【硕士论文】推挽正激及其软开关电路的研究与实现

【硕士论文】推挽正激及其软开关电路的研究与实现 南京航空航天大学 硕士学位论文推挽正激及其软开关电路的研究与实现 姓名:戴卫力 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:王慧贞 20040201 南京航空航天人学硕一,:学能论文 摘 要 本文以航空静止变流器中,,,,,—,,,,,结构的前级为主要研究对象，针对效率和高频化问题，在充分考虑航空静止变流器前级,,,,,特点的基础上，借鉴国外,,,技术的发展历程，选择了适合于低压大电流场合下工作的推挽正激电路(,,,,)作为基本电路拓扑，进行了一些理论与实验的研究工作。 文中详细阐述了推挽正激的工作原理，分析了环流现象和箝位电容的作用，并给出了合理的解释。由于筘位电容的加入，相对于推挽电路而言，该拓扑具备了一些独特的优点:减小了输入电流的脉动;削弱了开关管的关断电压尖峰;有效抑制了变压器的偏磁。最后，实现了,,,,的工程应用一成功研制了,,,电源子模块，获得了良好的效果。 为了减小变换器的体积与重量，实现高频化。针对,,,电路拓扑，分析了实现主功率开关管,,,关断的三种软开关 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，并对各个谐振网络的工作状态和能量损耗进行了详细地分析与理论研究，给出了各谐振网络下的谐振参数的选取原则，最后从效率与拓扑结构上，对三种软开关方案进行了比较，总结了各自的优缺点。关键词:推挽正激 环流 软开关辅助绕组,,, ,,, 推挽正激及其软开关电路的研究与实现 ,,,,,,;, ,,,,, ,, ,;？,,,, ,,,, ,,,,;,,,;, ,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,？,,,;, ,, ,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,;,, ,,,,,; ，,,,,,,,(,,，),,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,;, ,,,,;,，,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,(,,,,)，,,,;, ,,,,,, ,, ,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,，,,,, ;,,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,,，,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,, ,,,,, ,,;,,,,,,,,, ,, ,,,, ;,,,,;,,,, ,,,,， ,,, ,,,,,,,;,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,( ,,,, ,,,,,,, ,,,,;,,,,，;,,;,,,, ;,,,,,, ,,, ,,,,;,, ,, ;,,,,,,, ;,,,;,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,(,,;,,,, ,, ,,, ;,,,,,,, ;,,,;,,,,，,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,, ,,,:,,,,;,,, ,,, ,,,;,,,,, ,, ,,, ,,,,, ;,,,,,,;,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,, ,,, ,,,,—,,,,,,,; ,, ,,, ,,,,,,,,,,,(,, ,,,,，,,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,;,——,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,;,( ，, ,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,丹,？