（电力电子与电力传动专业论文）基于数字控制的移相全桥零电压零电流dcdc变换器研究.pdf

学位论文版权使用授权书 旧删 y 1 8 谭苦芝若 江苏大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期 刊 光盘版 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档 可以采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致 允许论文被查阅和借阅 同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入 中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询 授权中国学术期刊 光盘版 电子杂志社将本论 文编入 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 并向社会提供查询 论文的公布 包括刊登 授权江苏大学研究生处办理 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名 杪产龟王 2 0 1 1 年6 月1 4 日 翩虢纠脚 2 0 1 1 年6 月1 4 日 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容以外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 彳忆产龟 玉 日期 f f 年易月 尹 江苏大学硕士学位论文 i i 江苏大学硕士学位论文 摘要 软开关技术是当代电源技术的研究热点 数字化是现代电源的发展趋势 二 者的融合势必将会极大地减小电源的体积 提高电源的效率 改善电源的控制精 度 提高电源的功率密度 本文提出了一种利用耦合输出电感次级箝位z v z c s p w md c d c 变换器 并设计了以a r m 芯片l p c 2 2 1 4 为核心的数字化控制系统 本文在分析该新型变换器工作原理的基础上 推导了变换器各种状态下的参 数计算方程 并针对轻载情况下超前臂不能实现零电压开通的问题 对变换器进 行了改进 实现了宽负载范围的软开关 运用p s p i c e 9 2 软件成功地对变换器主 电路进行了仿真 分析了各参数对变换器性能的影响 为了提高控制精度和系统 稳定性以达到更好的效果 设计中采用a r m 芯片l p c 2 2 1 4 作为控制芯片 实 现了数字化控制 通过软件设计实现了p i d 算法和p w m 移相控制信号的输出等 设计 最后研制出基于该新型拓扑和数字化控制策略的4 8 v 4 8 0 w 移相控制零电 压零电流软开关电源 给出了其主电路 控制电路 驱动电路 保护电路及高频 变压器等的设计过程 并在实验样机上测量出了实际运行时的波形 实验结果表明 本文的零电压零电流变换器拓扑结构合理 参数设计正确 与预想的理论分析吻合 能够在宽负载范围内实现超前桥臂的零电压开关和滞后 桥臂的零电流开关 且辅助电路结构简单 采用数字控制之后 系统的硬件电路 得到了极大地简化 控制方法灵活多变 尤其适合以i g b t 作为主功率开关管的 高电压 大功率功率变换 具有广泛的应用前景和巨大的经济价值 关键词 z v z c s a r m 软开关 数字控制 全桥变换器 江苏大学硕士学位论文 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i g i t a l i z a t i o no fp o w e rs u p p l yh a sb e c o m eat r e n da n dt h es o f t s w i t c h i n g t e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o ts p o ti np o w e rs u p p l yf i e l dn o w t h ec o m b i n a t i o no f t h e s et w od i r e c t i o n sm u s tb ev e r yh e l p f u li ni m p r o v i n gt h ep o w e r s u p p l y se f f e c ta n d c o n t r o lp r e c i s i o n r e d u c i n gi t sv o l u m ea n di m p r o v i n gi t s p o w e rd e n s i t y an o v e l z v z c sc o n v e r t e ri s p r o p o s e du s i n gac o u p l e do u t p u ti n d u c t o r w h i c hi sd i g i t a l c o n t r o l l e db a s e do na r m c h i pl p c 2 2 14 b a s e do n a n a l y s i so ft h en o v a lc o n v e r t e r sw o r k i n gp r i n c