（电机与电器专业论文）现代高频软开关功率变换研究.pdf

两北丁业 学啦f ：学位论史 a b s t r a c t an o v e l p h a s e s h i f l e dz e r o v o l t a g ea n dz e r o c u r r e n ts w it c h i n gp 恂 d c d cf u l l b r i d g ec o n v e r t e ri sp r e s e n t e di nt h i st h e s is ，w h i c hisb h s e d o nt h eg r o u n d w o r ko fs u m m a r i z a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fp o w e rg l e c i r o n i c s i nr e c e n t y e a r s a n dl u c u b r a t i o ni nt h e o r e t i o a th a s i s o fm o d e r n h i g h f r e q u e n c ys o f ts w i t c h i n gp o w e rc o n v e r tt e c h n i q u ea n da n a l y s i so f o p e r a t i o n p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i a t i co ft h ec i r c u i ta n di n h e r e n td r a w b a c k so ft h e t r a d i t i o n a l p h a s e s h i f t e dz e r o v o l t a g es w i t c h i n gp w mp c d of u l l b r i d g e c o n v e r t e r e x p l i c i td e s c r i p t i o no fm a i nc i r c u i tl o p o l o g y ，o p e r a t i o rp r i n e i p l e ， c h a r a cl e r is t i co ft h ec i r c u i to ft h en o v e lp h a s e s h i f t e d z e r o v o l t a g ea n d z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gp w md c d of u l 卜b r i d g ec o n v e r t e ra sw e lla st h e s i m u l a t i o na n a l y s i sw i t ht h ep s p i c es o f t w a r ef s p r o p o s e d o nt h eb a s i so f t h e o r ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ed e s i g n ，e x e c u t i o ba n de x p e r i m e n t m s t u d yo ft h ep h a s e s h i f t e dz e r o v o l t a g ea n dz e r o c u r r e n ts w i t c h i n gp 州 d c d cf u l l 一b r i d g ec o n v e r t e ri sf u l f i l l e d t h ed e s i g ni n v o l y e sc a l c u l a t i o n o ft r a n s f o r m e ra n di n d u c t o ri nm a i nc i r c u i t ，p a r a m e t e rs e l e c t i o no fe a c h e l e m e n ta n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o la n dp r o