基于ZVS软开关技术的30 KW大功率开关电源设计

朱学政， 张一鸣， 张玉涛

(北京工业大学 电控学院，北京　100124)



基于ZVS软开关技术的30 KW大功率开关电源设计

朱学政， 张一鸣， 张玉涛

(北京工业大学 电控学院，北京100124)

为了解决大功率开关电源硬开关过程中，功率器件上存在较大电压电流尖峰以及发热严重等问题，提出了一种基于软开关技术的大功率电源拓扑结构的设计，详细介绍了大功率开关电源实现ZVS软开关技术的原理、控制方法、主要器件参数的选择以及需要注意的一些问题等。最后以30 kW大功率开关电源设计为例，通过实验验证了该基于软开关技术的大功率电源设计的相关理论及控制方法的正确性及可行性。

大功率；开关电源；软开关；ZVS；参数选择

0　引　言

近年来，由于开关电源相比于传统的线性电源表现出来的小体积、高效率等各项优势，已经在各领域中得以运用，并且对开关电源的功率需求也愈来愈高[1]。目前国内市场，大功率开关电源依旧以国外进口为主，且价格高、售后服务困难、技术保密，因此为填补国内市场大功率开关电源的空缺，不再依赖国外进口，我们迫切需要掌握制造大功率开关电源的先进技术。开关电源随着输出功率的提升无疑会导致开关管所承受的电压或电流增加，如果仅仅使用普通的脉宽调制技术，那么将会导致开关管的开关损耗大幅度的增加，功率器件温升过高，并造成严重的电压电流尖峰，使电路中器件的电应力增加，烧毁器件，同时也将会带来严重的电磁干扰问题。软开关技术的应用则非常有效地解决以上问题[2]。

1　主拓扑结构及工作原理简介

如图1所示，本拓扑主体结构主要由以下几部分组成：三相不控整流桥、滤波电容及泄放电阻、高频逆变桥、辅助电流源网络、谐振电感、隔值电容、高频变压器、阻容吸收RC、高频整流桥以及输出滤波网络组成。

图1　主拓扑结构

本拓扑中，与IGBT并联的Cr1～Cr4为谐振电容，与谐振电感L2及隔值电容C2一起共同构成了谐振回路[3]；C2的主要作用是为了去除变压器原边的直流分量，保证变压器原边无磁偏；L1与D5、D6、Cr5、Cr6共同构成了辅助电流源网络，帮助滞后桥壁实现ZVS。

本装置逆变桥处四个IGBT开关管采用移向全桥控制模式，其驱动波形如图2所示， Q1、Q2、Q3、Q4分别对应四个开关管的驱动波形。

图2　移相全桥驱动波形

根据图1的电路结构，当Q1、Q4导通时，VAB=+Vin，变压器原边电流通过回路Q1→A→C2→L2→B→Q4→Q1，由于Q2未导通，此时电容Cr2两端电压等于直流母线电压Vin；当Q1管关断后，由于L2的作用，变压器原边回路中的电流方向保持不变，此时，Cr1充电，Cr2放电，直到Cr1电压上升到Vin，Cr2放电到电压为0，随后D2自然导通，电流回路为D2→A→C2→L2→B→Q4→D2；由于Q1导通时Cr1被短路，电压为零，且电容电压不能发生突变，因此，在Q1关断时为零电压关断，由于D2的钳位作用，Q2导通时相当于短路状态，两端电压为零，因此Q2为零电压导通，接下来是Q4关断，同理，由于Cr4两端电压不能发生突变，所以Q4的关断也为零电压关断，在Q4关断后，回路中的电流会给Cr3放电，Cr4充电，当Cr3电压为零，Cr4电压上升到Vin后，D3自然导通，为变压器原边电流提供回路，同时将Q3电压钳位在零，紧接着Q3零电压开通，此时VAB=-Vin，原边电流减小到零后，电流开始反向增加，直到最大值，接下来就开始另半周期的动作，原理与上相同[4]。

为了尽可能的减小谐振电感的电感量来减少占空比丢失，同时有保证滞后桥壁能够实现ZVS，本文设计了辅助电流源网络来帮助滞后桥壁实现ZVS[5]。

本系统中，辅助电流源网络与滞后桥壁并联，如图1所示，当Q4关断时，原边电流和辅助电感L1的电流同时流入节点B，共同给Cr3放电，Cr4充电；当Q3关断时原边电流和辅助电感L1的电流同时流出节点B，共同给Cr3充电，Cr4放电；因此通过辅助电流源网络有助于滞后桥壁在较宽的输出功率范围内实现ZVS，同时可以减小谐振电感的电感量以减少占空比丢失。

2　拓扑中相关器件的选取

在IGBT实现ZVS过程中，相关元件参数的选择直接决定了软开关的效果，下面将给出一些主要器件参数的选择方法。

2.1超前与滞后桥壁并联电容值的选取

在Q1关断后，变压器原边回路中的电流Ip给电容Cr1充电、给Cr2放电，且由于此时谐振电感L2和滤波电感L3是串联关系，L3很大，所以这个过程Ip近似不变，因此电容Cr1与Cr2的电压为:

