【正文】 全橋移相軟開(kāi)關(guān) DC/DC變換器設(shè)計(jì) I 全橋移相軟開(kāi)關(guān) DCDC變換器設(shè)計(jì) 摘要 ： 本 論 文 主要研究 高頻 DC／ DC 開(kāi)關(guān)功率變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相關(guān)元件參數(shù)的計(jì)算，并給出了主要仿真波形。該變換器增添了輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，在較大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)器件的零電壓軟開(kāi)關(guān) 。 傳統(tǒng)的全橋 PWM 變換器適用于輸出低電壓大功率的情況，以及電源電壓和負(fù)載電流變化大的場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，便于控制。為了提高變換器的功率密度，減少單位輸出功率的體積和重量．需將開(kāi)關(guān)頻率提高。將諧振變換器與 PWM 技術(shù)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成軟開(kāi)關(guān)控制方案，既能實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)恒頻 控制。在 DC／ DC 變換器中，則多采用以全橋移相控制軟開(kāi)關(guān) PWM 變換器，它是直流電源實(shí)現(xiàn)高頻化的理想拓?fù)渲弧?本文針對(duì)全橋拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，采用了移相全橋 ZVS 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了變換器的 ZVS 開(kāi)關(guān)，大大降低了變換器的開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的效率和功率密度。 關(guān)鍵詞 ： 全橋移相； DC/DC 變換器 ； 零電壓軟開(kāi)關(guān) ； 全橋移相軟開(kāi)關(guān) DC/DC變換器設(shè)計(jì) II The Phaseshifted FB PS ZVS DC/DC Converter ABSTRACT： This paper on highfrequency DC / DC switching power converter topology of the main circuit ponents and related parameters, and gives the main simulation waveform. The converter adds auxiliary resonant work, in the larger load of the switching device to achieve the zerovoltage softswitching The traditional fullbridge PWM converter applys to the output of lowvoltage highpower, and power supply voltage and load current changes in the big occasions. The benefits are fixed switching frequency, for control. In order to increase the power density converters to reduce power output of the unit size and weight. Switching frequency will be increased. Will be resonant converter and PWM technology bined with a softswitch control program, it can achieve the softswitch power switching characteristics, but also to achieve constant frequency control. In the DC / DC converter, the use of a fullbridge phaseshift control of softswitching PWM converter, it is high frequency of the DC power supply to achieve the ideal of one of the topology. In this paper, the characteristics of fullbridge topology, using a fullbridge phaseshift ZVS softswitch technology, the successful implementation of the converter ZVS switch, greatly reduced the converter switching losses and improve the efficiency of the converter and power density. Keyword： Fullbridge phaseshift。 DC / DC converters。 Zerovoltage soft switching。 全橋移相軟開(kāi)關(guān) DC/DC變換器設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 電力電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景 電力電 子學(xué) 是應(yīng)用于電力技術(shù)領(lǐng)域中的電子學(xué)，在工程應(yīng)用中稱為電力電子技術(shù) 。 它是以利用大功率電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制為研究?jī)?nèi)容，是一門(mén)與電子、控制和電力緊密相關(guān)的邊緣學(xué)科。它在電能的產(chǎn)生和使用 之 間建立了一種關(guān)系 ,在這種關(guān)系下，電能的產(chǎn)生、輸送和使用都有很高的效率，而且各種不同的負(fù)載都能得到其所期望的最佳 能量供應(yīng)形式和最佳的控制。因此，電力電子技術(shù)不僅大量用于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的交直流輸變電裝置，更廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域中各種電機(jī)的交直流調(diào)速，材料加工領(lǐng)域中各種加熱電源 (如中高頻 感應(yīng)加熱電源、焊接電源等 )的能量輸出控制等。 