t e c t i o no i r c u i t e v e n t u a l l y ，s t u d yo na c t j v e c l a m pz v sp d af o r w a r d f l y b a c kc o n v e r t e r w i t hc u r r e n td o u b l e s y n c h r o n o u s r e c t i f i e ri s p r e s e n t e d w h i c hi s f a s h f e n a b l ei nt h ea p p i c a t i o nf i e l do fm e d i u ma n dl o wp o w e r s u p p l v k e y w o r d s ：p h a s e s h i f t e dc o n t r o l p w mz v sz c s 两北t _ 业凡学顺i 。学位论史 第一辛绪葩 第一章绪论 咀电力为对象的电子技术称作电力电子技术，它是一门利用电力电子器件对 电能进行控制和转换的科学。电力电子技术是建立在电子学( 半导体器件、电路) 、 电力技术( 旋转电机、静止变流器) 和联系这两门学科的控制技术( 连续、离散) 三大技术之上的技术。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 逐步发展为门多学科相互渗透的综合性技术学科。 1 1 现代电力电子技术 伴随着1 9 5 6 年第一个晶闸管( s c r ) 的发明诞生了电力电子技术。1 9 5 7 年至 1 9 8 0 年称为传统电力电子技术阶段，1 9 8 0 年以后随着新一代高频化、全控型的功 率集成器件的出现，进入了现代电力电子技术阶段。新一代器件的问世，使得电 力电子变换电路及其控制系统不断革新。各种各样的脉宽调制( p w m ) 电路、零电 压零电流丌关谐振电路以及高频斩波电路等己成为现代电力电子技术的重要组成 部分。现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面有以下特点：集成化； 高频化；全控化：电路弱电化、控制技术数字化；多功能化。 1 2 新型变流技术的发展 变流电路的基本功能是使交流和直流电能进行相互转换，基本的转换形式有 四种：q ) a c d c 整流；a c a c 交交变流，包括周波变流和间接交流变换；d c d c 斩波，包括直接直流变换和间接直流变换；d c a c 逆变，有三种形式：一是电压 型逆变器，二是电流型逆变器，三是谐振型逆变器。变流电路大多采用脉宽调制 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m ) 技术，许多新型的变换技术能否采用p w m 也成 为技术优劣的标志，这是近代可关断功率器件变流技术发展的必然要求。 1 2 1 脉宽调制电路 脉宽调制技术已广泛地应用于斩波和逆变这两大基本变换电路，即d c d c 与 d c a c 变换电路中。 l 、d c d c 变换 d c d c 变换电路中，即所谓的斩波电路，它的主要任务是将不可控的直流电 压变成可控的直流电压，在丌关型直流电源及直流电机调速系统中广泛采用。全 控型器件在斩波电路中作为快速丌关，通过p w m 控制其输出电压的大小。丌关频 率越高输出电压纹波越小，快速性、灵敏度越好。全控型器件的高频化使得传统 的斩波电路赋予全优化的内涵。斩波电路有很多种形式，主要有：降压斩波电 路：升压斩波电路：升降压斩波电路；库克斩波电路：争桥变换l 乜路。 升压和降压斩波电路为基本形式，其余电路由这两种r 乜路演变而成。 2 、d c a c 变换 d c a c 变换是最常用的一种变换，通常这种电路分为两种：种为c v c f ，【 i i j 恒压恒频电路，用于u p s 等电源装置：另一种为v v v f ，即耐压调频电路，用于瓮 珂北t 业凡学倾l j 学位论丘= 流电机调速系统。 最常用的d c a c 变换方式也是所谓的p 州电路，这种电路可获得理想的l f 弦 波彤，使谐波减到最小。从输入控制信号柬分p w m 控制有直流p 删和f 弦p 州( s p 州) 两种控制方式。由于后者输出谐波最小接近正弦波，因此用得最广泛。实现s p 州 的原理主要有四种：载波调制式：按最小谐波计算刀。