高壓大功率開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)研究(可編輯)

高壓大功率開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)研究（可編輯）【完整版】(文檔可以直接使用，也可根據(jù)實(shí)際需要修訂后使用,可編輯放心下載）

高壓大功率開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)研究高壓大功率開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)研究（可編輯）【完整版】(文檔可以直接使用，也可根據(jù)實(shí)際需要修訂后使用,可編輯放心下載）7囊壤翟囊；

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5．4ZCS仿真與實(shí)驗(yàn)波形…………………45實(shí)驗(yàn)樣機(jī)照片：…………………46致謝………………………一47參考文獻(xiàn)…………………………．48U高壓大功率開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)的研究第一章緒論1．1開關(guān)電源開展現(xiàn)狀與開展前景從廣義上講，開關(guān)變換電路是指采用半導(dǎo)體器件作為“開關(guān)"，將一種形態(tài)的電能轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)的電路，根據(jù)文獻(xiàn)【1】的描述，采用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)的電源設(shè)備稱開關(guān)電源，通常情況下，開關(guān)電源即指DC／DC變換器。與傳統(tǒng)線性電源相比，開關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代線性電源，廣泛應(yīng)用在通信、計(jì)算機(jī)、航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域。開關(guān)電源的開展，從總體上看主要取決于三個(gè)方面：半導(dǎo)體器件、電路拓?fù)湟约翱刂品绞?。其中，功率半?dǎo)體器件無(wú)疑是影響開關(guān)電源開展的主要因素。頻率更高，開關(guān)特性更理想的半導(dǎo)體器件直接制約開關(guān)電源的開展方向，此外無(wú)源元件的開展，如多層陶瓷電容、高壓薄膜電容、厚膜平面磁性元件等，也有助于開關(guān)電源的高頻化、小型化。就高壓大功率一類的開關(guān)電源而言，其開展主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題，首先是電源的高變比變壓器與小體積之間的矛盾，變壓器高輸出電壓要求繞組之間具有一定的絕緣距離，而電源的小體積又要求變壓器體積盡可能的小，這就對(duì)絕緣材料提出了更高要求；其次是變壓器高變比與非線性之間的矛盾，對(duì)變壓器磁芯材料提出了更高的要求；另外大功率電源特別是在高頻工況下，其損耗不容無(wú)視，開關(guān)電源的損耗主要來(lái)自開關(guān)器件的開關(guān)損耗、二極管等半導(dǎo)體器件的損耗、變壓器的磁損和銅損等，為減小損耗需要電源具有更為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)及變壓器制作工藝，同時(shí)采用適合大功率場(chǎng)合的軟開關(guān)技術(shù)，以減少開關(guān)損耗，提高效率。1．2全橋軟開關(guān)變換器原理概述所謂“軟開關(guān)"是相對(duì)于“硬開關(guān)"而言的，實(shí)際上開關(guān)器件工作過(guò)程并不是在瞬間完成的，其電壓和電流都需要經(jīng)歷一個(gè)逐步變化的過(guò)程。硬開關(guān)即是指在開關(guān)過(guò)程中，各電參量均不為零，出現(xiàn)了電壓和電流的重疊區(qū)域，如圖I-6所示。；UiU^；i×X．／一、。八ppab圖I-I典型硬開關(guān)過(guò)程a開通過(guò)程b關(guān)斷過(guò)程西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文當(dāng)開關(guān)器件處于通態(tài)時(shí)，電流較大而電壓較小，其功率損耗也相對(duì)較??；當(dāng)開關(guān)器處于斷態(tài)時(shí)，電壓較大，電流較小，其功率損耗同樣也很??；在開關(guān)器件狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，其電流和電壓都存在逐漸變化的過(guò)程，會(huì)出現(xiàn)重疊區(qū)，消耗的瞬時(shí)功率很大，從圖1-1可以看出其瞬時(shí)功率值為：p，甜，f，，比通態(tài)或斷態(tài)時(shí)大許多倍。