摘要 隨著軟開關技術和并聯均流技術的發展 高性能的大功率高頻開 關電源的研究與開發己成為電力電子領域的重要研究方向 針對大功 率電源在性能 重量 體積 效率和可靠性方面的要求 本文主要對 高效率的開關電源主電路結構和并聯均流控制技術進行研究 并研制 出一種基于l l c 諧振的交流電力機車智能控制充電機系統 交流傳動電力機車對其所用的大功率蓄電池充電機的工作效率 要求達到9 0 以上 這是采用硬開關技術的開關電源難以達到的 根 據這種開關電源功率大 效率要求高的特點 充電機主電路采用了 l l c 諧振全橋電路的結構 選取諧振元件參數是設計l l c 諧振全橋 電路的重點和難點 本文通過建立l l c 全橋諧振變換器的線性等效 模型 詳細分析了l l c 諧振全橋的頻率 短路和空載特性 提出一 套完整的l l c 諧振全橋電路結構的參數設計方法 本充電機最大輸出電流為1 5 0 a 為此設計采用了5 個3 0 a 電源 模塊并聯供電的模式 論文依據設計要求選取l l c 諧振全橋電路的 元件參數 利用s a b e r 仿真驗證了參數的正確性 并完成了整個電 源模塊主電路其它器件的參數選擇 控制電路采用通用p w m 調制芯 片s g 2 5 2 5 實現p f m 調頻控制 實現了電源模塊的高頻z v s 零電 壓開關 軟開關 有效地提高了電源模塊的轉換效率 減小了單模塊 的體積 通過對幾種常用的負載均流方法進行研究和電路分析 根據主從 均流控制的特點 采用c a n 總線實現主從均流法 數字均流的采用 提高了系統的抗干擾能力 設計了監控模塊對各電源模塊和整體輸出 進行監控 通過c a n 總線接口和人機接口的設計 提高了電源系統 的智能化和可操作性 實現了多個電源模塊并聯供電的模式 最后給出了電源模塊的實驗結果和電源系統并聯運行的測量數 據 實驗證明了理論分析的正確性和設計方法的合理性 關鍵詞開關電源 l l c 諧振全橋變換器 s a b e r 仿真 并聯均流 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o f t s w i t c h i n ga n dc u r r e n ts h a r i n g l a r g e c a p a c i t ya n dh i g h f r e q u e n c yp o w e rs u p p l i e sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n t r e s e a r c hf i e l do fp o w e re l e c t r o n i c s t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fl a r g e c a p a c i t yp o w e rs u p p l yo np e r f o r m a n c e w e i g h t s i z e e f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t y t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nm a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fh i g h e f f i c i e n c ya n dt h ec o n t r o lo fp a r a l l e l i n gc u r r e n ts h a r i n g t h e nd e v e l o p sa n e l e c t r i cl o c o m o t i v ei n t e l l i g e n tc h a r g e rs y s t e m t h el a r g ec a p a c i t yb a t t e r yc h a r g e r u s e db ya cd r i v i n ge l e c t r i c l o c o m o t i v e i sr e q u i r e dh i g h e f f i c i e n c yw i t hm o r et h a n9 0p e r c e n t s i ti s i m p o s s i b l et os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n tb yu s i n gh a r d s w i t c h i n gt e c h n i q u e a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i co fl a r g ec a p a c i t ya n dh i g h e f f i c i e n c y an o v e l f u l l b r i d g en a m e dl l c r e s o n a n tc o n v e r t e ri sa d o p t e dt od e s i g nt h i sp o w e r s u p p l y t h ef o c u sa n dd i f f i c u l t i e so fu s i n gt