DCAC變換器的無源無損軟開關設計

學 號 1109141042畢 業(yè) 設 計課 題 DC/AC 變換器的無源無損軟開關設計 學生姓名 田 焱 烽 院 部 電 氣 工 程 學 院 專業(yè)班級 11 電 氣 工 程 及 其 自 動 化 指導教師 謝東 二 一 五 年 六 月銅陵學院畢業(yè)論文（設計）目 錄第一章 緒 論 .11.1 軟開關技術 .11.2 軟開關技術的發(fā)展過程 .21.3 本論文主要研究工作 .2第二章 無源無損軟開關電路設計 .32.1 無損緩沖電路的設計 .32.2 無源無損軟開關電路的設計 .32.3 無源無損軟開關電路的構成 .82.4 零電流開關 .82.4.1 緩沖電感的放置 .82.4.2 緩沖電感的能量回復 .82.5 零電壓開關 .92.5.1 緩沖電容的放置 .92.5.2 緩沖電容的能量回復 .102.6 無源無損軟開關設計 .102.7 本章小結 .11第三章 DC/AC 變換器的無源無損軟開關設計 .123.1 基于 DC/AC 變換器無源無損軟開關電路的設計步驟 .123.1.1 DC/AC 開關管的零電流電感 ZCL .123.1.2 DC/AC 開關管的零電壓電容 ZVC .133.1.3 逆變器無源無損軟開關綜合設計 .143.2 DC/AC 軟開關逆變器的工作過程 .153.3 逆變器無源無損軟開關參數(shù)的選擇與設計 .163.4 Half Bridge 逆變器軟開關電路的設計及實驗 .183.5 本章小結 .19第四章 結論 .20參考文獻 .21致謝 .22田焱烽：DC/AC 變換器的無源無損軟開關設計插圖清單圖 1-1 開關管的硬開通與關斷過程 1圖 1-2 軟開關的開通和關斷過程 2圖 2-1 型半橋逆變器緩沖電路 4圖 2-2 型電路的三種工作模式 5圖 2-3 型逆變器緩沖電路 6圖 2-4 型電路的三種工作方式 7圖 2-5 boost 變換器中緩沖電感的位置 8圖 2-6 電 感 型 VSD 電路 9圖 2-7 緩沖電容在電路中的放置位置 10圖 2-8 Boost 變換器中 Cr 能量恢復電路 10圖 3-1 Half Bridge 和 Full Bridge 電路的基本軟開關拓撲結構 12圖 3-2 全橋電路的 ZCL 回路 13圖 3-3 Full Bridge 電路的零電流電感 ZCL 共用回路 13圖 3-4 每個開關管零電壓電容支路的位置 14圖 3-5 逆變器的基本軟開關單元 15圖 3-6 Half Bridge 逆變器的無源無損軟開關拓撲結構 15圖 3-7 Half Bridge 逆變器的無源無損軟開關 16圖 3-8 Half Bridge 逆變器的無源無損軟開關電路 18圖 3-9 IR2104 內部結構圖 19銅陵學院畢業(yè)論文（設計）DC/AC 變換器的無源無損軟開關設計摘 要由 于 科 學 技 術 的 進 步 ,傳 統(tǒng) 的 DC/AC 轉 換 器 逐 漸 淡 出 了 我 們 的 視 線 ， 取 而 代 之 的是 半 導 體 變 流 技 術 ， 用 該 技 術 制 成 的 DC/AC 變 換 裝 置 稱 為 靜 止 變 流 器 。由 于 傳 統(tǒng) 的 變 換 裝 置 體 積 較 大 并 且 質 量 比 較 重 ， 已 經(jīng) 滿 足 不 了 其 在 各 種 場 合 下 的需 要 ， 人 們 開 始 考 慮 如 何 來 有 效 減 小 變 換 裝 置 的 重 量 和 大 小 變 器 并 提 高 其 你 變 效 率 。一 種 有 效 的 方 案 就 是 提 高 其 電 子 器 件 的 動 作 頻 率 。 但 是 提 高 器 件 的 開 關 頻 率 ， 又 會 給系 統(tǒng) 帶 諸 如 電 磁 干 擾 、 開 關 損 耗 等 不 利 影 響 。 要 想 減 小 開 關 管 的 電 磁 干 擾 和 開 關 損 耗 ，可 以 通 過 限 制 過 高 的 電 流 上 升 率 和 電 壓 上 升 率 來 實 現(xiàn) 。 本 文 簡 述 了 軟 開 關 技 術 的 現(xiàn) 狀 以 及 其 發(fā) 展 歷 程 。 從 基 本 概 念 著 手 ， 來 論 述 軟 開 關拓 撲 結 構 是 如 何 形 成 的 ， 分 析 無 源 無 損 軟 開 關 線 路 和 有 源 無 損 軟 開 關 線 路 的 工 作 過 程 。并 將 該 技 術 用 于 DC/AC 變 換 器 。 理 論 分 析 和 仿 真 實 驗 的 結 果 都 充 分 說 明 了 軟 開 關 技術 是 可 以 減 少 逆 變 器 開 關 損 耗 以 及 電 磁 干 擾 的 ， 從 而 提 高 了 逆 變 器 的 逆 變 效 率 。