关角度式；按电压矢 量控制磁通轨迹式；调制和电流跟踪式。 1 2 2 双零开关谐振电路 虽然这种普遍应用的p w m 技术在充分利用可关断器件特点的基础上很好地解 决了d c d c 和d c a c 变换控制问题，但过高的开关频率带来了如下方面的弊端： 丌关损耗大；开关管应力大：需要附加吸收电路：系统体积大。为了解 决这些问题，人们采用提出了双零开关即零电压和零电流开关( z e r ov o r a g ea n d z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ，简称z v s 和z c s ) 谐振电路。它是利用谐振现象进行 换相的一种新型变换电路，最初用于感应加热之类的静止负载中，现在广泛用于 计算机和办公自动化设备所用的直流电源中，用于交流电机调速系统的变换电路 也丁f 在丌发。 双零丌关谐振电路是为了克服p w m 电路的缺点而产生的。在p 州电路中，电 力电子器件工作在开关状念，每次均在高电压下开通，大电流下关断，器件承受 的咖d t 及州础较高并产生相当可观的丌关损耗，这种丌关损耗随着丌关频率 的增加而增大。为了减小整机体积，一切电力电子装置都希望在高频下运行，但 频率的增加又使开关损耗大大增加。此外开关运行中较高的西d t 及讲矾又会 产生严重的电磁干扰，不但影响自身系统的可靠性，而且影响同电网的其他设备 运行，这些都是p w m 电路存在的缺点。 为了克服上述缺点，在d c d c 和d c a c 变换电路中，若在电压过零或者电流 过零时进行丌关切换，这样可既不产生开关损耗，器件承受的d v d t 及旃出不 会太高，也不会产生严重的电磁干扰。采用双零开关的电磁谐振电路的变换器即 可实现上述目的。 采用双零丌关谐振电路，变流电路在减小体积和重量、改进效率、提高精度、 增加快速性以及增大电压、电流、频率的控制范围等方面将有较大的进步。无沦 是电机驱动用v v v f 逆变器还是电源类用c v c f 逆变器以及运用广泛的高频靳波器 都会变的, b r 5 玲珑。性能可靠。 1 2 3 先进的电力电子控制技术 变流技术的发展，不仅要采用先进的变换电路，也必须发展与之相适应的控 制技术。先进的控制技术对于改进变流电路的效率和性能是必不可少的关键技术 之一，以往主要应用模拟控制技术，这种控制技术有较大的缺点，因为参数随泓 度的变化而产生较大的漂移，致使不断地需要人工调节以控制参数的精度。采川 数字控制就可以避免这种缺点，因此变流电路控制技术发展的方向是数字化。l l l j 微型汁算机速度的提高以及现代控制理论的应用，控制技术数字化将成为、 两北丁业人学坝j 学位沧丘_ 筘一章端论 发展的趋势。 1 3 电力电子技术的应用领域 传统电力电子技术以s c r 及其相控变流电路为代表应用于直流传动、直流电 气牵引和电化学电源领域，促进了生产的发展。现代电力电子咀全控型器件及其 p w m 逆变电路为代表广泛运用于交流电机传动、不停电电源、交流电气牵引以及家 用电器等领域，电力电子技术迈进了一个新阶段。目前电力电子技术主要应用在 如下领域： i 、直流输电系统由于与高压交流输电相比高压直流输电有许多优点，因此， 有专家学者提出在今后1 0 2 0 年内将采用高压直流输电。在输电线首端采用整流 器将交流电变成直流电，经远距离直流输电后，在直流输电线末端再用逆变器把 直流电变成交流电给负载供电。 2 、有源滤波器随着电力电子产品在各个领域应用的增加，电网的谐波问题 越来越严重。传统的无源滤波器由于滤波| 生能较差已很难对付日益严重的电网谐 波问题，有源滤波便应运而生。有源逆波主要是由电压源型或电流源型p w m 变流 器和一个基准器构成谐波发生器它的主要功能是产生大范围动态谐波和无功功 率。有源逆波除了用作滤波器外，还可作为功率补偿器，电源边缘用户的电压稳 定器以及不对称负载的电压调节器。 3 、电力拖动领域利用逆变器或a c a c 直接变频器对交流电动机供电，改变 逆变器或a c a c 直接变频器输出的频率和电压、电流，即可经济有效地控制交流 电动机的转速和转矩。利用p w m 变换对斩波器输出的电压进行控制，可对直流电 机进行调速。 4 、交通领域未柬的汽车是机电一体化产品，它是微电子技术与电力电子技 术相结合改造传统产业的产物。一个高级轿车需要多个电机控制，需要对众多参 数进行检测、诊断、调节和优化控制，此外还需要通讯、电话、传真、电视等系 统。