第４５卷第９期 ２０１１年９月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１ １ ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器中二次脉冲问题的研究 李金芝 ，贺明智 （１．北京交通大学，电气工程学院，北京 １０００４４；２．北京京仪椿树整流器有限责任公司，北京 １０００４０） 摘要：针对零电压零电流开关（ＺＶＺＣＳ）移相全桥变换器中滞后臂开关管在关断时刻及关断期间出现的二次脉 冲，详细阐述了其产生机理，并给出了相关的理论推导及计算公式。在此基础上。搭建Ｍａｔｌａｂ仿真模型和一台 ６ＯＯ Ａ／６０ Ｖ的实验样机，通过相关仿真和实验验证了理论分析的正确性。在ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器的参数设 计过程中，作为变换器的核心环节，高频变压器漏感等参数由于制造工艺及磁性材料等因素的限制。很难做到 一致，为避免由此引起二次脉冲问题，给出了两条合理化的设计原则。 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１１）０９—００８８—０２ 关键词：变换器；移相全桥；二次脉冲 中圈分类号：ＴＭ４６ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ＺＶＺＣＳ Ｐｈａｓｅ．ｓｈｉｆｔｅｄ Ｆｕｌ１．ｂｒｉｄｇｅ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＬＩ Ｊｉｎ—ｚｈｉ ．ＨＥ Ｍｉｎｇ．ｚｈｉ ， （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｏ＇ｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｉｎ ＺＶＺＣＳ ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔ— ｅｄ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｏｒｍｕｌａｓ ａｒｅ ｓｈｏｗｎ ｕｐ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ６００ Ａ／６０ Ｖ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｗａｖｅｆｏｒｍ，ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ． Ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｌｅａｋａｇｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｈｅｄ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ １ 引 言 全桥结构是大功率开关电源首选的电路拓扑 ２ 二次脉冲的产生机理 图１示出ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器的原理图。 其中 。为初级谐振电感，主要考虑变压器漏感；厶 结构．软开关技术结合全桥拓扑是提高电源性能参 数，实现电源绿色化发展的必要手段ｆｌ１。目前，工业 领域电源，如单晶硅炉加热电源、电解电镀电源等， 为输出滤波电感；Ｃ，～Ｃ４为各开关管ＶＱ ～ＶＱ 的等 效结电容；Ｃｆ为输出滤波电容；Ｃｂ为隔直电容； ＶＤ１一ＶＤ４为各开关管的反并联二极管；ＶＤ５，ＶＤ６ 为次级整流二极管。 广泛采用的软开关技术为移相全桥软开关。该软开 关技术主要有ＺＶＳ方式和ＺＶＺＣＳ方式两种。 ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器在理想工作条件下，超前 臂实现ＺＶＳ，滞后臂实现ＺＣＳ。该变换器对电路参 数的一致性要求较高．而实际应用中．部分参数无 法得到精确控制。此类参数的变动会破坏软开关 的实现条件。磁性材料的不一致性导致在隔离变 换器中对变压器参数的一致性要求存在较大挑 战。在此所要分析的二次脉冲即是由于谐振电感 （主要是变压器漏感）参数不一致，使得续流时间 加长．破坏了ＺＣＳ条件。导致滞后臂开关管电压 波形在关断时刻和关断期间出现小于死区时间的 窄脉冲，即“二次脉冲”。 