【正文】 個(gè)整流 管同時(shí)導(dǎo)通，因此變壓器副邊繞組的電壓為零，原邊繞組電壓也為零，這樣電源電壓 V1加在諧振電感的兩端，原邊電流線性下降。雖然此時(shí) 2Q 已經(jīng)開(kāi)通，但 2Q 不流過(guò)電流，原邊電流從 2D 流通。原副邊的電流回路如圖 210所示： 這段時(shí)間里實(shí)際上諧振電感 lkL 和 2C 、 4C 在諧振工作。這段時(shí)間里實(shí)際上諧振電感和 2C 、 4C 在諧振工作。由于 2C 和 4C 的存在， 2Q 是零電壓關(guān)斷。 (4) 開(kāi)關(guān)模態(tài) 3， 23[ , ]tt 2t 時(shí)關(guān)斷 4Q 。在這段時(shí)間里，原邊等于折算得到副邊的濾波電感燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 電流。由于是在 3D 導(dǎo)通時(shí)開(kāi)通 3Q ，所以 3Q 是零電壓開(kāi)通。此模態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間為： 01 2= inpVCt I? (27) Q1和 Q3之間的導(dǎo)通延遲時(shí)間 dt 01t ， 即 2 indpVCt I?? (28) (3) 開(kāi)關(guān)模態(tài) 2， 12[, ]tt 3D 開(kāi)通后 ,開(kāi)通 3Q 。此時(shí)對(duì)電路有： 12c pdVC i Idt ?? (24) 即： 1 () 2pC IV t tC? (25) 1 () 2pC in IV t V tC?? (26) 在 1t 時(shí)刻， 1C 的電壓上升到 inV ， 3C 的電壓下降到零， 3Q 的反并聯(lián)二極管 3D 自然導(dǎo)通。這段時(shí)間內(nèi)諧振電感和濾波電感是串聯(lián)的，而且很大，因此可以認(rèn)為原邊電流近似不變，類似一個(gè)恒流源。 在此時(shí)間段內(nèi)： 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 15 ? ? ? ?2() plk f in C bd i tL n L V v tdt? ? ? (21) 可得： ? ? 12in op rfV nVi t t IL n L???? (22) 由于 2lk fL n L n為變壓器原副邊匝數(shù)之比，上式可以簡(jiǎn)化為： ? ? 12in op fV nVi t t InL??? (23) (2)開(kāi)關(guān)模態(tài) 1， 01[ , ]tt 在 0t 時(shí)刻關(guān)斷 1Q ，原邊電流從 1Q 中轉(zhuǎn)移到 1C 和 3C 支路中，給 1C 充電，同時(shí) 3C 放電。這時(shí)副邊電流回路是：副邊繞組的正端，經(jīng)整流管5D ， 輸出濾波電感 fL ，輸出濾波電容 fC 與負(fù)載 0R ，回到副邊繞組的負(fù)端。 各開(kāi)關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下： (1) 開(kāi)關(guān)模態(tài) 0 在 0t 時(shí)刻之前，開(kāi)關(guān)管 1Q 和 4Q 維持導(dǎo)通， 2Q 和 3Q 截止，相當(dāng)于電源電壓直接加在變壓器原邊對(duì)其進(jìn)行充電，電網(wǎng)的能量不斷轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存于電感線圈和送到負(fù)載，表現(xiàn)為原副邊電流的不斷增大。 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 11 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D 4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 27 開(kāi)關(guān)模態(tài) 0時(shí)的工作狀態(tài) in1gV2gV3gV4gV1Q23Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5DfLfC 0R 圖 28 開(kāi)關(guān)模態(tài) 1時(shí)的工作狀態(tài) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 29開(kāi)關(guān)模態(tài) 2時(shí)的工作狀態(tài) inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5DfLfC 0R 圖 210開(kāi)關(guān)模態(tài) 3時(shí)的工作狀態(tài) 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 13 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 211 開(kāi)關(guān)模態(tài) 4時(shí)的工作狀態(tài) inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 212 開(kāi)關(guān)模態(tài) 5時(shí)的工作狀態(tài) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D 3D2D4DlkLT 5D6DfLfC 0R 圖 213開(kāi)關(guān)模態(tài) 6時(shí)的工作狀態(tài) 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，移相控制 ZVS PWM DC/DC全橋變換器有 12種開(kāi)關(guān)狀態(tài)?；パa(bǔ)導(dǎo)通，兩 組 橋臂之間的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。 DC/DC變換器的基本工作原理 移相全橋 ZVS PWM(FB PSZVSPWM)變換器利用變壓器的漏感或是在高頻變壓器的原邊串聯(lián)的電感和功率管的寄生電容或外接電容來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，電路的主要拓?fù)浼安ㄐ稳鐖D 21所示，其中 lkL 為 諧振電感，它包括變壓器的漏感 pL 和外接電感； 1C ~ 4C 以分別是四個(gè)功率 管 1Q ~ 4Q 的 寄生電容或是外接電容 ； 1D ~ 4D 分別 是四個(gè)功率管的寄生二極管。 與常規(guī)的 PWM變換器相比，移相全橋 PWM變換器具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，主要特點(diǎn)是利用變壓器漏感及開(kāi)關(guān)管結(jié)電容諧振，在不增加額外元器件的情況下，通過(guò)移相控制方式，使功率開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷 ，減小了開(kāi)關(guān)損耗，保持了恒頻控制。如果每個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間都能達(dá)到 ，就是 ―移相控制方式 ‖。 第三種控制策略是 ―移相控制 ‖。這種情形 下，其 中一個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通長(zhǎng)度仍由 ，但是另外一只開(kāi)關(guān)管卻將導(dǎo)通燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 時(shí)間提前，使得導(dǎo)通時(shí)間提前，使得導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)（最多可以到接近 ）。這就是所謂的 ―有限雙極性控制 ‖的其中一類情況，可能的實(shí) 現(xiàn)方式有兩種，如圖 24所示。