全橋移相軟開(kāi)關(guān)matlab仿真研究

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院全橋移相軟開(kāi)關(guān)matlab仿真研究姓名：王克峰

摘要本文對(duì)PWM全橋ZVS軟開(kāi)關(guān)變換器進(jìn)行了闡述和研究。并簡(jiǎn)要給明了其工作原理和軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件。最后用matlab仿真進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：全橋移相軟開(kāi)關(guān)：零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）AbstractInthispaper，adetailanalysisofsoftfull-bridgePWMconventerisperformed.Theoperationelementsandthesoft-switchingcondtionsaresimplyexamined.Andbasedontheanalysis,WeverifieditbyMatlabsimulation.Keywords:fullbridgeconventer;zero-voltage-switching(ZVS)第一章1.1引言隨著電力電子技術(shù)的高頻化，開(kāi)關(guān)損耗越來(lái)越不容忽視。雖然提高開(kāi)關(guān)器件的本身開(kāi)關(guān)性能，能夠減少開(kāi)關(guān)損耗，但是如緩沖技術(shù)、無(wú)源無(wú)損技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在減少功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗方面效果顯著，理論上可以使開(kāi)關(guān)損耗減少為零。1.2軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的原理功率變換器通常采用PWM技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。硬開(kāi)關(guān)技術(shù)在每次開(kāi)關(guān)通斷期間功率器件突然通斷全部的負(fù)載電流，或者功率器件兩端電壓在開(kāi)通時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)釋放能量，這種方式的工作狀況下必將造成比較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)應(yīng)力，使開(kāi)關(guān)頻率不能做得很高。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是利用感性和容性元件的諧振原理，在導(dǎo)通前使功率開(kāi)關(guān)器件兩端的電壓降為零，而關(guān)斷時(shí)先使功率開(kāi)關(guān)器件中電流下降到零，實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)器件的零損耗開(kāi)通和關(guān)斷，并且減少開(kāi)關(guān)應(yīng)力。1.3移相全橋PWM變換器移相PWM控制方式是諧振變換技術(shù)與常規(guī)PWM變換技術(shù)的結(jié)合。其基本工作原理：每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)相位，即所謂移相角。通過(guò)調(diào)節(jié)此移相角的大小，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度，在變壓器副邊得到占空比可調(diào)的正負(fù)半周對(duì)稱的交流方波電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的。移相PWM控制方式利用開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓的漏電感作為諧振元件。