h i sc o n v e r t e ra r et h es e l e c t i o n o ft h ep a r a m e t e r so fr e s o n a n tc o m p o n e n t s t h r o u g hd e t a i l e da n a l y s i so n p r o p e r t i e so ff r e q u e n c y s h o r t c i r c u i ta n dn o l o a d am e t h o d o nd e s i g n i n g t h ep a r a m e t e r so fl l cf u l lb r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e rb a s e do na n e q u i v a l e n tl i n e a rm o d e l i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h i sc h a r g e rw i t h5p o w e rm o d u l e sp a r a l l e l e dt o g e t h e r c a no u t p u t 15 0a m p e r ec u r r e n t e a c hw i t h3 0a m p e r ec u r r e n t f i r s t l y b a s e do n d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ec o m p o n e n t sp a r a m e t e r sa r es e l e c t e da n dt h e c o r r e c t n e s so ft h e s e p a r a m e t e r s i sc h e c k e db ys i m u l a t i o nu s i n ga s o f t w a r en a m e ds a b e r t h e nt h ed e s i g no fo t h e rp a r a m e t e r si nt h em a i n c i r c u i to ft h ee n t i r ep o w e rm o d u l ei sa c h i e v e d b e s i d e s ac o m m o np w m c o n t r o li cn a m e ds g 2 5 2 5i su s e da st h ec o n t r o lc e n t e rt or e a l i z ep f m c o n t r 0 1 b yw o r k i n go nz v s z e r o v o l t a g es w i t c h s o f t s w i t c h i n ga n d h i g h f r e q u e n c ys t a t e t h ea i mo fh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n ds m a l l e r s i z eo ft h ep o w e rm o d u l eh a sb e e na c h i e v e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs e v e r a lc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d sa n dp a r a l l e l c i r c u i t m a s t e r s l a v ec u r r e n ts h a r i n gm e t h o di su s e db a s e do nc a n b u s w h i c hi m p r o v e st h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es y s t e m t h e na m o n i t o r i n gm o d u l ei sd e s i g n e dt om o n i t o rt h ep o w e rm o d u l e sa n dt h e o v e r a l l o u t p u t t h ed e s i g n o fc a nb u si n t e r f a c ea n dm a n m a c h i n e i n t e r f a c em a k e st h e p o w e rs y s t e m m o r e i n t e l l i g e n t a n d p r a c t i c a l a c c o r d i n g l y i ti s s u c c e e dt op a r a l l e l a l lt h ep o w e rm o d u l e s t o g e t h e r f i n a l l y e x p e r i m e n t r e s u l t so ft h ep o w