移相控制高压输出DC-DC变换器研究

发布时间：2020-07-18 08:21

【摘要】：传统移相全桥变换器以其易于实现软开关、结构简单及EMI特性好而应用于各种领域,但其同时存在软开关范围受限、占空比丢失、原边续流导通损耗及副边二极管电压尖峰等缺点。传统电压型移相全桥变换器为隔离降压型拓扑,当要求其具有高压输出能力时,变压器匝比一般较大从而使线路上诸如漏感、匝间电容等寄生参数有明显增大,进而放大了以上缺点,严重限制了传统移相全桥变换器在诸如航天器电推进电源等大功率高电压输出场合的应用。因此研究适用于高电压输出场合的改进型软开关移相全桥拓扑显得尤为重要。本文针对高电压输出的需求及目前应用于该领域变换器的特性,提出了四种不同类型的高压输出变换器,具体研究内容如下:针对传统电压型移相全桥变换器的特性,本文提出了一种带谐振钳位电路的高压输出变换器,减小输出二极管的电压应力并确保主功率开关管能在较宽的负载范围内实现零电压开通。本文研究变换器不同工作模式下的各种工作状态,分析了输出滤波电感电流纹波、主功率开关管软开关条件及副边整流桥电压应力等特性并给出了相应的拓扑参数。为改善电流馈电型移相全桥变换器滞后桥臂无法实现零电压开通的缺点,提出了一种混合了LLC谐振变换器与电流馈电移相全桥变换器特点的高压输出变换器。该变换器采用了共用滞后桥臂开关管的策略,在无任何辅助软开关电路的情况下能确保所有开关管在较宽的负载范围内实现零电压开通。针对高电压输出的需求,本文采用了副端串联输出的结构,减小了输出二极管的电压应力,同时分析了变换器的工作原理,并给出了变换器直流增益、断续模式最大占空比设计、软开关条件、变压器磁集成结构及相关的拓扑参数。为满足宽电压输出范围的需求,本文提出了一个原副边移相控制的零电压零电流开关(ZVZCS)移相全桥变换器。该变换器采用“原边共用超前桥臂开关管,副边串联输出”的结构,减小了副边功率器件电压应力的同时确保开关管能够在全负载范围内实现ZVZCS。本文采用了原副边连续移相控制策略,进而能够对电流馈电移相全桥变换器及副边移相全桥变换器输出电压进行顺序控制,从而确保总输出电压在较宽输出电压范围内连续可调以满足宽电压输出范围的需求。本文同时分析了变换器不同移相控制模式下的工作原理及软开关条件,并给出了直流增益及相关的拓扑参数。最后,针对电流馈电移相全桥拓扑的问题,本文提出了一种交错并联磁集成电流馈电移相全桥变换器。该变换器采用了交错并联技术减小了开关管电流应力及滤波电容电流纹波,同时提出了一种连接于两相滞后桥臂中点的辅助软开关电路,从而解决了电流馈电移相全桥变换器滞后桥臂开关管无法实现零电压开通的问题。针对交流电感损耗较大的问题,文章提出了一种新型的磁集成结构将原边串联交流电感集成于主功率变压器内,提高了变换器效率及功率密度。文章同时分析了变换器工作原理,对直流增益、交流电感断续工作模式、输入电流纹波及开关管软开关条件等变换器特性进行研究,给出了相应的拓扑参数设计步骤并进行了相应的实验验证及分析。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

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第 1 章绪论性能[21-28]。为减小副边整流管上的电压尖峰，文献器原边引入两个钳位二极管的移相全桥变换器，其电变换器在变压器原边串联了一个额外电感来提高软过程中，该电感通过钳位二极管续流从而不与副边二有效地减小了变换器副边整流管上电压尖峰及电压振联电感及变压器的位置优化了钳位二极管的工作情况

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为减小副边整流管上的电压尖峰，文献[11]和[23]提出了一种变压器原边引入两个钳位二极管的移相全桥变换器，其电路原理图如图1-2所示。该变换器在变压器原边串联了一个额外电感来提高软开关范围，而在开关管换流过程中，该电感通过钳位二极管续流从而不与副边二极管寄生电容谐振，因此有效地减小了变换器副边整流管上电压尖峰及电压振荡。文献[29]通过交换串联电感及变压器的位置优化了钳位二极管的工作情况。图 1-1 传统电压型移相全桥拓扑结构图Fig. 1-1 Diagram of the conventional phase-shift full-bridge(PSFB) converter图 1-2 变压器原边引入两个钳位二极管的移相全桥变换器Fig. 1-2 Phase-shift full-bridge(PSFB) converter with two clamping diodes in the primary近年来，学者们逐渐将注意力转向了零电压零电流开关（ZVZCS）移相全桥变换器，该类变换器的主要特点是可通过各种不同的方式复位原边续流电流，从而使滞后桥臂开关管工作于零电流关断状态，同时还能大大减小变换器原边续流导通损耗[30-43]。图 1-3 为带饱和电感及隔直电容的 ZVZCS 移相全桥变换器[30]，该变换器在功率变压器原边串联了一个饱和电感及一个较小容值的隔直电容

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文管能够实现零电流关断。然而，由于饱和电感的引入，题更为严重。另外，饱和电感的铁损较大，对变换器的。文献[31]提出了一个滞后桥臂串联二极管的 ZVZCS 扑结构图如图 1-4 所示，该拓扑同样利用隔直电容来复。与[30]不同的是，该拓扑利用串联于滞后桥臂上的二，确保滞后桥臂开关管能够零电流关断，然而二极管的不利于变换器整体效率的提高。文献[32]和[33]利用耦电流，然而该方式将增大输出滤波电感电流纹波。同时使副边二极管上的电压振荡更为剧烈，因此该类拓扑不。图 1-5 为带耦合电感滤波器的 ZVZCS 移相全桥变换

【参考文献】