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封面:

科技文献检索课程设计

文献综述

题目:

ZVS移相全桥变换器研究

姓名:

沈闯

学院:

电气工程学院

班级:

B电气094

学号:

0910601419

得分:

指导教师:

李明

2010年1月6日

盐城工学院图书馆文献检索教研室制

ZVS移相全桥变换器研究

沈闯B电气0940910601419

摘要：

随着电力电子变换器在国民经济的各个重要领域的广泛应用，其安全可靠性备受关注。

电力电子变换器潜电路是一种新近发现的现象，潜电路作为潜伏在变换器中的一种通路或状态，它在一定条件下出现并影响变换器的整体运行性能和可靠性。

为此，本文以ZVS移相全桥变换器为研究对象，展开了对该变换器的潜电路现象的研究分析。

主要研究内容如下：

（1）通过建立ZVS移相全桥变换器的分析电路模型，将变换器潜电路研究的图论分析法应用ZVS移相全桥变换器潜电路的研究。

根据变换器的正常工作原理和虚假路径判定原则，利用潜电路图论分析法分析得到了ZVS移相全桥变换器中可能的潜在电路。

（2）深入分析了ZVS移相全桥变换器的工作模态原理，从而发现了ZVS移相全桥变换器的各种潜电路现象，并分析得到了各种潜电路现象的详细工作模态及其发生的条件。

研究结果表明，针对不同的滞后桥臂死区时间，如果电路发生扰动，如增大RL、增大滞后桥臂谐振电容Cr或减小谐振电感Lr，都会导致潜电路现象出现。

（3）制作了ZVS移相全桥变换器样机，对其中的潜电路现象进行了研究，得到了和理论分析一致的实验结果，并对实验结果进行了分析，从而有效地验证了前面理论分析的正确性。

关键词：

ZVS移相全桥变换器；潜电路；图论

ZVSPhase-ShiftedFull-BridgeConverterResearch

Shenchuang

Abstract：

Recently,withapplicationofpowerelectronicssystemsinvariousimportantareas,thesystemsecurityandreliabilityarebeenconcerned.Sneakcircuitphenomenoninpowerelectroniccircuitisanewlydiscoveredphenomenon.Sneakcircuitisakindofpathwayorstatewhichlurksintheconverter.Itappearsundercertainconditionsandinfluencesconverter’soveralloperatingperformanceandreliability.Therefore,thispapermajorstudieszero-voltage-switchingphase-shiftedfull-bridgeconverterandproposesitssneakcircuitphenomenonandresearchestheircharacteristics.

Mainresearchareasfollows:

（1）Theexistinggraphtheoryanalysismethodwhichisfittoanalyzingsneakcircuitphenomenoninnon-isolatedconvertorisfurtherpromoted.Certaincircuitmodelofzero-voltage-switchingphase-shiftedfull-bridgeconverterisestablishedtomakethemethodbesuitforitssneakcircuitphenomenonresearch.Accordingtothenormalworkingprincipleoftheconvertorandtheprincipleofafalsepath,possiblesneakcircuitsintheconvertoraregottenbyusinggraphtheoryanalysismethodofsneakcircuitphenomenon.

（2）OperationPrincipleofzero-voltage-switchingphase-shiftedfull-bridgeconverterisanalyzed.Then,sneakcircuitphenomenonisdiscoveredintheconvertor.Operationprincipleandoccurringconditionsofthephenomenonisanalyzedparticularly.Theresultsshowthatifthecircuitaredisturbed,suchasincreaseRL,increaseresonantcapacitorCrofthelaggingarmordecreasetheresonantinductorLr,diffirentsneakcircuitphenomenonshappenwithdifferentswitchingdeadtimeofthelaggingarm.

（3）Prototypeofzero-voltage-switchingphase-shiftedfull-bridgeconverterisdesigned.Itsexperimentalsneakcircuitphenomenonwhichisinlinewiththetheoreticanalysisisanalyzedparticularly.Thecorrectionoftheforegoingtheoreticalanalysisistestifiedfinally.