關鍵詞：軟 開 關 DC/AC 變 換 器 無 源 無 損 電 磁 干 擾田焱烽：DC/AC 變換器的無源無損軟開關設計Passive lossless soft switching DC/AC converter designAbstractDue to the progress of science and technology, the traditional DC / AC converter gradually fade out of our sight, instead is semiconductor variable flow technology, made with the technology of DC / AC converter called static inverter.Due to the traditional transform device volume larger and quality is heavier, has been unable to meet the in various occasions need, people began to consider how to effectively reduce the weight and size of the converter transformer and improve your efficiency. An effective scheme is to improve the operating frequency of its electronic device. However, the switching frequency of the device can also give the system such as electromagnetic interference, switch loss etc.In order to reduce the electromagnetic interference and switch loss of the switch tube, the high current can be achieved by limiting the high current rise rate and the voltage rise rate.This paper briefly describes the status quo of soft switching technology and its development course. From the basic concept, it is discussed how soft switching topology is formed, and the working process of passive lossless soft switching line and active lossless soft switching line is analyzed. And the technology for DC/AC converter. The results of theoretical analysis and simulation experiment indicate that the soft switching technology can reduce the inverter switch loss and electromagnetic interference, so as to improve inverter efficiency of inverterKeywords: soft shut DC/AC converter passive lossless electromagnetic interference銅陵學院畢業(yè)論文（設計）- 1 -第一章 緒 論1.1 軟開關技術如 圖 1-1（ a） 所 示 ， 硬 開 關 條 件 下 ， 關 閉 開 關 管 ， 電 流 波 形 與 電 壓 會 在 時 間 軸 上會 產(chǎn) 生 一 個 交 叉 區(qū) 域 ， 這 個 交 叉 區(qū) 域 就 是 我 們 常 說 的 關 斷 損 耗 。 同 理 ， 在 開 關 管 開 通時 ， 也 會 產(chǎn) 生 了 與 此 類 似 的 一 個 交 叉 區(qū) 域 ， 這 個 交 叉 區(qū) 域 就 是 我 們 常 說 的 開 通 損 耗 。開 通 損 耗 和 關 斷 損 耗 合 稱 為 開 關 損 耗 。UitPt( a ) 硬開關開通過程UitPt( b ) 硬開關關斷過程圖1-1 開關管的硬開通與關斷過程由 于 解 決 硬 開 關 技 術 存 在 著 開 關 噪 聲 大 、 有 明 顯 的 過 沖 和 振 蕩 會 影 響 其 他 電 子 器件 的 正 常 運 行 以 及 開 關 損 耗 會 隨 著 工 作 頻 率 的 升 高 而 增 大 等 缺 點 。 