（电力电子与电力传动专业论文）模块化阴极保护电源系统研究与设计.pdf

摘要 阴极保护技术是防腐技术中的一种。随着我国的经济的发展、城市化的发 展，大量的管道使用到城市建设以及油气运输中，阴极保护技术成为研发的热 点，并已近逐渐的应用到各行各业中。 目前在国内使用的阴极防腐电源中，恒电位仪用量超过9 0 而随着高频 化、信息化的发展，软开关技术、无线通信技术、模块化技术成为阴极防腐电 源的发展方向。本文中电源系统设计采用移相全桥z v s 变换器，这是种软开关 拓扑结构，随着开关频率的提高，其优势逐渐将体现出来，例如：开关损耗小、 频率高、结构简单、控制容易等。在大功率领域中得到了广泛的应用。 本文进行的是阴极防腐电源的分析与设计。传统的防腐电源使用晶闸管相 控整流，而本文对移相全桥z v s ( 零电压开关) d c d c 变换进行了详细的分析， 在此基础上针对滞后臂的z v s 的困难问题，分析设计了带辅助电路的移相全桥 z v s 电路。对主电路进行了仿真，并设计了2 k w 的实验样机。 辅助网络对于解决滞后臂实现z v s 困难，副边占空比丢失等问题有很好的 作用。在输出直流1 0 0 v 2 0 a 的前提上，分析计算了各个元器件的参数，最后利 用p s p i c e 软件对主电路进行了仿真。对带辅助网络的z v s 主电路的仿真以及相 关实验表面：各个元器件的选型合理，参数设计正确，电路在实现z v s 的同时 也改善了副边占空比丢失等问题 该防腐电源适用于管道、油罐、轮船船体的防腐。使用环境复杂、多变， 所以把电位控制作为闭环调节控制；电源端直流电压和直流电流作为为保护控 制。所以控制器是一个电源系统的关键部分，本文选用m i c r o c h i p 公司的d s c 控制器d s p i c 3 3 f j l 6 g s 5 0 4 为主控制器，主要作用为p w m 信号的产生，对电压、 电流的采样信号的处理，过流过压保护等。而在算法上使用了数字化p i d 控制， 实现了数字化设计。实验结果表明数字控制器的设计方案正确，移相策略及死 区时间设定合理。 关键字：阴极防腐，移相全桥软开关，辅助网络，数字控制 a b s t r a c t c a t h o d i cp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ea n t i c o r r o s i o nt e c h n o l o g i e s a l o n g w i t hc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n , al a r g e a m o u n to fp i p eu s e dt o c i t yc o n s t r u c t i o n 嬲w e l la so i la n dg a st r a n s p o r t a t i o n ， c a t h o d i cp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yt ob e c o m eh o ts p o ti nt h er e s e a r c ho fa n t i c o r r o s i o n t e c h n o l o g y , a n dh a sg r a d u a l l ya p p l i e dt oa l lw a l k so fl i f e c u r r e n t l yi nd o m e s t i cu s eo fc a t h o d i ca n t i c o r r o s i v ep o w e r , r e c t i f i e r su s e dm o r e t h a n9 0 w i mt h ed e v e l o p m e n to fh i g l lf r e q u e n c ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d u l a r i z a t i o n t e c h n o l o g yt ob e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc a t h o d i ca n t i c o r r o s i v ep o w e r i n t h i sa r t i c l et h ew h o l eb r i d g ep h a s es h i f t i n gz v sc o n v e r t e ri sak i n do fs o rs w i t c h i n g t o p o l o