軟開關(guān)技術(shù)(完整版)實(shí)用資料

軟開關(guān)技術(shù)（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）

第7章軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）主要內(nèi)容：軟開關(guān)技術(shù)的分類，各種軟開關(guān)電路的原理及應(yīng)用。電力電子裝置高頻化優(yōu)點(diǎn)：濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。缺點(diǎn)：開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)的作用：降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲；進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。1軟開關(guān)的基本概念（1）硬開關(guān)與軟開關(guān)硬開關(guān)：開關(guān)的開通和關(guān)斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化，產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。軟開關(guān)：在電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)條件得以改善。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，軟開關(guān)有時(shí)也被稱為諧振開關(guān)。工作原理：軟開關(guān)電路中S關(guān)斷后Lr與Cr間發(fā)生諧振，電路中電壓和電流的波形類似于正弦半波。諧振減緩了開關(guān)過程中電壓、電流的變化，而且使S兩端的電壓在其開通前就降為零。（2）零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)軟開關(guān)分類：零電壓開關(guān)：使開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開關(guān)開通時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲，這種開通方式稱為零電壓開通，簡(jiǎn)稱零電壓開關(guān)。零電流開關(guān)：使開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷，簡(jiǎn)稱零電流開關(guān)。圖7-1零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路及波形a）電路圖b）理想化波形圖7-2硬開關(guān)電路及波形a）電路圖b）理想化波形零電壓開通和零電流關(guān)斷要靠電路中的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。零電壓關(guān)斷：與開關(guān)并聯(lián)的電容能使開關(guān)關(guān)斷后電壓上升延緩，從而降低關(guān)斷損耗，有時(shí)稱這種關(guān)斷過程為零電壓關(guān)斷。零電流開通：與開關(guān)相串聯(lián)的電感能使開關(guān)開通后電流上升延緩，降低了開通損耗，有時(shí)稱之為零電流開通。簡(jiǎn)單的利用并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷和利用串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)零電流開通一般會(huì)給電路造成總損耗增加、關(guān)斷過電壓增大等負(fù)面影響，因此是得不償失的。2軟開關(guān)電路的分類根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時(shí)電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。每一種軟開關(guān)電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從基本開關(guān)單元導(dǎo)出具體電路。圖7-3基本開關(guān)單元的概念a）基本開關(guān)單元b）降壓斬波器中的基本開關(guān)單元c）升壓斬波器中的基本開關(guān)單元d）升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元（1）準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。為最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，可以分為：零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（ZVSQRC）；零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（ZCSQRC）；零電壓開關(guān)多諧振電路（ZVSMRC）；用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)（ResonantDCLink）。圖7-4準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元a）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元b）零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元c）零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元特點(diǎn)：諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；諧振電流有效值很大，電路中存在大量無(wú)功功率的交換，電路導(dǎo)通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation—PFM）方式來(lái)控制。（2）零開關(guān)PWM電路引入了輔助開關(guān)來(lái)控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為：零電壓開關(guān)PWM電路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）；零電流開關(guān)PWM電路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）。圖7-5零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元a）零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元b）零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元特點(diǎn)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低；電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。（3）零轉(zhuǎn)換PWM電路采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，但諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的。零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為：零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）；零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）。圖7-6零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。3典型的軟開關(guān)電路（1）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路圖7-7零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路原理圖圖7-8零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的理想化波形工作原理：t0~t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開關(guān)S為通態(tài)，二極管VD為斷態(tài)，uCr=0，iLr=ILt0時(shí)刻S關(guān)斷，與其并聯(lián)的電容Cr使S關(guān)斷后電壓上升減緩，因此S的關(guān)斷損耗減小。S關(guān)斷后，VD尚未導(dǎo)通。電感Lr+L向Cr充電，uCr線性上升，同時(shí)VD兩端電壓uVD逐漸下降，直到t1時(shí)刻，uVD=0，VD導(dǎo)通。這一時(shí)段uCr的上升率：（7-1）t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻二極管VD導(dǎo)通，電感L通過VD續(xù)流，Cr、Lr、Ui形成諧振回路。t2時(shí)刻，iLr下降到零，uCr達(dá)到諧振峰值。t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻后，Cr向Lr放電，直到t3時(shí)刻，uCr=Ui，iLr達(dá)到反向諧振峰值。圖7-9零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t0~t1時(shí)段等效電路圖7-10零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路在t1~t2時(shí)段等效電路t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻以后，Lr向Cr反向充電，uCr繼續(xù)下降，直到t4時(shí)刻uCr=0。t1到t4時(shí)段電路諧振過程的方程為：（7-2）t4~t5時(shí)段：VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，iLr線性衰減，直到t5時(shí)刻，iLr=0。由于這一時(shí)段S兩端電壓為零，所以必須在這一時(shí)段使開關(guān)S開通，才不會(huì)產(chǎn)生開通損耗。t5~t6時(shí)段：S為通態(tài)，iLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=IL，VD關(guān)斷。t4到t6時(shí)段電流iLr的變化率為：（7-3）t6~t0時(shí)段：S為通態(tài)，VD為斷態(tài)。諧振過程定量分析求解式（7-2）可得uCr（即開關(guān)S的電壓uS）的表達(dá)式：（7-4）uCr的諧振峰值表達(dá)式（即開關(guān)S承受的峰值電壓）：（7-5）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件：（7-6）缺點(diǎn)：諧振電壓峰值將高于輸入電壓Ui的2倍，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。（2）諧振直流環(huán)諧振直流環(huán)電路應(yīng)用于交流-直流-交流變換電路的中間直流環(huán)節(jié)（DC-Link）。通過在直流環(huán)節(jié)中引入諧振，使電路中的整流或逆變環(huán)節(jié)工作在軟開關(guān)的條件下。圖7-11諧振直流環(huán)電路原理圖電路的工作過程：將電路等效為圖7-12。t0~t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前，開關(guān)S處于通態(tài)，iLr>IL。t0時(shí)刻S關(guān)斷，電路中發(fā)生諧振。iLr對(duì)Cr充電，t1時(shí)刻，uCr=Ui。t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻，諧振電流iLr達(dá)到峰值。t1時(shí)刻以后，iLr繼續(xù)向Cr充電，直到t2時(shí)刻iLr=IL，uCr達(dá)到諧振峰值。t2~t3時(shí)段：uCr向Lr和L放電，iLr降低，到零后反向，直到t3時(shí)刻uCr=Ui。t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻，iLr達(dá)到反向諧振峰值，開始衰減，uCr繼續(xù)下降，t4時(shí)刻，uCr=0，S的反并聯(lián)二極管VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零。t4~t0時(shí)段：S導(dǎo)通，電流iLr線性上升，直到t0時(shí)刻，S再次關(guān)斷。