根據(jù)兩 組 橋臂導(dǎo)通時(shí)間的不同，可以得到一組不同的控制策略，即為第二種和第三種控制策略。兩只對(duì)角開(kāi)關(guān)管開(kāi)通、關(guān)斷同時(shí)進(jìn)行，開(kāi)通時(shí)間長(zhǎng)度為小于 (D燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 為占空比， T為開(kāi)關(guān)周期 )。 第一種是最傳統(tǒng)的方法，這也是人們常說(shuō)的 ―雙極性控制 ‖。 I 1ttttt I 1LiCbVCbV CbV?abLVi 1gV 1gV4g 4g2gV 3gV 圖 22 主要電量波形圖 DCDC變換器的控制策略 全橋 DCDC變換器的控制策略共有三種，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下： 全橋變換器為了得到輸出端的脈寬調(diào)制電壓，實(shí)際上只需在變壓器副邊得到一個(gè)交流方波電壓。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(kāi)關(guān)變換器，它是利用功率開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通和零電壓關(guān)斷 (也稱準(zhǔn)零電壓關(guān)斷 )，其電路結(jié)構(gòu)和主要電量波形分別如圖 21 和圖 22 所示。 移相全橋電路作為目前應(yīng)用最廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)是電路很簡(jiǎn)單，同硬開(kāi)關(guān)相比，并沒(méi)有 在開(kāi)關(guān)管上 增加輔助開(kāi)關(guān)等原件，而是僅僅增加了一個(gè)諧振電感，就是電路中四個(gè)開(kāi)關(guān)期間都在零電壓的條件下開(kāi)通。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(jí)逆變器的輸入需要 穩(wěn)定的 雙極性的直流電 ，并且需要實(shí)現(xiàn)直流電壓的升降 。它利用吸收網(wǎng)絡(luò)以減小開(kāi)關(guān)損耗， ―軟化 開(kāi)關(guān)過(guò)程，可降低 du/dt或 di/dt，使開(kāi)關(guān)管電壓和電流在開(kāi)關(guān)過(guò)程中交疊的面積減小，大幅度降低開(kāi)關(guān)損耗，有人稱之為廣義軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。有 源鉗位ZVS變換器可應(yīng)用于正激和反激等多種開(kāi)關(guān)電源中。在開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)鉗位電路，可以抑制開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力。這類變換器電路中環(huán)流能量被自動(dòng)地保持在較小的數(shù)值，且實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件與輸入電壓和輸出負(fù)載的變化無(wú)關(guān)。 (4)零轉(zhuǎn)換 PWM變換器。 在零開(kāi)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(chǔ)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(kāi)關(guān)條件極大地依賴于輸入電源和輸出負(fù)載的變化。該類變換器是在 QRCs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)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn) PWM控制。 (3)零開(kāi)關(guān) PWM變換器 (Zero switching PWM converters)。 在諧振變換器中，輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻 率實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)負(fù)載和輸入電壓在大范圍內(nèi)變化時(shí)，開(kāi)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(jì)變得很困難。多諧振變換器一般實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。這類變換器的特點(diǎn)是諧振元器件參與能量變換的某一個(gè)階段，不是全程參與。該變換器與負(fù)載關(guān)系密切，對(duì)負(fù)載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制的方法。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(jì)（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)。 表 12 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展過(guò)程 提出時(shí)間 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 開(kāi)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(kāi)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)。近幾十年來(lái)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已得到很大的發(fā)展，而且一直是開(kāi)關(guān)變換器的主要研究方向之一。為了減小變換器的體積和重量，必須實(shí)現(xiàn)高頻化。而開(kāi)關(guān)變換器中的開(kāi)關(guān)管一般工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中容易產(chǎn)生開(kāi)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。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(duì)成本 Buck 電路 0~1000 5~40 無(wú) 70 Boost 電路 0~150 5~40 無(wú) 80 BuckBoost 電路 0~150 5~40 無(wú) 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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景，開(kāi)關(guān)電源的干擾和性價(jià)比也正在不斷地得到改善。 90年代中期出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)能使得開(kāi)關(guān)電壓和電流波形不交疊，大大降低了開(kāi)關(guān)損耗，較好地解決了這個(gè)矛盾。 常見(jiàn)開(kāi)關(guān)變換器的比較 開(kāi)關(guān)變換器是的優(yōu)點(diǎn)是輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大；缺點(diǎn)是輸出紋波大，易產(chǎn)生電磁干擾。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。隔離型變換器也可以按照開(kāi)關(guān)器件個(gè)數(shù)分類。在這六種單管變換器中， Buck 和 Boost 變換器