【正文】 重量。 VinT1T2T3T4 LrCrLm CfRLD1D3D2D4 D6D5 Vo圖 LLC 串聯(lián)諧振全橋 DC/DC 變換器主電路圖2). 變壓器 T 原邊增加了電感 Lm，這是 LLC 串聯(lián)諧振變換器與傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器的主要區(qū)別。D 1D4為 MOS 管的寄生二極管，電感 Lr、L m和Cr組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，D 5D6構(gòu)成全波整流電路，C f為濾波電容 [13][14][15]。MOS 管 T1T4構(gòu)成全橋逆變電路，T T 4采用同一驅(qū)動信號，T T 3采用同一驅(qū)動信號，占空比均為 50%。因此使用 MOSFET 作為主開關(guān)器件的電路，應該工13作于 ZVS 條件下，這樣在器件開通前，漏極和源極之間的電壓先降為零，輸出電容上儲存能量很小，可以大大降低 MOSFET 的開通損耗；而使用 IGBT 作為主開關(guān)器件的電路，應該工作于 ZCS 條件下，這樣在器件關(guān)斷前，流過器件的電流先降為零，可以大大降低因拖尾電流造成的關(guān)斷損耗。2)．關(guān)斷損耗方面：MOSFET 屬單極型器件，可以通過在施加柵極反偏電壓的方法，迅速抽走輸入電容上的電荷，加速關(guān)斷，使 MOSFET 關(guān)斷時電流會迅速下降至零，不存在拖尾電流，故關(guān)斷損耗小 [10]；而 IGBT 由于拖尾電流不可避免，且持續(xù)時間長(可達數(shù)微秒)，故關(guān)斷損耗大。器件的開通損耗和輸出電容成正比，和頻率成正比和輸入電壓的平方成正比 [12]。硬開關(guān)的條件下 MOSFET 和 IGBT 開關(guān)損耗分析：1)．開通損耗方面：由于 MOSFET 的輸出電容大，器件處于斷態(tài)時，輸入電壓加在輸出電容上，輸出電容儲存較大能量。與 MOSFET 不同，IGBT 的 N－ 區(qū)并沒有外引電極，因此器件關(guān)斷過程中不能采用抽流的方法來降低 N－ 區(qū)的過剩載流子,這些空穴只能依靠自然復合，集電極電流 ic存在一個拖尾電流 [11]。這些被注入的空穴既從漂移區(qū)流向發(fā)射極端的 P 區(qū)，也經(jīng)由MOS 溝道及 N 井區(qū)橫向流入發(fā)射極。IXYS 公司的 MOSFET 和 IGBT 等效電容 [10]比較如表 (測試條件均為 Vds=Vce=25V，V gs=Vge=0V，開關(guān)頻率 fs=1MHz)：表 MOSFET 和 IGBT 等效電容對比類別 型號 Vdss(Vces) Ciss(PF) Coss(PF) Crss(PF)MOSFET IXFN44N60 600V 8900 1000 330IGBT IXDP20N60B 600V 800 85 50比較結(jié)果顯示，對于同樣電壓等級的器件，MOSFET 的輸出電容是 IGBT 的 10 多倍。器件的輸出電容主要是由密勒效應引起的密勒電容，而密勒效應的強弱與反饋電容 Crss的大小和器件的放大倍數(shù)有關(guān)，在放大倍數(shù)一定的條件下，C rss越大，密勒效應越強烈，輸出電容也越大。MOSFET 和 IGBT 等效電容可以表示為式(22)。MOSFET 和 IGBT 的等效電路如圖 所示，兩者結(jié)構(gòu)上的主要差異是 IGBT 比MOSFET 增加了一個漏注入?yún)^(qū) P＋ 層，它直接通向集電極 [10][11]。諧振型開關(guān)電源一般都采用 MOSFET。這兩種器件都是多子器件，無電荷存儲效應，開關(guān)速度快，工作頻率高，輸入阻抗高，驅(qū)動功率小。因此輸入電壓和變換效率的這種關(guān)系，對于有掉電維持時間限制的開關(guān)電源是不適合的。出現(xiàn)輸入電壓掉電時，負載能量只能由直流母線電容提供，短時間內(nèi)輸入電壓很快降低。D5D6VpK:1 LfCILfii5i6 IstrIrmLfiD5vABVDVD5 ttt2Vrot12t5VrmVo圖 移相全橋變換器整流二極管的反向恢復問題3). 輸入電壓和變換器轉(zhuǎn)換效率的矛盾在輸入電壓保證能輸出滿載電壓的前提下，當輸入電壓 Vin較低時，占空比大，11原邊環(huán)流能量較小，變換器效率較高；當輸入電壓 Vin較高時，占空比小，原邊環(huán)流能量較大，變換器效率較低 [3]。這種由整流二極管反向恢復問題而引起的損耗嚴重限制了直流電源效率的提高。這樣原邊電壓 VAB反向時，整流二極管 D5(D6)電流不能立即降為零，必然存在 DD 6同時導通續(xù)流的過程(t2～t t 8～t 11)。 2). 副邊整流二極管存在反向恢復問題反向恢復現(xiàn)象是二極管使用時必須注意的問題 [1]。滯后橋臂實現(xiàn) ZVS 的條件是： (21)2241?rinLICV其中 I2為 t2時刻原邊電流值。對于超前橋臂，T2開通前的 t01期間，放電電流 ip較大且恒定不變(i p=If)；另一方面由于變壓器原副方有能量傳遞，原方等效電路中電感 L=Lr+K2Lf很大，故用于實現(xiàn)超前橋臂開關(guān)管ZVS 的能量很大。 移相全橋 ZVS PWM 變換器存在的缺點 1). 輕載時難于實現(xiàn) ZVS超前橋臂和滯后橋臂開關(guān)管實現(xiàn) ZVS 的條件不同。