串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)在ESP電源中的應(yīng)用研究

1.概述

軟開關(guān)技術(shù)、諧振型開關(guān)變換技術(shù)使得大功率、高頻化電源的實(shí)現(xiàn)成為可能，它應(yīng)用諧振的原理，使開關(guān)器件中的電流(或電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化采用軟開關(guān)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是在主開關(guān)上增加電感和電容等儲(chǔ)能元件構(gòu)成諧振電路.當(dāng)變換器主開關(guān)進(jìn)行換流時(shí)產(chǎn)生諧振，迫使主開關(guān)上的電壓或電流變?yōu)榱?，從而為主開關(guān)提供一個(gè)零電壓或零電流的開關(guān)環(huán)境。最理想的軟開通過程:電壓先下降到零后，開通主管，電流上升到通態(tài)值，開通損耗近似為零。另外，因器件開通前電壓已下降到零，器件結(jié)電容上的電壓亦為零，故解決了容性開通問題.這意味著二極管已經(jīng)截止，其反向恢復(fù)過程結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問題亦不復(fù)存在.最理想的軟關(guān)斷過程:電流先下降為零開通主管電壓上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零.由于器件關(guān)斷前電流已下降到零，即線路電感中電流為零，所以感性關(guān)斷問題得以解決。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題，而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI等問題。

本課題研究的電源功率為32kW，工作頻率為5kHz~20kHz,為了減小高頻時(shí)開關(guān)器件的損耗，采用串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)，使得開關(guān)器件能夠?qū)崿F(xiàn)零電流關(guān)斷，其主電路原理圖如圖 1所示：

圖1 全橋串聯(lián)諧振式電路原理圖

2.原理分析

為了減小開關(guān)損耗，在電路工作中，使得開關(guān)頻率小于或等于諧振頻率的一半，使電流工作在斷續(xù)狀態(tài)。

結(jié)合上面的分析，我們對圖 1電源主回路等效原理圖的工作模態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 等效電路模型

圖 3 電流斷續(xù)工作方式的主要波形

設(shè)電感L1電流為i，電容C1電壓為U1，電源一個(gè)諧振周期內(nèi)各個(gè)模態(tài)圖如圖4所示，電源工作波形如圖 3所示。電路工作特點(diǎn)是：開關(guān)頻率fs必須低于諧振頻率fr的一半，保持主回路串聯(lián)諧振條件恒定不變，使整個(gè)電路工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式。對于主電路中的逆變電路，采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）改變開關(guān)頻率，驅(qū)動(dòng)脈沖滿足：在正常的導(dǎo)通情況下，加在逆變開關(guān)上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該是互補(bǔ)的，即當(dāng)?shù)谝唤M(VD1與VD4)開管導(dǎo)通時(shí)，第二組開關(guān)(VD2與VD3)截止；第二組開通時(shí)，第一組截止。電路具體工作流程分析如下：首先假定輸入的濾波電容的容量足夠大，在逆變過程中其上的電壓E基本保持不變，由于儲(chǔ)能電容遠(yuǎn)大于諧振電容，可以把每一個(gè)開關(guān)周期看成是恒壓源電壓不斷上升的過程。這樣可以將圖1中的電路的工作過程等效為4個(gè)工作模態(tài)，其中U0=Uco/K，Uco為負(fù)載電壓，K為高頻變壓器的變比。以圖2（a）中電流方向?yàn)檎?，則等效電路滿足2-1和2-2式：

