电流型半桥（精选3篇）
电流型半桥 篇1
0 引言
电流型变换器在电动汽车、新能源发电以及不间断供电等应用领域有着广阔的空间[1,2,3]。而在中小功率场合,电流型半桥变换器的应用尤为突出。
常规的对称半桥通常采用硬开关技术,在高频应用场合开关损耗很大,严重影响效率。采用软开关可以降低开关损耗,提高开关频率从而减小变流器的体积。此外,软开关还可以降低线路的电磁干扰[4]。在PWM电路中实现软开关的方法有2种:一种是加辅助网络实现软开关[5,6];另外一种是控制型软开关[7,8,9]。后者主要是通过控制策略实现软开关。
文献[10-11]提出将电流型半桥变换器作为燃料电池并网发电的中间级升压电路,并且加入有源箝位辅助电路,使得变换器可以运行在占空比小于0.5的状态下,实现了开关管的零电压开通和关断。文中采用2个辅助开关管和1只电容组成辅助箝位支路。由于开关管数量多,增加了电路的成本,不利于电路的广泛应用。
文献[12-13]提出一种电流型零电流半桥变换器。此种电路虽不能像上述电路可以运行在占空比小于0.5的状态下,但这不影响将其应用于燃料电池并网发电系统当中。但是此电路拓扑为了实现两开关管的零电流开关(ZCS),以及消除变压器的磁不平衡问题,电路占空比必须固定在0.5,因此只能通过脉冲频率调制的方法来实现电路的升压和稳压功能。由于输出电压的频率不是固定的,因此对后级器件的选择提出更高的要求。而且控制电路要比传统的固定频率PWM调制方式复杂。
本文提出了一种改进型拓扑,增加了一个由辅助开关管、二极管以及电容组成的辅助支路,采用脉冲移位PWM控制策略[14,15],实现了在开关占空比一定范围内可调的情况下功率开关管和辅助开关管的ZCS,改善了电路的性能,使其更适于升压场合的应用。
1 工作原理
1.1 主电路拓扑
主电路拓扑如图1所示。其中,L1、L2为滤波电感;VT1和VT2为主开关管;VD1、VD2为与其串联的二极管;Tr为理想变压器,原副边匝比为1∶m;Lk为变压器漏感;VD3～VD6组成全波整流电路;Cf为输出滤波电容;VTs、VDs和Cs组成辅助支路用于实现ZCS。
1.2 工作模态分析
在分析变换器工作原理之前,作如下基本假设:
a.变换器工作已经达到稳态;
b.输入电压Uin恒定;
c.输入滤波电感L1、L2足够大,使得流过滤波电感的电流可以看成恒流,即L1和L2等效为恒流源,并设L1=L2=Lf,因此可设为电流等于Iin的2个恒流源;
d.输出滤波电容Cf很大,其和负载电阻的并联可等效为电压等于Uo的恒压源;
e.谐振电感远远小于输出滤波电感,即Lk垲L1=L2。
基于上述假设,该变换器在1个周期内可分为9个模态。各模态的等效电路如图2所示,变换器在1个周期内的主要工作波形如图3所示。为了简化分析,将变压器副边的并联辅助支路归算到原边,C′s=Cs/m2。
模态1(t0时刻之前):VT1、VTs处于导通状态,VT2处于断开状态,整流桥侧VD4、VD5导通。UC′s=U0/m,iP=iin,相当于电流源L2给负载侧供电。
模态2(t0～t1):t0时刻,开关管VT2闭合,由于t0时刻之前,电路已处于稳定状态,所以谐振电感Lk中的电流不会突变,因此开关管VT2是零电流导通,开关管导通之后,UAB=0,输出电压经过折算后完全加在谐振电感Lk两侧,由于负载侧电压稳定,因此相当于电感与电压源串联,电流iP按式(1)线性减少:
到达t1时,iP=0时,模态2结束。
模态3(t1～t2):到达t1时刻,电流iP降为零,VD3～VD6均处于关断状态,此时并联电容C′s与谐振电感Lk组成串联谐振回路,开始谐振,公式如下:
其中,
当iP=-Iin时,流过VT1的电流正好降为零,此时关断VT1即可实现VT1的零电流关断。换流成功,模态3结束。
模态4(t2～t3):并联电容的反向充电阶段。由于VD3～VD6仍处于关断状态,在此阶段中输入电感L1对并联电容C′s反向充电,公式如下:
当时,整流侧二极管VD3、VD6导通,开始向负载供电。
模态5(t3～t4):t3时刻,整流侧二极管VD3、VD6处于导通状态,并联电容中不再有电流流过。原边侧开始向副边侧供电。在此时段中关断开关管VTs,由于并联电容C′s中没有电流流过,因此实现VTs零电流关断。在此阶段中,原边继续经二极管VD5、VD6向负载稳定供电。
模态6(t4～t5):t4时刻,开关管VT1闭合。类似模态2的情况,VT1为零电流导通,并由于负载电压的作用,按式(4)线性减少:
到达t5时刻,iP(t5)=0,二极管VD3、VD6关断,停止向副边传送能量。
模态7(t5～t6):由于在t3时刻,VTs已经零电流关断,所以在此模态中,整个变压器原边支路被完全短接,谐振电感Lk中没有电流流过,输入滤波电感L1、L2分别充电。
模态8(t6～t7):t6时刻,辅助开关管VTs导通,由于其串联的滤波电感Lk的作用,因此VTs为零电流导通。VTs导通后,并联电容C′s与谐振电感Lr组成谐振回路,电容C′s开始放电,整个模态过程类似模态3,其谐振公式如下:
其中,
当iP=Iin时,流过VT2的电流正好降为零,此时关断VT2即可实现VT2的零电流关断。换流成功,模态8结束。
模态9(t7～t8):电容正向充电阶段。此阶段类似模态4,电容充电公式如下:
当UC′s(t)=Uo/m时,整流侧二极管VD4、VD5导通,开始向负载供电。
至此,一个完整的工作周期结束,工作模态将回到模态1。
2 ZCS的实现条件[16]
实现开关管的零电流导通,依靠的是电感电流不会突变。那么要实现开关管的零电流关断,必须有足够的能量来使即将关断的开关管的电流减小到零,即需要足够的能量来使谐振电感Lk的电流从0减小到-Iin(或从0增加到Iin),那么必须满足下式:
要实现开关管的零电流关断,由于VT2、VT1与VTs、VT2的工作模态略有不同,因此需要分别加以讨论。
a.如果忽略导通的重叠时间,则VT1的关断时间是由VT2的上升沿触发,因此VT2和VT1的最小重叠导通时间:
b.当VT2关断时,VTs和VT2的最小重叠导通时间:
其中,
3 对电流占空比丢失的分析
移位控制ZCS PWM Boost型半桥变换器存在着副边电流占空比丢失的现象。由于存在谐振电容从正向(或反向)变化到反向(或正向)输出电压的时间,在这段时间里,虽然原边有正向电流(或反向电流),但谐振电容电压不足以使输出整流二极管导通,负载由输出滤波电容供电。
从图上可以看出,t23(即t2～t3)以及t78(即t7～t8)这2个时间段为电容的反向(正向)充电时间,即为占空比丢失时间:
由此得:
4 仿真实验及结果分析
基于Saber仿真软件对改进的拓扑进行仿真验证,仿真参数设置如下:输入电压Uin=60 V,额定输出电压Uo=350 V,Po=2.5 kW;开关频率fs=50 kHz;变压器变比1∶2.25;输入滤波电感L1=L2=1 mH;漏感Lk=2μH;输出滤波电容Cf=100μF;并联谐振电容Cs=370 n F。仿真验证波形如图4～7所示。
