（电力电子与电力传动专业论文）基于并联均流技术高频软开关电源的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o f t s w i t c h i n gp w ma n dp a r a l l e l i n g c u r r e n ts h a r i n g ，t h er e s e a r c ho nl a r g ec a p a c i t ya n dh i g h - f r e q u e n c y s w i t c h i n gp o w e rh a sa l r e a d yb e c o m et h em a i nr e s e a r c hf i e l do fp o w e r e l e c t r o n i c s e a c hp a r a l l e lm o d u l ec a l lt a k ei t ss h a r eo ft h el o a da n dt h e c u r r e n ts t r e s so fp o w e rs w i t c hc a nb er e d u c e dg r e a t l y t h ed e m a n do n c h a r a c t e r i s t i c ，c a p a c i t y , w e i g h t ，v o l u m e ，e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yc a n a l s o b ea c h i e v e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st od e v e l o pa1 1 0 v h i g h f r e q u e n c ya n ds o f t - s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s e do np a r a l l e l i n g c u r r e n ts h a r i n g ，w h i c hi sg r e a tm e a n i n gf o ri m p r o v i n gt h et e c h n i q u el e v e l o f l o c o m o t i v ep o w e rs u p p l y t h et h e o r yo f p h a s e - s h i f t e df u l l b r i d g ez v sp w md c d cc o n v e n e r c i r c u i ti ss t u d i e da n da n a l y z e d t h em e t h o do fa c h i e v i n gz v sf o rt h e l a g g i n g8 r ma n dt h el o s so fd u t yc y c l ea r ed i s c u s s e d a n dan o v e lf u l l b r i d g et o p o l o g yb a s e do ns e c o n d a r ya c t i v ec l a m pc i r c u i ti sp r o p o s e d t h i st o p o l o g yc a l la c h i e v ea ne x t r e m ew i d el o a dr a n g eu n d e rs o f t s w i t c h i n gf o rb o t hl e g sa n ds a t i s f yt h ed e m a n do ft h el a r g ec a p a c i t yv e r y w e l l s o f t - s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym o d u l ei st h ei m p o r t a n tp a r tf o rt h e s y s t e m ，w h i c hi sc o n t r o l l e db yt h ep h a s e - s h i f t e dc o n t r o l l e ru c 3 8 7 5 b a s e do i lt h ei g b tw o r k i n gi nt h es o f t - s w i t c h i n gc o n d i t i o n ，t h ed e s i g no f p o w e rs u p p l ym o d u l e sm a i nc i r c u i ta n df h es e l e c t i o no fa p p a r a t u s s p a r a m e t e r sa r ec o m p l e t e d b e s i d e st h ec o n t r o lc i r c u i t ，p r o t e c tc i r c u i ta n d t h es u p v i s ea n dc o m m u n i c a t eu n i to ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e ma r e a n a l y z e da n dd e s i g n e d af e wm e a s u r e so fc u r r e n ts h a r i n ga r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d t h e m e t h o do ft h em o s tc u r r e n ta u t o m a t i cc u r r e n ts h a r i n gi s p a r t i c u l a r y i n t r o d u c e d t h e n ，b a s e do nt h ew o r kp r i n c i p i u m ，t h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i c a n da n a l y s i so fs t a b i l i t y , t h ec u r r e n t s h a r i n gc i r c u i to ft h ep o w e ri s d e s i g n e d ，w h i c hu s e dt h ec u r r e n t s h a r i n gc o n t r o l l e ru c 3 9 0 7t or e a l i z e d p a r a l l e l i n gm u l t i m o d u l es y s t e m f i n a l l y , e x p e r i m e n t a l r e s u l to ft h e p o w e rs u p p l ym o d u l e a n d m e a s u r e dd a t aa r ep r e s e n t e di np a r a l l e l i n go p e r a t i o n , w h i c hp r o v e dt h e e x a c t n e s so f t h et h e o r ya n a l y s e sa n dt h er a t i o n a l i t yo f t h ed e s i g n k e yw o r d s p o w e rs u p p l y , p h a s e - - s h i f t e df u l l - - b r i d g ec o n v e r t e r , h i g h f r e q u e n yt r a n s f o r m e r ，c u r r e n t - s h a r i n g 原创性声明 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工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其它单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论 文中作了明确的说明。 作者签名：潍趔吼珥年月型日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名1 牲导师签 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 电力电子技术的迅速发展，高频开关电源已广泛应用于计算机、通信、工业 加工、铁路和航空航天等领域，它具有体积小、重量轻、频率高、输出纹波小等 特点，用大功率高频开关电源代替传统的相控电源已成为一种发展趋势。近年来， 电力电子作为节能化、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高 频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。随着我们铁路交通的发展， 对各项技术的要求越来越高目前我国电力机车普遍采用相控式1 1 0 v 晶闸管直流 稳压电源，它与机车蓄电池并联运行，为机车控制电路和照明电路提供1 1 0 v 的 稳定电压。主变压器辅助绕组3 9 6 v 引出单相电源，经控制电源变压器降为2 2 0 v ， 再用晶闸管单相半控桥式整流电路整流，最后经过平波电抗器和蓄电池滤波。近 年来，大功率高频开关电源逐渐代替了相控电源，且研究比较深入。本文在研究 高频软开关电源模块的基础上，应用开关电源并联均流技术，构建冗余电源系统， 对提高电源系统的灵活性、功率密度、体积重量和稳定性具有重大的意义。 1 1 开关电源技术发展方向 进入2 1 世纪，开关电源技术将有更大的发展，主要集中在以下几个方面【1 i ： 1 高性能碳化硅( s i c ) 功率半导体器件 可以预见，碳化硅将是2 1 世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材 料，碳化硅的优点是：禁带宽、工作温度高( 可达6 0 0 ) 、通态电阻小、导热性 能好、漏电流极小、p n 结耐压高等等。 2 高频磁技术 高频开关电源中用了多种磁元件，有许多基本问题需要研究，如磁芯损耗的 数学建模，磁滞回线的仿真建模，高频变压器一维和二维仿真模型等。