【正文】 燕 山 大 學(xué) 2021 年 6 月 基于全橋移相的雙極性輸出DCDC變換器的研究 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于全橋移相的雙極性輸出DCDC變換器的研究 學(xué) 院： 里仁學(xué)院 專 業(yè)： 應(yīng)用電子 學(xué)生 姓名： 王金彪 學(xué) 號： 081203031077 指導(dǎo) 教師： 張純江 答辯 日期： 2021 年 6 月 17 日 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )任務(wù)書 學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：電氣工程及其自動化系 學(xué) 號 81203031077 學(xué)生 姓名 王金彪 專 業(yè) 班 級 應(yīng)電 084 題 目 題目名稱 基于全橋移相的雙極性輸出 DC/DC 變換器研究 題目性質(zhì) ：工程設(shè)計 （ √ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）； 理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）。 （ ）； （ ）； （ ）。425V的雙極性直流電。 (1) DC/DC變換器主電路工作原理的分析和參數(shù)設(shè)計，利用仿真工具優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)；主電路功率器件實現(xiàn)軟開關(guān)。425V輸出，進行系統(tǒng)閉環(huán)仿真。1% 輸出功率： 10kW 開關(guān)頻率： 20kHz 撰寫論文 1 本（不少于 2 萬字，字跡工整、語言流暢、圖表規(guī)范），標(biāo)準(zhǔn) A0圖紙一張。了 解 題 目 概況、工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成 完成主電路和控制電路方案選擇，對所設(shè)計系統(tǒng)進行理論分析 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與仿真研究 系統(tǒng)仿真實驗研究 整理實驗數(shù)據(jù)，并與理論比較，撰寫論文 指導(dǎo)教師：張純江 職稱：教授 2021 年 1 月 13 日 系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 I 摘要 移相全橋軟開關(guān)電路由于把 PWM 控制技術(shù)與軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，在中大功率變換器中應(yīng)用非常廣泛。該變換器 輸入電壓為 200~300VDC，輸出電壓為177。 為了使變換器具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性，變換器必須實現(xiàn)閉環(huán)控制。本文在理論分析的基礎(chǔ)上對該變換器進行了仿真研究， 建立 了該變換器的小信號模型 ，設(shè)計了該變換器主電路、控制電路和閉環(huán)反饋環(huán)節(jié) 等 各項參數(shù)。 關(guān)鍵詞 移相全橋 ； 軟開關(guān) 。 Softswitching 。電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)、現(xiàn)代軍事、交通運輸、航空航天以及新能源系統(tǒng)等 。能源危機之后，各種新能源、可再生 能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。但是，這些發(fā)電方式容易受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，通常需要儲能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要應(yīng)用到相關(guān)的開關(guān)變換器技術(shù)等。按轉(zhuǎn)換前后電能的種類，開關(guān)變換器可分為四類： (1)直流變換器 (DCDC），將一種直流電能 轉(zhuǎn)換為另一種或是多種直流電能的變換器，是直流開關(guān)電源的主要部件； (2)逆變器 (DCAC），將直流電能變換為交流電能的電能變換器，是交流開關(guān)電源和不間斷 電源的主要部件 ； (3)整流器 (ACDC)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電能變換器 ； (4)交交變頻器 (ACAC)，將一種頻率的交流電轉(zhuǎn)換為另一種頻率可變的交流電，或是將一種頻率可變的交流電轉(zhuǎn)換成某一種頻率的交流電的電能變換器。 直流變換器按照其輸入端與輸出端是否電氣隔離可分為兩類：非隔離型變換器和隔離型變換器。