所有的这些均需要通过斩波器、逆变器或专用功率集成电路来实现。地铁、 轻轨车以及机车的牵引也是电力电子技术的一个重要应用领域。超导磁浮铁道系 统将使火车的时速高达5 0 0 k m h 。这一超高速系统采用线性同步机。同步机采用 j 0 i o o m v a 的大容逆变器。 j 、丌关电源开关电源的小型化轻量化十分重要，提高丌关频率是解决问题 的一个主要的办法。利用谐振变换器研制高功率密度软开关电源已成为时代发展 的大趋势。 6 、家用电器家用电器未来的发展必须借助于电力电子技术。家庭用的通j x 【 取暖设备、微波炉、电子光源以及众多的电动机驱动设备都离不丌电力电子变流 技术。各种p 州变流设备以及专用功率集成电路将广泛应用于现代家庭中。 1 4 软开关电源技术 随着时代的发展和人民生活水平的提高，军民用电需求量越柬越大，对电力 电子，【：关电源变换器的容量要求越来越高，同时对变换器的轻量化和小型化也提 出了更高的要求。为了实现变换器的高功率密度和高效率，必须提高丌关频率， 这就要求丌关管的丌关过程采用软丌关，以减小其丌关损耗。 最早的软丌关技术是谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 。但是，相继出现的 两北丁业人学顺l j 学位论义 谐振变换器，诸如串联谐振变换器( s e t i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s r c ) 、并联谐 振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r ，p r c ) 、准谐振变换器( q u a s 卜r e s o n a n t c o n v e r t e r ，q r c ) 以及多谐振变换器( y l u l t i - r e s o n a n tc o n v e r t e r ，m r c ) 都很难 实现p 删控制，而是通过频率调制方式( f r e q u e n c y l o d u l a t i o n f m ) 柬控制。 为了消除因频率调制而造成的滤波器的设计困难，出现了恒频谐振变换器。尽管 这类变换器的开关频率恒定，但是由于谐振变换器的电感和电容一直参与工作， 丌关管和谐振电感、谐振f 巳容的电压和电流应力较大。为了减少丌关管和谐振f 已 感、谐振电容的电压和电流应力，上个世纪9 0 年代，将谐振技术和p 州结合起柬， 实现软丌关p w m 变换成为一种趋势，零电压( z e r o v o l t a g e t f a n s i t i o n ，z v t ) 和 零电流( z e r o c u r r e n t 一? r a n s ic i o n ，z c t ) p w m 变换器应运而生。 1 5 本文研究的目的与研究的对象 随着飞机机载设备的增加和战术性能的提高，其用电量越来越大，对变换器 的容量要求越来越高，同时对变换器的轻量化和小型化也提出了更高的要求。为 了实现变换器的高功率密度和高效率，必须提高开关频率，这就要求丌关管的丌 关过程采用软开关，以减小其开关损耗。本课题的主要任务是对软丌关电源原理 进行研究。其内容包括移相控制零电压零电流p w m 全桥d c d r 变换器电路的仿真、 设计、参数的选取计算校t f 及通过工程实现对原理进行验证。 两北丁业人学倾 ：学位论文 第一章欤开关功丰变换 土术埋沦球础 第二章软开关功率变换技术理论基础 p w m d c d c 变换技术主要应用于开关电源以及直流电压的调节。使用高速电力 半导体器件，p w m 开关电源工作频率可提高到5 0 0 8 0 0 k h z ，为了满足宇航和计算 机等领域对开关电源提出的超小型化、高效率和高功率密度( 5 0 8 0 舻c m ? ) 的 要求，开关电源的频率还需进一步提高( 数兆赫至数十兆赫) 。软丌关技术为实现 这一目标提供技术保障。 在大功率的应用领域，需要解决以下问题： 。 ( 1 ) 减小器件的电压和电流应力，即降低谐振峰值电压和电流： ( 2 ) 扩大功率使用范围； ( 3 ) 由调频控制转入恒频脉宽调制，即优良的软开关p w m 控制技术； ( 4 ) 先进的智能化、数字化控制技术； ( 5 ) 高可靠性、长寿命设计技术。 2 i 典型的开关损耗 幽2 1 器件1 ：作时的典型电压、电流及能蛙损耗波形 器件在工作过程中典型的电压、电流及能量损耗波形如图2 1 所示。