高频输出不对称半桥逆变器

⾼频逆变器前级、后级电路的设计（从原理上了解逆变）⾼频逆变器前级、后级电路的设计（从原理上了解逆变）⼀、⾼频逆变器前级电路的设计逆变器前级电路⼀般采⽤推挽结构，开环和闭环的问题。

供分析的电路如下？01、闭环前级变压器匝数⽐的设计逆变器前级⽆论是开环还是闭环只是变压器的匝⽐和反馈环路的参数不同⽽已。

⽐如需要设计⼀个输⼊12V，变化范围为10.5-15V，输出电压为交流 220V50HZ 的⾼频修正⽅波逆变器。

如果前级采⽤闭环结构，12V 升压后直流电压稳定在 270V⽐较好，这样为了使输⼊ 10.5V 时还能输出 270V，则变压器的变⽐⼤约为(270+2VD)(10.5-VDS)D,其中 VD 为⾼压整流管压降，VDS 为前级 MOS 管的压降，D 为最⼤占空⽐。

计算出来的结果⼤约是28。

特别注意的是当前级⼯作在闭环状态时，⽐如输⼊电压⽐较⾼的话，D1,D3 正端整流出来的脉冲的峰值将超过 270V，占空⽐⼩于1需要 L1,C11 平滑滤波，所以 L1 不能省略，还要⾜够⼤，否则 MOS 管发热损耗⼤。

具体计算可根据正激类开关电源输出滤波电感的计算。

02、准开环前级变压器匝数⽐的设计实际中的逆变器前级往往省略 L1，从电路上看还是闭环稳压，电压也是通过 R1 进⾏反馈，从上⾯闭环稳压的计算中可以看出，为了保持输出的稳压，变压器的变⽐设计的⽐较⼤。

逆变器前后级都稳压当然⽐较好，但也可以只是后级稳压，后级稳压在 AC220V，我们可以把前级直流⾼压设计在最低220V，此时占空⽐为 50%。

如果前级直流⾼压⼤于 220V ，可以⾃动把占空⽐调⼩些，这样输出交流电也稳定在 220V 了。

⽤这种⽅式的话我们的变压器变⽐可以按照输⼊ 10.5V 时输出 220V 设计，计算结果变⽐⼤约是22。

这样输⼊ 10.5-15V 变换时，前级⾼压的变动范围⼤约是220-320V。

如果 L1 直接短路，R1 去掉，这样就是⼀个纯开环的电路，只是有于变压器漏感尖峰的存在，在逆变器空载时，前级输出的直流⾼压会虚⾼，对⾼压滤波电容和后级⾼压 MOS 管的安全不利。

4.3.1增加开关频率法 (42)4.3.2 变频和定频相结合 (42)4.3.3 二极管钳位法 (43)4.3.4 改善的二极管钳位法 (44)4.3.5 实用过流保护设计方法 (45)4.4可选择的副边结构 (46)4.5完全谐振状态下小信号模型 (49)4.5.1 谐振网络输入端口模型 (50)4.5.2谐振网络输出端口建模 (52)4.5.3谐振网络传递函数以及系统增益 (53)4.6输入阻抗特性 (56)4.7LLC变压器设计的特殊性 (59)4.8加权反馈波特图的测量 (61)4.9低待机功耗解决方案 (65)4.10本章小结 (70)第五章平板电视电源电磁兼容考虑 (72)5.1电磁干扰源分析 (73)5.2电磁干扰传播途径 (73)5.2.1 电容性耦合 (73)5.2.2电感性耦合 (74)5.2.3 公共地阻抗干扰 (74)5.3共模、差模干扰形成原因 (75)5.4实际电磁兼容考虑 (76)5.4.1 变压器屏蔽法 (76)5.4.2 改善散热器接地 (77)5.4.3 增加缓冲和吸收电路 (77)5.4.4 加磁珠 (78)5.5输入滤波器设计 (78)5.6实验结果分析 (79)5.7本章小结 (81)第六章 关键参数计算和实验结果分析 (82)6.1PFC电路关键参数计算 (82)6.1.1 Boost电感计算 (82)6.1.2 电感电流峰值和有效值计算 (82)6.1.3 PFC MOS管损耗计算 (83)6.1.4 输出电容的选择 (83)6.2PFC电路主要波形 (84)6.2.1 PFC开关管和整流二极管电压波形 (84)6.2.2 滤波电容电压纹波 (85)6.2.3 输入电流波形 (85)5.3DC-DC电路关键参数设计 (86)6.3.1 变压器设计 (86)6.3.2 谐振电容的选择 (90)6.3.3 输出整流二极管的选择 (91)6.3.4 谐振电流峰值和有效值计算 (92)6.3.5 输出滤波电容的选择 (93)6.3.6 启动时序、遥控和保护线路设计 (94)6.4电源效率分析 (95)6.5实验结果及分析 (96)6.5.1 不同负载下谐振电流、谐振电容电压波形 (96)6.5.2 主功率MOSFET和整流二极管电压波形 (97)6.5.3 变压器原边电压波形和谐振电容电压波形 (97)6.5.4 整流二极管电流波形 (98)6.6本章小结 (99)结论与展望 (100)参考文献 (101)附录一：硕士期间发表的论文 (104)致谢 (106)第一章 绪论1.1课题研究背景随着电力电子技术的发展，各类电子产品已深入到日常生活的每一个领域，人们每天都与这些电子设备打交道，大到洗衣机、冰箱，小到剃须刀、手机充电器等，它们在人们日常生活中都占有重要地位。

