谐振变换器在电子模拟功率负载中的应用

童江

摘 要：近年来，我国的电力事业得到了较为迅速的发展。在社会电力需求不断增加的情况下，全桥谐振变换器具有了更高的应用价值。因此，对谐振变换器在电子模拟功率负载中的应用进行一定的研究和分析。

关键词：谐振变换器；电子模拟功率负载；电力事业；电感器

中图分类号：TM46 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.088

随着我国电力事业的发展，近年来，直流变换领域逐渐向大功率、高频率的方向发展。因此，全桥谐振变换器获得了更快速的发展和更广阔的应用前景。对于以移相方式控制的谐振变换器而言，其通过变压器漏感或原边串联谐振电感和功率开关管的寄生电容或外接电容来实现零电压软开关。但其由滞后桥臂开关范围与串联电感能量、漏感驻存能量间具有较大的联系，在单纯增加电感器的同时，也可能加剧占空比丢失的情况。因此，需要以良好设计方式解决上述问题。

1 基本原理

1.1 系统原理

在该电子模拟功率负载系统中，主要由电压型PWM整流器、谐振式全桥DC/DC变换器、被测试直流电源组和输出EMC组成。其中，被测试电源组能直接从工业电网中吸取交流电能，低压直流输出一般为50 V左右，并以此作为本系统的功率负载输入。在电子模拟负载方面，由谐振式全桥 DC/DC 变换器、输出EMC和电压PWM整流器共同实现，通过这种方式可转变以往的能耗负载模式。同时，在该低压电力的运行中，依靠谐振式全桥 DC/DC 变换器升压、滤波，并最终转变为电压更高的直流。通过应用PWN方式，能在系统逆变的基础上将系统中电压较高的电流转变为工频交流电，之后反馈至工业电网中，从而实现电流的循环。

1.2 谐振变换器电路

系统谐振变换器的电路原理如图1所示。

图1 系统谐振变换器的电路原理

在图1中，由内部继承的二极管和功率开关T1～T4共同组成了全桥开关变换器。其中，T1和T3组成了超前桥臂，T2和T4组成了滞后桥臂，开关管T1～T4在外接电容和寄生电容的共同作用下谐振，并以此实现零电压软开关功能；C为隔直电容，可避免系统中的电压器直流出现偏磁，其会将所检测到的电流与系统指令电流比较，如果获得了误差信号，则会以PI的方式输出，并由改进后的系统生成触发脉冲。该系统以恒流的方式控制，有利于考核直流电源组的负载情况，有利于工作人员在根据系统实际功率操作多个负载模块。隔离高频变压器在实际应用中会传输高压电，在采用软开关的情况下，如果电压为500 V，则其峰值会达到900 V。根据此情况，如果应用该负载，则需要保证其具有更为可靠、安全的特征。为了保障系统的稳定运行，将系统的整流装置中分为了两部分，并以串联的方式连接。此外，为了避免系统出现触点电流过冲的情况，采取DSP系统控制的方式控制系统低压直流输入一侧装置的工作时序，从而使其具有更高的应用稳定性。

1.3 控制策略

对于由全桥变换器控制的系统而言，其一般分为有限双极性、双极性和移项控制等控制方式。其中，有限双极性控制方式能使一对开关管变为0电流状态，并能在同一时间内使另一对开关管变为0电压，从而可有效避免电流出现拖尾现象。

双极性控制方式具有的功率开关一般处于应开关状态，在实际应用中的电压峰值、电流峰值均较高，对安全工作区具有较高的要求，且开关损耗较大，因此，对提升开关频率起到了一定的限制作用。

在功率开关管方面，移相控制无论是在控制方式，还是在拓扑结构方面均非常简单：其具有恒定的开关频率，这对滤波器的应用设计具有积极的意义；可使开关管的电压变为0，从而在降低开关损耗的基础上提升开关效。由于该器件中的电流和电压值较小，最终选用了移相方式。

在实际应用中，该系统的每一个桥臂开关管都会以180°的形式导通，两桥臂间的导通角具有一个相位的差异，即移相角，能通过调整该移相角调节系统输出电压。当开关管关闭时，系统变压器中的电流会以并联的方式对开关管进行电容充电，同时，另一个桥臂会向系统中已经开通的开关管以并联的方式放电。当开关管关闭，电容电压已冲入直流电压时，系统开关管会以0电压的方式开通；当根据实际情况需要关闭时，又会因系统中并联电容的存在而以0电压的方式关闭。

2 参数设计

2.1 死区时间

在系统设计中，要想实现开关管的0电压启动功能，足够的能量是非常关键的因素之一，从而实现同一桥臂外部并联电容的充电和放电操作。如果先设定C1=C3=Clead和C2=C4=Clag，则可了解需要实现的功能。因此，该部分参数必须满足以下公式：

E> CiVin2+ CiVin2=CiVin2（Ci=Clead，Clag）. （1）

在超前桥臂方面，当系统谐振时，电感会与变压器串联，其具有的能量可满足上述式（1）的需求，从而使桥臂能以更为简单的方式实现0电压。对于滞后桥臂而言，需要系统中具有一个变压器漏感提供能量。在这种情况下，只有选择正确的的漏感，才能使滞后桥臂实现0电压。同时，需要确定死区时间，T1和T3件驱动信号的死区时间为：

. （2）

T2和T4件驱动信号的死区时间为：

. （3）

式（3）中：Vin为直流侧电压；I2为负载电流。

在对系统开关管进行关断操作时，要保证死区时间为开关管关断下降时间的3倍以上，并根据不同开关管各自的寄生电容选择并联电容值。

2.2 开关频率

对于该变换器的谐振参数参数而言，其功率负载的整体效率与变换器开关频率、变压器漏感之间有着较为密切的联系，因此，需要做好变压器的设计工作。当频率较高时，为了在实际应用中减少集肤效应造成的影响，需要使用直径较窄的导线并以多股并绕的方式设置。此外，为了使系统具有更高的应用效率，应尽可能选择损耗较低的非晶材料。其中，占空比的丢失值为：

. （4）

该占空比主要由变压器漏感和变压器变比等参数确定。为了保障其在实际运行中具有更大的负载范围，应将谐振变换器的开关频率选为60 kHz。

3 结束语

本文对谐振变换器在电子模拟功率负载中的应用进行了研究，在设计了电路、控制策略的同时，也确定了部分参数，具有较高的参考价值。

参考文献

[1]陈红新，刘建，蒋世全，等.串—串补偿松耦合全桥谐振变换器[J].电力电子技术，2009（10）：73-76.

[2]吴俊娟，孙孝峰，邬伟扬.基于描述函数法的谐振变换器自持振荡研究[J].电力电子技术，2011（02）：53-55.

〔编辑：张思楠〕