能量损 耗包括四个部分：( 1 ) 断态损耗( 漏电流引起的) 只；( 2 ) 通态损耗只：( 3 ) 丌通损 耗p 。：( 4 ) 关断损耗。 器件的总损耗为： p 2 只+ 只+ 匕+ 岛 ( 2 1 ) 器件的丌关损耗定义为： 只。2 只。+ 只。 ( 2 2 ) 通常，器件的断念损耗可以忽略，其通态损耗为： 。 只。【，。，i ( 2 3 ) 若假定丌关过程中器件的电压和电流按线性规律变化，同时在讨算时恝略。( 通 态压降) 和漏电流，则器件的开通损耗和关断损耗分别近似为： 西北丁业凡学顾i 。学位论文 第一二带较开关功半j 叟换扳术埋论晕蚀 式中，工。为丌关频率。 只。= l f , 。l i l t 。 v 2 i 1 ，。u l t ，w ( 2 4 j ( 2 ，5 ) 式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 表明，器件的开关损耗同丌关频率，。成f 比。随着丌关频率 的增加，丌关损耗将成为器件损耗的主要部分。软开关技术就是用柬解决以上所 存在的问题。减小开关损耗，提高变换器的效率。 2 2 软开关定义 儿用控制的方法使半导体开关在其两端电压为零时导通，或在流过半导体丌 关的电流为零时关断，则开关过程可称为软开关。如图2 2 所示。它能克服传统的 硬开关的开关损耗，理想的软开关的丌关损耗为零。采用软开关技术可提高功率变 换器的传输效率。 软开戋硬开关 、j 是 i厂 2 4 5 7 断 飞 被 于| ； t lt 2 开 o 厂上 二x = ，一 通 醴 形 图22 软开关与埂开关的比较 。 软丌关包括软丌通和软关断，其中，软开通又包括零电压丌通和零电流丌通： 软关断包括零电压关断和零电流关断。 ( 1 ) 零电压关断：丌关器件在两端的电压为零时实行关断。此关断命令在“ 时刻发出，开关器件上的电流从通念值下降到断念值后端电压才从通杏值上升到 断念值，丌关器件进入到截止状奁。在t 2 以丌关器件的端电压必须保持在通态 值，即约为零。 ( 2 ) 零电流关断：丌关器件在两端的电流从通奄值下降到零时实行关断。此 关断命令在t 2 时刻或其后发出，开关器件上的端电压从通态值上升到断态值，开关 器件进入到截止状态。 ( 3 ) 零电压丌通：丌关器件在两端的电压为零时实行丌通。此丌通命令在t 2 时刻或其后发出，丌关器件上的电流从断念值上升到通态值后，丌关器件进入导通 状态。在t 2 以盹丌关器件端电压必须下降到通念值( 约等于零) 并且在电流上升 到通态值以前保持在零。 ( 4 ) 零电流丌通：丌关器件在两端的电流为零时实行丌通。此丌通命令藿t l 时刻发出，丌关器件上的端电压从断态值下降到通态值后，电流爿从断志值上升到 通惑值，开关器件进入到导通状念。在t 2 以礼丌关器件的电流必须保持在断态值 两北t 业人学 6 i ! f 学位论文 筘一章软开关山丰叟换丁盘术理论皋垲 ( 约等于零) 。 2 3 谐振开关 将p w m 丌关同谐振电路有机地结合在一起组成谐振丌关，可实现软丌关。这 种结合过程中，谐振开关电路中的电容和电感可以巧妙地利用丌关器件的寄生| 二【：l 容、线路的寄生电感和变压器的漏感。组成谐振丌关的基本结构有三种，如图2 3 所示： ( 1 ) 零电流谐振丌关( 简称零电流开关) ； ( 2 ) 零电压准谐振开关( 简称零电压开关) ： ( 3 ) 多谐振丌关。 r 碍。 零屯流开关零电压开关多谐搞开关 剀2 3 睹振开关的基本结构 2 4 全桥d c d c 变换器工作原理 p w md c d c 全桥变换器的基本电路结构及其主要波形如图2 4 所示 基奉电蹄结构 l 冈i ：i ! 一；：7 ll t ：- ! ! ! ：- _ h 百甜 j ! ；u ? ： ： ： ： r 而厂 ：- ：0d v i “k： 主要啵形 幽2 4全挢d c d o 变换器基本i _ 乜路结构及土要波形 ，是输八是直流电压，o ，d 。q 。d 。构成两个桥臂，高频变压器| 的原 副边匝比为k ：l ：l ，d r i 和d r 2 是输出整流二极管，上，是输出滤波电感，c ，是输 出滤波电容，r 。是负载。通过控制四个丌关管q l 巴，在a 、b 两点得到个幅 值为的交流方波电压，经过高频变压器的隔离和变压后，在变压器副边得到一 个幅值为r ，的交流方波电压，然后通过由d r t 和d r 2 构成的输出整流桥，存 两北丁业大学坝l 学位沦立 第一章软开关功率蹙拯救术里论皋峭 c i 两点得到幅值为f 。