i p l e t h ep a r a m e t e r s c a l c u l a t i o ne q u m i o n sw e r ed e r i v e d i na d d i t i o n s i n c et h el e a d i n gl e gs w i t c h e s z v s c a n n o tb er e a l i z e di nt h el i g h tl o a dp e r i o d t h en o v e lz v z c s f u l lb r i d g ec o n v e r t e rw a s i m p r o v e d s oi ta c h i e v e ds o f t s w i t c hi ni t s a 1 1l o a dr a n g e t h em a i nc i r c u i to ft h e c o n v e r t e rh a sb e e ns i m u l a t e db yp s p i c e9 2 s u c c e s s f u l t h ee f f e c t t oc o n v e r t e r p e r f o r m a n c ew h i c hc a u s e db ya l lp a r a m e t e r sh a sb e e na n a l y z e d i no r d e rt oi m p r o v e t h ec o n t r o lp r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m a r mc h i pl p c 2 214i su s e da st h e c o n t r o l c h i p t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n de m p l o y e dp i d p a r a m e t e rs e t t i n gt h e o r ya sc o n t r o la l g o r i t mt oi m p r o v ec o n t r o lp e r f o r m a n c e t h e s o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e dt h ea c q u i s i t i o no ff e e d b a c ks i g n a l s t h eo u t p u to f p w m p h a s e s h i f tc o n t r o ls i g n a l s a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ad i g i t a l z e r o v o l t a g ez e r o c u r r e n tp h a s e s h i f tf u l l b r i d g ec o n v e r t e rw a sd e s i g n e d i t sp o w e ri s 4 8 0 w t h em a i nd e s i g np r o c e s so fm a i n c i r c u i t d r i v i n gc i r c u i t c o n t r o lc i r c u i t p r o t e c t c i r c u i ta n dh i g h f r e q u e n c et r a n s f o r m e rh a sb e e ng i v e ni nt h i st h e s i s t h ec o n v e r t e r s m a i n w o r k i n gw a v e f o r mh a sb e e ng i v e ni nt h el a s to ft h et h e s i s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h e t o p o l o g yo ft h e n o v a l z e r o v o l t a g e z e r o c u r r e n tc o n v e r t e ri sr e a s o n a b l e t h ep a r a m e t e rd e s i g ni sr i g h t a 1 1t h er e s u l t sa r e c o i n c i d ew e l lw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ec o n v e r t e rc a nr e a l i z et h ez e r o v o l t a g e s w i t c h i n go fl e a d i n gl e ga n dz e r o c u r r e n ts w i t c h i n go fl a g g i n gl e g e l i m i n a t et h es u r g e c u r r e n ti np