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1、移相全桥软件开关变换器的设计电气工程及其自动化 李跃 089064117 指导教师：胡雪峰 副教授摘要软开关技术和数字控制是电力电子领域的重要课题。本文就是对两者进行有机结合所做的简单尝试。软开关的形式诸多，其中移相全桥零电压软开关变换器（Phase-Shift Full-Bridge Zero-Voltage Switching Converter，简称 PSFB-ZVS变换器）由于结构简单，控制方便在中大功率电源中获得了广泛的应用。本文针对经典的 PSFB-ZVS 变换器拓扑进行了细致的分析，推导出电路工作的相关状态方程。并用 MATLAB 软件对主电路进行了仿真，仿真结果证明了理论分析的
2、正确性。在此基础上，根据既有实验条件，设计了一台小功率的样机，对主电路和测控电路的参数进行了计算和选取，并以 ARM STM32F407VG 控制器为核心，结合数字 PID 控制理论实现了对变换器的电压电流双闭环控制。利用 ARM 强大的事务管理机制，设计了友好的的人机界面，提高了装置的易操作性和灵活性。关键字：移相全桥，软开关，ARM，数字控制ABSTRACTSoft-switching technique along with digital control scheme plays very important role in the subject of power electroni
3、cs. This paper gives a simple try to combine the two techniques. Among so many constructions of soft switch, Phase-Shift Full Bridge ZVS converter has been widely used for medium-high power DC power supply due to its good performance with simple topology and simple control. Based on detailed analysi
4、s of the classical PSFB-ZVS converter, parameter calculation equations are derived in this paper. The main circuit is simulated by MATLAB to prove the validity of the theoretical analysis. Restricted by the resources in the laboratory, a low power prototype is made to observe operating mode of the c
5、ircuit. Both parameter and structure of the main circuit and auxiliary circuit are designed. Based on the lasted ARM STM32F407VG mcu, combined with digital PID control scheme, the converter is operated under the control of voltage-current dual loop. Thanks to the powerful task-managing ability of AR
6、M, a friendly HMI is built which makes the apparatus easy to manipulate and much more flexible.Keywords: Phase-Shift Full Bridge, Soft-Switching, ARM, Digital Control第一章 绪论1.1 课题背景电源是一切电气设备的心脏，其重要性不言而喻。由于效率高，体积小等得天独厚的优点，开关电源在绝大部分场合已取代线性电源而成绝对的主流。但随着低碳节能的观念深入人心和电力电子技术的飞速发展，传统开关电源的地位受到了严重的挑战。为了缩小设备体积，
7、必须提高工作频率，而开关损耗也将随之水涨船高，效率会严重下降，鱼和熊掌不可兼得。软开关技术正是在这种背景下应运而生。开关变换器的发展趋势是高频、高功率密度、小型轻量化。但大多数传统变换器中的开关器件是在电压很高或电流很大的条件下开通或关断，其开关时的电压和电流波形如图 1.1 所示，具有这种开关特性的开关称为硬开关。开关管工作在硬开关状态时，由于开关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降为零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，而是有一个上升时间。在开通的这段时间内，电压和电流有一个交叠区，产生损耗，称之为开通损耗。当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升至
8、电源电压，同时电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在关断的这段时间内，电压和电流也有一个交叠区，产生损耗，称之为关断损耗。因此在开关管工作时，不仅有通态损耗还会产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是一定的，开关变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗就越高，开关变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了开关变换器开关频率的提高，从而限制了开关变化器的小型化和轻量化。同时，硬开关在开通和关断时电压电流快速变化，产生严重的开关噪声。UB EootttUC EICEBCICUC EPL O S S图 1.1 硬开关过程随着开