此外，高 频磁元件的设计决定了高频开关电源的性能、损耗分布和波形，因此，人们希望 给出设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计的自 由度与约束条件等。同时，人们将研究损耗更小、散热性能更好、磁性能更优越 的高频磁性材料。高频磁技术的研究还包括磁电混合集成技术，即将铁氧体或其 它薄膜材料高密度集成在硅片上，或者将硅材料集成在铁氧体上。 3 新型电容器 研究开发适用于功率电源系统用的新型电容器和超大电容。要求电容量大、 等效串联电阻( e s r ) 小、体积小等。2 0 世纪9 0 年代末，美国已经开发出3 3 0 l lf 新型固体钽电容，其e s r 显著下降。 l 硕士学位论文第一章绪论 4 功率因数校正a c d c 开关变换技术 开关电源输入侧有整流器、电容平波电路，使其输入电流呈尖脉冲状，谐波 分量很高，一般功率因数仅有0 6 5 左右。对电网产生很大的谐波污染；同时对 其它用电设备有很大干扰，引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作。开关电 源的高次谐波抑制，即功率因数的提高主要采用无源功率因数校正技术( p f c ) 、 有源功率因数校正技术( a p f c ) 和简化电路方式等方法。 5 高频开关电源的电磁兼容研究 高频开关电源的电磁兼容问题通常涉及到开关过程产生的d f d t ，d d t ，它 引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场辐射。不但 严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作 人员的安全。同时，开关电源内部的控制电路也必须能承受主电路及工业应用现 场电磁噪声的干扰。显然，在电磁兼容领域，有许多前沿课题有待人们研究，如 典型电路与系统的传导干扰和辐射干扰建模；印制板电路和开关电源e m c 优 化设计软件；大功率开关电源e m c 测量方法的研究等。 6 开关电源的设计、测试技术 建模、仿真和c a d 是一种新的、方便且节省的设计工具。为了仿真开关 电源，首先要进行建模。仿真模型中应包括电力电子器件、变换器电路、数字和 模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型，电路分布参数模型等，还要考虑开关 管的热模型、可靠性模型和e m c 模型。开关电源的c a d ，包括主电路和控制 电路设计、器件选择、参数优化、磁设计、热设计、e m i 设计和印制电路板设 计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。此外，开关电源的热测试、 e m i 测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。 7 低电压、大电流的开关电源的开发 数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代处理器的逻辑电压低达1 1 1 8 v ，而电流达5 0 1 0 0 a ，其供电电源低电压、大电流输出d c d c 变换器模 块将会成为开关电源新的研究方向之一。 1 2 并联均流高频软开关电源技术的提出 电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系统，分 匆式电源供电系统果蹦小功率模块和大规模拎制集成电路作基本部件，利 最新 理论鄹技术成果，组成积木式、智能化的犬功率俱电电源，从而使强吃与弱i 包紧密 结合，降低大功率厄器什、大功率装胃研捌j 量力，提高生产效掣列【3 】1 4 1 。 在电力电子装置中，随着开关频率的提高，开关损耗将成比例的增加，开关 损耗成为制约开关频率提高的重要因素，也成为器件能量损耗的主要部分。特别 2 硕士学位论文第一章绪论 是大容量变流电路中，b j t ，g t o 关断时瞬时本身损耗就比较大，提高频率更会使 得效率大幅度的降低。对这种矛盾的传统的解决办法只能是应用软开关技术。虽 然近年来使用软开关的高频开关直流电源己经得到广泛的应用，但是大部分都是 在中小功率的场合。而在大功率场合( 像电力机车、通讯基站等) 普遍采用的都是 硬开关。提高在大功率场合中的软开关的应用是非常必需的。 多模块并联运行的分布式电源系统代替集中式电源供电系统已经成为大容 量高频开关直流电源系统发展的一个重要方向。多个电源模块并联实现扩容可大 大提高系统的灵活性，使电源系统的体积重量大为降低，各个模块处于均流运行 时，其主开关器件的电流应力也可大大减少，从根本上提高可靠性、降低成本。 由于系统可由标准的模块组合而成，因而电源产品的种类也可减少，便于规范化， 这样一方面可降低不同容量电源的设计成本和重复投资，另一方面还可减少生产 和维护费用。 和集中式供电系统相比，分布式电源系统有更多的优点：能提高系统的灵活 性；可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了电源模块的功率密度，使电 源系统的体积、重量下降；各个模块的功率半导体器件的电流应力减少，提高了 系统的可靠性；可方便的实现n + i 冗余供电；减少产品种类，便于标准化，并且 分布式系统可非常方便的实现并联方式的扩展。