r i m a r ys i d eo fm a i nt r a n s f o r m e r t h es t r u c t u r eo fa u x i l i a r yc i r c u i ti s c o n c i s e t h ec o n t r o la n dp r o t e c tc i r c u i ti ss t e a d ya n dr e l i a b l e s ot h i sn o v e lc o n v e r t e r h a saw i d ea p p l i c a t i o na n dh u g ee c o n o m ye f f e c ti np o w e rc o n v e r t i n gf i e l d e s p e c i a l l y i nt h eh i g hv o l t a g ea n dh i 曲p o w e rf e i l dw h e r ei g b ti su s e da st h em a i ns w i t c h k e y w o r d s z v z c s a r m s o f t s w i t c h d i g i t a lc o n t r o l f u l l b r i d g ec o n v e r t e r i i i 江苏大学硕士学位论文 i v 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 第一章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 全桥变换器 1 1 3 软开关技术概述 3 1 4 全桥软开关变换器 4 1 5 开关电源的数字控制 7 1 6 国内外研究现状 8 1 7 本文主要研究内容和结构安排 9 第二章新型移相全桥z v z c s 变换器的工作原理 一1 l 2 1 零电压零电流开关变换器的实现方法 1 1 2 1 1 辅助电路位于主变压器一次侧 1 1 2 1 2 辅助电路位于主变压器二次侧 l3 2 2 本文所采用的z v z c s 主电路结构及其原理 1 4 2 2 1 主电路概述 1 4 2 2 2 新型次级箝位z v z c s 电路工作过程分析 1 5 2 2 3 新型次级箝位z v z c s 电路的几点分析 1 9 2 3 本章小结 2 1 第三章新型z v z c s 全桥变换器改进和主电路参数设计 2 3 3 1 新型z v z c s 全桥变换器的改进 2 3 3 1 1 超前桥臂z v s 负载范围增大原理 3 5 2 3 3 1 2 辅助电路的工作原理 2 4 3 2 主电路参数设计 2 6 3 2 1 主电路结构 2 6 3 2 2 输入回路设计 2 7 3 2 3 单相桥式逆变电路设计 3 0 3 2 4 高频变压器设计 3 0 江苏大学硕士学位论文 3 2 5 辅助电路参数的选择 3 3 3 2 6 输出滤波电感设计 3 4 3 2 7 输出滤波电容选择 3 6 3 3 本章小结 3 7 第四章变换器主电路的仿真分析 3 9 4 1p s p i c e 仿真软件简介 3 9 4 2 电路相关仿真参数设置 3 9 4 3 仿真波形分析 4 1 4 4 本章小结 4 7 第五章控制系统设计 4 9 5 1 控制系统的总体结构分析 4 9 5 2 驱动电路设计 5 0 5 3 采样电路设计 51 5 4 保护电路设计 5 2 5 5 基于a r m 的主控制电路设计 5 4 5 5 1a e m 7 处理器l p c 2 2 1 4 简介 5 4 5 5 2 控制算法 5 6 5 5 3 移相p 1 j i m 信号的生成 5 8 5 5 4 程序设计 5 9 5 6 本章小结 6 4 第六章实验结果分析 6 5 6 1 实验系统平台 6 5 6 2 实验波形分析 7 0 6 3 本章小结 7 0 第七章全文总结与展望 7 1 7 1 全文总结 7 1 7 2 需要完善的部分 7 2 参考文献 7 3 致谢 7 7 在学期间发表的论文 7 7 9 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1 典型的d c d cp w m 变换器主电路 2 图1 2 移相z v s 全桥变换器主电路 5 图1 3 移相z c s 全桥变换器主电路 5 图1 4 移相z v z c s 全桥变换器主电路 6 图2 1 移相全桥z v z c sp w m 变换器 1 1 图2 2 利用饱和电感实现z v z c s 1 2 图2 3 利用滞后桥臂串联二极管实现z v z c s 1 3 图2 4 副边采用有源箝位实现z v z c s 1 3 图2 5 副边带无源箝位实现z v z c s 1 4 图2 6 利用变压器第三个绕组实现z v z c s 1 4 图2 7 新型次级筘位z v z c s 变换器拓扑 1 4 图2 8 变换器的主要工作波形图 l5 图2 9 模态1 2 的工作原理图 1 6 图2 1 0 模式3 4 的工作原理图 1 7 图2 1 1 模式5 6 的工作原理图 18 图2 1 2 模式7 8 的工作原理图 1 8 图3 1z v s 范围增大原理图 2 4 图3 2 辅助电路原理图 2 5 图3 3 