【正文】 濾波驅(qū)動(dòng)模塊軟啟動(dòng)PWM 保護(hù)控制輸出電流調(diào)節(jié)反饋功率DC/ DC變換器模塊模塊電路PI電流給定電流電壓反饋圖 11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本方案中所提的“軟開(kāi)關(guān)逆變式”一詞是指充電機(jī)系統(tǒng)的核心部分 —— DC/DC 變換器的結(jié)構(gòu)而言。它是在全橋式 PWM DC/DC 變換電路的基礎(chǔ)上，結(jié)合零電壓諧振開(kāi)關(guān)和零電流諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)而形成的一種新型 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) ?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的重要接口、弱電與被控強(qiáng)電之間的橋梁。 整流濾波電路 整流電路由三相整流橋、充電電阻 R、短路開(kāi)關(guān) S 和濾波電容 C1 構(gòu)成，如圖 21所示。電阻限流作用，防止加電時(shí)產(chǎn)生沖擊電流。開(kāi) 4 關(guān) S 的動(dòng)作是由控制電路中的軟啟動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)的。 主電路的選型 開(kāi)關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，其中正激 式、反激式和半橋型適合小功率電源使用，全橋型適合大功率電源使用，其中正激電路又可以分單管正激和雙管正激等 多種。 一般來(lái)說(shuō)，功率很小的電源（ 1100W），采用電路簡(jiǎn)單、成本低的反激型電路較好；當(dāng)電源功率在 100W 以上且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短路頻繁時(shí)，則應(yīng)采用正激型電路；對(duì)于功率大于 500W、工作條件較好的電源，則應(yīng)采用半橋或全橋電路較合理；如果對(duì)成本要求比較嚴(yán)，可以采用半橋電路；如果功率很大，則應(yīng)采用全橋電路；推挽電路 通常用于輸入電壓比較低、功率較大的場(chǎng)合。 DC/DC 變換器一般可 分為自激式和他激式兩種。下面對(duì)它激式變換電路的組成部分分別加以說(shuō)明。 T1， T2 管的導(dǎo)通信號(hào)相差 180 度，且他們的導(dǎo)通時(shí)間均小于 T/2，使 T T2 不會(huì)導(dǎo)通。 當(dāng) T1 截止、 T2 還未導(dǎo)通時(shí)， Tr 線圈電壓為零，電感 L 通過(guò) D D2 向負(fù)載供電。 半橋式變換電路多用于功率在 100~700W 范圍內(nèi)的高壓開(kāi)關(guān)電源中，該電路的優(yōu)點(diǎn)是電路中使用的功率開(kāi)關(guān)管所承受的電壓較低，不會(huì)超過(guò)線路的峰值電壓。半橋式變換電路的整個(gè)周期中，變壓器初級(jí)一直有電流通過(guò)，變壓器的利用率高。 B．全橋式變換電路 將半橋式變換電路中的兩個(gè)電容 C C2 換成兩只高反壓功率開(kāi)關(guān)管，并配以相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，就組成了全橋式變換電路 .如圖 23 所示。電容 C3 用以阻斷變壓器初級(jí)線圈的直流成分并克服由于器件特性不對(duì)稱而導(dǎo)致的鐵芯飽和現(xiàn)象。該電路的主要不足是開(kāi)關(guān)管數(shù)目增加從而使驅(qū)動(dòng)和控制電路比較復(fù)雜。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)電感 L和電容 C的諧振，使開(kāi)關(guān)器件中的電流或兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然流過(guò)零時(shí)，使器件關(guān)斷 。功率器件在零電壓或零電流條件下完成導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程，將使功率器件的開(kāi)關(guān)損耗理論上為零。 7 圖 24 硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)的電壓 .電流波形圖 軟開(kāi)關(guān)的四種理想切換方式 1)零電壓開(kāi)通一一功率開(kāi)關(guān)上的電壓先下 降到零時(shí)或其后，功率開(kāi)關(guān)才開(kāi)始恿過(guò)電流，稱零電壓開(kāi)通。 