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主电路设计
主要技术指标
1.输入电压220V交流,输出充电电压0~2400V,直流;
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:
1.方式一(</2) 电流断续工作,此方式下开关损耗低且干扰小,可实现开通时电流缓慢增加,关断时为零电流关断;
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 (科教范文网http://fw.nseac.com)
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。
3.1.3.1 断续导通(</2)
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。
图3-3 电流断续运行
3.1.3.2. 连续导通(/2<<)
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(>)
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
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