【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量。由此可見(jiàn)，如果要實(shí)現(xiàn)滯后臂開(kāi)關(guān)管的ZVS操作，應(yīng)滿足下列條件：1）諧振電感Lr中存儲(chǔ)的能量大于并聯(lián)電容中的存儲(chǔ)的能量 ()CTR通常很小，如果忽略不計(jì)則有 ()2) 滯后臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)之間插入的死區(qū)時(shí)間應(yīng)滿足 ()通過(guò)求解以上兩個(gè)不等式，可以得出諧振電感和諧振電容的合適值，不同的Lr和Clag對(duì)零電壓開(kāi)通過(guò)程的影響如下所示：圖 諧振電感電容對(duì)諧振過(guò)程的影響Lr和Clag均不宜過(guò)大或過(guò)小，兩者應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況協(xié)調(diào)選取，另外還要考慮Lr對(duì)占空比丟失的影響。 副邊占空比丟失移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)變換器有一個(gè)很重要的現(xiàn)象，就是副邊占空比的丟失。占空比丟失是指副邊輸出電壓的占空比DS小于橋臂中點(diǎn)間的電壓占空比DP，兩者之間的差值DPDS為占空比丟失的大小Dloss。，當(dāng)變壓器的原邊電流在正方向和負(fù)方向間切換時(shí)，由于其不足以提供負(fù)載電流，使副邊的兩個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，副邊輸出電壓為零。換流的這段時(shí)間為： ()這段時(shí)間就是占空比丟失的時(shí)間，故丟失的占空比為： ()由此我們可以看到，占空比丟失的大小和很多因素有關(guān)。如果要減少占空比的丟失，就需要減小諧振電感，而諧振電感的減小可能導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電壓開(kāi)通。因此，對(duì)于基本移相全橋拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，占空比丟失大小和零電壓開(kāi)通的負(fù)載范圍是矛盾的。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是對(duì)基本拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)。 其他改進(jìn)型PSFBZVS拓?fù)溆缮弦还?jié)的分析可知，基本PSFBZVS拓?fù)涞牧汶妷洪_(kāi)通范圍受負(fù)載影響較大，為了拓展滯后臂零電壓開(kāi)通的范圍，需要在原邊加入串聯(lián)諧振電感，但這又會(huì)導(dǎo)致副邊占空比丟失加劇，導(dǎo)致輸出電壓下降甚至給設(shè)備造成損壞。為了解決占空比丟失和零電壓開(kāi)通范圍的矛盾，以及邊整流二極管有嚴(yán)重的高頻寄生振蕩以及電壓過(guò)沖的問(wèn)題，人們提出了很多改進(jìn)型的拓?fù)?，目前主要有以下幾種方案：1）通過(guò)增加勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。利用勵(lì)磁電流可以實(shí)現(xiàn)變換器的全負(fù)載范圍零電壓開(kāi)關(guān)，但是增加勵(lì)磁電流也就增加了初級(jí)電流，因而增加了開(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗和變壓器的功耗，不利于提高變換器的轉(zhuǎn)換效率。2）原邊采用飽和電感。(a)所示，此法可在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，能抑制初級(jí)電流尖峰，比單純地在變壓器原邊串聯(lián)諧振電感的方法占空比丟失要小得多。但磁芯上的損耗很大，飽和電感的發(fā)熱很嚴(yán)重。3）為滯后臂增加輔助LC諧振網(wǎng)絡(luò)。(b)所示，此方法是在滯后臂上并聯(lián)一個(gè)LC輔助支路，當(dāng)滯后臂的開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)，漏感電流和輔助電路的電感電流同時(shí)給并聯(lián)電容充放電，從而在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電壓開(kāi)關(guān)。 改進(jìn)型拓?fù)?) 加入可控的輔助電路。(b)所示，該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是副邊占空比丟失小，輔助開(kāi)關(guān)管和輔助電感以及滯后臂的通態(tài)損耗小，輔助電路中所有器件的電壓電流應(yīng)力小，且電流應(yīng)力與負(fù)載無(wú)關(guān)，比負(fù)載電流小得多，電壓應(yīng)力則等于變換器的輸入電壓。但該電路也存在不足：增加了兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管，需要增加兩套驅(qū)動(dòng)電路，增加了電路的復(fù)雜性，且兩個(gè)開(kāi)關(guān)管是硬開(kāi)關(guān)的，存在關(guān)斷損耗。5）變壓器原邊加鉗位二極管和換向電感輔助諧振換流網(wǎng)絡(luò)。(a)所示。