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| 脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术(第二版) |
| | 曾用价 | 45.00 |
| 出版社 | 科学出版社 |
| 版次 | 1 |
| 出版时间 | 2018年01月 |
| 开本 | 16 |
| 作者 | 阮新波 |
| 装帧 | 平装 |
| 页数 | 224 |
| 字数 | 257 |
| ISBN编码 | 9787030354952 |
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第1章 全桥变换器的基本结构及工作原理
1.1 概述
1.1.1 电力电子技术的发展方向
高频电力电子技术是电力电子学的一个重要发展方向,是使电力电子变换器更好地实现基本要求诸多方面的重要技术途径。开关器件和元件(磁芯和电容)的高频化是高频电力电子学的基础,功率场效应品体管(MOSFET)和绝缘栅双极性品体管(IGBT)已成为现代高频电力电子学的主要开关器件,低栅荷、低结电容的场效应晶体管,进一步促进了高频电力电子技术的发展。近年来,SiC器件,包括SiC二极管、SiC MOSFET和SiC IGBT,已取得较大进展,并已形成商用产品,在中等功率场合已有取代硅基快恢复二极管和MOSFET的趋势。为了进一步提高开关频率,GaN器件已开始引起人们的注意。非晶、微晶磁芯和高频铁氧体*近也取得了重要的进展。电力电子变换器电路拓扑的发展,是高频电力电子学的另一个重要方面,谐振变换器(Resonant Converter)、准谐振变换器(QuasiResonant Converter)和多谐振变换器(Multi-Resonant Converter)技术,零电压开关(Zero-Voltage-Switching.ZVS)脉宽调制(PulseWidth Modulation,PWM)和零电流开关(Zero Current-Switching,ZCS) PWM技术,零电压转换(Zero-Voltage-Transition,ZVT)和零电流转换(Zcro-Currcnt-Transition,ZCT)技术,以及谐振直流环节逆变器(Resonant DC Link Inverter,RDCLI)技术一等部分或全部实现了变换器中开关器件的ZVS或ZCS,大大降低了开关器件的开关损耗,由此可以使功率器件的开关频率提高一个数量级,甚至更多。电力电子变换器的高频化是和小型化、模块化紧密相关的,而这又与变换器的高效率及结构的高绝缘性能和高导热性能联系在一起。因而高频电力电子技术是随高频开关器件和元件、ZVS或ZCS电路拓扑和装置的结构、材料与工艺的发展而发展的。
1.1.2 电力电子变换器的分类与要求
电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能变换为另一种或多种形式电能的装置。按变换电流的种类,电力电子变换器可分为四种类型[12]:①DC/DC变换器,它是将一种直流电变换成另一种或多种直流电,一般简称直流变换器;②DC/AC逆变器,它是将直流电变换为交流电,一般简称逆变器;③AC/DC变换器,它是将交流电变换为直流电,又称整流器;④AC/AC变换器,它是将一种频率的交流电直接变换成另一种或可变频率的交流电,或将频率变化的交流电直接变换为恒定频率交流电,又称交交变频器。这四类变换器可为单向或双向电能变换器,单向变换器的电能只能从一个方向向另一个方向流动,而双向电能变换器中能量可双向流动。
