保护电源和传统阴极保护电源相比有以下优点： ( 1 ) 重量轻，体积小 ( 2 ) 系统效率高 武汉理1 ：大学硕士学位论文 ( 3 ) 稳压精度高，输出纹波小 ( 4 ) 噪音低，开关频率为2 0 k h z ( 5 ) 开关电源模块化，数字化，便于监控 鉴于以上优点，不难预见，用高频开关型变换器技术取代相控电源、用性能 更加优异的现代电力电子器件取代传统的以晶闸管为核心的传统电力电子器件， 用计算机监控技术取代人工监控，是现代防腐电源发展的一个必然趋势【6 1 。 本项目采用现代电力电子高频开关变换技术，将交流电变换成稳定的直流 电，将直流电负极加载到被保护的金属物体上，采用计算机数字控制技术对被保 护金属物体对参比电极的电位进行控制，达到阻止金属结构被氧化腐蚀的目的。 本项目所研究开发的高频开关型防腐电源( 智能数字控制恒电位仪) 克服了 传统的相控整流电源交流侧谐波大、功率因数低、直流纹波大和精度低的缺点， 该装置针对油田管道防腐电源分布范围广的应用特点，具有故障检测和远程监控 功能，提高了电源装置的可靠性，为用户构成管线防腐远程管理和维护系统提供 了硬件保障，同时可实现防腐电源供应商对产品的远程故障诊断和技术支持，增 强了产品的市场竞争力。 1 2 相关技术国内外发展现状 我国6 0 年代初开始在各油田试用阴极保护技术，到1 9 7 0 年长输管道开始 建设时，阴极保护已是必不可少的技术，它可以成功控制埋地管道的腐蚀，延长管 道的寿命，为管道的安全生产提供了技术保证 3 1 。现在，国内阴极保护技术正在 快速发展阶段，随着经济建设的发展，地下金属结构设施愈来愈多，对金属防腐 技术的需求也日益增加。国内已有多家公司从事阴极保护用金属防腐电源的生产 和销售，但目前多数产品采用晶闸管可控整流技术得到直流电流，产品体积大， 功率因数低，控制精度差，可靠性不高。也已有少数产品开始采用高频开关变换 技术，但生产成本高，价格贵。此外，防腐电源控制没有与管道保护效果评价相 关的测量技术和测量方法结合，另一个不足就是产品的可靠性和耐用性差，直接 影响保护的效果。在国内，全数字控制的高性能恒电位金属防腐电源的开发还处 于起步阶段【2 】。 国外在2 0 世纪3 0 年代在金属管道上推广使用阴极保护技术。近年来，国外 用于防腐工程的恒电位金属防腐保护技术，紧跟电子技术和信息技术的发展，采 用高频开关技术和无线通信技术，使恒电位金属防腐电源实现了小体积、高功率、 高可靠，并且实现远程监控。例如，美国的f a r w e s tc o r r o s i o nc o n t r o l 公司生 产的恒电位金属防腐电源可进行远程监控。目前，发达国家对阴极保护防腐电源 武汉理i ：人学硕十学位论文 的研究主要针对测量方法、测量技术、保护评价的研究，以及替代能源的开发与 应用和区域化无线远程控制技术等方面的研究【4 。5 】。 在我国对未来阴极保护防腐电源技术的研究和应用，将在不断应用新技术的 同时，加强对这种特种电源装置的可靠性设计，并规范可靠性实验方法和标准， 提高防腐电源的可靠性和耐用性。并将数字控制、通信技术和网络技术用于防腐 电源系统产品，为大面积区域型阴极保护实现远程高效的遥测、遥控和集中管理 创造条件，提高管路阴极保护系统的经济性和管理水平，最终构成以数字控制高 性能防腐电源为分布节点的数字化、自动化和智能化区域保护或长输管道保护系 统6 7 1 。 研究和丌发高效率防腐电源技术为有效利用新型能源打下基础。将风力发电 机、潮汐发电机、太阳能和燃料电池等新型能源作为阴极保护防腐电源系统，发 展利用可再生能源和自然资源的环保型防腐电源系统，是未来强制阴极保护技术 重要的发展方向。 