隨著技術(shù)的發(fā)展，以電壓驅(qū)動(dòng)的各種全控型高頻大功率器件及其功率模塊相繼出現(xiàn)，這為制造各種小巧輕便、性能 穩(wěn)定的高效率和高品質(zhì)高頻開(kāi)關(guān)電源提供了條件，這類電源目前廣泛用于各種通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)乃至各類家電產(chǎn)品。 目前，電力電子主要涉及研究 電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、測(cè)試、模型分析、工藝及仿真 ， 電力開(kāi) 關(guān)變換器的電路拓?fù)?、建模、仿真、控制和?yīng)用 ，還有 電力逆變技術(shù)及其在電氣傳動(dòng)、電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等等 。 隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展， 電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多， 概括起來(lái)是自關(guān)斷化、高頻化同時(shí)開(kāi)始步入智能化。 電力 開(kāi)關(guān) 變換技術(shù) 隨著功率開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)的全控化 ,電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了逆變時(shí)代。電力開(kāi)關(guān)變換技術(shù)始終是電力電子技術(shù)的重要組成部分 ,也一直是人們的重點(diǎn)研究方向 ,目前比較有代表性的電力開(kāi)關(guān)變換技術(shù)分為以下幾種 :(1) PWM 開(kāi)關(guān)變換技術(shù) (2)諧振變換技術(shù) (3)軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 。 PWM 開(kāi)關(guān)變換技術(shù) PWM開(kāi)關(guān)控制變換器運(yùn)行的最佳頻率范圍為 3050KHz，在這個(gè)范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)論體積、重量、可靠性和價(jià)格都基本實(shí)現(xiàn)了最佳。但是， PWM 開(kāi)關(guān)技術(shù)的固有缺陷限制了其進(jìn)一步的高頻化 。 全橋移相軟開(kāi)關(guān) DC/DC變換器設(shè)計(jì) 2 諧振開(kāi)關(guān)變換技術(shù) 諧振變換技術(shù)是一種新型電力變換技術(shù)，能大幅度降低開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，使得器件在零電流或零電壓下進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而把器件的開(kāi)關(guān)損耗降到最低水平。 雖然諧振電路有諸多優(yōu)點(diǎn)，但還存在以下問(wèn)題 ： 功率電路拓?fù)浞治鰪?fù)雜，在不同的負(fù)載條件下，存在著不同的工作模式 ： QRC. MRC一般都是變頻控制的，控制電路復(fù)雜，易受干擾，而且在高頻時(shí)，還會(huì)通過(guò)高增益放大器傳遞大量的攝動(dòng)噪聲，限制有效帶寬，所以很難得到滿意的品質(zhì)。開(kāi)關(guān)管的電流和電壓應(yīng)力比 PWM 變換器的還要大一些 ； 電路中的高頻諧振使得開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗以及儲(chǔ)能元件的損耗增大 。 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 主要是針對(duì) PWM硬開(kāi)關(guān)而言。這種應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的變換器是一種把準(zhǔn)諧振變換器和 PWM變換器的各自優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起的新型軟開(kāi)關(guān)變換器，它的特點(diǎn)是 ： 1)諧振階段只發(fā)生在功率器件開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，從而保證功率開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)工作條件，只承受較低的 電壓和電流應(yīng)力； 2)能量傳輸?shù)闹饕问讲捎昧?PWM變換技術(shù)的特點(diǎn)，避免了較大的諧振通態(tài)損耗； 3)它的零電壓、零電流開(kāi)關(guān)條件不受電壓和負(fù)載變化的影響。 DC/DC 直流變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù) DC/DC 變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓 ,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級(jí)變速和控制 ,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能 ,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用 (開(kāi)關(guān)電源 ), 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè) 諧波電流噪聲的作用。 DC/DC 變換器已商品化 ,模塊采用高頻 PWM 技術(shù) ,開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展 ,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化 ,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。 而 變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電感和電容來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)軌跡進(jìn)行整形。 它應(yīng)用諧振的原理 , 使開(kāi)關(guān)器件中的電流 (或電壓 ) 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí) , 使器件關(guān)斷 (或電壓為零時(shí) , 使器件開(kāi)通 ) , 從而減少開(kāi)關(guān)損耗。它可以解決硬開(kāi)關(guān)變換器中的硬開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題 ，即 不再采用有損緩沖電路，而是真正減小開(kāi)關(guān)損 耗，而不是開(kāi)關(guān)損耗的轉(zhuǎn)移。 