g ys t r u c t u r e , w i t l lt h ei n c r e a s i n gs w i t c h i n gf r e q u e n c y , i t sa d v a n t a g ew i l lb e r e f l e c t e d s u c ha sl o ws w i t c h i n gl o s s ，h i g h e rf r e q u e n c i e s ，s i m p l es t r u c t u r e ，e a s y c o n t r 0 1 i th a sb e e nw i d e l yu s e di nh i g hp o w e rf i e l d t l l i st h e s i si sa b o u tt h ec a t h o d i ca n t i c o r r o s i v ep o w e ra n a l y s i sa n dd e s i g n t h e 仃a d i t i o n a la n t i c o r r o s i v ep o w e ri st h y r i s t o rp h a s e dr e c t i f i e r , i tm a k e sad e t a i la n a l y s i s t op h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g ez v s ( z e r ov o l t a g es w i t c h ld c d cc o n v e r t e r o nt h a t b a s i s w ed e s i g nap h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ez v sd c d cc o n v e r t e rw i t ha na u x i l i a r y c i r c u i tb e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yw h e nt h el a g g i n gl e gr e a l i z e sz v s s i m u l a t et h em a i n c i r c u i t ，a n dm a k ea ne x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ( 2 k w ) a u x i l i a r yn e t w o r kh a sv e r yg o o de f f e c tt os o l v et h ed i f f i c u l to ft h el a g g i n gl e gt o r e a l i z ez v sa n dt h ep r o b l e mt h a tt h ed u t yl o s so ft h es e c o n d a r yw i n d i n g a n d c a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so fv a r i o u sc o m p o n e n t sw h e nt h eo u t p u td ci slo o v 2 0 a f i n a l l yu s i n gp s p i c es o f t w a r et os i m u l a t et h em a i nc i r c u i t ，劢es i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t et h a tt h ee a c hc o m p o n e n ts e l e c t i o ni sr e a s o n a b l e ，a n dp a r a m e t e rd e s i g ni s c o r r e c t ，t h ec i r c u i tc a nr e a l i z ez e r ov o l t a g es w i t c hw h e ns o l v et h eh ed u t yl o s so ft h e s e c o n d a r yw i n d i n g c o n t r o lu n i ti sak e yp a r to ft h ep o w e rs y s t e m t h i st h e s i su s ed s cc o n t r o lc h i p d s p i c 3 3 f j l 6 g $ 5 0 4o fm i c r o c h i pa st h em a i nc o n t r o l l e r t h em a i nf u n c t i o no ft h e c h i pi sp r o d u c t sp w ms i g n a l ，d e a lw i t ht h es a m p l e dv o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l ，a n d o v e re l e c t r i cf l o wo v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n u s i n gd i g j i t a lp i dc o n t r o lt or e a l i z et h e d i g i t a ld e s i g n 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i g i t a lc o n t r o l l e rd e s i g ni s c o r r e c t ，t h ep h a s es h i f t i n gs t r a t e g ya n dt h es e to fd e a dt i m ea r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：c a t h o d i cp r o t e c t i o n ，p h a s e - s h i f t e df u l l b r i d g es o f ts w i t c h i n g , a u x i l i a r y n e t ，d i g i t a lc o n t r o l i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论l 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 阴极保护技术。l 1 2 1 阴极保护工作原理1 1 2 2 阴极保护技术的发展现状及趋势。3 1 3 开关变换技术的研究与应用4 1 3 1d c d c 变换的概述4 1 3 2 软开关技术5 1 3 3 移相全桥p w m 变换的概述6 1 4 课题研究的主要内容。7 第2 章模块化阴极保护电源电路设计方案8 2 1 模块化设计方案8 2 2 移相全桥z v sp w m 变换器。9 2 2 1 基本拓扑结构及工作过程9 2 2 2实现z v s 的条件1 2 2 2 3副边占空比丢失问题13 2 3 采用辅助网络的移相全桥z v sp w m 变换器。1 4 2 3 1 带辅助网络的移相全桥z v sp w m 变换器的工作过程1 4 2 3 2 实现z v s 的条件17 2 4 移相全桥z v s 变换器的小信号模型1 8 2 5 本章小结2 0 第3 章阴极保护电源硬件电路设计2 l 3 1 系统的设计指标2 1 3 2 输入整流滤波电路2 2 3 3 移相全桥z v sp w m 变换电路2 2 3 3 1 主功率管选择2 3 3 3 2 变压器的参数设计2 3 3 3 3 输出滤波电感的参数设计2 5 3 3 4 辅助谐振网络的参数计算2 5 3 4 驱动电路的设计2 7 i i i 3 5 远程电位检测电路2 8 3 5 1 参比电位采样电路2 8 3 5 2r s 4 8 5 接口电路2 9 3 6 电压、电流采样电路3 0 3 7 辅助电源设计31 3 8 本章小结3 2 第4 章阴极保护电源控制软件设计3 3 4 1 控制模式3 3 4 2 移相角及死区时间设置3 5 4 3a d 转换过程分析3 7 4 4 过流过压保护3 8 4 5 数字p i d 控制的设计_ 3 9 4 6 移相角生成流程图4 l 4 7 主程序设计4 2 4 8 本章小结4 2 第5 章仿真及实验结果分析4 3 5 1 仿真分析4 3 5 1 1仿真平台4 3 5 1 2 仿真结果4 3 5 2 实验结果。4 5 5 3 本章小结一4 7 第6 章总结4 8 6 1 总结4 8 6 2 展望4 9 参考文献5 0 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 3 致 射5 4 i v 武汉理1 二大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 金属腐蚀是一个很普遍的现象，可以说金属腐蚀无处不在。金属的腐蚀条 件很简单，大自然中的空气、水无处不在，而这恰好是金属腐蚀的普遍条件。 