【正文】 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（ZeroCurrentSwitching QuasiResonant Converter,ZCS QRC）③ 零電壓開關(guān)多諧振電路（ZeroCurrentSwitching MultiResonant Converter,ZVS MRC）準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。圖 全諧振變換器2）準(zhǔn)諧振變換器準(zhǔn)諧振電路是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，其中有些現(xiàn)在還在大量使用。諧振變換器與負(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。按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變化器（Series Resonant Converters,SRCs）和并聯(lián)諧振變化器（Parallel Resonant Converters，PRCs）兩類。零開關(guān)PWM變換器零轉(zhuǎn)換PWM變換器以及移相全橋軟開關(guān)屬于PWM控制方式。全諧振變換器、準(zhǔn)諧振變化器(QRCs)和多諧振變化器（MRCs）屬于PFM控制方式。PFM軟開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單，但工作頻率不恒定，給變壓器、電感等磁性元件的優(yōu)化設(shè)計帶來一定的困難。 軟開關(guān)變換器的拓?fù)滠涢_關(guān)技術(shù)在改善功率開關(guān)器件工作狀態(tài)方面效果明顯，使開關(guān)電源的高頻化成為可能。1）零電壓開關(guān)（ZVS）：開關(guān)開通前兩端電壓已降為零，這樣開關(guān)開通時就不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種開通方式為零電壓開通；與開關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗，有時稱這種關(guān)斷過程為零電壓關(guān)斷，關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲。具有這種開關(guān)特性的開關(guān)稱為軟開關(guān)，應(yīng)用軟開關(guān)的電路稱為軟開關(guān)電路。軟開關(guān)技術(shù)實際上是利用電容與電感諧振，使開關(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)電流過零時，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過零時，使器件開通，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零。軟開關(guān)工作方式與硬開關(guān)工作方式不同：理想的零電流軟關(guān)斷過程是電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零；理想的零電壓軟開通過程是電壓先下降到零，然后電流再緩慢上升到正常值，所以開通損耗近似為零，從而解決了容性開通的問題。5）二極管的反向恢復(fù)問題：二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在著反向恢復(fù)期，在此期間內(nèi)，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，若立即開通與其串聯(lián)的開關(guān)器件，容易造成直流電源瞬間短路，產(chǎn)生很大的沖擊電流，輕則造成該開關(guān)器件和二極管損耗急劇增加，重則致其損壞。頻率越高，該沖擊電流越大，對器件的安全運(yùn)行造成的危害越大。頻率越高，開通電流尖峰越大，從而會引起器件過熱損壞。此電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成器件擊穿。2）感性關(guān)斷電壓尖峰大：當(dāng)器件關(guān)斷時，電路中的感性原件感應(yīng)出尖峰電壓。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗。同時，硬開關(guān)在開通和關(guān)斷時電壓電流快速變化，產(chǎn)生嚴(yán)重的開關(guān)噪聲。在一定條件下，開關(guān)管在每個開關(guān)周期中的開關(guān)損耗是一定的，開關(guān)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)損耗就越高，開關(guān)變換器的效率就越低。在關(guān)斷的這段時間內(nèi)，電壓和電流也有一個交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，稱之為關(guān)斷損耗。在開通的這段時間內(nèi)，電壓和電流有一個交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，稱之為開通損耗。但大多數(shù)傳統(tǒng)變換器中的開關(guān)器件是在電壓很高或電流很大的條件下開通或關(guān)斷，具有這種開關(guān)特性的開關(guān)稱為硬開關(guān)。軟開關(guān)技術(shù)正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。但隨著低碳節(jié)能的觀念深入人心和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)開關(guān)電源的地位受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。