摘要：本文設(shè)計了一種全橋零電壓零電流變換器，通過在變壓器原邊串聯(lián)飽和電感實現(xiàn)了滯后臂的ZCS，使所有開關(guān)管均實現(xiàn)了軟開關(guān)，有利于提高系統(tǒng)的效率。同時，分析了變換器的工作原理和工作模態(tài)，最終設(shè)計了實驗電路，驗證了理論分析和設(shè)計思想的正確性。
      關(guān)鍵詞：全橋變換器；軟開關(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、自動控制、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)的安全運行和設(shè)備的安全。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(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年代末高頻開關(guān)電源開始進(jìn)入了實用期，到90年代逐漸成熟。但目前我國電力系統(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，難以實現(xiàn)電池充放電智能管理。為了提高我國電力網(wǎng)的綜合效率和可靠性。目前，我國電力操作電源的發(fā)展正以高頻開關(guān)變換技術(shù)為基礎(chǔ)，其趨勢可概括為高頻化、高效率、大功率、無污染和模塊化。在管理方式上，結(jié)合計算機(jī)控制技術(shù)、總線技術(shù)的發(fā)展，形成多級計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控管理系統(tǒng)。本文主要針對全橋結(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能，超前臂實現(xiàn)ZVS，因為輸出濾波電感一般很大，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)實現(xiàn)ZVS。在原邊電流續(xù)流階段，通過引入反向阻斷電壓源，使原邊電流很快復(fù)位，從而滯后臂實現(xiàn)ZCS。
      全橋ZVZCS變換器可以使用不同的拓?fù)鋵崿F(xiàn)原邊電流復(fù)位。利用超前臂開關(guān)管的反向雪崩擊穿，使存儲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關(guān)的條件，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，不需要輔助電路，但是漏感中儲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，使原邊電流迅速復(fù)位，為滯后臂開關(guān)管創(chuàng)造零電流開關(guān)的條件，這種變換器的優(yōu)點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，以及有源箝位開關(guān)管采用的是硬開關(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關(guān)條件，該變換器利用阻斷電容和飽和電感的匹配來實現(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，一個作用就是上面的實現(xiàn)滯后臂的ZCS，另外一個作用是抑制變壓器的偏磁，在全橋變換器中，存在兩個半周的磁通量不平衡的問題，如果在變壓器的原邊串聯(lián)一個無極性電容，可以防止磁芯單向飽和，電流急劇上升造成的開關(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；與副邊采用有源無損箝位的ZVZCS變換器相比，控制電路比較簡單，而且可靠性高。
      結(jié)合上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，本文使用阻斷電容和飽和電感的方法實現(xiàn)ZVZCS，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1 ZVZCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的可以認(rèn)為工作在6個模態(tài)：
      模態(tài)1：傳輸能量階段。該階段開關(guān)管Q1和Q4導(dǎo)通，輸入電源通過變壓器電源向負(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性上升，電壓峰值V_Cbp。
          

                         （1）

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

                                （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，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。
      模態(tài)5：開關(guān)管Q4關(guān)斷，該階段為滯后臂開關(guān)管的死區(qū)時間。Q4關(guān)斷，Q3未開通，變壓器原邊電流為零，所以Q4實現(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：開關(guān)管Q3開通，變壓器原邊電流開始反向增大。因為飽和電感未飽和，原邊電流滯后一段時間才開始迅速上升。飽和電感飽和后，直流母線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
      本系統(tǒng)采用MSP430F155型號單片機(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)計使用C語言。并采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將各功能模塊設(shè)計為獨立的編程調(diào)試程序塊，這樣不僅有利于今后實現(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)計算模塊、中斷報警模塊、內(nèi)部存儲模塊、通訊中斷模塊、控制模塊等幾個組成部分，主程序流程如圖4所示。

 
圖4 主程序流程圖

      4、實驗結(jié)果與分析
      圖5是在輸入530V、輸出電壓250V、輸出電流3A條件下超前臂的實驗波形。其中，下方為開關(guān)管的驅(qū)動波形uce，上方為開關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce。由圖5中的實驗波形可以看出，在開關(guān)管的結(jié)電容與變壓器漏感作用下，超前臂開關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce下降到零后，驅(qū)動信號uge開通開關(guān)管，從而實現(xiàn)了零電壓開通?？梢娤到y(tǒng)在較輕的負(fù)載條件能夠?qū)崿F(xiàn)超前臂開關(guān)管零電壓開通。

 
 
圖5輕載時超前臂開關(guān)管實驗波形
  
圖6輕載時滯后臂開關(guān)管實驗波形
 

圖7滿載時超前臂開關(guān)管實驗波形

圖8滿載時滯后臂開關(guān)管實驗波形
 

      圖6是在輸出電壓250V、輸出電流3A條件下滯后臂的實驗波形，上面為變壓器原邊電流波形ip，下面為滯后臂開關(guān)管的驅(qū)動電壓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，之后滯后臂開關(guān)管關(guān)斷，從而實現(xiàn)了滯后臂開關(guān)管的零電流關(guān)斷?？梢娤到y(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條件下超前臂的實驗波形。其中，圖7下方為開關(guān)管的驅(qū)動波形uge，上方為開關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce。由圖7中的實驗波形可以看出，在開關(guān)管的結(jié)電容與變壓器漏感作用下，超前臂開關(guān)管集電極和發(fā)射極電壓uce下降到零后，驅(qū)動信號uge開通開關(guān)管，從系統(tǒng)在滿載時實現(xiàn)了超前臂零電壓開通。
      圖8是在輸出電壓250V、輸出電流40A條件下滯后臂的實驗波形，上面為變壓器原邊電流波形ip，下面為滯后臂開關(guān)管的驅(qū)動電壓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，之后滯后臂開關(guān)管關(guān)斷，從而在滿載時實現(xiàn)了滯后臂零電流關(guān)斷。實驗結(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)的安全運行和設(shè)備的安全。本文設(shè)計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。
      參考文獻(xiàn)
      [1] 王聰. 軟開關(guān)功率變換器及其應(yīng)用. 科學(xué)出版社, 2000:139~146
      [2] 阮新波,嚴(yán)仰光.零電壓零電流開關(guān)PWM DC/DC全橋變換器的分析.電工技術(shù)學(xué)報.2000,15(2):73~77
      [3] 林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.浙江大學(xué)出版社, 2002:74