一种基于软开关三电平DCDC开关电源的研制.pdf

DC/AC三相软开关PWM逆变器的研究1 引言常规的pwm逆变电路, 由于电力电子开关器件在大电压下导通，大电流下关断，处于强迫开关过程，因而存在开关损耗大，工作频率低、体积大及电磁干扰严重等缺点。

而软开关技术利用电感、电容谐振，为开关器件创造零电压、零电流的开关条件, 使器件在开通关断的过程中，电流和电压的重叠区域减小, 电流和电压的变化率减小, 有效地降低了电磁干扰，并且可使逆变器工作在较高频率下, 减小输出滤波电压电容的体积, 从而可减小整个装置的体积，提高性能。

谐振电路的形式种类很多，本次研究采用了直流环节逆变电路的形式。

并将pwm调制技术与软开关技术相结合，利用单片机和大规模pwm集成芯片，设计了一个用于异步电机驱动的三相spwm调制型的开环vvvf控制的软开关逆变器电路的控制方案，对几个关键性电路的工作原理作了较为详细的分析说明，给出了部分实际电路形式和运行结果。

2 直流环节谐振主电路直流谐振电路如图1所示。

图1 谐波直流环节主电路其中直流谐振环节的开关元件由三相逆变桥的6个开关代替。

通过同时导通同一桥臂的两个开关来短接直流电路，所以这里的开关元件成为一个等效元件。

它的工作原理为:在直流电源与三相逆变电路之间接谐振元件的电感和电容，形成谐振槽路。

这样输入逆变桥的电压不再是直流电压，而是变为频率较高的谐振脉冲电压，它周期性地在谐振峰值与零电压之间振荡，从而产生零电压时间间隔，为三相逆变桥创造出零电压通断条件。

简化后的谐振直流电路如图2所示。

电路工作分两个阶段:图2 rdcli等效电路模型第一阶段:开关sr接通，电容两端电压为零，直流电源对电感进行预充电，近似的按线性规律增加。

结束时，其中为保证谐振正常进行的阈值电流，这段时间为。

第二阶段:开关sr断开，电容两端电压开始增加，电路进行谐振。

当电容电压再次过零点时，一个谐振周期结束。

开关sr再次接通，进入下一个周期。

通过分析可得出谐振电流电压方程为:式中，这种电路的主要特性是:拓扑结构简单，控制策略相对来说容易实现;但谐振峰值电压较高，是直流侧供电压的两倍，逆变桥中的开关器件需承受2～3倍的直流母线供电电压。

基于软开关技术的DC/DC功率变换器的设计O 引言基于软开关技术的全桥DC／DC变换器在高频、大功率的直流变换领域，有着广泛的应用前景，它提高了系统的效率，增大了装置的功率密度。

本文设计的变换器现正应用于电子模拟功率负载中，该负载系统要求能有效实现能量回馈电网，且直流高压>540V，低压直流为48~60V，因此，为升压变换。

限于篇幅，本文仅对DC／DC变换器的设计进行讨论，该变换器利用高频变压器的原边漏感、功率MOSFET并联外接的电容实现零电压开关，该方案简单、高效、易实现。

采用改进型移相控制器UC3879为控制核心，对变换器实现恒流输入控制，文中给出了实用的控制电路和主要参数的设计方法。

试验结果证明系统性能优良、效率高、功率密度大。

1 基本原理1.1 DC／DC变换器的电路原理图1所示的是DC／DC功率变换器的电路原理图，功率开关管S1~S4及内部集成的二极管组成全桥开关变换器，S1及S3组成超前桥臂，S2及S4组成滞后桥臂，S1~S4在寄生电容、外接电容C1~C4和变压器漏感的作用F谐振，实现零电压开关。

其中C7为隔直电容，可有效地防止高频变压器的直流偏磁。

低压直流侧滤波电容为C5、C6、L1为共模电感。

实时检测的输入侧电流值同指令电流值比较，得到的误差信号经过PI环节输出，由改进型移相控制器U C3879组成的控制系统实时生成变换器的触发脉冲；系统实行恒流控制，便于在不同负载情况下考核被测试的直流电源组，同时，也利于根据试验考核系统的功率等级，实现多个相同电子模拟负载模块的并联。

经过实验测试，DC／DC功率变换器工作在软开关状态下，输出高压直流为560V时，高频变压器副边电压的峰值高达1000V。

考虑在工程应用中，系统应该有足够的储备裕量，以利于长时间可靠、安全的运行，整流部分由两个完全相同的整流桥串联构成。

1.2 控制策略对于全桥变换器的控制通常有双极性控制方式、有限双极性控制方式和移相控制方式。

三电平三相高功率因数软开关ＡＣ／ＤＣ变换技术的研究＊刘宇，贲洪奇，孟涛（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨１５０００１）摘要：介绍了一种电路结构简单的三电平三相高功率因数软开关ＡＣ／ＤＣ变换技术，可在实现功率因数校正的同时，实现ＡＣ／ＤＣ功率变换，直接获得较低直流输出电压，并解决了交流侧与直流侧之间的电气隔离及功率管的高耐压和软开关问题。

