串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路研究_圖文_百度文庫

1、浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士學(xué)位論文串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路研究姓名：張輝申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：電力電子與電力傳動指導(dǎo)教師：馬皓20080501浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要低電壓輸入高電壓輸出的直流變換器被廣泛地應(yīng)用在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、車載逆變器電源等電力電子裝置中。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對該類型的變換器也提出了更高的要求。本文主要針對中小功率的升壓變換器，對串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路進行了研究分析及實驗。文章首先對理想工作條件下的串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路進行理論、仿真分析，并通過實驗驗證了電路損耗小、效率高的特性。三種不同的控制方案：導(dǎo)通時間固定、關(guān)斷時間變化的調(diào)制方式，導(dǎo)

2、通時間變化、關(guān)斷時間固定的調(diào)制方式，調(diào)制方式，被分別應(yīng)用到電路中。通過理論、仿真以及實驗研究，比較分析了三種控制方案的優(yōu)缺點，特別是對軟開關(guān)特性、輸出電壓調(diào)節(jié)及適用范圍等問題做了細致分析。文章還對應(yīng)用在串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路中的變壓器作了一定研究分析。根據(jù)變壓器的機理，對該電路中特有變壓器的高變比問題和漏感問題展開分析，并提出工藝和設(shè)計原理上的相應(yīng)的解決方案。為進一步實現(xiàn)能黌的高效轉(zhuǎn)換，提出了基于雙變壓器結(jié)構(gòu)拓撲的串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路，并進行了有關(guān)理論分析、仿真和實驗研究。同單變壓器電路相比，該電路具有開關(guān)損耗小、變壓器損耗小、效率更高的優(yōu)點，實驗結(jié)果充分驗證了以上結(jié)論。關(guān)鍵詞：串聯(lián)諧振；推

3、挽電路；零電壓開通；零電流關(guān)斷；雙變壓器浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，：，：，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺問題擺在了人們面前。煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源由于不可再生，面臨著被消耗殆盡的危險。近年來，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)【、風(fēng)能發(fā)電系鰣、燃料電池系統(tǒng)【以及相關(guān)的混合系統(tǒng)等綠色能源受到了越來越多的重視。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能。該系統(tǒng)主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，具有設(shè)備精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便的特點。太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，它具有許多清潔能源的優(yōu)點，在與建筑一體化的過程中，太陽電池組

4、件不僅可以作為能源設(shè)備，還可作為屋面和墻面材料，既供電節(jié)能，又節(jié)省建材，具有良好的經(jīng)濟效益。光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，航天器、家用電源，兆瓦級電站、玩具，光伏電源無處不在。光伏發(fā)電產(chǎn)品目前主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源，主要是為廣大無電地區(qū)居民提供生活生產(chǎn)用電，還有微波中繼電源等，包括一些移動電源和備用電源：二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如太陽能路燈、太陽能草坪燈具和太陽能充電器等；三是并網(wǎng)發(fā)電，在發(fā)達國家己經(jīng)大面積推廣實施。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)力發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)能是一種可再生、無污染而且儲量巨大的能源，理論上僅的風(fēng)能就能滿足人類能源需要。風(fēng)能發(fā)電具有以下的優(yōu)點：第一

5、，風(fēng)力發(fā)電場的建造費用低廉，比水力發(fā)電廠、火力發(fā)電廠或者核電站的建造費用低得多；第二，不需要火力發(fā)電所需的煤、油等燃料或者核電站所需的核材料即可產(chǎn)生電力，除常規(guī)保養(yǎng)外，沒有其他任何消耗；第三，風(fēng)能是一種潔凈的自然能源，沒有煤電、油電或者核電所伴生的環(huán)境污染問題。風(fēng)能的利用是解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，特別是對于我國的沿海島嶼、交通不便的邊遠區(qū)、地廣人稀的草原牧場、以及遠離電網(wǎng)的農(nóng)村、邊疆，具有十分重要的意義。隨著全球氣候變暖和能源危機，各國都在加緊對風(fēng)力的開發(fā)和利用，盡量減少二氧化碳等溫室氣體的排放，保護我們賴以生存的地球。燃料電池系統(tǒng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池是一種將存在于燃料與氧化

6、劑中的化學(xué)能直接變換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少、適應(yīng)多種燃料等優(yōu)點。由浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文于是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，可避免轉(zhuǎn)換過程中的損失，燃料電池系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換效率高的特點。除此之外，該系統(tǒng)還具有以下特點：有害的氮氧化物、硫氧化物氣體排放少，有利于環(huán)境保護；通過與燃料供給裝置的組合，燃料適用范圍廣；燃料電池電站占地面積小、建設(shè)周期短、機組容量自由度大、規(guī)模及安裝地點靈活；負荷響應(yīng)快，運行質(zhì)量高，部分負荷時也能保持高的效率。除此之外還存在著各種混合的發(fā)電系統(tǒng)。考慮到地方實際情況，為充分利用自然資