e rm o d u l e sa n dt h ep a r a l l e l o p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e ma r ep r o v i d e d w h i c hp r o v e t h ec o r r e c t n e s s o ft h et h e o r ya n dt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g nm e t h o d s k e yw o r d ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l y l l cr e s o n a n tf u l l b r i d g e c o n v e r t e r s a b e rs i m u l a t i o n p a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n g 原創性聲明 本人聲明 所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果 盡我所知 除了論文中特別加以標注和致謝 的地方外 論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果 也不 包含為獲得中南大學或其他單位的學位或證書而使用過的材料 與我 共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在論文中作了明確的說明 作者簽名 盔 查 學位論文版權使用授權書 本人了解中南大學有關保留 使用學位論文的規定 即 學校 有權保留學位論文并根據國家或湖南省有關部門規定送交學位論文 允許學位論文被查閱和借閱 學校可以公布學位論文的全部或部分內 容 可以采用復印 縮印或其它手段保存學位論文 同時授權中國科 學技術信息研究所將本學位論文收錄到 中國學位論文全文數據庫 并通過網絡向社會公眾提供信息服務 作者簽名 建岔導師簽名榭日期 堡墟年蜘么皇 碩士學位論文第一章緒論 第一章緒論弟一早珀可匕 隨著電力電子技術的迅速發展 高頻開關電源因其具有體積小 重量輕 頻 率高和輸出紋波小等特點 正迅速代替傳統的相控電源廣泛應用于計算機 通信 工業加工 鐵路和航空航天等領域 近年來 電力電子作為節能化 自動化 智 能化 機電一體化的基礎 正朝著應用技術高頻化 硬件結構模塊化 產品性能 綠色化的方向發展 1 1 隨著我國鐵路交通的發展 對各項技術的要求越來越高 目前我國電力機車 普遍采用相控式1 1 0 v 晶閘管直流穩壓電源 主變壓器輔助繞組3 9 6 v 引出單相 電源 經控制電源變壓器降為2 2 0 v 再用晶閘管單相半控橋式整流電路整流 最后經過平波電抗器和蓄電池濾波 它與機車蓄電池并聯運行 為機車控制電路 和照明電路提供11 0 v 的穩定電壓 用大功率高頻開關電源代替傳統的相控電源 已成為一種發展趨勢 近年來 大功率高頻開關電源逐漸代替了相控電源 且研 究比較深入 隨著交流傳動技術的發展 我國己開始進入交流傳動電力機車的時 代 而交流傳動電力機車對其所用的大功率蓄電池充電機的轉換效率要求達到 9 0 以上 這是采用相控電源和采用硬開關技術的開關電源都難以達到的 根據 這種開關電源功率大 效率高的特點 本文在研究高頻軟開關電源模塊的基礎上 對高頻軟開關電源模塊的并聯均流技術進行研究 構建具備冗余功能的蓄電池充 電機 其功率密度 體積重量和穩定性都具有較大的提高 1 1 研究背景 控制用直流電源系統是電力機車中不可缺少的重要設備 正常情況下 電力 機車從電網取電時 直流電源系統中的充電機給機車上的輔助回路供電 如控制 照明 保護裝置的運行等 并且給蓄電池充電 蓄電池能在受電弓未得電或者充 電機故障時 為機車上的輔助回路的運行供電 因此作為直流電源系統重要設備 之一的充電機的可靠性與自動化程度直接影響電力機車系統的運行質量 進而影 響到整個電力機車的運行安全與效率 本研究來源于項目一 d j 4 交流傳動電力機 車充電機系統的研制 目前我國直流傳動電力機車上用的充電機系統大都采用相控式1 1 0 v 晶閘管 直流穩壓電源 傳統的相控整流電源 具有體積大 重量大 動態響應速度慢 諧波污染嚴重等缺點 高頻開關電源由于具有更高的效率 更小的體積和重量以 及更快速動態響應特性 正在逐步取代傳統的相控整流電源 有少量的電力機車 采用了開關電源技術 主電路中的開關管選用i g b t 或者i p m 變換器采用半橋 或者全橋硬開關技術 2 3 受i g b t 和i p m 元件研制水平的限制 該類開關管工 碩 學位論文第一章緒論 作頻率較低 一般在2 0 k h z 左右 高頻變壓器的利用率不夠高 不能大幅度的 減小電源的體積 又由于采用的是硬開關技術 在開關管的開通和關斷過程中產 生大量的開關損耗 當變換功率較大時 需要設計較大的散熱器和大功率風機控 制開關管的溫升 轉換效率只能達到8 0 左右 i 一g 日 匕e s 達到高效率 9 0 以上 的 要求 因此i g b t 和i p m 的研制水平 開關損耗和有限的安裝空f 叫限制了了 關 電源功率密度和效率的提升 而軟開關技術的應用能克服這些缺點 交流傳動電力機車充電機的輸入電源來自于其輔助電源系統輸出的 4 4 0 v 6 0 h