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是不但拓寬了滯后臂的ZVS范圍還有效地抑制了副邊寄生振蕩，缺點(diǎn)是由于在原邊串接了換向電感，在負(fù)載較重時(shí)，副邊占空比丟失嚴(yán)重，原邊所加的鉗位二極管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，二極管反向恢復(fù)損耗大且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。 改進(jìn)型拓?fù)? 本章小結(jié)本章首先介紹了基本全橋DC/DC變換器的幾種控制策略，然后引出移相全橋零電壓變換器，詳細(xì)分析了變換器的幾個(gè)工作模態(tài)，并給出了相應(yīng)的等效電路，狀態(tài)方程和工作波形?？偨Y(jié)了變換器的幾個(gè)重要特性，如實(shí)現(xiàn)零電壓的條件，副邊占空比的丟失，最后簡(jiǎn)要的介紹了幾種針對(duì)基本PSFB—ZVS變換器不足進(jìn)行改進(jìn)的拓?fù)?。本章為后面的仿真和硬件設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。第三章 變換器的MATLAB仿真 MATLAB/Simulink簡(jiǎn)介Matlab是由Math Work公司開(kāi)發(fā)的一種功能強(qiáng)大的用于數(shù)值計(jì)算及可視化圖形處理的科學(xué)計(jì)算軟件。MATLAB是Matrix Laboratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫。它將數(shù)值分析、陣計(jì)算、圖形圖像處理和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)提供了一種高效率的編程工具，在動(dòng)態(tài)仿真中被廣泛采用。目前，MATLAB已經(jīng)廣泛用于理工科大學(xué)從高等數(shù)學(xué)到幾乎各種專業(yè)課程之中，成為這些課程進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的有效工具。在控制、通訊、信號(hào)處理及科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域中，MATLAB都被廣泛地應(yīng)用，已經(jīng)被認(rèn)可為能夠有效提高工作效率、改善設(shè)計(jì)手段的工具軟件，掌握了MATTLAB就好比掌握了開(kāi)啟這些專業(yè)領(lǐng)域大門的鑰匙。 盡管Matlab大大提高了編程效率，但仿真計(jì)算時(shí)仍需要編程。如果控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通過(guò)編程將模型輸入計(jì)算機(jī)仍顯得十分麻煩。1992年Math Works公司推出交互式模型輸入與仿真環(huán)境Simulink，用戶只要在模型窗口上調(diào)出各個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)，并用連線將它們串接起來(lái)，即可利用Simulink提供的功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。Simulink的這種模型表示方法與自動(dòng)控制中常用的方塊圖表示法極為類似，所以很容易將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的模型輸入到計(jì)算機(jī)中。和Matlab相比，Simulink不僅界面友好，而且支持更靈活的模型描述手段：用戶既可直接用方塊圖來(lái)輸入仿真模型，也可用Matlab語(yǔ)言編寫M文件來(lái)輸入，還可將上述兩種方法交叉混合使用，既可對(duì)連續(xù)系統(tǒng)也可對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真，還適合于采樣保持系統(tǒng)。同時(shí)，它也具有能在仿真進(jìn)行的過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變仿真參數(shù)的功能。Smulink原本是為控制系統(tǒng)的仿真而建立的工具箱Toolbox，在使用中，它很容易編程、易拓展，并且可以解決一般難以解決的非線性、變系數(shù)等問(wèn)題；它能支持連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，支持連續(xù)離散混合系統(tǒng)的仿真，也支持線性和非線性系統(tǒng)的仿真，并且支持多種采樣頻率系統(tǒng)的仿真，也就是不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復(fù)雜的系統(tǒng)。因此，各學(xué)科領(lǐng)域根據(jù)自己的仿真需要，以MATLAB為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了大量的專用程序，并把這些程序以模塊的形式都放入到Simulink中，形成了模塊庫(kù)SIMULINK Library Browser。從SIMULINK (Power System Blockset),在SIMULINK環(huán)境下用電力系統(tǒng)模型庫(kù)的模塊可以方便地進(jìn)行RLC電路、電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的仿真。