高压软开关充电电源硬件主电路设计(一).doc

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高压软开关充电电源硬件主电路设计(一)主电路设计主要技术指标2．负载电容容量3133uF；3．输出电流2安培直流；电源容量5kW；4．开关频率20kHz，谐振频率40kHz；5．电流检测与电压检测；6．用DSP实现PWM控制。主电路选型在谐振开关技术中最适合脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路,输出近似为恒流源或称“等台阶充电”,突出的优点是充电效率高且具有固有短路保护能力[6]。其主电路如图3-1所示。由于电源功率大，采用全桥型电路，高频变压器的副边也采用二极管整流桥进行整流。图3-1电容充电电源主电路示意图图中为串联谐振电感(含变压器漏感和线路分布电感);为串联谐振电容。其工作原理和具体参数将在下面给出。电路的工作原理及方式直流电压（由市电经过整流得到）经过逆变电路逆变为频率很高的方波交流电，此高频方波交流电在经高频变压器生压后，由二极管整流桥整流输出稳定的直流电流，向电容C进行充电。设为IGBT的开关频率，为谐振频率。串联谐振变换器按大小有3种工作方式：2．方式二(/2<<)电流连续工作,可实现零电流关断。但开通时,同一桥臂上的两个开关管存在强迫换流,故开关损耗较大,干扰大；3．方式三(>)电流连续工作,零电压开通和硬关断,开关损耗和干扰较大。因线路存在电感,断时产生的电压尖峰较高,极易损坏开关器件[7]。现在以图3-2的电路来分析一下串联负载DC—DC变换器的这三种运行方式。（a）串联负载DC/DC变换电路（b）等效电路图3-2串联负载DC/DC变换电路及等效电路由图可知，电感和电容形成串联谐振，并与负载串联，经过谐振的电流在负载端被全波整流。输出端的滤波电容C足够大，可以认为电容C两端电压是没有波纹的直流电压。为了简化分析，假定谐振电路中的电阻损耗可以忽略不计，输出电压可以反射到整流桥的输入端，以表示，如果为正，，为负，。若开关T+导通，电流为正时流经T+，反之，流经二极管D-。与此类似，为负时，若开关T-导通，电流流经T+；反之流经二极管D+。因此，对图3-2（a）来说，可有如下四种状态：1.当>0时T+导通:=+，；D-导通:=，。2.当<0时T-导通:=，；D+导通:=+，。谐振槽上的电压取决于电流的方向以及哪个开关器件导通。上述方程所描述的状态可以用图3-2（b）所示等效电路来表示。应该注意，使用这个等效电路时应按不同的时间间隔来计算。在每种时间间隔内，要确定其出使条件，并把和看作一个直流电压。在稳态对称运行时，两个开关器件的工作状态是相同的，与此相似，两个二极管的工作状态也是相同的，因此只要对半个运行周期进行分析即可知道整个周期的状态，因为另外半个周期的运行状态与此对称。此串联谐振电路的开关频率由电路中的开关器件来控制，它可以比谐振频率低，也可以比谐振频率高。根据和的不同比值，电流有连续和不连续之分，起运行状态可分为下面的三种情况。应用谐振方程可计算出电流和电压的稳态波形，如图3-3所示。在时刻，开关T+开通，电感电流从零开始建立，电容电压的初始值为，电流和电压在各区间的等效电路示于图3-3中。在时刻，开关T-开通，下半周开始工作，其电流电压波形前相同，但极性相反。电路的开关频率可从T+两次开通为一个周期来计算。由图可知，开关频率小于谐振频率的一半，也就是说一个开关周期内，谐振电流已震荡两次，另外还有两段停止工作时间。开关频率的半个周期超过了谐振电流的360°，所以</2，被整流的电感电流等于输出直流电流，负载电压为。图3-3电流断续运行图3-4为/2<<时，谐振电流连续运行状态的波形图。图3-4电流连续运行由图可知，开关T+在处开通。开通条件不是零电流和零电压条件，开关T+导通时间小于180°。在处反向，电流流经二极管D+，于是开关T+自然关断，在处，T—开通，电流从二极管D+转向开关T-。与断续运行相比，因为开关T-提前开通，所以D+导通时间也小于180度。这种状态运行，开关不是在零电压和零电流条件下开通，所以产生了开通损耗。此外，为了避免对开关有过大的反向峰值电流和过大的二极管损耗，二极管必须有良好的反向恢复特性。例如，在处，开关T-开通时，原来导通的二极管D+不能立即关断，于是通过D+的反向电流会给正在开通的T-开关增加了电流负担。因为电感电流经过开关过零，而且经续流二极管反向，所以开关是在零电流、零电压条件下自然关断的。3.1.3.3.连续导通(>)这种运行状态与以前讨论的连续导通状态有所不同，当/2<<时，电流是连续的，其开关自然关断，但开通并非零电流条件。当>时，电流也是连续的，开关的关断是强迫关断，开通具有零电流和零电压条件。图3-5电流连续>图3-5示出了>时的电路波形。由图可知，T+开关在零电流条件下与处开通，且开始反向。在处，震荡电流未达到零之前，开关T+被强迫关断，正向电流被迫经二极管D-流通。此时加在谐振槽的电压为较大的负电压，所以流经二极管D-的电流很快在处减小为零。此后，电流反向，当二极管D-开始反向导通时，开关T-立即开通。开关T-关断之后，二极管D+导通。开关T+和二极管D-的导通时间为开关频率的半个周期，此半个周期小于谐振频率的半个周期。三种方式中,方式一在绝缘栅双极晶体管(IGBT)开通和关断时损耗都最小,被选作恒流充电电源的工作方式，其工作时谐振电流波形见图3-6。忽略图放电保护电路的影响,设为电容电压折算至变压器原边的电压,则理想情况(输入电压恒定,变压器及半导体器件为理想器件)下:在期间在期间充电电流平均值&nb sp;==（3-1）由上式可见,在谐振参数和输入电压一定时,充电电流与开关频率成正比。开关频率恒定,则充电电流恒定。充电电流与负载电压无关,因而具有较强的抗负载短路能力[8]。图3-6谐振电感电流波形主电路的各项参数3.1.4.1谐振参数充电电路的系统结构见图3-7。图3-7系统结构图因，负载电容的影响可忽略不计。故有式中n为变压器变比，为谐振频率，为谐振周期，为开关频率，为开关周期[9]。即>40Hz这样有=41.1Hz=6.63输出电流按式（3-1）计算：==1.99 A充电电流基本符合要求。如图3-8，为了使电路给逆变器提供一个稳定的电压，输入整流段需进行变压器隔离和滤波，且在电流输入端设置一熔断器，为电源提供保护，防止电流过大而损害设备。图3-8输入整流电路3.1.4.3输出整流由于功率大，输出整流采用桥式整流电路。但由于输出电压较高，将超过单个二极管所承受的最高反向电压，为安全起见，下图3-9中的每个二极管将由三个二极管串联起来一起使用，并选用快恢复二极管。图3-9输出整流电路3.1.4.4逆变参数图3-10 IGBT电流控制电路表3-1 IGBT具体参数项目符号额定值单位集电极电压1200 V门极电压V集电极电流连续75 A 1ms脉冲150 A连续-75 A 1ms-脉冲150 A最大能量消耗600 W工作温度+150℃存储温度-40到+125℃绝缘电压交流2500（1分钟）V调节扭矩装备1 3.5接线端1 3.5。