当需要大功率输出时，可采用小 功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成“积木式”智能化大功率 供电电源。这样做既大大的减轻了对大功率元器件和装置的研制压力又解决软开 关电源在大功率场合中应用的局限性。基于此，软开关电源并联技术的重要性日 益增加。但是并联的开关变换器模块间需要采用均流措施，用于保证模块间电流 应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在电流极限值状态。因此采 用可靠的均流措施是实现大功率电源系统的关键。 针对机车1 l o v 电源大功率的特点以及高频开关电源面临的这些技术难题， 采用更可靠、成熟的软开关技术和模块化冗余结构设计，对实现大容量电源系统 的高功率密度和高可靠性有巨大的意义，其应用前景非常的可观。 1 3 并联软开关电源总体方案 本文所研究的高性能、大容量直流电源的技术参数要求，其输出电流高达 1 5 0 a 。为了实现直流开关电源的大功率输出，满足负载功率和稳定性的要求，电 源主电路结构采用多个电源模块并联构成冗余结构的设计，如图1 1 、1 2 所示： 3 硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 1 开关电源模块基本框图 图卜2 电源模块并联原理框图 这种模块化设计的优点是：提高系统的灵活性，使得各个模块的开关器件的 电流应力减小，提高了系统的可靠性。另外还可以方便地实现冗余结构，电源工 作过程中某一模块发生故障退出运行不会导致整个电源装置的停机。为了保证各 个电源模块间电流应力和热应力的均匀分配，采用了开关电源并联均流技术1 5 l 【6 1 。由于并联运行的各个电源模块特性并不一致，有的模块可能承担更多的电流， 甚至过载，从而使其它模块处于轻载，甚至基本上是空载。其结果必然是分担电 流多的模块，热应力大，降低了系统的可靠性。因此，在每个模块中必须设计负 载均流电路，保证各模块均流输出。 1 4 本文研究内容 本论文研究的高频软开关电源，主电路采用大功率移相全桥直流变换器，通 过调节移相角的大小实现输出稳压和均流。输入和输出电路都采用全波整流电路 将交流电压波形整流。软开关技术和负载均流技术在电源系统中得到应用，使开 关电源的性能得到比较好的改善。 本文的主要内容如下： 1 主电路拓扑结构的选取。主电路是开关电源的主要部分，也是开关电源 的骨架。如果没有合理地设计主电路地结构以及电路参数，很难达到预期的效果， 而且也可能引发故障，电源的安全性、可靠性、效率都会降低。所以，本文首先 对移相全桥变换器拓扑结构进行分析，确定标准标准模块的电路结构。 4 硕士学位论文 第一章绪论 2 单个电源模块的设计。单个电源模块的设计包括主电路器件选取和控制 电路的设计。在保护电路中，设计了电源输入电流、输出电压和电流等保护功能。 增加了电源模块的基于c a n 总线监视与通信部分。 3 电源模块并联运行均流设计。对几种常用的均流和控制方法进行了研究 和讨论，通过对负载均流技术理论研究和分析，选取最大电流均流法完成系统均 流的设计，使均流技术比较好的应用到工程中。 5 硕士学位论文第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 在并联电源系统中，确定标准模块的电路结构是十分熏要的环节。对一个理 7 想的d c d c 变流器而言，必须具备高效率、良好的输入输出特性、拓扑结构简单 便于集成，控制方法简单等特点。在实际电路中，没有一个拓扑是理想的。在众 多的电力电子变流器拓扑中，大部分的拓扑具有一定的特异性，在某些特殊场合 具有优势。本章通过分析和比较，归纳这些拓扑的共性，选出最优的拓扑作为并 联电源标准模块的电路结构。 对各种拓扑在一定的应用下，定义一整套用来衡量拓扑性能的指标，再综合 评定拓扑的优劣特性。评判一个拓扑的优缺点的指标主要应包括以下几点【1 ： 输入特性，包括输入电压高低和输入电压适应范围 输出特性，包括输出电压高低和输出电压适应范围 变换效率，拓扑损耗，器件应力 拓扑及控制的复杂性、成本 拓扑的频率适应特性 拓扑的可集成性，包括有源和无源元件 拓扑适应的功率等级( 与器件有关) 拓扑的可靠性，包括短路、限流、恒功率等运行状态下拓扑的可靠性 这些指标相互之间都有密切的联系，不同的应用场合，衡量一个拓扑优劣的 侧重点也不尽相同。但最终，这些指标会反映到效率、复杂程度以及成本的联系 上。如为了获得宽的输入适应范围，必然会损失变换效率，为提高效率，采取其 他措施必然会增加复杂性和成本。如拓扑的频率适应性和功率等级，也是与效率 密切相关的。由于这些指标之间存在密切联系，我们可以根据输入特性、输出特 性、功率等级和工作频率范围这四个主要指标来对d c d c 拓扑进行分类和比较， 这也是d c d c 拓扑选择的主要依据。 开关电源的电路拓扑结构众多，其中正激型、反激型和半桥型适合小功率电 源使用，半桥型和全桥型适合大功率电源使用，其中正激电路又可以分为单管正 激、双管正激等多种【8 】。在本章，我们主要的目的就是在一定的应用条件下，优 选具有高效率、简单和低成本的拓扑。 6 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 2 1 1 基本结构 2 1 移相控制全桥p w m - z m s 开关变换器 全桥变换器是目前最常用的一种拓扑形式，具有很高的功率密度和磁芯利用 率，特别适合于中大功率和电源电压及负载变化大的场合。