不对称半桥反激变换器的应用引言：不对称半桥反激变换器是一种常用的直流-直流变换器，它在电源供应、电力电子系统和电动汽车等领域中有着广泛的应用。

本文将重点介绍不对称半桥反激变换器的工作原理、特点以及在不同领域中的应用。

一、工作原理不对称半桥反激变换器由两个功率开关管和一个变压器组成。

其中一个功率开关管用于开关变压器的一侧，另一个功率开关管用于开关变压器的另一侧。

当一个开关管导通时，另一个开关管断开，反之亦然。

通过调整两个开关管的导通时间，可以控制变压器的输出电压和电流。

不对称半桥反激变换器的工作原理可以分为两个阶段：储能和释能。

储能阶段中，一个开关管导通，将能量储存在变压器的磁场中；释能阶段中，另一个开关管导通，将储存的能量释放到负载中。

通过反复切换两个开关管的导通状态，可以实现直流-直流转换。

二、特点不对称半桥反激变换器具有以下特点：1. 高效率：由于其工作原理的特殊性，不对称半桥反激变换器在能量转换过程中损耗较小，具有较高的转换效率。

2. 可调性强：通过调整两个开关管的导通时间，可以实现对输出电压和电流的精确控制，具有较好的可调性。

3. 适应性强：不对称半桥反激变换器适用于各种不同的负载类型，可以满足不同应用场景的需求。

三、应用领域不对称半桥反激变换器在多个领域中具有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 电源供应：不对称半桥反激变换器可以用于电源供应系统，将交流电转换为直流电，为各种电子设备提供稳定的电源。

2. 电力电子系统：不对称半桥反激变换器可以用于电力电子系统中，如变频空调、UPS电源等，实现能量的高效转换和精确控制。

3. 电动汽车：不对称半桥反激变换器可以用于电动汽车的充电器中，将交流电转换为直流电，为电动汽车提供充电能源。

4. 太阳能发电系统：不对称半桥反激变换器可以用于太阳能发电系统中，将太阳能电池板输出的直流电转换为交流电，供给电网使用。

5. 新能源储能系统：不对称半桥反激变换器可以用于新能源储能系统中，如风能储能系统、储能逆变器等，实现能量的高效储存和释放。

高频输出不对称半桥逆变器1 引言近年来提出了一种新的高频输配电系统HFPDS[1-3]（High frequency power distribution system），与传统的直流配电系统不同的是，HFPDS采用高频交流配电系统。