1 3 阴极保护技术 1 3 1 阴极保护原理 阴极保护的定义是：通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较 低的电位而使腐蚀速率降低。保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止( 或可忽 略) 时所需的电位。实践中，钢铁的保护电位常取0 8 5 v ( c s e ) ，也就是说， 当金属处于比0 8 5 v ( c s e ) 更负的电位时，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽 略6 1 。 电化学腐蚀是由于金属与电解质溶液接触时，金属表面各个部分存在一定的 电位差( 即存在阴极区和阳极区) 所引起的。例如，海船体水下表面由于镀层缺 陷或其他原因引起不同区域的电位差可达5 0 - - 一1 0 0 m v ，这样的电位差足以引起溃 疡腐蚀。有的海船航行两年后船体钢板上腐蚀深度达到2 5 m m ，并出现直径为 1 0 - - - 2 0 m m 的蚀坑。电极反应的方程式如下0 0 1 ： f e f e 2 + + 2 e 一 ( 1 - 1 ) d 2 + 2 4 d + 4 p 一专4 0 h 一 ( 卜2 ) 3 武汉理工人学硕十学位论文 腐蚀电流 a 未进行阴极保护 b 强制电流阴极保护 图i - i 阴极保护的原理 为了消除金属表面不同部位在电解质溶液中的电位差，可通过牺牲阳极或 外加电源对金属构筑物施加阴极电流，使其发生阴极极化。极化结果使金属的电 位向负方向移动，直到原来的电位差消失，腐蚀自然停止f 1 1 1 。 外加电流法( 又称强制电流法) 阴极保护的原理如图1 1 所示，它由阴极保 护电源为主的直流电源与辅助阳极、参比电极组成的对被保护金属体构成阴极防 腐保护系统，阴极保护电源是主体。 1 3 2 阴极保护电源技术 阴极保护电源是一种能够根据给定电压和反馈电压信号实时调整输出的大 功率工业电源，是埋地金属构件实施外加电流阴极保护，防止或延缓电化学腐蚀 速度、减少各种危险事故的主要设备 1 l ，阴极保护电源在国内被广泛应用。 用于阴极保护的阴极保护电源整体说是一个负反馈放大输出系统，与被 保护物( 如埋地管道) 构成闭环调节，通过参比电极测量通电点电位，作为取样 信号与控制信号进行比较，实现控制并调节极化电流输出，使通电点电位得以保 持在设定的控制电位上。其过程是：不管什么原因供电系统电压波动，环境 介质导电性变化，或电路参数漂移使输出增大，导致通电点电位上升，则取 样信号增大，取样信号是加在阴极保护电源比较放大的反相输入端，与接在正相 输入端控制信号比较后使放大器放大倍数下降，控制极化电源输出减小，使通电 点电位下降，回复到原设定的控制电位值上；同样，如果什么原因使通电点电位 下降，参比电极得到的取样信号下降，经过与控制信号比较使放大器放大倍数上 升，控制极化电源输出增大，通电点电位上升，回复到原设定的控制电位值上。 也就是当外部或内部任何原因造成被保护物对地电位变化时，阴极保护电源都能 相应地增大或减小输出把变化的电位拉回来，使通电点电位保持不变忙l 。 4 武汉理。i ：大学硕十学位论文 只要仪器的放大倍数计算设计得j 下确，取样信号特性与仪器输入输出特性有 足够的线性一致，并且调整良好，阴极保护电源在额定工作范围内可使被保护物 通电点的电位与设定的控制电位一致，误差一般在5 m v 以下。正因其有使通电 点电位保持近于恒定的性质，因此称为阴极保护电源。 阴极保护电源的核心是比较放大器，由深度负反馈的差动放大器构成，现在 一般采用性能优良的集成运算放大器担任，其输入是控制和参比( 取样) 电路， 输出到跟随放大、控制移相、振荡等电路生成触发脉冲，极化电源由晶闸管整流 电路构成，通过改变导通角实现调节输出 1 2 l 。 