缺點(diǎn)：電壓諧振峰值很高，增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。圖7-12諧振直流環(huán)電路的等效電路圖7-13諧振直流環(huán)電路的理想化波形（3）移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路同硬開關(guān)全橋電路相比，僅增加了一個(gè)諧振電感，就使四個(gè)開關(guān)均為零電壓開通；移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)：在開關(guān)周期TS內(nèi)，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于TS/2，而關(guān)斷時(shí)間都略大于TS/2；同一半橋中兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài)，每個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間。互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2時(shí)間，而S2的波形比S3超前0~TS/2時(shí)間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。圖7-14移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路圖7-15移相全橋電路的理想化波形工作過程：t0~t1時(shí)段：S1與S4導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷。t1~t2時(shí)段：t1時(shí)刻開關(guān)S1關(guān)斷后，電容C1、C2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路，uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導(dǎo)通，電流iLr通過VDS2續(xù)流。t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻開關(guān)S2開通，由于此時(shí)其反并聯(lián)二極管VDS2正處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此S2為零電壓開通。t3~t4時(shí)段：t4時(shí)刻開關(guān)S4關(guān)斷后，變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零，相當(dāng)于短路，因此C3、C4與Lr構(gòu)成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點(diǎn)電壓不斷上升，直到S3的反并聯(lián)二極管VDS3導(dǎo)通。這種狀態(tài)維持到t4時(shí)刻S3開通。因此S3為零電壓開通。t4~t5時(shí)段：S3開通后，Lr的電流繼續(xù)減小。iLr下降到零后反向增大，t5時(shí)刻iLr=IL/kT，變壓器二次側(cè)VD1的電流下降到零而關(guān)斷，電流IL全部轉(zhuǎn)移到VD2中。圖7-16移相全橋電路在t1~t2階段的等效電路圖圖7-17移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路（4）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路具有電路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。工作過程：輔助開關(guān)S1超前與主開關(guān)S開通，S開通后S1關(guān)斷。t0~t1時(shí)段：S1導(dǎo)通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線性增長(zhǎng)，VD中的電流以同樣的速率下降。t1時(shí)刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，關(guān)斷。t1~t2時(shí)段：Lr與Cr構(gòu)成諧振回路，Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時(shí)刻uCr=0，VDS導(dǎo)通，uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變。t2~t3時(shí)段：uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時(shí)刻S開通、S1關(guān)斷。t3~t4時(shí)段：t3時(shí)刻S開通時(shí)，為零電壓開通。S開通的同時(shí)S1關(guān)斷，Lr中的能量通過VD1向負(fù)載側(cè)輸送，其電流線性下降，主開關(guān)S中的電流線性上升。t4時(shí)刻iLr=0，VD1關(guān)斷，主開關(guān)S中的電流iS=IL，電路進(jìn)入正常導(dǎo)通狀態(tài)。t4~t5時(shí)段：t5時(shí)刻S關(guān)斷。Cr限制了S電壓的上升率，降低了S的關(guān)斷損耗。圖7-18升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的原理圖圖7-19升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的理想化波形圖7-20升壓型零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在t1~t2時(shí)段的等效電路本章小結(jié)本章的重點(diǎn)為：1）軟開關(guān)技術(shù)通過在電路中引入諧振改善了開關(guān)的開關(guān)條件，大大降低了硬開關(guān)電路存在的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題。2）軟開關(guān)技術(shù)總的來(lái)說可以分為零電壓和零電流兩類。按照其出現(xiàn)的先后，可以將其分為準(zhǔn)諧振、零開關(guān)PWM和零轉(zhuǎn)換PWM三大類。每一類都包含基本拓?fù)浜捅姸嗟呐缮負(fù)洹?）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電壓開關(guān)PWM電路和零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路分別是三類軟開關(guān)電路的代表；諧振直流環(huán)電路是軟開關(guān)技術(shù)在逆變電路中的典型應(yīng)用。碩士學(xué)位論文移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)Ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｈａｓｅ??ｓｈｉｆｔｅｄｆｕｌｌ?－ｂｒｉｄｇｅｓｏｆｔ－－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＆ｖｏｌｔａｇｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．作者姓名：學(xué)科、專業(yè)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：完成日期：羞國(guó)齷電工理論與面拉盔２籃１３Ｑ２２戚檻副教授２ＱＱ２。哂大連理工大學(xué)ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要本文就移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的結(jié)構(gòu)、基本工作原理進(jìn)行了分析，研制了一臺(tái)輸出功率為５ｋＷ，輸出電壓為２０ｋＶ，頻率為２５ｋＨｚ的高頻高壓交流電源。目前為止，高頻高壓電源主電路結(jié)構(gòu)多采用ＰＷＭ硬開關(guān)控制方式，功率開關(guān)器件在開關(guān)瞬間承受大的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力，其開通和關(guān)斷過程損耗較大，從而使高頻高壓交流電源的效率下降。本文采用移相式軟開關(guān)技術(shù)，以現(xiàn)代電力電子器件ＩＧＢＴ作為功率開管器件，應(yīng)用ＰＷＭ控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了新型高頻高壓交流電源來(lái)解決現(xiàn)行電源的能量損耗問題。本文給出了移相全橋ＰｗＭ交流電源主電路拓?fù)?，?duì)移相全橋軟開關(guān)高頻交流電源的逆變環(huán)節(jié)做了詳細(xì)的研究，介紹了ＩＧＢＴ的結(jié)構(gòu)原理，特性和開關(guān)過程，選用日本富士公司的ＥＸＢ８４１快速型ＩＧＢＴ專用驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)ＩＧＢＴ，根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)原則給出了逆變器的變壓器原副邊匝數(shù)，通過仿真分析確定了輸出濾波電路各元器件的參數(shù)。移相脈沖的產(chǎn)生采用ＭＬ４８１８專用移相控制芯片，主電路控制器選用專用于ＰＮｖＩ移相變換的新型控制芯片ＵＣＣ３８９５，給出了控制器的軟啟動(dòng)方法，分析了全橋逆變器的兩種控制方法，結(jié)合高頻高壓交流電源的性能要求選用單極性移相控制方法，實(shí)現(xiàn)了周波變換器的ＺＶＳ開關(guān)。根據(jù)分析采用Ｐｓｐｉｃｅ軟件對(duì)開關(guān)電源控制器設(shè)計(jì)及逆變器主電路進(jìn)行了仿真，給出了逆變器輸出電壓波形及主功率管消耗功率波形圖，并分析了能量損耗的來(lái)源，驗(yàn)證了軟開關(guān)技術(shù)在高頻高壓交流電源中應(yīng)用的優(yōu)越性。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文研制的電源達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞；ＰＮ，Ｉ；逆變器；移相全橋；軟開關(guān)；Ｐｓｐｉｃｅ移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)Ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｈｉｇｈ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＆ｖｏｌｔａｇｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．ＡｂｓｔＦａｃｔｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅＯｎｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｈｉ曲ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＆ｖｏｌｔａｇｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．Ａｎｄａｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＆ｖｏｌｔａｇｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ（ＡＣ）ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｉｔｈ５ｋＷｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ，２０ｋＶｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ２５ｋＨｚｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｍｏｓｔｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＆ｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｄｏｐｔｓｔｈｅｈａｒｄ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｉｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｉｍｅ，ＳＯｔｈｅｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｅｓｈａｖｅｔｏｅｎｄｕｒｅｂｉｇｓｔｒｅｓｓｅｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅａｎｄｔｈｅｌＯＳＳｏｆｐｏｗｅｒｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅｌＯＷｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓｔｌｌｅｓｉｓｈａｓａｐｐｌｉｅｄｐｈａｓｅ?ｓｈｉｆｔｅｄｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐｕｔＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）ｉａＳｔｈｅｓｗｉｔｃｈｄｅｖｉｃｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙ—ｌｏｓｓｐｒｏｂｌｅｍ．ｎｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｈａｓｂｅｅｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｒｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙＡＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｈａｓｂｅｅｎｄｅｅｐｌｙａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｃｈａｒａｃｔｅｒａｎｄｔｕｒｎ．ｓｈｕｔｏｆＩＧＢＴｉＳｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．ＡｎｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｏｆＩＧＢＴａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｄｏｐｔｓＥＸＢ８４１ａＳｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｏｆＩＧＢＴ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｔｈｅｃｉｒｃｌｅｓｏｆｐｒｉｍａｒｙｓｉｄｅａｎｄｓｅｃｏｎｄｓｉｄｅｈａｖｅａｌＳＯｂｅｅｎｇｉｖｅｎｏｕｔ．Ｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｏｕｔｐｕｔｆｉｌｔｅｒａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ｎｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｄｏｐｔｓＭＩＡ８１８ｔｏｍａｋｅｓｈｉｆｔｅｄｐｈａｓｅａｎｄＵＣＣ３８９５ａｓｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｈｅｓｏｆｔ．ＳｔａｌｌｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｗｏｃｏｎｔｒｏＩｍｅｔｈｏｄｓｏｆｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅａｒｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｑａｉｒｅｍｅｍｏｆｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅｏｆｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｈａｓｂｅｅｎａｄｏｐｔｅｄ．Ｉｎ血ｅｅｎｄ．ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｕｓｅｓＰＳＩ，ｉｃｅｔｏｓｉｒｅｕｌａｔｅｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒ．ＢｙｇｉｖｉｎｇｏｕｔｔｈｅＺｅｒｏ－Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｅｄｓｏｆｔ?ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｅｃｏｕｌｄｒｅａｌｉｚｅｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｉｔｈｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｈａｓｔｈｅｍｏｌｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ．ＡｎｄｔｈｅｌｏｓｓｐｏｗｅｒｗａｖｅｆｏＩＴｌｌｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｗｉｔｃｈｉｓａｉＳＯｇｉｖｅｎｏｕｔ．Ｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓ．Ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｇｏｏｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｉｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅａｉｔｅｍａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．１１１ｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｇｉｖｅｎｏｕｔｔｏｐｒｏｖｅｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓａｖａｉｌａｂｌｅ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＰⅥ訊ｄ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ；Ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｅｄｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅ；ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＰＳｐｉｃｅ獨(dú)創(chuàng)性說明作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：蘭鹵蝗日期：鎏丑：』：蘭Ｄ大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。作者簽名：蘭趣避作者簽名：幺型強(qiáng)翩虢摩衛(wèi)大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文１緒論本章主要介紹了軟開關(guān)高頻高壓交流電源的原理，然后重點(diǎn)概述了高頻高壓交流電源的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)，最后論述了本文的選題思想和主要的研究?jī)?nèi)容。１．１高頻高壓交流電源應(yīng)用高頻高壓交流電源由于其效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn)在工控、民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，近幾年尤其在利用介質(zhì)阻擋放電技術(shù)產(chǎn)生等離子得到了十分廣泛的應(yīng)用。然而，迄今為止，高頻高壓電源主電路結(jié)構(gòu)多采用ＰＷＭ硬開關(guān)控制方式，功率開關(guān)器件在開關(guān)瞬間承受大的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力，其開通和關(guān)斷過程損耗較大，電路的寄生電感和功率器件寄生電容在高頻時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰或電流尖峰，使功率器件壽命下降，同時(shí)產(chǎn)生較大的電磁干擾，使整機(jī)工作可靠性受到影響，從而使整個(gè)逆變器的效率下降。因此今后高頻高壓電源的發(fā)展是采用軟開關(guān)技術(shù)解決功率管的能量損耗問題。本文采用移相式軟開關(guān)技術(shù)，以現(xiàn)代電力電子器件ＩＧＢＴ代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體器件ＳＣＲ，應(yīng)用ＰＷＭ控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了新型高頻高壓交流電源來(lái)解決現(xiàn)行電源的能量損耗問題。圖１．１所示為典型的高頻高壓交流電源基本結(jié)構(gòu)。從圖１．１可以看出，此交流電源中的能量轉(zhuǎn)換過程是：輸入的工頻交流電經(jīng)過整流電路成為直流電，直流電通過逆變電路變?yōu)榻涣鳎校祝筒妷?，其基波頻率是交流電源的輸出頻率，ＰＷＭ波電壓經(jīng)輸出變壓器隔離，再由ＬＣ濾波器濾成正弦波。這一能量轉(zhuǎn)換、傳遞的過程通常表示為ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ。直流輸入、輸出隔離型的交流電源結(jié)構(gòu)與圖１．１基本相周，只是不需要輸入端的整流電路，能量轉(zhuǎn)換傳遞的過程可表示為ＤＣ－ＡＣ在交流電源中，逆交器及其控制是高頻高壓交流電源的核心。圖１．１高頻高壓交流電源基本結(jié)構(gòu)Ｆ嘻１．１Ｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｍ咖ｏｆｉｎｗ＇ｒｔｉｂｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｎｎａｖａｉｄｄｉｍｍｅｒ移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)衡量交流電源性能高低的主要指標(biāo)是輸出電壓的品質(zhì)，輸出電壓品質(zhì)由以下特性來(lái)衡型１】：（１）穩(wěn)壓特性：指穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓有效值的穩(wěn)定度。一般用電壓穩(wěn)定度來(lái)衡量。（２）穩(wěn)頻特性：指穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓頻率的穩(wěn)定度。一般用頻率穩(wěn)定度來(lái)衡量。（３）波形特性：指穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓波形的特性。一般用以下四項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)：?總諧波含量：除基波分量外各次諧波的方均根電壓值與基波電壓有效值之比。?單次諧波含量：某一次諧波電壓有效值與基波電壓有效值之比。?波峰系數(shù)；電壓峰值與有效值之比。?偏離系數(shù)：波形對(duì)基波相應(yīng)點(diǎn)的偏離值與基波峰值之比。（４）動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)負(fù)載突變或輸人電壓突變時(shí)，輸出電壓波動(dòng)越小，調(diào)整時(shí)間越短，說明交流電源的動(dòng)態(tài)特性越好。（５）電壓調(diào)制特性：指輸出電壓幅度的波動(dòng)特性。用電壓調(diào)制量的大小來(lái)衡量。電壓調(diào)制量是指穩(wěn)態(tài)輸出電壓峰值包絡(luò)線的最高電壓與最低電壓之差。１，２高頻高壓交流電源的發(fā)展趨勢(shì)高頻高壓交流電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動(dòng)著高頻交流電源的發(fā)展。最初的高頻高壓交流電源采用晶閘管（ＳＣＲ）作為逆變器的開關(guān)器件，稱為可控硅交流電源。由于ＳＣＲ是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，因此必須通過增加換流電路來(lái)強(qiáng)迫關(guān)斷ＳＣＲ，ＳＣＲ的換流電路限制了交流電源的進(jìn)一步發(fā)展。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，自關(guān)斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現(xiàn)了電力晶體管（ＧＴＲ）、可關(guān)斷晶閘管（ＧＴＯ）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ＭＯＳＦＥＴ），絕緣柵雙極型晶體管（ＸＧＢＴ）等等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了交流電源的性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開關(guān)頻率得以提高，從而逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性得以提高。