t 6時刻 T2關(guān)斷。階段 5[t4－t 5]：t4時刻 ip過零反向增加，由于 ID6仍然不足以提供 If，故 DD 6仍然同時導通，副邊電壓為零。只要t23=t3t2td就可保證 T3是零電壓開通，無開通損耗。由于濾波電感電流 If近似為恒流，此時變壓器副邊整流二極管 DD 6之間進行換流，由于 D5,D6同時導通，變壓器副邊被短路。 階段 3[t2t3]：在 t2時刻，關(guān)斷 T4，原邊電流 ip轉(zhuǎn)移到 C3和 C4中，一方面抽走 C3上的電荷，Vc3從 Vin下降；另一方面同時又給 C4充電，V c4從零逐漸上升，T 4軟關(guān)斷。在此續(xù)流階段，D 2導通，只要滿足 t01=t1－t 0td,就可保證 T2是零電壓開通，無開通損耗。 T1 T2iD5 iD6ipVABVgsiniD56Vrt0Otδd T14 3 41t23t45t67t89t101ttttt9圖 移相全橋變換器主要工作波形階段 2[t1t2]：t1時刻 T2的電壓已被箝在零電位，T 4導通。在此期間，諧振電感 Lr和濾波電感 Lf是串聯(lián)的，而且 Lf很大，可以認為 ip近似不變，類似于一個恒流源。半個開關(guān)周期內(nèi)電路工作過程分為六個階段，圖中 tδ 為移相角、t d為死區(qū)，i p為變壓器原邊電流。D D 6是整流二極管，L f、C f構(gòu)成二階濾波器（L f足夠大，I f近似恒定） [1][3][9]。L r是諧振電感，包括變壓器的漏感。其電路結(jié)構(gòu)與普通雙極性 PWM 變換器類似，T 1和 T2組成超前橋臂，T 3和 T4組成滯后橋臂。由于這種諧振變換器工作在高頻條件下，主開關(guān)管使用 MOSFET，本文首先分析了 MOSFET 的特點，為 LLC 串聯(lián)諧振全橋變換器工作區(qū)域的選擇提供了依據(jù)，然后從分析比較以上兩種電路特點的角度，詳細分析了 LLC 串聯(lián)諧振全橋變換器的基本原理和工作過程，確定了其穩(wěn)態(tài)工作區(qū)。但是該變換器也有一些缺點，不適合對電源性能有特殊要求的場合，如有輸入掉電維持時間 [8](Holdup time)要求的通信用二次電源。全文的最后，對全文的研究工作做了總結(jié)，并對7該電路優(yōu)缺點進行了分析和總結(jié)。設計步驟和結(jié)論可以為實際裝置的設計提供參考。3). 主電路和控制電路的設計在理論分析的基礎上，本文對一臺LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器實驗樣機的主電路和控制電路設計過程進行了詳細研究。在此基礎上，分析了變換器的穩(wěn)定性，研究了控制器的設計。2). LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器小信號模型的建立和動態(tài)特性研究本文首先對DC/DC變換器的小信號建模方法進行了歸納。在分析對比移相全橋直流變換器和LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC變換器特點的基礎上，本文對LLC串聯(lián)諧振全橋直流變換器的工作原理做了詳細分析研究，設計了實驗樣機，實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。但軟開關(guān)技術(shù)的應用已經(jīng)給功率變換器的發(fā)展帶來了深刻的變革，軟開關(guān)技術(shù)的進一步完善和實用化，必將為實現(xiàn)高品質(zhì)的功率變換系統(tǒng)提供有力的技術(shù)保障。在直流電源的軟開關(guān)技術(shù)中還有無源無損軟開關(guān)技術(shù)。它的特點是變換器工作在PWM方式下，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)在其他時間則停止工作。這與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1/10，1/5。(3)零開關(guān)PWM變換器Zero switching PWM converters 它可分為零電壓開關(guān)PWM變換器和零電流開關(guān)PWM變換器。準諧振變換器分為零電流開關(guān)準諧振變換器和零電壓開關(guān)準諧振變換器。(2)準諧振變換器QRCs 和多諧振變換器MRCs 這是軟開關(guān)技術(shù)的一次飛躍。按負載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類：串聯(lián)負載諧振變換器和并聯(lián)負載諧振變換器。目前所研究的軟開關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，而是真正減小開關(guān)損耗不是開關(guān)損耗的轉(zhuǎn)移。最早的方法是采用RLC緩沖電路來實現(xiàn)。諧振極逆變器是把輔助諧振回路移到橋臂的上下開關(guān)聯(lián)接點，利用諧振為逆變器創(chuàng)造零壓開關(guān)的條件。直流諧振環(huán)節(jié)逆變器是在原先的PWM電壓型逆變器與直流電源之間加入一個輔助諧振電路，令直流諧振環(huán)節(jié)產(chǎn)生諧振且使逆變橋直流母線上的電壓周期回零，為逆變器中的開關(guān)創(chuàng)造零壓開關(guān)的條件。