辅助电路工作波形 2 5 图3 4 简化辅助电路原理图 2 6 图3 5 主电路结构图 2 7 图4 1 主电路仿真原理图 4 0 图4 2 改进前轻载时开关管s 1 的零电压开关波形 4 2 图4 3 改进后轻载时开关管s l 的零电压开关波形 4 2 图4 4 重载时开关管s 4 的零电流开关波形 4 3 图4 5 轻载时开关管s 4 的零电流开关波形 4 3 图4 6 辅助电感l r 电流波形 4 3 图4 7 开关管s1 s 4 关断时的电流拖尾比较波形 4 4 江苏大学硕士学位论文 图4 8 变压器原边电压v a b 副边电压v 一原边电流i p 波形 4 4 图4 9 副边电压v r e c 箝位电容c h 电压 电流波形 4 5 图4 1 0 副边辅助电路器件电流波形 4 6 图4 1 1l f 的一 二次侧和c f 的电流波形 4 6 图5 1 基于l p c 2 21 4 的控制系统原理图 4 9 图5 2 开关管驱动电路 5 0 图5 3 电压电流采样电路 5 1 图5 4 输入过压与欠压保护 5 2 图5 5 过载保护电路 5 3 图5 6p i d 控制系统原理框图 5 7 图5 7 开关管的驱动时序 5 9 图5 8 主程序流程图 6 0 图5 9 中断处理子程序流程图 6 0 图5 10p i d 子程序流程图 6 0 图6 1 样机实验平台 6 5 图6 2 改进前轻载超前桥臂s 1 管的z v s 波形 6 6 图6 3 改进后轻载超前桥臂s1 管的z v s 波形 6 6 图6 4 轻载滞后桥臂s 4 管的z c s 波形 6 7 图6 5 重载滞后桥臂s 4 管的z c s 波形 6 7 图6 6 轻载时原边电压v a b 与原边电流i p 波形图 6 8 图6 7 重载时原边电压 铀与原边电流i p 波形图 6 8 图6 8 副边整流电压v r e e 与箝位电容电压v c h 6 8 图6 9 箝位电容电压v c h 和电流 i c h 波形 6 9 图6 10 电源效率图 6 9 表4 1 开关管驱动脉冲信号设置表 4 l 表5 1p i n s e l 0 的部分引脚功能 5 5 表5 2p i n s e l1 的部分引脚功能 5 5 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 功率变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能 的装置 随着电力电子技术的发展 功率变换器 p o w e rc o n v e r t e r s 在开关电源 高频感应加热 焊接电源 电机驱动控制 电网的无功补偿和谐波治理等许多领 域得到广泛的应用和推广 1 1 本文结合软开关技术和数字控制技术对功率变换器 进行了研究 软开关技术是现代电力电子技术研究的热点之一 为了不断提高功率变换器 的品质 满足各种电子设备不断提出的新要求 针对硬开关功率变换器存在的不 足 提出了软开关功率变换器技术 采用软开关技术可使功率变换器具有高功率 密度 高效率 高性能和高可靠性 以满足电子设备对功率变换器轻型化 小型 化等要求 采用数字控制是功率变换器发展趋势 2 1 功率变换器采用数字控制之后 可 以实现复杂的控制算法来提高系统的动态和静态性能 可以实现外围器件的标准 化设计 当用户需求不同时 只需做内部程序的修改便可满足用户需求 从而提 高了设计的灵活性 缩短了设计周期 容易实现通信功能 对电源状态进行远距 离监测和控制 提高了系统集成度 减少了功率变换器故障 提高了可靠性 1 2 全桥变换器 功率变换器根据能量转换的方式不同可分为四大类 交流 直流变换a c d c 直流 交流变换d c a c 直流 直流变换d c d c 交流 交流变换a c a c d c d c 变换器是功率变换器的一个重要部分 以d c d c 变换器为核心的开关电源应用 越来越广泛 并得到各国电力电子专家们的重视 已成为一个重要的新兴产业 3 d c d c 变换器按输入与输出间有无电气隔离分可以为两类 没有电气隔离的称 为不隔离的直流变换器 有电气隔离的称为隔离直流变换器 不隔离的直流变换 器有六种基本拓扑 升压式 b o o s t 变换器 降压式 b u c k 变换器 c u l 变换器 江苏大学硕士学位论文 升降压式 b u c k b o o s t 变换器 z e t a 变换器和s e p i c 变换器 有隔离的直流变换 器有五种基本拓扑 推挽 p u s h p u l lc o n v e r t e r 变换器 正激式 f o r w o r d 变换器 反激式 f l y b a c k 变换器 半桥 h a l f b r i d g ec o n v e r t e r 变换器和全桥变换器 f u l l b r i d g e 变化器 除以上各种基本拓扑外 常用的还包括双管正激变换器 d o u b l e t r a n s i s t o rf o r w o r dc o n v e r t e r 和双管反激变换器 d o u b l et r a n s i s t o r f l y b a c k c o n v e r t e r 本文主要研究d c d c 变换器中的全桥变换器 全桥变换器拓扑是目前国内外d c d c 变换器中最常用的电路拓扑之一 在 中 