在介绍主电路拓扑结构基础上，分析了功率因数校正原理和电流断续条件，并给出软开关实现条件。

通过计算机仿真验证了这种功率变换技术的可行性。

关键词：三电平变换器；三相；功率因数校正；软开关技术中图分类号：ＴＭ４６文献标识码：Ａ文章编号：１００１－１３９０（２００８）０３－００５５－０４ＬＩＵＹｕ，ＢＥＮＨｏｎｇ－ｑｉ，ＭＥＮＧＴａｏ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒＡＣ／ＤＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｕｓｅｓａｓｉｍｐｌｅｃｉｒｃｕｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｃｈｉｅｖｅｓｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ＡＣ／ＤＣｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｏｂｔａｉｎｓｌｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｄｉｒｅｃｔｌｙ．ＭｅａｎｗｈｉｌｅｒｅｓｏｌｖｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｉｓｏｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＡＣｓｉｄｅａｎｄＤＣｓｉｄｅ，ｖｏｌｔａｇｅｒａｔｉｎｇｏｆｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｅｓａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｏｍｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｉｎｔｒｏ－ｄｕｃｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｕｒ－ｒｅｎｔｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒＡＣ／ＤＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ，ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈ－ｎｉｑｕｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＡＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ０引言在三相ＡＣ／ＤＣ变换电路中为了获得较高的网侧功率因数，一般会加入一级有源功率因数校正电路。

三电平直流变换器软开关技术的研究摘要：分析和比较了三电平直流变换器各种软开关拓扑的工作原理和主要特点，并讨论了其研究应用现状和发展前景，对三电平直流变换器软开关技术的研究方向提出了建议。

1引言近年来，随着电力电子技术的发展，对直流变换装置的要求越来越高，尤其是在高压大功率应用场合。

为了减小高压大功率变换器开关器件的电压应力，提出了三电平直流变换器的方案，该方法可使开关管的电压应力是输入直流电压的一半。

为了提高三电平直流变换器的动态性能和静态性能，同时减小输出滤波器的体积、重量和造价，则希望三电平直流变换器的工作频率越高越好。

但是，由于功率开关器件的非理想特性，通常功率开关器件是在电压不为零的情况下开通，在电流不为零的情况下关断，这种开关过程称为硬开关过程。

在硬开关状态下工作的功率变换器，随着开关频率的上升，一方面开关器件的开关损耗会成正比地增大，使电路的效率大大降低，处理功率的能力大幅度减小；另一方面，过高的dv/dt和di/dt会产生越来越严重的电磁干扰（EMI）。

为克服三电平直流变换器在硬开关状态下工作的诸多问题，提出了各种各样的软开关技术，以达到在提高功率变换器开关频率的同时，降低开关损耗和减少由开关引起的EMI[1]。

2三电平直流变换器[2]随着电力电子技术的发展，对电能变换装置的要求越来越高，特别是对输入功率因数的要求越来越高。

三相功率因数校正变换器输出电压一般为DC760～800V，有时甚至达到1000V，这就要求提高后级直流变换器开关管的电压定额，使得很难选择合适的开关管。

为了克服这个问题，Barbi教授提出了三电平直流变换器(Three－levelConverters)的概念，在该变换器中，开关管的电压应力是输入直流电压的一半。

三电平直流变换器的基本电路如图1所示。

电图1基本的三电平直流变换器图2零电压开关三电平直流变换器容Cd1和Cd2容量相等，并且很大，它们的电压均为输入直流电压的一半，即Ud1=Ud2=Uin/2。

毕业设计开题报告测控技术与仪器一种移相全桥软开关DC-DC开关电源设计1选题的背景、意义近年来，电力电子技术发展迅速，直流开关电源广泛应用于计算机、航空航天等领域。

过去，笨重型、低效电源装置已被小型、高效电源所取代，但是要实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性并减小体积和重量，就必须实现开关电源的高频化。

开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积，增大了变换器的功率密度和性能价格比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的音频噪声，从而已成为新的发展趋势。

然而功率变换器开关频率的进一步提高（传统PWM变换器中开关器件工作在硬开关状态），受以下因素的限制：（1）开通和关断损耗大；（2）感性关断问题；（3）容性开通问题；（4）二极管反向恢复问题；（5）剧烈的di／dt和du／dt冲击及其产生的电磁干扰（EMI）。

