软开关半桥DC_DC变换器的PWM控制策略分析_盖国权

２０１１年９月２５日第２８卷第５期Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｐ．２５，２０１１，Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．５收稿日期：２０１１－０４－１２作者简介：盖国权（１９８６－），男，黑龙江大庆人，硕士研究生，研究方向为计算机电源ＤＣ／ＤＣ变换器；田立欣（１９６８－），男，内蒙古包头人，副教授，硕士生导师，从事电力电子技术的教学与科研工作；徐征宇（１９８７－），男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，研究方向为高电压及绝缘技术；王文丽（１９８５－），女，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生，研究方向为电力系统可靠性和规划。

文章编号：１００９－３６６４（２０１１）０５－００３４－０２设计应用软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的ＰＷＭ控制策略分析盖国权，田立欣，徐征宇，王文丽（内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特０１００８０） 摘要：文章根据控制型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的定义，总结和归纳了４种控制型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的ＰＷＭ控制策略和缓冲型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器对称ＰＷＭ控制策略。

对上述ＰＷＭ控制策略进行了深入分析和综合比较，为选择具体应用场合提供了依据。

关键词：直流变换器；半桥；零电压开关；零电流开关中图分类号：ＴＮ４６文献标识码：ＡＡｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　Ｓｏｆｔ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｈａｌｆ－Ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ／ＤＣ　ＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓＧＡＩ　Ｇｕｏ－ｑｕａｎ，ＴＩＡＮ　Ｌｉ－ｘｉｎ，ＸＵ　Ｚｈｅｎｇ－ｙｕ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｎ－ｌｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｏｈｈｏｔ　０１００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ－ｔｙｐｅ　ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎ－ｃｌｕｄｅｓ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｆｏｕｒ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ－ｔｙｐｅ　ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄ　ｔｗｏ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　ｂｕｆｆｅｒ－ｔｙｐｅ　ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ．Ａｎａｌｙｓｅｓａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ａｒｅ　ｔａｋｅｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｇｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ；ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｚｅｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ０　引　言半桥ＤＣ／ＤＣ变换器结构简单，控制方便，非常适用于中小功率场合。

硬开关变换器高频时开关损耗很大，严重影响其效率。

软开关技术可降低开关损耗和线路的ＥＭＩ，提高效率和功率密度，提高开关频率从而减小变换器体积和重量。

传统半桥变换器有两种控制方法，一种是对称控制，一种是不对称互补控制。

本文主要分析实现半桥ＤＣ／ＤＣ变换器软开关的ＰＷＭ控制策略。

１　控制型软开关ＰＷＭ控制策略控制型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器不增加主电路元器件（可增加电感电容元件以实现软开关条件），通过合理设计控制电路来实现软开关。

图１给出４种控制型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的ＰＷＭ控制策略。

１．１　不对称互补脉冲ＰＷＭ控制开关管的控制脉冲不对称互补，采用此控制策略图１　控制型软开关ＰＷＭ控制策略的传统不对称半桥变换器已广泛应用于中小功率场合。

其原边开关管实现ＺＶＳ的方式有２种：负载电流ＺＶＳ方式和励磁电流ＺＶＳ方式［１］。

其优点是：两个开关管都可实现ＺＶＳ；一些可改善移相全桥变换器滞后臂软开关条件的措施也可用于不对称半桥变换器；不存在硬开关中的震荡问题；与移相全桥变换器相比，无循环能量。

其缺点是：开关管电压应力和开关管软开关条件不一致，上管较难实现软开关；整流管电压应力不一致，且随占空比变化，一些应用场合一个整流管电压很高，器件较难选择；轻载时会失去软开关条件；变压器直流偏磁，负载越重占空比越小，偏磁越严重；非常不适用于宽输入或宽输出电压的应用场合。

