摘要：本文設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飽和電感實現了滯后臂的ZCS，使所有開關管均實現了軟開關，有利于提高系統的效率。同時，分析了變換器的工作原理和工作模態，最終設計了實驗電路，驗證了理論分析和設計思想的正確性。
      關鍵詞：全橋變換器；軟開關；

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)系統在現代動力系統中占有重要的地位，主要用于發電廠、變電站中，作為直流機構(分、合閘)、繼電保護、信號、自動控制、事故照明、儀器儀表以及應急事故負荷等的重要電源。其性能和質量直接關系到電網的安全運行和設備的安全。隨著功率半導體技術、計算機控制技術和超大規模集成電路生產工藝的飛速發展，上世紀80年代末高頻開關電源開始進入了實用期，到90年代逐漸成熟。但目前我國電力系統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，監控不完善，難以實現電池充放電智能管理。為了提高我國電力網的綜合效率和可靠性。目前，我國電力操作電源的發展正以高頻開關變換技術為基礎，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，結合計算機控制技術、總線技術的發展，形成多級計算機網絡集中監控管理系統。本文主要針對全橋結構的高頻電力電源進行研究和探討。

      2、系統原理設計及分析
      FB-ZVZCS變換器有各種拓撲結構，但它們基本的運行機理是相同的：借助于功率器件的并聯電容和輸出濾波電感的儲能，超前臂實現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載調節范圍內實現ZVS。在原邊電流續流階段，通過引入反向阻斷電壓源，使原邊電流很快復位，從而滯后臂實現ZCS。
      全橋ZVZCS變換器可以使用不同的拓撲實現原邊電流復位。利用超前臂開關管的反向雪崩擊穿，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的條件，這種拓撲結構簡單，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，使原邊電流迅速復位，為滯后臂開關管創造零電流開關的條件，這種變換器的優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管，使系統在控制上變得比較復雜，以及有源箝位開關管采用的是硬開關，影響了系統的可靠性。
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，使原邊電流復位，為滯后臂提供零電流開關條件，該變換器利用阻斷電容和飽和電感的匹配來實現滯后臂的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管損壞，從而提高系統的可靠性，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。
      結合上述結構的優缺點，本文使用阻斷電容和飽和電感的方法實現ZVZCS，拓撲結構如圖1所示。

 
圖1 ZVZCS拓撲結構

      變換器在一個開關周期內的可以認為工作在6個模態：
      模態1：傳輸能量階段。該階段開關管Q1和Q4導通，輸入電源通過變壓器電源向負載傳輸能量。原邊電流ip=nIo恒定不變，飽和電感處于正向飽和狀態，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2：超前臂開關管Q1關斷，當開關管Q1關斷后，超前臂并聯電容C1開始充電，同時C2開始放電。

                                （2）

      當Q2上的電壓下降到零，其上反并聯二極管自然導通，為Q2零電壓開通創造條件。
      模態3：原邊電流復位階段。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。當副邊電流小于輸出電流時，副邊輸出整流二極管全部導通，處于續流階段，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已經退飽和，呈現出很大的電感量，阻止了電流的反向流動。
      模態5：開關管Q4關斷，該階段為滯后臂開關管的死區時間。Q4關斷，Q3未開通，變壓器原邊電流為零，所以Q4實現了零電流關斷，飽和電感仍然處于退飽和狀態。
      模態6：開關管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、控制部分的設計
      本系統采用MSP430F155型號單片機，系統總體結構圖如下:

 
圖2系統總體結構圖

      本系統的軟件設計使用C語言。并采用模塊化結構設計，將各功能模塊設計為獨立的編程調試程序塊，這樣不僅有利于今后實現功能擴展，而且便于調試和連接，更有利于程序的移植和修改。其結構如下圖所示。

 
圖3軟件結構圖

      系統程序由數據采集模塊、參數計算模塊、中斷報警模塊、內部存儲模塊、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，下方為開關管的驅動波形uce，上方為開關管集電極和發射極電壓uce。由圖5中的實驗波形可以看出，在開關管的結電容與變壓器漏感作用下，超前臂開關管集電極和發射極電壓uce下降到零后，驅動信號uge開通開關管，從而實現了零電壓開通。可見系統在較輕的負載條件能夠實現超前臂開關管零電壓開通。

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

圖7滿載時超前臂開關管實驗波形

圖8滿載時滯后臂開關管實驗波形
 

      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，下面為滯后臂開關管的驅動電壓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位到零，之后滯后臂開關管關斷，從而實現了滯后臂開關管的零電流關斷。可見系統在較輕的負載條件能夠實現滯后臂零電流關斷。
      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下方為開關管的驅動波形uge，上方為開關管集電極和發射極電壓uce。由圖7中的實驗波形可以看出，在開關管的結電容與變壓器漏感作用下，超前臂開關管集電極和發射極電壓uce下降到零后，驅動信號uge開通開關管，從系統在滿載時實現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，下面為滯后臂開關管的驅動電壓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位到零，之后滯后臂開關管關斷，從而在滿載時實現了滯后臂零電流關斷。實驗結果與理論分析及仿真結果是一致的。

      5、結論
      電力電源系統在現代動力系統中占有重要的地位，其性能和質量直接關系到電網的安全運行和設備的安全。本文設計了一種全橋零電壓零電流變換器，該電力電源能夠實現軟開關，系統有較強的穩定性和可靠性。因此，該變換器有著廣闊的發展前景。
      參考文獻
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