在開關(guān)過(guò)程中，電壓和電流的變化很快，電路中引起明顯的過(guò)沖振蕩，會(huì)對(duì)開關(guān)器件和電路的穩(wěn)定工作造成很大威脅。由以上分析可見，硬開關(guān)電路存在較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，且開關(guān)損耗會(huì)隨工作頻率的提高而增加，使電路效率下降，發(fā)熱嚴(yán)重，溫升加劇，不利于電源的高頻化；開關(guān)噪聲還給電路引入嚴(yán)重的電磁干擾，影響周邊設(shè)備的正常工作。通過(guò)在電路中增加電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換相網(wǎng)絡(luò)，依靠其諧振過(guò)程，使開關(guān)器件開通前電壓降為零，或關(guān)斷前電流降為零，即可防止在開關(guān)過(guò)程中，出現(xiàn)電流和電壓的重疊區(qū)域，從而降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。這樣的開關(guān)電路稱為軟開關(guān)電路，其通斷過(guò)程如圖1-9．所示。ttIttItl●ltpp●●：――――．．．．．．．【．．．．．一tI●ab圖1-2軟開關(guān)的通斷過(guò)程a開通過(guò)程b關(guān)斷過(guò)程全橋軟開關(guān)變換器分為零電壓ZVS型變換器和零電壓零電流ZVZCS型變換器。全橋ZVS變換器是在根本全橋電路的根底上，在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容，抑制開關(guān)過(guò)程中電壓變化率，從而實(shí)現(xiàn)ZVS工作，電路拓?fù)淙鐖D卜3所示，主要工作波形如圖1-4所示：vo圖1-3全橋ZVS電路拓?fù)?，o時(shí)刻，開關(guān)管Q1與Q4同時(shí)導(dǎo)通，AB兩點(diǎn)電壓為+Vin，電源向變壓器副邊提供能量。2圖卜4移相全橋ZVS電路工作波形通過(guò)以上分析，可以總結(jié)出移相全橋電路實(shí)現(xiàn)ZVS工作的條件，即在有限的時(shí)間內(nèi)，完成開關(guān)管并聯(lián)電容包括器件結(jié)電容和外加電容的放電過(guò)程。該放電過(guò)程是依靠原邊電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，輸出電流越大ZVS條件越充分，因此ZVS電路適應(yīng)負(fù)載范圍有限，此為ZVS電路缺點(diǎn)之一。在超前橋臂關(guān)斷時(shí)變壓器副邊二極管仍然處于整流工作狀態(tài)，輸出濾波電感折算到原邊，相當(dāng)于和原邊漏感串聯(lián)，有足夠的能量迅速完成超前橋臂并聯(lián)電容的充放電過(guò)程；滯后橋臂關(guān)斷時(shí)副邊二極管處于續(xù)流狀態(tài)，原邊電流只依靠變壓器漏感維持，難以迅速完成電容的放電過(guò)程，因此滯后橋臂ZVS難以實(shí)現(xiàn)也是其缺點(diǎn)之一。為了保證滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS工作，需要增大原邊電流，通常情況下，采用增加原邊漏感或增大變壓器勵(lì)磁電流的方法，但無(wú)論哪種方法都會(huì)增加占空比喪失，此外實(shí)現(xiàn)ZVS需要原邊產(chǎn)生較大的電流環(huán)流，且環(huán)流越大ZVS條件越充分，而電流環(huán)流會(huì)在反并二極管等器件上產(chǎn)生較大功耗，此為ZVS電路另一缺點(diǎn)。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文通過(guò)以上分析移相全橋ZVS電路存在負(fù)載范圍窄，滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS困難，占空比喪失，電路損耗較大等缺點(diǎn)。全橋ZVZCS電路是在全橋ZVS電路根底上開展得到的，是在超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS工作的同時(shí)，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS工作，圖卜5是根本的ZVZSC電路拓?fù)渲唬娐分性谠叴腼柡碗姼泻妥钄嚯娙荩饕ぷ鞑ㄐ稳鐖D1-6所示。IlD1C1D3QlQ3IJI／J一一2∑∑―Ko、1fI：f1年烹l．B―AIIlLklD2C2D4_一∑∑一zlI4一l2．L一．．