利用高頻變壓器漏感儲(chǔ)能對(duì)功率開(kāi)關(guān)管兩端輸出電容的充放電來(lái)使開(kāi)光管兩端電壓下降為零，使全橋變換器的四個(gè)開(kāi)關(guān)光一次在零電壓下導(dǎo)通，在緩沖電容作用下零電壓關(guān)斷，從而有效地降低了電路的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中減少的電磁干擾，為變換器裝置提高開(kāi)關(guān)頻率、提高噪聲，減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變化器裝置提高開(kāi)關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時(shí)，還保持常規(guī)的全橋PWM電路中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方式簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率恒定、元器件的電壓和電流應(yīng)力等一系列優(yōu)點(diǎn)。1.4本文主要內(nèi)容本文對(duì)PWM全橋軟開(kāi)關(guān)直流變換器進(jìn)行了研究。具體闡述了PWM全橋ZVS軟開(kāi)關(guān)滯留變換器的工作原理和軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件。并進(jìn)行了matlab的相應(yīng)仿真分析。第二章軟開(kāi)關(guān)原理和條件以及matlab仿真2.1全橋移相的基本原理闡述移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器電路原理圖如圖2.1所示。圖中，Vin為輸入直流電壓，Q1,、Q2、Q3、Q4為開(kāi)光管，D1、D2、D3、D4、為其反并聯(lián)二極管，C1、C2、C3、C4為開(kāi)關(guān)管輸出結(jié)電容，Llk為變壓器的漏電感。移相PWM控制技術(shù)利用開(kāi)關(guān)管的漏電感Llk和輸出結(jié)電容Ci（i=1,2,3,4）作為諧振元件，在一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期中通過(guò)諧振使全橋變換器的四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，在電容Ci作用下零電壓關(guān)斷：通過(guò)移相控制實(shí)現(xiàn)占空調(diào)節(jié)，完成輸出電壓的控制。其工作波形如圖2.2所示。圖2.1移相全橋電路拓?fù)鋱D2.2工作波形通過(guò)圖2.2我們可以知道，全橋移相軟開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)有12個(gè)工作模態(tài)，正負(fù)兩個(gè)半周期內(nèi)各有6個(gè)，工作模態(tài)正好相反?，F(xiàn)以上半周期為例進(jìn)行介紹。開(kāi)關(guān)模態(tài)0（t0之前）在t0時(shí)刻之前，Q1和Q4導(dǎo)通，原邊電流流經(jīng)Q1，諧振電感Lr，變壓器原邊繞組以及Q4，最后回到電源負(fù)極，在t0時(shí)刻原邊電流達(dá)到最大值。開(kāi)關(guān)模態(tài)1（t0-t1）t0時(shí)刻關(guān)斷Q1，原邊電流從Q1中轉(zhuǎn)移到C1和C3之路中。由于C1和C3，Q1是零電壓關(guān)斷。這段時(shí)間里諧振電感和濾波電感是串聯(lián)的，而且很大，因此可以認(rèn)為原邊電流近似不變，類似一個(gè)恒流源。開(kāi)關(guān)模態(tài)2（t1-t2）D3導(dǎo)通后，開(kāi)通Q3，這使Q3雖然被開(kāi)通，但Q3的電壓被D3鉗位到零，所以Q3是零電壓開(kāi)通。開(kāi)關(guān)模態(tài)3（t2-t3）在t2時(shí)刻，關(guān)斷Q4，原邊電流由C2和C4兩條途徑提供，就是說(shuō)，原邊電流抽走了C2上的電荷，同時(shí)又給C4充電。由于C2和C4的存在，Q4是零電壓關(guān)斷。此時(shí)VAB=-VC4，VAB的極性自零變負(fù)，變壓器副邊繞組電勢(shì)下正上負(fù)，整流二極管DR1、DR2同時(shí)導(dǎo)通，將變壓器副邊繞組短接，這樣變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零，VAB直接加在變壓器漏感上，這段時(shí)間里實(shí)際上諧振電感和C2、C4在諧振工作。在t3時(shí)刻，當(dāng)C4電壓上升到Vin，D2自然導(dǎo)通，這一模態(tài)結(jié)束。開(kāi)關(guān)模態(tài)4（t3-t4）在t3時(shí)刻，D2自然導(dǎo)通，將Q2鉗位在零，此時(shí)開(kāi)通Q2，Q2是零電壓導(dǎo)通。Q2和Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間td>t23開(kāi)關(guān)模態(tài)5（t4-t5）在t4時(shí)刻，原邊電流由正值過(guò)零，并且向負(fù)方向增加，此時(shí)Q2和Q3為原邊電流提供通路。