(1)

(2)

C为Cr1、Cr2的电容值，Δt为电容充放电结束时间，Δt要小于Q1关断到Q2开通的时长。Cr1与Cr2的取值相同。对于Cr3与Cr4的取值，由于变压器原边电流的减小，为实现滞后桥壁的ZVS，Cr3、Cr4取相同值且略小于Cr1、Cr2值[6]。

2.2隔值电容值的选取

在功率输出阶段，隔值电容两端的电压线性增加，设其充电维持时间为Td(即功率输出时间)，则隔值电容C2的充电峰值电压为:

(3)

工程中一般取隔值电容的峰值电压为输入电压最大值得0.1倍[7]，因此由公式(3)可确定出隔值电容的大概值。

2.3谐振电感值的选取

谐振电感主要是来协助滞后桥壁实现ZVS的，但大的电感量又会带来较高的占空比丢失。假设我们允许的最大占空比丢失为Dl，可得:

(4)

(5)

其中Lr为谐振电感值，Io为输出电流值，fs为开关频率，n为变压器原副边匝比，由于辅助电流源的引入，实际谐振电感的取值可以略小于计算值。

2.4辅助电流源网络中电感、电容值的选取

对于辅助电感电感值的选取，为了减小IGBT导通损耗，辅助电感电流一般选取为0.1-0.15倍的负载电流折算到原边的电流值。确定辅助电感最大电流值Ia后，辅助电流源网络的特征阻抗为:

(6)

在此我们要求辅助电感电流由零上升到最大值的时间为半个开关周期的1/n，即:

(7)

综合上式(6)、(7)得:

(8)

(9)

Lf为辅助电感电感值，Cr为Cr5、Cr6的值，Ts为开关周期。

3　实验结果

采用上述拓扑结构研制30 kW开关电源一台。其主要技术参数如下：输入电压为380 V三相交流，输出额定功率为30 kW，输出最高电压800 V，输出最高电流40 A，Cr1=Cr2=30 nF，Cr3=Cr4=18 nF，L1=60 μH，L2=15 μH，C2=20 μF，Cr5=Cr6=22 nF，工作频率为20 kHz。

图3　30 kW开关电源实验平台

实验平台如图3所示。

主要实验结果如图4所示，其中：V1为逆变桥输出的电压波形，V2为变压器副边电压波形，V3为变压器原边电压波形，I为变压器原边电流波形。

图4　开关电源主要部分的电压电流波形

4　结束语

实验结果表明，采用以上所述设计方案设计出的30 kW开关电源其能够较好的实现ZVS，特别是滞后桥壁，且占空比损失小， IGBT及电感器件发热量低，整体工作性能稳定，效率可达92%以上。

[1] 赵慧，沈锦飞.新型BUCK-Boost变换器在感应加热电源中的应用[J].电力电子技术，2012，46(3)：12-14.

[2] 褚恩辉，叶树仁，王遨宇. 一种新型的有源软开关变换器[J].电机与控制学报，2011,15 (5):72-77.

[3] 张冬梅. ZVZCS移相全桥PWM变换器的设计与仿真[J].电子设计工程，2012,20(10)：16-18.

[4] 阮新波. 脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术[M]. 2版.北京: 科学出版社, 2013.

[5] 陈仲，陈淼，罗颖鹏,等.滞后臂并联辅助网络的新型 ZVS 全桥变换器[J]. 中国电机工程学报，2011,31 (21):56-61.

[6] 陈乃富，赵龙章，王宏波，等. 基于移相全桥软开关充电机的设计与实现[J]. 电源技术与应用，2013,39 (11):63-66.

[7] 马学军，康勇，孙松. 带饱和电感的大功率移相全桥软开关变换器研究[J]. 电源世界，2005， 10(7)：31-34.

Design of a 30 kW High-power Switching Power Supply Based on the ZVS Soft Switching

ZHU Xue-zheng, ZHANG Yi-ming, ZHANG Yu-tao

(College of Electronic Control, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

To solve power device problems such as high voltage-current peaks and serious heating in the hard switching process of high-power switching power supply, this paper presents a design of topological structure of high-power power supply based on soft switching technology. It describes in detail the principle and control method of ZVS soft switching technology for high-power switching power supply, selection of parameters for major devices, as well as some points which need our attention. Finally, taking a 30kw high-power switching power supply as an example, the results of our experiment show that the theory and control method for the design of high-power power supply based on soft-switching technology is correct and feasible.

high-power;switching power supply; soft switching; ZVS; parameter selection

获得：国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1-05-01)；深部探测技术与实验研究专项(201311193-06)资助。

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.008

TM92

A

1000-3886(2016)02-0020-02

朱学政(1989-)，男，安徽铜陵人，北京工业大学硕士生，研究方向：电力电子与电力传动。张一鸣(1964-)，男，湖北人，教授，博士生导师，研究方向：低场脉冲核磁共振技术及应用及电力电子与电力传动。

定稿日期: 2015-08-04