z 三相交流電 充電機正常輸出工作電壓為1 0 8 v 設計要求其轉換效 率不小于9 0 這是采用硬開關技術開關電源難以達到的 因此需要研究能實 現更高轉換效率的主電路結構 該充電機的輸出電流要求達到1 5 0 a 在大功率 的前提下怎樣滿足其可靠性的要求 對系統的設計提出了較高的要求 1 2 開關電源的現狀與發展 開關電源技術在2 0 世紀8 0 年代引入我國 由于在體積 重量 效率和可靠 性等多方面的優勢 在計算機 通信 雷達 家用電器 自動化設備等眾多領域 中已完全取代了傳統的晶體管串聯調整穩壓電源 國內目前開關電源自主研發及 生產廠家大約有3 0 0 家 形成規模的約有1 0 家 如愛默生電源 朝陽電源 匯 眾電源等 lj 電力機車充電機的發展和電源技術的發展緊密相關 由于電力機車的高可靠 性要求 需要應用較成熟的技術 從而其應用技術的發展要稍滯后于電源技術的 發展 近年來丌關電源技術逐漸應用到電力機車上 國內已先后研制了幾種電力 機車用高頻開關電源口 3 j 1 0 工 作 查1 0 里 1 0 1 0 1 0一1 0 2 1 0 3 一 a o 二 拿o 一 3 4 4 5 一作頻率 h z 圖1 1 器件容量與工作頻率的關系 開關電源技術發展與功率器件研制水平息息相關 2 0 世紀6 0 年代 丌關電 碩士學位論文第一章緒論 源的開關頻率僅為數千赫茲 隨著開關器件和磁性材料性能的改進 開關頻率也 不斷提高 但當頻率達到1 0 k h z 左右時 變壓器 電感等磁性元件發出的噪聲 變得很刺耳 為了追求更小的體積和減小噪聲 在2 0 世紀7 0 年代 開關頻率突 破了2 0 k h z 的人耳聽覺極限 進入 無聲 的頻域 史稱 2 0 k h z 革命 m o s f e t m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de 行e c tt r a n s i s t o r 的使用 使電源的開關頻率 進一步提高 此后 開關電源在小功率應用領域逐漸取代傳統的線性電源 成為 計算機 彩色電視機等電器的電源裝置的主流 功率器件容量及開關頻率的關系 如圖1 1 所示 隨著開關電源技術的發展 各種變換器結構 4 也在不斷發展 變換器可分為 非隔離型和隔離型兩大類 非隔離型變換器有降壓型 b u c k 升壓型 b o o s t 極性轉換型 b u c k b o o s t c u k 型等 隔離型變換器包括反激型 正激型 半 橋型 全橋型 推挽型等 進入2 0 世紀8 0 年代 為了適應宇航 軍事等應用領 域對電源的更小 更輕 更高效的迫切要求 在原變換器結構的基礎 出現了以 諧振為特征的軟開關技術 所謂 軟開關 是指功率開關器件采用零電壓開關 z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g 簡稱z v s 或零電流開關 z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g 簡稱 z c s 技術 5 該技術大幅度的降低了開關損耗和減少了開關噪聲 使得小型開 關電源的開關頻率達到了5 0 0 k h z 10 m h z 功率密度接近10 w c m 3 從而為開關 電源的發展史揭開了新的一頁 諧振變換電路就是在普通開關電路上增加電感和電容元件 或利用電路寄生 電感 變壓器漏感和開關器件寄生電容等構成諧振電路 使得開關器件在零電壓 或零電流下進行狀態轉變 以實現最佳開關變換 諧振變換電路先后出現了負載 諧振變換電路和準諧振變換電路等 為進一步改善有源開關和無源開關的開關條 件 盡可能消除寄生參數對變換器性能的影響 美國弗吉尼亞州立大學電力電子 研究中心 v p e c 于1 9 8 8 年提出了多諧振變換電路m r c m u l t i r e s o n a n t c o n v e r t e r 的概念 5 2 0 0 2 年浙江大學顧亦磊提出l l c 諧振變換器結構 6 l l c 諧振變換器是在傳統串聯諧振變換器s r c s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r 的基礎上 減小勵磁電感改進而來的 在相對于普通串聯s r c 并聯諧振變換器 p r c p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r 在特性上有明顯的改善 其拓撲結構簡單 初級開 關管可實現零電壓開通 z v s 次級整流管可實現零電流關斷 z c s 在寬的 輸入電壓范圍內 輸出功率越高 得到的轉換效率也越高 j 7 8 l l c 諧振變換器是在傳統l c 二階諧振變換器的基礎上減小勵磁電感改進而 來的 在相對于普通串聯 并聯諧振變換器在特性上有明顯的改善 由于l l c 諧振變換器相對于普通串聯 并聯諧振多了一個諧振參數 如何設計和優化l l c 諧振變換器中的三個諧振參數是設計該類變換器的關鍵 目前 針對l l c 諧振 3 碩士學位論文第一章緒論 變換器還沒有簡單的設計方法 大都是用試錯法 不斷的調試和修改來獲得最優 參數 但是不能從原理上解決工程設計問題 文獻 9 在時域內推導了參數選擇 的參考公式 加入了限制條件 最后利用圖解法指明參數優化方向 再結合調試 獲得設計參數 但是針對不同要求的電源 需要設置的限制條件不盡相同 所以 其工程可操作行不強 文獻 