除此之外还有一些其它的物质也能使金属腐蚀，比如说酸碱物质以及一些原材 料。它们和金属表面产生化学反应，改变金属的结构，破坏其物理特性，为我 们的生产生活带来了很大的影响。根据调查，每年由金属腐蚀带来的经济损失 占到了国民生产总值的l 4 之多。 随着我国经济的快速和持续发展，石油、化工和水资源等物资的需求日益 增加，这些物资的输送和存储需要大量的金属管线和金属储罐，埋于地下的管 线和储罐面临的一个重要问题就是腐蚀问题为了避免由腐蚀引起的巨大损失， 近年来，防腐技术得到重视和发展。如能应用近代腐蚀科学知识和防腐蚀技术。 腐蚀的经济损失可以降低2 5 - - 3 0 对于全国数万公里的埋地管道，阴极保护 是行之有效的防腐技术【1 1 。 随着能源市场的需求，地下管道发展迅速，全国乃至全球都有大量的金属 管道埋在地下，这对防腐技术来说是很大的机遇与挑战传统的管道防腐有化 学防腐以及人工除锈，但是大型管道防腐则一般要加上电化学防腐技术而阴 极保护技术就是其中的一种 1 2 阴极保护技术 1 2 1 阴极保护工作原理 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。 武汉理丁大学硕士学位论文 金属的电化学腐蚀是由于金属表面与腐蚀液接触，由于金属不同的部位的 电位不一样，存在电位差，从而有腐蚀电流的产生【2 1 。电极反应的方程式如下： n f e 2 + + 2 e 一( 1 - 1 ) d 2 + 2 1 - 1 2 0 + 4 e 一专4 0 h 一 ( 1 - 2 ) 阴极保护技术给金属施加阴极电流，使得金属阴极化，从而防止金属的腐 蚀，阴极保护的主要方法有两种，分别是强制电流法和牺牲阳极法【3 】。 牺牲阳极的阴极保护是利用腐蚀电池的原理。如图1 1 所示，在原来的腐蚀 电池体系中接入一个更加活泼的金属，组成新的宏观腐蚀电池。接入的活泼金 属电极电位更负，在新的宏观电池中处于阳极状态。由于该金属的腐蚀对原有 腐蚀电池提供保护，加快了自身的腐蚀，因此称为牺牲阳极。 地面 牺 牲 阳 极 图1 1 牺牲阳极的阴极保护原理 牺牲阳极的阴极保护的优点在于选材容易，安装方便，可随时补充阳极材 料。同时，投入运行后，不需要专门管理。另外，不存在极性接反问题，对临 近的构筑物的干扰影响极小或基本无干扰。对于小规模的工程项目以及边远地 区的工程项目。均可采用这类保护方式而不足则是对高电阻率的土壤保护效 果不佳。另外，由于阳极数量较多，不同安装地点的阳极使用寿命有很大差距， 造成阳极腐蚀的不均匀，对于设计寿命较长的设备，需要不定期地补充阳极， 而且保护电流几乎不可凋。 强制电流法( 又称外加电流法) 就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。外加电流法阴极保护方 案由辅助阳极、参比电极、直流电源以及相关的连接电缆所组成【4 1 。如图1 2 所 示。 2 武汉理下大学硕士学位论文 图1 2 强制电流法阴极保护原理 外加电流法的优点在于保护电压输出可调，可适应意料之外的一些变化； 不受土壤或水的电阻率限制；测试地点设置较少而且测试仪表的安装比较方便。 对于大的工程项目以及电源易取得的工程项目可采用这类保护方式但是，外 加电流的保护方法也有其不足之处：必须要有外部电源；在任何场合与整流器 正极相连并与土壤或水接触的连接件必须采用电绝缘：对邻近的金属设备干扰 较大；施工安装及调试过程比较复杂；投入运行后的管理工作量大等。 1 2 2 阴极保护技术的发展现状及趋势 1 9 2 8 年，美国的“电化学之父 罗伯特j 科恩在美国的新奥尔良的一条长 距离输气管道上采用了世界上第一套阴极防腐装置，为防腐技术打开了新的发 展方向。之后世界范围内阴极保护技术得到了快速的发展，从而大量的应用到 输油管道的防腐工程里。 我国的阴极保护工作开始于1 9 5 8 年，发展至今天已经大量的应用于国民生 产中，例如城市地下金属管网，轮船，油气输送，过江过海管道等等都是阴极 保护技术的应用领域。 在国内实用的阴极防腐电源中，恒电位仪用量超过9 0 ，这种现象正好与 国外相反，例如美国、英国、德国等国家，在选择阴极防腐电源设备时，原则 上只考虑以可靠性高、稳定性好、故障率低、结实耐用为性能特征的整流器、+ 发达国家将阴极保护电源的研究工作主要投入到测量方法、测量技术、保护评 价的研究、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【5 1 。 而我国在阴极防腐中主要使用的是恒电位仪，目前很多成熟的电源技术正 更多的应用到恒电位仪的设计中。逆变式的恒电位仪按开关类型采用s c r 、 g t o 、m o s f e t 、i g b t 等器件。