7、源，可以將光伏發(fā)電同風(fēng)力發(fā)電結(jié)合起來，使得在太陽能或者風(fēng)能充足時都可以用來發(fā)電。也可以將燃料電池同蓄電池結(jié)合起來，為用電設(shè)備供電，確保供電的不間斷。上述系統(tǒng)初始得到的電能形式各不相同，并且存在著輸出電壓幅值相對較低、隨工作條件變化而變化的缺點。由于它們都將并網(wǎng)發(fā)電或者直接為用電設(shè)備提供能量，所以上述系統(tǒng)都需要一套變換器將輸入的直流低壓電能變換成市電或者用電設(shè)備所需要的形式。當(dāng)用電設(shè)備采用交流供電時，變換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。通常采用的是兩級變換器結(jié)構(gòu)，前級為變換器，用于將輸入電壓變換到逆變所需的中間母線電壓；后級為變換器，將直流電能變換成所需的交流電能。該變換器結(jié)構(gòu)同樣適用于不問斷電源、車載逆

8、變器電源等電力電子設(shè)備。變換器變換器圖變換器結(jié)構(gòu)框圖在些太陽能逆變電源、車載逆變電源等場合，由于輸入電壓較低，變換器結(jié)構(gòu)框圖中的變換器為升壓變換器，輸入電流較大、導(dǎo)通損耗較大。變換器將直流電能變換為交流電能，控制技術(shù)較為成熟。為提高能源利用率，同時更好得解決變換器的散熱問題，以及考慮到蓄電池、超級電容等系統(tǒng)的輸入部分能夠提供的能量有限等方面的問題，需要盡可能得提高變換器的效率，其中提高升壓變換器的效率是重點之一。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文升壓變換器拓撲分析和選擇考慮到系統(tǒng)的電氣隔離的需要，變換器一般選擇隔離型的拓撲。這里對幾種常用的隔離型升壓變換器拓撲進行簡單的分析和選擇，如圖所示?！垦谐鲅涞脚c

9、）反激變換器（）推挽變換器（）正激變換器（）半橋變換器（）全橋變換器圖升壓變換器拓撲反激變換器反激變換器如圖（）所示。該拓撲是變換器的一種變形，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。反激變換器中的變壓器在開關(guān)管關(guān)斷時傳遞能量，在開關(guān)管導(dǎo)通時存儲能量，兼具變壓器和電感的雙重作用。為輸出足夠的能量，變壓器的勵磁電感較小，導(dǎo)致一次側(cè)和二次側(cè)的漏感大，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時漏感上的能量直接消耗在開關(guān)管或緩沖電路上，從而造成效率變換器效率較低。反激變換器電路簡單，所用元器件少，適用于小功率的浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文電源。由于該變換器二次側(cè)不需要濾波電感，結(jié)構(gòu)簡單，所以適合多路輸出的應(yīng)用。反激變換器的

10、不足在于能夠傳輸?shù)墓β瘦^小，變壓器單向勵磁、利用率低，并且反激變換器不能空載運行。正激變換器正激變換器如圖（）所示，拓撲結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、驅(qū)動電路簡單。該變換器是在變換器的種變形。變壓器起轉(zhuǎn)換傳輸能量的作用，為降低復(fù)位繞組時消耗的能量，勵磁電感應(yīng)該選擇比較大的。為了實現(xiàn)變壓器磁芯的磁復(fù)位，必須采取附加復(fù)位電路的方法。由于復(fù)位繞組的存在，單管正激變換器的開關(guān)管一般需承受兩倍左右的輸入電壓，并且占空比一般都不超過。該變換器適用于各種中小功率開關(guān)電源。正激變換器的不足在于變壓器磁芯也是單向勵磁、利用率低。推挽變換器推挽變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖（）所示。該變換器結(jié)構(gòu)簡單，通過兩個開關(guān)管的交替導(dǎo)通

11、實現(xiàn)能量的傳遞。推挽變換器中的變壓器是雙向勵磁，相同尺寸的磁芯，推挽變換器可以比正激變換器傳輸更大的功率，利用率高。在工作過程中，輸入回路中只有一個開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗相對較小，兇此特別適用于輸入電壓較低的電源系統(tǒng)。但是該變換器存在磁偏的問題，電路必須具有良好的對稱性，否則容易引起直流偏磁導(dǎo)致磁芯飽和。開關(guān)管理論上承受兩倍的輸入電壓，但由于漏感的存在，開關(guān)管關(guān)斷時的電壓尖峰大于該值。所以要求變壓器繞組必須緊密耦合，以減小漏感，另外對開關(guān)管的耐壓也提出了新的要求。推挽變換器通常適用于各種功率場合。半橋變換器半橋變換器如圖（）所示。該變換器的變壓器雙向勵磁，利用率高，不存在變壓器的偏磁

12、問題，開關(guān)管相對較少，成本低。半橋變換器的不足在于存在直通問題，需要復(fù)雜的隔離型驅(qū)動或者非隔離的浮地驅(qū)動電路，可靠性低。開關(guān)管承受的最大電壓為輸入電壓，所以半橋變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力相對較低，但變浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文壓器原邊在導(dǎo)通時只有一半的輸入電壓，所以不適合低輸入電壓場合。半橋變換器通常用于高輸入電壓中功率場合。全橋變換器全橋變換器如圖（）所示。該變換器的變壓器雙向勵磁，利用率高，能夠傳輸高的功率等級，易采用軟開關(guān)工作方式。開關(guān)管承受的最大電壓為輸入電壓，電壓應(yīng)力低。全橋變換器的不足在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率器件較多，成本高；控制及驅(qū)動復(fù)雜，可靠性低，需要多組隔離型驅(qū)動電路或者非隔離的浮地驅(qū)動電路：