对电力电子变换器*基本的要求是电气性能好,必须满足相关的技术指标或技术规范要求。在满足电气性能好的情况下,电力电子变换器应满足“三高一低”的要求,即效率高、功率密度高、可靠性高、成本低。效率高不仅可以节约电能,还可以降低散热要求,减小散热器的尺寸和重量。功率密度高,是指在输出相同功率时,电力电子变换器的体积要小,这在航空航天应用场合尤为重要。可靠性高,就是要求电力电子变换器能适应各种恶劣工作条件,有足够长的平均故障间隔时间。成本低,孰是要求降低电力电子变换器的研制、开发、生产、试验和使用维修费用,提高其市场竞争力。除此之外,还要求电力电子变换器具有易维修性,即减少对维修人员的技术要求和维修时间短。
1.1.3 直流变换器的分类与特点
直流变换器是电力电子变换器的一个重要部分。随着电力电子技术、计算机科学与技术和信息技术的发展,以直流变换器为核心的开关电源应用越来越广,一直得到各国电力电子专家和学者的重视,是目前电源产业的重要方向之一。
按照输入输出是否具有电气隔离功能,直流变换器可分非隔离型和隔离型两类。*基本的非隔离型直流变换器有六种,即降压式(Buck)、升压式(Boost)、升降压式(BuckBoost)、库克(Cuk)、瑞泰(Zeta)和赛皮克(SEPIC)等。另外还有双管升降压式变换器(Dual-Switch Buck-Boost)、全桥变换器(Full-Bridge)等。
隔离型直流变换器可以看成由非隔离型直流变换器加入变压器及相关整流电路推导而来。隔离型Buck类直流变换器包括正激(Forward)、推挽(Push-Pull)、半桥(Half-Bridgc)和全桥变换器,其巾正激变换器包括单管正激变换器和双管正潋变换器(Dual-Switch Forward)。隔离型Boost类直流变换器包括推挽、半桥和全桥变换器。隔离型BuckBoost类直流变换器即反激变换器(F-lyback),它包括单管反激变换器和双管反激变换器(Dual-Switch Flyback)。库克(Cuk)、瑞泰(Zeta)和赛皮克(SEPIC)等变换器也有相应的隔离型电路。
功率开关管的电压和电流定额相同时,变换器的输出功率通常与所用功率开关管数成正比,故双管隔离型直流变换器(如双管正激、推挽、半桥)的输出功率为单管(如单管正激)的2倍,为全桥变换器(有4只开关管)的一半。故全桥变换器是直流变换器中功率*大的,在高输入电压和中大功率场合得到广泛应用。
谐振式、准谐振和多谐振技术是不需外加功率开关管实现变换器功率开关管的ZVS或ZCS的技术,但是这类软开关技术不同于PWM技术,有器件应力高、循环能量大和变频控制等缺点。ZVS-PWM和ZCS-PWM技术实现了恒频控制,但是主开关管和辅助开关管的开关应力依然很大,ZVT或ZCT技术具有恒频控制的特点,但需要外加辅助功率器件,且该器件仅用于实现主功率器件的零电压转换或零电流转换,不能增加变换器的有功输出。在直流变换器中,双管和四管变换器可以利用多个主功率器件自身来实现ZVT或ZCT,同时可输出大的功率,这是多管隔离型直流变换器得到广泛应用的重要原冈,也是本书的出发点,即本书以隔离型Buck类全桥变换器为对象,系统阐述其软开关技术。为简单起见,以下将隔离型Buck类全桥变换器简称为全桥变换器。
1.2 隔离型Buck类变换器
为了帮助读者深入理解各种隔离型Buck类变换器的基本特点及其相互关系,本节首先给出单管正激变换器的推导过程,在此基础上,推导出双管正激变换器、推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器。
1.2.1 正激变换器
1.单管正激变换器的推导