3)零電流開(kāi)通一一功率開(kāi)關(guān)上的電壓先下降到零時(shí)或其前，功率開(kāi)關(guān)一直不流過(guò)電流則稱零電流開(kāi)通。 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的提出與發(fā)展 針對(duì)常規(guī) PWM 控制的上述問(wèn)題，美國(guó) Virginia 大學(xué)的李澤元教授提出了諧振軟開(kāi)關(guān)的概念‘“。這樣可以解決硬開(kāi)關(guān)電路中存在的開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，同時(shí)也解決了硬開(kāi)關(guān)變換器引起的 EMI 問(wèn)題。 諧振軟開(kāi)關(guān)概念的提出引起了電力電子領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，許多研究人員致力于諧振理論和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究。后來(lái) D. M. Divan 教授又將諧振回路放置在逆變橋之后構(gòu)成了另一種諧振逆變器一一極諧振型逆變器，雖然為開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生 ZVS導(dǎo)通條件，但電路復(fù)雜，控制難度大。自 20世紀(jì) 80 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不斷研制開(kāi)發(fā)出新的高頻軟開(kāi)關(guān)逆變器拓?fù)?，到目前為止提出了多種不同的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用也取得了一系列 成功。而全橋移相軟開(kāi)關(guān)逆變電路是近些年來(lái)應(yīng)用最廣泛的一種軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)湫问剑鐖D 25 所示。其基本工作原理簡(jiǎn)述為 (因 IGBT 模塊內(nèi)并聯(lián)了續(xù)流二極管，而實(shí)際電路中并不需要 ，僅為論述方便在圖中畫(huà)出，以后各章同理 ):每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管 180176。通過(guò)調(diào)節(jié)此移相角的大小，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度，在變壓器副邊得到占空比D可調(diào)的正負(fù)半周對(duì)稱交流方波電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)輸出電壓的目的。并在 IC 控制端對(duì)同一橋臂的兩個(gè) (Q1 與 Q2 或 Q3與 Q4)開(kāi)關(guān)管的相驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間，巧妙利用開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容和高頻變 壓器的漏感作為諧振元件，使全橋變換器的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，在電容作用下零電壓關(guān)斷，錯(cuò)開(kāi)功率器件大電流與高電壓同時(shí)出現(xiàn)的硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，抑制感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開(kāi)通的管溫過(guò)高，減小了開(kāi)關(guān)損耗與干擾。如圖 2－ 5： 圖 25 原邊加電容和飽和電感的 FBZVS/ZCS 變換電路 9 工作過(guò)程分析 為了便于下面的分析，討論前仍需作如下幾點(diǎn)假定 : 、二極管均為理想器件 ； 電感為零，不飽和時(shí)電感量為無(wú)窮 ； ，在一個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中可以等效為一個(gè)恒流源 ； ，在電流復(fù)位過(guò)程中可等效一個(gè)恒流源 ； 5. rCCC ?? 21 ( rC 為外部實(shí)際并聯(lián)的電容 )。 Pi 一方面通過(guò)變壓器將電源輸入的能量傳遞給負(fù)載，另一方面給阻斷電容充電。在這個(gè)時(shí)間段的初始時(shí)刻 ot ，阻斷 電容上的電壓 cbV 等于一 Vcbp (Vcbp ，為 cbV 的正峰值 )。