13、變壓器磁芯存在直流偏磁現(xiàn)象，橋臂存在直通的危險。在工作過程中，輸入回路中有兩個開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，所以并不適合輸入電壓較低的電源系統(tǒng)。全橋變換器一般應(yīng)用在工業(yè)大功率場合。上述是幾種常見的隔離型升壓變換器拓撲，每種拓撲都有各自的特點及不同的應(yīng)用場合。根據(jù)適用的功率等級的不同，可以將以上拓撲分成兩類進行比較分析：中小功率變換器包括反激變換器、正激變換器和推挽變換器，中大功率變換器包括推挽變換器、半橋變換器和全橋變換器。中小功率變換器中，從變壓器的利用率來看：推挽電路變壓器雙向勵磁，利用率最高；正激變換器單向勵磁；反激變換器單向勵磁，但由于該變壓器勵磁電感還需要存儲能量，所以利用率低。從開關(guān)管來看：推

14、挽變換器需要兩個開關(guān)管，成本較高，每個開關(guān)管需承受兩倍的輸入電壓；單管正激變換器只有一個開關(guān)管，需承受的電壓同復(fù)位繞組和變壓器原邊的匝數(shù)比相關(guān)，一般也為兩倍的輸入電壓；反激變換器只有一個開關(guān)管，需承受的電壓為輸入電壓和折算到變壓器原邊的輸出電壓的和。從占空比看：理論上講反激變換器和推挽變換器的占空比可以在到范圍內(nèi)變化；正激變換器考慮到去磁的需要，由復(fù)位繞組和變壓器原邊的匝數(shù)比決定了占空比的變化范圍，一般在到的范圍內(nèi)變化，所以正激變換器的導(dǎo)通損耗相對較大。從元器件數(shù)量來看：反激變換器最為簡潔；推挽變換器需要兩個開關(guān)管，成本相對較高：正激變換器需要復(fù)位繞組，結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜。上述的比較分析可以得出：相

15、對于反激變換器和正激變換器，推挽變換器具有變壓器利用率高、導(dǎo)通損耗小、升壓比高的特點，在成本允許的情況下，該拓浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文撲是中小功率升壓變換器的首選拓撲之一。中大功率變換器中，從變壓器看：三種變換器的變壓器都是雙向勵磁，利用率較高，但推挽變換器和全橋變換器存在偏磁的問題。從開關(guān)管來看：推挽變換器需要兩個開關(guān)管，承受的電壓為兩倍的輸入電壓，在變壓器原邊輸入的電壓為輸入電壓：半橋變換器也需要兩個開關(guān)管，承受的電壓為輸入電壓，在變壓器原邊輸入的電壓為二分之一的輸入電壓，由于該輸入的電壓相對較小，所以半橋變換器一般不適用于升壓變換器；全橋變換器需要四個開關(guān)管，成本相對較高，承受的電壓為輸入電

16、壓。從驅(qū)動電路看：推挽變換器的驅(qū)動電路簡潔：半橋變換器和全橋變換器需要復(fù)雜的隔離的驅(qū)動電路或者非隔離的浮地驅(qū)動電路，兩種變換器都存在直通的問題。從傳輸?shù)墓β士矗喝珮蜃儞Q器可以傳輸最大的功率。以上比較分析得到：對于升壓變換器，推挽變換器具有開關(guān)管相對較少、成本低、升壓比高、驅(qū)動電路簡潔的優(yōu)點，但當(dāng)傳輸?shù)墓β屎艽髸r，需要考慮全橋變換器。軟開關(guān)技術(shù)在變換器中的發(fā)展和應(yīng)用電力電子技術(shù)的發(fā)展對電力電子產(chǎn)品提出了小型化、輕量化的要求，同時也對效率和電磁兼容性提出了更高的要求。在電力電子裝置中，濾波電感、電容和變壓器占體積和重量的很大比例，采取有效措施減小這些元器件的體積和重量是小型化、輕量化的主要途徑。提

17、高開關(guān)頻率可以相應(yīng)的提高濾波器的截止頻率，從而選用較小的電感和電容，降低濾波器的體積和重量。提高開關(guān)頻率同樣可以降低變壓器的體積和重量。但提高開關(guān)頻率的同時，開關(guān)損耗增大，感性關(guān)斷、容性開通、二極管反向恢復(fù)等問題加劇，電路效率下降，電磁干擾增大。針對這些問題出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)，它可以解決變換器中的開關(guān)損耗問題，同時也能解決由硬開關(guān)引起的問題。【】軟開關(guān)技術(shù)通常是指零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)或近似零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)。【孓】在變換器設(shè)計中較早提出的軟開關(guān)變換器是準諧振變換器（），因電路工作在諧振的時問只占一個開關(guān)周期中的一部分，故稱為準諧振。準諧振變換器通過諧振使開關(guān)器件上的電流或電壓按準正弦規(guī)律變