Buck变换器是直流变换器中*基本的电路拓扑,如图1.1(a)所示,其中Vin为输入电压,Q为开关管,DFW为续流二极管,Li和Cf分别为输出滤波电感和输出滤波电容。为了实现输入和输出的电气隔离,可以在开关管Q和续流二极管DFW之间插入一个变压器Tr,如图1.1(b)所示。变压器Tr的原边和副边绕组的匝数分别为Np和Ns,原副边匝比K=Np/Ns。当Q导通时,输入电压Vin加在变压器原边绕组上,变压器被磁化,其励磁磁通≠。线性增加。当Q截止时,滤波电感电流经D,w续流,变压器副边绕组被短路,其两端电压为零,相应地,原边绕组电压也为零,这样变压器的励磁磁通丸保持不变。冈此,在一个开关周期内,变压器的励磁磁通是增大的,如果这样持续下去,励磁磁通将会一直增大,直到变压器饱和,这会导致功率器件过流损坏。图1.2(a)给出了变压器原边电压-。和励磁磁通≠。的波形。
为了防止变压器饱和,必须在每个开关周期结束之前使变压器的磁通减小到零,即使变压器磁复位。为此,需要加入一个磁复位电路,它在Q戳止时,让变压器原边绕组上得到一个负的电压,如图1.2(b)中的阴影部分所示。但此时变压器的副边电压也为负,使续流二极管DFW导通,从而造成变压器副边绕组短路。为了避免这个问题,可以在副边绕组中串人一只二极管D。,如图1.1(c)所示。如果磁复位电路由复位绕组N,和复位二极管D,构成,并且将图1.1(c)中的开关管Q与变压器原边绕组交换位置,即可得到*基本的单管正激变换器,如图1.1(d)所示。在实际应用时,一般让复位绕组和原边绕组的匝数相等,则开关管电压应力为2Vin,而开关管的*大占空比为0.5,以保证变压器可靠磁复位。
图1.1 单管正激变换器的推导
图1.2加入复位电路前后变压器原边电压和励磁磁通波形
2.双管正激变换器的推导
由于单管正激变换器的开关管的电压应力是输入电压的2倍,因此它比较适用于输入电压较低的变换场合,当输入电压较高时,可能难以获得电压定额合适的功率器件。比如,输入为单相220V+20%的交流电压.采用功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器时,其整流滤波后的直流电压将达到380V,这样开关管的电压应力为760V,这时必须采用电压定额为1000V以上的功率管。这一功率等级的MOSFET的高频性能较差,导通电阻Rds(on)也较大。当然,开关管也可以选用IGBT,但IGBT存在电流拖尾,其开关频率不能太高,否则关断损耗较大,变换效率较低。
为了充分利用现有的功率器件,需要降低开关管的电压应力。前面已指出,当复位绕组与原边绕组的匝数相等时,开关管的电压应力为2Vin为了降低开关管的电压应力,将图1.1(d)所示的单管止激变换器的开关管Q用两只相同的开关管Q1和Q2代替,如图1.3(a)所示。将Q,和变压器的原边绕组交换位置,如图1.3(b)所示。为了确保Q,和Q2的电压应力均为Vin,分别在A点与电源负之间和B点与电源正之间引入二极管D。和D.,如图1.3(c)所示。当Q1和Q2同时关断时,变压器通过复位绕组N,复位,此时原边绕组上感应的电压为Vin,极性为上负下正。实际上,变压器也可以通过原边绕组、D1和D2进行磁复位。也就是说,变压器有两条磁复位通路,这样复位绕组N,和复位二极管D,可以省去。将图1.3(c)中的电路重新整理,可得图1.3(d)所示的电路,这就是我们熟知的双管正激变换器,其开关管电压应力为Vin,是单管正激变换器开关管的一半。电路中的Di和D:是复位二极管。如果变压器的原边绕组存在漏感,当两只开关管关断时,漏感的能量也将通过D1和D2回馈到输入电源中。
图1.3 双管正激变换器的摊导
1.2.2 推挽变换器
当复位绕组和原边绕组的匝数相等时,为了保证变压器可靠磁复位,单管正激变换器开关管的占空比必须小于0.5。为了获得所需要的输出电压,整流后的电压幅值必须大于2倍的输出电压,这样整流后的电压所含的高频交流分量较大,冈此所需滤波电感较大。为了减小整流后的电压幅值和滤波电感,可以采用两个单管正激变换器并联,共用续流二极管和输出滤波器,如图1.4(a)所示,这里要求这两个单管正激变换器交错工作,即开关管Qi和Q2的开关频率相同,其驱动信号相差半个开关周期,即Ts/2,如图1.5所示。