單管變換器有六種，即降壓式 (Buck)變換器、升壓式 (Boost)變換器、升降壓式 (Buck/Boost)變換器、 Cuk 變換器、 Zeta 變換器和 Sepic 變換器。 隔離型變換器采用變壓器實現(xiàn)隔離，不僅實現(xiàn)輸入輸出間的電氣隔離，還可以實現(xiàn)電壓變換和多路輸出。單管的有正激 (Forward)和反激 (Fly back)變換器兩種。 在開關(guān)器件電壓電流定額相同的條件下，變換器的輸出功率和所用開關(guān)管的個數(shù)成正比，即四個管的變換器輸出功率最大，單管變換器輸出功率最小。按照 開關(guān)管的數(shù)量和器件的組成結(jié)構(gòu)來看，多數(shù)開關(guān)變換器的種類的適用功率范圍和其他設(shè)計特性如表 所示 表 11 常見的 PWM 開關(guān)變換器的住拓?fù)浔容^ 開關(guān)電源的硬開關(guān)方式，因開關(guān)損耗大，限制了開關(guān)頻率的提高。軟開關(guān)技術(shù)擴大了各種 DC/DC 變換器的輸出功率范圍，促進了開關(guān)電源高效率和輕型化。 軟開關(guān)直流變換器的發(fā)展 高頻化、小型化、輕量化是現(xiàn)代開關(guān)變換器的發(fā)展趨勢。而且開關(guān)頻率越高，電磁干擾 (Electromagic Interference， EMI)愈嚴(yán)重，容易使開關(guān)管開關(guān)軌跡超出安全工作區(qū)而損壞。要提高開關(guān)頻率，必須解決上述開關(guān)管的硬開關(guān)問題，因此，軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運而生，并廣泛應(yīng)用在半橋、全 橋變換器中。軟開關(guān)變換器的主要發(fā)展過程如下 表。該類變換器實際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器 (Series resonant converters， SRCs)和并聯(lián)諧振變換器 (Parallel resonant converters， PRCs)兩類。在這類變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過程。 (2)準(zhǔn)諧振變換器 (Quasiresonant converters， QRCs)和多諧振變換器(Multiresonant converters， MRCs)。準(zhǔn)諧振變換器分為零點流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 (Zerocurrentswitching Quasiresonant converters， ZCS QRCs)和零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器 (Zerovoltageswitching Quasi． resonant converters， ZVS QRCs)。這類變換器需要采用頻率調(diào)制控制方法。為此，提出了 ZVSPWM變換器和ZCSPWM變換器。它可分為零電壓開關(guān) PWM變換器 (Zerovoltageswitching PWM converters)和零點流開關(guān)PWM變換器 (Zerocurrentswitching PWM converters)。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 1/101/5。為了解決這些問題，零轉(zhuǎn)換 PWM變換器被提出。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換 (Zerovoltage transform，第 1章 緒論 5 ZVT)PWM變換電路和零電流轉(zhuǎn)換 (Zerocurrent transform)PWM變換電路，它的特點是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)，其他時間停止工作。 ⑤ 有源鉗位軟開關(guān)變換器。有源鉗位軟開關(guān)電源變換器，在開關(guān)管關(guān)斷時可以吸收浪涌能量，在開關(guān)管導(dǎo)通時，能將吸收的能量回饋入電網(wǎng)。 ⑥ 廣義軟開關(guān) PWM變換器。 本次研究的主要內(nèi)容 在許多場合需要將單極性輸出的直流電變換為雙極性輸出的直流電。 移相全橋軟開關(guān)電路由于把 PWM 控制技術(shù)與 軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合在了一起，所以在中大功率變換器中應(yīng)用非常的廣泛。因此，設(shè)計一個基于全橋移相的雙極性輸出的 DC/DC 變換器就可以很好地解決光伏電池輸出從單極性到雙極性 。 