在時(shí)刻 t1，開(kāi)關(guān)管 Q1，截止，這個(gè)時(shí) 間結(jié)束。 (2) 21 tt? 時(shí)間段 (模式 2) 在時(shí)刻 t1，開(kāi)關(guān)管 Q1 截止，原邊電流從 Q1，轉(zhuǎn)移到 C1，和 C2 支路中，給 C1，充電，同時(shí)給 C2 放電，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，所以開(kāi)關(guān)管 Q1，是在電容 C1,和C2 的作用下零電壓關(guān)斷。考慮到前面的假定，由于輸出濾波電感很大，負(fù)載被等效成一恒流源，故可以認(rèn)為在此段時(shí)間內(nèi)原邊電流 pi = PI =n 0I 近似不變，類似一個(gè)恒流源。即 CtnIVV inc 02 ?? （ ） 式中， C= C1+C2。這個(gè)時(shí)間段的長(zhǎng)度為 : 0122 nICVttT in??? （ ） (3) t2t3 時(shí)間段 (模式 3) 在時(shí)刻 t2, 2CV 下降到零， D2 導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管 Q2隨后可以在零電壓下完成開(kāi)通，原邊電流通過(guò) Q4 和 D2 續(xù)流，將電壓 abV 箝位 在零，阻斷電容 bC 上的電壓上升到 cbpV 。在阻斷電容電壓cbV的作用下，原邊電流將迅速下降，并導(dǎo)致副邊電流迅速下降。這個(gè)時(shí)間段的等效電路圖如圖 26(c)所示，其工作過(guò)程的波形如圖 27 所示。 由于電壓 abV 等于零，變壓器原邊短路，故阻斷電容電壓cbV全部加在諧振電感上，這時(shí)有 : tLVnIi scbpp ?? 0 （ ） 在時(shí)刻 t3，原邊電流 pi 衰減到零，這個(gè)工 作模式結(jié)束。在這個(gè)時(shí)間段，阻斷電容上的電壓保持不便，開(kāi)關(guān)管 Q4 仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，但已沒(méi)有電流流過(guò)。由于原邊電流為零， A 點(diǎn)對(duì)地電壓為 0?AV B點(diǎn)對(duì)地電壓為 BV = cbpV 這個(gè)時(shí)間的等效電路圖如圖 26 (d)所示。在這個(gè)時(shí)間段阻斷電容上的電容繼續(xù)維持不變，主電路中的電流為零。這個(gè)時(shí)間段實(shí)際上是滯后臂開(kāi)關(guān)管狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的死區(qū)時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間段里，剩余少數(shù)載流子繼續(xù)復(fù)合移去。 Q3 導(dǎo)通后，在阻斷電 容電壓和輸入電壓的共同作用下飽和電感很快又進(jìn)入 飽和區(qū)。這時(shí)有 : tLVVi s cbpinp ?? （ ） 在時(shí)刻 t6, pi 上升到等于輸出電流反射值在時(shí)刻 0nI 輸出電流全部通過(guò)變壓器副邊、電源再次向負(fù)載輸送能量。這個(gè)工作模式的等效電路如圖 26(F)所示，其持續(xù)時(shí)間 incbpSVV LnIttT ???? 0566 （ ） 12 圖 27 FBZVS/ZCSPWM變換電路工作波形 全橋型電路的主電路元?dú)饧?shù)的確定 下面介紹的設(shè)計(jì)方法適用于正激、推挽、半橋、全橋型電路， ① 變壓器的設(shè)計(jì) 變 壓器是開(kāi)關(guān)電源中的核心元件，其他主電路器件的設(shè)計(jì)都依賴于變壓器的參數(shù)，因此首先應(yīng)對(duì)變壓器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要設(shè)計(jì)的是電壓比，鐵心的形式和尺寸、各繞組匝數(shù)的、導(dǎo)體截面積等。 ② 鐵心的選取 計(jì)算出電壓比后，可根據(jù)以下 公式選取合適的鐵心： 13 tew s C ePAA f BD k? ? （ ） 式中 Ae—— 鐵心磁路截面積； Aw—— 鐵心窗口面積； PT—— 變壓器的傳輸功率； Fs—— 開(kāi)關(guān)頻率 B? —— 鐵心在一個(gè)工作周期內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的 變化范圍（見(jiàn)圖 28） 圖 28 充電電流與電壓的關(guān)系 Dc—— 變壓器繞組導(dǎo)體的電流密度 kc—— 繞組在鐵心窗口中的填充系數(shù) 根據(jù)以上公式計(jì)算出鐵心應(yīng)具備的截面積 —— 窗口面積后，可以在生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品手冊(cè)中查到合適的鐵心，使其形狀和尺寸滿足要求。