18、化，從而創(chuàng)造出零電流或零電壓開關(guān)條件，極大地減小了變換器的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。由于準諧振浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文變換器不能使電路中的有源開關(guān)和二極管同時具有軟開關(guān)條件，因此之后又提出了多諧振變換器（）。在多諧振變換器中，由于電路中諧振拓撲和參數(shù)不止一個，故稱為多諧振。在準諧振變換器和多諧振變換器中，輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率實現(xiàn)的，當(dāng)負載和輸入電壓在大范闈變化時，開關(guān)頻率也需要大范圍的變化，這使得變壓器及濾波器的設(shè)計變得很困難。為此，又提出了變換器和變換器。這種類型的變換器，將準諧振變換器和常規(guī)的變換器相結(jié)合，通過附加的輔助有源開關(guān)阻斷諧振過程，使電路在一周期內(nèi)，一部分時間按或準諧振方式運行

19、，另一部分時間按方式運行，既具有軟開關(guān)的特點，又具有恒頻占空比調(diào)節(jié)的特點。在變換器和變換器中，諧振電感串聯(lián)在主功率回路中，因此電路中總是存在著很大的環(huán)流能量，這不可避免地增加了電路的導(dǎo)通損耗；另外，電感儲能與輸入電壓和輸出負載有很大關(guān)系，這使得電路的軟開關(guān)條件極大地依賴于輸入電源和輸出負載的變化。為了解決這些問題，零電壓轉(zhuǎn)換（）變換電路和零電流轉(zhuǎn)換（）變換電路被提出。在這種類型的電路中，輔助諧振電路與主功率開關(guān)管相并聯(lián)，電路中環(huán)流能量被自動地保持在較小的數(shù)值，且軟開關(guān)條件與輸入電壓和輸出負載的變化無關(guān)?！可鲜龈鞣N軟開關(guān)變換技術(shù)在實際的變換器的設(shè)計上正在獲得越來越廣泛的應(yīng)用，比較典型的有：零電壓

20、開關(guān)或零電流開關(guān)的正激、反激或正反激組合式變換電路、全橋移相式變換電路、全橋移相式變換電路，以及采用、技術(shù)的非隔離型電路等等，所有這些應(yīng)用表現(xiàn)出了軟開關(guān)技術(shù)在變換電路中的良好應(yīng)用前景。，】對軟開關(guān)理論的深入研究，以及軟開關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使電力電子變換器的設(shè)計出現(xiàn)了革命性的變化。軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使電力電子變換器可以具有更高的效率自身損耗大大降低，更高的功率密度自身體積、重最大大減小，以及更高的可靠性；并可有效地減小電能變換裝置引起的電磁污染和環(huán)境污染，為大力發(fā)展綠色電力電子產(chǎn)品提供了有效的方式和方法。軟開關(guān)推挽電路研究現(xiàn)狀浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文隨著軟開關(guān)理論的深入研究，軟開關(guān)推挽電路也得到了新的

21、發(fā)展。，在文獻】中提出了一種應(yīng)用在推挽電路中的諧振電路。諧振的放置在整流二極管的輸出端，該電路工作在兩倍的開關(guān)頻率條件下，以盡量減小諧振元件。利用變壓器勵磁電流和開關(guān)管漏源極寄生電容的作用，原邊開關(guān)管可以工作在條件下。通過諧振電容，輸出整流二極管的關(guān)斷可以有效地緩沖。在輸入、，輸出、的條件下，電路的效率可以達到?！课墨I提出一種新穎的軟開關(guān)推挽電路。通過在傳統(tǒng)推挽變換器中加入一對耦合的電感，變換器能實現(xiàn)開通時的。在滿載條件下，變換器的效率能提高?！尽课墨I【】針對燃料電池的寬范圍輸出電壓提出電路和推挽電路的兩級升壓電路。利用輔助電路，電路可以實現(xiàn)。推挽電路在開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器原邊電流給輔助電容允

22、電，電壓緩慢上升，實現(xiàn)零電壓關(guān)斷；在開關(guān)管開通時，由于變壓器漏感的作用，電流緩慢上升，實現(xiàn)零電流開通。最后一個的燃料電池供電變換器通過實驗驗證。【】文獻文獻】討論了一種串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路。該電路在變壓器副邊串聯(lián)電容。利用該電容和變壓器副邊漏感的諧振，在關(guān)斷時，開關(guān)管能實現(xiàn)；利用變壓器勵磁電流和開關(guān)管漏源極的寄生電容，在開通時，開關(guān)管能實現(xiàn)。同樣輸出整流二極管也工作在的條件下。該電路效率高、重量輕、體積小、成本低，并且輸出電壓紋波小。相關(guān)的分析、仿真及實驗充分驗證了這一結(jié)論?！尽课墨I冪用文獻】文獻【】中提到的拓撲，采用不同的控制方法，提出一種推挽電路。該電路采用調(diào)制，固定死區(qū)時間、調(diào)節(jié)導(dǎo)通時

23、間。開關(guān)管漏源極間并聯(lián)較大的電容，以減小元件本身寄生電容參數(shù)分布不均帶來的影響，從而保證開關(guān)管零電壓開通。開關(guān)頻率高于諧振頻率，串聯(lián)諧振電路呈感性，所以電路不是工作在條件下。本文的研究內(nèi)容本文將對適用于中小功率的串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路進行了研究分析。浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文首先將對理想工作條件下的串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路進行理論分析、過程推導(dǎo)、仿真分析及實驗驗證，并對開關(guān)管的選擇提出一定的參考依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對采取三種不同的控制方案：導(dǎo)通時問固定、關(guān)斷時間變化的調(diào)制方式：導(dǎo)通時間變化、關(guān)斷時間同定的調(diào)制方式；調(diào)制方式的串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路進行分析、仿真及實驗。然后對三種控制方案以及理想工作條件下