本文利用MATLAB Simulink對(duì)變換器的主電路和數(shù)字PID控制回路進(jìn)行了仿真。 主電路仿真利用MATLAB/Simulink搭建的主電路仿真模型如下：圖 主電路仿真模型開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)諧振電容和反并聯(lián)二極管在內(nèi)部設(shè)置，未畫出。其中PS_Driver為封裝成Subsystem的驅(qū)動(dòng)模塊，用于產(chǎn)生移相全橋所需的帶死區(qū)移相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如下圖所示：圖 驅(qū)動(dòng)模塊最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)是20V升100V，頻率24KHZ,功率100W的DC/DC變換器，按照設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定的仿真參數(shù)如下：● 輸入電壓Vin=20V● 負(fù)載電阻RL=120Ω● 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通內(nèi)阻RDS_ON=，諧振電容C=100nF● 諧振電感Lr=3uH，隔直電容Cb=100uF● 變壓器原副邊變比K=1:8，原邊自感100uH● 濾波電感Lf=2mH，濾波電容Cf=220uF● 開(kāi)關(guān)頻率20KHz，移相角PS=30176。，仿真得到的波形如下：（1）驅(qū)動(dòng)信號(hào) 驅(qū)動(dòng)波形（2）輸出電壓 圖 輸出電壓（3）電壓UAB和整流輸出電壓Urec 圖 UAB和Urec可以很明顯的看到，在UAB由零上升到Vin后，整流輸出電壓Urec仍保持為零一段時(shí)間，即發(fā)生了占空比丟失現(xiàn)象。因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，原邊電流仍不足夠提供負(fù)載電流，副邊兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致副邊電壓為零。當(dāng)原邊電流上升達(dá)到濾波電感電流的反射值時(shí)，二極管換流結(jié)束，原邊開(kāi)始向副邊傳輸能量。原邊電流和二極管電流如下圖所示：（4）原邊電流和二極管電流 圖 原邊電流和二極管電流 仿真得到的波形和理論分析是一致的。超前臂關(guān)斷后，原邊電流緩慢下降，滯后臂關(guān)斷引發(fā)副邊二極管換流，原邊電流快速變化，過(guò)零后向相反方向增大，直到等于副邊電感電流的反射值時(shí)，換流結(jié)束，電流緩慢增加，能量由原邊向副邊傳遞。（5）開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)波形● 超前臂：● 滯后臂 開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通波形由以上兩圖可以看出在額定負(fù)載時(shí)(120歐)時(shí)，超前臂和滯后臂均實(shí)現(xiàn)了ZVS。開(kāi)通信號(hào)到來(lái)之前，開(kāi)關(guān)管兩端的電壓已下降至零，故為零電壓開(kāi)通。關(guān)斷后由于并聯(lián)電容的作用，兩端電壓緩慢上升，故為零電壓關(guān)斷。（6）濾波電感電流波形 圖 濾波電感電流 閉環(huán)控制的仿真在實(shí)際的電源系統(tǒng)中，通常要求輸出電壓恒定。然而在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，由于負(fù)載大小的變化，輸入電壓的變化，以及變換器本身元件的穩(wěn)定性等諸多原因，輸出不可能穩(wěn)定，因此需要對(duì)變換器進(jìn)行反饋控制。PID控制是連續(xù)控制理論中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，是在長(zhǎng)期工程實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的一套方法。為了給后面的數(shù)字PID控制奠定基礎(chǔ)，在此用MATLAB對(duì)變換器進(jìn)行了PID控制的仿真。模型如下：圖 閉環(huán)仿真模型控制方法采用了簡(jiǎn)單的電壓?jiǎn)伍]環(huán)PID控制方式，簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，參數(shù)整定方便。由于最終輸出的是移相值，該值越大，輸出越小，所以誤差信號(hào)E=VoVref而不是VrefVo。誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID Controller計(jì)算，為了防止超出移相的上下限，接入了Saturation模塊，最后經(jīng)過(guò)Gain比例縮放輸入到PS_Driver作為移相控制信號(hào)。PID的參數(shù)調(diào)整采用了在線整定法，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)設(shè)定一定的值，觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)，作出相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)的快速性不夠時(shí)，需要增加Kp，當(dāng)穩(wěn)態(tài)誤差長(zhǎng)時(shí)間不能消除時(shí)需要增加Ki。