由于原邊電流仍不足以提供負(fù)載電流，負(fù)載電流仍由兩個(gè)整流管提供回路，此時(shí)原邊繞組電壓仍為零，加在諧振電感兩端電壓是電源電壓。開(kāi)關(guān)模態(tài)6（t5-t6）在這段時(shí)間里，電源給負(fù)載供電。在t6時(shí)刻，Q3關(guān)斷，變換器開(kāi)始另半個(gè)周期的工作。Matlab仿真圖見(jiàn)附錄一。2.2超前臂的軟開(kāi)關(guān)條件以及matlab仿真移相全橋跟普通全橋的主要區(qū)別在于它的兩個(gè)對(duì)角的開(kāi)關(guān)不是分別同時(shí)導(dǎo)通，而是錯(cuò)開(kāi)一定角度，通過(guò)移相來(lái)改變輸出電壓。這里顯然，Q1和Q2是超前臂。且超前臂無(wú)論是開(kāi)通還是關(guān)斷時(shí)刻都是再變壓器正常導(dǎo)通的情況下進(jìn)行的。也就是說(shuō)變壓器的漏感和濾波電感是串聯(lián)工作的。2.2.1超前臂軟開(kāi)關(guān)原理和條件的詳細(xì)分析。Q1的零電壓關(guān)斷：由于Q1導(dǎo)通一段時(shí)間后，并聯(lián)電容電壓會(huì)保持到零電壓。所以Q1的零電壓關(guān)斷的條件就是：在Q1導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，電壓放電完成。顯然有放（充）電時(shí)間tc<td(導(dǎo)通時(shí)間)，但也不能放電過(guò)快，不然會(huì)使電容的電壓出現(xiàn)小范圍不斷震蕩。即tonQ2的零電壓關(guān)斷：由于對(duì)稱性，同上。Q2的零電壓開(kāi)通：顯然若希望Q2實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，那么在t1-t2的時(shí)間內(nèi)，Q2并聯(lián)電容的電壓必須降低到零電壓，并由反并聯(lián)二極管鉗位到零電壓不變。而在t1-t2時(shí)間內(nèi)，由于C1、C2和變壓器漏感和濾波電感構(gòu)成諧振電路，使Q2可以實(shí)現(xiàn)零電壓并且鉗位。Q2的零電壓開(kāi)通：由于對(duì)稱性，同上。2.2.2超前臂軟開(kāi)關(guān)的MATLAB仿真利用上節(jié)討論，我們可以由自己設(shè)定的周期、占空比、移相角、IGBT導(dǎo)通電阻Ron等得出Ci（i=1,2,3,4）、Lr，L等的參數(shù)范圍。這里我們選用100k的開(kāi)關(guān)頻率、45%的占空比、移相角為35%、IGBT導(dǎo)通電阻Ron為0.08Ω。其實(shí)IGBT是沒(méi)有導(dǎo)通電阻Ron的，只有飽和壓降，但是Matlab仿真模型中要求填入InternalresistanceRon，所以這里我們選取了MOSFETIRF650A的導(dǎo)通壓降作為參考，因?yàn)槠銪Vdss=200V,ID=28A，有一定的參考價(jià)值，其標(biāo)注的導(dǎo)通電阻為0.08Ω。所以這里導(dǎo)通電阻Ron略作修改定為0.08歐姆。由此得出Ci（i=1,2,3,4）的范圍是：1.2×10-9<Ci<1.2×10-7。若考慮到IGBT實(shí)物的話，IGBT的結(jié)電容的范圍大概是幾十pF到幾十nF之間，所以此處選著的是由于在t1-t2時(shí)諧振方程過(guò)于復(fù)雜，而若考慮到電感和很大，則可以被近似認(rèn)為一個(gè)恒流源，即電容電壓線性下降。那么t2-t1>nC超前臂的零電壓導(dǎo)通是與L∑有關(guān)，但由于此處計(jì)算不以諧振為基礎(chǔ)計(jì)算，所以L∑無(wú)法以此處的條件算出。Vin(max)n-最后的輸出電容由于是穩(wěn)壓作用，所以對(duì)于電路影響不大，不能太大，太大影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，也不能太小，太小電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。這里定為2.2×10-5超前臂的仿真波形如附錄二所示。2.3滯后臂的軟開(kāi)關(guān)條件以及matlab仿真滯后臂的軟開(kāi)關(guān)條件比較復(fù)雜，因?yàn)樵跍蟊垡獙?shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通時(shí)刻之前，變壓器二次側(cè)因?yàn)閾Q流問(wèn)題，而使變壓器兩端電壓為零，換而言之，就是若要實(shí)現(xiàn)滯后臂零電壓開(kāi)通，要用變壓器的漏感和Ci（i=1,2,3,4）諧振。而最困難的是，現(xiàn)實(shí)中變壓器漏感比較小而且難以確定，在matlab中到?jīng)]有這樣的問(wèn)題，只要設(shè)置好變壓器的漏感，就能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)