基于全桥构造的高频电力操纵电源研究.docx

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1、基于全桥构造的高频电力操纵电源研究shixi导语：本文设计了一种全桥零电压零电流变换器，在变压器原边串联饱和电感实现了滞后臂的ZCS，使所有开关管均实现了软开关，有利于进步系统的效率。摘要：本文设计了一种全桥零电压零电流变换器，通过在变压器原边串联饱和电感实现了滞后臂的ZCS，使所有开关管均实现了软开关，有利于进步系统的效率。同时，分析了变换器的工作原理和工作模态，最终设计了实验电路，验证了理论分析和设计思想的正确性。关键词：全桥变换器；软开关；REACHONHIGHFREQUENCYFULLBRIDGEelectricoperatingpowersupplyAbstract:Thispape

2、rdesignafullbridgeDC/DCconverterasanelectricoperatingpowersupply.Byusingsaturableinductorandblockcapacitor,thebridgedevicescouldachievesoftswitching,sotheconvertercangetahighefficiency.Analysisoftheconvertersworkingprincipleandmodeofwork.Finaldesignoftheexperimentalcircuitiscompleted,andtoverifythet

3、heoreticalanalysisandthecorrectnessofdesignideas.Keywords:fullbridgeconverter,softswitching;1、引言电力操纵电源(220VDC、110VDC)系统在当代动力系统中占有重要的地位，主要用于发电厂、变电站中，作为直流机构(分、合闸)、继电保护、信号、自动控制、事故照明、仪器仪表以及应急事故负荷等的重要电源。其性能和质量直接关系到电网的平安运行和设备的平安。随着功率半导体技术、计算机控制技术和超大规模集成电路消费工艺的飞速开展，上世纪80年代末高频开关电源开场进入了实用期，到90年代逐渐成熟。但目前我国电力系

4、统使用的电力电源大局部还是采用相控电源，相控电源纹波、高次谐波干扰大，效率低及体积庞大，监控不完善，难以实现电池充放电智能治理。为了进步我国电力网的综合效率和可靠性。目前，我国电力操纵电源的开展正以高频开关变换技术为根底，其趋势可概括为高频化、高效率、大功率、无污染和模块化。在治理方式上，结合计算机控制技术、总线技术的开展，形成多级计算机网络集中监控治理系统。本文主要针对全桥构造的高频电力电源进展研究和讨论。2、系统原理设计及分析FB-ZVZCS变换器有各种拓扑构造，但它们根本的运行机理是一样的：借助于功率器件的并联电容和输出滤波电感的储能，超前臂实现ZVS，由于输出滤波电感一般很大，超前桥臂

5、能在很宽的输入电压范围和输出负载调节范围内实现ZVS。在原边电流续流阶段，通过引入反向阻断电压源，使原边电流很快复位，进而滞后臂实现ZCS。全桥ZVZCS变换器可以使用不同的拓扑实现原边电流复位。利用超前臂开关管的反向雪崩击穿，使存储在变压器漏感中的能量完全消耗在超前臂的IGBT中，为滞后臂提供零电流开关的条件，这种拓扑构造简单，不需要辅助电路，但是漏感中储存的能量完全消耗在IGBT上，且IGBT的反向雪崩击穿的电压低(1530V)且固定，导致变换器的最大可控占空比受到限制。在变压器副边整流器输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容上的电压反射到原边作为反向阻断电压源，使原边电流迅速复位

6、，为滞后臂开关管创造零电流开关的条件，这种变换器的优点就是可以获得较大的占空比和较高的效率，但该变换器引入了有源箝位开关管，使系统在控制上变得比拟复杂，以及有源箝位开关管采用的是硬开关，影响了系统的可靠性。在变压器原边使用阻断电容和饱和电感，在原边电压过零期间，将阻断电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位，为滞后臂提供零电流开关条件，该变换器利用阻断电容和饱和电感的匹配来实现滞后臂的ZCS，该变换器的阻断电容在电路里面有着双重作用，一个作用就是上面的实现滞后臂的ZCS，另外一个作用是抑制变压器的偏磁，在全桥变换器中，存在两个半周的磁通量不平衡的问题，假如在变压器的原边串联一个无极性电容

7、，可以防止磁芯单向饱和，电流急剧上升造成的开关管损坏，进而进步系统的可靠性，与利用IGBT雪崩击穿的ZVZCS变换器相比，占空比的控制范围大；与副边采用有源无损箝位的ZVZCS变换器相比，控制电路比拟简单，而且可靠性高。结合上述构造的优缺点，本文使用阻断电容和饱和电感的方法实现ZVZCS，拓扑构造如图1所示。图1ZVZCS拓扑构造变换器在一个开关周期内的可以以为工作在6个模态：模态1：传输能量阶段。该阶段开关管Q1和Q4导通，输入电源通过变压器电源向负载传输能量。原边电流ip=nIo恒定不变，饱和电感处于正向饱和状态，向阻断电容Cb充电，阻断电容上的电压线性上升，电压峰值VCbp。1模态2：超