控制方式包括脉宽调制( p w m ) 、脉频调制( p f m ) 和混合调制三种，各种大功率电源专有芯片等的应用，有过流、过压、欠压、 3 武汉理工大学硕士学位论文 缺相等保护措施。尤其大功率器件均压技术、均流技术、浪涌吸收技术、导热 散热技术等的应用，智能芯片、单片机、逻辑器件、软启动等新技术的采用， 是恒电位仪在自动化、智能化水平和整机性等方面得到全面提升。 恒电位仪目前在我国得到了广泛的研究与应用，大量成熟的电源技术应用 到恒电位仪中，同时也给我们的研发人员指出了发展的方向【6 】： ( 1 ) 在不断的使用新技术的前提下，完善恒电位仪的可靠性实验，包括高 温、低温、震荡、酸碱等等实验，提高恒电位仪的可靠性和实用性。 ( 2 ) 进行对阴极保护电源的测量方法、技术的研究，以及远程测量与监控 的研究。发达国家在这些方面保持着技术上的领先，比如美国有航空遥感技术， 德国有g p r s 系统等。通过远程监测技术的应用来实现阴极保护的自动化、智 能化、数字化得发展。 ( 3 ) 随着科技的发展，阴极保护技术应该更多的应用到新的领域，精密的 与新能源的发展想结合，例如风能、太阳能等清洁能源。 总之，我国的阴极保护技术与国外还有很大的差距。随着国际间的技术交 流的增多，以及我国的管道事业的大力发展，阴极保护技术得到了长足的发展， 同时提出了给多、更高的要求。 1 3 开关变换技术的研究与应用 开关变换技术越来越多的运用到防腐工程中开关变换技术的发展与功率 变换器件的发展有着密切的联系，从不可控的件二极管到半控器件晶闸管，再 到全控器件g t o 、g t r 、m o s f e t 、i g b t 等。而i g b t 的出现则大大的增大了 开关电源的容量，从而大量的应用到通讯电源、焊接电源等领域【7 1 。 开关变换技术则是利用功率变换器件对电源进行变换，电力变换通常可以 分为四大类，包括交交变换、直直变换、交直变换、直交变换。这四种变换 构成了电力电子的主要内容，即整流、逆变、变频、斩波等技术。 1 3 1d c d c 变换的概述 d c d c 变换技术是把一种规格电压、电流的直流电通过一定的电路变换为 另一种规格的直流电。d c d c 变换技术按照输入与输出直接有无电气隔离而分 为两种：有隔离直流变换和无隔离直流变换。 4 武汉理工大学硕士学位论文 无隔离直流电路又称为直流斩波电路( d cc h o p p e r ) ，包括6 种基本的斩波 电路：降压斩波电路( b u c kc h o p p e r ) 、升压斩波电路( b o o s tc h o p p e r ) 、升降压 斩波电路( b u c k b o o s tc h o p p e r ) 、c u k 斩波电路、s e p i c 斩波电路和z e t a 斩波电 路【引。 有隔离直流变换包括单端正激、单端反激和隔离型c u k 三种。带隔离变压 器的d c d c 不仅由于电源与负载之间电气隔离提高了工作的安全可靠性，而且 电压变换更灵活，此外还可以获得几个不同的电压数值。 1 3 2 软开关技术 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化。而通常，滤波电感、电 容和变压器的体积和重量占了装置的很大一部分，而我们知道提高工作频率可 以减小变压器绕组的匝数，并减小铁心的尺寸，从而使得变压器小型化，所以 高频化即使我们现代电力电子的基本要求。 但是提高工作的频率的同时又带来了新的问题，即开关损耗问题针对这 个问题出现了软开关技术，它以谐振为主要的辅助换流手段，解决了高频电路 的开关损耗问题。 通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换 流网络，在开关过程中引入谐振过程，开关开通之前使电压先降为零，或关断 前把电流降为零，就可以消除在开关过程中电压和电流的重叠，降低它们的变 化率，从而大大的消除开关损耗和开关噪音，这样的电路称为软开关电路。如 开关电路的典型的开关过程如图1 3 所示 t t p i u 图1 3 软开关的开关过程 软开关技术从上个世纪9 0 年代产生以来，一直处于发转与完善中，大量的 拓扑结构在不断的完善与成熟，但到现在，针对软开关中存在的问题以及不断 出现的新技术，更多的新型拓扑被提出来。 软开关电路可以分为准谐振电路、零开关电路、零转换p w m 电路。其中谐 5 武汉理工大学硕士学位论文 振电路可以分为：零电压开关谐振电路( z v sq r c ) 、零电流开关谐振电路( z c s q r c ) 、零电压开关多谐振电路( z v sm r c ) 以及用于逆变器谐振直流环节电路 ( r e s o n a n td cl i n k ) 。零开关p w m 电路分为：零电压p w m 电路( z v sp w m ) 、 零电流p w m 电路( z c sp w m ) 。