图1.4推挽变换器的推导
图1.5交错并联的两个正激变换器的主要波形
《脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术(第二版)》图书简介 一、 技术背景与意义 在当今科技飞速发展的时代,电力电子技术作为实现能量转换与控制的核心,其应用领域渗透到社会经济的方方面面,从消费电子到工业制造,从新能源到交通运输,无处不在。作为电力电子领域中最基础也是最重要的 DC/DC 变换技术之一,脉宽调制 (PWM) 技术凭借其高效、灵活的调压特性,已成为构建各种电力电子系统的关键。其中,全桥变换器以其输出电压纹波小、易于实现高功率输出等优点,在众多 DC/DC 变换拓扑中占据着核心地位。 然而,传统的硬开关技术在带来高效的同时,也伴随着严重的开关损耗和电磁干扰 (EMI)。随着电子设备向更高效率、更高功率密度、更低噪声的方向发展,硬开关带来的问题日益凸显,成为制约其性能提升的瓶颈。特别是在高频工作状态下,开关损耗急剧增加,导致器件过热、效率下降,甚至损坏。电磁干扰的增加也对系统的稳定性和兼容性提出了严峻的挑战。 为了克服这些难题,软开关技术应运而生,并迅速成为电力电子领域的研究热点和技术前沿。软开关技术的核心思想是在器件进行开关动作时,使其电压或电流趋于零,从而大大降低开关损耗,减少电磁干扰,提高变换器的效率和可靠性。在全桥变换器中引入软开关技术,能够显著提升其整体性能,使其在各种高性能应用场景中展现出更强大的生命力。 本书正是聚焦于这一关键技术,深入探讨脉宽调制 DC/DC 全桥变换器的软开关技术,并在此基础上进行了全面升级与扩展。第二版不仅继承了第一版严谨的理论基础和丰富的实践经验,更结合了近年来电力电子技术发展的最新成果,对现有内容进行了细致的梳理与更新,力求为读者提供最前沿、最实用、最深入的知识体系。 二、 本书内容概述 本书围绕脉宽调制 DC/DC 全桥变换器的软开关技术,从理论推导、拓扑分析、控制策略到实际设计与应用,进行了系统而详尽的阐述。全书结构清晰,逻辑严谨,由浅入深,理论与实践相结合,旨在帮助读者全面掌握该领域的核心技术。 第一篇:全桥变换器基础与硬开关问题剖析 全桥变换器基本原理: 本篇首先回顾和梳理了全桥变换器的基本工作原理,包括其拓扑结构、工作模式、输出电压与占空比的关系等,为后续软开关技术的引入奠定坚实基础。 硬开关损耗分析: 深入分析了传统硬开关全桥变换器中存在的各种损耗,如导通损耗、开关损耗(关断损耗和开通损耗)、以及由寄生参数引起的损耗。特别强调了开关损耗在高频工作下的显著影响,为理解软开关的必要性提供量化依据。 电磁干扰 (EMI) 的产生与影响: 详细阐述了硬开关过程中产生的电磁干扰源、传播路径以及对系统和其他设备的影响。分析了 EMI 对系统可靠性和性能的负面作用,凸显了降低 EMI 的重要性。 第二篇:全桥变换器软开关技术详解 软开关技术的核心思想: 深入浅出地阐释了软开关技术的本质,即在开关器件电压或电流过零时进行开关动作,从而避免或大幅度降低开关过程中能量的耗散。 零电压开关 (ZVS) 技术: 详细介绍了几种主流的 ZVS 实现方式,包括利用变换器自身的寄生参数(如漏感、寄生电容)自然实现 ZVS,以及通过添加辅助电路(如谐振网络、缓冲电路)来实现 ZVS。深入分析了不同 ZVS 策略的原理、优缺点、设计要点以及对变换器性能的影响。 零电流开关 (ZCS) 技术: 阐述了 ZCS 的基本原理,并结合全桥变换器的特点,分析其实现方式和应用场景。虽然 ZVS 在全桥变换器中更为常见,但 ZCS 在特定应用中也具有其独特的优势。 