（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）恒頻移相l(xiāng)cc諧振變換器的研究.pdf

一 塑墨一 _ _ _ _ _ - _ _ _ - ，_ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - - - - ，_ _ _ _ _ _ - 一 論文題目：恒頻移相l(xiāng) c c 諧振變換器的 研究 學(xué)科 作者 導(dǎo)師 職稱 答辯日期： _ j 3 嵌兩3 摘嬰 本文對(duì)全稀恒頻移相控制軟開關(guān)技術(shù)和單相軟開關(guān)高頻鏈逆變技術(shù)的發(fā)展歷 史及現(xiàn)狀進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的論述，并選定全橋l c c 漕振型電路拓?fù)渥鳛楸疚牡难?究對(duì)蒙，分析了恒頻移相d c d c 變換器和單相軟開關(guān)高頻鏈d c a c 逆變器的工作原 理和穩(wěn)態(tài)特性。 本文主要完成了兩種變換器的土電路參數(shù)、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及故障保護(hù) 電路的i ! ： 計(jì)，同時(shí)也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件程序。通過p s i m 軟件對(duì)主i 乜路進(jìn)行了仿真， 通過u i a t l a b 軟件繪制了各種參數(shù)曲線，有利于參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)d c d c 變換器進(jìn)行了閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)d c a c 逆變器進(jìn)行了開環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果訌e 明了電路 拓?fù)涞目尚行浴⒗碚摲治龅恼_性以及參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，而且也達(dá)到了軟開關(guān)的 口的，提高了電路效率。 關(guān)鍵詞：移相控制、軟開莢、l c c 諧振電路、仿真 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t i t l e ：r e s e a r c ho nc o n s t a n t f r e q u e n c y p h a s e - - s h i f t e dl c c - - t y p er e s o n a n t c o n v e r t e r a b s t r a c t t h ep a p e rh a sg i y e na no v e r a l lr e v i e wt o t h e a r i s i n ga n d d e v e l o p m e n to ft h ec o n s t a n t f r e q u e n c yf u l l b r i d g ec o n v e r t e ra n d t h et e c h n i q u e sf o rs i n g l e p h a s eh i g h f r e q u e n c yl i n ki n v e r t e r s ， a n dt h el c c t y p ef u l l b r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e ri ss e l e c t e da st h e o b j e c to fs t u d y ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ed c d cc o n v e r t e ra n dd e a e c o n v e r t e ra r es y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e d t h ed e s i g n so fp o w e rc i r c u i t s ，c o n t r o lc i r c u i t s ，d r iv ec i r c u i t s a n dt r o u b l ep r o t e c t e dc i r c u i t so ft h et w oc o n v e r t e r sh a v eb e e n a c c o m p l i s h e d ，c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m sa r ea l s od e s i g n e d b ym e a n s o fp s i ma n dm a t l a bs i m u l a t i o nt o o l s ，o p t i m i z e dp a r a m e t e rc u r v e s h a v eb e e no b t a i n e d i nt h e e n d ，c l o s e l o o p e de x p e r i m e n t sf o rt h e d c d cc o n v e r t e ra n d o p e n l o o p e de x p e r i m e n t sf o rt h ed c a c c o n v e r t e ra r ec a r r i e do u t ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sn o to n l yv e r i f yt h e c i r c u i t st o p o l o g i e s ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ep a r a m e t e r s d e s i g n ，b u ta s l o i n d i c a t et w oc o n v e r t e r sa c h i e v et h ea i m s o f s o f t s w i t c h i n g 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 ，s o f t s w i t c h i n g ，l c c t y p er e s o n a n t c i r c u i t ，s i m u l a t i o n 2 笏 i i 第1 章概述 第1 章概述 1 1 軟開關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生背景n 2 3 釘b 6 7 1 6 0 年代開始使用的p w m 變換器以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方式簡(jiǎn)單 而得到廣泛的應(yīng)用。