24、的電路做比較分析，為不同工作條件下控制方案的選擇提供一定依據(jù)。作為串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路最重要的元器件之一，變壓器的特性關(guān)系到整個變換器的性能。文章將對適用于本電路的變壓器的各組成部分進行比較分析，為變壓器設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。針對由低輸入電壓高輸出電壓引起的高變比問題和漏感對串聯(lián)諧振的影響等，將進行分析、仿真、實驗，并提出相應(yīng)的解決方案。為進一步提高電路的特性，提出了基于雙變壓器結(jié)構(gòu)拓撲的串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路。該電路具有開關(guān)損耗小、變壓器損耗小，轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點。文章將通過分析、仿真及同單變壓器拓撲的比較對該拓撲做詳細的分析，最后通過實驗驗證上述結(jié)論。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章串聯(lián)諧振軟開

25、關(guān)推挽電路理想工作條件研究推挽變換器作為變換器基本拓撲之一，結(jié)構(gòu)簡單，適合于低電壓輸入高電壓輸出的場合。由于變壓器漏磁的存在，低壓大電流輸入時，開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰大；電路必須具有良好的對稱性，否則容易引起直流偏置導(dǎo)致磁芯飽和；輸入電容損耗較大?！啊客瑫r，推挽變換器需要通過提高開關(guān)頻率來滿足前述小型化、輕量化的要求，高頻化將直接導(dǎo)致硬開關(guān)推挽變換器效率的下降和電磁干擾的增大。為此推挽變換器需要考慮采用軟開關(guān)技術(shù)。串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路的工作原理文獻】提出了一種串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路，電路原理圖如圖所裂。該電路建立在推挽電路的基礎(chǔ)上，包括開關(guān)管（、），串聯(lián)諧振電路（），輸出整流器，輸出電容（）和負

26、載（）。旁路電容（、）利用開關(guān)管漏源極間的寄生電容，串聯(lián)電感（）利用變壓器的副邊的漏感。電路工作開關(guān)頻率選擇在低于并接近諧振電路（）的諧振頻率。【】：廠一扣，土憎：。，而廠坳。：一斤，¨飛胖一矗，、”，圖串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路原理圖假定該串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路工作在理想工作條件下。理想工作條件是指電路工作的開關(guān)周期等于諧振周期與死區(qū)時間之和，其中該死區(qū)時間滿足開關(guān)管漏源極問的寄生電容從零充電到最高電壓或者從最高電壓放電到零所需要的時間。由于輸出電容較大，輸出電壓可以看作近似恒定不變；諧振電路損耗忽略不計。令諧振電感電流屯和諧振電容電壓比的初始值分別為屯。和，則浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文和比

27、應(yīng)滿足下列關(guān)系：可以解得：導(dǎo)魄一韭：。（）“（）半。一）（）魄一（）一（）一一）熱仰兀瓜帆面，居。電路達到穩(wěn)態(tài)后，開關(guān)管導(dǎo)通時刻串聯(lián)諧振電路的壓降為零。令開關(guān)管從時刻開始導(dǎo)通，則在導(dǎo)通階段，上面兩式可以簡化為：拍）罷（）（）比）根據(jù)以上分析，該電路的理想工作波形如圖所示。其巾、分別為開關(guān)管、漏源極間電壓，為整流橋輸入電壓。浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文，八八一一。、？圖串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路理想工作波形電路可以分成個工作階段，具體如圖所示?！尽抗ぷ麟A段。，?！浚涸?。時刻之前，開關(guān)管的漏源極電壓，已下降到零。時刻，開關(guān)管王零電壓導(dǎo)通，開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，此時變壓器副邊諧振電路開始工作，諧振電流由零上升到最

28、大值后下降到零。折算到變壓器原邊的電流也由零卜升到最大值后下降到零，當(dāng)流過開關(guān)管的電流下降到零時，關(guān)斷，即實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。在這一工作階段，輸入端向輸出端傳遞能量，開關(guān)管王的漏源極電壓。保持為零，開關(guān)管的漏源極電壓：保持在兩倍的輸入電壓。變壓器勵磁電流線性增長，開關(guān)管王中流經(jīng)的電流是諧振電流折算到原邊的值與勵磁電流的和。電流、滿足下列的關(guān)系式：哳恤廳垃浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文芒（）（）（）竿。穢訕?biāo)艹割缕渲校?。為負向最大勵磁電流，。為變壓器原邊勵磁電感，生為變壓器原副邊變比，。為諧振電流的峰值。該工作階段等效電路如圖（）所示。工作階段。，：】：。時刻開關(guān)管關(guān)斷，開關(guān)管保持關(guān)斷狀態(tài)，此時輸入端停止向

