论文部分内容阅读
摘要：本文主要介绍3KW充电机设计的软开关设计部分。将移相全桥零电压零电流的软开关电路应用到充电机的设计中，减小了电路中元件的应力，提高了充电机的整机效率。本文分析了使用副边能量缓冲电路的移相全橋软开关电路的工作过程。
关键词：软开关 全桥移相 充电机
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-007-02
1 引言
电力分为两大类：交流电（AC）和直流电（DC），因此，基本的电力电子变换线路分为AC-DC、DC-AC、AC-AC和DC-DC四类。充电机的功能是把工频的交流电转化为直流电，向电池充电，因此应用的是AC-DC变换线路。
目前主要的电力变换电路有线性放大电路、相控电路和开关电路3种。线性电路工作在放大区，损耗大；相控电路需要工频变压器和电感，比较笨重，而且它的控制周期是工频，响应速度慢；开关电路克服了线性放大电路和相控电路的缺点，具有效率高、体积小和重量轻的优点。
2 主电路工作原理分析
本文中的3kW软开关充电机电路如图1所示，在此电路的四个开关管中， 和 是超前臂， 和 是滞后臂。 和 是超前臂上并联的缓冲电容。 是变压器的原边漏感，谐振电容 ，二极管 和 在副边构成一个能量缓冲电路，在换相期间复位边电流， 和 构成输出的LC滤波电路。
3 软开关分析
3.1 软开关电路分析
整个软开关电路的工作过程共分为九个阶段，如图2所示。各个工作阶段中的相关电压、电流波形如图3所示。首先对电路原副边参数进行计算：
公式1
所以副边参数R、L、C折合到原边即变为为 ，可见感应过程中电阻和电感被等效的减小为 ，而电容则等效增加了 倍。
3.2 软开关工作过程分析
Mode1（t0-t1）： 和 管同时导通，二极管 导通形成谐振回路，漏感和副边电容谐振，副边电流和整流桥电压谐振上升，简化电路如图4所示：
得到方程：
公式2
由方程可以求出在周期 时谐振电容上有最大电压 ，谐振周期由 确定。当半个周期后副边电流恢复到 ，谐振电容上的电压达到最大值 。
Mode2（t1-t2）：此时 截止，整流桥上的电压变为 （当占空比大于0.5时），并保持到这半个周期的结束。谐振电容上的电压被嵌位在 。负载功率完全由原边提供：
公式3
由公式3可以看出当占空比D小于等于0.5的时候 ，电容会通过 放电，直到 上的电压等于 。
Mode3（t2-t3）： 关断、 保持导通。原边电流在漏感 的作用下保持方向不变，给 充电， 放电。 的电压上升， 的电压下降。变压器两端的电压快速线性下降。如果认为漏感足够大，原边电流 基本保持不变，则电路的等效图如图5。变压器原边的电压场 如公式4所示。
公式4
Mode4（t3-t4）：变压器副边电压与原边以相同的速率下降，当电压下降到 时， 导通， 放电，副边电压被电容电压箱位并反射到原边。原边电流 在反射电压的作用下快速下降， 仍然给 充电， 放电。等效电路如下图：
图5 模式3等效电路图 图6模式4等效电路图
原边电流 可以表示为下式：
公式5
Mode5（t4-t5）： 被完全放电到零， 导通。 可以在此阶段零电压开通。整个反射电压加在漏感上，电流在反射电压的作用下持续减小，等效电路见图7：
设初始状态下原边电流为 ，则原边电流可表示为下式：
公式6
Mode6（t5-t6）：当原边电流完全为零后。变压器副边输出电流为零，负载电流完全由谐振电容提供。副边电压快速下降，在此阶段结束时下降到零。副边等效电路如下图：
图7模式5等效电路图 图8模式6等效电路图
设上一阶段结束的时候副边谐振电容上的电压为 ，则有：
公式7
Mode7（t6-t7）：谐振电容的电压下降到零后，副边整流桥臂二极管导通，副边电流由滤波电感通过整流桥臂续流。
Mode8（t7-t8）：在此阶段 关断，此时原边的电压电流都为零。 是零电压、零电流关断。
Mode9（t8-t9）： 零电流开通，电流在漏感的抑制下线性上升。
公式8
3.3 软开关实现条件分析
在 关断之后，超前臂上的电容 的电压要在死区时间 内升到母线电压，同时 上的电压要由母线电压降到零，也就是说在恒定的负载间与内要把电容上的电荷抽干。
公式9
4 结论
本文选取一种副边具有简单辅助电路的ZVZCS移相全桥电路，研制了一台3kw零电压零电流移相全桥软开关充电机。该辅助电路结构简单、无耗能元件和有源开关。它不仅提高了整体效率（最高达92%），而且对降低原副边元件的电压应力有明显的效果。实验证明这种电路可以应用于充电机中。
参考文献：
[l]陈坚.电力电子学一电力电子变换和控制技术.北京.高等教育出版社.2001年