大功率应用场合更是首选拓扑 因为该拓扑拥有功率开关管的电压 电流额 定值小 功率变压器的利用率高等优点 4 1 图1 1 给出了一个典型的d c d cp w m 变换器主电路 图中没有画出高频p w m 脉冲控制和开关管的驱动电路 保护电 路 e m i 滤波电路等 虽然它们对开关变换器的正常运行是不可少的 在说明拓 扑时可以暂不考虑 i c 一冉ci 矗c 一 c i 一d c d c 图1 1 典型的d c d cp w m 变换器主电路 图1 1 是一个隔离式全桥d c d c 变换器 4 个开关管s l s 2 s 3 s 4 组成全 桥开关逆变电路 高频p w m 脉冲轮流控制开关管的导通和关断 一个开关周期 内 前半周期s l 和s 4 导通 s 2 和s 3 关断 后半周期s 2 和s 3 导通 s l 和s 4 关断 将直流输入电压v 变换成高频交流方波 实现d c a c 变换 交流方波电压的频 率由p w m 频率决定 交流方波电压经高频变压器升降压 再经全波整流和l c 低通滤波电路 得到直流输出电压 实现a c d c 变换 隔离式d c d c 全桥变换 器是由逆变和整流两级电路组成的d c a c d c 变换 输入电压v 可以是电池 上一级a c d c 或d c d c 变换器输出 全桥d c d c 变换器用了4 个开关管 使 用于较大功率的场合 d c d cp w m 变换器的输出端虽然有滤波原件 但是输 江苏大学硕士学位论文 出电压v 并不是纯粹的直流 而是含有高频纹波分量 纹波频率和开关频率有 关 1 3 软开关技术概述 在常规的p w m 开关变换器中 功率开关管在电流不为零时关断 电压不 为零时导通 处在强迫开关过程 这种开关过程称为硬开关过程 p w m 开关变 换器按硬开关模式工作 在开关过程中 电力开关器件的电压和电流波形有交 叠 因而开关损耗大 高频化可以缩小感性和容性元件的体积重量 但频率越 高 开关损耗越大 为此必须采取措施以提高高频开关变换器的效率 因而研 究了开关过程中的开关器件的电压和电流波形不相交叠的技术 即所谓零电压 开关和零电流开关技术 总称为软开关技术 除了减小开关损耗外 应用软开 关技术还可以大大降低开关噪音 减小电磁干扰 5 在硬开关下工作的功率变换器随着开关频率的提高将会出现如下问题 开 通和关断的损耗大 感性关断问题 容性开通问题 二极管反向恢复问题 解 决以上问题的有效办法就是采用软开关技术 上述问题严重妨碍了开关器件的 工作频率 软开关技术的研究为克服上述缺陷提供了一条有效途径 和硬开关 工作方式不同 理想的软关断过程是电流先降到零 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已经下降到零 解决了电感关断 问题 理想的软开通过程是电压先降到零后 电流再缓慢上升到通态值 所以 开通损耗近似为零 器件结电容亦为零 解决了容性开通问题 同时开通时二 极管反向恢复过程已经结束 因此二极管反向恢复问题亦不存在 d i d t 和d u d t 的降低使得e m i 问题得以解决 软开关技术实际上利用电容与电感谐振 使开 关器件中电流或者电压按正弦或准正弦规律变化 当电流过零时 使器件关断 当电压过零时 使器件开通 实现开关损耗为零 按照其控制方式 软开关技 术分为脉冲频率调制 p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n 方式 脉冲宽度调制 p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 方式和脉冲移相控制 p h a s es h i f t e d 方式 6 软开关技术在改善开关器件工作状态方面效果明显 使变换器的高频化成 为可能 各类软开关技术在开关电源中得到广泛应用 p f m 软开关技术变换器 电路结构简单 但工作频率不恒定 给变压器 电感等磁性元件的优化设计带 江苏大学硕士学位论文 来一定的困难 此类变换器适合于在负载 输入电压相对稳定的应用场合 p w m 软开关变换器实现了恒频控制 大大方便了磁性元件的优化设计 p w m 控制方 式是在软开关变换器中应用最广泛的控制方式 此类变换器适合于中 小功率 应用场合 移相全桥软开关变换器在不增加或增加很少元件的情况下 在具有 传统全桥变换器中开关器件电源 电流额定值较低 功率变换器利用率高 输 出功率大等优点的同时 实现了开关器件的软开关 而且采用恒频控制 电压 电流应力小 在减小体积 重量以及降低电磁干扰方面效果明显 因而移相全 桥软开关变换器非常适合于中 大功率应用场合 但此类变换器有一个明显的 缺点 即变压器副边存在占空比丢失 而且软开关范围受负载 输入电压等多 种因素的影响 如何尽量减小副边占空比的丢失 增大软开关负载范围是移相 全桥软开关变换器需要研究的课题 1 4 全桥软开关变换器 根据开关管实现软开关的方式 移相控制p w md c d c 全桥软开关功率变 换器的常见拓扑可以分为三类 零电压 z v s 全桥变换器一四个开关管全部实 现零电压软开关 零电流 z c s 全桥变换器一四只开关管全部实现零电流软开 关 零电压零电流 z v z c s 全桥变换器一超前桥臂实现零电压 滞后桥臂实现 零电流 1 零电压全桥变换器 移相控制零电压开关p w md c d c 全桥变换器是利用变换器的漏感或原 