k 的直流方波电压，和c ，组成的输出滤波器将这个直 流方波电压中的高频分量滤去，在输出端得到一个平直的直流电压，电压值为： l ，= d r 。k( 2 6 ) 其中，。为占空比，。2 ；毛，l 是导通时问- ，。是丌关周期。通过调节占空比。 可以调节输出电压。 2 5p w md c d c 全桥变换器的控制策略 对于p w m d c d c 全桥变换器，目前存在三种控制方式：双极性控制方式它 的斜对角两只开关管q ，、q 和q ：、q 4 同时开通和关断，它们的丌通时间不超过 半个开关周期；有限双极性方式q 、g 采用p 州控制，q ：、q 。是1 8 0 。互 补导通；移相控制方式每个桥臂两个开关管1 8 0 。互补导通，两个桥臂的导通 角之问相羞一个相位，即所谓的移相角。 为了得到输出端的脉宽调制电压k 。，实际上只需在高频变压器的副边得到一 个交流方波电压，亦即在高频变压器的原边( a b 两点) 得到一个交流方波电压。 为了得到这个交流方波电压，有两种方法，如图2 5 所示。传统的控制方法就是 使斜对角的两只丌关管q 1 o ：和q 1 & q 。同时导通或关断，每只开关管的导通时 j 日j 小于r 2 ( 丁。是开关周期) 。新的控制方法作了如下改进：易、q 。的 il ii 一 一t o n 。 t r 1 t s 2 ：7 ： ： j：ji i ： l ； ： ii ： ： t 一 ： ： ： l r l lit i i fi f t 二 十骞抗控制方式 ll j j 一 = t o n ：- ： ； f 1r = 2 f 7 ： ： l ；ji j l i _ 仵： 豳i j 朔 - 嘲 l嘲t i fi i 耕的控制策略 幽2 5 传统控制方式与新的控制策略 导通时间不变t 将q ，、q ，的导通时l 刨向前增加一段时日j 或者增加到半个周期： 9 、g 的导通时间不变，将q 、q 。的导通时倒向后增加一段时蚓或者增加到半 8 两北1 _ 业凡学坝l 学位论文 第一章轼开关功书坐换 生术胜论壮础 个周期；将q ，、- q 的导通时间向前增加一段时间或者增加到半个周期，i 司h , 1 将 g 、d 4 的导通时削向后增加一段时间或者增加到半个周期。在a b 两点得到的电 压将不会发生变化。 基于以上思路，可以得到一族p w md c d c 全桥变换器的控制方式。根据导通 时间增加的不同，每个桥臂有三种控制方式：不增加导通时剧；增加一段导 通时问，但l 1 2 t ，：增加导通时间， 加的情况不同，可以得到九种控制策略 厂 一 融i | i i ：厂 一 ：广 ! l _ i i ；卜_ 1i ：厂 ： i i1 i i ；! j 1 1 “2 ：7 ：!： 1 ： ： l1 ! 厂 ；j 园： ： i圈l 广1 厂 一 静ii ；i ：厂 ；广 11 嘞i 卜嘲 ；_ i 使瓦。= 三l 。根据两个桥臂导通时矧增 如图2 6 所示： 厂 尊lili i ：盯 ；玎 ：； 一l j 卜一i ：厂 ： 厂 剖iil i ：盯 一 ；阿 ：j ： 嘞：ij 卜_ 嘞i ：厂 ： 苷ii ；i ：盯 ! 盯一 ! 网 。 e i 矧 卜醐i ： 厂 写哗_ 打；【r 1 ：j 卜1i 厂 鹭* ： 拥j i i 嘞。ii 卜_ 嘞i ：厂1 ： 厂 。 磙刊 ； j ：f 习 打iit ： j 卜赢 。厂醐；： 幽2 5 ，l 种控制策略 其中( a ) 为传统的双极性控制方式，( g ) 为有限双极性控制方式，( i ) 为目自研究得 较多的移相控制方式。 2 6p w md c d c 全桥变换器的两类切换方式 九种控制策略包括了p w md c d c 全桥变换器所有的控制方式。综观这九种方 式。从斜对角的两只丌关管的关断束看可分为两类：制对角的两只丌芙管同时 关断，( a ) ( c ) 所示：斜对角的两只丌关管关断时间错丌，( d ) ( i ) 所示。 根捌四只丌关管的导通情况不同，d c b c 全桥变换器存在三种工作状仑： 当q l 利q 。同时导通时加在a b 两点上的电压为t f 的输入电压，即f ，。= ( + 1 ) ， 两北r 业k 学顺i j 学位论殳靖二幸 软开关功半变换技求理论堪础 定义这种工作状态为一l 状态；当q 1 和g 同时导通或者g 和q 。同时导通时 矿。