摘要：本文設(shè)計(jì)了一種全橋零電壓零電流變換器，通過(guò)在變壓器原邊串聯(lián)飽和電感實(shí)現(xiàn)了滯后臂的ZCS，使所有開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，有利于提高系統(tǒng)的效率。同時(shí)，分析了變換器的工作原理和工作模態(tài)，最終設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，驗(yàn)證了理論分析和設(shè)計(jì)思想的正確性。
      關(guān)鍵詞：全橋變換器；軟開(kāi)關(guān)；

REACH ON HIGH FREQUENCY FULL BRIDGE electric operating power supply

      Abstract: This paper design a full bridge DC/DC converter as an electric operating power supply. By using saturable inductor and block capacitor, the bridge devices could achieve soft switching, so the converter can get a high efficiency. Analysis of the converter's working principle and mode of work. Final design of the experimental circuit is completed, and to verify the theoretical analysis and the correctness of design ideas.
      Key words: full bridge converter, soft switching;

      1、引言
      電力操作電源(220VDC、110VDC)系統(tǒng)在現(xiàn)代動(dòng)力系統(tǒng)中占有重要的地位，主要用于發(fā)電廠、變電站中，作為直流機(jī)構(gòu)(分、合閘)、繼電保護(hù)、信號(hào)、自動(dòng)控制、事故照明、儀器儀表以及應(yīng)急事故負(fù)荷等的重要電源。其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行和設(shè)備的安全。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝的飛速發(fā)展，上世紀(jì)80年代末高頻開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用期，到90年代逐漸成熟。但目前我國(guó)電力系統(tǒng)使用的電力電源大部分還是采用相控電源，相控電源紋波、高次諧波干擾大，效率低及體積龐大，監(jiān)控不完善，難以實(shí)現(xiàn)電池充放電智能管理。為了提高我國(guó)電力網(wǎng)的綜合效率和可靠性。目前，我國(guó)電力操作電源的發(fā)展正以高頻開(kāi)關(guān)變換技術(shù)為基礎(chǔ)，其趨勢(shì)可概括為高頻化、高效率、大功率、無(wú)污染和模塊化。在管理方式上，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，形成多級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控管理系統(tǒng)。本文主要針對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的高頻電力電源進(jìn)行研究和探討。

      2、系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及分析
      FB-ZVZCS變換器有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但它們基本的運(yùn)行機(jī)理是相同的：借助于功率器件的并聯(lián)電容和輸出濾波電感的儲(chǔ)能，超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS，因?yàn)檩敵鰹V波電感一般很大，超前橋臂能在很寬的輸入電壓范圍和輸出負(fù)載調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。在原邊電流續(xù)流階段，通過(guò)引入反向阻斷電壓源，使原邊電流很快復(fù)位，從而滯后臂實(shí)現(xiàn)ZCS。
      全橋ZVZCS變換器可以使用不同的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)原邊電流復(fù)位。利用超前臂開(kāi)關(guān)管的反向雪崩擊穿，使存儲(chǔ)在變壓器漏感中的能量完全消耗在超前臂的IGBT中，為滯后臂提供零電流開(kāi)關(guān)的條件，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要輔助電路，但是漏感中儲(chǔ)存的能量完全消耗在IGBT上，且IGBT的反向雪崩擊穿的電壓低(15~30V)且固定，導(dǎo)致變換器的最大可控占空比受到限制。
      在變壓器副邊整流器輸出端并聯(lián)電容，在原邊電壓過(guò)零期間，將副邊電容上的電壓反射到原邊作為反向阻斷電壓源，使原邊電流迅速?gòu)?fù)位，為滯后臂開(kāi)關(guān)管創(chuàng)造零電流開(kāi)關(guān)的條件，這種變換器的優(yōu)點(diǎn)就是可以獲得較大的占空比和較高的效率，但該變換器引入了有源箝位開(kāi)關(guān)管，使系統(tǒng)在控制上變得比較復(fù)雜，以及有源箝位開(kāi)關(guān)管采用的是硬開(kāi)關(guān)，影響了系統(tǒng)的可靠性。
在變壓器原邊使用阻斷電容和飽和電感，在原邊電壓過(guò)零期間，將阻斷電容上的電壓作為反向阻斷電壓源，使原邊電流復(fù)位，為滯后臂提供零電流開(kāi)關(guān)條件，該變換器利用阻斷電容和飽和電感的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZCS，該變換器的阻斷電容在電路里面有著雙重作用，一個(gè)作用就是上面的實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZCS，另外一個(gè)作用是抑制變壓器的偏磁，在全橋變換器中，存在兩個(gè)半周的磁通量不平衡的問(wèn)題，如果在變壓器的原邊串聯(lián)一個(gè)無(wú)極性電容，可以防止磁芯單向飽和，電流急劇上升造成的開(kāi)關(guān)管損壞，從而提高系統(tǒng)的可靠性，與利用IGBT雪崩擊穿的ZVZCS變換器相比，占空比的控制范圍大；與副邊采用有源無(wú)損箝位的ZVZCS變換器相比，控制電路比較簡(jiǎn)單，而且可靠性高。
      結(jié)合上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文使用阻斷電容和飽和電感的方法實(shí)現(xiàn)ZVZCS，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1 ZVZCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的可以認(rèn)為工作在6個(gè)模態(tài)：
      模態(tài)1：傳輸能量階段。該階段開(kāi)關(guān)管Q1和Q4導(dǎo)通，輸入電源通過(guò)變壓器電源向負(fù)載傳輸能量。原邊電流ip=nIo恒定不變，飽和電感處于正向飽和狀態(tài)，向阻斷電容C_b充電，阻斷電容上的電壓線(xiàn)性上升，電壓峰值V_Cbp。
          