零转换p w m 电路分为：零电压转换p w m 电 路( z v l p w m ) 、零电流转换p w m 电路( z c tp w m ) 。 到目前为止，软开关变换器基本都应用了谐振原理，无论是谐振电容、谐 振电感以及辅助变压器都会带来不同的损耗，或者增加了电路中的谐波。为此。 人们提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术同时具有无损耗吸 收以及谐振式零电压、零电流技术的优点，电路中既能够实现零电压开通，也可以 实现零电流关断，同时既可以实现零电流开通，也可以实现零电关断，这四种状态 可以任意组合。 1 3 3 移相全桥p w m 变换的概述 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。 所以在大功率d c d c 变换场合较多的采用移相全桥p w m 变换，而不是直流斩 波电路。而基本的移相全桥p w md c d c 变换电路如图1 - 4 所示【9 】【1 0 1 l t l d r lj【 d 眨 卜 卜 = 囊 卜 n ：1 一 l d r 3 j l d r 4 图1 - 4 移相全桥d c d c 变换 电路一共有四个开关管，分别是g 、q 、q 、幺。如图4 所示的控制波形， g 、q 的开通时间早于q 2 、q 4 。所以称开关管q 、q 桥臂为超前臂，开关管 q 、幺桥臂为滞后臂。每个桥臂的两个开关管1 8 0 。互补导通，两个桥臂之间有 相差一定的角度，即移相角。除了死区时间以外，电路中同时有两个管子同时 导通。 6 武汉理工大学硕士学位论文 q 1 q 3 i i i 图1 5 开关控制波形 移相全桥控制有很多的优点：1 ) 开关频率可定，这样有利于计算电路参 数；2 ) 可以实现零电压开通和关断，为提高开关频率提供前提：3 ) 有很多 的专用的移相芯片，而且越来越多的芯片拥有移相功能，使用方便。 1 4 课题研究的主要内容 金属腐蚀带来的大量的经济损失，而阴极防腐技术是当前技术防腐的热门 研究方向，本文把软开关技术引入到阴极防腐工程中，主要做了一下几点的工 作。 ( 1 ) 基于油罐防腐，提出系统设计方案 ( 2 ) 分析基本移相全桥d c d cz v sp w m 变换器的工作过程，分析增加了 辅助网络的移相z v sp w m 变换器的工作过程，并提出主电路拓扑。 ( 3 ) 设计移相全桥z v sp w m 变换器电路，包括：输入整流桥、逆变桥、 高频整流桥、输出滤波电路、高频变压器等 ( 4 ) 详细分析控制芯片，设计驱动电路，以及软件部分的实现思路。 ( 5 ) 仿真验证电路设计的可行性，并搭建恒电位仪实验平台。 7 武汉理_ 大学硕十学位论文 第2 章模块化阴极保护电源电路设计方案 第一章介绍了阴极保护防腐电源主要有两种，分别是强制电流法和牺牲阳 极法，本系统采用强制电流法。 2 1 模块化设计方案 由于保护对象为油罐区的多个油罐，油罐区的特点是油罐之间的距离不大， 但各个油罐的环境会有一定的差别，这导致腐蚀电流的大小不同，所需防腐电 源的电压也不同。而模块化控制则很适合于这种状况。 模块化分布式电源与传统的电源相比具有可靠性高、体积小、效率高、使 用方便等特点。同时也提出了新的问题，例如均流、通讯、控制的问题。模块 化阴极保护电源的设计示意图如图2 1 所示。 3 8 0 斗5 1 5 v 萋筛母线 a u d c 变换 一油罐 d c d c 变换 r 2 k w l 控制器 控制器 - 。_ 1 二 油罐 油罐i d u d c 变换 f 2 k w l d a d c 变换 ： 1 2 k w i 控制器 控制器 至f d u d c 变换 。t 一 。 一兰竺 q k m 。日1 d a d c 变换 控制器一【2 k m 控制器 图2 1 模块化设计示意图 国内广泛使用的防腐电源设备，普遍采用的是传统的以晶闸管作为功率元 件的相控整流技术。相控整流技术的缺点是效率和功率因数低，装置的体积较 大。在本系统设计中，引入大功率开关电源技术。如图2 2 所示。 系统的核心部分为d c d c 高频变换器，包括逆变、高频变压、高频整流部 分。再把直流电源负极接到油罐上，通过测量参比电位v 来反馈控制。测量直 8 武汉理工大学硕士学位论文 流电源的输出电压、直流电流做保护控制，而d c d c 高频变换器采用移相软开 关结构 叶 孺翮v a c l c 滤波r一 滤波 图2 2 系统结构框图 对于移相软开关技术的研究始于上个世纪8 0 年代，到上世纪9 0 年代时移 相软开关的技术就成了研究的热门方向随着电源朝着小型化、高频化发展， 减小开关损耗问题就越发显得重要，而移相软开关技术则是解决开关损耗的关 键所在。