8、前臂开关管Q1关断，当开关管Q1关断后，超前臂并联电容C1开场充电，同时C2开场放电。2当Q2上的电压下降到零，其上反并联二极管自然导通，为Q2零电压开通创造条件。模态3：原边电流复位阶段。在阻断电容Cb两端电压VCb的作用下，变压器原边电流下降，副边电流随着下降。当副边电流小于输出电流时，副边输出整流二极管全部导通，处于续流阶段，变压器副边被短路。阻断电容电压全部加在变压器漏感Llk上，原边电流迅速下降为零。模态4：饱和电感防止原边电流反向阶段。谐振经过中，在阻断电容电压VCb的作用下，原边电流可能反向增大，但是此时饱和电感Ls已经退饱和，呈现出很大的电感量，阻止了电流的反向流动。模态5：开

9、关管Q4关断，该阶段为滞后臂开关管的死区时间。Q4关断，Q3未开通，变压器原边电流为零，所以Q4实现了零电流关断，饱和电感仍然处于退饱和状态。模态6：开关管Q3开通，变压器原边电流开场反向增大。由于饱和电感未饱和，原边电流滞后一段时间才开场迅速上升。饱和电感饱和后，直流母线电压和阻断电容电压加在漏感上，原边电流反向迅速增大。33、控制局部的设计本系统采用MSP430F155型号单片机，系统总体构造图如下:图2系统总体构造图本系统的软件设计使用C语言。并采用模块化构造设计，将各功能模块设计为独立的编程调试程序块，这样不仅有利于今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。其构造

10、如下列图所示。图3软件构造图系统程序由数据收集模块、参数计算模块、中断报警模块、内部存储模块、通讯中断模块、控制模块等几个组成局部，主程序流程如图4所示。图4主程序流程图4、实验结果与分析图5是在输入530V、输出电压250V、输出电流3A条件下超前臂的实验波形。其中，下方为开关管的驱动波形uce，上方为开关管集电极和发射极电压uce。由图5中的实验波形可以看出，在开关管的结电容与变压器漏感作用下，超前臂开关管集电极和发射极电压uce下降到零后，驱动信号uge开通开关管，进而实现了零电压开通。可见系统在较轻的负载条件可以实现超前臂开关管零电压开通。图5轻载时超前臂开关管实验波形图6轻载时滞后臂

11、开关管实验波形图7满载时超前臂开关管实验波形图8满载时滞后臂开关管实验波形图6是在输出电压250V、输出电流3A条件下滞后臂的实验波形，上面为变压器原边电流波形ip，下面为滞后臂开关管的驱动电压uge。由图6中的波形可以看出，变压器原边电流波形ip在阻断电容的作用下复位到零，之后滞后臂开关管关断，进而实现了滞后臂开关管的零电流关断。可见系统在较轻的负载条件可以实现滞后臂零电流关断。图7是在输入530V、输出电压250V、输出电流40A条件下超前臂的实验波形。其中，图7下方为开关管的驱动波形uge，上方为开关管集电极和发射极电压uce。由图7中的实验波形可以看出，在开关管的结电容与变压器漏感作用

12、下，超前臂开关管集电极和发射极电压uce下降到零后，驱动信号uge开通开关管，从系统在满载时实现了超前臂零电压开通。图8是在输出电压250V、输出电流40A条件下滞后臂的实验波形，上面为变压器原边电流波形ip，下面为滞后臂开关管的驱动电压uge。由波形可以看出，变压器原边电流波形ip在阻断电容的作用下复位到零，之后滞后臂开关管关断，进而在满载时实现了滞后臂零电流关断。实验结果与理论分析及仿真结果是一致的。5、结论电力电源系统在当代动力系统中占有重要的地位，其性能和质量直接关系到电网的平安运行和设备的平安。本文设计了一种全桥零电压零电流变换器，该电力电源可以实现软开关，系统有较强的稳定性和可靠性。因此，该变换器有着广阔的开展前景。参考文献1王聪.软开关功率变换器及其应用.科学出版社,2000:1391462阮新波,严仰光.零电压零电流开关PWMDC/DC全桥变换器的分析.电工技术学报.2000,15(2):73773林渭勋.当代电力电子电路.浙江大学出版社,2002:740