定稿日期：２０１１—０３—０３ 图１ ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器原理图 图２为ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器二次脉冲产 生的相关波形图。设Ｄ为占空比， 为开关周期， 开关频率 ＝１／Ｔ， 为死区时间，ｉ，为变压器初级 电流， ， 分别为ＶＱ ，ＶＱ 的电压。二次脉冲 的产生过程可分为如下５个阶段： 阶段１［ｔｏ－ｔ ］ＶＱｔ和ＶＱ 同时导通，Ｃｂ（初始 电压 （Ｏ）＝一 ）开始充电，变压器承受正向电 压，ＶＤ 导通，利用功率守恒原理，ｔ 时刻初级电 作者简介：李金芝（１９８２一），女，河北保定人，硕士研究生， 研究方向为电力电子与电气传动。 ８８ ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器中二次脉冲问题的研究 流的近似值为： 度小于 的二次脉冲。见图２。 ，１＝ Ｉｏ２ＲＪ１一、鬲／Ｌ ｎＤ＝蔫Ｄ——＝ Ｌ＝：一 ．ｉ一， Ｖ工， （、１Ｊ）， ３避免二次脉冲的条件 式中：ｎ为变压器初次级匝数比；厶为输出电流平均值，假 定厶足够大，输出近似为直流。 臂 釜Ｅ土 ． 滞后臂 Ｊｌ 正 ”ｃ￣４ ｎ ｌｇｃ￣２ ｎ ｔ 图２ ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器二次脉冲波形图 阶段２［ｔ。～￡：］ｔ 时刻，ＶＱ 关断， 放电，Ｃ。 充电，ｔ 时刻充放电过程结束，由于Ｃ ＝Ｃ３很小， 在ｎ＝Ｌ 的作用下，ｉ。基本维持 不变，ｔ。：时间很 短，在整个过程中可忽略不计。 阶段３［ｔ２￣ｔ ］ｔ：时刻， 电压为零，ＶＤ３导通 续流，变压器两端电压由 逐渐减小到零。由于 变压器两端仍为正向电压，ＶＤ５导通，ＶＤ６截止，￡。 承受反向电压，由一 开始降为一 ，电流下降， 此过程时间很短， 上电压可近似考虑为 不 变。ｔ 可由ＶＤ 的电流变化量等于输出电流纹波 的１／２求得。即： ￡为＝瓦 （１－ Ｄ） ２（Ｔ ／２）２ （２） 记ｔ，时刻的初级电流为 ，则： ［ｘ／－￣一 …］ （３） 阶段４［ｔ３～ｔ４】ｔ３时刻，变压器两端电压降为 零，ＶＤ 承受正向电压开始导通。ＶＤ 和ＶＤ６同时 导通，变压器初级被箝位为零，三。上的电压等于 ｃｂ上的电压，即Ｌ，ｄｉ。／出＝一 ，记ｔ４时刻初级电 流为，”。则： ，１”＝，１ 一￡，凸 ３４／ 。 （４） 式中：Ｕｏ￣＝ＤＵｆｆ（４ｎ２ｆ．ＲＬＣｂ）；￡３４＝７ｙ２一 一Ｄ ２一 一ｔｌ２。 将式（１）～（３）代入式（４）即可求得， ”。 阶段５【ｔ４一ｔ５］ｔ４时刻，ＶＱ 关断，ＶＤ：导通续 流，在此期间，ＶＱ 的电压上升为 ，ＶＱ：的电压 下降为零，漏感电压为一 ，即Ｌ，ｄｉ ／ｄｔ＝一Ｕｍ，电流 迅速下降为零，所以ｔ４ｓ＝Ｉ１”厶／ｕｍ，ＶＤ：截止，电源对 ｃ２充电，而ｃ４放电，ＶＱ：电压重新回到 ，而ＶＱ 电压降为零，此过程直到 过后ＶＱ：导通。在滞 后臂开关管关断时刻及关断期间便产生了脉冲宽 由上述分析可知。实现滞后臂开关管ＺＣＳ的 条件是：ｉ。在ｔ 时刻前降为零。临界条件：，ｌ”＝０，ｔ ＋ ｔｚ３＋ｔ３４＝ ２一 一ＤＴ／２，将式（３）， ”＝０代入式（４），得： ４ＣｂＬ．Ｘ／－ｆ一 下上（ （５） 』 Ｌｆ 由式（２）和式（５）可知，ｔ∞随Ｄ的增大而减 小，ｔ３４随Ｄ的增大而增大，且ｔ３４《ｌ２３《ｔ１２，所以避 免二次脉冲产生的条件可进一步简化为： ￡ ： 』一 Ｌ＜ 一 ｆ 掣（６） ４高频变压器漏感参数的设计原则 高频变压器是ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器的核 心环节之一，其主要作用除电压变换、功率传递和 电气隔离外，变压器的漏感和谐振电容还实现软 开关［２】。因此漏感参数的设计选择是提高ＺＶＺＣＳ 移相全桥变换器性能参数，如效率和ＥＭＣ等的关 键。影响变压器漏感参数的因素很多，在变比一定 的前提下，漏感与初、次级绕组的内径、厚度、高度 及相互之间的绝缘距离等有关【３】，因此。实际变压 器漏感参数很难做到一致。 由式（６）进一步推知： ＜ 【（！二旦堡２ 】 （７） ２Ｃｂ［４Ｌｆ、／Ｄ一－ＲＬ（１一Ｄ ）７］ 可见，漏感参数的设计选择又受到ｃｂ， ， Ｄ一， ， 和厶等参数制约。因此，为得到较宽的 漏感范围，消除其不一致带来的影响，在ＺＶＺＣＳ 移相全桥变换器参数设计过程中。要遵循如下两 条原则：①漏感参数选择范围的大小与 ，ＪＤ一， 及厶成反比。