所 以 有 必 要 改 進 傳統(tǒng) 的 開 關 管 開 管 關 技 術 。 軟 開 關 技 術 就 是 在 這 種 情 況 下 提 出 的 。軟 開 關 技 術 的 設 計 思 想 主 要 有 以 下 兩 種 ：（ 1） 、 零 電 壓 開 關 ZVS(zero voltage switch)；這 種 開 關 方 式 是 指 在 開 通 前 開 關 管 上 的 電 壓 為 0， 這 樣 就 可 以 避 免 開 通 損 耗 和 電磁 噪 聲 的 產(chǎn) 生 了 。（ 2） 、 零 電 流 關 斷 ZCS(zero voltage switch)。零 電 流 關 斷 ， 即 開 關 管 關 斷 前 流 經(jīng) 開 關 管 得 電 流 為 0。軟 開 關 電 路 開 通 、 關 斷 過 程 的 電 流 和 電 壓 波 形 如 圖 1-2 所 示 。 Uitt( a ) 軟開關開通過程UitPt( b ) 軟開關關斷過程圖1-2 軟開關的開通和關斷過程田焱烽：DC/AC 變換器的無源無損軟開關設計- 2 -1.2 軟開關技術的發(fā)展過程緩 沖 電 路 的 作 用 是 通 過 在 電 路 中 嵌 入 電 容 和 電 感 來 延 緩 開 關 管 的 開 關 過 程 。 加入 電 感 的 作 用 是 抑 制 過 快 的 di/dt， 加 入 電 容 的 作 用 是 抑 制 過 快 早 期 的 緩 沖 電 路 主 要使 用 來 解 決 開 關 過 程 中 由 于 電 流 電 壓 應 力 的 減 小 而 導 致 的 電 路 中 的 儲 能 元 件 中 存 儲 的能 量 過 大 以 至 于 不 能 在 下 一 個 開 關 周 期 被 消 耗 的 問 題 。 隨 著 電 力 電 子 技 術 的 房 展 ， 諧振 變 換 技 術 出 現(xiàn) 了 ， 這 種 技 術 是 通 過 增 大 儲 能 元 件 中 存 儲 的 電 磁 能 量 ， 從 而 使 得 電 路器 件 產(chǎn) 生 諧 振 。 對 諧 振 變 換 技 術 進 行 更 精 準 的 控 制 ， 使 得 諧 振 在 一 個 工 作 周 期 內 進 行 ，這 就 是 準 諧 振 的 軟 開 關 技 術 。1.3 本論文主要研究工作在查閱了有關軟開關技術方面的書籍與資料后，進行了下面的研究。本論文首先介紹了軟開關技術的產(chǎn)生，其次講解了無緣無損開關的組成。在此基礎上進一步介紹其制定實驗步驟，明確需要的參數(shù)。最終搭建半橋逆變器平臺，并將無緣無損軟開關附加到其中。根據(jù)實驗的結果，證明了無源無損軟開關確實能夠很好的解決硬開關條件下所產(chǎn)生的負面影響。銅陵學院畢業(yè)論文（設計）- 3 -第二章 無源無損軟開關電路設計根據(jù)前面章節(jié)的介紹，我們對軟開關設計有了初步的認識，我們需要在電路中加入電容和電感來實現(xiàn)開關管的軟開通。但是具體的電容電感是如何選擇的以及如何放置，我們會在接下來的章節(jié)中一一探究。2.1 無損緩沖電路的設計緩 沖 電 路 一 般 來 說 是 用 于 保 護 電 路 的 線 路 。 在 軟 開 關 電 路 中 ， 緩 沖 電 路 的 作 用 主要 有 兩 個 ： 一 、 防 止 過 電 壓 的 產(chǎn) 生 并 降 低 開 關 損 耗 ； 二 、 防 止 開 關 管 被 擊 穿 。 早 期 的緩 沖 電 路 是 將 開 關 損 耗 轉 移 到 電 阻 上 進 行 消 耗 的 。 早 期 的 RCD（ 符 號 R 表 示 電 阻 ，符 號 C 表 示 電 容 ， 符 號 D 表 示 二 極 管 ） 緩 沖 電 路 是 通 過 將 開 關 管 的 開 通 損 耗 和 關 斷 損耗 轉 移 至 電 阻 上 來 進 行 消 耗 掉 ， 但 是 這 依 然 不 能 完 全 消 除 開 關 損 耗 。 無 損 緩 沖 電 路 能夠 減 小 電 路 的 損 耗 ， 從 而 提 高 電 路 性 能 。 2.2 無源無損軟開關電路的設計提到無源無損軟開關電路，不得不說下有緣無損電路。同樣的有源無損緩沖電路也是可以降低開關損耗的。但是相比無源無損電路來說，其結構太過復雜，不易控制。所以一般選用無源無損緩沖電路對電路進行保護。在逆變器電路中加入無源器件，構成無源無損軟開關電路，它能夠實現(xiàn)減少電路損耗，降低電磁干擾噪聲并減小電流電壓應力。并且這種電路設計起來比較簡單，無需很多輔助電路，可靠性較好。本 節(jié) 主 要 介 紹 兩 種 無 源 無 損 緩 沖 電 路 ： 型 和 型 。 其 中 的 符 號 C 表 示 電 容 ，符 號