以上是交流供电的阴极保护电源的流行电路，无交流供电地区仪器一般用脉 宽调制控制直流逆变得到极化电源输出的变化，控制和调节的原理和功能相同。 阴极保护电源的接线不复杂，一般由4 条电缆组成( 不考虑误差、故障报警 等附属电路可引出的信号接线) ，分别接于：输出阴极、输出阳极、零位接阴、 参比电极。输出阴极是阴极保护电源输出的负端子，接至被保护物的通电点，输 出阳极是阴极保护电源的正端子，接至辅助阳极( 地床或深井阳极) ；零位接阴 是仪器电路的地端，接于被保护物通电点附近，参比电极即取样信号输入端，接 埋设在通电点附近的参比电极。输出阴极和输出阳极电缆要有足够的截面积，一 般不应小于1 0m m 2 ；零位接阴和参比电极对电缆截面无要求，只考虑足够强度 即可。阴极保护电源的接线都应该是铜线，远端并应焊接【2 i 。 目前国内生产和使用的防腐电源产品中，主要采用晶闸管相控整流电源，其 特点是结构简单。但采用工频变压器和滤波电感，因此体积庞大，铁损和铜损严 重，效率不高，大功率输出时有振动噪声；因触发角控制精度的限制，输出电压 控制精度低；控制信号在每个工频电压半个周期内作用，纹波大，动态响应性能 差。尤其在低输出电压深度控制时，电流畸变严重，对交流电网产生谐波污染； 同时，功率因数很低，造成供电系统的能量损耗。可见，传统的防腐电源已经不 能满足对现代电力装置节能、低谐波污染和高效率的要求。 1 4 课题主要任务 针对传统阴极保护电源存在的一些缺点，利用大功率开关电源技术和数字控 制器实现阴极保护电源的高频化和数字化。本课题的主要研究内容包括： ( 1 ) 对比全桥d c d c 变换器的z v s 和z v z c s 两种技术，分析实现软开关的条 件，选择适合本电源的主电路拓扑结构。 ( 2 ) 对f b - z v z c s p w m 变换器结构进行电路设计，包括：输入整流桥、逆变 桥、高频整流桥、输出滤波电路、高频变压器的设计和制作。 ( 3 ) 详细介绍了主控制芯片和驱动器设计，以及软件部分。 武汉理t = 人学硕十学位论文 ( 4 ) 搭建阴极保护电源实验平台，验证设计思路和设计方法。 6 武汉理j ：大学硕十学位论文 第2 章高频开关型阴极保护电源电路方案 2 1 阴极保护电源的技术需求和技术指标 研制高频数控防腐电源系统，将输入3 8 0 v 标称交流电压变换成0 一l o o v 可 调直流电压，并对阴极与参比电极的电位进行控制，稳定电位范围一o 5 一3 0 v 连续可调。研究交流一直流变换系统的拓扑结构和控制方法，达到9 7 的变换 效率，具有完善的保护功能，能可靠地单机运行和组合运行。对变换系统的模块 化结构进行研究，成果直接用于实现强制电流阴极保护电源系统产业化。 阴极保护电源技术指标如下： ( 1 ) 输入电压：a c 3 8 0 v 士1 0 ；频率：5 0 h z - - l 5 ； ( 2 ) 输出电压电流：l o o v 1 0 0 a ； ( 3 ) 输入功率因数： 0 9 7 ： ( 4 ) 效率：9 2 ； ( 5 ) 恒电位功能：最小恒电位范围0 5 3 0 v 连续可调； ( 6 ) 恒电位精度：士l o m v ； ( 7 ) 环境温度：1 5 7 5 摄氏度； 2 2 主电路方案选择 图2 1 所示为高频开关型阴极保护电源的结构图。阴极保护电源的主电路包 括输入e m i 滤波、输入整流滤波、d c d c 变换器、滤波输出。辅助回路包括辅 助电源、控制电路。控制电路是整个系统的核心部分，包括信号的检测、驱动信 号的产生、以及过流过压保护和电源参数显示等。 