混合软开关技术: 探讨了结合 ZVS 和 ZCS 的混合软开关技术,以及通过巧妙的拓扑设计和控制策略,实现全桥变换器中所有开关器件的软开关,从而达到最优的性能表现。 软开关实现的关键元件与设计: 详细讲解了在实现软开关过程中所需关键元件的选择和设计,如高频变压器漏感的设计、寄生电容的利用与控制、谐振电容/电感的选型等,并提供了相关的计算方法和设计指南。 第三篇:软开关全桥变换器的控制策略与优化 脉宽调制 (PWM) 控制在软开关中的应用: 讨论了如何将传统的 PWM 控制方法与软开关技术相结合,以实现电压的精确调节。 移相控制 (Phase Shift Control) 与软开关: 重点分析了移相控制在全桥变换器实现软开关中的关键作用,包括如何通过调整移相角实现 ZVS,以及移相控制对变换器效率、功率密度和电磁兼容性的影响。 谐振控制策略: 介绍了几种与谐振软开关技术相关的控制策略,如频率调制 (FM) 和混合模式控制,并分析其在实现 ZVS/ZCS 以及优化动态响应方面的优势。 动态响应与瞬态性能优化: 针对软开关变换器可能出现的动态响应问题,探讨了各种控制和设计优化方法,以提高变换器在负载变化或输入电压波动时的稳定性。 智能化控制与自适应技术: 引入了近年来在电力电子控制领域备受关注的智能化控制思想,如模糊控制、神经网络控制在软开关全桥变换器中的应用探索,以及自适应控制策略以应对复杂工作环境。 第四篇:软开关全桥变换器的设计实践与应用 高频变压器设计: 详细讲解了高频变压器在软开关全桥变换器设计中的重要性,包括漏感和耦合电感的控制,绕组结构的设计,磁芯材料的选择,以及如何降低高频损耗。 散热设计与热管理: 探讨了软开关技术在降低损耗的同时,如何进行有效的散热设计,以确保器件在高功率密度下可靠运行。 PCB 布局与电磁兼容设计: 强调了 PCB 布局对寄生参数和电磁干扰的影响,提供了优化布局以实现良好软开关性能和电磁兼容性的指导。 软开关全桥变换器的典型应用: 结合实际案例,详细介绍了软开关全桥变换器在不同领域的广泛应用,如: 服务器电源与数据中心供电: 高效率、高功率密度需求下的应用。 电动汽车充电桩与车载充电机: 大功率、高可靠性要求下的关键技术。 通信电源与基站供电: 对效率和 EMI 有严格要求的场合。 工业电源与自动化设备: 应对恶劣环境和高功率需求。 太阳能光伏逆变器与风力发电变流器: 新能源领域中的高效能量转换。 LED 照明驱动: 高效率、低纹波的需求。 设计实例分析: 通过具体的工程设计实例,演示如何将书中的理论知识应用于实际的软开关全桥变换器设计中,包括参数计算、元件选型、电路设计和性能验证等全过程。 三、 本书特色与价值 全面深入: 本书内容覆盖面广,从基础理论到前沿技术,从设计方法到应用实例,力求为读者提供一个全面、深入的知识体系。 理论与实践结合: 严谨的理论推导与丰富的工程实践经验相结合,既有深刻的原理阐述,又有可操作的设计指导。 面向未来: 紧跟电力电子技术发展的最新趋势,对智能化控制、功率密度提升等前沿话题进行了探讨,具有前瞻性。 易于理解: 语言通俗易懂,图文并茂,复杂的概念通过清晰的解释和图示得以呈现,便于不同层次的读者理解。 权威性与实用性: 结合了作者在相关领域的深厚造诣和实际项目经验,为读者提供了一份具有高度权威性和实用性的技术参考。 四、 读者对象 本书适合于: 高等院校电力电子、电气工程、自动化等专业的研究生和高年级本科生。 从事电力电子产品研发、设计、测试的工程师。 对脉宽调制 DC/DC 变换器、软开关技术、全桥变换器有浓厚兴趣的科研人员和技术爱好者。 通过阅读本书,读者将能够深刻理解软开关全桥变换器的工作原理,掌握其关键设计技术,并能将其应用于实际工程项目中,为推动电力电子技术的发展贡献力量。