但由于傳統(tǒng)p w m 變換器中的開關(guān)器件工作在硬開 關(guān)狀態(tài)下，存在以下缺陷： ( 1 ) 開通和關(guān)斷損耗大：開關(guān)器件的電流、電壓交疊形成的開關(guān)損 耗隨開關(guān)頻率的提高而增加，如圖卜1 的陰影部分所示。 圈1 一l 硬開關(guān)關(guān)斷【左圖) 、開通波形( 右圖) ( 2 ) 感性關(guān)斷問題：由于電路中存在感性元件，當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)， 在開關(guān)器件兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，容易造成開關(guān)器件的電壓擊穿， 如圖卜2 所示。 ( 3 ) 容性開通問題：由于開關(guān)器件中存在寄生電容，器件關(guān)斷時(shí)使 寄生電容存儲(chǔ)電能，當(dāng)器件突然開通時(shí)，儲(chǔ)藏的能量將瞬間耗散在開關(guān) 器件內(nèi)，可能會(huì)引起開關(guān)器件的過熱損壞，而且由于電壓變化快，將產(chǎn) 生嚴(yán)重的開關(guān)噪聲，即所謂的“密勒”效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)將嚴(yán)重影響開關(guān) 器件的驅(qū)動(dòng)電路，使電路工作不穩(wěn)定，如圖卜2 所示。 3 s 3 ”i 一 丑一：h 一一h | h hh 圖卜2 感性關(guān)斷( 上圖) 和窖性開通( 下幽) 1 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 二極管反向恢復(fù)問題：二極管在反向恢復(fù)期間，仍處于導(dǎo)通狀 態(tài)，同一橋臂的開關(guān)器件此時(shí)立即開通，容易造成直流電源瞬間短路， 產(chǎn)生很大的沖擊電流。 7 0 年代中期以后，出現(xiàn)了工作在頻率2 0 k h z 以上的功率變換器，這 種變換器的效率大大提高，體積和重量大大減小，也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪 聲。功率變換器中往往采用磁性元件實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)濾波、能量存儲(chǔ)和傳 輸，這些磁性元件在電源裝置的體積、重量和成本中占有很大的比重。 開關(guān)器件的工作頻率越高，磁性元件可以選擇的越小，從而實(shí)現(xiàn)裝置的 小型化、輕量化和低成本，達(dá)到較高的功率密度，這在開關(guān)變換器的發(fā) 展史上被稱為“2 0 k h z 革命”。 開關(guān)變換器的高頻化是開關(guān)變換技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，這是由 于高頻化是實(shí)現(xiàn)開關(guān)變換器的小型化、提高功率密度的重要途徑。此外， 高頻化還可以降低電源的噪聲和改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 8 0 年代初美國(guó)v p e c 的李澤元教授等人提出了軟開關(guān)概念。軟開關(guān)技 術(shù)，通俗地講，實(shí)際上就是利用電感和電容來(lái)對(duì)開關(guān)的開關(guān)軌跡進(jìn)行整 形，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，如圖卜3 所示。最早 的方法是采用有損緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，從能量的角度來(lái)看，它是將開關(guān)損 耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路消耗掉，從而改善開關(guān)管的開關(guān)條件，這種方法對(duì)變 換器的變換效率沒有提高，甚至?xí)剐视兴档?。軟開關(guān)技術(shù)可以減 小甚至完全消除變換器中開關(guān)器件在開關(guān)過程中的開關(guān)損耗，使緩沖電 路成為多余，提高變換器的效率，減小e m i ，減小元器件的散熱體積，從 而大大減小裝置的尺寸和重量，同時(shí)也提高了變換器工作的可靠性。 圈卜3 軟開關(guān)開通( 左圖) 、關(guān)斷波形( 右豳) 第1 章概述 l 。2 恒頻移耜控制的提出 基于硬開關(guān)p w m 變換器的缺點(diǎn)，軟開關(guān)諧振變換器應(yīng)運(yùn)而生，然而 無(wú)論串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振還是串并聯(lián)諧振，雖然都可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但 是為了在很寬的輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，它們一般都 采用調(diào)頻( p f i ) 控制方式，這樣不利于輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在d c d c 變換器中，b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 、z e t a 、 f o r w a r d 和f 1 y b a c k 等單管構(gòu)成的變換器一般應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合，而在 中大功率場(chǎng)合，一般采用全橋變換器，全橋變換器的控制方式比較多。 為了消除頻率調(diào)制造成的困難，恒頻諧振變換器成為研究熱點(diǎn)，為了實(shí) 現(xiàn)諧振變換器的恒頻控制，1 9 8 5 年有人提出了移相控制恒頻諧振變換器 ( 簡(jiǎn)稱p c c f r c ) 的概念“”“”。 