開通Q1、Q4，電流i正向移動(dòng)，L1與C1諧振，到t1時(shí)刻i過零，U1達(dá)到最大值，電路進(jìn)入第二模態(tài)。

模態(tài)2的等效電路如圖2（b）所示，電流i反向，流過功率管Q1、Q4的體二極管VD1、VD4，且數(shù)值逐漸增大，U1逐漸減少，t2時(shí)刻關(guān)斷Q1、Q4，由于此時(shí)VD1、VD4導(dǎo)通，故Q1、Q4屬零電流關(guān)斷。模態(tài)2的初始條件為i(t1)=0，U1(t1)=2E，U0(t1)大于零。其中，U0是模態(tài)1結(jié)束后負(fù)載電容C0上的電壓值折算到變壓器原邊的數(shù)值。電路方程：

t6時(shí)刻i到零，Q2、Q3零電流關(guān)斷。t7時(shí)刻VD2、VD3自然關(guān)斷，模態(tài)4結(jié)束。

分析4個(gè)模態(tài)的方程，可以看出電流i峰值的變化規(guī)律， Im(1)=E/Zr， Im(3)=-(E+ U0)/Zr潁與Im(1)相比，Im(3)有所增加。Im(2)=(U0-E)/Zr潁Im(4)= (E- U0)/Zr潁后式中U0的值比前式的大，因此，與Im(2)相比，Im(4)有所減少。若列出下一個(gè)諧振周期的電路方程，同樣有此規(guī)律。這樣隨著諧振次數(shù)的增加，儲(chǔ)能電容上的電壓也隨之增加到設(shè)定值。

從上面的推導(dǎo)可以看出：

①輸出電流的幅值在輸入電壓E和諧振參數(shù)一定時(shí)，僅與負(fù)載電容折算到原邊的電壓值有關(guān)，而在一個(gè)諧振周期內(nèi)的電流有效值是不變的。

②固定開關(guān)導(dǎo)通脈沖寬度ton不變，開關(guān)頻率小于或等于諧振頻率的二分之一，采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）改變開關(guān)的斷開時(shí)間，電路維持在電流斷續(xù)的工況，從而保持諧振條件的不變。

③一個(gè)開關(guān)周期的高頻變壓器的原邊電流有效值隨著開關(guān)頻率的增大而增大，從而耦合到高頻變壓器副邊的電流也隨之增大，因此實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)逆變器件的驅(qū)動(dòng)脈沖周期來改變負(fù)載電容的充電電流。

3.諧振參數(shù)的計(jì)算

理論計(jì)算時(shí)，可以選取上面分析的四種模態(tài)中一種，列出微分方程，然后依據(jù)每一種模態(tài)的初始條件，求解微分方程就可以得到電感和電容值。這里給出工程上的一種計(jì)算方法。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖 5 電流斷續(xù)工作方式的主要波形

根據(jù)設(shè)計(jì)的諧振電感和電容值，可得到系統(tǒng)的串聯(lián)諧振頻率約為50kHz,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到實(shí)際電源系統(tǒng)的諧振頻率為66.7kHz,這是由于系統(tǒng)中脈沖變壓器和寄生電感、分布電容以及開關(guān)器件的寄生電感和電容引起的。開關(guān)頻率為20 kHz，保證了開關(guān)頻率始終小于諧振頻率的一半，整個(gè)電路電流始終工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式。

由圖5所示，電流波形趨近于正弦，在調(diào)頻過程中，必須控制脈沖的關(guān)斷時(shí)間在電流為負(fù)的時(shí)間里才能實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，無法實(shí)現(xiàn)軟開通。

5.小結(jié)

(1).結(jié)合課題本身，文中詳細(xì)分析了單相全橋串聯(lián)諧振軟開關(guān)的工作原理以及諧振參數(shù)的計(jì)算。

(2).通過MATLAB軟件仿真，證明了此方案的可行性并優(yōu)化了方案的設(shè)計(jì)。

(3).應(yīng)用串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)的電源已經(jīng)開發(fā)成功，并且已經(jīng)有多臺(tái)產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1].陳堅(jiān). 《電力電子學(xué)》 高等數(shù)學(xué)教育出版社 2002.1 .

[2].王兆安，黃俊. 《電力電子技術(shù)》第四版 機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]. 王增福 李 魏永明編著，《軟開關(guān)電源原理與應(yīng)用》，北京，電子工業(yè)出版社，2006.4

[4] 王瑞華，脈沖變壓器的設(shè)計(jì)，科學(xué)出版社出版，1987。