【正文】 ............................................................................... 40 本章小結(jié) ............................................................................................ 41 結(jié)論 .................................................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ 43 致謝 .................................................................................................................... 45 附錄 1 ................................................................................................................. 46 附錄 2 ................................................................................................................. 52 附錄 3 ................................................................................................................. 56 附錄 4 ................................................................................................................. 66 附錄 5 ................................................................................................................. 72 第 1章 緒論 1 第 1章 緒論 課題背景 電力電子 技術(shù)是 20 世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)。電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)、現(xiàn)代軍事、交通運輸、航空航天以及新能源系統(tǒng)等 。 如何提高電源的質(zhì)量和可靠性，減小電源的體積，減輕電源的重量，一直是倍受人們重視的研究課題。能源危機(jī)之后，各種新能源、可再生 能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快。但是，這些發(fā)電方式容易受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，通常需要儲能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要應(yīng)用到相關(guān)的開關(guān)變換器技術(shù)等。 開關(guān)變換器的 分類 開關(guān)變換器是電能轉(zhuǎn)換的核心裝置。按轉(zhuǎn)換前后電能的種類，開關(guān)變換器可分為四類： (1)直流變換器 (DCDC），將一種直流電能 轉(zhuǎn)換為另一種或是多種直流電能的變換器，是直流開關(guān)電源的主要部件； (2)逆變器 (DCAC），將直流電能變換為交流電能的電能變換器，是交流開關(guān)電源和不間斷 電源的主要部件 ； (3)整流器 (ACDC)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電能變換器 ； (4)交交變頻器 (ACAC)，將一種頻率的交流電轉(zhuǎn)換為另一種頻率可變的交流電，或是將一種頻率可變的交流電轉(zhuǎn)換成某一種頻率的交流電的電能變換器。這四類變換器可以是單向的也可以是雙向的。 直流變換器按照其輸入端與輸出端是否電氣隔離可分為兩類：非隔離型變換器和隔離型變換器。 非隔離型變換器按照開關(guān)器件個數(shù)分為單管、雙管和四管變換器三類。單管變換器有六種，即降壓式 (Buck)變換器、升壓式 (Boost)變換器、升降壓式 (Buck/Boost)變換器、 Cuk 變換器、 Zeta 變換器和 Sepic 變換器。在這六種單管變換器中， Buck 和 Boost 變換器是最基礎(chǔ)的，另外四種是從其中派生燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 的 。 隔離型變換器采用變壓器實現(xiàn)隔離，不僅實現(xiàn)輸入輸出間的電氣隔離，還可以實現(xiàn)電壓變換和多路輸出。隔離型變換器也可以按照開關(guān)器件個數(shù)分類。單管的有正激 (Forward)和反激 (Fly back)變換器兩種。雙管的有雙管正激 (Double transistor forward)和雙管反激 (Double transistor Fly back)、半橋(Halfbridge)和推挽 (Pushpull)變換器，四管的是全橋 (Fullbridge)變換器。 在開關(guān)器件電壓電流定額相同的條件下，變換器的輸出功率和所用開關(guān)管的個數(shù)成正比，即四個管的變換器輸出功率最大，單管變換器輸出功率最小。 