其基本原理是：兩個(gè)諧振變換器工作在相同的開關(guān)頻率下但它們 之間有一個(gè)相位差( 即“移相角”) 。兩個(gè)有一個(gè)相位差的電壓相加后輸 送給負(fù)載，可通過調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。 這種變換器有一個(gè)缺點(diǎn)，就是諧振電感電流和諧振電容電壓不對(duì)稱， 使得兩個(gè)諧振變換器負(fù)載不均衡，導(dǎo)致過高的器件應(yīng)力。 a ) 為了克服上述缺點(diǎn)，可以把兩個(gè)諧振變換器用一個(gè)諧振變換器替 代，因此衍生出兩種新型的恒頻控制諧振變換器一鉗位模式串聯(lián)諧振變 換器( 簡(jiǎn)稱c m s r c ) 和鉗位模式并聯(lián)諧振變換器( 簡(jiǎn)稱c m p r c ) 。 這種變換器的缺點(diǎn)是：( 1 ) 串聯(lián)諧振變換器的供電方式是其諧振網(wǎng) 絡(luò)的電流被整流、濾波后供給負(fù)載。當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)的電流 同樣變小，當(dāng)電流不足以保證零電壓開關(guān)時(shí)，其中將有兩個(gè)開關(guān)管變成 硬丌關(guān)； ( 2 ) 并聯(lián)諧振變換器負(fù)載電流的變化對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)電流影響不大，因 此這種變換器能保證零電壓開關(guān)。但諧振網(wǎng)絡(luò)的環(huán)流很大，這樣就增加 了開關(guān)管的通態(tài)損耗，而且諧振電容和諧振電感上的損耗也很大。 b ) 為了克服鉗位模式諧振變換器的缺點(diǎn)，有人提出了非諧振零電壓 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 開關(guān)橋式變換器( 簡(jiǎn)稱n r z v s f b c ) 2 “，如圖1 - 4 ( a ) 所示。 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：( 1 ) 要求l 很大，才能在負(fù)載電流很小時(shí) 實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，但是如果l 過大，又限制了輸出電流的增長(zhǎng) 速度，因此l 的最大值必須按照最大負(fù)載時(shí)設(shè)計(jì)； ( 2 ) 因?yàn)楣╇姺绞绞请娏髟葱问?，電流脈動(dòng)大，因而濾波電容要求 很大才能保證輸出電壓紋波較??； ( 3 ) 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適用于高電壓輸入、低壓大電流輸出場(chǎng)合。 c ) 零電壓開關(guān)全橋變換器利用變壓器的漏感和開關(guān)管的結(jié)電容 來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，采用移相控制。其最大缺點(diǎn)是存在占空比丟失現(xiàn)象， 因此，為了獲得要求的輸出電壓，必須減小變壓器的原、副邊匝比，這 樣會(huì)使原邊電流變大，加大開關(guān)管的通態(tài)損耗，而且電流定額也要增加， 副邊整流橋的耐壓值也要提高，此外很難為開關(guān)管選擇一個(gè)合適的并接 電容和兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間，如圖卜4 ( b ) 所示。 d ) 利用飽和電感實(shí)現(xiàn)的零電壓全橋變換器為了了克服漏感帶來(lái) 的占空比丟失，文獻(xiàn)“提出了用飽和電感取代變壓器漏感的方法。飽和 電感的加入帶來(lái)非常多的優(yōu)點(diǎn)，但依然存在過度時(shí)間，如圖卜4 ( c ) 所示。 e ) 為了實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，相繼又提出了磁放大器方式實(shí)現(xiàn)的零電壓 開關(guān)全橋變換器、輔助電路與變壓器并聯(lián)的全橋直一直變換器以及偽諧振 全橋直一直變換器“8 1 1 ，如圖卜4 ( d ) 、( e ) 所示。 當(dāng)前所研究的移相控制全橋變換器的主要面臨下述問題是“1 ： ( 1 ) 開關(guān)管開關(guān)時(shí)，其外接電容的初始充電電流不是恒定的，因而充 放電時(shí)間是變化的，致使延遲時(shí)間的選擇很困難； ( 2 ) 變壓器的漏感在這類交換器中影響很大。主要體現(xiàn)在占空比丟 失： ( 3 ) 滯后橋臂不容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。 一一 笙! 蘭墊竺 嚼。國(guó) 卜4 ( a 1 非諧振零電壓全橋變換器 瓣l 審 一4 ( b ) 零 u 壓爭(zhēng)橋變換器 熙8 酊n u 爿圭i 當(dāng)主j =毒奎u 14 ( c ) 利用飽和電感的零電腿全橋變換器卜4 ( d ) 輔助1 姐路與變壓器并聯(lián)的全橋變換器 卜4 ( e 1 偽諧振全橋直一直變換器 幽l4 移相控制變換器類 1 3 高頻鏈逆變技術(shù) 1 9 7 3 年，由b e d f o r d 首先提出高頻環(huán)節(jié)( h f1 i n k ) 轉(zhuǎn)換器的思想”1 ， 接著由g y u g u i 和p e l i y 進(jìn)行了深入發(fā)展。 1 9 7 7 年，e s p e l a g e 和b o s e 提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念，利用 高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，并將其應(yīng)用于直流輸入的高頻鏈逆變系統(tǒng)中。 從不同角度看高頻鏈逆變器，可以有不同的劃分形式。按功率能否 雙向流動(dòng)可分為功率雙向和功率單向兩種形式；按電路的工作機(jī)理分為 p w m 式和諧振式兩種類型；按功率變換器的類型可分為電壓源( v o t a g e m o d e 或b u c km o d e ) 和電流源( c u r r e n tm o d e 或b u c k - b o o s tm o d e ) 兩 科，：按電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呵分為d c d c 變換型( d c h f a c d c l f a c ) 和周 波變流型( e y e l ec o n v e r t e rt y p e ) 。