系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如下所示：（1）額定負(fù)載時(shí)啟動(dòng)（2）突加負(fù)載（100Ω至50Ω）圖 系統(tǒng)響應(yīng)曲線 本章小結(jié)本章利用MATLAB軟件首先對(duì)移相全橋零電壓變換器主電路進(jìn)行了仿真，給出了相應(yīng)的仿真參數(shù)和關(guān)鍵波形，仿真結(jié)果與理論分析一致，超前臂和滯后臂均很好的實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)，但存在占空比丟失現(xiàn)象。接著對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單閉環(huán)控制的仿真，能夠保持輸出電壓的穩(wěn)定，但有明顯的超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，參數(shù)還有待進(jìn)一步調(diào)整。在負(fù)載突變時(shí)，電壓跌落較小，調(diào)節(jié)過(guò)程較短，有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。主電路和閉環(huán)控制的仿真為后面的硬件設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很好的依據(jù)。第四章 硬件電路設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是一臺(tái)20V輸入，100V輸出，開(kāi)關(guān)頻率24K，功率100W的升壓DC/DC軟開(kāi)關(guān)變換器。根據(jù)前面的理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，擬定的硬件參數(shù)如下。● 變壓器高頻變壓器的設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，變壓器的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)要點(diǎn)：一是磁芯材料的選擇，二是磁芯結(jié)構(gòu)與尺寸的選擇，三是變壓器原副邊匝數(shù)比的確定，四是導(dǎo)線線徑的確定，最后就是繞制方法的設(shè)計(jì)了。根據(jù)變換器的功率，利用AP乘積法，得出EE30型PC40材質(zhì)鐵氧體磁芯符合要求，保留一定的裕度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，最終選擇了EE42型鐵氧體磁芯。24Khz時(shí)，,原邊電流為5A，銅導(dǎo)線的載流量按照6A/mm2計(jì)算。副邊電流約1A。為了防止磁芯的飽和，根據(jù)電感量和匝比的要求，本著減小漏感的原則，采用三明治繞法，作為原邊層1。將層1和層2并聯(lián)作為最終的原邊繞組。經(jīng)實(shí)測(cè)原邊自感Lm=112uH，漏感Lk=?！?開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)管的選擇主要考慮耐壓，電流容量和導(dǎo)通內(nèi)阻，個(gè)別情況需要考慮開(kāi)關(guān)速度，結(jié)電容，性價(jià)比等。從理論上分析，移相全橋開(kāi)關(guān)管承受的電壓不會(huì)超過(guò)Vin,但受各種寄生參數(shù)的影響，總是有一些震蕩帶來(lái)尖峰，因此需要保留一定的容量。最終選擇了仙童公司的FQA140N10，耐壓100V，電流容量140A。● 整流二極管本變換器屬于升壓型變換器，輸出電流較小，副邊繞組匝數(shù)多。所以沒(méi)有采用全波整流而采用全橋整流的方式，這樣可以節(jié)省變壓器空間。整流管的的選擇主要考慮電流容量，反向耐壓，恢復(fù)時(shí)間等。由于是整流管工作在高頻狀態(tài)下，需要快恢復(fù)型電力二極管，以降低反向恢復(fù)產(chǎn)生的損耗。根據(jù)既有條件，選擇IXYS公司的 15I300PA型超快恢復(fù)二極管，電流15A，耐壓300V，恢復(fù)時(shí)間35ns。● 濾波電感和濾波電容濾波電感的選取一般應(yīng)使電路中電流的波動(dòng)不超過(guò)10%,但過(guò)大會(huì)影響電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。濾波電容越大，輸出電壓紋波越小，但過(guò)大也會(huì)減慢系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，增大裝置的體積。同時(shí)還要考慮等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。根據(jù)理論分析和仿真的結(jié)果，，濾波電容選用250V，220uF電解電容并聯(lián)?！?隔直電容由于各種原因，例如驅(qū)動(dòng)信號(hào)不完全對(duì)稱，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通內(nèi)阻不完全一樣等等都會(huì)造成橋式變換器的變壓器在一個(gè)周期內(nèi)脈沖正負(fù)不平衡，造成直流磁偏，磁芯飽和，甚至損壞開(kāi)關(guān)管。因此需要串聯(lián)隔直電容。一般應(yīng)使隔直電容上的最大電壓不超過(guò)輸入電壓的10%。即VCb，IpTs/4，計(jì)算得Cb30uF。實(shí)際選擇47uF的無(wú)極性