它具有以下优点：（1）系统简单；（2）效率高；（3）可靠性高；（4）成本低。

由于输出频率比较高，无法采用SPWM等控制方法，所以目前的高频输出逆变器多为方波或准方波输出，然后通过谐振滤波网络得到高频正弦波。

文献[1]和[2]中提出全桥变换器加四阶谐振滤波网络的结构。

其优点是能实现所有开关管ZVS，结构简单，效率高，适合大功率场合。

本文结合实际课题，采用了不对称半桥逆变器和谐振式滤波网络，不仅可获得较好的输出波形，同时能够在典型负载为阻性时，从空载到满载范围内实现零电压开关。

本文分析了变换器的工作原理，软开关实现条件和谐振滤波电路的设计。

2 工作原理图1 高频输出不对称半桥逆变器图1为高频输出不对称半桥逆变器拓扑，由不对称半桥变换器、四阶谐振滤波网络和高频变压器构成。

图2 为高频输出不对称半桥逆变器的关键波形。

不对称半桥逆变器在一个开关周期中可以分成6个不同的工作时段。

当不对称半桥逆变器带阻性负载时，谐振滤波器设计为感性，使输出电压超前串联谐振支路的电流，实现所有开关管软开关。

为了分析方便，在不影响分析结果的前提下，做如下假设：①所有开关管、电感、电容、变压器均为理想器件；②谐振滤波器滤波能力足够，输出电压的频率与开关管频率相同。

各开关状态的工作情况描述如下：（1）工作模态1[t0---t1]t0时刻，开关管Q2关断。

因为负电流is的存在，C1放电，C2充电，一旦C1端的电压为零时，负谐振电流is使得D1导通。

在死区时间内必须有足够的能量将C1中能量抽走。

（2）工作模态2[t1---t2]在t1时刻开通Q1，则开关管Q1为零电压开通。

此时D1和Q1同时导通。

（3）工作模态3[t2---t3]到t2时刻，电流为零。

开关磁阻电机驱动系统功率变换器的故障检测靳志欣;宋建成;曲兵妮;张中华【摘要】针对功率变换器故障导致的故障相绕组不能正常励磁或续流的问题,以12/8极开关磁阻电机驱动系统三相不对称半桥型功率变换器为研究对象,分析其故障类型,推导出正常状态和故障状态下相绕组电流的解析解.讨论了不同工况下直流母线电流的变化规律及其数字化分析结果,并结合功率开关器件的PWM驱动信号和直流母线电流,提出了一种功率变换器主开关器件短路和开路故障检测方案.最后利用Matlab对功率变换器进行了故障仿真和故障判别,主开关器件短路和开路的仿真结果与理论分析结果相吻合,能够识别出故障相,并判别出故障相的故障类型,仿真结果验证了方案的可行性.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)001【总页数】6页(P186-191)【关键词】开关磁阻电机驱动系统;功率变换器;主开关器件;故障检测【作者】靳志欣;宋建成;曲兵妮;张中华【作者单位】太原理工大学煤矿装备与安全控制山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学煤矿装备与安全控制山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学煤矿装备与安全控制山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学煤矿装备与安全控制山西省重点实验室,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TD614;TM352开关磁阻电机(switched reluctance motor，SRM)具有结构简单、价格低廉、性能优良、可靠性高、容错性强等特点[1-6]，已成功应用于煤矿、航空、电车、纺织等众多领域[7]。

功率变换器主开关器件IGBT是整个系统最容易发生故障的薄弱环节[8-11]，研究表明功率变换器的故障占整个变频调速系统故障的82.5%[12]，其可靠性问题一直未能得到充分的解决[13]。

运行过程中的过电压、过电流和过热等原因可能造成IGBT故障而使其可靠性失效，其常见故障为短路故障和开路故障。

摘要随着电力电子技术的迅速发展，PWM型DC/DC变换器的应用也日益广泛，如今，高性能、高效率、小型化和轻量化越来越成为各类PWM型DC/DC变换器追求的目标。

软开关技术是电力电子装置，特别是直流变换装置向高频化、高功率密度化发展的关键技术。

虽然，软开关技术能够使功率变换器的小型化，模块化，但是，可能会使电路变得更加复杂，使得中小功率变换器成本增加，往往不利于商业竞争。

本文研究了一种改进型的零电压不对称半桥拓扑，它可以在不增加电路成本的基础上，实现软开关技术。

又可以消除以往不对称半桥电路有谐振尖锋电压的缺点。

在第二章中对不对称电路的工作原理进行分析，给出了占空比与输入电压输出电压以及与偏磁的关系，在对不称半桥的一个开关周期的各个状态的分析，描述了隔直电容，与变压器原边电流的变化规律，各个状态的值，然后得出实现ZVS的实现条件，从容为合理的设置死区时间提供了，理论指导，最后用pspice软件进行了仿真，验证了零电压开关实现的可能性。

本文第三部分采用状态空间平均法建立了不对称半桥功率变换器的小信号平均电路模型在此基础上建立整个变换器的系统模型，对系统的稳定性和动态性能进行了分析，并且设计了补偿器。

