电力电子变换器设计

摘要

电力电子变换器是应用电力电子技术将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置。其中，直流变换器是一个重要部分，它是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器。DC/DC全桥变换器由DC/AC和AC/DC两种电路形式组合而实现直直变换的，其中DC/AC全桥逆变器的主电路只有一种，但控制方式有三种，其输出不仅与开关器件状态有关，且与负载性质和大小有关。在后两种控制方式中，电路是否具有续流管会直接影响其输出，同时在变换器的实际应用中还存在直流分量问题，其对电路性能有不良影响，要想办法抑制或消除。

关键字：直流变换器、控制方式续流管、全桥逆变器、输出整流滤波电路、直流分量的抑制

目录

一全桥逆换器及其控制

1.1 双极性控制方式

1.1.1 负载为纯电阻

1.1.2 负载为电感

1.2 有限双极性控制方式

1.3 移相控制方式

二PWM DC/DC全桥变换器

2.1 具有续流管的DC/DC全桥变换器

2.2 没有续流管的DC/DC全桥变换器

三DC/DC全桥变换器中直流分量的抑制

四设计结论

五设计体会

六参考文献

一 全桥逆换器及其控制

DC/DC 全桥变换器由全桥逆变器和输出整流滤波电路构成，首先就全桥逆变器的构成和工作原理做一下简单概述。

1.1 双极性控制方式

全桥逆变器的主电路如图1-1所示，有四只功率管1Q ~4Q ，反并联二极管1D ~4D 和输出变压器r T 等构成。输入直流电源电压为in V ，输出交流电压为o v ，变压器r T 的原边绕组接与AB 两端。变压器原边绕组匝数为1N ，副边匝数为2N ，变比21/N N K =。

1.1.1 负载为纯电阻

晶体管为脉宽调制（PWM ）工作方式，在一个开关周期S T 的前半周，1Q 和4Q 导通2/S T D ⨯，D 为占空比，2/s on T T D =，后半周期为2Q 和3Q 导通，导通时间也为2/S T D ⨯。1Q 和4Q 导通时in AB V v -=，1Q 和4Q 与2Q 和3Q 均截止时，0=AB v 。故变压器副边开路时，变压器原边电压AB v 的波形如图1-1(b)所示。为一个方波电压。调节晶体管的导通时间，即改变占空比D ，就可以调节AB v 的宽度，从而调节AB v 的有效值的大小。副边电压o v 波形与AB v 相同，幅值为K V in /。

(a) 全桥逆变器主电路

(b) 电阻负载时变压器原边电压和副边电流波形

(c) 电感负载时变压器原边电压和副边电流波形

图1-1 全桥逆变器

若副边接电阻负载R ，则有电流2i 流过电阻，2i 的波形与o v 、AB v 相同，幅值R K V I in m 12⨯=，变压器原边电流1i 的波形与副边电流2i 相同，幅值R K

V I in

m 121⨯= ，此式也可写成11/R V I in m =，R K R ⨯=21，式中1R 是副边电阻R 折算到原边的值。由此可见，若变压器为理想变压器，则接于变压器副边的电阻R 与不用变压器，而在AB 两端接电阻1R 的效果是一样的。故1Q 和4Q 导通时，流过1Q 和4Q 的

电流为1/R V in ，2Q 和3Q 导通时的电流也为1/R V in ，此时反并于功率管的二极管1D

至4D 中没有电流流过。

1.1.2 负载为电感

若变压器副边接电感负载L ，1Q 和4Q 导通时，in AB V v =，K V v in o /=。在o v 作用下，负载电流自零增加，增加速度为L K V L v dt di in o 12⨯==。该电流在2

S T D t =，

即1Q 和4Q 将关断时达到最大值，21max 2S in DT L K V I ⨯⨯=，212max 1S in

DT L K

V I ⨯⨯=。1Q 和4Q 关断后，该电流反向。在这个电压作用下电感电流减小，减小速度与1Q 和4Q 开通时的增长速度相同，如图1-1(c)所示。在这种情况下，变压器原边和副边电压波形和阻性负载时有很大不同，出现了一块阴影面积，在纯电感负载时此阴影面积和阻性负载时的AB v 面积大小相同。故输出电压o v 的波形不仅由1Q 和4Q 的导通状态决定，而且与负载的性质有关。当占空比2/1≥D ，即1Q 和4Q 的导通时间4/S on T T ≥时，AB v 波形成为 180电角宽的方波，即D 在1/2至1的范围内变化时，AB v 和o v 始终为 180方波，不受D 的影响。由此可见，全桥逆变器在感性负载时不宜采用这种脉宽控制方式。

1.2 有限双极性控制方式

全桥逆变器的另一种控制方式是有限双极性控制方式，它是让一个桥臂的两个管子（例如1Q 和3Q ）为PWM 工作，另一桥臂的2Q 和4Q 轮流导通半个周期，1Q 和4Q 同时导通on T 时间。这种控制方式时，逆变器空载和电阻负载时的输出电压o v 和电流2i 波形与上一种控制方式相同，如图1-2(a)所示。电感负载时，电压AB v 和变压器副边电流2i 波形如图1-2(b)所示。

1Q 和4Q 导通时，in AB V v =，变压器副边电压K V v in o /=，负载电流2i 的增长率L K V L v dt di in o 12⨯==，L 为负载电感量。在2

S T D t =时，1Q 关断，3D 续流，形成由3D 、变压器原边绕组和4Q 构成的续流回路，故0=AB v 。因为该回路中没有外电源，若不计电路损耗，则电流2i 保持不变，直到2/S T t =时，4Q 关断，2Q 和3Q 导通，电流2i 才下降。在这种控制方式下，AB v 和输出电压o v 仅与开关器件状态有关，与负载性质和大小无关。