移相p w m 变换器分为z v s 、z c s 、z v z c s 三种，其中移相全桥z v sp w m 变换器应用较多，但是由于其存在副边占空比丢失问题等问题，所以衍生出一 些改进电路，移相全桥z v z c sp w m 变换器则是其中的一种衍生电路【l l 】f ”】。本 系统采用的是移相全桥z v sp w m 变换器。 2 2 移相全桥7 v $ p w m 变换器 移相全桥z v s 变换器的拓扑结构如图2 3 所示，q i q 4 是四个开关管，d i d 4 是内部反并二极管，q c 是开关管的寄生电容和外加并联电容的总和，是 变压器的原边漏感，变压器副边是一个高频整流、滤波电路，r 是负载 图2 - 3 移相全桥z v sp w m 电路 2 2 1基本拓扑结构及工作过程 在分析移相全桥z v sp w m 变换器的时候，假设所有的m o s 管、。二极管、 9 武汉理工大学硕士学位论文 电感、电容和变压器都是理想元件。移相全桥z v sp w m 变换器一个周期内有 1 2 个变化状态，取半个周期讨论它的工作状态【1 4 1 。如图2 4 所示是开关管在一 个周期的波形： l l iill i i - - | i iqq l q l ll ii l 酬：q q ，o t 2t , t d 5气岛f 铂o ，l l ，1 2o 图2 4 开关管波形 开关状态0 t o 】：如图2 5 所示从电流的流向可知开关管q 、幺导通，而q 2 、 q 3 管则关断，全波整流部分二极管d p h 导通，二极管d p h 截止。此时原边给负载 供电。 图2 5 开关状态0 开关状态l t o f l 】：如图2 - 6 所示，从气时刻开始，开关管q 断开，此时电 容c i 开始从零开始充电，电容g 则从圪开始放电，变压器原边电流、电压均不 变向。整流部分不变。由于q 充电有一个从零开始的过程，所以q l 管实现了零 电压关断。 图2 - 6 开关状态1 开关状态2 t l t ：】：如图2 7 所示，在时刻电容c l 上的电压上升到圪，而 电容c 3 上的电压则下降到零，同时q 3 的反并二极管色导通，把q 3 两端的电压 l o 武汉理工大学硕+ 学位论文 钳制在零，此时开通q 3 管，则q 3 是零电压开通。此时原边的电压为零。 b i 一型气 1 图2 7 开关状态2 开关状态3 【乞- t 3 】：如图2 8 所示，在乞时刻，开关管q l 断开，电容c 2 上的 电压从开始减小直到零，而电容e 上的电压从零开始线性上升，所以幺管关断 为零电压关断。此时，电压反向，电流方向不变。即变压器副边电压变为下正 上副，整流d r , 、矾二极管同时导通，使得变压器副边绕组电压为零，变压器 一次侧绕组电压也为零，此时电容c 、c - 与谐振电感t 谐振工作。 图2 8 开关状态3 开关状态4 t 3 - t 4 】：如图2 - 9 所示，电容c 2 上的电压已经下降到零，开关管 q 的反并二极管d 2 自然导通，把开关管q 2 的电压钳制在零，在此期间开通开关 管q ，则为零电压开通。但此时电流依然从二极管d 2 上流过，漏感给电源充 电，直到时刻电流减小的零，二极管b 、d 3 关断。 图2 - 9 开关状态4 武汉理工大学硕十学位论文 开关状态5r t , f 5 ：如图2 1 0 所示，t 4 时刻，随着二极管d 2 、d 3 的关断， 开关管q 2 、q 3 导通，原边电压电流反向。但是此时变压器原边电流还是很小， 不足以提供给负载，原边电压依然为零。副边两个整流二极管同时导通。 图2 1 0 开关状态5 开关状态6 t s t 6 ：如图2 - 1 1 所示，藿：e t 5 时刻原边电流增大到可以为负载 供电的值，整流侧的整流嬲二极管关断，d r 2 打开。 图2 1 l 开关状态6 直t nt 6 时刻开关管q 3 关断，电流进入另一个工作周期，分析过程类似 2 2 2实现z v s 的条件 通过分析我们知道实现软开关的关键在于谐振电路的设计，移相全桥z v s p w m 变换器的软开关是通过开关管的反并电容与变压器原边漏感的谐振实现 的。所以对于能量就有一定的要求，通过上一节的分析我们可以得出实现z v s 的条件【1 5 】： ( 1 ) 开关管的反并电容上的电压必须能够释放到零； ( 2 ) 也能够使得同一桥臂上的反并电容充电： ( 3 ) 释放原边绕组的寄生电容上的电压。 所以实现开关管的零电压开关要满足下面的关系式【1 6 】： 1 e i 1 e 瑶+ 寺q 吆+ i 1 吃= e 吆+ i 1 c 去吆 ( 2 1 ) 1 2 武汉理1 = 大学硕士学位论文 为了便于分析每个桥臂的z v s 的条件，设超前臂的两个电容q = q = ， 滞后臂上的两个电容c 2 = c 4 = 。 超前臂实现z v s 比较的容易，因为在超前臂开关过程中，输出滤波电感， 与谐振电感串联，而且很大，电流近似不变，较容易实现z v s 。