9、关变化器的工作频率的不断提高，硬开关将会给变换器带来如下问题：1）开关损耗大:开通时，开关器件的电流上升电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗。该损耗随开关频率的提高而急速增大。2）感性关断电压尖峰大：当器件关断时，电路中的感性原件感应出尖峰电压。开关频率越高，关断越快，该感应电压越高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。3）容性开通电流尖峰大：当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高，开通电流尖峰越大，从而会引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，开关管在此
10、期间内的开通动作易产生很大的冲击电流。频率越高，该冲击电流越大，对器件的安全运行造成的危害越大。4）电磁干扰严重：随着频率的提高，电路的 di/dt 和 dv/dt 增大，从而导致电磁干扰(EMI)增大，影响整流器和周围电子设备的正常工作。5）二极管的反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则造成该开关器件和二极管损耗急剧增加，重则致其损坏。1.2 软开关的原理和实现1.2.1 软开关的基本概念开关变换器的高频损耗问题严重妨碍了开关器件工作频率的提高，采用软开关（Soft
11、 Switching）是解决上面问题的有效途径。软开关工作方式与硬开关工作方式不同：理想的零电流软关断过程是电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零；理想的零电压软开通过程是电压先下降到零，然后电流再缓慢上升到正常值，所以开通损耗近似为零，从而解决了容性开通的问题。同时，di/dt,dv/dt 的降低使得电磁干扰问题得以解决。软开关技术实际上是利用电容与电感谐振，使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通，实现开关损耗为零。通过在基于硬开关的开关电路中引入很小的电感 L、电容 C 等谐振元件，便可在开关过程前后引入
12、谐振过程，开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中的电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声。具有这种开关特性的开关称为软开关，应用软开关的电路称为软开关电路。软开关电路中典型的开关过程如图 1.2 所示。UB EooUB EooPL O S SttttttUC EICUC EIC零电流关断 零电压开通PL O S S图 1.2 典型软开关过程1.2.2 软开关的分类软开关可以分为两类,即零电压开关和零电流开关。1）零电压开关（ZVS）：开关开通前两端电压已降为零，这样开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式为零电压开通；与开关并联的
13、电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断，关断时不会产生损耗和噪声。2）零电流开关（ZCS）：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断；与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗，这种开通方式称之为零电流开通。1.2.3 软开关变换器的拓扑软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显，使开关电源的高频化成为可能。按软开关电路的调制方式，可将其分为 PFM 软开关和 PWM 软开关。PFM 软开关电源结构简单，但工作频率不恒定，给变压器、电感等磁性元件的优化设计带来一定的困难。此类软开
14、关电源适用于负载、输入电压相对稳定的应用场合。全谐振变换器、准谐振变化器(QRCs)和多谐振变化器（MRCs）属于 PFM 控制方式。PWM 控制方式软开关电源，工作在恒频模式，大大方便了磁性元件的优化设计，是软开关电源中应用最广泛的控制方式。零开关 PWM 变换器零转换 PWM 变换器以及移相全桥软开关属于 PWM 控制方式。各种软开关变换器的拓扑可以分为以下几类：1）全谐振变换器全谐振变换器（Resonant Converters）一般称之为谐振变换器，实际上是负载谐变换器。按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变化器（Series Resonant Converters,SRCs）和并联谐
15、振变化器（Parallel Resonant Converters，PRCs）两类。按负载与谐振电路的连接关系也可分为两类：一类是负载与谐振回路相串联称之为串联负载谐振变换器（Series Load Resonant Converters，SLRCs） ，另一类是负载与谐振回路相并联称之为并联负载谐振变换器（Parallel Load Resonant Converters，PLRCs） ，在谐振变换器中,谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。谐振变换器与负载关系密切，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制的方法。串联谐振变换器、并联谐振变换器如图 1.3 所示。viL r C rRviL
16、 r C r R串联谐 振变换 器 并联谐 振变换 器图 1.3 全谐振变换器2）准谐振变换器准谐振电路是最早出现的软开关电路，其中有些现在还在大量使用。准谐振电路可以分为 零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter,ZVS QRC） 。 零电流开关准谐振电路（Zero-Current-Switching Quasi-Resonant Converter,ZCS QRC） 零电压开关多谐振电路（Zero-Current-Switching Multi-Resonant Converter,ZVS MRC）准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降，但也带来一些负面问题：准谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，电路中存在着大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而变化，因此电路只能采用脉冲频率调制（Pulse Frequ