具有开关频率恒定， 开关器件的电压电流应力小，效率高等明显的优点。从开关方式上看全桥电路有 传统的p w m 硬开关全桥、z v s 移相全桥、z v z c s 移相全桥、z c s 全桥，从工作原 理看，可以分为谐振全桥变换器和p w m 型全桥变换器两种f 9 】1 0 1 。 图2 - 1 为基本移相控制零电压开关p w md c d c 全桥变换器( p h a s e s h i f t e d z e r o - v o l t a g e s w i t c h i n gp w m d c d cf u l l b r i d g ec o n v e r t e x ，p sz v sf bc o n v e r t e r ) 的原 理图，它利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容来实现开关管的 零电压开关。其中d i ( i - l ，2 ，3 ，4 ) 为q i 的内部寄生二极管，c i 为开关管的 寄生电容或外接电容，t l 为变压器，l 墩为变压器漏感，c 。和l o 分别为输出滤 波电容和滤波电感，r o 为负载。基本移相控制全桥p 删零电压开关变换器利用 c 。和变压器漏感l i k 作为谐振元件，在一个完整的开关周期中，通过谐振，使得 变换器中的四个开关管依次零电压导通，在c ，的筘位作用下零电压关断。每个 桥臂的两个功率管成1 8 0 。互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移项 角，通过调节移项角的大小来调节输出电压。q l 和q 3 分别超前于q 2 和q 4 一个 相位，称q l 和q 3 组成的桥臂为超前桥臂，q 2 和q 4 组成的桥臂则为滞后桥臂。 图2 - 1 基本移相控制全桥p 吼零电压开关变换器拓扑 图2 2 为全桥零电压开关p w m 变换电路在一个完整的开关周期中四个开关管 的驱动信号v 謦，原边电压v a b ，原边电流i p 以及副边整流电压v c f 的波形。 7 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 i p q 1i | i l o ， ：i q l厂。 ： r q 21 ；i q 4 1；q ：； l 。 ii ： 一件 i 、 厂： i 1 | t 1f1j 1 、 二、 | f膨f| f l f 2f 3 t 5t 6 t o 图2 - 2 工作波形 2 1 2 运行过程分析 在一个开关周期中，基本移相控制全桥p w m 零电压开关变换器有1 2 中开关 模态，每个工作周期可分为对称的两个半周期，一个工作半周期可以分为六个阶 段进行分析，为了方便分析，做出以下假设： 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器件； 3 c 1 2 c 3 2 c k a d ，c 2 - - 4 2 4 k ； 4 厶k 2 ( 足是变压器原副边匝比) 。 图2 - 3 为该变换器在不同开关模态下的等效电路。假设电路初始时已经工作 于稳定状态： ( 1 ) 开关模态0 t 。时刻 参考图2 - 3 ( a ) 在t 。时刻时，开关管q 和q 。已处于导通状态，原边电流i 。流经q 。、谐振电 感l l k 、变压器原边绕组以及q 2 。电路处于一个由电源向负载完全供电的阶段， 此阶段中，原边电流i 。将会逐步上升。副边整流二极管d ；和d 6 导通。在这个时 间段中有： 一l 。zm 。v d m v m ( 2 1 ) “l 其中m 为变压器变比；v 。为输出电压；l ：为l l 。和m 2 l 。的和。设i ，初值为i ， 则可以求得i 。安下式2 2 规律变化： 8 硕士学位论文第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 = 写警h 。 ( a ) 模态1 ( c ) 模态3 ( e ) 模态5 ( 2 - 2 ) ( b ) 模态2 ( d ) 模态4 ( f ) 模态6 图2 - 3 各阶段等效拓扑 ( 2 ) 开关模态l t 。时刻 参考图2 - 3 ( b ) 在t 。时刻时，关断q 。，原边电流i 。从c 。和c 。支路中，给c 。充电，同时c 。被 放电。在这个时段里，谐振电感l l k 和滤波电感l o 是串联的，而且l o 很大，可 以认为i 。近似不变，类似于一个恒流源。电容c 。的电压从零开始线性上升，电 容c 。的电压从v 。开始线性下降，因此q ，是零电压关断。此阶段中，原边电压v 曲 9 硕+ 学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 按照式2 - 3 规律变化： v m ) = 一磊石丽1 0 ( 2 - 3 ) 历ll ，+ l ，十l “j 其中，i 。为输出电流且假设为恒定。到t ：时刻，c 3 上的电压下降到零，这个 阶段结束。此时开关q 。的反并联二极管d 3 开始自然导通，为q 。导通创造了z v s 条件。 ( 3 ) 开关模态2 t 。时刻 参考图2 - 3 ( c ) 在t ：时刻d 3 导通之后，原边电流开始通过d 。和q ：续流，主回路进入环流阶段，m v 。 作用于k ，使得i 。开始按式2 - 4 规律下降： ( r ) = 一挚f ( 2 4 ) h 其中i 为i ，在此阶段的初值，也就是i 。