图2 - 1 高频开关型阴极保护电源的结构图 为了实现阴极保护电源的模块化设计，本文首先设计一台阴极保护电源 ( 1 0 k w ) ，通过调试试验吸取设计经验，为模块化阴极保护电源的设计打下基 础，图2 2 给出了模块化阴极保护电源的结构图，这种结构可以根据实际需求投 武汉理工人学硕十学位论文 入相应数目的模块，实现了电源的冗余控制。 交 a c ，d c 变换 d c d c 变换 一她 一， i 3 8 0 f 2 k w 、 控制器控制器 ，、 卜蠢一磊一r 。 - j ii 边 j 一 id c d c 变换 l f 2 k w l 显示面板 i 控制器 i i 广 i j 一 宅 ld c d c 变换 i 一一 2 k w l i 7 1 i 控制器 图2 2 模块化阴极保护电源结构图 l 一 1 -zd r ll d r 2 c 一一 一负 载 1 zd r 3zd r 4 图2 - 3 为d c d c 变换器的拓扑结构 图2 3 为d c d c 变换器的拓扑结构，主电路中d c d c 变换器是系统的关键 部分。我们知道，功率开关管的电压和电流额定值相同时，即所选型号相同时， 变换器的输出功率通常与所用开关管数量成正比，开关管越多，输出功率越大。 由于需要的功率较大，故本设计采用的全桥式变换器，它是半桥电路输出电压的 一倍，而每个开关管承受的电压仍为电源电压，但是输出功率增大一倍。全桥电 路的主要不足之处是需要4 组绝缘的开关管驱动电路，使控制驱动电路的成本增 大并且比较复杂，而且容易发生直通的现象，这是需要尽量避免的。为了提高输 出电压和输出电流，变化器次级侧采用全桥整流。 2 3 全桥移相z v s p w md c d c 变换器 提高工作频率可以减小变换器的匝数，并减小铁心的尺寸。但是开关频率越 8 武汉理i ：人学硕士学位论文 高，开关损耗也会随之增大，电路的效率会降低。为了提高系统效率，本设计尝 试使用软开关技术。接下来本文将对全桥移相z v s p w md c d c 变换器和移相 全桥z v z c s p w m d c d c 变化器进行详细的介绍，并选择适用于本设计的变换 器。 在中大功率场合，全桥变换器成为国内外d c d c 变换器中最实用的电路拓 扑形式。采用软开关技术的全桥移相控制p w m 变换器拓扑结构主要分为z v s 、 z c s 、z v z c s 三种。全桥移相控制零电压开关p w m ( 简称f b z v s p w m ) d c d c 变换器滞后臂实现z c s 困难，副边占空比容易丢失的特性导致其应用受到阻碍。 随之改进的全桥移相控制零电压零电流开关p w m ( f b z v z c s p w m ) d c d c 变换器很好的解决了上述问题 3 5 1 。 如图2 4 为电路原理图，为直流电压，q q 为四个功率开关管， 圜一吼为相应的体二极管，g c 4 为开关管输出电容或者并联电容，厶为变 压器的漏感，变压器的副边电压经过全桥整流以及l c 滤波器给负载供电，利用 漏感和电容谐振，漏感储能电容c 释放过程中，使得电容c 电压逐步下降到零， 体二极管导通，创造了开关管的z v s 条件【l 引。 l _ 、d r lz d r 2 c 一= 负 载 1 zd 门zd r 4 图2 4 全桥移相z r v s p w md c d c 变化主电路结构 u 9 1 厂 厂 u 9 3厂 鳖! 厂 厂一 u 9 2同f 融厂 u 9 4 逵i 厂 厂 图2 - 5 全桥移相z v s p w md c d c 变化器的驱动信号 图2 5 给出了全桥移相z v s p w md c d c 变换器中四个开关管的驱动信号， 为了改变占空比，采用了移相控制技术，可以实现软开关。