L●-L2、2‘CVo●2I』￡圖1-5參加飽和電抗器的ZVZCS電路拓?fù)銲lI：：lIIIIIQ1IIIIlIIItIIlIlIIIIIIIIllIIIlIIIIIlQ2IIIIIlIllIlIIIIIlIIllIIIIII：lQ4IIfIiIIIIIlIIIIlIlI‘；廠Q3II：||i：：：ll：●I‘≯i＆：；j；l；|、!UAB；八四七ILk：；；；ii№y：i；：i圖1-6參加飽和電抗器的ZVZCS主要工作波形，o時(shí)刻Q1和Q4同時(shí)開通，電源向副邊傳遞能量，阻斷電容C上電壓線性增加，極性左正右負(fù)。，-時(shí)刻，開關(guān)管Ql關(guān)斷，電路進(jìn)入超前橋臂死區(qū)時(shí)間，副邊二極管工作在整流狀態(tài)，輸出濾波電感與原邊飽和電感串聯(lián)對(duì)Cl充電，C2放電，并使D2導(dǎo)通，Q2電壓鉗位在零伏。4高壓大功率開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)的研究t2時(shí)刻，Q2電壓為零伏，開通Q2實(shí)現(xiàn)ZVS開通，此時(shí)原邊續(xù)流回路為C、變壓器原邊、飽和電感Lk、Q4、D2，副邊二極管工作在續(xù)流狀態(tài)，原邊阻斷電容C的電壓全部施加在飽和電感Lk上使原邊電流迅速回零。t3時(shí)刻，關(guān)斷Q4實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，電路進(jìn)入滯后橋臂死區(qū)時(shí)間。，t時(shí)刻，開通Q3，由于飽和電感作用，電流緩慢上升，Q3開關(guān)過(guò)程近似為零電流開通，電源首先對(duì)阻斷電容及飽和電感充電，阻斷電容極性反向，當(dāng)變壓器原邊電壓上升到大于副邊電壓時(shí)開始對(duì)副邊傳遞能量，之后重復(fù)電路重復(fù)以上工作過(guò)程。通過(guò)以上分析，可總結(jié)出全橋ZVZCS工作實(shí)現(xiàn)條件，超前橋臂ZVS依靠原邊電流對(duì)開關(guān)器件并聯(lián)電容迅速放電，使其電壓為零；滯后橋臂ZCS是依靠阻斷電容對(duì)飽和電感施加反相電動(dòng)勢(shì)，使電流迅速回零。全橋ZVZCS電路易于實(shí)現(xiàn)，負(fù)載范圍寬，更適用于大功率場(chǎng)合。1．3課題主要研究?jī)?nèi)容本課題在廣泛比照分析不同全橋軟開關(guān)變換器拓?fù)涞母咨?，針?duì)大功率應(yīng)用場(chǎng)合的Dc／DC變換器做深入研究，主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)：l、研究全橋ZVZCS電路實(shí)現(xiàn)原理，深入研究滯后橋臂ZCS的實(shí)現(xiàn)方法，總結(jié)出一般規(guī)律。2、研究全橋ZVZCS電路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)電路做仿真分析。3、建立全橋ZVZCS電路小信號(hào)模型，分析電路控制方法。4、研究電路可靠性設(shè)計(jì)，包括EMI設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、吸收與保護(hù)電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。1．4本章小結(jié)本章首先總結(jié)了開關(guān)電源的開展現(xiàn)狀與開展前景，探索了半導(dǎo)體器件、主電路拓?fù)湟约翱刂萍夹g(shù)的研究方向，并針對(duì)軟開關(guān)技術(shù)作為主要研究目標(biāo)，提出本文的研究?jī)?nèi)容――適用于大功率場(chǎng)合的軟開關(guān)變換器研究。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章高壓大功率電源軟開關(guān)技術(shù)研究2．1全橋ZVZCS電路拓?fù)浞治鲇?．2節(jié)分析可知，超前橋臂開關(guān)時(shí)，輸出濾波電感折算到變壓器原邊與原邊電感串聯(lián)，共同對(duì)電容充放電，因此超前臂ZVS實(shí)現(xiàn)條件很充分，而實(shí)現(xiàn)滯后橋臂ZCS成為研究熱點(diǎn)之一。滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS需要滿足連個(gè)條件：1、在原邊電感上施加反向電動(dòng)勢(shì)，使原邊電流迅速回零；2、實(shí)現(xiàn)滯后橋臂ZCS開關(guān)后，能夠及時(shí)阻斷原邊反相環(huán)流。根據(jù)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)位置的不同，將全橋ZVZCS電路分為原邊產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)電路和副邊鉗位電路。圖1．