最初，對(duì)于采用全控型器件的交流電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的ＰＷＭ控制技術(shù)，其輸出電壓的穩(wěn)定是通過輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)的。采用輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。逆變技術(shù)的基礎(chǔ)與核心部件是電力電子開關(guān)器件，因此，逆變技術(shù)的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展是密切相關(guān)的。２０世紀(jì)８０年代，由于可關(guān)斷器件ＧＴＯ，ＧＴＲ，ＩＧＢＴ等新型開關(guān)器件的發(fā)展與成熟，使得逆變技術(shù)進(jìn)入到了一個(gè)新階段，這個(gè)時(shí)候的逆變器可概括為自關(guān)斷化，高頻化，同時(shí)開始進(jìn)入智能化。２０世紀(jì)９０年代，逆變器繼續(xù)向高頻化，高容量化發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)的要求使得逆變器在小型、快速、低噪音、抗干擾等方面大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文都提出了新的更高的要求。ＩＧＢＴ等新型開關(guān)器件已大部分取代晶閘管開關(guān)器件，成為設(shè)計(jì)高頻高壓交流電源的首選開關(guān)器件。目前，高頻高壓交流電源的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面函３１。（１）高頻化提高交流電源的開關(guān)頻率，可以有效地減小裝置體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。此外，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，必須去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。高頻隔離可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：①在整流器與逆變器之間加一級(jí)高頻隔離的ＤＣ．ＤＣ變換器；一②采用高頻鏈逆變技術(shù)。（２）小型化在交流電源中，決定整個(gè)裝置體積和重量的部分是變壓器和ＬＣ濾波器，變壓器可能放在輸入部分，也可能放在輸出部分，起電壓隔離或電壓匹配的作用；ＬＣ濾波器用于濾除Ｐ剛波中的高次諧波。濾波器的尺寸與Ｐ州波的頻譜特性有關(guān)。要使交流電源小型化，可以采用的方法有三種：①提高開關(guān)頻率，使濾波器小型化；②采用新的ＰＷＭ控制方式，優(yōu)化逆變橋輸出ＰＷＭ波的頻譜，使濾波器小型化；③用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的隔離及匹配，替代輸入或輸出的低頻變壓器，實(shí)現(xiàn)變壓器的小型化。（３）模塊化當(dāng)今交流電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性。雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千ｋＶ?Ａ的大型交流電源，完全可以滿足大功率要求的場(chǎng)合。但是，這樣整個(gè)系統(tǒng)的可靠性完全由單臺(tái)電源決定，無(wú)論如何可靠性也不可能達(dá)到很高。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化，模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個(gè)較大容量的交流電源。模塊化需要解決交流電源之間的并聯(lián)問題，交流電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方而的問題。但是，交流電源的并聯(lián)運(yùn)行可以帶來(lái)以下幾個(gè)方面的好處：①可以用來(lái)靈活地?cái)U(kuò)大電源系統(tǒng)的容量；②可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運(yùn)行的可靠性；③具有極高的系統(tǒng)可維修性。當(dāng)單臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí)，可以很方便地通過熱插拔方式進(jìn)行更換和維修。“）高性能化高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定；②波形質(zhì)量高。不但要求空載時(shí)的波形好，帶載時(shí)波形也要好．對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性要強(qiáng)；③突加或突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；④電壓調(diào)制量?。孩葺敵鲭妷旱念l率穩(wěn)定性好；⑥對(duì)于共相電源，帶不平衡負(fù)移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)載時(shí)相電壓失衡小。輸出電壓的高性能是用電設(shè)備對(duì)交流電源的要求，控制方式的改進(jìn)是交流電源實(shí)現(xiàn)高性能的主要手段。（５）智能化一個(gè)智能化的交流電源除了能夠完成普通交流電源的所有功能外，還應(yīng)具有以下功能：①對(duì)運(yùn)行中的交流電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨時(shí)將采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，一方面獲取電源工作時(shí)的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的各部分工作是否正常；②在交流電源發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法；⑧自動(dòng)顯示所監(jiān)測(cè)的參數(shù)，有異?；虬l(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)記錄有關(guān)異?；蚬收系男畔?；④按照技術(shù)說明書給出的指標(biāo)，自動(dòng)定期地進(jìn)行自檢，并形成自檢記錄文件；⑤能夠用程序控制交流電源的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)操作；⑥具有信息交換功能，可以隨時(shí)向上位機(jī)輸入信息，或從上位機(jī)獲取信息。佰）高輸入功率因數(shù)化對(duì)于交流輸入的交流電源，中間環(huán)節(jié)直流電源一般由二極管整流獲得，其輸入電流呈尖脈沖狀，因此，輸入功率因數(shù)不高。提高整流側(cè)的輸入功率因數(shù)不僅可大大提高交流電源對(duì)輸入電能的利用率，而且可以克服交流電源對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染的缺點(diǎn)。１．３論文的選題思想及主要研究工作１．３．１論文的選題思想高頻高壓電源主電路結(jié)構(gòu)多采用ＰＷＭ硬開關(guān)控制方式，功率開關(guān)器件在開關(guān)瞬間承受大的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力，其開通和關(guān)斷過程損耗較大，電路的寄生電感和功率器件寄生電容在高頻時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰或電流尖峰，使功率器件壽命下降，同時(shí)產(chǎn)生較大的電磁干擾，使整機(jī)工作可靠性受到影響，從而使整個(gè)逆變器的效率下降。如何提高高頻高壓電源的效率成為目前電源領(lǐng)域研究的熱門。隨著石油、煤和天然氣等主要能源的大量使用，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，環(huán)保節(jié)能得產(chǎn)品成為時(shí)代發(fā)展的主流。新能源的開發(fā)和利用越來(lái)越得到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)—逆變技術(shù)能將蓄電池、太陽(yáng)能電池和燃料電池等其它新能源轉(zhuǎn)化的電能變換成交流電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆交技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。交流電源運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，使傳統(tǒng)的工頻整流電源的材料減少８０％～９０％，節(jié)能２０％～３０％，動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度提高２～３個(gè)數(shù)量級(jí)，正日益應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要的作用，正在逐步取代傳統(tǒng)電源?！础筮B理工大學(xué)碩士學(xué)位論文為了實(shí)現(xiàn)電源裝置的高性能、高效率、高可靠性，減小體積和重量，必須實(shí)現(xiàn)電源的軟開關(guān)，為此先后有人提出了諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器、多諧振變換器、零電壓開關(guān)ＰＷＭ變換器和零電流開關(guān)ＰＷＭ變換器、零電壓轉(zhuǎn)換ＰＷＭ轉(zhuǎn)換器和零電流轉(zhuǎn)換Ｐ刪變換器。而目前研究的比較多的控制方式為移相控制方式，此變換器工作在零開關(guān)條件下，因而大大減小了開關(guān)損耗，有利于提高開關(guān)頻率，減小變換器的體積和重量。本文將移相式軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于高頻高壓交流電源中，它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)電網(wǎng)要求低、污染輕等。采用ＤＣ／ＡＣ變換技術(shù)，利用新型電力電子開關(guān)器件ＩＧＢＴ，運(yùn)用先進(jìn)的移相ＰＷＭ軟開關(guān)控制技術(shù)，簡(jiǎn)潔的全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了高性能的高頻高壓交流電源，并對(duì)主要逆變電路進(jìn)行了仿真，得到了輸出交流電壓的波形。首先介紹了逆變技術(shù)的基本情況，基本原理、分類與發(fā)展情況，并介紹了其發(fā)展歷程。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了移相式ＰＷＭ軟開關(guān)高壓交流電源，對(duì)其中的主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和脈沖產(chǎn)生電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)，深入研究了高頻高壓功率變壓器的設(shè)計(jì)原則并給出了實(shí)例，討論了交流電源的散熱與抗干擾問題，給出了實(shí)驗(yàn)波形與結(jié)果。１．３．２論文的主要研究工作在此課題中，本人主要做了以下工作：（１）閱讀了高頻高壓交流電源的文獻(xiàn)，對(duì)逆變器的工作原理、制造工藝、技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展有了比較清楚的認(rèn)識(shí)。（２）針對(duì)本研究課題所要求的性能指標(biāo)，分別對(duì)整流濾波、軟開關(guān)、移相式逆變器三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。（３）完成了主電路元件參數(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算；確定所采用的ＰＷＭ控制芯片、ＩＧＢＴ驅(qū)動(dòng)芯片和ＩＧＢＴ等元件。（４）完成了主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路和過流過壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。（５）用Ｐｓｐｉｃｅ軟件對(duì)移相式軟開關(guān)逆變器進(jìn)行了仿真分析。（６）對(duì)電源進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)２高頻高壓交流電源系統(tǒng)的性能要求及總體設(shè)計(jì)２．