新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)變換器

摘要：普通的PWM變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制簡(jiǎn)單、頻率恒定、輸出特性好等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中。本文以boost基本電路為基礎(chǔ)，采用簡(jiǎn)單的無(wú)源諧振網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。這種新型的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)解決了輸出二極管反向恢復(fù)問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高頻率、高效率、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)可用于以IGBT為開(kāi)關(guān)器件的高壓場(chǎng)合。分析了該變換器的工作原理、實(shí)現(xiàn)條件、設(shè)計(jì)諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)、并進(jìn)行了仿真。
關(guān)鍵詞：軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；無(wú)源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)；無(wú)源變換器；仿真

電力電子變流技術(shù)也稱為電力電子器件應(yīng)用技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成的各種電力電子變換電路，以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。也就是說(shuō)，一般從蓄電池和電網(wǎng)直接得到的電能是不能直接滿足設(shè)備和裝置使用的，必須經(jīng)過(guò)電力變換才能將電能轉(zhuǎn)化為所需要的電能，從而電力電子變換是電力電子技術(shù)的重要組成部分，電力電子變換器是開(kāi)關(guān)電源的核心部分。電力電子技術(shù)在電力電子變換方面主要包括電壓、電流、頻率、波形和功率等。電力電子電路及設(shè)備通常被稱為變換器。按照電能變換功能分類，電力變換通?？煞譃樗拇箢?，即直流變直流、直流變交流、交流變交流和交流變直流。交流變交流稱為交-交變頻，相應(yīng)的變流裝置稱為周波變換器，周波變換器廣泛應(yīng)用于低頻、大功率交流調(diào)速。直流變換器按輸入與輸出是否隔離可以分為沒(méi)有電氣隔離的不隔離直流變換器和有電氣隔離的隔離直流變換器。不隔離的直流變換器按所用有源功率器件的個(gè)數(shù)，可分為單管、雙管和四管3類。單管直流變換器有6種，即降壓式Buck變換器、升壓式變換器、升降壓式變換器、Cuk變換器、Zeta變換器和Sepic變換器。在功率開(kāi)關(guān)管電壓和電流額相同時(shí)，變換器的輸出功率通常與所用的開(kāi)關(guān)管的數(shù)量成正比，而直流變換器按能量的傳遞來(lái)說(shuō)有單向和雙向的兩種。

1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)
1．1 硬開(kāi)關(guān)技術(shù)及其不足
首先了解一下硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)的概念。硬開(kāi)關(guān)過(guò)程是通過(guò)突變的開(kāi)關(guān)過(guò)程中斷功率流完成能量的變換過(guò)程，頻率越高，損耗越大；軟開(kāi)關(guān)通過(guò)電感L和電容C的諧振，使開(kāi)關(guān)器件中電流或兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)，使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓下降到零時(shí)，使器件導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)器件在零電壓與零電流條件下完成導(dǎo)通與斷開(kāi)的過(guò)程，使器件的開(kāi)關(guān)損耗理論上為零。開(kāi)關(guān)器件處于開(kāi)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，消耗的功率是比較小的，而當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)通狀態(tài)結(jié)束，由開(kāi)通狀態(tài)向關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換，或者當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)結(jié)束，由關(guān)斷狀態(tài)向開(kāi)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換這個(gè)過(guò)程中，電流和電壓都非常大，消耗的瞬時(shí)功率比開(kāi)通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)大很多倍，甚至要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且在開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中電壓和電流的變化比較快，波形會(huì)出現(xiàn)明顯的過(guò)沖現(xiàn)象和振蕩現(xiàn)象，這樣會(huì)產(chǎn)出開(kāi)關(guān)噪聲，而這種開(kāi)關(guān)噪聲給電路帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題，影響了其他電子器件的正常工作。
1．2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)
為了解決硬開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)頻率不斷提高而產(chǎn)生的不利影響，人們?cè)谶@領(lǐng)域中不斷的探索和研究，提出了軟開(kāi)關(guān)功率變換技術(shù)，軟開(kāi)關(guān)是相對(duì)于硬開(kāi)關(guān)而言的，軟開(kāi)關(guān)過(guò)程是通過(guò)電感L和電容C的諧振，使開(kāi)關(guān)器件中電流或開(kāi)關(guān)器件兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)，使開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，當(dāng)電壓下降到零時(shí)，使開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通。
開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，從而減小電壓與電流的交疊區(qū)，這就是所謂的零電流導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通前，使其電壓下降到零，這就是所謂的零電壓導(dǎo)通。導(dǎo)通損耗基本減小到零。如果同時(shí)達(dá)到上述兩種要求，導(dǎo)通損耗為零。
減小關(guān)斷損耗的幾種方法：1)在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)前，使其電流減小到零，這就是所謂的零電流斷開(kāi)。斷開(kāi)損耗基本減小到零；2)在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，使其電壓保持在零，或者限制電壓的上升率，從而減小電壓與電流的交疊區(qū)，這就是所謂的零電壓斷開(kāi)。如果同時(shí)達(dá)到上述兩種要求，關(guān)斷損耗即為零。

2 裝備新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)變換器仿真
2．1 仿真軟件的介紹與選擇
IsSpice是美國(guó)Intusofi公司推出的一種商業(yè)仿真軟件，是ICAP／4軟件集成系統(tǒng)的重要組成部分。ICAP／4軟件集成系統(tǒng)主要由Spice Net、PreSPice、InSpice和IntuScope四大功能模塊組成。ICAP／4的工作流程是：首先進(jìn)入SpiceNet繪制電路圖，并生成相應(yīng)的Netlist文件，然后執(zhí)行IsSpice仿真軟件模塊，在仿真之前系統(tǒng)將自動(dòng)連接PreSpice仿真資料庫(kù)中的元件模型，仿真完成之后利用IntuScope波形分析處理模塊對(duì)仿真模型進(jìn)行分析處理。
PSPICE則是由美國(guó)Microsim公司在SPICE 2G版本的基礎(chǔ)上升級(jí)并用于PC機(jī)上的SPICE版本，其中采用自由格式語(yǔ)言的5．0版本自80年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6．0版本開(kāi)始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)RCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Mic rosim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。
Saber是美國(guó)Analogy公司開(kāi)發(fā)并于1987年推出的模擬及混合信號(hào)仿真軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，也是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品。Analogy公司在機(jī)電一體化和電力電子設(shè)計(jì)、分析方面居世界領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電力、電子、航空、運(yùn)輸、家用電器及軍事等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)仿真軟件不同，Saber在結(jié)構(gòu)上采用硬件描述語(yǔ)言(MAST)和單內(nèi)核混合仿真方案，并對(duì)仿真算法進(jìn)行了改進(jìn)，使Saber仿真速度更快、更加有效、應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。應(yīng)用工程師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，建立最精確、最完善的系統(tǒng)仿真模型是至關(guān)重要的。

目前，美國(guó)Analogy公司與浙江大學(xué)電力電子應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程研究中心合作成立了Analogy亞洲系統(tǒng)仿真中心(ZASC)，一方面為亞太地區(qū)Saber用戶提供技術(shù)支持和技術(shù)服務(wù)，另一方面也承接電力電子、機(jī)電一體化和混合技術(shù)的系統(tǒng)仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)項(xiàng)目，并為企業(yè)培養(yǎng)系統(tǒng)仿真工程技術(shù)人才。