inV1gV2gV3gV4gV1Q2Q3Q4Q1C2C3C4C1D3D2D4DlkLT 5D6DfLfC0R圖 21 基本電 路結(jié)構(gòu) 圖 ， inV 是直流輸入電壓； 1Q ~ 4Q 是四個主功率開關(guān)管； 1gV ~ 4gV分別是 1Q ~ 4Q 的驅(qū)動信號； 1D ~ 4D 和 1C ~ 4C 分別是 1Q ~ 4Q 的反并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容； lkL 是變壓器原邊串聯(lián)的諧振電感，包括變壓器的漏感； bC 是第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 7 變壓器 原邊 的 隔直電容，用以防止變壓器直流偏磁現(xiàn)象發(fā)生； T為高頻變壓器； 5D 、 6D 是 變壓器 副邊 的 整流二極管； fL 和fC分別是輸出濾波電感和濾波電容； 0R 是負(fù)載。為了得到這個電壓，最傳統(tǒng)的方法就是互為對角的開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷都是同時進行，每只開關(guān)管導(dǎo)通時間小于半個周期?；閷堑拈_關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷都是同時進行的方式，其門極信號的時序波形圖如圖 23所示。 1Q2Q3Q4Q 圖 23 全橋變換器的傳統(tǒng) PWM控制方式 實際上，互為對角的開關(guān)管的開通或關(guān)斷不一定要在同一時刻完成。 第二種控制策略 ―有限雙極性控制 ‖，有兩種情況： 第一種情況是兩只對角開關(guān)管同時開通，但不同時關(guān)斷 .這種情形下，其中一個管子的導(dǎo)通時間長度仍由 ，但另一只管子卻推遲關(guān)斷時間，最多可以到接近 。 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 9 2Q 4Q1Q 3 1Q 2Q 34Q 圖 24 有限雙極性控制方式（一） 123Q41Q2Q3Q4 圖 25 有限雙極性控制方式（二） 123Q4 圖 26 移相控制方式 第二種情況是兩只對角開關(guān)管同時關(guān)斷，但是不同時開通。這就是所謂的 ―有限雙極性控制 ‖的另外 一種情況，可能的實現(xiàn)方法也有兩種，如圖 25所示。兩只對角的開關(guān)管開通、關(guān)斷都不同時進行，其中一個先開通先關(guān)斷，而另一只則后開通后關(guān)斷。這種控制策略是本次設(shè)計采用的控制方式，如圖 26。其主要缺點是 :滯后橋臂開關(guān)管在輕載下將失去零電壓開關(guān)功能，次邊存在較大的占空比丟失，開關(guān)管的開關(guān)為硬開關(guān)，開管損耗大。圖 率管的四個驅(qū)動信號及主要工作波形，每 組 橋臂的兩個功率開關(guān)管成 180176。 1Q 和 2Q 分別領(lǐng)先于 4Q 和 3Q 一個相位，所以稱 1Q和 2Q 組成的橋臂為領(lǐng)先橋臂， 3Q 和 4Q 組成的橋臂為滯后橋臂。在分析之前，做出如下假設(shè)：所有開關(guān)管，二極管為理想器件，所有電容，電感和變壓器為理想元件。原邊電流由電源正經(jīng)由 1Q ， 諧振電感 lkL ， 變壓器原邊繞組以及 4Q ，最后回到電源負(fù)級，在 t0時刻原邊電流達到最大值。如圖 27所示 。由于有 3C 和 1C ， 1Q 是零電壓關(guān)斷。原副邊的電流回路如圖 28所示。從而結(jié)束該模態(tài)。雖然 3Q 被開通，但 3Q 并沒有電流通過，原邊電流由 3D 流過。原副邊的電流回路如圖 29所示。 2t 時刻，原邊電流下降到 2I 。原邊電流由 2C ， 4C 兩條途徑提供，即原邊電流 Ip用來抽走 2C 上的電荷，同時又給 4C 充電。此時4AB CVV??， ABV 的極性自零變?yōu)樨?fù)，變壓器副邊繞組電勢下正上負(fù)，整流二極管同時導(dǎo)通，將變壓器副邊繞組短接，這樣變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零， ABV 直接加到諧振電感上。在 2t 時刻，當(dāng) 4C 電壓上升到 inV ， 2D 自然導(dǎo)通，這一模態(tài)結(jié)束。由電路結(jié)構(gòu)可得： 4prCdiLudt ?? (29) 4log 12C pduCidt ? (210) 即： 2log 22 prpdiL C idt ?? (211) 令log12CrL?? ，解得： ? ?22cospi I t t??? (212) 4 22lo g s in ( )2rC Lu I t tC ??? (213) 令log2rp LZ C? ，則有： 4 22si n ( )Cpu Z I t t??? (214) 2 22si n ( )C in pu V Z I t t?? ? ? (215) 在 3t 時刻， 4Q 電壓上升至 inV ， 2C 電壓下降到零， 2D 自然導(dǎo)通，開關(guān)管2Q 和 4Q 的導(dǎo)通延遲時間 t4： 121 sin indpVt ZI? ? ??? ???? (216) 第 2 章 移相全橋 DCDC 變換器的工作原理 17 (5) 開關(guān)模態(tài) 4， 34[ , ]tt