１高頻高壓交流電源的性能指標(biāo)本文設(shè)計(jì)出一臺(tái)５ｋＷ的高頻高壓交流電源，電源的具體性能指標(biāo)為：ａ）輸入電壓：２２０ＶＡＣ士２０％；ｂ）輸入頻率：５０＝ｔ：１０％；ｃ）輸出電壓：２０ｋＶ；ｍ輸出頻率為：２５ｋＨｚ；ｅ）轉(zhuǎn)換效率：＞８５％；另外，對(duì)于高頻高壓交流電源來(lái)說，最主要的是要輸出性能良好的正弦波，而實(shí)際逆變器的輸出波形除了含有所需要的基波外還有一些諧波，為了評(píng)價(jià)輸出波形的質(zhì)量，引入下述幾個(gè)性能指標(biāo)。（１）諧波系數(shù)ＨＦ（ＨａｒｍｏｎｉｃＦａｃｔｏｒ）：第ｎ次諧波系數(shù)ＨＦ，定義為第ｎ次諧波分量有效值同基波分量有效值之比。胍，＝％／ＶＩ（２．１）（２）總諧波系數(shù)ＴＨＤ（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎＦａｃｔｏｒ）：總諧波系數(shù)表征了一個(gè)實(shí)際波形同其基波分量接近的程度。輸出為理想正弦波時(shí)了ＴＨＤ為零。堿Ｄ＝擊（主如２）拋（２．２），Ｊ”。２．，．Ｌ（３）畸變系數(shù)ＤＦ（ＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎＦａｃｔｏｒ）：通常逆變電路輸出端要經(jīng)ＬＣ濾波器后再接負(fù)載（其中，Ｌ串聯(lián)在電路中，Ｃ并聯(lián)在負(fù)載兩端）。若逆變電路輸出的ｎ次諧波有效值為Ｋ，則經(jīng)ＬＣ濾波器衰減以后輸出到負(fù)載的。次諧波電壓ｐＬ近似為（不考慮負(fù)載的影響）隊(duì)：！×去＝志眨ｓ，適當(dāng)?shù)剡x擇Ｌ，Ｃ使ｎ次諧波容抗遠(yuǎn)小于感抗：—≥《ｎｆｏＬ，去《ｎ２ｆ１）２，即諧振角速崩竹Ｌ—ＬＬ，度（００＝?！叮睿铮?。于是有下式：‰忐２鴦專（２．４）大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文上式表明逆變電路輸出端的ｎ次諧波電壓經(jīng)Ｌｃ濾波器后要衰減ｎ２細(xì)／∞ｏ）２倍。諧波階次越高，經(jīng)同一ＬＣ波器衰減后對(duì)負(fù)載的影響越小?？傊C波系數(shù)＇Ｔ＇ＨＤ顯示了總的諧波含量，但它并不能告訴我們每一個(gè)諧波分量對(duì)負(fù)載的影響程度。很顯然，逆變電路輸出端的諧波通過濾波器時(shí)，高次諧波將衰減得更厲害，為了表征經(jīng)一階Ｌｃ濾波后負(fù)載電壓波形還存在畸變的程度，引入畸變系數(shù)ＤＦ，并定義如下：ＤＦ＝（２．６）對(duì)于第ｎ次諧波的畸變系數(shù)ＤＢ可定義為：ＤＥ＝Ｖｏ／（ｎ２Ｖ－）（４）最低次諧波ＬＯＨ（Ｌｏｗｅｓｔ－ｏｒｄｅｒＨａｒｍｏｎｉｃ）：最低次諧波定義為與基波頻率最接近的諧波【４】ｏ２．２高頻高壓交流電源的整體設(shè)計(jì)高頻高壓交流電源的整體結(jié)構(gòu)如圖２．１所示，此交流電源主要由輸入電網(wǎng)濾波器、整流濾波器、逆變主回路、輸出濾波器、控制電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。其基本原理是：交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到２８０Ｖ左右的直流電壓，逆變電路將２８０Ｖ直流電壓換成高頻２０ｋＶ交流電壓，最后經(jīng)過ＬＣ濾波電路濾波后，得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的交流電壓。圖２．１高頻交流電源的整體結(jié)構(gòu)框圖Ｆｉｇ．２．１Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｉｎｖｅｒｔｉｂｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ下面就上圖的各部分作用、原理分別簡(jiǎn)述如下：【６‘７１（１）輸入電網(wǎng)濾波器：消除來(lái)自電網(wǎng)的各種干擾，如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，電器開關(guān)的合閘與關(guān)斷，雷擊等產(chǎn)生的尖峰脈沖干擾。同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)而污染電網(wǎng)。（２）輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波，位變換器提供波紋較小的直流電壓。而且，當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)停電時(shí)，濾波電容器儲(chǔ)存的能量尚能使開關(guān)電源輸出維持一定的時(shí)間。（３）ＩＧＢＴ全橋逆變器：它是本電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它把直流電變換成高頻交流電，經(jīng)過輸出濾波器變成所需的隔離直流輸出交流電壓。（４）控制電路：檢測(cè)輸出直流電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行隔離放大，調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。（５）保護(hù)電路：在開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流或短路時(shí)，保護(hù)電路使開關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載合開關(guān)電源本身，有的還有發(fā)出報(bào)警信號(hào)的功能。（６）輔助電源：整個(gè)電源電路設(shè)計(jì)要用到一些芯片，而這些芯片都需要單獨(dú)供電，也既是為控制電路和保護(hù)電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源以保證它們工作穩(wěn)定可靠。２．３輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)２．３．１輸入濾波電路的設(shè)計(jì)單相交流電（２２０ＶＡＣ，５０Ｈｚ）經(jīng)整流、濾波后，為逆變電路提供一個(gè)平滑的直流電壓。在電源模塊啟動(dòng)時(shí)，沖擊電流比較大，易損壞設(shè)備和元器件，為了抑制沖擊電流，在整流電路中采用了軟啟動(dòng)。另一方面，為了抑制電網(wǎng)的高次諧波進(jìn)入本電源系統(tǒng)，同時(shí)也可以避免本電源內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，所以，應(yīng)該在２２０ＶＡＣ／５０Ｈｚ交流市電和整流電路之間加一濾波電路。所加的輸入濾波器是為變換器的電磁騷擾電平和外界的電磁騷擾源設(shè)計(jì)的一種低阻抗通道（即低通濾波器或工頻濾波器），以抑制或去除電磁騷擾，到達(dá)電磁兼容的目的，所加的高頻交流電源工頻濾波器如圖２．２：圖２．２高頻交流電源低通濾波器Ｆｉｇ．２．２Ｔｈｅｌｏｗｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｌｎ＾毫Ｈｕ嗣大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文其中Ｌｌ，Ｃ５，Ｃ６濾除共模噪聲，Ｃ１，Ｃ２濾除差模噪聲，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５，Ｃ６為小容量高頻電容器，Ｌ２，ｃ３，ｃ４，Ｃ７，ｃ８為常態(tài)濾波元件，ｃ３，Ｃ４為大容量電解電容，Ｃ７，ｃ８為小容量無(wú)感電容，用來(lái)補(bǔ)償大容量電解電容器的高頻性能，起高頻旁路作用，Ｌ２，Ｃ３，Ｃ４組成低頻濾波器，其余電感電容組成高頻濾波器。２。３．２輸入整流電路的設(shè)計(jì)將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的變換稱之為整流。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓?jiǎn)柕钠ヅ湟约敖涣麟娋W(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。通常使用的整流電路如下圖所示，使用單相變壓器和二極管組成整流回路，后接起平滑作用的濾波回路。整流回路有半波型和全波型，半波型整流電路適用于小電流場(chǎng)合，全波型整流電路適用于大電流場(chǎng)合。輸入西Ｅ藏）飛八廠＼Ａ廠、廠、＾Ａｙｖ—＿、，ＶＶＶＶ圖２．３整流回路原理圖Ｆｉｇ．２．３Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇｌｏｏｐ輸出澶漉）本電源設(shè)計(jì)中采用全波橋式整流電路將市電輸出的２２０Ｖ交流電變成２８０Ｖ直流電，輸入整流濾波電路如圖２．４所示，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娞匦钥芍禾峁┙o負(fù)載的電流ｉｏ＝ｉｍ．４。電流電壓的波形圖如上所示根據(jù)二極管單向?qū)щ娞匦钥芍寒?dāng)比為正半周時(shí)，Ｄ１、Ｄ３正偏導(dǎo)通，Ｄ２、Ｄ４反偏截止，ｉ矗Ｄ１＝ｉＤ３當(dāng)屹為負(fù)半周時(shí)，Ｄ２、Ｄ４正偏導(dǎo)通，Ｄ卜Ｄ３反偏截止，稍Ｄ２＝ｉＤ４，ｉＤｌ３和ｉＤ２Ａ同一方向流過負(fù)載凰，故％為單向脈動(dòng)電壓。移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)圖２．４單相橋式整流電路Ｆｉｇ．２．４ｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ２．４軟開關(guān)逆變器２．４．１軟開關(guān)技術(shù)（１）軟開關(guān)技術(shù)分類軟開關(guān)包括軟開通和軟關(guān)斷：軟開通有零電流開通和零電壓開通兩種；軟關(guān)斷有零電流關(guān)斷和零電壓關(guān)斷兩種，可按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序來(lái)判斷【１０１。軟開關(guān)ＵＵｔｌｔ２硬開關(guān)ＵＵｔｌｔ２圖２．５軟開關(guān)Ｍｏｓｆｅｔ的理想波形和硬開關(guān)的波形圖２．５ＩｄｅａｌＷａｖｅｆｏ咖ｏｆＳｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｅｄＭｏｓｆｅｔａｎｄＷａｙｅｆｏｒｍｏｆＨａｒｄ－ｓｗｉｔｃｈｅｄＭｏｓｆｃｔ斷形關(guān)波大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文零電流關(guān)斷：關(guān)斷命令在ｔ２時(shí)刻或其后給出，開關(guān)器件端電壓從通態(tài)值上升到斷態(tài)值，開關(guān)器件進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。零電壓關(guān)斷：關(guān)斷命令在ｔ１時(shí)刻給出，開關(guān)器件電流從通態(tài)值下降到斷態(tài)值后，端電壓才從通態(tài)值上升到斷態(tài)值，開關(guān)器件進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在ｔ２以前，開關(guān)器件的端電壓必須維持在通態(tài)值（約等于零）。零電壓開通：開通命令在ｔ，時(shí)刻或其后給出，開關(guān)器件電流從斷態(tài)值上升到通態(tài)值，開關(guān)器件進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在ｔ２以前，開關(guān)器件端電壓必須下降到通態(tài)值（約等于零），并且在電流上升到通態(tài)值以前維持在零。零電流開通：開通命令在ｔｌ時(shí)刻給出，開關(guān)器件端電壓從斷態(tài)值下降到通態(tài)值以后，電流才從斷態(tài)值上升到通態(tài)值，開關(guān)器件進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在ｔ２以前開關(guān)器件電流必須維持在斷態(tài)值（約等于零）。（２）軟開關(guān)技術(shù)的一般實(shí)現(xiàn)方法如圖２．６中所示為零電流開關(guān)的基本實(shí)現(xiàn)方法，與主開關(guān)管（Ｍｏｓｆｅｔ或ＩＧＢＴ）串聯(lián)的諧振電感在開關(guān)管開通時(shí)阻止電流玉的上升，這樣在玢降至接近零后，ｆｃ保持較小值，因而獲得了零損耗的開通過程。電感中的電流如在柵極關(guān)斷信號(hào)（Ｖｏ變負(fù)）發(fā)出之前，諧振到零，串聯(lián)的二極管阻止電流反向上升，因此開關(guān)管是零損耗關(guān)斷的。但是必須指出，由于開關(guān)管的漏源之間存在寄生電容或外部并聯(lián)的電容，電容中的能量全部消耗在開關(guān)管中，在開關(guān)頻率較高時(shí)（５０ｋ）以上，引起的開關(guān)損耗是很嚴(yán)重的。ｆｌｉｉ；／——弋ｌ一：ｔ－－ｋ｜瓜。ｔ圖２．６零電流開關(guān)的基本實(shí)現(xiàn)方法Ｆｉｇｕｒｅ．２．６ＧｅｎｅｒａｌＭｅｔｈｏｄｔｏ趾ａｌｉｚｅＺＣＳ如圖２．７為零電壓開關(guān)的基本實(shí)現(xiàn)方法，開關(guān)管零電壓關(guān)斷的實(shí)現(xiàn)是通過與開關(guān)管并聯(lián)的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于并聯(lián)電容的存在，減小了開關(guān)管的漏源電壓的上升率，在開關(guān)管中的電流衰減到零時(shí)，Ｖｄ依然保持較小值，因此獲得零電壓關(guān)斷。