常見開關(guān)變換器的比較 開關(guān)變換器是的優(yōu)點是輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大；缺點是輸出紋波大，易產(chǎn)生電磁干擾。按照 開關(guān)管的數(shù)量和器件的組成結(jié)構(gòu)來看，多數(shù)開關(guān)變換器的種類的適用功率范圍和其他設(shè)計特性如表 所示 表 11 常見的 PWM 開關(guān)變換器的住拓?fù)浔容^ 開關(guān)電源的硬開關(guān)方式，因開關(guān)損耗大，限制了開關(guān)頻率的提高。 90年代中期出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)能使得開關(guān)電壓和電流波形不交疊，大大降低了開關(guān)損耗，較好地解決了這個矛盾。軟開關(guān)技術(shù)擴(kuò)大了各種 DC/DC 變換器的輸出功率范圍，促進(jìn)了開關(guān)電源高效率和輕型化。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)拓?fù)? 功率范圍 /W Vin 范圍 /V 輸入輸出隔離 典型效率 (%) 相對成本 Buck 電路 0~1000 5~40 無 70 Boost 電路 0~150 5~40 無 80 BuckBoost 電路 0~150 5~40 無 80 正激式電路 0~150 5~500 有 78 反激式電路 0~150 5~500 有 80 推挽式電路 100~1000 50~1000 有 75 半橋電路 100~500 50~1000 有 75 全橋電路 400~2021+ 50~1000 有 73 第 1章 緒論 3 展 與創(chuàng)新，開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景，開關(guān)電源的干擾和性價比也正在不斷地得到改善。 軟開關(guān)直流變換器的發(fā)展 高頻化、小型化、輕量化是現(xiàn)代開關(guān)變換器的發(fā)展趨勢。而開關(guān)變換器中的開關(guān)管一般工作在硬開關(guān)狀態(tài)，在開關(guān)過程中容易產(chǎn)生開關(guān)損耗(Switching loss)，并且隨著頻率的增加成正比增加，嚴(yán)重影響變換器的轉(zhuǎn)換效率和功率密度的提高。而且開關(guān)頻率越高，電磁干擾 (Electromagic Interference， EMI)愈嚴(yán)重，容易使開關(guān)管開關(guān)軌跡超出安全工作區(qū)而損壞。為了減小變換器的體積和重量，必須實現(xiàn)高頻化。要提高開關(guān)頻率，必須解決上述開關(guān)管的硬開關(guān)問題，因此，軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運而生，并廣泛應(yīng)用在半橋、全 橋變換器中。近幾十年來，軟開關(guān)技術(shù)已得到很大的發(fā)展，而且一直是開關(guān)變換器的主要研究方向之一。軟開關(guān)變換器的主要發(fā)展過程如下 表。 表 12 軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展過程 提出時間 軟開關(guān)技術(shù) 開關(guān)電源中的應(yīng)用 20世紀(jì) 70年代 串聯(lián)或并聯(lián)諧振 半橋或全橋 20世紀(jì) 80年代初 有源鉗位 ZVS 主要是單端 20世紀(jì) 80年代中 準(zhǔn)諧振或多諧振 單端或橋式 20世紀(jì) 80年代末 ZVS/ZCSPWM 單端或橋式 20世紀(jì) 80年代末 移相全橋 ZVSPWM 全橋 20世紀(jì) 90年代初 ZVT/ZCTPWM移相全橋混合 ZVS/ZCSPWM 全橋 軟開關(guān)電源的變換技術(shù)一般可以分為以下幾類 ： (1)全諧振變換器，一般稱之為諧振變換器 (Resonant converters)。該類變換器實際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器 (Series resonant converters， SRCs)和并聯(lián)諧振變換器 (Parallel resonant converters， PRCs)兩類。按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 兩類：一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負(fù)載 (或串聯(lián)輸出 )諧振變換器 (Series load resonant converters， SLRCs)；另一類是負(fù)載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負(fù)載 (或并聯(lián)輸出 )諧振變換器 (Parallel load resonant converters，PLRCs)。在這類變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過程。該變換器與負(fù)載關(guān)系密切，對負(fù)載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制的方法。 (2)準(zhǔn)諧振變換器 (Quasiresonant converters， QRCs)和多諧振變換器(Multiresonant converters， MRCs)。這類變換器的特點是諧振元器件參與能量變換的某一個階段，不是全程參與。