m 。在t 。时刻，根据占空比要求关 断q ：，从而结束了此阶段。 ( 4 ) 开关模态3 t 。时刻儿参考图2 - 3 ( d ) 在t 。时刻，q 。在c ：和c 。的箝位作用下被零电压关断之后，由于原边电流将 会迅速下降，副边电流也会随之下降，导致副边电流一部分由滤波电感提供，四 个副边整流二极管同时导通为副边电流续流，这个过程也就是d 5 、d 6 与d 7 、d 8 的换流过程。在换流的过程中，变压器副边被短路，引起变压器原边也被短路， c ：、c 4 和变压器漏感进行谐振，c ：充电，c 。放电。v 。和i ，分别按式2 - 5 和式2 - 6 规律变化： 2 ( f ) = 1 2 s i l l ；：二：一t ( 2 - 5 ) 0 l 2 + c 4 + c 。 圳2 厶c 。8 瓦露露li 雨 2 6 其中i ：为i ，此阶段的初值。若变压器漏感足够大，则c ：的电压在t 。时刻上 升到v d ，c 。的电压下降到零，q 。的反并联二极管d 。导通，k 上升为v 。，此阶段结 束。 ( 5 ) 开关模态4 t 。时刻 参考图2 - 3 ( e ) 在t 。时刻，q 。的反并联二极管d 。导通，q 4 的电压被箝位在零，原边电流在输 入电压v 。的作用下线性下降。由于变压器原副边仍然处于被短路的状态，所以 可以得出i p 在这个阶段的变化符合式2 7 规律： i p ( f ) ：，3 一粤f ( 2 - 7 ) l o 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 其中i 。为i ，此阶段的初值。当i 。下降为0 ，此阶段结束。 ( 6 ) 开关模态5 t 。时刻 参考图2 - 3 ( f ) 在t 。时刻，i p 由0 开始继续下降，其下降规律遵循下式2 8 ： o ) ：一粤r ( 2 - 8 ) 上仕一 当i d 下降到等于i l 时，d 5 、d 6 与d 7 、d s 的换流过程结束，变压器原副边电 压恢复。系统进入另一个工作半周期，其过程与上述的半周期完全相同。 2 1 3 特性分析 1 实现z v s 的条件【1 1 】 实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量用来抽走将要开通的开关管的 结电容( 或外部附加电容) 上的电荷；给同一桥臂关断的开关管的结电容( 或外部 附加电容) 充电和抽走变压器的原边绕组寄生电容c 住上的电荷。 也就是说，要实现开关管的零电压开通，必须满足式2 - 9 ： e i il 枷r 。2 + 去c 瑶+ c 乙嘭 ( 2 9 ) 二二二 在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感l o 是与谐振电感l 。串联的，此时用 来实现z v s 的能量是l 。和l o 中的能量。一般来说，k 很大，在超前桥臂开关过 程中，其电流近似不变，类似于一个恒流源，这个能量很容易满足式2 - 9 。 在滞后桥臂开关过程中，变压器副边是短路的，此时整个变换器就被分成两 部分，一部分是原边电流逐渐改变流通方向，其流通路径由逆变桥提供；另一部 分是负载电流由整流桥提供续流回路，负载侧与变压器原边没有关系。此时用来 实现z v s 的能量只是谐振电感中的能量，实现z v s 必须满足式2 - 1 0 。由于输出 滤波电感l 。不参与滞后桥臂z v s 的实现，较超前桥臂而言，滞后桥臂实现z v s 就要困难得多，因为谐振电感比输出滤波电感要小得多。 1 i 1 2 2 c k 瑶+ i 1l m 2 ( 2 1 0 ) 二二 2 占空比损失 在基本移相控制全桥p w m 零电压开关变换器拓扑结构中，原边的占空比与副 边的占空比存在着不同，原边占空比由开关器件的驱动信号决定，通常大于副边 的占空比，副边占空比的损失是由于副边整流管续流过程引起的，续流的过程导 致了整流管的同时导通，所以副边电压被箝位为零。由图2 - 2 可以看出a d 等于 t 。到t 。的时间差与半周期的比值： 硕士学位论文第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 a d 。盈+ n 。4 l j o( 2 1 1 ) i 、 所t 其中作了两个近似，首先原边电流被近似的看作以斜率v l n 线性变化，其 次，考虑到l o 的值很大，忽略了电感电流的纹波。由上式可以看出，占空比丢 失与输入电压v d 成反比，与负载电流成正比。 由以上分析可以看出，虽然基本移相控制全桥p w m 零电压开关变换器拓扑结 构解决了一些传统全桥结构的问题，如取消了s n u b b e r 电路，实现了有限的z v s 等，但依然有很明显的不足之处，主要包括： 1 软开关范围小，与负载电流有关； 2 副边占空比丢失严重； 3 原边漏感与副边二极管的寄生振荡严重； 4 原边续流阶段循环能量引起的导通损耗大。 2 2z v z c s 全桥p w m 变换器的基本原理 为改善基本移相全桥d c b c 变换器的这些缺点，许多改进方法被广泛研究 【1 2 】【1 3 1 1 1 4 1 。大量的新型拓扑结构被提出，它们有各自的优点和缺点，分别适用于 不同的应用场合。主要有采用饱和电感或磁开关的z v s 移相全桥d c d c 变换器和 采用辅助网络z v s 移相全桥d c d c 变换器【l5 1 。