下面以最后一種劃分方法分別進(jìn)行 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 討論。 a ) d c d c 變換型高頻鏈逆變器0 川”1 這種類型高頻鏈逆變器是目前應(yīng)用最廣泛的單向電壓源高頻鏈逆變 器方案，它的經(jīng)典電路如圖卜5 所示。 圖1 5d c d c 變換型單r a l 商頻鏈逆耍器 該方案是在直流側(cè)和逆變器之間插入一級(jí)d c d c 變換器，使用高頻 變壓器實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整和電氣隔離。很明顯，具有三級(jí)功率變換d c i i f a c d c l f a c 。 它的優(yōu)點(diǎn)是：1 ) 所有開關(guān)都是單向的：2 ) d c d c 部分和d c a c 部分 的控制相對(duì)獨(dú)立，兩部分配合起來(lái)比較簡(jiǎn)單，基本上不需要同步。 它的主要缺點(diǎn)是：1 ) 功率單向流動(dòng)：2 ) 通態(tài)損耗大。 f f t j 女r j ，文獻(xiàn)“”針對(duì)單相u p s 系統(tǒng)提出兩種結(jié)構(gòu)： 1 ) 直流電壓一p w m 高頻逆變一高頻變壓器一快恢復(fù)二極管整流一大 電容濾波一s p w m 逆變器一5 0 h z 正弦波，如圖卜6 電路結(jié)構(gòu)( 1 ) 所示。 2 ) 直流電壓一s p w m 逆變一高頻變壓器一具有正弦包絡(luò)線的正弦調(diào) 制高頻交流電一快恢復(fù)二極管整流小電容濾波一工頻電壓全波整流 一5 0 周方波驅(qū)動(dòng)一5 0 h z 正弦波，如圖卜6 電路結(jié)構(gòu)( 2 ) 所示。 在方案1 ) 中前后兩部分電路不需要同步，相互獨(dú)立，但開關(guān)損耗大。 而在方案2 ) 中，5 0 周方波驅(qū)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于z v s ，開關(guān)損耗小，但要求嚴(yán)格 同步。由方案2 ) 可以實(shí)現(xiàn)三相電路，雖然控制方法簡(jiǎn)單，但是需要三套 相同的單相電路。 第1 章概述 屯路結(jié)構(gòu)( 1 ) s p w m 變毓景：整；i i 器p w 帔流器負(fù)栽 電路結(jié)構(gòu)( 2 ) 圖卜6 單相d c d c 變換型高頻鏈逆變器 b ) 周波變流型高頻鏈逆變器“”“”“”“ 3 4 1 【3 5 s l l 3 7 】 它是目前實(shí)現(xiàn)雙向傳輸功率的常用方案。該方案一般由個(gè)逆變器 和一個(gè)周波變流器級(jí)聯(lián)而成，如圖1 高頻鏈逆變器中的直流環(huán)節(jié) 7 所示，從而省去了d c d c 變換型 因此只需要二級(jí)功率交換 ( d c h f a c l f a c ) ，減小了逆變器的通態(tài)損耗，提高了系統(tǒng)效率和可靠 性。但其主要缺點(diǎn)是：當(dāng)負(fù)載開路時(shí)，變壓器漏感的儲(chǔ)能沒有放電回路 而產(chǎn)生較大的電壓浪涌。 j 門 叫、本 j - j i - 1 卜章 u 瞄卜7 壩向周被變流型高頻鏈逆變器 1 4 本文內(nèi)容 ( 1 ) 在閱讀大量參考文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，了解軟開關(guān)技術(shù)及移楣控制技術(shù) 的發(fā)展動(dòng)態(tài)； 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 運(yùn)用p s i m 和m a t l a b 仿真軟件進(jìn)行電路分析； ( 3 ) 移相控制l c cd c d c 諧振變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； ( 4 ) 移相控制l c co c a c 高頻鏈逆變器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第2 章 恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器 的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本文以串并聯(lián)l c c 諧振型全橋移相變換器作為研究對(duì)象，對(duì)其工作 原理、工作過程和穩(wěn)態(tài)特性等進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行了主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)。 2 1 工作原理分析“8 州h 們 移相控制l e e 諧振變換器拓?fù)淙鐖D2 - 1 所示，其中，s l 、s 2 所在的橋 臂稱為超前橋臂，s 3 、s 4 所在的橋臂稱為滯后橋臂。開關(guān)s l 、s 2 、s 3 、s 4 的導(dǎo)通占空比均為5 0 ，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)為互補(bǔ)導(dǎo)通方式，如圖2 - 2 所示。s l 和s 4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿之間夾角0 稱為移相角，通過調(diào)節(jié)0 的 大小，v a b 零電壓范圍也隨著變化，即作用在l e e 諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓發(fā) 生變化，因此可調(diào)節(jié)輸出電壓大小。 圖2 - 2 工作原理波形原理圖 + v 。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 工作過程分析 一般，l c c 諧振變換器在頻率調(diào)制下有f s l 2 f ，、1 2 f ， 0v e = oi e = i 。k d 2 ( d 3 )v 。 0v e = 一v i nie = i 。k s 2( s 3 )v c o 0v e = 一v ini e 2 一i o k 得出統(tǒng)一的數(shù)學(xué)描述表達(dá)式： 掣= 扣觶) _ f 加) ， 掣寺w ， z ， 丁d i l ( t ) = i 1 【v f 。) 