29、輸出端傳遞能量，負載消耗的能量由輸出電容。提供。變壓器勵磁電流對開關(guān)管、的漏源極間寄生電容，、他進行充放電，使。的電壓由零充電到兩倍的輸入電壓，司時的電壓由兩倍的輸入電壓放電到零?？紤]到寄生電容容值很小、勵磁電流足夠大，充放電的時間很短暫，所以假定在充放電時間內(nèi)開關(guān)管漏源極間電壓呈線性變化。當(dāng)他的電壓降到最低點，充放電過程結(jié)束。該工作過程滿足下列關(guān)系式：。）譬（）芒）（）一百（）其中：為正向最大勵磁電流，滿足產(chǎn)。一：為開關(guān)管寄生一電容，滿足。由于電路是工作在假設(shè)的理想工作條件下，即死區(qū)時間滿足開關(guān)管漏源極問的寄生電容從零充電到最高電壓或者從最高電壓放電到零所需要的時問，所以滿足關(guān)系式：。普（）

30、。工作過程的等效電路如圖（）所示。工作階段【：，】：該工作階段的工作過程同工作階段類似，等效電路如圖（）所示。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文工作階段，】：該工作階段的工作過程同工作階段類似，等效電路如圖（）所示。住廠把經(jīng)恤，咖。打，卜（）工作階段薩【二協(xié)一一【（）作階段、盯垤暑一、（）工作階段（）作階段圖串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路的不同工作階段上述的分析中可以看到，開關(guān)管的零電流開通是由勵磁電流、開關(guān)管寄生電容共同決定，滿足關(guān)系式：（）普砸），（）：吒一葺（），其中勵磁電流由變壓器勵磁電感。決定。下面對勵磁電流及勵磁電感。在整個開關(guān)周期中的工作過程做一分析。在圖（）所示的工作階段中，開關(guān)管導(dǎo)通，在不考慮開關(guān)

31、管導(dǎo)通壓降的條件下，輸入電壓全部加在變壓器的原邊，所以：睪。這一階段，勵磁電流線性增長，如圖。到。時間段所示。在圖（）所示的工作階段中，兩只開關(guān)管都關(guān)斷，勵磁電流對開關(guān)管寄生電容進行充放電，滿足關(guān)系式：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文嘣）。掣嘣）。掣由于開關(guān)管寄生電容小、勵磁電流足夠大，所以該工作階段時間較短，勵磁電流變化很小，由此假定開關(guān)管漏源極間電壓呈線性變化，即上述的（）普（），（，）一等（），將其代入到公式中，可以解得：水）南。（）芒（）由此關(guān)系式可以近似得到勵磁電流的變化規(guī)律：在作階段，勵磁電流從時刻開始虬逐漸上升；在半時刻達到最大值。鵠；然后逐漸下降，在：時刻回復(fù)到。圖（）所示的工作階段同工作

32、階段類似。圖（）所示的工作階段同工作階段類似。開關(guān)管寄生電容對開關(guān)管零電壓開通的影響如下：在作階段，開關(guān)管導(dǎo)通，不考慮開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，開關(guān)管的寄生電容，保持零電壓，開關(guān)管的寄生電容：保持為。在作階段，勵磁電流對開關(guān)管、的寄生電容。、他進行充放電，由前述分析可知，在理想工作條件下，。的電壓由零近似線性地充電到，同時的電壓由近似線性地放電到零。作階段同工作階段類似。工作階段一工作階段類似。由上述分析可以得到，在關(guān)斷時間發(fā)生變化時，為保證電路工作在理想工作條件下，可以通過調(diào)節(jié)勵磁電感或者開關(guān)管寄生電容來實現(xiàn)。當(dāng)關(guān)斷時間過短時，可以減小勵磁電感。以增大勵磁電流，從而縮短開關(guān)管寄生電容充放電所需要的時

33、間，或者是選用寄生電容小的開關(guān)管，減少其上存儲的能量，從而縮短開關(guān)管寄生電容充放電所需要的時間。當(dāng)關(guān)斷時間過長時，可以增大勵磁電感。以減小勵磁電流，從而增加開關(guān)管寄生電容充放電所需要的時間，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文或者是選用寄生電容，大的開關(guān)管，以增加其上存儲的能量，從而增長開關(guān)管寄生電容充放電所需要的時間。由于變壓器的勵磁電感值分布并不是連續(xù)的，同樣開關(guān)管的寄生電容值分布也不是連續(xù)的，為盡可能的實現(xiàn)理想工作條件，往往將兩者結(jié)合起來調(diào)節(jié)。同推挽電路相比，串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路只需用變壓器副邊的漏感作為諧振電感，不需添加額外的電感，可以減小體積和成本，但該電路需要一個高頻高壓的諧振電容。推挽變換器中

34、，漏感的存在會引起開關(guān)管關(guān)斷時的電壓尖峰，導(dǎo)致?lián)p耗增大、電磁干擾增大、開關(guān)管也可能因此損壞，所以必須盡量減小漏感，對變壓器的繞制工藝提出了新的要求。串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路正是利用副邊的漏感作為諧振電感來實現(xiàn)零電壓開通，對變壓器繞制的要求是漏感值盡量穩(wěn)定、一致。串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路的參數(shù)設(shè)計根據(jù)以上理想工作條件下的分析，設(shè)計一個工作在理想條件下的串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路，具體的特性指標(biāo)如下所示：輸入電壓：；輸出電壓：；額定輸出功率：。主電路的設(shè)計變壓器串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路的工作頻率設(shè)定為左右，所以磁芯選擇公司的鐵氧體。鐵氧體可以工作在開關(guān)頻率范圍內(nèi)，符合設(shè)計的頻率要求，同時也為下一步提高開關(guān)頻