本章介绍新的拓扑采用简单的辅 助网络，超前臂的z v s 原理与其他传统的转换器相似，而滞后臂的z c s 则是通过 在原边续流期间，导通箝位m o s f e t ，使得滤波电感两端电压被箝位为零，输出 电容的电压全部加在原边漏感上，实现原边电流的迅速复位，从而创造出良好的 滞后臂z c s 条件。输出电容所存储的能量足以在任何负载条件下复位原边电流， 实现极大范围内的z v z c s 条件；辅助电路中的m o s f e t 也工作于z v z c s 状态，且 辅助电路无有损元件加入，损耗非常小：辅助欲位电容仅为旧级，因此可以忽 略原边电流应力的增加。而且复位电压等于m v o ，能迅速复位原边环流。整流二 极管的电压应力不会因为辅助电路的加入而增加，原边环流电流也控制在了很低 的水平。这些特性使得新拓扑非常适合于中大功率应用。 2 3 1 新型z v z c $ 全桥p w m 变换器的工作状态分析 1 2 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 新拓扑中超前臂的z v s 仍与传统z v z c s f b - p w i - t 中的超前臂z v s 非常相似， 所不同的是二次侧镀位开关的控制策略不同，且复位原边环流的手段不同。 图2 - 4 新z v z c s - f b - p 嘲变换器拓扑结构 新拓扑的半个工作周期可分为8 个阶段进行分析，分别对应着8 种工作模式。 其波形图和每种工作模式的等效电路如图3 5 和图3 4 。假设电路已工作于稳定 状态。 囹2 - 5 变换器工作波形 模态1 ( t l t 2 ) ：t l 时刻导通欲位m o s f e t ( q 5 ) ，此时由于= 吃= 吃，且 v c c 大于v o ，所以d 。仍处于截断状态，v 一触被c 。簌位为零，i f n 在v c f 下降 之前都不会上升，q 5 在零电压的状态下导通，导通损耗很小。 模态2 ( 岛一t 3 ) ：t ，时刻q 。的驱动信号下降为低电平，q l 关断，c 。参与电路 充放电过程，但由于c 。的电容值和c l ，c 2 处于同一数量级，且此阶段时间非常 短，所以此阶段中，主回路电流可被视为恒流源，主回路电流开始对c l 充电并 一o 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 对c 2 放电，c 。开始通过簌位m o s f e t 跟随v c f 变化，主回路电压v 曲按式2 1 5 规 律线性下降： ( r ) = 屹一丙百i 丽o ( 2 - 1 2 ) 肌l l ，+ l ，十l 1 此时，副边整流电压v e f 也以同样速率线性下降，v c c 按式2 1 6 规律下降到v 。， 妒v c , ( o = 鲁一磊百i 酉。丽， ( 2 - 1 3 ) 这个阶段一亩持续到v 。下降为m v 。 模态3 ( t 3 一“) ：当v c 。下降到v 。后，d c 开始导通，输出滤波电感l o 两端电 压被簇位为零，v c 。被筱位在v o ，它反射回主回路并部分作用在l l k 上，使得原 边电流i 。下降，等效电路图如图2 7 ( a ) 。v a b 按式2 1 7 规律下降到零： 一 一器s 酬 睁 l d 的值按照式2 1 8 变化： ，。= 量c o s ( 耐) ( 2 1 5 ) 其中国= !，c 为超前臂i g b t 的欲位电容值。 4 2 l m c 在“时刻，c l 的电压达到v d c 2 的电压下降为零，v 西为零，d 3 开始导通， q 。两端电压被欲位在0 ，为q 。的零电压导通做好了准备。此时主回路电流通过d 3 ， q ：续流。 由于c 1 和c 3 的存在，所以只要c l 和c 3 足够大，q - 在m o d e z 和m o d e 。两个阶 段中的关断过程是一个z v s 过程，开关损耗很小。 模态4 ( ，4 一f 5 ) ：t 4 时刻，在副回路中，v c 。仍然被簌位在v o ，它反射回主回 路并全部作用在l l k 上，使得原边电流i 。继续下降，其等效电路图如图2 7 ( b ) 。 这个阶段内= = ，i p 在m v 。的作用下线性下降，l l k 变化按式2 - 1 9 ： 丝鳖卜， ( f ) = j 熟 ( 2 1 6 ) 其中，= 鲁1 1 2 v 。m z m 4 c 为，。的初始值。而- m * 缸则以相同的速率上升。此阶 段中任意时刻可以z v s 导通q 3 。 1 4 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 ( a ) 模态1 ( c ) 模态3 ( e ) 模态5 ( g ) 模态7 ( b ) 模态2 ( d ) 模态4 ( f ) 模态6 图2 - 6 各工作模式等效电路图 1 5 ( h ) 模态8 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 模态5 ( 一r 6 ) ：在t 5 时刻，原边电流完全被复位，q ：关断和q 4 导通的z c s 条件已经具备，四个整流二极管同时导通与q 5 ，d c 一起为副边续流，负载的能量 完全由k 和c 。提供。根据占空比选择的要求，选择任意时刻关断q 2 。由于原边 电流已经为零，i g b t 的尾拖电流的影响被降低到最小。在最小死区时间之后即 可z c s 导通q t 。