1 0 在頻率域內分析了l l c 諧振半橋變換器的一些 特性 推導出了一些有價值的參考公式 確定了參數的大致范圍 再結合調試得 到需要的特性參數k 與q 值 對該類變換器的調試工作有非常大的指導意義 但 并沒有給出k 與q 值的明確的求解公式 而且l l c 諧振全橋變換器與l l c 諧振 半橋變換器的設計方法并不完全相同 提出一套完整的l l c 諧振全橋電路結構 的參數設計方法是l l c 諧振全橋電路應用的一個關鍵問題 多模塊并聯運行的分布式電源系統代替集中式電源供電系統己經成為大容 量高頻開關直流電源系統發展的一個重要方向 如圖1 2 所示 當需要大功率 輸出時 可采用功率電源模塊 大規模控制集成電路做基本部件 組成 積木式 智能化大功供電電源 這樣做既大大的減輕了對大功率元器件和裝置的研制壓力 又解決軟關電源在大功率場合中應用的局限性 圖l 2 并聯電源系統 這種分布式電源系統的優點有 能提高系統的靈活性 可顯著提高模塊的開 關頻率 從而提高了電源模塊的功率密度 使電源系統的體積 重量下降 各個 模塊的功率半導體器件的電流應力減少 提高系統的可靠性 可方便的實現n i 冗余供電 減少產品種類 便于標準化 并聯的開關變換器模塊問需要采用均流 措施 用于保證模塊間電應力和熱應力的均勻分配 防止一臺或多臺模塊運行在 電流極限值狀態 因此采用可靠的均流措施是實現大功率電源系統的關鍵 1 3 總體方案的提出 本文的目的是采用l l c 諧振軟開關技術和模塊化冗余并聯結構進行交流傳 動電力機車充電機的設計和實現 使該充電機具有容量大 效率高 功率密度高 和可靠性高等特點 4 碩士學位論文第一章緒論 l l c 諧振軟開關技術采用的是通過調節變換器工作頻率來實現電源輸出電 壓調整的p f m 控制方式 開關管可以工作在 軟開關 因此開關損耗相對硬開關 要小得多 在既定的溫升內 可以提高開關管的工作頻率 使變換器工作在更高 頻率 提高高頻變壓器的利用率 由于i g b t 1 2 的工作頻率一般不超過2 0 k h z 而m o s f e t 工作頻率可達幾百k h z 因此本方案采用了m o s f e t 作為功率開關 管 交流傳動電力機車充電機輸出電流高達1 5 0 a 依據目前m o s f e t 的功率容 量 必須采用并聯運行的方式 并聯有器件的并聯和電路并聯兩種 為提高可靠 性 本方案采用電源模塊輸出并聯方式 考慮到市面上m o s f e t 的容量 把1 5 0 a 一分為五 系統結構框圖見圖1 3 每個電源模塊承擔3 0 a 的額定負載電流 電 源模塊結構框圖見圖1 4 圖1 3 電源模塊并聯原理框圖 蓖 模 塊 電 壓 輸 出 圖1 4 電源模塊結構框圖 該電源系統由輸入三相交流接觸器 大功率三相交流濾波器 5 個電源模塊 模塊間并聯均流 監控單元以及各模塊與監控模塊的信號聯系等主要部分組成 5 碩士學位論文 第一章緒論 其中三相濾波器采用大功率三相交流濾波器 減小電源系統對輸入的三相交流電 的影響 提高交流輸入的功率因素 模塊問并聯均流總線可以實現各模塊的負載 均衡 監控單元可以在線監控整個電源系統 并提供人機接口 電源系統用電流 傳感器采集輸出總電流 送入監控與通信系統部分 監控總負載電流 1 4 論文的主要內容及組織結構 本論文研究主要內容是高頻諧振開關電源技術以及并聯均流技術 針對電源 設計要求中9 0 以上的高效率要求 主電路采用l l c 諧振全橋拓撲結構 通過 調節頻率 p f m 實現輸出穩壓和均流 針對l l c 諧振電源的元件參數設計難 調試難的問題 參考國內外關于l l c 諧振的研究和設計 提出一套完整的l l c 諧振全橋電路結構的參數設計方法 考慮到電源大功率的特點 模塊化設計電源 的系統結構 采用負載均流措施 實現各l l c 諧振全橋變換器模塊的負載均分 功能 論文的具體組織結構安排如下 第二章首先對比了常見的幾種諧振結構 接著對l l c 諧振全橋拓撲結構展 開分析 通過建立l l c 全橋諧振變換器的線形等效模型 詳細分析了l l c 諧振 全橋的頻率 短路和空載特性 特別對其參數設計進行了詳細的研究 提出了一 套完整的l l c 諧振全橋電路結構的參數設計方法 第三章針對交流傳動電力機車蓄電池充電機技術規范 采用第二章的諧振主 電路結構以及設計方法設計參數 并用s a b e r 軟件進行仿真 驗證所選參數的 的正確性 依據所設計的參數選擇器件 進行基于l l c 諧振全橋的電源模塊的 設計 第四章首先對比了常用的并聯均流方法 了解了數字均流技術的特點 通過 對主從均流法和數字均流控制的研究和分析 采用基于c a n 總線的主從均流法 設計數字均流控制器 使數字均流技術比較好的應用到工程中 最后對監控模塊 的硬件和軟件進行了設計 通過c a n 總線接口和人機接口的設計 提高了電源 系統的智能化和可操作性 第五章對單模塊和整個電源系統的實驗結果分別進行了分析 證明了本文理 論研究和設計方法的正確性 第六章首先對本文的主要工作進行了總結 并指明需要改進以及有待繼續深 入研究的問題 6 碩士學位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 諧振變換器技術相對p w m p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 變換器技術 具有開 關工作頻率高 開關損耗小 效率高 重量輕 體積小 e m