Keywords:

Zero-Voltage-SwitchingPhase-ShiftedFull-BridgeConverter；SneakCircuitCharacteristics；GraphTheory

引言：

近年来，随着电力电子技术的日益发展，特别是半导体工艺的大功率化和高频化发展，电力电子设备在各行各业中有着越来越广泛的应用[1]。

目前在工业控制领域方面，电力电子技术可作为电源供应或交流传动控制器等关键部件，已广泛应用于通信、钢铁、冶金、石化、电气铁道等国民经济生产的重要领域[2]。

在电力电网方面，现代电力电子技术已在交流柔性输电、电网谐波检测及治理等方面得到了广泛应用[3]。

此外，在民用领域，电力电子技术也已经广泛应用于家用电器、计算机、汽车电子以及交通运输等各个方面。

由于电力电子设备的广泛应用，人们对其安全可靠性的要求也越来越高，如何提高电力电子变换器的安全可靠性成为电力电子领域亟待解决的问题之一[4]。

电力电子变换器的安全可靠性研究一直以来主要集中在故障诊断方面，许多专家和学者在该方面做了大量的研究工作，取得了许多瞩目的成果[5]。

最近有电力电子专业学者在电力电子谐振开关变换器中发现了潜电路现象，其特点是在控制策略完全不变的情况下，仅由电路扰动就会导致潜电路现象发生，并从理论上分析了产生该潜电路现象的原因，证明了它是过去研究中未曾观察到的新现象，并推到出了潜电路发生条件及其相应的变换器运行特性，从而拉开了电力电子潜电路研究的序幕[6]。

在文献[6]的基础上，有关学者进一步研究发现了升压式谐振开关电容变换器和降压式谐振开关电容变换器中的潜电路现象，并总结了其潜电路的一般规律，揭示了潜在电路也是影响电力电子变换器安全可靠性的重要因素之一，潜在电路可能对电力电子变换器的安全可靠性产生重大的影响[7]。

潜在电路与电路故障相比，其在产生原理、表现形式、研究方法等各方面都呈现出不同的特点[8]。

因此电力电子变换器的潜在电路分析还是一个较新的课题。

由于随着变换器拓扑复杂性的增加，出现潜在电路的几率也将显著增加。

而近年来多种新型的电力电子变换器拓扑结构相继被提出，且电力电子变换器的结构呈现出复杂化的特点。

因此需要对电力电子变换器开展潜在电路研究，以提高其安全可靠性。

本文的研究目的是通过研究发现ZVS移相全桥变换器中潜在电路现象，以得到ZVS移相全桥变换器中的潜在电路，并对潜在电路特性进行分析，提高其安全可靠性。

正文：

第一章介绍了潜电路分析发展状况及研究电力电子变换器中的潜电路现象的必要性。

由于潜电路是在特定条件下才被激发，难以通过试验方法来甄别，不能用常规故障诊断方法来研究潜电路现象。

因此，潜电路分析技术（SneakCircuitAnalysis，简称SCA）孕育而生。

近年来，随着电力电子技术的发展，许多新型的电力电子变换器拓扑结构相继诞生，为寻找系统的潜电路路径分析方法.3目前，潜电路分析技术在军事及航天控制系统中已经成为硬性的使用规定，正逐步应用于软件、化工、港口、核工业等关键系统的设计和可靠性分析中，却未过多地涉及电力电子系统。

近年来，随着电力电子技术的日益发展，电力电子设备在各行各业中有着越来越广泛的应用，已经渗入到国民经济生产重要领域[9]。

目前全世界80%以上的新能源和60%以上的电能需经过电力电子系统变换后供给负载使用，因此电力电子系统的规模和复杂程度不断增加，人们对电力电子系统的安全和可靠性的要求也越来越高，其故障诊断和安全行已经成为其发展的瓶颈。

而且，随着系统的日益复杂化，潜在路径更加隐蔽，系统地可靠性近一步降低。

因此需开展电力电子开关变换器的潜电路研究，以对系统进行安全诊断，进一步提高电力电子系统的安全可靠性，消除潜在的问题，防止发生突发性灾害事故成为现阶段紧迫的研究工作之一[10]。

小型化是开关电源的发展趋势之一，而开关变换器小型化的关键是减少磁性元件华南理工大学硕士学位论文（电感或变压器）的体积和重量。

虽然软开关技术已将开关电源的开关工作频率提高到几百kHz甚至MHz的级别，大大减小了开关电源的体积，但是，进一步提高开关频率不仅受到了器件特性的限制，而且磁性元件的体积无法做到更小。

因而减少磁性元件成为开关电源小型化的另一有效的途径[32-34]。

移相PWM控制方式是谐振变换技术与常规PWM变换技术的结合。

其基本工作原理为：

每个桥臂的两个开关管180°互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即所谓移相角。

通过调节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲的宽度，在变压器副边得到占空比D可调的正负半周对称的交流方波电压，从而达到调节相应的输出电压的目的。