此阶段v c f 始终被簌位在v 。 模态6 ( t 6 一t 7 ) ：在t 6 时刻导通戗，系统又一次进入由原边向副边传送能量 的阶段。由于漏感的作用，原边电流不能突变，所以瓴的导通也是z c s 。原边电 流通过q 3 ，q 4 开始按照式2 - 2 0 的规律上升： l ，p = ( 圪一x m ) x t ( 2 - 1 7 ) 上许 d 5 和d 7 开始导通，k 。开始以和原边电流上升速率相同的速率开始下降。此时 v c d 被鲛位在v 0 上。 屹 ， “5 1 5 m c s 巧 册 垃& 生 ( a ) k k i ， 图2 - 7 等效电路 模态7 ( 岛一f 8 ) ：m i p 在t 7 时刻上升到等于i o ，此时k 一下降为零，d c 截止。 v c 。和v c f 将继续上升到等于m ，其规律如式2 - 2 1 ： = 丧+ ( 1 - 南c o s ( 硼 ( 2 - 1 8 ) 其中国= 坍j 乏石。等效电路图如图2 - 7 ( c ) o 在v c c 和v e f 上升到屹晰后， 1 6 硕士学位论文 第二章移相全桥变换器拓扑结构的研究 保持在圪册。 模态8 ( f s 一岛) ：t s 时刻，由于v c c 已经和h 相同，d c 也已经截止，通过m o s f e t 的电流已经为零，所以q 5 可以在零电流条件下关断。在此阶段瓴也可以在零电 压的条件下导通。根据占空比的要求选择t 9 时刻零电压导通q 5 ，系统就进入另一 个半周期。 2 2 3 参数设计 1 超前臂z v s 条件 本结构的超前臂z v s 过程与移相式f b - z v s p 州变换器基本相同，在超前臂 关断后形成的谐振电路如图4 ( d ) 所示，其中l 由l l k 及反射到原边的输出滤波电 杆m 2 k 组成。由于m 2 l 。的值很大，所以电感储能很容易让c l ，c 3 完全充放电， 但是为保证c 3 ( c 1 ) 能充分放电( 充电) ，应满足： k 拥v 。、f ( c t + 坍c 。3 厶+ + c k t ) x + ( k 2 d - 1 ) ( 2 一1 9 ) a t 塑兰坠刍刍2 兰匕( 2 2 0 ) i 。m m 其中是变压器绕组匝间分布电容，l 。是变压器励磁电感，f 是超前臂上 下两个开关关断与导通之间的最小间隔时间 2 滞后臂的z c s 条件 由于滞后臂的z c s 是通过复位原边电流来完成的，而原边电流是在簇位电容 c 。和输出滤波电容c 。共同作用下复位的，其中c 。的值远远大于复位原边电流所 需的电容值，所以新拓扑结构完全可以在满载下轻松完成原边电流的复位而无需 考虑c 。的电容值。c 。只需要保证欲位m o s f e t 的软开关即可，在此基础上，c 。 越小越好，c 。越小，原边电流应力的增加就越小。此外，为了实现滞后臂的零 电流开关，i d 必须在滞后臂关断之前复位，所以复位的时间必须满足式2 2 4 ； 乙 嚣 t ， 式中：一电流安全系数； p 全桥变换器的最大容量； 圪一整流输入最小电压。 将p = 6 8 7 5 k w 代入式3 4 得： l r a v - 龛焉一4 s ， 通过上述计算，全波整流桥采用德国p o w e r s e m 公司的p s i ) 1 1 1 6 型整流桥， 其输出直流电流额定值6 0 a ，反向峰值电压为1 6 0 0 v 。 3 3 3 高频变压器的设计 高频变压器是开关电源中的核心元件，它与普通工频变压器基本相似，都是 用来完成电压变换、功率传送和实现原、副边之间的相互隔离。高频变压器工作 时的电压、电流都不是正弦波，因此其工作状况同工频变压器有所不同，设计公 硕士学位论文 第三章软开关电源模块的设计与实现 式也不同。依据开关电源的工作电压、工作电流和工作频率等来设计变压器的变 压比、铁心的形式和尺寸、各绕组匝数、导体截面积和绕组结构等渊。 i ，选择磁芯型号 目前铁氧体磁芯结构有e e 型、e i 型，e 型、u 型、环形及罐型等。每种 形状都有多种几何尺寸来满足不通功率高频变压器的需要。选择磁芯形状的原则 一般有：漏磁小、绕制安装方便、散热条件好。环形磁芯漏磁小，但体积较小， 绕制不方便，一般用来绕制5 0 0 w 以下的变压器；罐型磁芯具有漏磁小的优点， 但其内部可利用空间小，适用于小功率变压器；e e 磁芯漏磁小，容易夹紧固定， 窗口面积较大。适用于变压器次级粗线或宽铜带的绕制，可用来绕制i k w 或更 大的变压器。变压器的散热条件也是关系到变压器是否安全可靠工作的重要原 因。在有强迫风冷的高频开关电源中，如果采用e e 磁芯，只要将变压器安装在 有利于空气对流的散热风道里，由于其大部分磁体和副边线圈都裸露于空气中， 所以散热条件比较好，可以安全工作。 本电源模块的输出功率最大为6 0 5 k w ，设计效率为8 0 ，所以输入功率为 7 5 6 k w 。综上所述，根据厂家提供的功率一频率铁芯选择表，选择e e 7 0 磁芯， 两支并排使用，其有效面积约为9 2 2 m m 2 。 2 变压比 变压比的计算是在电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压仍 能达到设计要求的上限，考虑到电路中的压降，输出电压应留有欲量。 k：umminou一249x 0 9 2 ( 3 6 ) u d 一+ u 1 1 0 + 2 式中k t 电压比； u i n m h l 输入直流电压最小值，