i 噪聲小 開關應力 小等優點i 塒 但它在控制方法 參數設計 輸入輸出特性調節上卻相對復雜 首 先諧振變換器是采用p f m p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n 技術實現變換器輸出電 壓調整的 不能沿用p w m 技術的設計與控制方法 其次由于變換器工作在較高 頻率 對驅動電路的要求更高 最后諧振變換器中主電路中諧振元件的參數決定 了諧振變換器的工作狀態 因此如何設計這些諧振參數是設計諧振變換器的關 鍵 l l c i 皆振變換器是在傳統l c 二階諧振變換器的基礎上減小勵磁電感改進而 來的 l l c 諧振變換器以其同時兼具空載工作能力和諧振槽路電流反映負載輕 重的能力 因而具有普通串聯諧振變換器和并聯諧振變換器無法比擬的優勢 l l c 諧振變換器相對于普通串聯 并聯諧振多了一個諧振參數 如何設計和優化 l l c 諧振變換器中的三個諧振參數是設計該類變換器的關鍵 提出一整套工程可 操作的變換器設計方法是本章的一個重要內容 2 1l l c 諧振全橋與典型諧振拓撲的比較研究 功率諧振變換器是以諧振電路為基本變換單元 利用電路發生諧振時 電流 或電壓周期性地過零點 使得開關器件在零電壓或者零電流條件下開通或者關 斷 從而實現軟開關 到降低開關損耗的目的 諧振變換器的結構 1 4 如圖2 1 所示 交流方波電壓或電流加在諧振網絡兩端 產生高頻諧振 諧振電壓或電流經過整流和濾波后 轉變成直流電壓或電流 從 而實現直流 直流變換 d c d c 圖2 1 諧振變換器結構示意圖 諧振變換器有多種不同的分類方法 15 1 根據負載與諧振電路的連接關系 諧振變換器可以分為串聯諧振變換器 s r c 并聯諧振變換器 p r c 以及兩 7 碩士學位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 者的結合所生成的串并聯諧振變換器 s p r c s e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n t c o n v e r t e r 下面就以這三種諧振變換器以及諧振和p w m 控制相結合的移相全 橋分別作簡單的介紹 2 1 1 典型諧振拓撲 1 串聯諧振變換器 串聯諧振變換器 1 7 1 8 i 掃串聯諧振環節和整流環節構成 圖2 2 給出了半橋式 串聯諧振變換器的電路拓撲 全橋式結構與之類似 諧振網絡可以通過全橋整 流濾波電路與負載r l 相串聯 c o 為濾波電容構成濾波電路 1 9 輸入側的兩個 電容c 1 c 2 相等 且容量很大 可認為它們上面的電壓恒定 對輸入電壓進行 分壓作用 分壓電容不參與諧振過程 在半橋電路中 開關管s 1 和s 2 為互補導 通 但s 1 和s 2 之問設有一定死區時間 以避免直通 當s 1 或d s l 導通時 a a 兩點電壓v aa v i n 2 當s 2 或d s 2 導通時 a a 兩點電壓v r 從 v i n 2 因此在一個開關周期上 a a 兩點間形成一個對稱交流方波電壓 幅值為 v i n 2 圖2 2 串聯諧振變換器拓撲 從結構上來看 諧振回路和負載構成了一個分壓器 如果改變開關管的工作 頻率 那么諧振回路的阻抗也將改變 從而負載上的電壓也改變 串聯諧振是一 個分壓電路 因此它的直流增益不會超過1 當電路工作在諧振頻率z l 與c 串聯諧振頻率 時 諧振回路的阻抗最小 這時增益最大 因此對一個串聯諧振 變換器來說 在諧振頻率點它的增益最大 串聯諧振變換器的優點在于 工作頻率廠大于諧振頻率 f 時 原邊開關管 z v s 開通 副邊整流二極管z c s 開通 電路結構簡單 電路中的循環電流比較 低 準正弦整流電流 其缺點是 輕載時電路的工作頻率很高 對驅動電路的要 求過高 調節范圍比較窄 不適合用于設計輸入電壓范圍較寬的電源 2 并聯諧振變換器 8 碩士學位論文 第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 如圖2 3 所示 為并聯諧振變換器 2 0 2 1 1 全橋整流電路不是與諧振網絡串聯 而是與諧振電容c 并聯 整流橋輸出經l c 平滑濾波 向負載傳送能量 當諧振 電容c 的兩端電壓為正時 整流橋二極管d r l 和d r 4 導通并流過輸出濾波電感電 流i o 輸出濾波電感值一般較大 因此流過其的電流可近似看成直流 當諧振 電容c 兩端電壓為負時 整流橋二極管d r 2 和d r 3 導通并流過電流入i o 因此流 入整流橋的輸入電流為方波電流士i o 而整流橋輸出電壓為諧振電容c 的兩端電 壓v b b 電壓全波整流得來 由于輸出濾波電感l o 上的電壓在一個周期內平均為 零 所以輸出電壓v o 等于經全波整流的v b b 電壓的平均值 也即i v l 的平均值 為輸出電壓v o 圖2 3 并聯諧振變換器拓撲 并聯諧振變換器的優點在于 工作頻率 大于諧振頻率z l 與c 并聯諧 振點 原邊管實現z v s 開通 調節范圍比較寬 其缺點是 電路中的循環電流 比較大 輸出濾波電感比較大 不利于功率密度的提升 3 串并聯諧振變換器 圖2 4l c c 串并聯諧振變換器拓撲 如圖2 4 為串并聯諧振變換器 l c c f 2 2 1 的拓撲 串并聯諧振變換器可以看 9 碩士學位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 