[2]王聪.软开关功率变换器及其应用.北京.科学出版社.1999年12月.PI一10
[3]张永强.基于DSP的移相全桥ZVZCS变换器.北京交通大学.2005
关键词：软开关 全桥移相 充电机
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-007-02
1 引言
电力分为两大类：交流电（AC）和直流电（DC），因此，基本的电力电子变换线路分为AC-DC、DC-AC、AC-AC和DC-DC四类。充电机的功能是把工频的交流电转化为直流电，向电池充电，因此应用的是AC-DC变换线路。
目前主要的电力变换电路有线性放大电路、相控电路和开关电路3种。线性电路工作在放大区，损耗大；相控电路需要工频变压器和电感，比较笨重，而且它的控制周期是工频，响应速度慢；开关电路克服了线性放大电路和相控电路的缺点，具有效率高、体积小和重量轻的优点。
2 主电路工作原理分析
本文中的3kW软开关充电机电路如图1所示，在此电路的四个开关管中， 和 是超前臂， 和 是滞后臂。 和 是超前臂上并联的缓冲电容。 是变压器的原边漏感，谐振电容 ，二极管 和 在副边构成一个能量缓冲电路，在换相期间复位边电流， 和 构成输出的LC滤波电路。
3 软开关分析
3.1 软开关电路分析
整个软开关电路的工作过程共分为九个阶段，如图2所示。各个工作阶段中的相关电压、电流波形如图3所示。首先对电路原副边参数进行计算：
公式1
所以副边参数R、L、C折合到原边即变为为 ，可见感应过程中电阻和电感被等效的减小为 ，而电容则等效增加了 倍。
3.2 软开关工作过程分析
Mode1（t0-t1）： 和 管同时导通，二极管 导通形成谐振回路，漏感和副边电容谐振，副边电流和整流桥电压谐振上升，简化电路如图4所示：
得到方程：
公式2
由方程可以求出在周期 时谐振电容上有最大电压 ，谐振周期由 确定。当半个周期后副边电流恢复到 ，谐振电容上的电压达到最大值 。
Mode2（t1-t2）：此时 截止，整流桥上的电压变为 （当占空比大于0.5时），并保持到这半个周期的结束。谐振电容上的电压被嵌位在 。负载功率完全由原边提供：
公式3
由公式3可以看出当占空比D小于等于0.5的时候 ，电容会通过 放电，直到 上的电压等于 。
Mode3（t2-t3）： 关断、 保持导通。原边电流在漏感 的作用下保持方向不变，给 充电， 放电。 的电压上升， 的电压下降。变压器两端的电压快速线性下降。如果认为漏感足够大，原边电流 基本保持不变，则电路的等效图如图5。变压器原边的电压场 如公式4所示。
公式4
Mode4（t3-t4）：变压器副边电压与原边以相同的速率下降，当电压下降到 时， 导通， 放电，副边电压被电容电压箱位并反射到原边。原边电流 在反射电压的作用下快速下降， 仍然给 充电， 放电。等效电路如下图：
图5 模式3等效电路图 图6模式4等效电路图
原边电流 可以表示为下式：
公式5
Mode5（t4-t5）： 被完全放电到零， 导通。 可以在此阶段零电压开通。整个反射电压加在漏感上，电流在反射电压的作用下持续减小，等效电路见图7：
设初始状态下原边电流为 ，则原边电流可表示为下式：
公式6
Mode6（t5-t6）：当原边电流完全为零后。变压器副边输出电流为零，负载电流完全由谐振电容提供。副边电压快速下降，在此阶段结束时下降到零。副边等效电路如下图：
图7模式5等效电路图 图8模式6等效电路图
设上一阶段结束的时候副边谐振电容上的电压为 ，则有：
公式7
Mode7（t6-t7）：谐振电容的电压下降到零后，副边整流桥臂二极管导通，副边电流由滤波电感通过整流桥臂续流。
Mode8（t7-t8）：在此阶段 关断，此时原边的电压电流都为零。 是零电压、零电流关断。
Mode9（t8-t9）： 零电流开通，电流在漏感的抑制下线性上升。
公式8
3.3 软开关实现条件分析
在 关断之后，超前臂上的电容 的电压要在死区时间 内升到母线电压，同时 上的电压要由母线电压降到零，也就是说在恒定的负载间与内要把电容上的电荷抽干。
公式9
4 结论
本文选取一种副边具有简单辅助电路的ZVZCS移相全桥电路，研制了一台3kw零电压零电流移相全桥软开关充电机。该辅助电路结构简单、无耗能元件和有源开关。它不仅提高了整体效率（最高达92%），而且对降低原副边元件的电压应力有明显的效果。实验证明这种电路可以应用于充电机中。
参考文献：
[l]陈坚.电力电子学一电力电子变换和控制技术.北京.高等教育出版社.2001年
[2]王聪.软开关功率变换器及其应用.北京.科学出版社.1999年12月.PI一10
[3]张永强.基于DSP的移相全桥ZVZCS变换器.北京交通大学.2005