,,,;, ,,, ,,;,,,,, ,,,, ;,,,,, ,,, ,,,,,, ,, ,,,;,,,,,,,,，,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,，,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,, ,,,(,,,,,,, ,,,;,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,;,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,;,,,, ,,, ;,,;,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,, ,,,, ,,,,,(，, ,,, ,,,，,, ;,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,，,,,,,;,,,, ,,;,,,,,;,, ,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,—,,,, ,,,,,,,，,,,;,,,, ;,,,,,,，,,,,,,,,,;,,,,，,,,,,,,,, ,,,,,,,，,,,，,,, ,， 南京航空航天入学硕士学位论文 第一章绪论 航空静止变流器由于具有效率高、体积小、重量轻及可靠性高等优点，美国等先进国家已完全用它取代了传统的旋转变流机。本章对航空静止变流器的概况和软开关技术的发展做了简要的回顾，最终确立了以推挽正激变换器及其软开关技术的实现作为本文的研究重点。,(,航空静止变流器的现状和发展方向 航空静止变流器(,,，,,,,,,,,,,,;,, ,,,,,; ，,,,,,,,)是航空电源系统的二次电源，主要用于将飞机上主电源直流电,,,低压直流或,,,,高压直流变换为恒压恒频交流电儿,,,,,,,,或,,,,,,,,,的一种静止变流装置，供机上的负载使用…。 航空静止变流器的基本要求是:高可靠性，低成本，维护方便，体积小、重量轻，电气性能好。主要电气性能指标有:输出频率稳定，输出电压精度高，动态,向应速度快，输出正弦电压失真度小，效率高。近年来，随着飞机战斗性能的提高和用电设备的不断增加，以及为满足现役机种改型的需要，对航空静止变流器也提出了更高的要求:高变换效率、高可靠性、高功率密度、输入与输出之间应有电气隔离、无污染、智能化等。而变换器要实现高变换效率、高可靠性与高功率密度的基础就在于单级,,,,,变换器和单级,,,,,逆变器的软开关变换技术的研究与工程实现。对于低压直流输入的静止变流器，和变压整流器一样在低压大电流下工作，功率器件损耗较大，减少损耗，提高效率就显得十分重要?】。 航空静止变流器的电路结构经历了三个发展阶段:?推挽式逆变器方波输出结构?升压直流变换器和阶梯波合成逆变器组合式结构?单端反激,,,,,;,变换器与正弦脉宽调制,,,,逆变器组合式电路结构,,，,,。 同时，根据不同的输入输出电气要求，航空静止变流器的基本结构框架又可分为两类【,】: (,),,,,,结构直接把输入直流电逆变成所需频率和幅值的交流电，通常在输出端加上交流变压器，一是实现输入输出端的电气隔离，二是将输出电压升高到所需要的值。 (,),,,,,—,;,,,结构前级,,,,,将输入直流电变换到后级逆变器所需的输入电压值，同时实现输入输出端的电气隔离。,,,,,再将直流电逆?涑伤 璧慕涣鞯纭?国外对航空静止变流器的研究较早，技术也相对国内成熟。从总体上看，国内航空静,,变流器的品种少、容量小、技术落后，不能完全满足现有战斗机、舰载机的需要。因此，开展新一代高频软开关航空静止变流器的研究对于飞机电源系统的改进与战斗性能的提高都具有重要意义。本文将航 空静止变流器的前级,,,,,,,部分作为研究对象就是基于这一主要出发点。 推挽正激及其软开关电路的研究与实现,(,航空静止变流器前级的几种常用电路拓扑 不 门 ? ，地 【;‘肴 ， ,,,, , 〕 ， (口)单端反激电路 电路 ? 