ZVS移相全桥变换器是在中大功率DC-DC变换电路中最常用的电路拓扑形式之一。

移相PWM控制方式是谐振变换技术与常规PWM变换技术的结合，该控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件，利用高频变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电来使得开关管两端电压下降为零，使全桥辩护拿起的四个开关管一次在零电压下导通，在缓冲电容作用下零电压关断，而有效的降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器提高开关频率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的条件。

同时保持了电路拓扑结构简洁、控制方式简单、开关频率恒定、元器件的电压和电流应力小等一系列优点。

所以，ZVS移相全桥变换器近年来受到越来越多的关注，并被广泛地应用于工程中。

但本文作者在研究ZVS移相全桥变换器的过程中，发现ZVS移相全桥变换器当中存在着潜电路现象，仅在负载、滞后桥臂死区时间发生扰动时，变换器的工作模态就会有所增减。

根据潜电路的特点，可以将这一现象归结为潜电路现象[11]。

因此，全面研究ZVS移相全桥变换器，分析其潜电路发生规律有着重要的作用和意义，从而避免潜电路的出现，为其正常工作提供设计依据。

第2章介绍ZVS移相全桥变换器工作原理及其相关特性。

国内外电力电子学界自70年代开始，不断研究开发高频软开关技术，各种新的软开关变换技术不断被推出。

80年代出现的准谐振和多谐振变换技术需采用变频控制技术，控制方法不如PWM方式简单，而且变压器，电感等电磁元件要按最低频率设计，不可能做到极小，难以实现最优化设计。

80年代后期，许多专家进一步研究开发能实现恒频技术的软开关技术，兼有准谐振变换器与PWM变换器的优点，即ZVS（ZCS）PWM变换技术。

在大中功率场合的DC/DC变换器中，一般采用全桥变换器，全桥控制方式较多，目前研究得比较多的控制方式为移相控制方式。

本章介绍的变换器即为ZVS移相全桥变换器，具有工作频率高、噪声小、电磁干扰小、积小、重量轻、效率和可靠性高的优点[12]。

ZVS移相全桥变换器，其利用变压器的漏感或是原边串联电感和功率管的寄生电容来实现开关管的零电压开关，其电路结构及主要波形图如图2-1所示。

其中，D1~D4分别是Q1~Q4的内部寄生二极管，C1~C4分别是Q1~Q4的寄生电容或是外接电容。

Lr是谐振电感，它包括了变压器的漏感。

每个桥臂的两个功率管成180°互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过移相角的大小来调节输出电压。

Q1和Q3分别超前于Q4和Q2一个相位，称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q4和Q2组成的桥臂称为滞后桥臂[36-41]。

第3章利用图论分析法研究ZVS移相全桥变换器潜电路现象。

避免分析电力电子电路潜在电路的盲目性，文献[13]已经成功将图论分析方法成功应用于有关电力电子电路的潜在路径分析，能高效地分析非隔离式变换器潜在电路路径。

而ZVS移相全桥变换器为隔离式变换器，为此本章首先将建立ZVS移相全桥变换器相应的分析电路模型，以便利用图论进行分析；然后利用图论方法分析搜索ZVS移相全桥变换器的潜在电路路径，为分析其具体的潜电路和特性做好准备。

由电路基本定律可作为判定虚假路径的原则，具体如下：

①根据基尔霍夫电压定律（Kirchhlff’svoltagelaw，KVL），单个元件不能构成路径，单个电压源、电容、电感和电阻元件不能被开关器件短路；②根据基尔霍夫电流定律（Kirchhlff’scurrentlaw，KCL），电流路径中存在电流源时，电流方向不能与电流源的方向相反；③根据KVL，当电路中只有电阻元件和电源元件时，电流不能够从电源元件的负极流向正极。

除上面的原则外，根据变换器的工作原理，还可以得到针对该变换器的虚假路径判定原则：

①由于变换器前后桥臂谐振电容充放电分别在各自的死区时间分别完成，故路径中不能同时出现Ci和Cj在同一个路径（i=1，3；j=1，3），如路径259eee等；②在前桥臂非ZVS条件下，会出现Ci通过Qi放电至零，同时桥臂另一个谐振电容会通过Qi充电至Vin，其过程极短，可以将其忽略，如路径源到地12ee等；③Q1和Q3、Q2和Q4均不可能同时导通，故同时包含支路e1和e6、e3和e8的路径应该剔除，如路径源到地16ee等；④电感电流为连续的，变换器的回路应该包含电感支路，若路径中无电感支路，则通路只可能由电源到地或者存在这非ZVS情况下的通路，即从谐振电容Ci到开关管Qi，如路径1684eeee等；⑤由于电压源和电容串联回路仅有极短时的电流或是无电流，故将其视为虚假电路，如路径源到地27ee等。