开关管g 和q 3 之间驱动信号的死区时间满足一下关系( ，。为原边电流) ： 乃( 删) 华：华 ( 2 2 ) i p i p 而滞后臂的z v s 实现相对来说要困难，因为滞后臂开关过程中，变压器的 副边处于短路状态，实现z v s 的能量只有从漏感厶来得到，而滞后臂实现的时 候能量要满足两个条件：足够的能量给反并二极管充电以及抽走变压器原边寄 生电容上的电压。所以必须满足下面的公式( 厶为滞后臂z v s 开始时的原边电 流) ： 11 寺e c 0 吆+ 寺c k 吆 ( 2 - 3 ) 2 2 3 副边占空比丢失问题 通过上节分析可知，超前臂的z v s 很好实现，而滞后臂实现z v s 相对困难， 分析滞后臂实现的条件可以知道，只有提供足够的能量才能实现滞后臂的z v s ， 由上面的公式可知增加实现z v s 的能量两个途径：增加谐振电感厶的值，或者 增大的值。 副边占空比丢失是移相全桥z v sp w m 变换电路的一个特有现象，所谓的 副边占空比丢失指的是，副边的输出占空比小于原边的占空比，其差值就是副 边占空比丢失【1 7 1 4 2 0 。如图2 1 2 所示是副边占空比丢失示意图阴影部分是是丢失 的占空比。通过前面的分析可知，副边占空比丢失的原因是滞后臂z v s 的过程 中，有段时间原边电流不足以提供能量给负载，副边短路，电压为零。 o 毛乞 f 5岛珞l 图2 1 2 副边占空比丢失示意图 如图2 - 1 1 所示，半个周期的占空比丢失的时间为f 2 时刻到岛, o n ，而这段 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 时间乞( 船) 的值为： ( 蛔) ：l , 1 2 弋- i _ l ，( 一t , ) n ( 2 4 ) 所以占空比丢失的值为： = 镑型矗幽 沼5 ) 由式2 5 可知：副边占空比钆的大, j , - 与i r 感、负载大小成正比，与输入 电压形。成反比，与变比k 成反比。 占空比丢失导致输出电压的减小，为了得到一定的输出电压，往往采用的 是减小变比的方法，但是减小变比的同时使得原边电流增大，加剧了开关管的 通态损耗，也使得整流二极管对耐压值要求增大 谐振电感小的时候不能够完成滞后臂的z v s ，而增大谐振电感就会使得占 空比丢失严重，为了解决这个问题可以在原边使用饱和电感【2 1 】【2 2 1 图2 1 3 原边利用饱和电感 把谐振电感厶换成饱和电感。饱和电感的特性是：当饱和的时候电感很小， 非饱和时电感很小如图2 1 3 所示，当乞时候，q 关断，由于饱和电感的存在， 原边电流直接从f l ( t ：) n 减小到饱和值c ，并开始线性减小，直到电流反向达到 c ，电感脱离线性状态，进入饱和状态，原边电流立刻从直接减小到 f ，( t 2 ) n 。这样就有效的减小了副边占空比丢失。 2 3 采用辅助网络的移相全桥z v sp w m 变换器 2 3 1 带辅助网络的移相全桥z v sp w m 变换器的工作过程 滞后臂的z v s 实现困难，实现是又带来占空比丢失问题。在上一节中，利 用饱和电感来减小占空比丢失，但是饱和电感本身的损耗很高，很难得到较好 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 的效率。所以采用辅助网络来解决移相全桥z v sp w m 变换器中的占空比丢失 就成了一种趋势【2 l 】。图2 1 4 是采用辅助网络的移相全桥z v sp w m 变换电路， 2 - 1 5 是该电路的波形图。由于只用在滞后臂上加辅助网络，所以整个工作过程 可以分为十个状态。q 和q 3 构成超前臂，q 和q 4 构成滞后臂，是饱和电感。 在分析电路的工作过程之前，做如下假设： ( 1 ) 所有的开关管、二极管均为理想器件； ( 2 ) 电容、电感均为理想元件； ( 3 ) 饱和电感处于线性区时电感为，饱和区时为0 ，临界电流为t ； ( 4 ) g = q = c ，e = e ：= e ； ( 5 ) 变压器变比为n v 柚 v k 图2 1 4 主电路 l ： ：! q ：l ：i ：ql - 一 q 4ii ：iq 2iii li iiq 4l i1 一 孙：! ：汀： 一 一点础警u 珊ii i | i l| i i ll i l ii ii i i 卜| li 工i i i iiii i i 一 ：士毒nn ：l：n ： 一 圳： ii i iii 一 i| 1 ， - i i i i iin li 义。 i ii iiiii1 1 if t oq 2 b t it n t x 2 t st 6 1 1 t | 图2 1 5 波形图 1 5 武汉理：r 大学硕士学位论文 程。 在一个开