珀讲, :四宫: , , ‰,旷 : , 。雠 ,; ? , 曲础 ,腭, 【 ) 激电路 (,)半桥,;,,,电路 (,’全桥,,,,,屯路 图,(, ,,，前级常用电路拓扑,(,(,单端反激电路〔如图,(,(,)〕 多用于小功率场合，常用于设计多路输出激励电源。反激式变换器中的电感变压器起着电感和变压器的双重作用。具有电感电流连续、临界连续和断续,种工作模式。而这里所指的连续不是单线圈电感电流的连续，而是用次级线圈晶体管截止时间的电流状态来说明，实际上是指磁通的连续【,,。反激变换器不能空载运行且调节困难，一般在负载较大的场合。为了减小体积，让变换器在小电流时工作在电流断续状态，较大电流时工作于电流连续状态。 南京航空航天大学硕士学位论文,(,(,单端正激电路〔如图,(,(,)〕 形式上与反激类似。由于在晶体管导通时，磁化电流能量储存于变压器的磁场中，所以当晶体管关断时，必须提供磁场能量释放回路，这就带来了各种磁复位电路的研究陋,,。且变压器单向磁化，变压器的利用率低。通常单端正激变换器占空比,,,(,，以避免由于晶体管的存储时间使铁心不能复位。正激变换器的输出功率不象反激变换器那样受变压器储能的限制，输出功率较反激变换器大，但正激变换器的开关管电压应力高，为输入电压的两倍，有时甚至更高，限制了其应用范围。,(,(,双管正激电路〔如图,(,(;)〕 双管正激电路一般用于输出电压较高的中大功率场合。相对于单管正激变换器而言，它克服了开关管电压应力高、需采用特殊的复位电路等缺点，有其优越性。但它自身也有缺陷:为保证可靠的磁复位，其工作占空比只能小于,(,;为获得更高的输出电压，须提高变压器的变比，从而使变压器副边续流二极管的电压应力增大，考虑反向恢复特性后，又成为制约副边整流电路设计的主要因素，不适合高输出电压的场合,,】。,(,(,推挽电路〔如图,(,?〕 拓扑结构简单，适用于中小功率场合。但推挽电路中对变压器的绕制要求较高，必须具有良好的对称性，否则将会产生直流磁化分量——偏磁而导致铁心饱和,,矧。为防止偏磁，控制方式需采用峰值电流控制。推挽电路有它难以克服的缺点:口)变压器的铁心偏磁给器件的参数一致性和驱动电路脉冲宽度的一致性提出了较高的要求，同时控制方式也要求采用电流型控制方案;,)开关管关断时漏感能量在开关管上会引起高的电压尖峰，给主变压器的绕制提出了较高的要求。上述两个缺点限制了推挽电路的应用。,(,(,半桥电路〔如图,(,(,〕 半桥电路一般用于单相逆变器，但也可用于直流变换。只需在半桥电路输出端加上整流滤波电路即可获得直流电压。输出直流电压的纹波正比于;,和,,上的电压波动【,】。半桥电路相对于推挽电路而言，开关管电压应力减小了,半，为输入电压,。对于半桥电路而言，应尽量减小变压器的漏感，从而减小复位电压的持续时间和占空比的丢失?,。,(,(,全桥电路〔如图,(,(，)〕 全桥电路适用于大功率场合。桥式变换器中开关管承受的电压与半桥一样，为输入电压‰。流过开关管的电流，在相同的输出功率时，全桥为半桥的一半。桥式适用于高输入电压场合。与推挽电路一样，由于开关管的压降或驱动脉冲的不对称，会 推挽正激及其软开关电路的研究与实现引起变压器铁心的偏磁。通常我们在变压器的初级串联一个电容，隔离直流分量;或采用电流控制,,,模式来避免铁 心饱和。全桥电路与半桥相似，由于变压器的漏感也存在复位电压和占空比丢失的问题。,(, ,,,,,变换器软开关技术的发展 在常规的,,,,, ,,,变换器中，功率开关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断，处于强迫开关过程，这种开关过程称为硬开关(,,,,,,,,;,,,,)过程。在硬开关状态下工作的,,,,, ,,,变换器，随着开关频率的上升，一方面开关管的开关损耗会成正比的上升，使变换器的效率大大降低，处理功率的能力大幅度减小;另一方面。还会产生严重的电磁干扰(,,，)噪声。 由于功率开关管不是理想开关，开和关都需要一定的时间。在这段时间里，开关管两端电压(或通过电流)减小的同时，其上通过的电流(或两端的电压)也同时上升，形成电压和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗。开关管的开通损耗和关断损耗分别等于在开通和关断时间里开关管两端电压,和通过电流,乘积的积分，即 ， ?( 睨。,【,‘击， 呒扩,【”珞去衍即一周期开通和关断的总损耗分别为: 岛,,,‰， 只‖,,呢矿 式中，‰为开通时间，,谚为关断时间，工为开关频率。显然，随着开关频率的提高，开关损耗将成正比线性上升。 为减小开关损耗，提高变换器效率，提出了软开关技术。软开关技术的发展大致经历了以下三个阶段:,、准谐振和多谐振软开关技术;矗、零电压(,?,)和零电流(,;,)软开关技术:;、零电压(,,,)和零电流(,,,)转换软开关技术。,(,(,准谐振和多谐振软开关技术 在,,,,; ,,,变换器设计中较早提出的软开关变换器是准谐振变换器 (,,,,)，因电路工作在谐振的时间只占一个开关周期中的一部分，故称为准谐振。由于准谐振变换器不能使电路中的有源开关和二极管同时具有软开关条件，因此后来又提出了多谐振变换器(,,,,)。因为电路中的谐振拓扑和参数不止一个，故称为多谐振。在准谐振变换器和多谐振变换器中，输出电压的调节是通过调节开关频率来实现的，当负载和输入电压在大范围内变化时，开关频率也需要大范围的变化，这使得变压器及滤波器的设计变得很困难。,(,(,零电压(,,,)和零电流(,;,)软开关技术 针对准谐振与多谐振技术带来的开关频率变化大的问题，人们又提出了,,,(,,,变换器和,,,(,,,变换器。这种类型的变换器，将准谐振变换器与常规 , 南京航空航天人学硕十学位论文的,,,变换器相结合，通过附加的辅助有源开关阻断谐振过程，使电路在一个工作周期内，一部分时间按,,,或,,,准谐振方式运行，另一部分时间却按,,,方式运行，既具有软开关的优势(又具有,,,恒频占空比调节的特点。在,,,(,,,变换器和,,,(,,,变换器中，谐振电感串联在主功率回路中，因此电路中总是存在着很大的环流能量，这就不可避免地增加了电路的导通损耗;另外，电感储能与输入电压和输出负载有很大关系，使得电路的软开关条件过分依赖于输入电源和输出负载的变化。,(,(,零电压(,,,)和零电流(,,,)转换软开关技术 为了解决上述问题，人们在原有基础上又提出了零电压转换(,,,),,,变换电路和零电流转换(,,,),,,变换电路。在这类电路中，辅助谐振电路与主功率不关管相并联，电路中的环流能量被自动地保持在较小的数值，且软开关条件与输入电压和输出负载的变化无关。 ,述各种软开关变换技术在实际的,,,,, ,,,变换器的设计中正在得到越来越广泛地应用。比较典型的有:零电压开关或零电流开关的正激、反激或正反激组合式变换电路，,,,开关的推挽变换电路〔,,,，全桥移相式,,,变换电路，全桥移相式,,,,,变换电路【,,哼〕， 以及采用,,,、,,,技术的有源功率因数校正电路,,,,等等。近年来，软开关技术还应用到多电平变换器【,,,中，所有这些应用都 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出了软开关技术在,,,,, ,,,变换电路中拥有着良好的应用前景。,(,推挽正激电路的提出及演变 为了利用前面所提变换器拓扑的优点，克服其缺点。我们采用了推挽正激电路:该变换器电路与推挽电路类似，只是在变压器的两个原边绕组，两开关管之间串接了,个电容〔如图,(,(栅〕。当开关管,,导通时，输入电源电压和?,并联，电容,和?,并联。在此期间，推挽正激电路相当于两个单端正激电路的并联，故将此电路拓扑命名为推挽正激变换器电路睇’”‘(,,,,)。 图,(,为推挽正激变换器(,,,,)的演变图:在降压式,,;,变换器开关管,的后面插入一个隔离变压器构成单端,,,,,,,变换器;两个单端,,,,,,,变换器并联组合形成推挽直流变换器;在推挽变换器两个开关管和两个变压器原边绕组之间串入一个电容，就构成了新颖的推挽正激变换器电路。 推挽正激电路相对于推挽电路来说，有诸多优点，主要体现在以下几个方面: 口)减小了输入电流的脉动，从而可以减小,,,,,变换器输入滤波器的体积与重量，简化了设计: ,)能有效抑制变压器的铁心偏磁; ;)开关管关断时，为变压器?穆?心芰刻峁?耸头回路，抑制了歼关管两端的关断电压尖峰: 推挽正激及其软开关电路的研究与实现 而相对于上述单管电路而言，推挽正激电路的变压器实现了双向磁化，变压器的 利用率得以提高。