开关管q l 和q 组成 超前桥臂，其驱动信号互为相反，并且两者之前的死区时间为鸪，q 和q 开关 管组成滞后桥臂，其驱动信号互为相反，并且两者的死区时间为应：，全桥四个 开关管的对角线开关管驱动信号合理分配，改变超前臂和滞后臂的移相角，就可 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 以改变原边电压的占空比，从而控制输出电压的大小 1 9 l 。 p s z v s p w m 软开关移相控制的d c d c 全桥变换器，它的1 个工作周期全 过程实际有1 2 个不同的工作状态，并且这些状态持续时间很短。虽然原理上说 正半周与负半周对称相同，但是在主电路中的主要开关器件q i q 4 、c l c 4 、 v d , 一吼，其工作状态在1 2 个过程中均有所不同。除了正半周与负半周的各有 一个功率输出过程，分别有相应的几个谐振过程：超前臂丌关管完成谐振过程此 时开关管实现零电压关断，滞后臂开关管谐振和换流过程；还有原边变压器漏感 和滤波电感储能返回直流母线过程，高频变压器原边电流增大或减小时过零点结 束剧变过程，以及副边整流管续流工作时的相应变化过程9 1 。 一个完整开关周期中正半周的6 个工作过程可以概括为： 1 ( t o 一 ) ：直流母线向负载提供能量的功率输出过程 在岛之前，q 、幺均已开通，并且持续至l j t o 时刻，并在( t o t 1 ) 时间段维 持q l 、q 4 同时导通，与此同时q 2 、q 3 关闭。因此在一时间段，全桥超前臂 支路中点电压，滞后臂支路中点电压为零，所以两臂中点之间电压，它加在主高 频变压器原边绕组两端，能量通过变压器耦合到副边侧。使原边绕组电流从“时 刻的急速增大【2 0 1 ，故电能不断转化为磁能存储于变压器线圈和送到负载，它表 现为原边电流和副边电流的不断增大。在时刻原边电流从起始值线性升高到 最大正峰值， 矿一 ， f p ( ) = = + 堑等( f i t o ) ( 2 - 1 ) 十n 式中：厶是主变压器原边漏感与外加谐振电感量以及线路分布电感之和； ，1 2 厶是副边输出滤波电感折算到原边的电感量；n 为变压器原边和副边的匝数比。 在向负载提供能量的过程中，软开关移相控制全桥电路的工作状态，与普通 的p w m 硬开关全桥脉宽调制电路没什么区别，都将直流母线电压传递给负载， 即两臂对角线上下开关管同时导通，直流母线电压全部施加在原边绕组上，一部 分给电容充电，并且向副边传递能量【2 1 1 。 2 ( 一厶) ：超前臂谐振过程 当原边电流f 。在功率输出过程中逐渐升高到最大峰值时，此时关断q l ，于是 切断了直流母线供电通路，直流母线不再向副边提供能量，变压器起到隔离的作 用。并且由于电感的存在，原边电流不会突变，仍维持f 。从原来方向流动，在此 阶段超前臂并联电容g 、g 迅速充放电，并且充电时间很短，他们与漏感和滤 波电感折算到原边的电感等效电感串联谐振，使超f j 臂中点电压快速降低，使超 前臂上管电压降到零，这就为开关管的零电压关断创造了条件。可以将此过程称 为超前臂并联电容谐振过程。 在此阶段，由于q 关断时的原边电流f 。幅值很大，并且由于超前臂两管并联 1 0 武汉理1 ：人学硕+ 学位论文 电容的容值很小，充电时间常数很小，故电容c l 、g 的充放电过程很快完成， 使超前臂中点电压从直流母线电压快速下降，在乞之前已降为零。在一f ，时间 段，由于变压器原边电压仍维持原极性不变，故副边感应电压极性仍为上正下负， 没有发生变化。 开关管q 的关断使原边电流f 。由正向增大状态时突然失去供电通路，直流母 线提供的能量迅速减小，存储在变压器漏感中的磁能开始向副边耦合，此时电感 续流向负载供电【2 引。 