边串联电感和和功率管的寄生电容来实现开关管的零电压开关 其电路结构如 图1 2 所示 其中 s 1 和s 3 组超前桥臂 s 2 和s 4 组成滞后桥臂 d 1 d 4 分 别是s 1 s 4 的内部寄生二极管 c 1 c 4 分别是s 1 s 4 的寄生电容或外接电容 l r 是谐振电感 它包括了变压器的漏感 每个桥臂的两个功率管成1 8 0 度互补 导通 s l 和s 3 超前于s 4 和s 2 一个相位 即移相角 通过调节移相角的大小 来调节输出电压 这种电路能实现四个开关管的零电压开通和关断 这种电路 的最大优点是无需额外谐振回路 也无需要额外的元件就可以实现开关管的软 开关 器件应力小 这种电路对于m o s 管明显的减小了开关损耗 江苏大学硕士学位论文 图1 2 移相z v s 全桥变换器主电路 z v s 降低了电路的开关损耗噪声 减少器件开关过程中的e m i 使变换器 装置提高了开关频率 效率 减小了重量及尺寸 同时还保持了常规全桥p w m 电路的拓扑简洁 开关频率恒定 元器件应力小 控制方式简单等一系列优点 因此非常适合大功率 高频 开关器件采用m o s f e t 应用的场合 但电路拓扑 存在如下缺点 滞后臂开关管难以实现零电压开关 原边有较大的环流 副边占 空比丢失较大 输出整流二极管为硬开关 反向恢复时造成很大的电压 电流尖 峰 7 1 2 零电流全桥变换器 图1 3 是一种传统的移相控制零电流p w md c d c 全桥变换器拓扑结构 该变换器采用移相控制 s 4 和s 3 的驱动信号分别超前于s 1 和s 2 两只超前 管 或滞后管 之间有一个重叠时间 用来实现开关管的零电流开关 移相全桥z c sp w md c d c 变换器的输出整流管可以自动实现软换流 采用固定频率控制和移相p w m 控制技术 在实现零电流开关的同时 变换器 能保证很宽的负载调节范围 但这种变换器也存在一些问题如 对电路的参数 的要求很严格 如果保护措施不当很容易产生过压损坏开关管 ib 图1 3 移相z c s 全桥变换器主电路 江苏大学硕士学位论文 3 零电压零电流全桥变换器 虽然针对z v s 全桥变换器的以上问题 提出了许多改进的方法 如增加 变压器的励磁电流 加入原边电感 采用辅助电路等 但是这些都不能解决较 大的原边环流问题 另外和m o s f e t 相比 i g b t 具有较高耐压和较低的通态 损耗 因此更适用于高压大功率场合 缺点是其存在拖尾电流导致关断损耗较 大 因此为了使i g b t 能够工作在较高的开关频率 必须减小它的关断损耗 采用全桥z v z c s 方案可以解决z v s 方案的固有缺陷 可以大幅降低电路内部 的循环能量 提高变换效率 减小副边占空比丢失 提高最大占空比 而且其 软开关范围不受输入电压和负载的影响 所以移相控制零电压零电流开关 p w m 变换器应运而生 一种实用的z v z c s 电路拓扑如图1 4 所示 抖斗型 d 2 型出 c b 到 l i 争 c f 三 j 辜 z 眨 1 图1 4 移相z v z c s 全桥变换器主电路 z v z c s 全桥变换器超前臂开关管的零电压实现方式与z v s 变换器一样 原 边电流复位 实现滞后桥臂开关管z c s 开关 从而解决了f b z v s p w m 变换器 中诸多问题 这种变换器的共同特点是 超前桥臂一般并联有吸收电容 用来 实现z v s 开关 滞后桥臂不能并联吸收电容 原边电流没有环流 减小了通态 损耗 有利于提高变换器效率 可见z v z c s 的关键是原边电流复位 常用的方 法可归纳为以下三种 8 9 1 利用超前臂开关管的反向雪崩击穿 使存储在变压器漏感中的能量完全 消失在超前臂的i g b t 中 为滞后臂创造z c s 开关条件 2 在变压器原边使用隔直电容和饱和电感 在原边电流过零期间 将隔直 电容上的电压作为反向阻断电源 使原边电流复位 为滞后臂提供z c s 开关的 江苏大学硕士学位论文 条件 3 在变压器副边输出端并联电容 在原边电压过零期间 将副边电容上电 压反射到原边作为阻断电源 从而复位原边电流 实现z c s 开关 该方式拓扑 最为活跃 优点多 1 5 开关电源的数字控制 电力电子电路的控制已经由模拟控制 模数混合控制 进入到全数字控制阶 段 数字信号控制器的控制使得某些依赖于高速数值运算的复杂控制策略的实现 成为可能 l 引 全数字控制是一个新的发展趋势 已经在许多功率变换设备中得 到应用 但是过去数字控制在d c d c 变换器中用的较少 原因是对于2 0 0 k h z 的开关变换器来说数字带宽不够高 当时 全数字控制的费用又太贵 阻碍了电 源控制的全数字化技术的发展 近两年来电源的高性能全数字控制芯片已经开 发 费用也降到比较合理的水平 欧美已经有多家公司开发并制造开关变换器的 数字控制芯片及软件 实时数字控制可以实现快速 灵活的控制设计 使d c d c 变换器的性能更好 改善电路的瞬态响应 使之速度更快更精确并提高了可靠性 由于模拟控制方法的电路结构复杂 需要较多的分立元件 实现的控制策略 也非常有限 使其可靠性和一致性都受到影响 数字控制系统极大地简化了控制 的硬件电路 并且由于数字控制系统自身所具有的受元器件参数变化影响小 抗 干扰能力强等特点 从而提高了系统的长期稳定性 可靠性和控制精度 开关电 源数字化还具有以下优点 