【毕业论文】全桥移相式控制PWM变换技术的研究.doc

第一章 软开关技术发展的概述 §1.1引言 电源有如人体的心脏，是所有用电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为，标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带载时参数的变化等等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标，并按此去“塑造”完美的电源，因此电源的形式是多种多样的。 按电力电子学的习惯称谓，AC-DC（AC表示交流电，DC表示直流电）称为整流，DC-AC称为逆变，AC-AC称为交-交变频，DC-DC称为直流-直流变换。其中为达到转换目的，手段是多样的。六十年代，开发了半导体器件，并用此器件为主实现这些转换。电力电子学从此有了迅速发展。广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路[1]。 在DC-DC变换器中，都要使用电子开关。在80年代前主要使用的是晶闸管（SCR）作为开关器件。到1980年，传统的电力电子器件已由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等，从而形成了一个晶闸管大家族。与此同时，各类晶闸管的电压、电流、dv/dt、di/dt等参数定额均有很大提高，开关特性也有很大改善。传统的电力电子器件已发展到相当成熟的地步。从理论上讲，这类器件在电压、电流两个方面仍有很大的发展自由度，但是实际上却存在着两个制约其继续发展的重要因素。一是控制功能上的欠缺，因为它通过门极只能控制开通而不能控制关断，所以称之为半控型器件。要想关断这种器件必须另加用电感、电容和辅助开关器件组成的强迫换流电路，这样将使整机体积增大、重量增加，效率降低；二是因为它立足于分立元件结构，工作频率难以提高，一般情况下难以高于400Hz，因而大大地限制了它的应用范围。由于上述两个原因，以半控型器件晶闸管为代表的传统电力电子器件的发展已处于停滞状态。这就要求新一代电力电子器件及其变换电路尽快取代旧的传统电力电子技术。 80年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化，全控型的功率集成器件，从而使电力电子技术由传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。新一代器件的问世，使得电力电子变换电路及其控制系统不断革新。由于新器件的出现使得控制简便，辅助器件减少，工作频率提高，从而使得其应用更加广泛。新器件与新型电路相结合产生了新的电力电子装置，这些运行可靠的电力电子装置进入了各个应用领域，使得电力电子学已成为世界范围内的一项重要产业。 §1.2硬开关技术及其局限性 除了电力半导体器件的理论、结构、品种和质量不断进步外，电力电子技术得以发展的另一条重要途径就是研究器件的电路应用拓朴及其控制方式。开关变换器的类型按调制方式可分为脉宽调制式（PWM）、脉冲频率调制式（PFM）和调频、调宽相结合的混合调制式。脉宽调制式因简易可靠而起到主导地位。 60年代开始得到发展和应用的DC-DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。所谓“硬开关”是指功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下进行的，即强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时关断。 图 1.1 图1.1给出在开关过程中Vt和it的轨迹[2]。虚线表示器件的安全运行区边界。在开关过程中，开关S上的电压和电流发生变化。开通时，其电流由零逐步上升，电压则逐步下降，电流上升和电压下降有一个交叠过程，使开通过程中开关管有功率损耗（称为开通损耗）。同理，关断时，电流下降和电压上升也有一个交叠过程，使关断过程中开关管也有功率损耗，即关断损耗。显然，开关频率越高，开关损耗（包括开通损耗和关断损耗两部分）也越大。 由于变换器电路中寄生参数的存在，使开关过渡中器件电流it和器件电压Vt在开关过程中有振荡。在开通时，由于电流振荡超出了晶体管的安全运行区，而关断时由于电压振荡也超出了安全运行区，使开关管会受到损伤。为了减少振荡的影响要在开关管的外围加上吸收回路用以吸收开关器件在开关过程中所产生的尖峰电流、电压。 理想中的开关电压、电流波形如图1.2[2]所示。图 1.2 当管子端电压降为零时，将管子开通，这样开通损耗最小。零电流开关ZCS为：当开关管电流降为零时，将其断开，这样关断损耗最小。 由此可见，应用硬开关技术的PWM功率变换器，其开关频率不宜太高，否则开关损耗太大，变换器效率将大大降低。硬开关技术的PWM功率变换器主要受以下几个方面因素的限制：热学限制、二次击穿限制、电磁干扰限制、缓冲电路的限制等。60-70年代广泛应用的是双极型功率晶体管，开关频率仅限于20KHZ。80年代应用功率MOSFET后，PWM变换器的开关频率最高可达250—350KHZ。 §1.3软开关的提出及国内外现状