在之后相当短的期间参与谐振的等效电感量( 变压器漏感加上滤波电感折 算到原边侧电感之和) 很大，使原边电流突变，可近似把f 。堪称恒定电流。谐振 结束时( 乞之前) ，这时谐振电压已使降到了一0 7 v ，此时q 反向并联二极管 哆立即被迫导通，把开关管q 3 两端电压钳位在零电平，此时开通q ，q 3 的开 通称为零电压开通。为了保证电容电压在死区时间内降到零，让紧接的t ，时 刻q 3 顺利实现z v s 零电压开通，完成由q 到q 的换流，超前臂死区时问的选择 应满足如下条件： r1 ， 业( 2 - 2 ) 口 3 ( 如一厶) ：原边电流f 。正半周续流过程 在前面两个阶段，在乞之前因超前臂开关管谐振使吗导通箝位，q 实现了 零电压开关，并且虬= 0 、虬。= o ；谐振过程中，并联电容c l 、c 3 完成充放电， 持续时间很短，原边电流f 。仍维持原方向流动，谐振电压已使酢降到了0 7 v ， 故续流回路自然从毛、屯转移到体二极管哆导通续流，并且原边电流急剧减小。 故体二极管阻已提前为原边电流提供了续流通路，即使两臂中点电压为零，但 是原边电流仍按原方向续流流动、只是不断衰减。并且原边电流值等于折算到原 边的输出滤波电感电流值 f 。( f ) ：璎( 2 3 ) 以 f 。( 岛) = 厶 ( 2 4 ) 式中t 为负载电流。 4 ( 岛一) ：开关管q 4 关断后滞后臂谐振过程 在f 3 时开关管q 4 由导通变为截止，使按原方向正向续流的原边电流f 。在滞后 臂突然失去供电通路，此时电流开始减小。而时原边电流f 。缓慢降到j ：，仍按 原方向流动对c 4 充电，同时对c 放电。 由于开关管q 关断后，c 4 充电电压急剧0 升高变为正极性，使滞后臂 中点电压由0 变为正值，故眈。极性发生变化，由正极性变为负极性。在( t 3 一t 4 ) 期间，原边电流和滞后臂谐振电容电压变化关系式为 武汉理ji ：人学硕十学位论文 i v = 1 2 c o s ( o r ，缈2 丽1 ( 2 - 5 ) 厅 = k p 厶s i n c o t ，k p = 1 音 ( 2 - 6 ) = 吃一k p 厶s i n c o t ( 2 - 7 ) 在时刻谐振电压升到直流母线电压，副边反向电压增大到负峰值，使 副边感应电压也增大到最大。 5 ( 一厶) ：谐振结束时体二极管嗡导通续流，原边电感储能返回直流母线 如阶段4 所述，f 4 时刻因并联电容c 2 、c 4 与等效串联电感( 变压器漏感 和副边折算输出滤波电感折算到原边侧电感之和) 串联谐振，= 矾迅速升到 直流母线电压，使哆导通续流，把开关管q 2 两端电压钳在零电位，为开关 管q 2 实现零电压开通创造了条件。( 一岛) 期间，因为时刻q 已导通续流， 使开始向下增大的原边电流又经q 返回直流母线，补偿了直流母线的全桥电路 上的功耗，故称( 一氏) 为电感储能回送直流母线期。 6 ( 一瓦) 原边电流开始负向增大 在( 一乞) 原边电流按原方向流动急剧减小到0 这段时间，滞后臂上管q 2 已导通，且超前臂下管q 3 在之前已经开通。故在岛一气期间由于副边的4 个二 极管同时导通切断了反馈回路，故原边电流f 。按最大变化率急剧减小到0 时，使 导通续流的二极管吼和哦自然关断，形成新的供电通路，为下一步即将开始 的负半周功率输出阶段创造了条件。厶之后原边电流仍按该变化率从零值开始反 向增大，维持急剧增大趋势，直到电流增大到负峰值。 原边电流f 。在滞后臂谐振开始的向上、向下急剧变化过程中，i 。