開關(guān)管零電壓開造移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)通的實(shí)現(xiàn)是通過與其串聯(lián)的電感實(shí)現(xiàn)的。在開關(guān)管開通前，電感中的電流為負(fù)，給開關(guān)管的漏源電容放電，只要電感中有足夠的能量（大于ＣｏｆｄＪｄ：／２），在開關(guān)管開通前使Ｖｄ降為零，就創(chuàng)造了開關(guān)管零電壓開通的條件。與開關(guān)管并聯(lián)的二極管在開關(guān)管漏源電壓降為零后，提供電感電流通路，開關(guān)管可在這個(gè)時(shí)段開通，電感電流在外部電壓的作用下變?yōu)檎蚝螅瑥拈_關(guān)管中流通，從而完成了零電壓開通的過程。從中可知零電壓開關(guān)時(shí)，寄生電容中的能量是反饋到電源中去，沒有消耗在開關(guān)管中，與零電流開關(guān)比，零電壓開關(guān)可以獲得較高的效率，從而提高開關(guān)頻率【】”。ｌ＿！。ｔ；／氏一■’ｆ＿＼｛／一Ｖｎｌ圈２．７零電壓開關(guān)的基本實(shí)現(xiàn)方法Ｆｉｇｕｒｅ．２．７ＡＧｅｎｅｒａｌＭｅｔｈｏｄｔｏＲｅａｌｉｚｅＺＶＳ２．４．２移相式軟開關(guān)技術(shù)（１）移相式軟開關(guān)逆變電路拓?fù)湓谝葡嗫刂迫珮蚴杰涢_關(guān)交流電源中，目前研究最多的是零電壓開關(guān)（ＦＢ?ＺＶＳ?ＰＷＭ），移相全橋零電壓開關(guān)變換器（ＦＢ－ＺＶＳ－ＰＷＭ）將ＰＷＭ控制與軟開關(guān)相結(jié)合，極大的降低了電力電子器件開關(guān)損耗，并改善了器件的運(yùn)行環(huán)境，代表著交流電源發(fā)展的重要方向。目前，交流電源主電路結(jié)構(gòu)多采用ＰＷＭ硬開關(guān)控制方式，功率開關(guān)器件在開關(guān)瞬間承受大的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力，其開通和關(guān)斷過程損耗較大，高頻時(shí)尤為顯著；電路的寄生電感和功率器件寄生電容在高頻時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰或電流尖峰，使功率器件壽命下降，同時(shí)產(chǎn)生較大的電磁干擾，使整機(jī)工作可靠性受到影響；增加了緩沖吸收電路的能量消耗，從而使整個(gè)逆變器的效率下降。移相全橋零電壓開關(guān)ＦＢ－ＺＶＳ－ＰＷＭ應(yīng)用諧振變流原理，迫使功率器件上的電壓迅速降為零，實(shí)現(xiàn)功率器件在零電壓下開通和關(guān)斷，從而提供理想的開關(guān)條件。ＦＢ．ＺＶＳ．ＰＷＭ從本質(zhì)上克服了傳大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文統(tǒng)交流電源的內(nèi)在局限性，有助于實(shí)現(xiàn)交流電源的大容量化、高頻化、高效化、數(shù)字化、智能化。圖２．８移相全橋逆變電路Ｆ蟾．２．８ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｅｄｆｕｌ?。猓颍椋洌纾澹椋睿觯澹桑В簦澹驁D２．８是一個(gè)基本的移相全橋逆變電路。其中Ｍ１．Ｍ４為功率一開關(guān)器件ＩＧＢＴ，Ｄｔ－Ｄ４為相應(yīng)ＩＧＢＴ內(nèi)部寄生的反并聯(lián)二極管，ＣＩ－Ｃ４是相應(yīng)ＩＧＢＴ的寄生電容，ＬＩ是變壓器的漏感。定義Ｍｌ，Ｍ３為超前橋臂，Ｍ２，Ｍ４為滯后橋臂。４個(gè)開關(guān)管在恒定的頻率下持續(xù)運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的相位來(lái)調(diào)整功率輸出。諧振產(chǎn)生在前后橋臂的２個(gè)功率開關(guān)切換的微小延遲時(shí)間（死區(qū)）內(nèi)。相控制ＺＶＳＰＷＭ全橋逆變器有如下特點(diǎn)：１１利用電路中的寄生元件即變壓器漏感和開關(guān)器件結(jié)電容之間的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓開通，一般不需要附加電感電容元件，因此，電路元件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)２）由于開關(guān)管工作于零電壓開關(guān)條件下，因而大大減小了開關(guān)損耗，有利于提高開關(guān)頻率，減小逆變器的體積和質(zhì)量；３）超前橋臂比滯后橋譬容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)；但）移相全橋零電壓開關(guān)原理［“１捌零電壓移相全橋變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅能夠獲得較大的功率輸出，且有利于與頻率有關(guān)的器件如變壓器、電感、電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其對(duì)ＰｗＭ控制加以改進(jìn)，采用方波移相控制以實(shí)現(xiàn)在功率器件切換段軟開關(guān)換流。在全橋變換電路中，４個(gè)開關(guān)管在恒定的頻率下持續(xù)運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的相位來(lái)調(diào)整功率輸出。諧振產(chǎn)生在前后橋臂的２個(gè)功率開關(guān)切換的微小延遲時(shí)間（死區(qū)）內(nèi)。軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在較大程度上解決了功率開關(guān)損耗過大的問題，并降低功率器件ｄｕ／ｄｔ和擊／疵，減少電磁干擾（ＥＭＩ）和射頻干擾（ＲＦＩ），降低了逆變器的重量，頻率提高，減小了電路中變壓器、電感、電容的體積，輸出紋波的降低，提高了功率密度和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。交流電源主電路原理圖如圖２．８所示。圖中Ｍ１．Ｍ４為功率開關(guān)管，分為超前橋臂（左半橋）和滯后橋臂（右半橋）。電路零電壓開關(guān)依靠功率開關(guān)管反并聯(lián)的二極管（Ｄ１＿Ｄ４）的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)功率器件零電壓開通，通過功率管諧振電容（Ｃ。．Ｃ４）的充電過程實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓關(guān)斷。在移相全橋零壓開關(guān)變換器中，開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間恒定。導(dǎo)通順序?yàn)椋桑牵拢裕煲唬桑牵拢裕矗桑牵拢桑ⅲ玻桑牵拢裕?。同一橋臂的開關(guān)管為反相導(dǎo)通。對(duì)角管導(dǎo)通具有相移，從而使共導(dǎo)時(shí)間隨相移的變化而變化。由于開關(guān)管存在關(guān)斷時(shí)間，同一橋臂的２個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)，需要一定的延時(shí)時(shí)間（死區(qū)時(shí)間），以防止直通，保證開關(guān)管的安全；同時(shí)為保證開關(guān)管的零壓開通，需要分別設(shè)定合適的領(lǐng)先臂與滯后臂的延時(shí)時(shí)間。ＩＧＢＴｌ、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ３、ＩＧＢＴ４分別由脈沖發(fā)生器輸出的移相脈沖信號(hào)控制。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文３移相控制軟開關(guān)ＰＷＭ逆變器的設(shè)計(jì)３．１逆變器功率元器件的選擇［１ｑ本文設(shè)計(jì)的交流電源選用絕緣柵雙極性晶體管（ＩＯＢＴ）作為逆變器的功率開關(guān)管。絕緣柵雙極型晶體管（ＩＧＢＴ）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體器件，它集功率場(chǎng)效應(yīng)管ＭＯＳＦＥＴ和功率晶體管ＧＴＰ．的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高（１０～４０ｋＨｚ）、峰值電流容量大、自關(guān)斷、低功耗和易于驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件之一，被廣泛用于各種電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)、不間斷電源、醫(yī)療設(shè)備和逆變焊機(jī)等領(lǐng)域。ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)是其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。３．１．１ＩＧＢＴ的電氣特性ＩＧＢＴ是在功率ＭＯＳＦＥＴ漏區(qū)加入ＰＮ結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，導(dǎo)通電阻降低到普通功率ＭＯＳＦＥＴ的１／１０，其等效電路如圖３．２所示，其中Ｒ是厚基區(qū)調(diào)制電阻，ＩＧＢＴ可認(rèn)為是由具有高輸入阻抗、高速ＭＯＳＦ－咂Ｔ驅(qū)動(dòng)的雙極型品體管，圖３，３為ＩＧＢＴ的電氣特性（ＩＧＢＴ為２００Ａ／１２００Ｖ），圖３．３ａ是集射電壓ＬＩＣＥ與集電極電流尼的關(guān)系，圖３，３ｂ是柵極電壓№與集電極電流尼的關(guān)系曲線Ｍ疆酮丑嗣援Ｍ睡嗣ｎ瓤圈暖發(fā)ｅ煅陽(yáng)封嘎｝皂啜圖３．１ＩＧＢＴ基本結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．３．１ＴｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｌＧＢＴ圖３．２ＩＧＢＴ的等效電路Ｆｉｇ．３．２ＴｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｆｏｒＩＧＢＴ移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)啪Ｏ２４６ｌ婚舭（ａ）ｌ鋤卯ＯＩ。ｖ塒，ｖ（ｂ）圖３．３ＩＧ盯的電氣特性Ｆｉｇ．３．３ＥｌｅｃｔｒｉｃｆｅａｔｕｒｅｏｆＩＧＢＴＩＧＢＴ的特點(diǎn)如下：（１）ＩＧＢＴ的開關(guān)速度較高，開關(guān)損耗小，（２）ＩＧＢＴ的通態(tài)壓降在勝或名額定電流以下區(qū)段具有負(fù)的溫度系數(shù)，在其它區(qū)段則是正的溫度系數(shù)，因此在并聯(lián)時(shí)具有電流自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力。（３）ＩＧＢＴ的安全工作區(qū)比ＧＴＲ的要寬，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。（４）ＩＧＢＴ的通態(tài)壓降比ＭＯＳ管要低，特別是在大電流區(qū)段。（５）ＩＧＢＴ的輸入特性與ＭＯＳ管相似，其輸入阻抗高，它在驅(qū)動(dòng)電路中作為負(fù)載時(shí)具有容抗的性質(zhì)。（６）與ＭＯＳ和ＧＴＲ相比，ＩＧＢＴ的耐壓可以繼續(xù)做的很高，電流可以再作大，同時(shí)還保留工作頻率高的特點(diǎn)。３．１．２１６ＢＴ的參數(shù)設(shè)計(jì)１）ＩＧＢＴ額定電壓的確定由逆變器電路原理圖可看出，ＩＧＢＴ承受的最大正向電壓為逆變器輸入側(cè)的直流電壓Ｅ。則可選擇的ＩＧＢＴ耐壓值ＶＣＥＲ＝２Ｅ＝１１２０Ｖ。設(shè)計(jì)中實(shí)際選擇ＶＣＥＲ＝１２００Ｖ。２）ＩＧＢＴ額定電流的確定已知逆變器最大輸出功率為Ｐ為５ｋＷ，輸出電壓有效值Ｕｏ為２０ｋＶ，設(shè)電流有效值為ｌｏ，則流過ＩＧＢＴ的峰值電流Ｉｃ＝壓?jiǎn)剩綁骸留阈瑁竭模螅淬荩桑牵拢灶~定電流應(yīng)高于尼，向上靠攏電流等級(jí)，取其額定電流值為１Ａ。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文３．２ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)３，２．１對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求作為功率開關(guān)器件，ＩＧＢＴ的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整機(jī)的性能。所以選擇或設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。理想的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能：（１）要求驅(qū)動(dòng)電路為ＩＧＢＴ提供一定幅值的正反向柵極電壓Ｖａｒｏ正向Ｖｏｒ越高，器件Ｖｏｒｓ越低，越有利于降低器件的通態(tài)損耗。