直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)前后經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段 ： (1)全諧振型變換器 全橋移相軟開(kāi)關(guān) DC/DC變換器設(shè)計(jì) 3 實(shí)際上是負(fù)載諧振變換器 。 在 20 世紀(jì) 70 年代最早被提出來(lái) , 它通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn) PWM變換器結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單地附加諧振網(wǎng)絡(luò)的方法而得到。按照諧振元件的諧振方式 , 可分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類 。 按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系 , 又可分為串聯(lián)負(fù)載諧振變換器和并聯(lián)負(fù)載諧振變換器。其工作原理主要是通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載的諧振 , 使經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)元件的電流或電壓被整形為正弦波形 , 開(kāi)關(guān)元件在電流或電壓的過(guò)零處開(kāi)通或關(guān)斷 , 實(shí)現(xiàn)軟開(kāi) 關(guān)過(guò)程。 (2)準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器 20 世紀(jì) 80 年代初 , 美國(guó)弗吉尼亞電力電子中心 (UPEC) 的李澤元教授等研究人員提出了諧振開(kāi)關(guān) , 即在基本 PWM 開(kāi)關(guān)上增加一些諧振元件 ,它也是準(zhǔn)諧振變換器中最關(guān)鍵的部分。根據(jù)開(kāi)關(guān)管與諧振電感和諧振電容的不同結(jié)合 , 諧振開(kāi)關(guān)可分為零電流諧振開(kāi)關(guān)和零電壓諧振開(kāi)關(guān)兩類。零電流諧振開(kāi)關(guān)是將諧振電感與 PWM 開(kāi)關(guān)串聯(lián) , 利用電感中諧振電流過(guò)零點(diǎn)時(shí) , 使開(kāi)關(guān)零電流關(guān)斷 。 零電壓諧振開(kāi)關(guān)是將諧振電容與 PWM 開(kāi)關(guān)并聯(lián) , 利用電容兩端諧振電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí) , 使開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通。 (3)零開(kāi)關(guān) PWM 變換器 零開(kāi)關(guān) PWM 變換器包括零電壓 PWM 變換器和零電流 PWM 變換器 , 它們是在準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上 , 加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管 , 來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程 , 實(shí)現(xiàn) PWM 控制。它只利用諧振實(shí)現(xiàn)換相 , 換相完畢后仍采用 PWM 工作方式 , 從而既能克服硬開(kāi)關(guān)PWM 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的三大缺陷 , 又能保留硬開(kāi)關(guān) PWM 變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn) 。 (4)零轉(zhuǎn)換 PWM 變換器 零轉(zhuǎn)換 PWM 變換器包括 ZVTPWM 變換器和 ZCTPWM變換器 , 其諧振網(wǎng)絡(luò)是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的。在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間 , 并聯(lián) 的諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振獲得零開(kāi)關(guān)條件。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后 , 電路又恢復(fù)到正常的 PWM 工作方式。因此 , 零轉(zhuǎn)換 PWM 變換器既克服了硬開(kāi)關(guān) PWM 和諧振技術(shù)的缺點(diǎn) , 又綜合了它們的優(yōu)點(diǎn) 。 （ 5）無(wú)源無(wú)損 緩沖電路 無(wú)源無(wú)損 緩沖電路 ,即不附加有源器件，只是采用電感電容和二極管來(lái)構(gòu)成無(wú)損緩沖網(wǎng)絡(luò)。盡管軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的采用提高了變換器的工作頻率，降低了開(kāi)關(guān)損耗，減小了功率元件的電壓、電流應(yīng)力，但其中仍有許多問(wèn)題有待解決，如進(jìn)一步擴(kuò)大功率使用范圍，完善控制技術(shù)，提高工作可靠性等，但軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用己經(jīng)給功率變換器的發(fā)展帶來(lái)了深刻的變革 。 全橋移相軟開(kāi)關(guān) DC/DC變換器設(shè)計(jì) 4 課題主要研究?jī)?nèi)容及意義 移相全橋軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于電力操作電源中，因?yàn)樗坏梢詼p少電源的開(kāi)關(guān)損耗、電磁干擾，還能改善電路的輸出特性，提高電路的效率、穩(wěn)定性和可靠性。因此 在 本課題 移相全橋軟開(kāi)關(guān)電力操作電源研究中，涉及了很多方面，如主電路的參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)、控制電路的設(shè)計(jì)、防電磁干擾的設(shè)計(jì)以及參數(shù) 設(shè)置 的影響等 。 隨著近年來(lái)電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的電子元器件、新的電磁材料、新的變換技術(shù)、新的控制理論和軟件不斷涌現(xiàn)，使得高效率、高