準(zhǔn)諧振變換器分為零點流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 (Zerocurrentswitching Quasiresonant converters， ZCS QRCs)和零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 (Zerovoltageswitching Quasi． resonant converters， ZVS QRCs)。多諧振變換器一般實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。這類變換器需要采用頻率調(diào)制控制方法。 在諧振變換器中，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(fù)載和輸入電壓在大范圍內(nèi)變化時，開關(guān)頻率也需要大范圍的變化，這使得變壓器和濾波器的優(yōu)化設(shè)計變得很困難。為此，提出了 ZVSPWM變換器和ZCSPWM變換器。 (3)零開關(guān) PWM變換器 (Zero switching PWM converters)。它可分為零電壓開關(guān) PWM變換器 (Zerovoltageswitching PWM converters)和零點流開關(guān)PWM變換器 (Zerocurrentswitching PWM converters)。該類變換器是在 QRCs的基礎(chǔ)上，加入一個 輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程，實現(xiàn)恒定頻率控制，即實現(xiàn) PWM控制。與 QRCs不同的是，諧振元件的諧振工作時間與開關(guān)周期相比很短，一般為開關(guān)周期的 1/101/5。 在零開關(guān) PWM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，這不可避免的地增加了電路的通態(tài)損耗；另外，電感儲能與輸入電壓和輸出負(fù)載又很大的關(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(fù)載的變化。為了解決這些問題，零轉(zhuǎn)換 PWM變換器被提出。 (4)零轉(zhuǎn)換 PWM變換器。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換 (Zerovoltage transform，第 1章 緒論 5 ZVT)PWM變換電路和零電流轉(zhuǎn)換 (Zerocurrent transform)PWM變換電路，它的特點是輔助諧振電路只是在主開關(guān)管開關(guān)時工作一段時間，實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，其他時間停止工作。這類變換器電路中環(huán)流能量被自動地保持在較小的數(shù)值，且實現(xiàn)軟開關(guān)的條件與輸入電壓和輸出負(fù)載的變化無關(guān)。 ⑤ 有源鉗位軟開關(guān)變換器。在開關(guān)電源的開關(guān)管上并聯(lián)鉗位電路，可以抑制開關(guān)管上的電壓應(yīng)力。有源鉗位軟開關(guān)電源變換器，在開關(guān)管關(guān)斷時可以吸收浪涌能量，在開關(guān)管導(dǎo)通時，能將吸收的能量回饋入電網(wǎng)。有 源鉗位ZVS變換器可應(yīng)用于正激和反激等多種開關(guān)電源中。 ⑥ 廣義軟開關(guān) PWM變換器。它利用吸收網(wǎng)絡(luò)以減小開關(guān)損耗， ―軟化 開關(guān)過程，可降低 du/dt或 di/dt，使開關(guān)管電壓和電流在開關(guān)過程中交疊的面積減小，大幅度降低開關(guān)損耗，有人稱之為廣義軟開關(guān)技術(shù)。 本次研究的主要內(nèi)容 在許多場合需要將單極性輸出的直流電變換為雙極性輸出的直流電。如光伏發(fā)電中，光伏電池的輸出 是不穩(wěn)定 單極性的直流電，而后級逆變器的輸入需要 穩(wěn)定的 雙極性的直流電 ，并且需要實現(xiàn)直流電壓的升降 。 移相全橋軟開關(guān)電路由于把 PWM 控制技術(shù)與 軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合在了一起，所以在中大功率變換器中應(yīng)用非常的廣泛。 移相全橋電路作為目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點是電路很簡單，同硬開關(guān)相比，并沒有 在開關(guān)管上 增加輔助開關(guān)等原件，而是僅僅增加了一個諧振電感，就是電路中四個開關(guān)期間都在零電壓的條件下開通。因此，設(shè)計一個基于全橋移相的雙極性輸出的 DC/DC 變換器就可以很好地解決光伏電池輸出從單極性到雙極性 。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2章 移相全橋 DCDC變換器的工作原理 移相 全橋變換器的基本結(jié)構(gòu) 和主要 電量 移相全橋 PWM DCDC 變換器是較早出現(xiàn)的一種全橋軟開關(guān)變換器，它是利用功率開關(guān)管的寄生電容或外接電容和變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感作為諧振元件，使四個開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通和