35、率做好準備。變壓器的勵磁電感按照要求設(shè)計。磁芯結(jié)構(gòu)選擇。由于需要將的輸入電壓升壓到，所以變壓器副邊原邊繞組匝數(shù)比要在以上。考慮到開關(guān)管導(dǎo)通電阻上的壓降和整流二極管的導(dǎo)通壓降，副邊原邊繞組匝數(shù)比確定為。開關(guān)管開關(guān)管損耗是升壓推挽變換器損耗的重要組成部分之一，所以必須選擇合適浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文的開關(guān)管。開關(guān)管損耗可以分為導(dǎo)通損耗、門極充電損耗、開關(guān)損耗等，在的條件下，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗占較大的比重。經(jīng)過分析比較，串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路的開關(guān)管選用公司的開關(guān)管。在殼溫。時，的漏源極耐壓矗為，可以承受的連續(xù)漏極電流為，滿足電路設(shè)計的要求。在漏極電流，門極驅(qū)動電壓時，開關(guān)管導(dǎo)通電阻僅為，在同類型的開關(guān)

36、管中具有很大的優(yōu)勢。此外考慮到零電壓開通的需要，對于開關(guān)管漏源極問寄生電容的選擇也有一定要求。由分析得：開關(guān)管漏源極間寄生電容充放電時間是由寄生電容和勵磁流共同決定的。勵磁電流由輸入電壓和勵磁電感。決定，在開關(guān)管導(dǎo)通時問，滿足公式：誓；在開關(guān)管關(guān)斷時，勵磁電流近似不變。當(dāng)變壓器確定后，勵磁電感。也確定；元器件確定后，諧振周期也確定。所以勵磁電流最終只受輸入電壓的影響，開關(guān)管關(guān)斷時的勵磁電流值同輸入電壓。成正比。由前述分析得：）普（），戶一簣（）。所以寄生電容值選得過大，會導(dǎo)致充放電時問的增大。由于諧振周期是固定不變的，所以需要增大開關(guān)周期，則開關(guān)管導(dǎo)通時間在整個開關(guān)周期所占的比例減小從而導(dǎo)致電

37、流尖峰增大，開關(guān)管導(dǎo)通損耗增大。另外開關(guān)周期的增大會對變壓器的體積提出新的要求。寄生電容值選得過小，會導(dǎo)致充放電時問的減小。由于實際控制芯片都有一個最小死區(qū)時間，當(dāng)充放電時間小于最小死區(qū)時間，電路就不能工作在前述的理想工作條件下。的漏源極間寄生電容在額定條件下為，滿足電路設(shè)計需要。整流二極管選用。該二極管滿足電路設(shè)計的電壓、電流要求，同時也留出了一定裕量。諧振電路浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文由于串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路的諧振電感直接利用變壓器副邊漏感，諧振電感的設(shè)計需要同變壓器繞制工藝結(jié)合起來。采用副邊漏感的優(yōu)勢在于可以省去單獨繞制的電感，從而減小變換器的體積及成本；帶來的不足是由此得到的諧振電感不是很

38、穩(wěn)定，在不同工作條件下的特性波動可能會大于單獨繞制的電感，另外批量生產(chǎn)時的個體差異會比較大，不利于大批量的生產(chǎn)調(diào)試。變壓器副邊漏感值具體可以用電感表測量出來，測量時需將頻率選擇在電路的開關(guān)頻率，否則得到的結(jié)果不會很準確。得到該值后，就可以進行后續(xù)的諧振電容的設(shè)計。諧振電容設(shè)計根據(jù)諧振頻率和諧振電感進行，滿足公式：二。設(shè)計中需要注意的是：諧振頻率需略大于開關(guān)頻率。這是因為零電流關(guān)斷要求單個開關(guān)管的導(dǎo)通時間等于二分之一的諧振周期，而二分之一的開關(guān)周期等于單個開關(guān)管的導(dǎo)通時間與開關(guān)管寄生電容充放電時間的和。在確定開關(guān)頻率的條件下，可以根據(jù)開關(guān)管漏源極間寄生電容值計算出電容允放電時間，然后就可以求得諧

39、振周期，進而求得諧振電容。在設(shè)計過程中還需要注意諧振電容高頻高壓的需求，所以一般考慮選用高頻特性較好的電容。輸出濾波電容輸出濾波電容的設(shè)計根據(jù)輸出功率進行。由于輸出電壓中包含高頻成分，所以濾波電容需選用低等效串聯(lián)電阻的電解電容，具體選取時可以依據(jù)輸出紋波電壓的要求?？刂齐娐返脑O(shè)計推挽電路普遍采用交替式驅(qū)動信號分別驅(qū)動兩個開關(guān)管，所以每個開關(guān)管的驅(qū)動信號的占空比一般不大于。在實際的兩路交替式輸出控制芯片中，最大占空比一般能達到以上。在串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路中，選用控制芯片。是一款專用于開關(guān)電源的專用：卷片，技術(shù)成熟?？刂菩酒木д耦l率可以在到的范圍內(nèi)變化，驅(qū)動信號的占空比可以達到，滿足電路的需要