一v 。( r ) - - v c p ( f ) 】 ( 2 3 ) 其中 ( f ) 2 尚?？蹫檩敵龊绞罏樽儔浩髯儽?。 令v 。( f ) + v 。( f ) = 叱( f ) ，c 。= 瓦c s 了c 百p 上述方程可阻簡(jiǎn)化為： 工掣滬v 腳 ( 2 _ 4 ) c 。掣+ 屯 s ， 解方程( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) 得到： “f ) - 毒噍( f ) + ( f 曠號(hào)噸) c o s 【w 肛f o ) 】+ 避產(chǎn)_ s i n 【w ，( 】 ”“o _ v “。叫o - - l 。c o 】c o s 坼。一0 ) 】+ z ，( t 。一毒噸u ) s 抽m r ( t - t o ) ( 2 - 6 ) 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 上式中： w ，2 志，z r2 佶“產(chǎn)麗2 、百 卜面對(duì)各工作模態(tài)進(jìn)行具體分析： a ) 丌關(guān)模態(tài)1 t o t l 】： 在of t , 1 - 亥0 ，諧振電感電流為負(fù)，流經(jīng)二極管d l 和丌關(guān)管s 3 ，此時(shí) s l 為零電流零電壓) f 通。諧振電壓v 。( f o ) = 一v ，。0 ，i 。( t o ) = 一，。 o ，i e = i 。k ，諧振電感電流不能改變方向而經(jīng)過二極 管d 2 、s 4 流動(dòng)，故此刻s 2 開通為零電流零電壓開通。經(jīng)過移相角時(shí)問，s 4 關(guān)斷，為硬關(guān)斷，到此開關(guān)模態(tài)4 結(jié)束。模態(tài)4 持續(xù)時(shí)間為f 。在此模 態(tài)中： t 2 苦l(xiāng) 小專叫c o s w , ( t - q ) + 導(dǎo)s i n w 趣_ ， 哪h 。也一) 】c o s w ( t - t 2 ) + z r 卜3 ) _ 南小刪w r 2 - 1 9 ) ，、 () ( 2 2 0 ) t 3 時(shí)刻開始下半個(gè)開關(guān)周期，過程與前半個(gè)周期類似，故不再贅述。 總之，從上面分析可以得出以下結(jié)論：1 ) f s f r 為諧振電感電流連 續(xù)工作模式，變換器所有開關(guān)管均為零電壓零電流開通，反并聯(lián)二極管 為自然關(guān)斷，但是，開關(guān)管關(guān)斷是硬關(guān)斷，存在關(guān)斷損耗，由于變換器 j ， o m o 弘 ” 0 生 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 中采用的是m o s f e t 功率開關(guān)管，存在較大寄生電容，該電容的存在限制 了開關(guān)管兩端電壓的上升率，因此關(guān)斷損耗是很小的。 2 ) 當(dāng)移相角曰o o 時(shí)，滯后橋臂不僅實(shí)現(xiàn)零電流零電壓開通，還能 實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。即在移相角時(shí)間內(nèi)，諧振電感電流已經(jīng)從負(fù)變化到零， 儲(chǔ)存的能量在該段時(shí)間內(nèi)釋放完畢，又由于整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，諧振電感 電流連續(xù)，故能保證滯后橋臂零電流關(guān)斷。 3 ) 在滿足輸出電壓的條件下，合理地選擇目值的大小，可以使滯后 橋臂的開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)刻的電流i 。( f 3 ) 很小或等于零從而達(dá)到準(zhǔn)零電流 或零電流關(guān)斷，進(jìn)一步減小關(guān)斷損耗。 2 3 穩(wěn)態(tài)分析 2 3 1 采用交流分析法對(duì)變換器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析“7 “”兒”4 假設(shè)條件： ( 1 ) 開關(guān)器件、二極管、諧振電感和電容等元件都是理想的； ( 2 ) 高頻變壓器分布電容和漏感分別折算到諧振電容c d 和諧振電感 l r 中： ( 3 ) 三次及以上諧波被諧振網(wǎng)絡(luò)充分濾除，因此諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓 用基波分量表示； ( 4 ) 輸出側(cè)濾波電感足夠大； 符號(hào)定義： v 。n _ 一直流輸入電壓： v a b 一諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓： v l 。一v a b 基波分量幅值； v i v a b 基波分量有效值； v t i 一變壓器原邊基波電壓有效值； v 。一變壓器副邊基波電壓峰值； v 。( r m s ) 一變壓器副邊基波電壓有效值； i 。( r m s ) 一變壓器副邊基波電流有效值； 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) k 一高頻變壓器原邊和副邊匝比； v 2 一經(jīng)過高頻整流橋的電壓； v 。一輸出電壓； i 。一輸出電流； r a c 高頻變壓器原邊的交流等效電阻； z a b a b 兩點(diǎn)之間的阻抗； m 一電壓轉(zhuǎn)換比( m ：丘) ； v ，。 w 。一開關(guān)角頻率； w r _ 黻角頻率( w 2 志向2 鼉) l 一開關(guān)角頻率與諧振角頻率之比，即正：蘭 w 7 q 一品質(zhì)因數(shù)( q = 等) ； x “，唧一諧振電容電抗( 工c2 萬(wàn)i 石) ； 。一諧振電感電抗( z 。= w ，) ； 于是，圖2 1 的交流等效電路如圖2 - 5 所示，其中，交流等效電阻 r 。如圖2 - 6 所示“”。 正曰。凸： 圖25 交流等效電路 圖2 - 6 交流等效電阻 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 由圖2 6 可得： ( 礦轟圪 ，。f 。戶2 - , 21 。 g _ t = 麗k g _ ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 恥警= 等= 華如 p 。