最后用matlab仿真验证了整个系统的稳定性。

基于前面的分析，设计了一个由前级PFC和后级不对称半桥组成的两级AC/DC电路，实验说明了开关管的软开关是能够实现的，证明了变换器的效率有一定的提高。

从而验证了电路的可行性。

关键词：不对称半桥软开关DC/DC变换器AbstractWith the development of power electronics technology, Pulse Width Modulation DC-DC converters get more and more application. Nowadays, high performance, high efficiency and light weight are the most important performance figure of all kinds of PWM DC-DC converters. In order to increase the power density and output efficiency, the soft switching techniques is the key. However it makes the circuit complex, which means the increase of cost, and affects the competitiveness of commercial product.This thesis presents an improved asymmetric zero-voltage half-bridge topology. It can realize soft-switch technology without increase the cost of converter. The improved Asymmetrical Half-Bridge can also remove the resonant peak voltage. The topology of asymmetrical half bridge is introduced in Chapter 2, including the principle of the circuit,the relationship between the duty cycle ,input voltage and output voltage ,and the deflection of magnetism. The voltage of block capacitor and the current of the original turns of transformer of each state have been discussed, then deduce the condition of Zero voltage switch(ZVS),which give the theory guidance for setting the reasonable dead time. Finally, the possibility of zero voltage switching is proved by the simulation of pspice software. In part 3. ,a small average circuit half bridge converter power stage is established by method of state space averaging. In term of the method referred, a system model of total converter is founded. The characteristic of stabilization and dynamic is analysed and the compensator is designed basing on it. At last,the simulation performed by Matlab software confirm the stabilization of system. Based on the analysis above, a two-class AC/DC converter ,consist of power factor circuit and asymmetrical half bridge circuit is designed to prove that the asymmetrical half bridge can achieved zero voltage switching .In conclusion, the correctness and feasibility of the new converter are proved by theory analysis, simulation research and experimental validation.Keywords: Asymmetrical half bridge soft switching DC/DCconverter目录摘要 (I)ABSTRACT....................................................................................................... I I 1 绪论 . (1)1.1引言 (1)1.2不对称半桥变换器简述 (4)1.3本文所做的工作 (7)2 工作原理 (8)2.1不对称半桥主电路构成 (8)2.2稳态分析 (9)2.3开关过程 (12)2.4谐振问题及改进 (16)2.5ZVS开关条件分析 (30)3 建模与仿真 (33)3.1概述 (33)3.2主电路模型和开环分析 (35)3.3反馈补偿和闭环分析 (40)3.4补偿器件设计 (42)3.5主电路仿真 (44)4 实验设计与波形 (47)4.1主电路设计 (47)4.2控制电路与驱动电路的设计 (51)4.3实验结果 (54)4.4实验结论 (57)5 全文总结 (58)致谢 (59)参考文献 (60)附录攻读硕士学位期间发表的论文 (65)1 绪论1.1 引言DC/DC变换器就是将输入的直流电压，经过高频斩波或高频逆变后，通过整流和滤波环节，转换成所需要幅值的直流电压。

第三章多电平逆变器及其直流侧电容电压分析3.1 多电平变换器概述[11,12]电力电子技术经过几十年的发展，在低压小功率领域，已基本成熟，而在高压大功率领域中应用到的技术正成为电力电子技术的研究重点。

近年来，各种新型功率器件，如IGBT,IGCT等纷纷出现。

4500V/1200A的IGBT，6000V/6000A的GTO等高压大功率器件已经出现。

但是，在某些场合，传统的两电平拓扑仍不能满足要求。

而且，由于现有的工艺水平，功率越大，开关频率越低。

为实现大功率、高频率、低谐波的功率变换，从电路拓扑和控制方法上，提出了多种思路。

功率器件串并联技术将器件串联以承受高电压，并联以承受大电流。

但由于器件参数的离散性，需要复杂的动态、静态均压均流电路，导致系统控制复杂，损耗增加。

对于具有负温度系数的功率器件，并联均流十分困难。

同时，要求驱动电路延迟时间一致并尽量短。

关断过程中，需要众多的吸收电路，降低了系统的可靠性。

并且，串并联技术对输出电压谐波毫无改善。

而多电平技术通过改变拓扑，输出电平数增加，改善输出波形的谐波，功率器件承受的电压也较小。

正成为高压大功率变换研究重点，其优点如下： z功率器件仅承受1/(n-1)的母线电压（n为电平数），很好地解决了开关器件耐压不够高的问题，所以可以用低耐压器件实现高压大功率输出。

z输出波形电平数增加，输出波形谐波更接近正弦波，电磁干扰问题大大减轻。

z消除同样谐波，多电平逆变器可以用较低频率进行开关动作，损耗小，效率高。

z相同直流母线电压条件下，由于电平数增加，du/dt应力减小。

3.2多电平逆变器的工作原理3.2.1 二极管钳位式三电平逆变器多电平变换器的概念是由日本学者A.Nabae等人在1980年提出的。

该电路是一种三电平逆变器，也称作中点钳位（NPC，Neutral Point Clamped）逆变器。

用两个串联的电容将直流母线电压分为3个电平，每个桥臂由三4个开关器件串联，用2个串联二极管和内侧开关管并联，其中间抽头和两个串联电容的中点连接，实现中点钳位，如图3-1所示。