40、。輸出端電流最大達到，可以直接驅(qū)動主電路的開關(guān)管。為實現(xiàn)零電壓開通，必須保證控制信號的死區(qū)時間正好等于開關(guān)管漏源極問浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文寄生電容充放電所需時間。芯片的引腳接一個放電電阻連接到引腳，調(diào)節(jié)該電阻就可以得到相應(yīng)的死區(qū)時問。芯片的振蕩頻率近似符合公式：仁石萬葫在已知和。的條件下即可確定和。需要注意的是這只是一個近似的公式，要完全實現(xiàn)零電流關(guān)斷，還需要通過具體測試來選擇合適的、。另外還需注意的是：、及的選擇設(shè)計時需限定在芯片資料所列的范圍內(nèi)，否則容易發(fā)生異常的現(xiàn)象?！尽看?lián)諧振軟開關(guān)推挽電路的仿真分析在經(jīng)過理論分析和參數(shù)設(shè)計后，可以對電路進行進一步的仿真分析。仿真采用軟件【】。軟件中元器

41、件的具體的參數(shù)設(shè)置如下。開關(guān)管用電壓控制開關(guān)、反并二極管、寄生電容來仿真，根據(jù)開關(guān)管的特性設(shè)置各項參數(shù)。整流二極管選用。變壓器原副邊匝比設(shè)定為：，原邊勵磁電感。諧振電感和諧振電容分別選擇為岬和，所以諧振周期為一兀，諧振頻率仁÷。選擇開關(guān)周期。，則死工區(qū)時間為嶺，滿足設(shè)計的要求。輸出濾波電容為心，負載為。仿真的原理圖如圖所示。圖串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路仿真原理圖浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文軟開關(guān)的仿真電路的仿真波形如圖所示。圖中依次為開關(guān)管、的驅(qū)動電壓信號屹。、，電流、之，漏源極間電壓。、：和變壓器副邊諧振電流的波形。二：二三三三至孑二羔蘭！三三羔三三了：一！夕。：上！，：二：；：二二二：飛：！

42、萬：？一一：。麓：專。：量：¨：，：三：爰了：。“？。二：“二：二：二三?！耙唬骸６憾骸?、：，一¨，一“一一一，一一：圖電路仿真波形圖所示為開關(guān)管零電壓開通仿真波形，圖示依次為開關(guān)管的驅(qū)動電壓信號。、漏源極間電壓。，開關(guān)管的驅(qū)動電壓信號、漏源極間電壓：。由圖可見，兩個開關(guān)管的驅(qū)動電壓信號都是在開關(guān)管漏源極問電壓下降到零后才觸發(fā)，即開關(guān)管才開始導(dǎo)通，所以實現(xiàn)了零電壓開通。一：正蜀一一二三圖開關(guān)管零電壓開通仿真波形圖所示為開關(guān)管零電流關(guān)斷仿真波形，依次為開關(guān)管王的驅(qū)動電壓信號一、電流，開關(guān)管的驅(qū)動電壓信號、電流之。由圖可見，兩個開關(guān)管的驅(qū)動電壓信號都是在開關(guān)管電流下降到零

43、后下降，即開關(guān)管才開始關(guān)斷，所以實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。，、一一一一一一一一，；一一？叫。一一一一¨；丁秀，二廠¨一一二；一浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文八；、：廠、廠八礦礦一一；一一一一：一。圖開關(guān)管零電流關(guān)斷仿真波形不同寄生電容的仿真在串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路參數(shù)設(shè)計中提到開關(guān)管寄生電容大小對軟開關(guān)的影響，這也可以從軟件仿真中得到驗證。圖所示為開關(guān)管寄生電容過大，分別等于、的仿真結(jié)果。隨著寄生電容的增大，充放電所需要的時間也逐漸增大，如圖（）、圖（）所示，分別為“、岬。由于諧振周期保持一定，電容充放電時間逐漸增大，所以開關(guān)周期逐漸增大，開關(guān)管導(dǎo)通時間在整個開關(guān)周期所占的比例逐漸減小。從圖

44、中可以發(fā)現(xiàn)電流峰值逐漸增大，圖（）、圖（）所示的峰值分別為、，這對開關(guān)管電流容量提出了更高要求，電流有效值也隨之增大，導(dǎo)致開關(guān)管導(dǎo)通損耗的增大。蓄簟犁芝薹辜萼一，廠、豇二蘭曼三蘭曼王豎二叟望一二比÷一撼格（）開關(guān)管寄生電容為蓍匕竺藍：二竺左蘭三蚤鹺?。憾?。乏蘭竺二惑堇！籃孫一÷鯫弋、吝一瀏乙“。二：格開關(guān)管寄生電容為圖開關(guān)管寄生電容過大時的仿真波形由上述仿真分析可以得到，開關(guān)管寄生電容過大對串聯(lián)諧振軟開關(guān)電路的特性會有一定影響。圖所示為開關(guān)管寄生電容過小，分別等于、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文。，蜘，叫；、！彗！一竺警三一彗：二：；二饑蠢二二囊。二籮笙囊三；髟一、。、，乓，：凄！一；二。：、？三上一。話蓐鄉(xiāng)軍：輕孓二！二，？：。、。蜘，；！塞、二一一一二一一：壇一。一一；一，。屯二：！：，二；。：；。：。（）開關(guān)管寄生電容為（）開關(guān)管寄生電容為圖開關(guān)管寄生電容過小