， 由圖2 - 5 可得： 百v t i 5 砭乏硅習(xí) p 2 5 ) 破l + 堡一生+ | 生一生l ( 2 一 爿c ，x c ，7 l r 。月。j 將圖2 5 中的v 。信號(hào)變換為如圖2 7 所示，除坐標(biāo)起點(diǎn)不同外， 其余特點(diǎn)完全相同，因此該波形滿足奇函數(shù)條件，對(duì)此奇函數(shù)進(jìn)行傅 立葉級(jí)數(shù)分解，可得v 。電壓基波分量幅值和有效值： 得 v a b j 廠蔓2 孚2 i l l i 一生 0 l j ；。 i _ v ：。_ 廣 圖27v b 電壓信號(hào)坐標(biāo)變換 巧，= 產(chǎn)( 一k s i n ) 出 ( 2 - 2 6 ) 1 s 2 s y ：墮啊。曇 2 刪 萬(wàn)2 對(duì)式( 2 2 5 ) 兩邊同時(shí)取模，由式( 2 2 1 ) 一( 2 2 4 ) 和( 2 2 7 ) 整理可 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 刁io 王 口 c o s 一 2 2 - 2 8 ) 由式( 2 2 8 ) ，采用m a t l a b 軟件繪出下面一組特性曲線，如圖2 - 8 所 ( a ) m 與f n 、0 的關(guān)系 2 5 2 5 d 5 d爿1 】五 l f l = 9 1】0 一 ! 口：7 忙11 1 c d ，c s ：03，5 薅。= c d 、 、 口5 12 345 67日91 0 k ( b ) m 與k 、0 的關(guān)系 ( c ) m 與0 、0 的關(guān)系 ( d ) m 與c v c s 、0 的關(guān)系 圖2 - 8 變換器的穩(wěn)態(tài)特性曲線圖 西安理工走學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 8 ( a ) 表示在c p c s 、0 及k 一定時(shí)，f 。和q 對(duì)電壓轉(zhuǎn)換比m 的影 響?？梢?，當(dāng)f 。在1 附近時(shí)，m 隨q 的減小而明顯增加，即輸出電壓受 負(fù)載影響較大，此時(shí)比較適合于升壓電路；f n 在其它區(qū)域時(shí)適用于降壓 電路，且輸出電壓受負(fù)載影響較小。 圖2 - 8 ( b ) 表示在c p c s 、“及0 一定時(shí)，m 達(dá)到最大值以前，與k 基本上呈線性關(guān)系，但在最大值以后，m 與k 呈非線性關(guān)系。當(dāng)k 約大 于2 時(shí)，q 值變化對(duì) i 基本上沒有影響。 圖2 - 8 ( c ) 表示在c p c s 、k 及f 。一定時(shí)，隨著0 ，角出0 ”增加到1 8 0 。 時(shí)，m 由最大值減小到零。 圖2 8 ( d ) 表示在k 、w ；w 。及0 一定時(shí)，m 與c p c s 呈非線性關(guān)系， 同時(shí)表明m 的最大值隨著q 值的增加，而向著c p c s 增大的方向移動(dòng)。 總之，綜合考慮以上因素，可以為優(yōu)化參數(shù)提供參考依據(jù)。 2 4 主電路及其參數(shù)的選擇 2 4 1 諧振參數(shù)的選擇 綜合上述分析結(jié)果，我們知道諧振參數(shù)的選擇對(duì)軟開關(guān)條件及輸出 電壓的影響至關(guān)重要。由公式( 2 - 2 8 ) 以及圖2 8 ( a ) ，恒頻移相控制實(shí) 現(xiàn)電壓調(diào)整的前提之一是鄉(xiāng)乞的比值在l 附近，否則難以實(shí)現(xiàn)輸出電 壓的大范圍調(diào)整。下面總結(jié)出諧振參數(shù)選取的一般原則： ( 1 ) 根據(jù)給定開關(guān)頻率及其選定f 。值，首先確定諧振頻率； ( 2 ) 由式( 2 2 8 ) 可知，空載情況時(shí)最大輸出電壓為( 此時(shí)q 值非常 小，近似等于零) ： 目 c o s m = ( 2 - 2 9 ) 結(jié)合曲線2 8 ( b ) 、( d ) ，初步選定最大輸出電壓時(shí)的k 、c p c s 值。 ( 3 ) 將諧振網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)低通濾波器，假設(shè)可以充分濾除三次及以 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 上諧波含量。可以分析得出諧振網(wǎng)絡(luò)具有消除三次及以上諧波的固有特 性，與q 值無(wú)關(guān)。q 值僅與輸出電壓的大小有關(guān)，根據(jù)期望輸出功率及電 壓，結(jié)合c p c s 、q 值對(duì)m 的影響，可以初步確定q 和c p c s ，即確定l r 、 c 口、c s 的值。 本文設(shè)計(jì)指標(biāo)：( 1 ) 直流輸入電壓：1 0 0 v ；( 2 ) 開關(guān)頻率2 0 k h z ：( 3 ) 輸出d c2 2 0 v ：( 4 ) 輸出功率2 5 0 瓦左右( 負(fù)載電阻r l = 2 0 0 q ) ；( 5 ) 輸出 電壓紋波3 。 按照上述設(shè)計(jì)原則，選擇了一組諧振參數(shù)：l r = 2 4 0 uh ，c s = i 2uf ， c 。= 0 4 5uf 以及高頻變壓器原副邊匝比k - 0 5 。 2 4 2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)n 1 目n 明 變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設(shè)計(jì)公式如 下： p = k f n b s ix 1 0 - 6 t = h 只+ h 。只 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 其中，p 為電功率；k 為波形系數(shù)；f 為頻率；n 為匝數(shù)；s 為鐵芯面 積；b 為工作磁感；i 為電流；t 為溫升；p c 為鐵損；p w 為銅損。h 。和 h 。為由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。由以上公式可以看出：高的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度b 可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但b 值的增加受到材料的b 。值 的限制。