但為了限制短路電流幅值，一般不允許ＶｏＥ超過２０Ｖ。關(guān)斷１ＧＢＴ時(shí)，必須為器件提供一５Ｖ～一１５Ｖ的反向ＶｏＥ，以便盡快抽取器件內(nèi)部的存儲(chǔ)電荷，縮短關(guān)斷時(shí)間，提高ＩＧＢＴ的耐壓和抗一干擾能力。（２）當(dāng)發(fā)生短路或過流故障時(shí)，理想的驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)該具備短路保護(hù)功能。根據(jù)ＩＧＢＴ的特點(diǎn)，～個(gè)合理的短路保護(hù)流程如圖３．４所示。圖３．４短路保護(hù)流程Ｆｉｇ．３．４Ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗｆｏｒｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔ移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)該流程采用延時(shí)２．５ｕｓ緩降柵壓，再延時(shí)７ｕｓ封鎖輸入信號(hào)的方案，既保證了能有效排除偶然的或虛偽的短路信號(hào)引起保護(hù)電路動(dòng)作，又保證了在發(fā)生嚴(yán)重的短路故障時(shí)，能及時(shí)地關(guān)斷ＩＧＢＴ，防止器件損壞【９】。（３）要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻ＲＧ，用以控制ＶｏＥ的前后沿陡度，進(jìn)而控制器件的開關(guān)損耗。Ｒｃ增大，玩Ｅ前后沿變緩，ＩＧＢＴ開關(guān)過程延長(zhǎng)，開關(guān)損耗增加；ＲＧ減小，ＶＧｅ前后沿變陡，器件開關(guān)損耗降低，同時(shí)集電極電流變化率增大。因此，ＲＧ的選擇應(yīng)根據(jù)ＩＧＢＴ的電流容量、額定電壓及開關(guān)頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。（４）要求驅(qū)動(dòng)電路具有隔離輸入輸出信號(hào)的功能，同時(shí)要求在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí)或延時(shí)很小。３．２．２驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)ｆ１８．１９】ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)電路比較多，而且，大多數(shù)ＩＧＢＴ廠家為了解決可靠性問題，都生產(chǎn)與其ＩＧＢＴ相配套的混合集成驅(qū)動(dòng)電路，這些專用驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高，速度快，保護(hù)功能完善，因此，在本逆變器中選用了日本富士公司的ＥＸＢ８４１快速型ＩＧＢＴ專用驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)ＩＧＢＴ。該驅(qū)動(dòng)模塊整個(gè)電路信號(hào)延退時(shí)問不超過１ｕｓ最高工作頻率可達(dá)４０～５０ｋＨｚ。它只需要外部提供一個(gè)＋２０Ｖ單電源，內(nèi)部產(chǎn)生－－５Ｖ反偏電壓。模塊采用高速光耦合器隔離射極輸出，并有短路護(hù)。圖３．５ＥＸＢ８４１功能原理框圖Ｆｉｇ．３．５ＴｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＥＸＢ８４１ＥＸＢ８４１的整個(gè)電路信號(hào)延遲時(shí)間不超過ｌｔｔｓ，最高工作頻率可達(dá)４０～５０ｋｌ＇Ｉｚ。它只需外部提供一個(gè)＋２０Ｖ的單電源，內(nèi)部自己產(chǎn)生．５Ｖ的反偏電壓。模塊采用高速光耦大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文合器隔離，射極輸出，并有短路保護(hù)和慢速關(guān)斷等功能。其功能原理圖如圖３．５，可分為三部分：放大、過電流保護(hù)和５Ｖ基準(zhǔn)電源部分。＋６圖３．６ＥＸＢ８４１驅(qū)動(dòng)模塊外部接線圖Ｆｉｇ．３．６ＴｈｅｏｕｔｓｉｄｅｃｏｒｍｅｅｔｉｏｎｆｏｒＥＸＢ８４１ｄｒｉｖｅｍｏｄｕｌｅＥＸＢ８４１驅(qū)動(dòng)模塊使用非常方便可靠，外部線路簡(jiǎn)單。在本電源中ＥＸＢ８４１驅(qū)動(dòng)模塊的外部接線示意圖如圖３．６。圖３．７ＥＸＢ８４１驅(qū)動(dòng)電路圖Ｆｉｇ．３．７ＴｈｅｃｕｒｒｅｎｔｕｓｅｄｔｏｄｒｉｖｉｎｇＥＸＢ８４１一１９．移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)本電源中ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)電路如圖３．７所示。ＥＸＢ８４１的６腳是過流保護(hù)輸入端，通過二極管Ｄｌ接ＩＧＢＴ的漏極，５腳是過流保護(hù)輸出端，２腳接正２０Ｖ電源，３腳經(jīng)柵極電阻接ＩＧＢＴ柵極，ｌ腳接ｌＧＢＴ的源極，９腳為零電位，１４、１５腳是ＥｘＢ８４１的內(nèi)部光耦的輸入端。ＥＸＢ８４１的過流信號(hào)由５腳送至光稻，再進(jìn)入由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器４０４３及其外圍電路構(gòu)成的故障判斷電路，然后，判斷結(jié)果信號(hào)與ＰＷＭ信號(hào)同時(shí)送至與門４０８１，最后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)送至ＥＸＢ８４１的內(nèi)部光耦輸入端。ＩＧＢＴ柵射極聞并接的電阻和兩個(gè)反接的５Ｖ和１５Ｖ穩(wěn)壓管，起到穩(wěn)定柵射電壓、防止ＩＧＢＴ的誤導(dǎo)通和以免驅(qū)動(dòng)偏置電壓過高的作用。驅(qū)動(dòng)電路最終輸出、加在ＩＧＢＴ柵射極的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)見圖３．８。圖３．８ＩＧＢＴ驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)Ｆｉｇ．３．８ＴｈｅｄｒｉｖｅｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｏｆＩＧＢＴ１１正常開通過程當(dāng)控制電路使ＥＸＢ８４１輸入端腳１４和腳１５有１０ｍＡ的電流流過時(shí)，光耦器ＩＳ０１就會(huì)導(dǎo)通，Ａ點(diǎn)電位迅速下降到０Ｖ，使Ｖ１和Ｖ２截止，Ｖ２截止使Ｄ點(diǎn)電位上升到２０Ｖ，Ｖ４導(dǎo)通，Ｖ５截止，ＥⅫ８４１通過Ｖ４及柵極電阻ＲＧ向ＩＧＢＴ提供電流使之迅速導(dǎo)通，ｕｃＥ下降至３Ｖ。與此同時(shí)，Ｖ１截止使＋２０Ｖ電源通過Ｒ３向電容Ｃ３充電，時(shí)間常數(shù)ｒ?yàn)椋海妫剑遥螅茫常剑玻矗玻蹋欤螅ǎ常保┤欢捎冢桑牵拢约sｌｌＪｓ后已導(dǎo)通，ＵｃＥ下降至３ｖ，從而將ＥＸＢ８４１腳６電位鉗制８Ｖ在左右，因此Ｂ點(diǎn)和Ｃ點(diǎn)電位不會(huì)充到１３Ｖ，而是充到８Ｖ左右，這個(gè)過程時(shí)間為大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文１．２４岫；又穩(wěn)壓管ｖｚｌ的穩(wěn)壓值為１３Ｖ，正常開通時(shí)不會(huì)被擊穿，Ｖ３不通，Ｅ點(diǎn)電位仍為２０Ｖ左右，二極管Ｖ０６截止，不影響Ｖ４和Ｖ５的正常工作。２）正常關(guān)斷過程控制電路使ＥＸＢ８４１輸入端腳１４和腳１５無(wú)電流流過，光耦合器ＩＳ０１不通，Ａ點(diǎn)電位上升使ｖ１和Ｖ２導(dǎo)通；Ｖ２導(dǎo)通使Ｖ４截止，Ｖ５導(dǎo)通，ＩＧＢＴ柵極電荷通過Ｖ５迅速放電，使ＥＸＢ４１的腳３電位迅速下降至０Ｖ（相對(duì)于ＥＸＢ８４１腳ｌ低５ｖ），使ＩＧＢＴ可靠關(guān)斷，ＵｃＥ迅速上升，使ＥＸＢ８４１的腳６“懸空”。與此同時(shí)，Ｖ１導(dǎo)通，Ｃ２通過Ｖｌ更快放電，將Ｂ點(diǎn)和Ｃ點(diǎn)電位鉗在０Ｖ，使Ｖｚ】仍不通，后繼電路不會(huì)動(dòng)作，ＩＧＢＴ正常關(guān)斷。３１對(duì)ＩＧＢＴ的保護(hù)設(shè)計(jì)因ＩＧＢＴ正常導(dǎo)通時(shí)Ｃ點(diǎn)和Ｆ點(diǎn)電位穩(wěn)定在８Ｖ左右，ＶＳｌ穩(wěn)壓管不被擊穿，Ｖ３管不通，Ｅ點(diǎn)電位保持為２０Ｖ，二極管ｖＤｌ截至。若此時(shí)發(fā)生短路，ＩＧＢＴ承受大電流而退飽和。Ｖｎｓ上升很多，二極管ＶＤ２截至，則ＥＸＢ８４１的６腳“懸空”，Ｃ點(diǎn)和Ｆ點(diǎn)電位開始由８Ｖ上升；當(dāng)上升至１３Ｖ時(shí)，ＶＳｌ管被擊穿，使Ｖ３管導(dǎo)通，電容Ｃ４通過Ｒ７和Ｖ３管放電，Ｅ點(diǎn)電位逐漸下降，從而使ＥＸＢ８４１的３腳電位也逐步下降，慢慢關(guān)斷ＩＧＢＴ。其中Ｃ點(diǎn)和Ｆ點(diǎn)電位由８Ｖ上升至１３Ｖ的時(shí)間可由下式求得１３＝２０（１一ｅ一‘，ｆ２１—８ｅ－ｔ，ｆ１（３．２）ｔ＝１．３ｕｓ又Ｒ７、Ｃ４組成的時(shí)間常數(shù)為ｒ２＝Ｒ７Ｃ４＝４．８４ｕｓ（３．３）則Ｅ點(diǎn)由２０Ｖ下降到３．６Ｖ的時(shí)間由下式求得３．６＝２０ｅ。，ｆ２（３．４）ｔ＝８．３ｕｓ此時(shí)慢關(guān)斷過程結(jié)束。ＩＧＢＴ門極偏壓為０Ｖ。這種狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號(hào)使ＥＸＢ８４１中ＩＳ０１光耦合器截至，此時(shí)Ｖｌ和ｖ２管導(dǎo)通，Ｖ２管導(dǎo)通使Ｂ點(diǎn)電位下降至０Ｖ，從而Ｖ４管完全截至，Ｖ５管完全導(dǎo)通，ＩＧＢＴ門極所受偏壓由慢關(guān)斷時(shí)的０Ｖ迅速下降到一５Ｖ，ＩＧＢＴ完全關(guān)斷。Ｔ１導(dǎo)通使Ｃ２迅速放電、Ｔ３管截至，２０Ｖ電源通過Ｒ９對(duì)Ｃ４充電，時(shí)間常數(shù)為ｆ３＝Ｒ９Ｃ４＝４８．４／ａＳ（３．５）則Ｅ點(diǎn)由３．６Ｖ充至１９Ｖ的時(shí)間可由下式求得１９＝２０（１一ｅ－‘７‘’、＋３．６ｅ。７‘３移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)ｔ＝１３５ｕｓ即Ｅ點(diǎn)恢復(fù)到正常狀態(tài)需１３５ｕｓ，至此ＥＸＢ８４１完全恢復(fù)到正常狀態(tài)，可以進(jìn)行正常的驅(qū)動(dòng)。３．３高頻變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)是變換器設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)楦哳l變壓器不但參數(shù)多，如輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、頻率、溫升、漏感、磁性元件參數(shù)、銅損、鐵損等等。而且高頻變壓器還有其高頻工作產(chǎn)生的高頻特性，主要有渦流效應(yīng)、高頻鐵損、瞬態(tài)飽和等。高頻變壓器在電路中，主要起隔離和升壓的作用。理想的變壓隔離器有如下的特征：１）從輸入到輸出能夠通過所有的信號(hào)的頻率，從理想的直流到不理想的直流都能變換；２）變換時(shí)可不考慮能量損耗；３）能使輸入輸出之間完全隔離：４）變換中，無(wú)論從原邊到副邊，或副邊到原邊，都是一樣方便有效。３．３．１高頻變壓器的設(shè)計(jì)步驟橋式變壓器的設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易，兩個(gè)半周期都用同一個(gè)原邊繞組，磁心和繞組使用率比較高。為了減少磁化電流，最好原邊繞組匝數(shù)較多，電感量大，為此，選用高導(dǎo)磁率的合金材料的磁心，而且磁心不帶氣隙。１）選擇鐵芯型號(hào)根據(jù)輸出功率、效率求出輸入功率和工作頻率，然后查詢相關(guān)的手冊(cè)就可得知所要用的鐵芯型號(hào)。２）選擇最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度變壓器設(shè)計(jì)為求有最佳效率，均從銅耗等于鐵耗出發(fā)的。對(duì)于每一個(gè)設(shè)計(jì)者，有一個(gè)最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，它依賴于工作頻率、鐵芯損耗，原加的電壓和原、副邊的匝數(shù)比等等。３）線圈匝數(shù)計(jì)算原邊匝數(shù)：Ｎｐ＝五ＶＳ麗Ｘｔｏｎ（３．６）上式中：風(fēng)：原邊線圈所加直流電壓，在有波動(dòng)時(shí)取小值（Ｖ）：ｔｏｎ：最大導(dǎo)通時(shí)間（１ｌｓ）：ＡＢ：總磁感應(yīng)強(qiáng)度增量（Ｔ）；大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文壓：磁芯有效面積（ｍｍ２）；４１變壓器副邊線圈的匝數(shù)設(shè)副邊的匝數(shù)為腦，根據(jù)法拉第定律可得：礦ｌ＝Ｋ彳ｒｓＮｓＢ，，，／ｌ，（３．７）式中：７；為開關(guān)的工作頻率占ｋ為工作磁通的密度以為磁芯有效面積（鐵心窗體面積乘上使用系數(shù)可得到有效面積）ｊ舀為波形系數(shù)，有效值與平均值之比正弦波時(shí)為４．