                         （1）

      模態(tài)2：超前臂開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷后，超前臂并聯(lián)電容C1開(kāi)始充電，同時(shí)C2開(kāi)始放電。

                                （2）

      當(dāng)Q2上的電壓下降到零，其上反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通，為Q2零電壓開(kāi)通創(chuàng)造條件。
      模態(tài)3：原邊電流復(fù)位階段。在阻斷電容C_b兩端電壓V_Cb的作用下，變壓器原邊電流下降，副邊電流隨著下降。當(dāng)副邊電流小于輸出電流時(shí)，副邊輸出整流二極管全部導(dǎo)通，處于續(xù)流階段，變壓器副邊被短路。阻斷電容電壓全部加在變壓器漏感L_lk上，原邊電流迅速下降為零。    
      模態(tài)4：飽和電感防止原邊電流反向階段。諧振過(guò)程中，在阻斷電容電壓V_Cb的作用下，原邊電流可能反向增大，但是此時(shí)飽和電感L_s已經(jīng)退飽和，呈現(xiàn)出很大的電感量，阻止了電流的反向流動(dòng)。
      模態(tài)5：開(kāi)關(guān)管Q4關(guān)斷，該階段為滯后臂開(kāi)關(guān)管的死區(qū)時(shí)間。Q4關(guān)斷，Q3未開(kāi)通，變壓器原邊電流為零，所以Q4實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，飽和電感仍然處于退飽和狀態(tài)。
      模態(tài)6：開(kāi)關(guān)管Q3開(kāi)通，變壓器原邊電流開(kāi)始反向增大。因?yàn)轱柡碗姼形达柡?，原邊電流滯后一段時(shí)間才開(kāi)始迅速上升。飽和電感飽和后，直流母線(xiàn)電壓和阻斷電容電壓加在漏感上，原邊電流反向迅速增大。

                                  （3）

      3、控制部分的設(shè)計(jì)
      本系統(tǒng)采用MSP430F155型號(hào)單片機(jī)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下:

 
圖2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

      本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言。并采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各功能模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的編程調(diào)試程序塊，這樣不僅有利于今后實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，而且便于調(diào)試和連接，更有利于程序的移植和修改。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

 
圖3軟件結(jié)構(gòu)圖

      系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、中斷報(bào)警模塊、內(nèi)部存儲(chǔ)模塊、通訊中斷模塊、控制模塊等幾個(gè)組成部分，主程序流程如圖4所示。

 
圖4 主程序流程圖

      4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
      圖5是在輸入530V、輸出電壓250V、輸出電流3A條件下超前臂的實(shí)驗(yàn)波形。其中，下方為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形uce，上方為開(kāi)關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce。由圖5中的實(shí)驗(yàn)波形可以看出，在開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容與變壓器漏感作用下，超前臂開(kāi)關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce下降到零后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)uge開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通?？梢?jiàn)系統(tǒng)在較輕的負(fù)載條件能夠?qū)崿F(xiàn)超前臂開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通。

 
 
圖5輕載時(shí)超前臂開(kāi)關(guān)管實(shí)驗(yàn)波形
  
圖6輕載時(shí)滯后臂開(kāi)關(guān)管實(shí)驗(yàn)波形
 

圖7滿(mǎn)載時(shí)超前臂開(kāi)關(guān)管實(shí)驗(yàn)波形

圖8滿(mǎn)載時(shí)滯后臂開(kāi)關(guān)管實(shí)驗(yàn)波形
 

      圖6是在輸出電壓250V、輸出電流3A條件下滯后臂的實(shí)驗(yàn)波形，上面為變壓器原邊電流波形ip，下面為滯后臂開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓uge。由圖6中的波形可以看出，變壓器原邊電流波形ip在阻斷電容的作用下復(fù)位到零，之后滯后臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了滯后臂開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷?？梢?jiàn)系統(tǒng)在較輕的負(fù)載條件能夠?qū)崿F(xiàn)滯后臂零電流關(guān)斷。
      圖7是在輸入530V、輸出電壓250V、輸出電流40A條件下超前臂的實(shí)驗(yàn)波形。其中，圖7下方為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形uge，上方為開(kāi)關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce。由圖7中的實(shí)驗(yàn)波形可以看出，在開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容與變壓器漏感作用下，超前臂開(kāi)關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce下降到零后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)uge開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，從系統(tǒng)在滿(mǎn)載時(shí)實(shí)現(xiàn)了超前臂零電壓開(kāi)通。
      圖8是在輸出電壓250V、輸出電流40A條件下滯后臂的實(shí)驗(yàn)波形，上面為變壓器原邊電流波形ip，下面為滯后臂開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓uge。由波形可以看出，變壓器原邊電流波形ip在阻斷電容的作用下復(fù)位到零，之后滯后臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，從而在滿(mǎn)載時(shí)實(shí)現(xiàn)了滯后臂零電流關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真結(jié)果是一致的。

      5、結(jié)論
      電力電源系統(tǒng)在現(xiàn)代動(dòng)力系統(tǒng)中占有重要的地位，其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行和設(shè)備的安全。本文設(shè)計(jì)了一種全橋零電壓零電流變換器，該電力電源能夠?qū)崿F(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，該變換器有著廣闊的發(fā)展前景。
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