3即為原邊直接產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)電路，該電路會(huì)在飽和電感上產(chǎn)生大量損耗，器件發(fā)熱嚴(yán)重，電路效率低，文獻(xiàn)【2】提出的滯后橋臂反串二極管的ZVZCS電路，利用二極管的反相截止特性打破原邊環(huán)流，相對(duì)于圖1．3所示電路結(jié)構(gòu)有所簡(jiǎn)化，但二極管頻繁工作于通斷狀態(tài)，特別在高頻工況下發(fā)熱嚴(yán)重，極易損壞。副邊鉗位電路是在變壓器副邊參加鉗位網(wǎng)絡(luò)，使得副邊電壓下降速度小于原邊電壓下降速度，產(chǎn)生電壓差并反射到原邊，使原邊電流回零。該種電路的優(yōu)點(diǎn)在于鉗位網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)能回饋到原邊形成反電動(dòng)勢(shì)，效率得到提高；原邊電流回零后，不會(huì)產(chǎn)生反相環(huán)流，原邊電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；副邊鉗位網(wǎng)絡(luò)鉗位副邊母線電壓，可以減小整流二極管的震蕩電壓峰值。采用無(wú)源器件構(gòu)成的鉗位網(wǎng)絡(luò)稱無(wú)源鉗位網(wǎng)絡(luò)，幾種典型無(wú)源鉗位軟開關(guān)電路如圖2―1所示：Lo．；ZI21：c毽IDc●、●：r-?I?lIDd．I2ic0一●--●ZI2qI。．。。。。．晰．．．．．．L0Lo●JoDdDd：II_L』Co：．．一‖loil氣．DdCh：鋤l勖：Illn23451CDD鉗位電路2CDC鉗位電路3CDCD鉗位電路4副邊雙繞組鉗位電路5帶耦合電感的鉗位電路圖2-1典型副邊無(wú)源鉗位ZVZCS電路圖6高壓大功率開關(guān)電源關(guān)鍵技術(shù)的研究圖2-11所示電路‘3¨釘，變壓器副邊參加簡(jiǎn)單的輔助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZCS工作，電路在能量傳輸階段，通過(guò)Ch、Dc及濾波電容Co構(gòu)成充電回路，對(duì)鉗位網(wǎng)絡(luò)充能。另外鉗位電容吸收二極管反相恢復(fù)尖峰電壓，當(dāng)超前橋臂關(guān)斷后，Dc反向截止，副邊二極管仍工作在整流狀態(tài)，母線電壓受電容Ch電壓鉗位，并反射到原邊作為反電動(dòng)勢(shì)使原邊電流迅速回零，之后副邊二極管工作在續(xù)流狀態(tài)，電容Ch剩余能量對(duì)負(fù)載放電，不再反射到原邊，因此不會(huì)在原邊引起反相環(huán)流。該電路既能實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZCS工作，也不會(huì)產(chǎn)生反相環(huán)流，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高損耗及額外占空比喪失，但也存在明顯問(wèn)題。電路工作時(shí)，鉗位電容Ch每次都向負(fù)載放電至零伏，電路換向后首先要向Ch充能，會(huì)在原邊產(chǎn)生短時(shí)電流尖峰。假設(shè)Ch選擇過(guò)小儲(chǔ)能缺乏以回零原邊電流，將造成ZCS失敗，假設(shè)Ch選擇較大會(huì)增加原邊電流尖峰，影響電路可靠工作。圖2一l2所示電路H1，其ZCS實(shí)現(xiàn)原理與副邊簡(jiǎn)單輔助網(wǎng)絡(luò)電路相近，不同點(diǎn)在電電流峰值減小。電流回零階段，二極管Dc截止，鉗位電容Chl和Ch2分別通過(guò)二極管一個(gè)明顯缺陷，即在能量傳輸階段，鉗位電容與原邊漏感諧振，電壓峰值為二倍的整流輸出電壓，整流二極管電壓應(yīng)力大。為改良這一缺點(diǎn)，文獻(xiàn)"1提出如圖2-13所示電路，該電路在副邊網(wǎng)絡(luò)中增加了一個(gè)二極管D，這樣在充能階段鉗位電容電壓為副邊整流電壓與輸出電壓的差值，電壓峰值降低。圖2―14所是電路，變壓器副邊參加輔助繞組，鉗位網(wǎng)絡(luò)靠副主繞組充能，當(dāng)原邊電壓下降到低于鉗位電容電壓時(shí)，產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)回零原邊電流。但鉗位電容不能鉗位副邊整流二極管電壓，且增加了變壓器復(fù)雜度，不適用于大功率場(chǎng)合。圖2―15所示電路，在輸出濾波電感上增加耦合繞組，在能量傳輸階段鉗位電容Ch靠耦合電感充能，其電壓大小可以通過(guò)改變耦合電感的匝數(shù)比進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是該電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但采用耦合電感的同時(shí)不可防止的引入磁損耗不利于大功率場(chǎng)合。有源鉗位電路采用有源元件構(gòu)成，功耗進(jìn)一步降低。文獻(xiàn)【8】一種副邊有源鉗位網(wǎng)絡(luò)如圖2-2所示。LoLoScl