作是串聯諧振變換器和并聯諧振變換器的結合 其中l 為諧振電感 c 為串聯 諧振電容 c p 為并聯諧振電容 通過全橋整流和b c o 濾波給負載傳輸能量 串并聯諧振變換器的運行模式總的來說可以分為電容電壓連續和斷續兩種模式 當開關頻率在f f 2 范圍內時 并聯諧振電容電壓斷續 開關管零電壓開通 零電壓或零電流關斷 當開關頻率在 2 z 范圍內 時 并聯諧振電容上的電壓連續 諧振回路呈感性 開關管零電壓開關 串并聯諧振變換器的優點在于 原邊功率m o s f e t 實現了z v s 電路的工 作頻率變化范圍比較窄 其缺點是 調節范圍比較窄 電路內的循環電流比較大 輸出濾波電感比較大 4 移相全橋變換器 移相全橋變換裂2 3 2 4 綜合了諧振和p w m 技術 是在全橋變換器的基礎上發 展起來的 它減小了全橋變換器在高頻工作時的開關損耗 它的原理圖如圖2 5 所示 直流輸入電壓為u i n s i s s 3 s 為功率m o s f e t 管 d l d d 3 d 是相應的體二極管 m o s f e t 管還包括輸出電容c c 2 c 3 c l k 包括 變壓器原邊漏感和外串電感 i i 鏟 廠l 上 f l d 5 c o t r ll i u s 蘆 l 圖2 5 移相全橋變換器拓撲 移相全橋變換器中四個開關管的零電壓開通 z v s 是利用電感l 和開關 管輸出電容諧振c c c c 漏感能量向電容c c c c 釋放 使c l c c 3 c 的電壓降到零 體二極管d d d 3 d 開通 為s l s 2 s s 的z v s 創造條件 利用移相技術 讓兩橋臂的開關管s s 和s s 的 驅動脈沖之間保持一定的相位差 改變相位差 就可以改變有效占空比d 從 而調節輸出電壓 l o 碩士學位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 移相全橋變換器的優點在于 開關管在z v s 條件下運行 開關損耗小 控 制簡單 脈寬恒定 只控制移相 有現成控制芯片 如u c 3 8 7 5 恒頻工作 電壓 電流應力小 可用兩倍開關頻率的濾波器 e m i 小 其缺點是 輕載時 滯后臂開關管的z v s 條件難實現 原邊有較大的環流 增加了導通損耗 輸出二極管無法實現零開關 其開關損耗較大 頻率過高 諧 振過大都會造成占空比丟失 2 1 2l l c 諧振全橋變換器 l l c 諧振變換器結構于2 0 0 2 年由浙江大學顧亦磊等 6 提出了 與前幾種諧振 變換器相比 l l c 諧振全橋變換器又有其獨特之處 2 5 2 6 見圖2 6 全橋d c d c 變流器因具有很高的功率密度和磁芯利用率而廣泛應用于中功 率場創2 7 1 全橋d c d c 變流器有多種拓撲 l l c 諧振全橋變換器主電路是在傳 統全橋電路結構和傳統諧振電路結構基礎上演變而來 其主要優點有 拓撲結構 簡單 初級開關管可實現z v s 且關斷電流小 次級整流二極管可實現z c s 可 消除反向恢復時的寄生振蕩現象 效率較高 可高頻化 2 8 1 l l c 諧振全橋變換器 主電路結構圖2 6 所示 囂 開關網絡 卜振網絡i 盛陋bi 負載 v 一 m 圖2 6l l c 諧振全橋變換器主電路 t l 一 廠l 上 r lc d 5 c o t l i 從圖2 6 可見 電路的主要部分是 直流輸入 開關網絡 諧振網絡 變壓 器 整流電路 濾波電路以及負載 其中開關網絡包括四個功率m o s f e t s s s s s 和s 的控制脈沖是相同的 s 和s 的控制脈沖是相同的 而 且s s s ps 的占空比都是5 0 d d d d 分別是功率m o s f e t s s 2 s 3 s 的體二極管 c i c 2 c pc 分別是功率m o s f e t s s s s 的寄生電容 諧振網絡包括諧振電容c 勵磁電感l 和諧振電感l 碩士學位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 變壓器為帶中間抽頭的理想變壓器t 變壓器原 副邊的匝數比是n 1 1 變 壓器副邊輸出是一個帶中間抽頭的雙半波整流 全波整流 濾波結構 全波整流 二極管d 和d 輸出電容c 負載r l 為了下面討論方便 諧振電容c 和諧振電感l 的串聯諧振頻率 定義為 一 2 1 j 7 2 石 l r c r 諧振電容c 諧振電感l 和激磁電感l 的串聯諧振頻率厶定義為 蘆蘭 一 2 2 2 y x l l c 見圖2 2 在傳統的串聯諧振變換器 s r c 中 激磁電感l 被認為是無窮 大的 它不參與諧振 諧振回路僅由l 和c 構成的 為了實現原邊開關管s 1 和 s 2 的z v s 條件 開關頻率必須高于l c 諧振回路的諧振頻率 然而對于全橋l l c 串聯諧振變換器來說 它的工作頻率可以低于l c 的諧振頻率 f 但要高于 l 一l 一c 的諧振頻率厶 相對于傳統的串聯諧振變換器 它不僅可以工作在 f f r 和f z 的頻率范圍內 而且它可以工作在厶 f 和f z 的頻率范圍內的工 作過程和s r c 類似 下面具體分析l l c 諧振全橋變換器工作在f m f z 的頻率 范圍之內的工作過程 2 8 1 在厶 f f r 工作頻率范圍之內 l l c 全橋諧振變換器的工作波形如圖2 7 所示 圖2 7 可以分成6 個工作模態 在圖2 6 中 輸出電容c o 