４４，方波時(shí)為４。整理可得：Ｎｓ＝——ＬＬ一（３．８）?。螅隆埃逶诒倦娫丛O(shè)計(jì)中，由功率的大小可得到相應(yīng)的鐵磁材料的型號(hào)為：磁芯為ＥＥ６５Ａ型，有效面積為Ａ。＝５３８ｍｍ２，窗口面積Ｓ＝５３７ｍｍ２，ｍ＝０．３Ｔ，開關(guān)頻率為２５ｋＨｚ，代入本系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)可得：４ｘ２５ｘ１０３ｘ０．３ｘ５３８ｘｌＯ－＇ｓ＝１２３９．１６（匝）＝——＝Ｉ＝ｚｊｙ?ｌＯ“咀，實(shí)際取其值為１２４０匝。變壓器變比為７：５００，所以原邊匝數(shù)?。保冈?。３．３．２高頻變壓器設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題１１階梯飽和由于兩個(gè)功率管存儲(chǔ)時(shí)間不同或輸出整流二極管正向電壓的不同，會(huì)引起在變壓器原邊繞組所受的正向和反向伏秒值不平衡，這個(gè)不平衡造成某運(yùn)行周期變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度階梯式趨于飽和。２１瞬時(shí)飽和效應(yīng)閻假設(shè)有一對(duì)功率管在飽和點(diǎn)附近工作，如果負(fù)載瞬時(shí)增加，控制電路使脈沖寬度快速增加，以補(bǔ)償損耗和增加電流，這樣，鐵芯出現(xiàn)單向飽和，一對(duì)功率管可能流過突發(fā)性的過電流。如果功率管有獨(dú)立的、快速反應(yīng)的限流裝置，那么出發(fā)脈沖能在過電流造成危害之前消失，電源裝置就可避免損壞。但這并不是一個(gè)好的解決辦法。如果放大器放大倍數(shù)使輸出電壓的擺動(dòng)幅度小，使每個(gè)周期只允許增加脈沖少量的脈沖寬度，則有可能防止過度飽和。這種辦法會(huì)使電路的瞬態(tài)響應(yīng)稍稍變差。移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)３１趨膚效應(yīng)［２３１導(dǎo)線流過高頻電流時(shí)，只在導(dǎo)線表皮流過，稱為趨膚效應(yīng)。由于趨膚效應(yīng)使得導(dǎo)線有效面積減少，電流密度有所提高，引起銅耗增加，效率下降。當(dāng)導(dǎo)線流過突變電流時(shí)，產(chǎn)生磁力線，磁力線引起渦流，渦流的方向加大了導(dǎo)線表面的電流，抵消中心線的電流，使得電流只在導(dǎo)線的表面流動(dòng)，中心則無(wú)電流，這種效果時(shí)導(dǎo)線本身的電流產(chǎn)生的。為了解決這個(gè)問題，我們可以用多股導(dǎo)線纏繞高頻變壓器，這樣就可以避免趨膚效應(yīng)。３．４輸出濾波電感值的確定３．４．１輸出濾波器的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)輸出交流濾波器的作用是濾除逆變橋輸出ＳＰＷＭ波中的諧波分量，表面看來(lái)好象ＬＣ濾波參數(shù)越大，系統(tǒng)輸出波形越好。實(shí)際上，濾波時(shí)間常數(shù)越大，不僅濾波電路的體積和重量過大，而且濾波電路引起的相位滯后變大，采用閉環(huán)波形反饋控制時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。相反，濾波參數(shù)選得過小，系統(tǒng)中的高頻分量得不到很好的抑制，輸出電壓不能滿足波形失真度的要求。在交流電源中，通常使用的是ｒ型或者是ｎ型濾波器，如圖３．９所示：紺ｒ型∞ｎ翌圖３．９交流電源系統(tǒng)中常用的濾波器Ｆｉｇ．３．９ＴｈｅｆｉｌｔｅｒｕｓｅｄｆＴｅｑｕｅｎｔｌｙｉｎｉｎｖｅｒｔｉｂｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍＲ由于ｒ型濾波器是最簡(jiǎn)單的一種形式，所以它的應(yīng)用也最廣泛。本電源設(shè)計(jì)中負(fù)載阻抗比較高采用ｒ型濾波器，下面主要對(duì)ｒ型濾波器進(jìn)行討論［３２—３】。ｒ型濾波器是按照低通濾波器的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使逆變器基波頻率落在通帶內(nèi)，從而達(dá)到抑制諧波、保留基波的目的。但是，僅僅這一點(diǎn)是不夠的，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮濾波器對(duì)逆變主電路的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，若不考慮到濾波電路對(duì)逆變器主電路的影響，則往往可能造成逆變器工作不穩(wěn)定、不可靠。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文交流電源對(duì)輸出諧波含量有明確的要求，即單次諧波含量小于３％，總諧波含量小于５％，因此輸出濾波器的設(shè)計(jì)是十分重要的因素，為了使逆變器與濾波器成為交流電源整體中的一個(gè)合理單元，在交流電源中，對(duì)濾波器設(shè)計(jì)時(shí)的要求可總結(jié)為如下幾點(diǎn)：１）使單次諧波和總諧波含量降到指標(biāo)允許的范圍以內(nèi)。２１負(fù)載大幅度變化時(shí)，濾波器對(duì)主電路正常運(yùn)行的影響盡可能地小。３）負(fù)載變動(dòng)后，輸出電壓的波動(dòng)要盡可能地小。鍆在滿足指標(biāo)要求的情況下，濾波器所用的元件盡可能地少。３．４．２濾波參數(shù)選擇的理論分析為了滿足以上的幾點(diǎn)要求，可以通過以下途徑設(shè)計(jì)一濾波器的參數(shù)。根據(jù)截止頻率矗，負(fù)載皿來(lái)選擇：這種方法實(shí)際上是根據(jù)ｒ型低通濾波器的截止頻率來(lái)選擇濾彼器的電容、電感，ｒ型低通濾波器電路圖如圖３．９（ａ）所示。電感的電抗為皿＝ｃｏＬ＝２７ｒ／Ｌ，電容的電抗為Ｘｃ＝１／ａ，，Ｃ＝１／２療ｆ１２，Ｘｚ隨著頻率的升高而升高致隨著頻率升高而降低。設(shè)逆變器的輸出電壓中基波頻率為ｆｌ：開關(guān)頻率為．，§；截止頻率為矗，且滿足關(guān)系：ｆｌ＜力＜矗。由于廠１＜斥，故ｃｏｉＬ＝１／ｃｍＣ，ｃｏＩＬ對(duì)基波信號(hào)阻力很?。唬保悖铮?，Ｃ對(duì)基波信號(hào)分流很小，因此允許基波信號(hào)通過。由于乃＜．聲，故ｍ正＞１／ｃｏｅＣ，ｃｏｋＬ對(duì)開關(guān)頻率分量阻力很大；１／ｃ０９２對(duì)開關(guān)頻率分流很大，因此濾波器不允許開關(guān)頻率分量通過，更不允許它的高次諧波通過。如前面所述，逆變橋輸出脈寬調(diào)制波中的諧波主要分布在開關(guān)頻率附近，因此一般選?。蹋銥V波器的諧振頻率滿足：ｒＣＯ。＝—毒一≈０．Ｊ×２ｚｒ＿７；（３．１２）ｎ√ＬＣ。式中屆為開關(guān)頻率；刀為變壓器變比，濾波器特征阻抗為ｒ－Ｐ＝押．／竿（３．１３）Ｙ乙，假設(shè)負(fù)載阻抗為ＲＬ，可取系統(tǒng)特征阻抗為ｐ＝（Ｄ．５～０．８１ＲＬ（３．１４）對(duì)于本電源設(shè)計(jì)的濾波器，變壓器變比為７：５００，由式（３．１２）（３．１３）（３．１４）可計(jì)算出濾波電感為乃＝１．８肚Ｈ，實(shí)際電路中?。玻梗龋瑸V波電容Ｃ７＝９．６４９Ｆ，在實(shí)際電路中?。欤希酰?。圖３．１０為電路中設(shè)計(jì)的濾波器。移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)圖３．１０輸出濾波器Ｆｉｇ．３．１０Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｆｉｌｔｅｒ一２６—大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文４控制回路及相關(guān)輔助電路的設(shè)計(jì)４．１電源控制器設(shè)計(jì)控制器是整個(gè)高頻高壓交流電源系統(tǒng)的重要組成部分，控制器的設(shè)計(jì)直接影響到主電路工作的安全可靠性，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等重要性能指標(biāo)。１１公司推出的ＵＣＣ３８９５是一款用于移相全橋ＰＷＭ控制的新型控制器件，功能完善，性能優(yōu)越。本文高頻高壓交流電源采用ＵＣＣ３８９５針對(duì)大功率ＰｗＭ．ｚＶＳ設(shè)計(jì)了電源控制器，并用ＰＳＰＩＣＥ仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了仿真１２９］。４．１．１ＵＣＣ３８９５主要功能特點(diǎn)及控制器電路組成ＵＣＣ３８９５是１１公司生產(chǎn)的專用于ＰＷＭ移相變換的新型控制芯片。它是ＵＣ３８７５（７９）的改進(jìn)型，除具有ＵＣ３８７５（７９）的功能外，主要是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振開關(guān)要求；另外還增加了ＰＷＭ軟關(guān)斷能力。通過不同的外圍電路設(shè)置，既可工作于電壓模式，也可工作于電流模式；并且可實(shí)現(xiàn)輸出脈沖占空比從０到１００％相移控制，軟啟動(dòng)和軟停止可按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)；內(nèi)置７加舷帶寬的誤差比較放大器。片內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分緊湊巧妙，具有完善的限流及過流保護(hù)、電源欠壓保護(hù)、基準(zhǔn)欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)和軟停止等功能。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，以ＵＣＣ３８９５集成控制芯片為核心設(shè)計(jì)的交流電源控制器框圖如圖４．１所示。圖４．１中，控制器由ＵＣＣ３８９５、時(shí)鐘與鋸齒波形成電路、電壓和電流采樣電路、斜坡補(bǔ)償、調(diào)節(jié)器、隔離驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等部分組成。采用峰值電流模式雙環(huán)控制。ｌ獾卜．ｒ磊刮醭軎Ｉ舊凄卜ＵＣＣ３８９５寸網(wǎng)——ｌｌ控制器—磊］Ｌ壁ＵＩ疆卜－ｑ電流電壓采樣及保護(hù)圖４．１ＵＣＣ３８９５電源控制器組成框圖Ｆｉｇ．４．１ＦｒａｍｅｗｏｒｋｏｆＵＣＣ３８９５ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｅｏｎｔｒｏｌｌｅ移相全橋軟開關(guān)高頻高壓交流電源的設(shè)計(jì)４．１．２斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)與計(jì)算峰值電流控制模式讓電感電流跟蹤電壓誤差信號(hào)，使主電路電感等效為一恒流源，可改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)及精度。但它有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即當(dāng)占空比超過０．５時(shí)，容易發(fā)生次諧振并對(duì)噪聲相對(duì)比較敏感，閉環(huán)系統(tǒng)工作將不穩(wěn)定，因此必須對(duì)反饋的輸出電流進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)脑瓌t是，補(bǔ)償斜率必須大于０．５倍的輸出電流下降斜率，在工程實(shí)踐中，一般?。停悖剑ǎ罚埃ァ福埃ィ停玻ǎ停銥檠a(bǔ)償斜率，Ｍ２為下降斜率）。根據(jù)這一要求，斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)如圖４．２所示。該電路與傳統(tǒng)的采用晶體管電壓跟隨器補(bǔ)償電路相比，鋸齒波電路與電流檢測(cè)電路相互影響小，補(bǔ)償后波形不存在因晶體管的死區(qū)而導(dǎo)致的失真現(xiàn)象。ＵＳ圖４．２斜坡補(bǔ)償電路Ｆ逗．４．２ＳｌｏｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｉｒｃＩＩｉｔ圖４．２中，Ｕｓ信號(hào)來(lái)自位于直流輸入母線上的霍爾電流傳感器輸出，該信號(hào)既作為峰值電流控制模式的電流反饋，又作為變換器過流保護(hù)的輸入信號(hào)。設(shè)輸入電壓為ｕ；，輸出電壓為Ｕｏ，霍爾傳感器的增益為Ｋｓ（電流檢測(cè)電路的輸出電壓與母線電流之比１，電路工作最大允許占空比為Ｄ。。，開關(guān)頻率ｆｓ＝１００ｋＨｚ，變壓器變比Ｋｙ＝Ｎｔ／Ｎ２＝１．２，負(fù)載電阻為ＲＬ，輸出濾波電感為Ｌ，輸出濾波電容為Ｃ，輸出濾波電感電流上升斜率為ＭＩ，下降斜率為Ｍ２，補(bǔ)償斜率為Ｍｅ，ＵＣＣ３８９５輸出鋸齒波電壓峰值為Ｕｃ刑，則斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下（考慮占空比最大時(shí)的情況，Ｄ＝Ｄ。ｍｘ，在此條件下計(jì)算補(bǔ)償斜率Ｍｅ，可以保證對(duì)所有的Ｍｌ、Ｍ２系統(tǒng)均能穩(wěn)定）。（１）輸出濾波電感電流上升斜率Ｍｌ和下降斜率Ｍ２分別為：Ｍｌ：＿Ｕ，－Ｕｏ：ｌ