因此，在保证同一桥臂开关管正常工 作，Ｃｂ上的电压不会过高，在功率输出和纹波满足 要求的前提下，尽可能减小ｃｂ，Ｄ一， 及厶的设 计值；②漏感参数选择范围的大小与 成正比，因 此，在满足响应速度和功率密度要求的前提下，尽 可能降低开关频率。 ５ 实验结果 为验证上述分析结果，建立仿真系统，搭建了 实验样机，设计参数为：Ｕｏ＝６０ Ｖ，／０＝６００ Ａ，Ｄ眦＝ ０．７２，Ｃｂ＝３０ Ｆ，Ｔ＝５０ ｓ， ｆ＝１ Ｈ。 由式（７）计算 。＜４．１７９ Ｉ＊Ｈ，图３，４分别为 。 为３ Ｈ，５ Ｉ＊Ｈ时的仿真、实验波形（为突出显示， 对 进行了放大，放大比例为２０）。（下转第１０７页） ＱＱ 基于双环控制的电焊机逆变器的实现研究 ４实验结果 根据上述分析，对逆变型电焊机进行实验验 证。采用ＮＢＣ一５００型逆变电焊机，控制部分基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０７Ａ型ＤＳＰ控制芯片实现。 １０５ Ａ， 流与焊接能量密切关联。由于焊接材料不同．工作 环境复杂，焊接工件表面清洁度不一样．在焊接时 焊接电阻是变化的。此处采用电压外环ＰＩ控制、 电流内环无差拍控制的综合控制策略．使得焊接 电流对负载具有很强的适应能力，可改善系统的 ２Ｏ Ｖ，逆变器开关频率为２０ ｋＨｚ， ＝１．３２。 在试焊时，发现引弧容易．焊接过程飞溅较 动态响应特性，并抑制输出电压的畸变。实验证明 该电焊机具有良好的调节性能和焊接性能，可应 用于工业生产 少，且焊接电流与送气送丝速度匹配，收弧电流下 降平缓。焊接电流的调节范围为６０～５００ Ａ．电压 范围为１６．５～３９ Ｖ。表１示出在试焊时采集的电流 和电压数据。 表１焊接电流与电压关系 Ｎｏ． １ ２ ３ ４ ５ 参考文献 【１】杨春，龙伟．多功能逆变电焊机的研制［Ｊ］．电力电 忠．大容量逆变电焊机ＤＣ／ＡＣ 子技术。２００５，３９（３）：８３—８５． ［２】王水平，彭学愚，汤拓扑结构及控制模式［Ｊ］．西安电子科技大学学报， 电压厂ｖ ｌ６．５ ２２．３ ２６．１ ３１．５ ３６．５ １９９７，２４（１）：１４８－１５２． 由表１可见ＮＢＣ一５００型ＩＧＢＴ逆变电焊机的 输出电压与电流的关系为： ＝【３】殷树言．ＣＯ：焊接设备原理与调试［Ｍ】．北京：机械工业 出版社．２０００． １４＋０．Ｏ５Ｌ （５） ［４】陈国呈．ＰＷＭ变频调速及软开关电力变换技术［Ｍ】．北 京：机械工业出版社，２００３． ［５】张光先．大功率串联谐振式逆变焊机的设计与研究［Ｊ］． 电力电子技术，１９９６，３０（４）：５１—６９． 【６】郭卫农，段善旭，康勇，等．基于ＤＳＰ实现的无差拍 控制逆变器［Ｊ】＿通信电源技术，２００１，１８（１）：１－４． 式（５）表示逆变电焊机为恒压控制关系，且符 合焊接标准。 ５ 结 论 电焊机焊接过程中，焊接电阻会影响焊接输 出电流和电压。在恒压控制的焊接过程中，输出电 【７］张超，王章权，蒋燕君，等．无差拍控制在光伏并网 发电系统中的应用［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（７）：３－５． （上接第８９页） ６ 结 论 ＺＶＺＣＳ移相全桥变换器中．由于谐振电感参 数（主要考虑变压器漏感）不一致，使得续流时间 加长，破坏了ＺＣＳ。导致滞后臂开关管的电压波形 在关断时刻和关断期间出现了宽度小于死区时间 的窄脉冲，即二次脉冲。在ＺＶＺＣＳ移相全桥变换 图３仿真波形 器的参数设计过程中。为消除电感参数不一致带 来的影响，避免二次脉冲的出现。需采取一定的折 中原则：尽可能减小隔直电容、最大占空比、死区 霎 曼 霎萋 时间及输出滤波电感的设计值。降低开关频率。 参考文献 验波形 ［１］ Ｂｏｄｕｒ Ｈ，Ｂａｋａｎ Ａ Ｆ．Ａ Ｎｅｗ ＺＶＴ—ＰＷＭ ＤＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔ－ 由图３，４可见，当己。＝５ Ｈ时，仿真波形和实 验波形中，在ＶＱ 关断时刻和关断期内均出现了 定宽度的窄脉冲，此窄脉冲即为二次脉冲。通过 一ｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｉｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，１７（１）：４０— ４７． 【２】黄石生，王振民，吴祥淼．新型大功率软开关弧焊逆变 器的研究［Ｊ】．机械工程学报，２００１，３７（９）：６７—７０． 上述仿真和实验，可以看出变压器参数对于二次 脉冲产生的影响，验证了分析的正确性。 【３］杜贵平，黄石生，毛鹏军．高频功率变压器激磁电感及 漏感的理论分析［Ｊ】．电焊机，２００２，３２（７）：１３—１４． １０７