假定為無窮大 因 此輸出電壓v o 可以被認為不變的 為了說明簡單 忽略圖2 6 中給出的功率 m o s f e t 管的寄生電容 模態l f l t t 2 當t 時 s 2 關斷 諧振電流給s i 的寄生電容放電 一直 n s l 上的電壓為零 然后s i 的體二級管d l 導通 此階段中激磁電感l 上的電壓 被輸出電壓鉗位 所以 此時只有諧振電感l 和諧振c 電容參與諧振 模態2 t 厶 當t t 2 時 s l 在零電壓下導通 變壓器原邊承受正向電 壓 二極管d 5 導通 而開關s 2 二極管d 6 截止 此時諧振電容c 和諧振電感l 參與諧振 而激磁電感l 不參與諧振 僅作為變壓器 此時諧振電流按正弦波 規律增加 另外激磁電流從負的峰值到正的峰值線性增加 諧振電流f 和激磁電流 之間的差值就是負載電流 通過輸出整流二 極管d 5 傳給負載 因為開關周期大于諧振電感l 和諧振電容c 的諧振周期 當 t 厶時 諧振電流f 下降一直到與激磁電流乙相同 1 2 碩士學位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 模態3 島 f f 4 當t 島時 s l 仍然導通 而d 1 處于關斷狀態 此時激磁 e l g f 謄l 諧振電感l 和諧振電容c 起參與諧振 實際電路中的激磁電感l 遠 遠大于諧振電感l 諧振電容c 和激磁電感l 構成的諧振周期遠遠大于開關周 期 因此在這個階段可以認為激磁電流保持不變的 s 縐 s 每 k v 蹦j j 蹦 矗 l iili iil i ls l js 酗i l s i l 一 li i 7 l lit il ll 珍 l 一牝 一珍 k忐 斗k 黼 餼 il l i l ll ll i l l 炒i ll l z v s 嬉 l1 ij li 0 0 一 l t 歹7 一 八八 缸 婦 l b k k ll i ll i t 2 b i 缸 乜l 7 i t s i ii i ll l 圖2 7 在厶 f z 期間l l c 諧振全橋變換器主要波形 模態4 t 4 t f s 當t 乙時 s l 關斷 諧振電流給s 2 的寄生電容放電 一 直n s 2 上的電壓為零 然后s 2 的體二級管d 2 導通 此階段激磁電感l 上的電壓 被輸出電壓鉗位 因此只有諧振電感l 和諧振c 電容參與諧振 模態5 久 t t 6 當t t s 時 s 2 在零電壓下導通 變壓器原邊承受反向電 壓 二極管d 6 導通 而開關s l 二極管d 5 截止 此時諧振電容c 和諧振電感l 參 與諧振 而激磁電感l 不參與諧振 僅作為變壓器 模態6 t 6 t t 7 當t 氣時 s 2 仍然導通 而d 6 處于關斷狀態 此時激磁 電感l 諧振電感l 和諧振電容c 一起參與諧振 實際電路中的激磁電感l 遠 遠大于諧振電感l 因此在這個階段可以認為勵磁電流保持不變 對于t 7 t 厶 工作模態同模態1 后面的工作過程重復以上6 個模態 通過以上分析以及圖2 7 可以看出l l c 諧振全橋d c d c 變換器的優點 原 邊m o s f e t 管z v s 開通 副邊整流管z c s 開通 電路結構簡單 效率比較高 高 頻和高功率密度 電路的輸入電壓范圍和輸出功率范圍比較大 原邊和副邊管子 上的電壓應力比較低 1 3 碩士學位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 其缺點是 短路時 原邊的電流比較高 電路中的循環電流比較高 通過串聯諧振變換器 并聯諧振變換器 串并聯諧振變換器 移相全橋變換 器和l l c i 皆振全橋變換器五個電路的簡單分析和優缺點的討論 發現l l c 諧振全 橋變換器具有上述四個電路的優點 又避開了部分不足 使得其有很好的研究和 應用價值 當然 l l c i 皆振全橋變換器也有它的缺點 但這些缺點 在其他四個電路中 也是存在的 但是 通過合理的設計 這些不足是可以克服的 但它的優點又是 顯然的 2 2l l c 諧振全橋變換器的特性分析 上節分析了l l c 諧振全橋d c d c 變換器的工作原理 下面通過建立l l c 諧振 全橋d c d c 變換器的等效模型 對該諧振變換器的頻率 空載和短路特性進行 深入的研究 在分析中采用了美國m a t h s o f l 公司開發的數學c a d 軟件系統 m a t h c a d 2 9 1 2 2 1l l c 諧振全橋變換器的頻率特性 為了更好地分析l l c 諧振全橋變換器的頻率特性 采用一個線性交流等效 模型 姍 如圖2 8 所示 為分析方便 先做如下假設 1 所用開關管 二極管 電感 電容和變壓器均為理想 2 開關管寄生電容不參與諧振 其影響可以忽略 3 輸出濾波電容c o 取值很大 故出電壓紋波很小 可認為是直流電壓 v i l l 療場 圖2 8l l c 諧振全橋變換器的線性等效模型 圖中r 為電壓型負載全波整流電路的交流等效負載 是實際負載從副邊折 算回原邊 9 1 可利用基波分析方法得到的 r 1 1 2 r l 8 n 2 其中n 為變壓器 的匝比 r l 為負載電阻 從諧振槽路入端看進去的回路阻抗 1 4 碩士學位論文 第二章l l c 諧振全橋變換器設計方法的研究 乙2 去圩妒l 蹴 為了分析簡單 只考慮輸入電壓和輸出電壓的基波 直流增益 9 可表示為 i 竺 生 墾簽 塵受一l 竺 蘭磐 竺 墜 w u i 志 妒l 等竣 口 a