= ( o ) r 。，定义这种工作状态为0 状态；当o ：和马同时导通，。= ( 一1 ) p r 定义这种状态为一i 状态。 l 、斜对角的两只开关管同时关断切换方式 + 图2 7 给出了该切换方式的电路图，其中上。是主变压器的漏感。当斜对角的 两只丌关管q q 4 ( 或g ：q 3 ) 同时关断时，由于。的存在，原边电流0 不会 立即减小到零，这时9 q 4 ( 或q ：& q ) 中，。= 一吒，( 或l 。= r 。) ，出现 + i l ( 或一l + 1 ) 切换方式，这个电压使原边电流减小到零。 i ! ；ljj 几 !；ul j ；： 厂飞 lil lll ： ：l k ： 芏要渡形 图2 7 + i 一l 切拱方式 为了实现丌关管的软关断，可以给他们并联吸收电容c l c 。当g 、q 。同时 关断时，原边电流给c 。和c 4 充电，同时给c ：和c ，放电，这样就限制了q l 和q 。的 电压上升率，实现了q 和q 。的软关断。当c l 和q 的电压上升到。时，c 。! 和f ， 的电压同时下降到零，q ：和。3 的反并联二极管d ：和d ，导通，为q ：和已提供了 零电压丌通的条件。但是如果此时丌通q ：和g ，在a b 两端出现的就是占空比为 l 的交流方波电压，不能实现p w m 控制。如果此时不丌通q ! 和g ，由于。= ， 原边电流在此负电压作用下减小到零，然后四只开关管的并联电容就会与漏感产 生谐振。当q 2 和q ，开通时，其并联电容c ：和c ，的电压不为零，其电荷就直接通 过丌关管释放，电容的能量全部消耗在q 和o ，中，导致其发热，而且产生玎通电 流尖峰损坏丌关管。因此斜对角两只开关管同时关断切换方式下不能实现兀关管 0 两北t 业凡学埘川：学位论史第二幸轼开关助牢变换挫术蛙论晕础 软开关。 2 、斜对角的两只开关管关断时间错开切换方式 如果将斜对角两只丌关管的关断时问相对错丌一个时间，即一只丌关管先关 断，另只开关管延迟一段时问再关断，就会改善开关管的丌关状念。如果q 和 q ，分别在q 。和q ! 之前关断，可以定义先关断的开关管q l 和q ，组成的桥臂为超i i 桥臂，而后关断的开关管0 ：和q 。组成的桥臂为滞后桥臂。 ( i ) 超前桥臂的软开关实现 图2 8 + i 0 与o 一l 切抉万式 如图2 8 所示，在f o 时刻之前，q 、和q ；同时导通，。= ( + 1 ) 一原边电流 流过g 和g 。在，。时刻先关断鸟，原边电流从g 中转移到c ，和c ，支路，给c 1 。充 电，同时c 、被放电。由于有c ，和c 3 ，岛是零电压关断。在这个时段里，漏感。 和滤波电感l ，是串联的，而l ，且很大，因此可以认为原边电流f ，近似不变t 类 似一个恒流源。这样c 的电压线性上升，同时c ，的电压线性下降。在f ，时刻r 巴 的电压下降到零，q 、的反并联二极管d ，自然导通，此时丌通g ，g 就是零电压 两北1 _ 业凡学坝i 学位论史 第一辛软开关功牛女换技术垲论毕础 开通。这时矿。= 0 ，改丌关切换方式为t i o 切换方式。同样当q 1 关断时，丌关 切换方式为一i o 切换方式，其工作原理完全类似。 经过分析可以得到两个结论：超自u 桥臂在关断时输出滤波电感与漏感是 串联的，原边电流基本不变，是一个恒流源，因此超自口桥臂只能实现零电压丌关， 不能实现零电流开关；超前桥臂实现零电压开关的能量是漏感和输出滤波电感 的能量，所以超前桥臂容易实现零电压开关。 ( 2 ) 零状态 在图2 8 零状态的电路图中，凸和q 导通，( 实质上是b 和d 4 导通) ，此时 矿。= 0 ，因此变压器原边电压也为零。由于b 和q 存在通态压降，此时原边f = 邑 流略有减小。如果在主电路中加入一定的电路，就可以使零状态出现两种工作模 式，一种是恒流模式，种是电流复位模式。所谓的恒流模式，就是在零状态下， 使原边电流基本保持不变，为滞后桥臂提供零电压开通的条件；而电流复位模式， 就是在零状态下，使原边电流减小到零，为滞后桥臂实现零电流丌关提供条件。 ( 3 ) 滞后桥臂的软开关实现 滞后桥臂的零电压开关：如果零状态处于恒流模式，当且关断时，原边 电流从q 4 中转移到c ：和c 。支路中，给c 。充电，同时c ：被放电，如图2 8 中o 一1 切换方式所示。由于有c ：和c 。，q 。是零电压关断。当c ：电压下降到零，q ：的 反并联二极管d ：自然导通，此时开通q ：，o ：就是零电压丌通。