数字控制系统由于采用数字信号处理器为核心器件 可以利用其通讯功能 实现电力电子变换器的远程监控 人机接口等智能化设计 且易于实现片上系统 实现生产标准化 控制参数灵活 可以采用先进算法以提 高控制性能等 1 3 1 6 1 从硬件结构方面看 开关电源的数字控制有以下几种方式 1 单片机外接a d 转换芯片进行采样 对采样后的数据进行运算和调节 把结果进行d a 转换后传给p w m 芯片 实现单片机对开关电源的间接控制 采用这种方式的设计技术目前已比较成熟 设计方法容易掌握 而且对单片机的 要求不高 成本比较低 但是控制电路要用多个芯片 电路比较复杂 单片机处 理的信号要经过a d 和d a 转换 有比较大的时间延迟 势必影响电源的动态 江苏大学硕士学位论文 性能和稳压精度 也有在单片机内集成p w m 输出的 但开关电源向高频化发展 一般单片机的时钟频率有限 产生的p w m 输出频率与分辨率成反比 无法输出 足够频率和分辨率的p w m 信号 2 采用高性能数字芯片 如d s p 对电源实现直接控制 数字芯片完成信 号采样 a d 转换 数据运算调节和p w m 输出等工作 d s p 输出的p w m 信号 功率不足以驱动开关管的开关 需通过一个驱动芯片将驱动信号放大后来驱动开 关管 采用这种方式可以简化控制电路的设计 由于d s p 有比较高的采样速率 和运算速度 可以快速有效的实现各种复杂的控制算法实现对电源的有效控制 有较高的动态性能和稳压精度 但是d s p 芯片结构复杂 成本比较高 而且d s p 控制技术比较难掌握 对设计者要求较高 而且d s p 芯片不是专门的电源控制 芯片 一般的电源应用对芯片的利用率不高 在开关电源领域中难以广泛应用 目前 d s p 技术己经在开关电源中开始应用 但主要局限在对电源性能要求高而 且价格比较昂贵的领域上 3 采用专为电源控制而设计的处理器 这类处理器一般包括高速a d 转换 器 数字p i d 补偿器和数字p w m 输出等部分 目前 这种电源控制芯片还比较 少 由于芯片是专门为电源设计而开发的 简化了结构 降低了成本 相信这种 专门为电源设计开发的控制处理器将会得到广泛应用 1 6 国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代 计算机全面实现了开关电源化 率先完成计算机的电源换 代 2 0 世纪9 0 年代 开关电源在电子 电气设备 家电领域得到了广泛的应用 开关电源进入了快速发展时期 欧美 日本 韩国等发达国家对全桥高频软开关 p w m d c d c 功率变换器研究起步较早且深入 美国的v i r g i n i au n i v e r s i t y 韩国 的k o m ae l e c t r o t c c h n o l o g yu n i v e r s i t y 等科研单位先后提出了多种新的电路拓扑 和思想 1 7 2 1 l 在2 1 世纪初欧美国家已经开始研制基于数字控制开关电源系统 2 0 0 3 年7 月 美国加州理工大学伯克利分校推出具有创新型的数字电源产品 不仅显著提高了开关电源系统的性能 而且大幅度延长其使用寿命 研发过程中 汲取了模拟电源解决方案的高性能 高效率和速度快以及数字电源解决方案的灵 活性强 可扩展和高度可控制的优势 研发出创新的数模混合信号电源技术 江苏大学硕士学位论文 纵观国内高校及科研单位 对开关电源 特别是基于数字控制开关电源的研 究要滞后于欧美等发达国家 但也有了一些成果 南京航空航天大学对高频零电 压零电流全桥变换器进行较深入的探讨 编著了许多相关教材 并做出了z v z c s p w md c d c 全桥功率变换器的实验样机1 2 2 还有清华大学 浙江大学 北京交 通大学等国内一批高校对此都有较为深入的研究 国内院校不仅对国外的先进拓 扑进行实践和改进 而且提出了一些基于新的思路的全新拓扑 2 3 之6 1 总的来说 国内外对全桥高频软开关d c d c 变换器的研究大致可分为三类 一是全桥零电压开关p w md c d c 变换器 存在滞后桥臂零电压开关困难和变 压器占空比丢失以及原边环流大的问题 二是全桥零电压零电流开关p w m 变换 器存在少许占空比丢失 超前桥臂不能实现零电流开关和输出整流管电压过冲和 振荡问题 三是全桥零电流开关p w m 变换器 全桥四只开关管都采用零电流开 关但是目前未见成熟地应用于实际产品 1 7 本文主要研究内容和结构安排 本文结合软开关技术和数字控制技术对功率变换器进行研究 分析了功率变 换器 软开关技术的和数字控制技术的发展 在分析了多种移相式全桥p w m d c d c 软开关功率变换器拓扑的基础上 介绍了一种利用耦合输出电感次级箝 位z v z c sp w md c d c 变换器 分析了z v z c s 全桥变换器的工作原理 推导 了变换器各种状态时的参数计算方程以及参数设计依据 并针对轻载情况下 超 前臂不能实现零电压开通的问题 对变换器进行了改进 实现了很宽负载范围内 的软开关 采用p s p i c e 9 2 仿真软件对变换器进行仿真 运用a r m 控制芯片 l p c 2 2 1 4 为开发板设计了数字控制系统 实现了a d 采样 电压调节和p w m 输出等功能并给出了驱动电路 采样与保护电路及高频变压器等的设计 在此基 础上研制了一台输出功率为4 8 0 瓦的实验样机 