一般來(lái)說，丌關(guān)電源對(duì)材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、 足夠高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度 穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對(duì)應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好以及 價(jià)格低。 對(duì)于全橋電路、半橋電路，按照過去的觀點(diǎn)要使用高b r 的鐵芯，但 是實(shí)際使用時(shí)，對(duì)于線路簡(jiǎn)單、沒有防偏磁措施的電路，容易產(chǎn)生偏磁 現(xiàn)象，其主要原因就是矩形比太高，磁滯回線很陡，在磁化反轉(zhuǎn)時(shí)，呈 現(xiàn)很大的微分導(dǎo)磁率( d b d h ) ，這相當(dāng)于在正常電路中串聯(lián)很大的電感 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 這正是高矩形比的鐵芯可以作為失峰抑制器的原因) ，這電感產(chǎn)生很大 的反電勢(shì)，阻礙磁感應(yīng)的變化，由于開關(guān)管的微小不對(duì)稱，使得磁滯回 線產(chǎn)生偏移。為了減少偏磁現(xiàn)象，所以此時(shí)宜采用低b r 鐵芯。 本文系統(tǒng)中采用一種鐵基非晶超微品合金材料，與鐵氧體相比，低 于5 0 k h z 時(shí)，在更低損耗的基礎(chǔ)上具有高二至三倍的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度， 磁芯體積可小一倍以上，雖然這種鐵芯的導(dǎo)磁率較低，但仍然比鐵氧體 高1 0 倍，所以激磁功率仍然很小。納米晶鐵芯的損耗隨著頻率的提高和 和工作磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而上升。為增大功率和提高工作頻率留有余量， 根據(jù)鐵芯性能曲線選擇損耗值為4 w k g ，此時(shí)對(duì)應(yīng)的b m 為0 2 t ( 也保證 在b h 特性曲線的線形工作區(qū)) ，所用變壓器鐵：占規(guī)格o n l 一8 0 5 0 2 0 ， b r = o 2 t ( 工作頻率為2 0 k h z ) 。 v11v 理論計(jì)算值：原邊匝數(shù)一5 面瓦p 萬(wàn)2 石石i 麗i 寺專矗聶麗 。4 0 7 ( 按直流輸入2 0 波動(dòng)計(jì)算) n p 取4 1 匝，n s 取8 2 匝。效率n 約為9 8 以上。 2 4 3 開關(guān)管的選擇 開關(guān)管的選擇取決于開關(guān)管承受的最大電流和電壓應(yīng)力1 。 電流峰值的計(jì)算： i l = 為= 4 _ ，c 。s ! 玎卜卜，贏1 + 諧振移相角0 在0 0 _ 1 8 0 。范圍內(nèi)可調(diào)時(shí)，可以計(jì)算得到： 額定負(fù)載( o = 0 時(shí)) 諧振電感電流峰值：i 。= 1 4 4 8 a 額定輸出時(shí)諧振電感電流峰值：i 。= 1 0 2 4 a 2 2 耘 再 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 空載時(shí)諧振電感電流峰值：f 。= 2 1 2 1 a 最大電壓應(yīng)力等于電源電壓。留有裕量后選擇m o s f e t2 s k l 0 2 0 作為 丌關(guān)管，其容量為3 0 a 5 0 0 v 。 2 4 4 整流橋的選擇 本系統(tǒng)中整流橋的輸入電壓峰值達(dá)3 6 0 v 左右，而頻率為2 0 k i i z 左右， 為留有裕量，本文選用的足i r 公司生產(chǎn)的快恢復(fù)整流橋m z c 5 0 t s l 2 0 u ， 容量為5 0 a 1 2 0 0 v 。 2 4 5 輸出濾波器的設(shè)計(jì)” 從前面分析可以看出，整流橋的輸出為一直流脈動(dòng)電壓，其傅利葉 級(jí)數(shù)展開式為( f ) = 糾1 一i 2c o s 2 w l - c o s 2 w ! - 吾c o s 4 曠) ( 2 - 3 2 )級(jí)數(shù)展開式為：v z ( 7 ) 2 寺【1 一i素c o s 4 ，j 由設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，西4 w 1 南c1 三2 二1 0 0 ，可以得出： 1 廠l l ，c ，o 3 7 l o h t f ，實(shí)際選取l r = 5 m h ，c ，= o 1 , u f 。 2 5 控制電路的設(shè)計(jì) 2 5 1 數(shù)字移相原理 欲實(shí)現(xiàn)移相控制，必須有合適的控制電路，例如u c 3 8 7 5 、u c 3 8 7 9 以 及m l ，4 8 1 8 等，但這些電路都是采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)p i d 閉環(huán)控制，且移 相角度控制精度不高，所以本文設(shè)計(jì)了一一種數(shù)字移相控制電路，以便達(dá) 到移相角度精度高、速度快以及可以采用各種數(shù)字p i d 控制方法實(shí)現(xiàn)閉 環(huán)反饋控制“”。 圖2 - 9 為本文提出的移相控制的實(shí)現(xiàn)方法，其中u 。為鋸齒波載波信 號(hào)，j 和u 。2 為調(diào)制信號(hào)。其基本工作過程：載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)相交， 在交點(diǎn)處輸出信號(hào)發(fā)生變化：當(dāng)載波信號(hào)高于調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出高電平； 當(dāng)載波信號(hào)低于凋制信號(hào)時(shí)，輸出低電平。圖2 1 0 中，u l 和u 2 輸出信號(hào) 便是u 。分別和u 。1 及u 。2 相作用的結(jié)果，由于移相控制的開關(guān)頻率固定， 且輸出信號(hào)占空比為5 0 ，因此將u l 和u 2 信號(hào)的上升沿作為觸發(fā)信號(hào)， 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 進(jìn)行二分頻，則可以獲得開關(guān)管sj 和s 4 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過互補(bǔ)關(guān)系可以 獲得s 2 和s 3 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 0 l j j一一 u m i r 2 角幾r _廣廠 ：l； ：i i： ；： 。 