諧振變換器在電子模擬功率負載中的應用

童江

摘 要：近年來，我國的電力事業得到了較為迅速的發展。在社會電力需求不斷增加的情況下，全橋諧振變換器具有了更高的應用價值。因此，對諧振變換器在電子模擬功率負載中的應用進行一定的研究和分析。

關鍵詞：諧振變換器；電子模擬功率負載；電力事業；電感器

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.088

隨著我國電力事業的發展，近年來，直流變換領域逐漸向大功率、高頻率的方向發展。因此，全橋諧振變換器獲得了更快速的發展和更廣闊的應用前景。對于以移相方式控制的諧振變換器而言，其通過變壓器漏感或原邊串聯諧振電感和功率開關管的寄生電容或外接電容來實現零電壓軟開關。但其由滯后橋臂開關范圍與串聯電感能量、漏感駐存能量間具有較大的聯系，在單純增加電感器的同時，也可能加劇占空比丟失的情況。因此，需要以良好設計方式解決上述問題。

1 基本原理

1.1 系統原理

在該電子模擬功率負載系統中，主要由電壓型PWM整流器、諧振式全橋DC/DC變換器、被測試直流電源組和輸出EMC組成。其中，被測試電源組能直接從工業電網中吸取交流電能，低壓直流輸出一般為50 V左右，并以此作為本系統的功率負載輸入。在電子模擬負載方面，由諧振式全橋 DC/DC 變換器、輸出EMC和電壓PWM整流器共同實現，通過這種方式可轉變以往的能耗負載模式。同時，在該低壓電力的運行中，依靠諧振式全橋 DC/DC 變換器升壓、濾波，并最終轉變為電壓更高的直流。通過應用PWN方式，能在系統逆變的基礎上將系統中電壓較高的電流轉變為工頻交流電，之后反饋至工業電網中，從而實現電流的循環。

1.2 諧振變換器電路

系統諧振變換器的電路原理如圖1所示。

圖1 系統諧振變換器的電路原理

在圖1中，由內部繼承的二極管和功率開關T1～T4共同組成了全橋開關變換器。其中，T1和T3組成了超前橋臂，T2和T4組成了滯后橋臂，開關管T1～T4在外接電容和寄生電容的共同作用下諧振，并以此實現零電壓軟開關功能；C為隔直電容，可避免系統中的電壓器直流出現偏磁，其會將所檢測到的電流與系統指令電流比較，如果獲得了誤差信號，則會以PI的方式輸出，并由改進后的系統生成觸發脈沖。該系統以恒流的方式控制，有利于考核直流電源組的負載情況，有利于工作人員在根據系統實際功率操作多個負載模塊。隔離高頻變壓器在實際應用中會傳輸高壓電，在采用軟開關的情況下，如果電壓為500 V，則其峰值會達到900 V。根據此情況，如果應用該負載，則需要保證其具有更為可靠、安全的特征。為了保障系統的穩定運行，將系統的整流裝置中分為了兩部分，并以串聯的方式連接。此外，為了避免系統出現觸點電流過沖的情況，采取DSP系統控制的方式控制系統低壓直流輸入一側裝置的工作時序，從而使其具有更高的應用穩定性。

1.3 控制策略

對于由全橋變換器控制的系統而言，其一般分為有限雙極性、雙極性和移項控制等控制方式。其中，有限雙極性控制方式能使一對開關管變為0電流狀態，并能在同一時間內使另一對開關管變為0電壓，從而可有效避免電流出現拖尾現象。

雙極性控制方式具有的功率開關一般處于應開關狀態，在實際應用中的電壓峰值、電流峰值均較高，對安全工作區具有較高的要求，且開關損耗較大，因此，對提升開關頻率起到了一定的限制作用。

在功率開關管方面，移相控制無論是在控制方式，還是在拓撲結構方面均非常簡單：其具有恒定的開關頻率，這對濾波器的應用設計具有積極的意義；可使開關管的電壓變為0，從而在降低開關損耗的基礎上提升開關效。由于該器件中的電流和電壓值較小，最終選用了移相方式。

在實際應用中，該系統的每一個橋臂開關管都會以180°的形式導通，兩橋臂間的導通角具有一個相位的差異，即移相角，能通過調整該移相角調節系統輸出電壓。當開關管關閉時，系統變壓器中的電流會以并聯的方式對開關管進行電容充電，同時，另一個橋臂會向系統中已經開通的開關管以并聯的方式放電。當開關管關閉，電容電壓已沖入直流電壓時，系統開關管會以0電壓的方式開通；當根據實際情況需要關閉時，又會因系統中并聯電容的存在而以0電壓的方式關閉。

2 參數設計

2.1 死區時間

在系統設計中，要想實現開關管的0電壓啟動功能，足夠的能量是非常關鍵的因素之一，從而實現同一橋臂外部并聯電容的充電和放電操作。如果先設定C1=C3=Clead和C2=C4=Clag，則可了解需要實現的功能。因此，該部分參數必須滿足以下公式：

E> CiVin2+ CiVin2=CiVin2（Ci=Clead，Clag）. （1）

在超前橋臂方面，當系統諧振時，電感會與變壓器串聯，其具有的能量可滿足上述式（1）的需求，從而使橋臂能以更為簡單的方式實現0電壓。對于滯后橋臂而言，需要系統中具有一個變壓器漏感提供能量。在這種情況下，只有選擇正確的的漏感，才能使滯后橋臂實現0電壓。同時，需要確定死區時間，T1和T3件驅動信號的死區時間為：

. （2）

T2和T4件驅動信號的死區時間為：

. （3）

式（3）中：Vin為直流側電壓；I2為負載電流。

在對系統開關管進行關斷操作時，要保證死區時間為開關管關斷下降時間的3倍以上，并根據不同開關管各自的寄生電容選擇并聯電容值。

2.2 開關頻率

對于該變換器的諧振參數參數而言，其功率負載的整體效率與變換器開關頻率、變壓器漏感之間有著較為密切的聯系，因此，需要做好變壓器的設計工作。當頻率較高時，為了在實際應用中減少集膚效應造成的影響，需要使用直徑較窄的導線并以多股并繞的方式設置。此外，為了使系統具有更高的應用效率，應盡可能選擇損耗較低的非晶材料。其中，占空比的丟失值為：

. （4）

該占空比主要由變壓器漏感和變壓器變比等參數確定。為了保障其在實際運行中具有更大的負載范圍，應將諧振變換器的開關頻率選為60 kHz。

3 結束語

本文對諧振變換器在電子模擬功率負載中的應用進行了研究，在設計了電路、控制策略的同時，也確定了部分參數，具有較高的參考價值。

參考文獻

[1]陳紅新，劉建，蔣世全，等.串—串補償松耦合全橋諧振變換器[J].電力電子技術，2009（10）：73-76.

[2]吳俊娟，孫孝峰，鄔偉揚.基于描述函數法的諧振變換器自持振蕩研究[J].電力電子技術，2011（02）：53-55.

〔編輯：張思楠〕