由于電壓比已知，可以首先計(jì)算一次或二次繞組匝數(shù)中任意一個(gè)，然后根據(jù)電壓比推算另一個(gè)。 為了保證在任何條件下鐵心不飽和，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按最大伏 秒面積計(jì)算匝數(shù)。通常計(jì)算二次側(cè)最大伏 秒面積較為方便。 ④ 繞組導(dǎo)體截面積 根據(jù)流過(guò)每個(gè)繞組的電流值和預(yù)先選定的電流密度，既可計(jì)算出繞組 導(dǎo)體截面積： C cIA d? （ ） ⑤ 變壓器設(shè)計(jì)的其他問(wèn)題 包括變壓器勵(lì)磁電感和漏感的估算，以及繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 2011 reM ANL l??? （ ） μ 0—— 真空磁導(dǎo)率； μ r—— 鐵心材料相對(duì)磁導(dǎo)率； Ae—— 鐵心截面積； N1—— 一次繞組匝數(shù)； L—— 鐵心磁路長(zhǎng)度。如果鐵心未夾緊，磁路中有間隙，則勵(lì)磁電感會(huì)急劇下降，勵(lì)磁電流成倍增加，導(dǎo)致變壓器 性能嚴(yán)重惡劣化。因此它同一、二次繞組相偶合的緊密程度緊密相關(guān)。雖然可以采用 Rc 吸收電路來(lái)降低過(guò)電壓，但會(huì)造成較大的損耗。因此變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少漏感。 輸出濾波電路的設(shè)計(jì) 輸出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流電路輸出的脈動(dòng)直流中的交 流分量，得到平滑的直流輸出。 17 圖21 2(a )一 級(jí)LC濾 波電路圖21 2(b )二 級(jí)LC濾 波電路 濾波器的設(shè)計(jì)首先應(yīng)進(jìn)行電感的設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行電容的設(shè)計(jì)。 —— 允許的電感電流最大紋波波峰峰值； 計(jì)算出電感值后，根據(jù)電感值和流過(guò)電感的電流，再計(jì)算以下各項(xiàng)。max—— 電感電流最大峰值； Bmax—— 磁路磁通密度最大值； Dc—— 電感繞組導(dǎo)體的電流密度； Kc—— 繞組在鐵心窗口的填充系數(shù)； （ 2） 計(jì)算繞組匝數(shù) maxmax?L eLIN BA? () （ 3） 計(jì)算氣隙 20 __e Ll NAL?? () 然后根據(jù)電感電流和預(yù)先選定的電流密度，可以計(jì)算出繞組截面積。/2，而濾波阻抗： 21()C C E ScEsXL CR ? ?? ? ? () 式中 Rces—— 濾波電容等效串聯(lián)電阻； Lces—— 濾波電容等效串聯(lián)電感； C—— 濾波電容值； w—— 電容的工作頻率。 由于開(kāi)關(guān)電源中的輸出濾波器處理的功率很大，濾波電感的濾波容量應(yīng)留有足夠的 20 容量，以免在輸出大電流時(shí)飽和；濾波電容需采用高頻電解電容，以提高濾波效果，減少發(fā)熱；往往采用多個(gè)小電容并列，以降低等效串連電感和等效串聯(lián)電阻。開(kāi)關(guān)器件的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則： （ 1）器件工作時(shí)的電壓和電流都不應(yīng)超出其安全工作區(qū)， IGBT， MOSFET 以及各種二極管，都有相應(yīng)的安全共工作區(qū)，這也是設(shè)計(jì)手冊(cè)的重要內(nèi)容。 （ 2）工作時(shí)的節(jié)溫不能超過(guò)最大節(jié)溫 由于半導(dǎo)體較高的溫度條件下會(huì)變成導(dǎo)體從而失去阻斷電壓的 能力，因此器件工作中管芯的溫度 —— 結(jié)溫不能超過(guò)允許值。對(duì)于采用目前普遍使用的硅材料制造的各種高頻開(kāi)關(guān)器件，如 IGBT、 MOSFET 和 GTR 而言，其結(jié)溫上限 125~125℃。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該計(jì)算出開(kāi)關(guān)器件工作時(shí)的電壓和電流峰值，并根據(jù)安全工作區(qū)（ SOA）來(lái)初步選擇器件的電壓和電流容量，然后根據(jù)估算的器件發(fā)熱功率、最高