而软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。

当电流自然过零时，使器件关断（或电压为零时，使器件开通）从而减少开关损耗。

它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题，而且还能解决由硬开关引起的EMI等问题。

[1]软开关电源是相对于硬开关电源而言的。

人们通常所说的开关电源，指的是硬开关电源，它是在承受电压或电流的情况下接通或断开电路的，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，并且开关频率越高，产生的损耗也越大。

而软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或者加于其上的电压为零，或者加于其上的电压为零，或者电压电流都为零。

这种开关方式显著地减小了开关损耗在开关过程中激起的震荡，可以大幅度地提高开关频率，为开关电源小型化、高效率创造了条件。

将一个恒定的直流电压通过电力电子器件的开关作用变换成直流电压的过程，称为直流-直流变换（DC-DC变换）DC-DC变换具有体积小、效率高、重量轻、成本低等优点，主要应用于开关电源，如通信电源、笔记本电脑、移动电话、远程控制器电源等，具有极其重要的意义。

专利名称：一种基于软开关的DC-DC变换器专利类型：发明专利
发明人：孙磊,张武,郭鑫
申请号：CN202011181644.7
申请日：20201029
公开号：CN114430231A
公开日：
20220503
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于软开关的DC‑DC变换器，属于DC‑DC变换器技术领域，解决了现有技术难以同时保证高增益、结构简单、稳定性好、效率高的问题。

该变换器包括控制芯片、变压器、开关管Q1、Q2，二极管D1～D3，电容器C2～C3、C01～C02；其中，变压器原边绕组正极与外部能源电池正极连接，并通过C2与Q2的漏极连接，其负极分别与Q2的源极、Q1的漏极、C3一端连接；C3另一端经D3分别与外部能源电池负极、Q1的源极连接；Q1、Q2的栅极分别与控制芯片连接；并且变压器副边绕组负极经D1与C01一端连接，其正极分别与C01另一端、C02一端、D2阴极连接；C01一端作为变换器输出端正极；D2阳极与Q2的漏极连接；电容C02另一端接C3另一端，并作为DC‑DC变换器输出端负极。

申请人：北京机械设备研究所
地址：100854 北京市海淀区永定路50号(北京市142信箱208分箱)
国籍：CN
代理机构：北京天达知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：窦艳鹏
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电气传动2023年第53卷第9期ELECTRIC DRIVE 2023Vol.53No.9摘要：在LLC 的基础上，从软开关技术、DC/DC 级联变换器技术以及三电平技术的角度去思考，提出一种基于Buck-LLC 的新型DC/DC 复合式级联结构拓扑。

搭建了980W 样机进行验证，证明该复合式Buck-LLC 级联变换器在保持传统Buck-LLC 级联变换器效率的前提下能够有效减小前级Buck 电路处理功率，减小体积并提高功率密度，也能够有效减小母线电容耐压值，并且保持PWM 闭环调制的优点，能够输出稳定的电压，后级LLC 定频的工作参数设计更加方便。

关键词：软开关；复合式Buck-LLC ；级联结构；三电平中图分类号：TM42文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd24142A New Type of Soft -switching Three -level Cascade DC/DC ConverterJIANG Jingwen 1，ZHOU Jiemin 1，HONG Feng 2，ZHENG Gang 1（1.School of Civil Aviation ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 211100，Jiangsu ，China ；2.School of Electronic Information ，Nanjing University of Aeronautics andAstronautics ，Nanjing 211100，Jiangsu ，China ）Abstract:On the basis of LLC ，considering from the perspectives of soft-switching technology ，DC/DC cascade converter technology and three-level technology ，a new DC/DC composite cascade structure topology on the basis of Buck -LLC structure was proposed.A 980W prototype was designed and built for verification ，which prove that the proposed composite Buck -LLC cascade structure can effectively reduce the processing power of the previous Buck circuit ，and reduce the Buck inductor volume ，and increase power density while maintaining the efficiency of the traditional Buck -LLC cascade structure.It can also effectively reduce the withstand voltage value of the bus capacitor and maintain the advantages of PWM closed-loop modulation ，and can output a stable voltage.In addition ，the design of the working parameters of the subsequent LLC fixed frequency is more convenient.Key words:soft-switching ；composite Buck -LLC ；cascade structure ；three-level （TL ）作者简介：蒋婧文（1997—），女，硕士，Email ：***************一种新型软开关三电平级联DC/DC 变换器蒋婧文1，周洁敏1，洪峰2，郑罡1（1.南京航空航天大学民航学院，江苏南京211100；2.南京航空航天大学电子信息学院，江苏南京211100）DC/DC 变换器广泛应用于多个领域。