s good performance with simple topology and simple control. Based on detailed analysis of the classical PSFBZVS converter, parameter calculation equations are derived in this paper. The main circuit is simulated by MATLAB to prove the validity of the theoretical analysis. Restricted by the resources in the laboratory, a low power prototype is made to observe operating mode of the circuit. Both parameter and structure of the main circuit and auxiliary circuit are designed. Based on the lasted ARM STM32F407VG mcu, bined with digital PID control scheme, the converter is operated under the control of voltagecurrent dual loop. Thanks to the powerful taskmanaging ability of ARM, a friendly HMI is built which makes the apparatus easy to manipulate and much more flexible.Keywords: PhaseShift Full Bridge, SoftSwitching, ARM, Digital Control第一章 緒論 課題背景電源是一切電氣設(shè)備的心臟，其重要性不言而喻。利用ARM強(qiáng)大的事務(wù)管理機(jī)制，設(shè)計了友好的的人機(jī)界面，提高了裝置的易操作性和靈活性。并用MATLAB軟件對主電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。軟開關(guān)的形式諸多，其中移相全橋零電壓軟開關(guān)變換器（PhaseShift FullBridge ZeroVoltage Switching Converter，簡稱PSFBZVS變換器）由于結(jié)構(gòu)簡單，控制方便在中大功率電源中獲得了廣泛的應(yīng)用。移相全橋軟件開關(guān)變換器的設(shè)計電氣工程及其自動化 李躍 089064117 指導(dǎo)教師：胡雪峰 副教授摘要軟開關(guān)技術(shù)和數(shù)字控制是電力電子領(lǐng)域的重要課題。本文就是對兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合所做的簡單嘗試。本文針對經(jīng)典的PSFBZVS變換器拓?fù)溥M(jìn)行了細(xì)致的分析，推導(dǎo)出電路工作的相關(guān)狀態(tài)方程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)既有實驗條件，設(shè)計了一臺小功率的樣機(jī)，對主電路和測控電路的參數(shù)進(jìn)行了計算和選取，并以ARM STM32F407VG控制器為核心，結(jié)合數(shù)字PID控制理論實現(xiàn)了對變換器的電壓電流雙閉環(huán)控制。關(guān)鍵字：移相全橋，軟開關(guān)，ARM，數(shù)字控制ABSTRACTSoftswitching technique along with digital control scheme plays very important role in the subject of power electronics. This paper gives a simple try to bine the two techniques. Among so many constructions of soft switch, PhaseShift Full Bridge ZVS converter has been widely used for mediumhigh power DC power supply due to it39。由于效率高，體積小等得天獨厚的優(yōu)點，開關(guān)電源在絕大部分場合已取代線性電源而成絕對的主流。為了縮小設(shè)備體積，必須提高工作頻率，而開關(guān)損耗也將隨之水漲船高，效率會嚴(yán)重下降，魚和熊掌不可兼得。開關(guān)變換器的發(fā)展趨勢是高頻、高功率密度、小型輕量化。開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)時，由于開關(guān)管不是理想器件，在開通時開關(guān)管的電壓不是立即下降為零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，而是有一個上升時間。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)管的電壓不是立即從零上升至電源電壓，同時電流也不是立即下降到零，也有一個下降時間。因此在開關(guān)管工作時，不僅有通態(tài)損耗還會產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗的存在限制了開關(guān)變換器開關(guān)頻率的提高，從而限制了開關(guān)變化器的小型化和輕量化。圖 硬開關(guān)過程隨著開關(guān)變化器的工作頻率的不斷提高，硬開關(guān)將會給變換器帶來如下問題：1）開關(guān)損耗大:開通時，開關(guān)器件的電流上升電壓下降同時進(jìn)行；關(guān)斷時，電壓上升和電流下降同時進(jìn)行。該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增大。開關(guān)頻率越高，關(guān)斷越快，該感應(yīng)電壓越高。3）容性開通電流尖峰大：當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時，儲存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在著反向恢復(fù)期，開關(guān)管在此期間內(nèi)的開通動作易產(chǎn)生很大的沖擊電流。4）電磁干擾嚴(yán)重：隨著頻率的提高，電路的di/dt和dv/dt增大，從而導(dǎo)致電磁干擾(EMI)增大，影響整流器和周圍電子設(shè)備的正常工作。 軟開關(guān)的原理和實現(xiàn) 軟開關(guān)的基本概念開關(guān)變換器的高頻損耗問題嚴(yán)重妨礙了開關(guān)器件工作頻率的提高，采用軟開關(guān)（Soft Switching）是解決上面問題的有效途徑。同時，di/dt,dv/dt的降低使得電磁干擾問題得以解決。通過在基于硬開關(guān)的開關(guān)電路中引入很小的電感L、電容C等諧振元件，便可在開關(guān)過程前后引入諧振過程，開關(guān)開通前電壓先降為零，或關(guān)斷前電流先降為零，就可以消除開關(guān)過程中的電壓、電流的重疊，降低他們的變化率，從而大大減小甚至消除損耗和開關(guān)噪聲。