向上或向下 没有明显的过零阶段，滞后臂谐振引起的原边电流的向上或向下急剧变化过程， 此时副边的4 个整流二极管同时导通，副边绕组电压箝位在低电平的占空比丢失 过程，前面正半周6 个过程可归纳如下： 以时刻滞后臂电容充放电谐振，这是实现软开关的关键一原边、副边绕组电 压极性反向一副边全桥整流二极管d r 2 、珧导通，短路副边绕组，反馈电感续 流被中止一原边电流f 。急剧减小，原边电感储能返回直流母线，此时死区时间结 束、q 2 实现z v s f 。减小到零，并开始反方向流动、仍急变向下增大到负峰值 一副边绕组电压成为交变的高频方波脉冲一副边输出滤波电感反射回原边绕组 一结束原边电流急变过程，开始新的能量输出过程。 经过分析得到，全桥移相z v s p w md c d c 变换器存在的缺陷有： ( 1 ) 轻载时难以实现软开关。 ( 2 ) 占空比丢失和效率的矛盾 ( 3 ) 滞后臂难以实现软开关 武汉理1 ：人学硕十学位论文 2 4 移相全桥z v z c s p w md c d c 变化器工作原理 移相全桥z v z c sp w md c d c 变换器( f b z v z c s p w m d c d c 变换器) 超f j 臂实现零电压开关( z v s ) ，滞后臂实现零电流开关( z c s ) 。如前所述，全 桥d c d c 变换器中，超前臂开关管只能实现零电压开关。移相全桥z v z c s d c d c 变换器( f b z v z c s p w m 变换器) 与前面所述的z v s 移相全桥变换器 相比，可以通过增加辅助电路使原边电流减d , n 零时丌通或关断开关管，使滞后 臂实现零电流丌关。 我们知道，z v z c s 全桥移相变换器滞后臂软开关的实现关键在于使原边电 流复位。电流复位方法是z v z c s 全桥移相变换器系能优劣和效率高低的一个决 定因素。由于变压器电感和分布电感的存在，会造成占空比丢失严重，占空比丢 失对电路性能造成很到的不利影响，因此要尽量减小变压器漏感和线路的分布电 感。 总的来说，要使原边电流复位，就需要使原边存在串联的反向电动势，利用 反向电动势迫使电流复位，最直接有效的方法是在原边串接阻断高频电容和饱和 电感。 在实际应用的电路中，由于开关性能的差别，使得开光管q 1 和q 3 的昌通时 间和通态压降不可能完全与开关管q 和q 4 相同，并且中点电压不可能是一个 纯粹的交流电压，而是含有相当部分的直流分量，由于高频变压器原边绕组的等 效电阻很小，故在直流分量长时间作用下，变压器磁芯会出现饱和现象，使变压 器不能正常工作，甚至造成电路短路烧毁开关管。因此为了确保电路正常工作， 有必要消除直流分量，而抑制直流分量可采用电流瞬时控制技术，当前应用比较 广泛的是采用峰值电流控制方式，保证g 和q 导通末期的电流和q 、q 4 导通末 期的电流相同，就可以有效防止变压器直流饱和，使电路正常工作。工程上通常 在变压器原边电路中串接高频隔直电容，电容的交流电压约为圪。的1 0 ，该高 频电容承受了的直流电压分量，使变压器原边侧上只有交流分量。 原边串接阻断电容式实现z v z c s 的方法之一，本文就是采取的该方法，下 面简要介绍串接阻断电容的z v z c s 全桥移相变换器的工作原理。 武汉理+ i ：人学硕十学位论文 l 图2 - 6z v z c s 全桥移相变换器拓扑结构 为分析方便做如下假设： ( 1 ) 阻断电容c 足够大； ( 2 ) c i = c 3 ； ( 3 ) n 为变压器初、次绕组匝数比； ( 4 ) 所有开关管、二极管为理想器件，电容、电感为理想元件； 变换器在半个周期内的工作原理可分为6 个工作时段来分别描述，对应的等 效电路图如图2 7 所示。图2 8 为工作波形。 