这时。= ( 一”r 。 该开关切换方式为o 一1 切换方式。同样当q ：关断时，丌关切换方式为0 1 切换 方式，工作原理完全类似。在此开关过程中，c 。电压增加，矿。为负电压，使d 。： 也导通，将变压器负边短接，变压器原边电压为零，。电压全部加在漏感上，使 原边电流减小。如果漏感能量较小，就会出现c 。的电压还没增加到，原边的电 流就已经减小到零，巴的电压会使原边电流反向增加，而且c 。的电压下降，同时 c ，的电压上升，当q ，丌通时，c ，的电压不为零，q ，就不能实现零电压丌通，而 是硬丌通。 从以上分析可知：在恒流模式下，滞后桥臂丌关管要并联电容以实现z v s ： 滞后桥臂实现z v s 的能量是漏感的能量：漏感远远小于输出滤波电感，因此 滞后桥臂实现z v s 较超6 口桥臂困难：漏感能量与负载有关，负载越大，能量越 大，在负载较小时，漏感能量不足以使滞后桥臂实现零电压刀：关，必须采用辅助 电路束帮助漏感实现滞后桥臂的零电压丌关。 滞后桥臂的零电流开关：如果零电流处于电流复位模式，那么当q ，关断 两北t 业人学f m i 卜学位论史 第一章轼开关功半变换拙术垲论螂出 时，原边电流已为零，q 4 是零电流关断。当丌通q ：时，由于存在变压器漏感，9 1 是零电流丌通。这时。= ( - 1 ) ，陔丌关切换方式为o 一【切换方式。同时当姨 关断时，丌关切换方式为0 1 切换方式，其工作原理与以上分析完全类似。 从上面分析可以得到如下结论：在电流复位模式下，滞后桥臂实现z c s ，丌 关管两端不能并联电容：在o 状态下，不能给原边电流反方向流动的通路，否 则就失去了零电流丌通的条件。 2 7 滞后桥臂实现z v s 的负载范围拓宽 滞后桥臂实现z v s 软开关是靠漏感的能量。在漏感一定的情况下，负载小的 时候，漏感的能量不能使滞后桥臂实现z v s 。为了在较宽的负载范围下能够实现 z v s ，必须应用电流增强理论，给滞后桥臂增加一个辅助电路，用辅助电路的电感 能量柬帮助漏感实现z v s 。目前常用的几种简洁的辅助电路如下所示： 一 剀2 9 滞后桥臂j , j 实现z v s 可采川的辅助电路 当滞后桥臂的丌关管丌关时，漏感电流和辅助电路的电感电流同时给并联电 容充放电，从而在较宽的负载范围内实现滞后桥臂的z v s 。由于这些电路与主功率 回路是并联的，因此辅助电路电感和电容的电流、电压应力均与负载大小无关， 而且均较小同时电路简洁。 啊北丁业人学1 l l ；! l 学位论立 第一章软开关功半变换技术挫沦螭拙 2 8z v z c sp 删d c d c 全桥变换器电路拓扑 1 、阻断电压源 在零状态时，变压器原副边电路是独立的，变压器两端电压均为零。为了在 零状态时，原边电流减小到零，必须在漏感上加一个反电压。因此只要在原边加 入一个阻断电压源。，就可以了，如图2 1 0 所示，当原边电流f ，萨向流过时，该 电压极性为正；当原边电流j 。反向流过时，浚电压极性为负。 这个阻断电压源最简单的方法就是用一个电容来实现。当斜对角的两只丌关 管g 和g 同时导通时，i ，给c 充电：当斜对角的两只丌关管q ：和q ，同时导通时， i ，给c 放电。在零状态时，电容电压保持不变，其极性刚好与i ，相同，起到给i ，复 位的作用。 博 占阜，制 翼 掣年 【 当3 卞】 加 蛆断电压强 憔 占- 亭， ，k2 ，其中k 为变压器原副边匝数比； l 、开关模态1 毛t f ， 在f 0 时刻之前，丌关管q l 、g | 司时处于导通状态变压器原边电流线性上升t 副边整流二极管d 。、d 。：同时导通，处于换流状态ck 嗽l j t o ，d 。、d 。完成 换流过程，d 。：关断。这时，变压器原边电流为，l ，原副边的电流凹路如图3 3 两北t 业人学伸：j 学位论立：第三章移相摔制p w md c , d c 牟 乔坐换器l u 路分析 所示。在 乇f 1 时削段里 可得： 圈33 移相控制z 俗p w nd c ，d c 全矫变换器工作梗巷1 ： t o t 1 ( l u + k 2 l , ) 掣叱一k _ ( 31 ) 铲等是 t l 由于l ， k2 上，故上式可简化为： “：犟卜， 1 2 三， ( 3 2 ) ( 3 3 ) 2 、开关模态2 t t 即： ( 3 8 ) p 华 9 ) 3 、开关模态3 t 2 t f 3 在屯时刻，d ，导通后开通q 3 ，这时蜴虽