圖 典型軟開關(guān)過程 軟開關(guān)的分類軟開關(guān)可以分為兩類,即零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。2）零電流開關(guān)（ZCS）：使開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時也不會產(chǎn)生損耗和噪聲，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷；與開關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開關(guān)開通后電流上升的速率，降低了開通損耗，這種開通方式稱之為零電流開通。按軟開關(guān)電路的調(diào)制方式，可將其分為PFM軟開關(guān)和PWM軟開關(guān)。此類軟開關(guān)電源適用于負(fù)載、輸入電壓相對穩(wěn)定的應(yīng)用場合。PWM控制方式軟開關(guān)電源，工作在恒頻模式，大大方便了磁性元件的優(yōu)化設(shè)計，是軟開關(guān)電源中應(yīng)用最廣泛的控制方式。各種軟開關(guān)變換器的拓?fù)淇梢苑譃橐韵聨最悾?）全諧振變換器全諧振變換器（Resonant Converters）一般稱之為諧振變換器，實際上是負(fù)載諧變換器。按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系也可分為兩類：一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)稱之為串聯(lián)負(fù)載諧振變換器（Series Load Resonant Converters，SLRCs），另一類是負(fù)載與諧振回路相并聯(lián)稱之為并聯(lián)負(fù)載諧振變換器（Parallel Load Resonant Converters，PLRCs），在諧振變換器中,諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過程。串聯(lián)諧振變換器、。準(zhǔn)諧振電路可以分為① 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（ZeroVoltageSwitching QuasiResonant Converter,ZVS QRC）。諧振的引入使得電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲都大大下降，但也帶來一些負(fù)面問題：準(zhǔn)諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高；諧振電流的有效值很大，電路中存在著大量的無功功率的交換，造成電路導(dǎo)通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而變化，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation,PFM）方式來調(diào)制，變化的開關(guān)頻率給電路設(shè)計帶來困難。 圖 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)基本單元3）零開關(guān)PWM電路零開關(guān)PWM電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振開始的時刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程的前后。② 零電流開關(guān)PWM電路（ZeroCurrentSwitching PWM Converter,ZCS PWM）。與準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用頻率固定的PWM控制方式。而且電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步的提高。②零電流轉(zhuǎn)換PWM電路（ZeroCurrentTransition PWM Converter,ZCT PWM）。圖 零轉(zhuǎn)換PWM基本單元5）移相全橋軟開關(guān)變換器后文將針對移相全橋零電壓開關(guān)變換器作詳細(xì)的討論，在這里先作簡答介紹。圖 移相全橋變換器移相全橋軟開關(guān)變換器通過改變?nèi)珮驅(qū)蔷€上下開關(guān)管驅(qū)動信號移相的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，讓超前臂開關(guān)管控制極上的電壓領(lǐng)先于滯后臂開關(guān)管上控制極的電壓一個相位，并對同一橋臂的兩個反相驅(qū)動信號設(shè)置不同的死區(qū)時間，巧妙的利用變壓器漏感和開關(guān)管結(jié)電容及變壓器一二次側(cè)之間的寄生電容來完成諧振過程，實現(xiàn)零電壓或零電流開通或關(guān)斷，錯開開關(guān)器件大電流與高電壓同時出現(xiàn)硬開關(guān)狀態(tài)，減小了開關(guān)損耗與干擾。如何減小二次側(cè)占空比的丟失，增大滯后臂軟開關(guān)范圍是移相全橋軟開關(guān)變換器需要深入研究的問題。近年來，數(shù)字控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，采用以微機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制替代模擬控制已成為現(xiàn)代電力電子電路控制的重要發(fā)展趨勢。與模擬控制系統(tǒng)不同，數(shù)字控制系統(tǒng)的控制方案并不是全部體現(xiàn)在硬件電路上，而是主要集中在控制程序，即軟件上。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計一般比緊湊。另外，微控制器內(nèi)部資源豐富，還可進(jìn)行分時處理，故容易實現(xiàn)一機(jī)多用，達(dá)到較高的性能價格比。數(shù)字控制系統(tǒng)中，若想改變控制規(guī)律，一般只需改變控制程序，硬件結(jié)構(gòu)則可保持不變。3) 可以實現(xiàn)許多先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法，可望從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。這樣，控制對象的精確模型就無法獲取，經(jīng)典控制理論遇到了一定的困難。4) 抗干擾能