il !：廣 一 ii i 一 i： ： 。 l 1 卜e 卜t s _ 一 若將調(diào)制信號(hào)u 。l 固定為一個(gè)很小的恒值，而u 。2 在u 。l 與非常接近 l 的數(shù)之帕j 變化，則可以實(shí)現(xiàn)移相角0 從接近o 。到接近1 8 0 。的變化。同 時(shí)可知，由u 。1 和u 。產(chǎn)生的信號(hào)為超前橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由u 。2 和u 。產(chǎn)生 的信號(hào)為滯后橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由圖2 - 1 0 可知： 載波信號(hào)： 虬= i 2 t “刪 ( 2 3 3 ) 式中等螂掣孫砘”。為鋸齒波電壓的峰值， 調(diào)制信號(hào)： 塹：c “刪 塹：x 甜刪t ( c i 為趨于0 的常數(shù))( 2 - 3 4 ) ( c i x c 。，c 2 為趨于1 的常數(shù)) 其中，c i 和c 2 的選擇取決于載波信號(hào)的分辨率，以及控制電路響應(yīng) 時(shí)問和抗干擾能力。 l u u s s s s 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 由式( 2 - 3 3 ) 和( 23 4 ) 糟等 巧怨： 鏟冬一 f 、：至善 。 2 式中1 和0 2 分別表示u 。l 、u 。2 與u 。的交點(diǎn)時(shí)州。 由式( 2 - 3 5 ) 和( 2 - 3 6 ) 得： 缸字4 2 囂此繕： 窘= 扛一q ) 1 8 0 9 ( 2 - 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 2 5 2 移相電路設(shè)計(jì) 出 二數(shù)字信號(hào)處理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有波形發(fā)生器功能，該波形發(fā)生 器霹以選擇為瓣黌渡載波方式，馨疆環(huán)攀溺委詩(shī)數(shù)方式。另羚，黲u 。l 和u r n 2 的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，分別裝載到波形發(fā)生器的兩路計(jì)數(shù)比較 器巾，則其中兩路p w m 波的輸出就是圖2 - 9 中的u l 和u 2 信號(hào)。t m s 3 2 0 f 2 4 0 豹詩(shī)數(shù)對(duì)罰，為5 0 n s ，設(shè)鑷凌沒豹周黧為善e ( 移) ，贈(zèng)一個(gè)鍵齒波瘸糕籬計(jì) 數(shù)時(shí)鐘個(gè)數(shù)； ：堡堡：2 1 0 ，( 個(gè)) ( 2 3 9 ) 5 0 若。l c = 5 0 u s ，即載波頻率f c = 2 0 k h z ，則n = 1 0 0 0 ( 個(gè)) 。由式( 2 - 3 9 ) 可得 移相角目的分辨率： 2 志1 8 0 9 卻18 。 同理若t c = 5 u s 即f c = 2 0 0 k h z ，則n = 1 0 0 ( 個(gè)) ，移柏角目的分辨率： o l s r = 而1 1 8 。= i 8 由此可見，隨著鋸齒波周期的縮短，移相角分辨率逐步降低。但一 般情況下，由于移相控制用于中大功率場(chǎng)合，丌關(guān)管的開關(guān)頻率不高于 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 0 0 k h z ，所以在這個(gè)開關(guān)頻率范圍內(nèi)，該數(shù)字移相控制方法的精度還是 較高的。 具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2 一l o 所示。由數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生u l 和u 2 信號(hào)， 由7 4 l s 7 4 d 觸發(fā)器構(gòu)成二分頻電路，電阻r 、電容c 和二極管d 構(gòu)成同一 橋臂開關(guān)的死區(qū)時(shí)間形成電路。由圖可知，當(dāng)r c d 電路輸入高電平時(shí)， 電容c 充電，達(dá)到一定電壓時(shí)施密特反相觸發(fā)器7 4 h c l 4 才發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)； 當(dāng)r c d 電路輸入低電平時(shí)，電容c 通過二極管迅速放電，施密特反相觸 發(fā)器立即發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。由此可見，該r c d 電路可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)開通，瞬 時(shí)關(guān)斷的目的，這樣便可以形成防止橋臂短路的死區(qū)時(shí)間。 由7 4 l s 7 4 d 觸發(fā)器構(gòu)成的硬件二分頻電路由于易受干擾，最后通過 改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了軟件二分頻，達(dá)到可靠數(shù)字移相的功能。 系統(tǒng)控制框圖如圖2 一兒所示。 本系統(tǒng)在控制方法上采用經(jīng)典的位置式p i d 算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制“”。 由圖2 - 1 1 ，可以得到系統(tǒng)的p i d 控制框圖，如圖2 - 1 2 所示，其中u 。為 給定電壓，u m 為輸出反饋電壓，m ( e ) 為輸出電壓轉(zhuǎn)換比( 為移相角0 的 函數(shù)) 。 d 倒2 一l o 數(shù)字移相控制電路 第2 章恒頻移相l(xiāng) c c 諧振型d c d c 變換器的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 閣2 一1 1 系統(tǒng)控制方框幽 圈21 2p 1 0 控制腺理框圖 2 5 3 輸出電壓檢測(cè)回路 本系統(tǒng)所用電壓霍爾傳感器是磁補(bǔ)償式霍爾電壓傳感器，具有隔