1986年美國威斯康星大學的D. M. Divan 提出了諧振直流環(huán)逆變器RDCLI和諧振極逆變器(RPI)才較好地解決了這個問題，并立刻引起了廣泛地重視。 DC/AC 逆變器中的軟開關(guān)技術(shù)在DC/AC逆變器，尤其是多相逆變器中，軟開關(guān)技術(shù)的應用有很大困難 [6]。如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡可能會超出安全工作區(qū)，導致開關(guān)管的損壞。變換器總的開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，開關(guān)頻率越高，總的開關(guān)損耗越大，變換器效率越低。但是，現(xiàn)在數(shù)字信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯技術(shù)的植入。(8) 數(shù)字化在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。(7) 低壓大電流直流電源。4(6) 模塊化技術(shù)。這些都是產(chǎn)生電磁干擾的來源。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻振蕩。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開或關(guān)時，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。如集成磁路，平面型磁心，超薄型變壓器；以及新型變壓器如壓電式，無磁芯印制電路變壓器等，使開關(guān)電源的尺寸重量都可減少許多。單相 APFC 是 DC/DC 開關(guān)變換器拓撲和功率因數(shù)控制技術(shù)的具體應用，而三相 APFC 則是三相 PWM 整流開關(guān)拓撲和控制技術(shù)的結(jié)合。有源功率因數(shù)校正技術(shù) APFC 的開發(fā)，提高了 AC/DC 開關(guān)電源功率因數(shù)。以后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準諧振；移相全橋 ZVS—PWM；恒頻 ZVS—PWM/ ZCS—PWM；ZVS—PWM 有源箝位；ZVT—PWM/ ZCT—PWM；全橋移相 ZVS—ZCS—PWM 等。小功率軟開關(guān)電源效率可提高到 8085% 。開關(guān)電源高頻化可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大。(2) 軟開關(guān)軟開關(guān)技術(shù)使高效率、高頻開關(guān)變換器的實現(xiàn)有了可能。超快恢復功率二極管、MOSFET 同步整流技術(shù)的開發(fā)也為高效、低電壓輸出(3V 以下)開關(guān)電源的研制有了可能。 開關(guān)電源和 DC/DC 變換器的發(fā)展趨勢從技術(shù)上看，幾十年來推動電力電子技術(shù)水平不斷提高的主要標志是 [3][4][5][6][7]：(1) 高頻化新型高頻功率半導體器件如功率 MOSFET 和 IGBT 的開發(fā)，使實現(xiàn)開關(guān)電源高頻化有了可能。采用同步整流器MOSFET，代替肖特基二極管使整個電路效率提高到90%以上。當今軟開關(guān)技術(shù)使直流變換器發(fā)生了質(zhì)的飛躍。(3)變頻：實現(xiàn)AC/AC(AC/DC/AC)變換變頻器電源主電路均采用交流直流交流方案，工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出電源，輸出波形近似于正弦波，用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。(2)逆變：實現(xiàn)DC/AC 變換逆變就是實現(xiàn)直流到交流的功率變換。功率由電源流向負載的稱為整流；功率由負載返回電源的稱為有源逆變。因此電力變換可劃分為五類基本變換，相應地有五種電力變換電路或電力變換器 [1][2]。電源可分為兩類：一是直流電源；二是交流電源。 電力電子變換的基本原理用電設備將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?、熱能、化學能和機械能。此外，如果在電力系統(tǒng)的適當位置設置電力變換器或電力補償器，能顯著改善電力系統(tǒng)的運行特性。2022年末，美國發(fā)電站生產(chǎn)的40%以上的電能都是經(jīng)變換或處理后再提供負載使用，預計到21世紀二、三十年代，美國發(fā)電站生產(chǎn)的全部電能都將經(jīng)變換或處理后再供負載使用。在現(xiàn)代工業(yè)、交通、國防、生活等領(lǐng)域中，除變比固定的交流變壓器以外，大量需要其他各種類型的電力變換裝置和變換系統(tǒng)，將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能，使用電設備處于各自理想的最佳工作情況，或滿足用電負載的特殊工作情況要求，以獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟效益。 rectifier diode have unavoidable rec