且与单端正激电路相比，省掉了磁复位绕组，主电路拓扑显得更为 简洁。 基于以上优点，推挽正激电路拓扑在低压大电流、宽范围输入电压应用场合具有较为明显的优势。在以后的章节中将陆续对上述优点进行详加阐述和分析。 (,),,,,,,, ,,,;,,, (口),,;,,,,;,,, ,?,, , ,、,脚: :凹: ? ， 暨, , 凸; ; ? 。,唯 ? ? 曲础 ,,; , : ) (;),,,,—,,,, ,,,;,,, (;, ,,,,—,,,, ,,,,,,, ,,,;,,, 图,(, ,,,,演变图,(,本文的研究内容与主要意义,(,(,本文的研究内容 本文研究的课题主要是为将来航空静止变流器的改进与研制进行预研。 享亨事枣分母了堆挚车举皂蹄艳扑的干作厚翠，(葶对基攀开苯革术的宰孕儆了?窄的研率,具体主要做了以下一些工作: ，、分析了推挽正激电路拓扑的工作原理，对变换器中的漏感平均电流(环流)进行了讨论，结合箝位电容,的作用，阐明了,,,,所具有的一些特点，并进行了合理的解释。 ，，、结合,,,,,,,,电源子模块的开发研制，给出了,,,,主电路参数的殴计方法。 南京航空航天大学硕士学位论文 ，，，、提出了基于,,,,的三种软开关电路拓扑，分析了各自的特点，给出了谐振参数的设计准则，并对各个电路拓扑进行了比较。,(,(,本文的主要意义 本文研究的内容具有重要的意义: 首先、对推挽正激电路的研究，使得我们可以将其推广到各种低压大电流、宽范围输入电压的应用场合:如计算机、邮电通信、电力系统和航空航天领域等，尤其适用于通讯电源中,,,的设计‘,,‘,,，,,,,,，美国,,,,在这方面已经做了大量的研究工作。 其次、对软开关方案的研究也可将其推广到各种带有变压器隔离的电路拓扑中，实现变换器的高功率密度、高效率和高可靠性，具有典型性和普遍性，有一定的应用价值。 推挽正激及其软开关电路的研究与实现 第二章推挽正激电路的工作原理与环流分析 本章详细分析了推挽正激变换器(,,,,)的工作原理，并对漏感平均电流(环流)作了比较深入的分析;针对全桥整流和全波整流对 副边的换流情况做了简要的讨论，在此基础上给出了,,,,电路的,,,,;,仿真波形，证明了原理的正确性和可行性。最后对推挽正激电路的优缺点进行了归纳与总结。,(,推挽正激电路的工作原理 推挽正激电路如图,(,所示。为分析方便，我们先做出如下假设:变压器原边匝数,,，,,,,,,,，副边匝数,,,，匝比,,,,,,,，,,(为每个开关管的导通时间，,为开关周期，开关频率五,,,疋，占空比,,,,,以，厶,蹦,为平均负载电流，原边励磁电感分别为,,,,,,,,,,。，,,为副边等效漏感，输出滤波电感为,，，输出滤波电容为,,负载电阻为吼。,(,(,稳态工作关系 如图,。,所示，两个开关管无论哪一个导通，电容,都将和其中一个原边绕组并联，电容,上的电压,维持左正右负，可近似看作为恒压源，其电压平均值约等于输入电源电压,。输入电源,、电容;和两个开关管,,、,构成一个回路。由基尔霍夫定律可知: 矿,。,，,,。,,,。，,，。?,,,。 (,(,)所以两个开关管上的电压应力之和最大为,,。 从第一章推挽正激电路的演变过程可以看出:就电路的基本 ,工作原理而言，它仍然具有,,;,电路的基本输入输出关系，即: ,。,,,,。 (,(,)假定变换器损耗为零，由输出功率等于输入功率，我们可以得到: ，,,,,，。 (,(,) 图,(,推挽正激电路拓扑(,,,, ,,,;,,,) 南京航空航天大学硕士学位论文,(,(,详细的模态分析 图,(,为,,,,电路的工作原理波形。在整个工作周期，该电路共有,个工作模态。在分析之前，先做如下假设: (,)所有不关管、二极管均为理想器件; (,)电感、电容为理想元件: (,),足够大，稳态工作时，电压基本彳,变，可视为电压源; (,),足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变，这样,卜,、凡就可以看成…个电流为厶的电流源。 (,)所有电量参考方向以图,(,所标注的方向为『,方向，计算公式中忽略了变压器励磁电流的作用(励磁电流很小)。 ,, , , (,:’ , , , , , ,:, 荔;誓?善 .