１．２　移相脉冲ＰＷＭ控制采用此控制策略的半桥也称为双有源半桥［２，３］。

此控制策略与传统的移相全桥拓扑类似，区别在于移相的两个桥臂分布在变压器的原副边。

此拓扑中，变压器的漏感是中间储能元件。

原副边半桥各产生一个占空比为５０％的方波，通过调节输出两个桥之间的移相来控制变压器漏感的能量从而调节输出电压。

此拓扑可实现全负载范围的软开关，同时输出又能获得同步整流。

其缺点是：循环能量非常大，输出电流纹波大。

为了改善输出电流纹波大的缺点，移相ＺＶＳ半桥电路被提出［４］。

１．３　脉冲移位ＰＷＭ控制文献［５］提出脉冲移位ＰＷＭ控制策略。

上管下降沿与下管前沿互补，脉宽相同。

可实现下管的ＺＶＳ开通，上管仍然是硬开关。

其优点是：可减少部分开关损耗；变压器不存在直流偏磁；整流管电压应力对称；宽范围输入上优于不对称半桥。

增加辅助电路可实现上管的ＺＶＳ［６］。

１．４　不对称脉冲ＰＷＭ控制文献［７］提出不对称脉冲ＰＷＭ控制，其下管下降沿与上管的前沿互补，上管可实现ＺＶＳ。

只要设计的占空比较小，无需其它措施即使工作在较高频率下开关损耗也很小。

变压器直流偏磁，除占空比端点外，偏磁电流小于不对称半桥。

宽范围适用性优于传统的不对称半桥。

低压大电流的应用场合有一定的优势。

２　缓冲型软开关对称ＰＷＭ控制策略对称控制半桥变换器磁心双向磁化，利用率高，且不存在偏磁。

控制方便，控制特性线性。

功率管上电压应力低，适用于高输入电压场合，但此种半桥变换器较难实现软开关，变换器效率难以得到提高。

２．１　对称ＰＷＭ控制ＺＶＳ半桥变换器文献［８］提出一种对称ＰＷＭ控制ＺＶＳ半桥变换器（见图２），其与传统半桥电路相比，对称ＰＷＭ控制的ＺＶＳ直流变换器增加了一个由辅助开关管和一个二极管组成的支路。

其主开关管不仅工作在对称状态，而且下管和辅助开关管可在全负载范围内实现ＺＶＳ，上管也能在宽负载范围内实现ＺＶＳ，引起的附加损耗很小。

该变换器器件所受应力小，可靠性高，其更适合采用ＭＯＳＦＥＴ做开关管，较少应用于高电压、大功率场合。

该变换器需要利用谐振电感的储能来实现开关管的ＺＶＳ，增大谐振电感能扩大上管ＺＶＳ范围，但会使占空比丢失严重，设计谐振电感时须权衡考虑实现上管ＺＶＳ和减小占空比丢失［９］。

２．２　对称ＰＷＭ控制ＺＣＳ半桥变换器文献［１０］提出一种对称ＰＷＭ控制ＺＣＳ半桥变换器（见图３），在传统不对称半桥电路变压器的副边增加了一条由辅助开关管、谐振电容和谐振电感串联构成的辅助支路。

其主开关管不仅工作在对称状态，而且变换器能在整个负载范围内实现所有开关管的ＺＣＳ和所有二极管的ＺＶＳ。

与对称控制半桥一样，辅图２　对称ＰＷＭ控制ＺＶＳ半桥变换器助开关管每半个周期导通一次，利用谐振电容与变压器漏感的谐振为全负载范围所有开关管ＺＣＳ及所有二极管ＺＶＳ创造了条件，重载时难以实现软开关。

图３　对称ＰＷＭ控制ＺＣＳ半桥变换器３　结　论本文明确了控制型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的定义，主要总结和归纳了４种控制型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的ＰＷＭ控制策略和２种缓冲型软开关半桥ＤＣ／ＤＣ变换器的对称ＰＷＭ控制策略，对上述ＰＷＭ控制策略进行了深入分析和综合比较，为选择具体应用场合提供了依据。