第4章研究ZVS移相全桥变换器潜电路出现时变换器的工作模态及潜电路发生的条件。

由第三章得到可能潜在电路中包括电源到地的通路：

和等效电路模型中的回路

。

以该结论作为指导，从变换器原理研究发现，在第二章分析的变换器工作时段（t2,t3）中，在t2时刻，关断Q4，此时abu极性自零变负，变压器副边绕组电势下正上负，整流二极管DR1导通，整流管DR1和DR2同时导通，将变压器副边绕组短接，变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，abu直接加在谐振电感rL上，在这段时间里实际上谐振电感rL和C2、C4在谐振工作，如式

所示。

第五章根据理论分析，制作了实验电路验证了理论分析的正确性，并对实验结果进行分析总结。

为了验证前面章节分析的正确性，需要制作ZVS移相全桥换器验证理论分析。

在此本文设计了电压闭环控制的ZVS移相全桥变换器样机，并通过此样机得到了相应的实验波形，并对实验进行了分析。

本章设计的ZVS移相全桥变换器样机，主电路参数设计主要根据前面章节所讲的工作原理及其特性设计计算主电路参数，利用相位调制的PWM专用移相控制芯片UC3879作为主控芯片，并利用驱动集成电路芯片IR2110来实现隔离驱动。

实验样机的电路设计图如图5-1所示

根据前面章节分析的结论，本文设计了相应的ZVS移相全桥变换器样机，并进行了相应的实验。

该变换器样机选用开关管POWERMOSFETIRFZ44N和整流二极管SR506。

电路各项参数为：

C1=C3=15nF，C2=C4=22nF，Lr=26uH，Lf=300uH，Cf=2200uF。

变换器输入电压20V，输出电压4V，开关频率是24kHz，改变滞后桥臂死区时间和负载电阻，得到不同情况的实验结果如图5-2~图5-4所示，出现了上述分析的潜电路现象，实验结果与理论分析相一致。

结论：

电力电子设备的可靠性越来越受到人们的重视。

在中大功率应用场合，ZVS移相全桥变换器近年来受到越来越多的关注，并被广泛地应用于工程中。

本文作者研究发现了ZVS移相全桥变换器中的潜电路现象，在一定的条件下，潜电路的出现会较大影响变换器的可靠性。

本文首先是利用基于图论的方法搜索变换器中的潜在路径；接着以此为依据从变换器原理出发来寻找变换器中的潜电路现象，得出潜电路现象发生的条件和规律，并分析了其对变换器的影响，为可靠设计变换器提供依据。

主要工作包括以下几个方面：

（1）首先，根据潜电路图论分析法的要求，建立ZVS移相全桥变换器相应的分析电路模型，接着利用图论分析法计算所建立电路模型的所有可能路径，接着根据变换器的正常工作原理和虚假路径判定原则剔除相关路径，最后剩下可能的潜在路径。

（2）然后，以前面分析得到的可能潜在电路为指导，仔细分析研究变换器的每个工作模态，最终得出了ZVS移相全桥变换器不同的潜电路现象，并分析给出了各种潜电路现象的工作模态及其发生的条件。

（3）最后，根据前面的理论分析，制作了ZVS移相全桥变换器样机，对其中的潜电路现象进行了研究，得到了和理论分析一致的实验结果，并对实验结果进行了分析，从而有效地验证了前面理论分析的正确性。

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[20]张卫平．开关变换器的建模与控制[M].中国电力出版社，2005.

文献来源：

1、中国学术期刊来源文献

（1）题 名：

机车车辆充电机用移相全桥ZVSPWM变换器的设计

作者：

李云;张小勇;刘福鑫;阮新波;

作者单位：

株洲南车时代电气股份有限公司;南京航空航天大学;

文献来源：

大功率变流技术,2010年02期  

引用内容：

为提高传统铁路机车车辆充电机的功率密度,必须提高其开关频率和效率,而简单的提高开关频率会增加功率器件的开关损耗,因此需要采用软开关技术。

文章介绍了一种机车车辆充电机的核心部件——加箝位二极管的零电压开