并在实验样机上测量了波形和效 率 实验结果很好的证明了理论分析的正确性 本文的具体结构分配如下 第一章为绪论 讲述了功率变换器的概念及分类 对几种全桥软开关变换器 拓扑结构进行了比较 总结了近年来数字控制开关电源的发展 并介绍了课题的 国内外研究现状 研究目的 江苏大学硕士学位论文 第二章介绍了本文所采用的新型零电压零电流 z v z c s 全桥d c k d c 变换器 的原理及相关公式的推导 详细分析了该拓扑的工作原理和软开关实现策略 第三章针对轻载情况下 超前臂不能实现零电压开通的问题 对变换器进行 了改进 实现了全负载范围的软开关并给出了主电路的参数设计和元器件选型 第四章对新型变换器主电路进行了仿真分析 仿真结果证明了理论分析的正 确性和设计依据的可行性 第五章以a r m 7 芯片l p c 2 2 1 4 开发板为控制核心设计了数字化控制系统 包括驱动 采样与保护电路和相关软件的编写程序主要包括a d 采样程序 p i d 调节程序和p w m 输出程序等 第六章在理论和仿真分析的基础上研制了一台输出4 8 v 1 0 a 的实验验机并 进行了实验验机的调试 给出验机实验结果分析 验证设计的正确性并发现需要 改进的地方 第七章为全文结论与展望 对全文傲了简单的总结 并提出下一步可以改进 的法案 江苏大学硕士学位论文 第二章新型移相全桥z v z c s 变换器的工作原理 在中大功率直流变换器的应用中 移相全桥变换器是一种非常合适的拓扑结 构 本章在分析了z v z c s 变换器的基本原理的基础上 针对传统的全桥移相式 零电压零电流开关 z v z c s p w md c d c 变换器在实现滞后桥臂开关管零电 流开关 z c s 的过程中 存在着辅助谐振电路附加损耗较大 软开关实现方式 复杂以及功率开关管电压和电流应力高等缺点 提出了一种利用输出耦合电感实 现z v z c s 的次级箝位拓扑结构 2 1 零电压零电流开关变换器的实现方法 移相全桥z v z c s p w m 软开关电路中 超的桥臂的零电压 z v s 开关是 利用电容电压不能突变的原理实现的 因此在超前桥臂上必须并联适当的电容 这种方法是和移相全桥z v sp w m 变换器是一样的 而滞后桥臂零电流 z c s 开关是通过在变压器原边电压过零期间 使原边电流复位到零来实现的 为使原 边电流实现复位 一般需要加入辅助电路 2 7 1 图2 1 移相全桥z v z c sp w m 变换器 如图2 1 所示 辅助电路可以加在变压器的一次侧也可以加在变压器的二 次侧 从而将零电压零电流软开关电路分成了两大类 下面对两种方式通过例子 加以阐述 2 1 1 辅助电路位于主变压器一次侧 通过在变压器 次侧引入一个阻断电压源 在续流期间将原边电流复位至 江苏大学硕士学位论文 零 具体有以下几种实现方法 1 利用饱和电感实现z v z c s 2 8 1 如图2 2 所示为带饱和电感的z v z c s p w m 软开关电路拓扑 v 图2 2 利用饱和电感实现z v z c s 超前桥臂z v s 开关实现原理与其它的电路拓扑相同 滞后桥臂的z c s 开 关是通过在变压器主绕组中串接饱和电感和一个很小的隔直电容来实现的 即在 副边续流期间 原边电流被隔直电容电压复位并使l 湖退出饱和来阻止电流变 化 实现滞后桥臂z c s 开关条件 这种电路拓扑具有占空比损失小 减小了主回路中的通态损耗 软开关范围 宽等优点 但这种电路也存在如下缺点 副边占空比丢失 一般来说 当输入电 压波动较大时 饱和电感必须由最高输入电压来决定 那么 在低输入电压时 副边的占空比损失较多 输入电压越低 占空比损失越多 饱和电感的设计和磁 性材料的选择是比较困难的 如果材料不合适 会引起饱和电感严重发热 限制 了效率和输出功率的提高 2 9 1 2 利用滞后桥臂串联二极管实现z v z c s 3 0 l 在滞后桥臂串联二极管将滞后桥臂由双向开关改变为单向开关 从而阻止了 隔直电容实现滞后桥臂零电流关断后的反向电流 消除了环路损耗 实现滞后桥 臂的零电流开通 如图2 3 所示为滞后桥臂串联二极管的z v z c s p w m 软开 关电路拓扑 基本工作原理是利用了漏感谐振与串联隔直电容 把能量转移到隔 直电容中 由于串联二极管阻断隔直电容电压将会引起原边电流的反向流动 此 拓扑虽然电路结构简单 实现容易 但通态时电流流过串联在滞后桥臂中的二极 管 增加了电路的通态损耗 因此限制了电路最大效率的提高 江苏大学硕士学位论文 玑上珏丰 詈 nn j r 盯 球 魁 工一g 1 a 州 一 1日l 霉 下 t s 3 p 辟训 p 彬 一t d r 2 l u r l j黝k 图2 3 利用滞后桥臂串联二极管实现z v z c s 2 1 2 辅助电路位于主变压器二次侧 1 副边采用有源箝位实现z v z c s t 3 1 图2 4 为副边采用有源箝位的z v z c s p w m 软开关电路拓扑 图2 4 副边采用有源箝位实现z v z c s 此电路不用耗能元件实现了变换器的零电压零电流开关 而且能够实现很大 范围的零电压零电流开关 没有占空比损失 能够实现较大的占空比控制 副边 采用的有源箝位电路可以抑制副边整流管的反向尖峰电压 但电路中加入了辅助 开关管s h 这使控制变得相对复杂 并且增加了电路的整体成本 s h 工作在硬 开关状态下 开关电流等级与原边主开关管相同 开