参考文献：［１］　张友军，阮新波．２种ＺＶＳ方式ＡＨＢ直流变换器比较［Ｊ］．电力自动化设备，２００９，２９（１０）：６９－７３．［２］　Ｉｏｎｅｌ　Ｄａｎ　Ｊｉｔａｒｕ．Ａ　３ＫＷ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＤＣ－ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．Ｎｅｗ　Ｏｒｌｅａｎｓ，ＬＡ，ＵＳＡ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ－ＡＰＥＣ，２０００．８６－９２．［３］　Ｚｈａｎｇ　Ｊ　Ｍ，Ｘｕ　Ｄ　Ｍ，Ｑｉａｎ　Ｚｈａｏｍｉｎｇ．Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｕａｌａｃｔｉｖｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ，Ｃａｎａｄａ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ－ＰＥＳＣ，２００１．２３２－２３６．［４］　Ｚｈａｎｇ　Ｊ　Ｍ，Ｚｈａｎｇ　Ｆ，Ｘｉｅ　Ｘ　Ｇ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ＺＶＳ　ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．Ｄａｌｌａｓ，ＵＳＡ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ－ＡＰＥＣ，２００２．６３５－６４０．［５］　Ｈｏｎｇ　Ｍａｏ，Ｊａｂｅｒ　Ａｂｕ－Ｑａｈｏｕｑ，Ｓｏｎｇｑｕａｎ　Ｄｅｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　ｎｅｗ　ｄｕｔｙ－ｃｙｃｌｅ－ｓｈｉｆｔｅｄ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ－ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｗｉｔｃ－ｈｉｎｇ［Ｃ］．Ｍｉａｍｉ，ＦＬ，ＵＳＡ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ－ＡＰＥＣ，２００３（２）：６２９－６３４．（下转第３９页）图６　交流电机制动馈能时的功率波形图７　交流电机制动馈能时的转矩波形流电机的电枢电流来模拟负载的可行性。

３　结　论本文主要结合西门子的Ｓ１２０驱动控制系统，搭建多电机共直流母线实验平台，并利用ＳＴＡＲＴＥＲ调试软件，对系统进行不同工况的运行调试，进而验证了所搭建实验平台的可行性。

同时，也可以利用所搭建的平台进一步做多个变频器的验证性试验。

参考文献：［１］　ＳＩＮＡＭＩＣＳ　Ｓ１２０调试手册［Ｚ］．２０１０．［２］　李浚源．电力拖动基础［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，１９９９．［３］　崔桂梅，穆志纯，郝智红．多电机拖动变频调速系统再生能量调度控制［Ｊ］．高电压技术，２００５，３１（４）：２４－２６．［４］　陈国呈．电机系统节能技术［Ｊ］．电气时代，２００８，（７）：５７－５８．［５］　李怡然．多电动机共用直流母线变频调速系统的应用［Ｊ］．变频世界，２００８，２：７１－７３．［６］　黄柏成．共用直流母线的电梯节能控制系统［Ｊ］．建筑电气，２００７，７：８－１０．［７］　杨　苍．多电机多泵大型数控液压机的节能措施［Ｃ］．２００８年中国机械工程年会暨甘肃省学术年会论文集，２００８：３９５－３９８．［８］　李方圆．通用变频器共用直流母线方案的设计与应用［Ｊ］．电工技术杂志，２００４，６：３２－３４．［９］　王万新．公共直流母线在交流传动中的应用［Ｊ］．电气传动，２００２，５：５７－５８．［１０］谭雪开，赵计山．花土沟油田共用直流母线节电系统应用［Ｊ］．石油工程建设，２００７，１２：６６－７１檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨．（上接第３５页）［６］　Ｈｏｎｇ　Ｍａｏ，Ｊａｂｅｒ　Ａｂｕ－Ｑａｈｏｕｑ，Ｓｈｉｇｕｏ　Ｌｕｏ，ｅｔ　ａｌ．Ａｍｏｄｉｆｉｅｄ　ＺＶＳ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ－ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．Ａｎａ－ｈｅｉｍ，Ｃａｌ，ＵＳＡ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ－ＡＰＥＣ，２００４．１４３６－１４４１．［７］　谢小高，张军明，蔡拥军，等．半桥变流器的软开关控制策略［Ｊ］．中国电机工程学报．２００６，２６（３）：４８－５２．［８］　Ｈｏｎｇ　Ｍａｏ，Ｊａｂｅｒ　Ａｂｕ－Ｑａｈｏｕｑ，Ｌｕｏ　Ｓｈｉｇｕｏ，ｅｔ　ａｌ．Ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｗｉｃｈｉｎｇ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ－ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｍｏｄｉ－ｆｉｅｄ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　ＰＥ，２００４，１９（４）：９４７－９５８．［９］　杨海英，谢少军．对称ＰＷＭ控制ＺＶＳ半桥变换器研究［Ｊ］．电工技术学报．２００６，２１（６）：２９－３４．［１０］秦　岭，王亚芳，张　航，等．对称控制ＺＣＳ－ＰＷＭ不对称半桥变换器研究［Ｊ］．电气自动化．２００７，２９（５）：３９－４２．。