一璎 毒隅f _ - l d n2 lo - 2 c 一= 负： 载 蜘嫦啪j _ ld f 32、0 t 4 一啦一 开关模态4 l 乎 抖一【替 -_ ；m 鞴 j j 也 j j l t l d n2 一 c b n ：i _ r r i碍0 4 【鲁 2id f 32 图2 7 开关的各个模态等效电路 1 开关模态l 【t o 时刻】： 在f o 时刻，开关管q 和q 4 已导通。当前电路存在两个回路：一方面变压器t 武汉理一i ：人学硕+ 学位论文 原边电流f 。正半周功率输出到负载，另一方面给高频阻断电容c 充电。在此阶 段，负载电流为定值厶= ，。i n ，厶为负载电流。 2 开关模态2 【气一】： 超前臂丌光管谐振过程。在气时刻关断开关管q l ，原边电流从开关管q 转 移到并联电容c l 和c 3 支路中，给电容c l 充电的同时，同时抽走电容c 3 电荷进 行放电，由于电容c l 和c 3 的存在，而电容两端电压不能突变，此时关断开关管 g ，因此q l 实现零电压关断。在这个阶段，变压器漏感厶、线路的分布电感和 输出滤波三，电感串联，由于输出滤波电感，比较大，可以近似认为此时原边电 流和输出电流维持不变，即原边电流相当于一恒流源。此时由于e 电荷被抽走， 电容g 上电流在原边电流作用下线性下降，并且q l 两端电压线性增长，电压表 达式为： l 哪) 2 赢( 2 - 8 ) 式中，。电感电流； n 变压器原副边匝比。 移相角口一 qq 3 q lq 2 f i 。 t 一 。 f t oht 2t 3 _ t 1 一 图2 - 8z v z c s 的主要工作波形 3 开关模态3 f l 一乞】： 正半周筘位续流过程。在t l 时刻，体二极管d 3 已经导通，电容g 两端电压 武汉理，i ：人学硕+ 学位论文 为0 ，此时开通q ，故q 3 为零电压开通。原边电流通过体二极管d 3 和开关管幺 续流，并且中点电压圪口始终为零。原边电流在阻断电容的作用下迅速减小，导 致副边电流迅速减小，副边整流桥处于续流状态。此时变压器原边和副边短路， 没有能量的传递。可以认为原边电流基本上是线性减小，可以得到该模态持续的 时问为： ：= 警 ( 2 - 9 ) 1 2 一。一 l， ，c b 4 开关模态4 乞一岛】： f 。下降到零，输出整流管关断，因此原边没有电流流过，i p 继续维持在零电 流状态，负载电流i o 全部输出电感续流提供。 5 开关模态5 【岛一乙】： 毛时刻关断丌关管q 4 ，由于此时原边电流已将到零，因此q 4 实现了零电流 关断，从而使i g b t 电流拖尾现象消失。在以时刻，原边电流方向增加向负载 提供能量，可以得到该模态持续的时间为： 5 藏 q - 1 0 ) 6 开关模态6 t 4 一岛】： 从时刻开始，。上升到最大值，同时阻断电容开始反向充电，输出整流二 极管开始整流，能量有原边传输到负载。 另一个开关周期类似于前面描述的6 个模态。 2 5 几种实现z c s 的方法 下面介绍几种f b z v z c s p w m 变换器实现软开关的典型电路和实现方法。 为了解决滞后臂软开关的问题，一般要在全桥移相变换器的基础上加入辅助电 路，根据辅助电路在变换器中的位置，f b z v z c s p w m 变换器可以分为变换器 原边加辅助电路和变压器副边加辅助电路两种形式 3 s i 。本文主要讨论在变压器 原边加辅助电路的方式。最早提出的拓扑结构为滞后臂开关管支路上串接二极管 和电感和阻断电容的z v z c s 变换器。 1 6 武汉理+ r 大学硕十学位论文 j 吼k 出q k j - 丁 l ，y 、 气7 tz d r l d r 2 v d c 。 c 一= 负： l i 载 l 、7 c b n ：1 - zd bzd r 4 i q 3 且q 一 i 一r 了一卜一士一、一 图2 - 9 滞后臂之路