由图4和图5可知,2个主开关管关断时电流降为零后电压升高,实现ZCS关断;导通时依靠漏感的作用延缓电流的上升速率实现ZCS导通,功率管的电压电流应力较小。
由图6可知,当辅助开关管两端电压降为零时,管内电流才开始由零增加,亦能较好地实现ZCS导通与关断。
由图7可知,变压器原边的交变电压有效地抵消了直流分量,避免了不对称控制所引发的直流偏磁问题,提高了对变压器磁芯的利用率。
5 结论
本文研究了一种对称PWM控制ZVS半桥变换器,它具有如下优点:
a.采用脉冲移位PWM控制方案,增加由辅助开关管和二极管构成的支路,可以实现功率器件的软开关,且器件所受应力小,变换器可靠性高;
b.该变换器结构较简单,兼具有对称半桥变换器变压器磁芯利用率高,控制特性线性和不对称半桥变换器能实现软开关的特点;
c.辅助开关管可以全负载范围基本实现软开关工作。
电流型半桥 篇2
1 双向直流变换器的拓扑研究
单向直流变换器通过将无源开关置换为有源开关, 获得双向直流变换器。按照有无变压器可将双向直流变换器分为隔离/非隔离两大类。
1) 非隔离式双向直流变换器。非隔离式双向直流变换器有六种基本拓扑结构, 都能够实现能量的双向流动, 通过在输入端或者输出端加入滤波器能够获得一系列变形拓扑。也有一些双向直流变换器是通过拓扑变换得来的, 这种变换器结构两端电压同极性, 但是开关器件数量较多, 系统比较繁琐。2) 隔离式双向直流变换器。隔离式双向直流变换器有正激、反激、正反式、全桥、半桥等隔离变换结构。对称反激式双向变换器结构简单, 瞬态响应迅速, 在小功率场合应用比较理想。但是耦合电感传递能量效率不高, 漏感导致的开关管关断电压尖峰问题也没有得到妥善解决。桥式双向直流变换器是一种能够应用于加大功率场合, 软开关实现比较简单的结构, 通过变压器漏感完成开关管的ZV S, 设备总体结构得到精简, 瞬态响应迅速。电流型直流全桥双向变换器具有升压能力, 输出电流连续, 但是在开关开断时会出现电压尖峰。
2 一端稳压、一端稳流拓扑结构改造
2.1 电路拓扑
电流源型半桥变换器最早由澳洲学者W olfs提出, 利用电压源型半桥变换器演变得到电流源型半桥变换器。这种变换器适用于低电压大电流场合, 但是启动时会产生较大的冲击电流, 开关开闭会造成电压尖峰, 并且软开关实现难度较大, 所以并没有得到关注。但是近年来, 清洁能源的广泛应用, 电动汽车、光伏系统等发展起来, 关于电流源型半桥变换器的研究又重新开展起来。在电流源型变换器拓步中, 半桥变换器的功能存在一定变化, 有着比推挽结构更高的变压器利用率, 输入侧只需要通过一个开关管, 在低压大电流输入场合能够明显降低低导通损耗, 变换器整体运行效率更高, 电流源型全桥变换器则不具备这些优势。
2.2 电流源型半桥拓扑的双向变换器改造
1) 电路结构。蓄电池和负载端连接升压电感以及开关管, 构成交错双B oots结构, 为低压侧、电池端。高压侧为体二极管以及寄生电容形成的全桥结构, 通过高频变压器连接低高压侧, 完成电气隔离:
2) 控制策略。试图找寻一个稳定可靠的闭环控制策略。双向直流变换器在传递能量不同时工作方式有着很大差别, 小信号等效电路差别较大, 通过一套控制器完成两个工作状态的稳定控制是比较困难的, 但使用两套控制系统的电路结构比较复杂, 也是不经济的。我们提出了采样电源端电压和电池端电流反馈信号进行闭环控制的方案, 在一个功率流上进行稳压调节实现对另一个功率的稳流调节, 统一控制系统, 精简电路元器件。采集高压侧的电压和蓄电池侧的电流信号, 充电工作模式下, 高压侧电压高于电压给定值, 转换器在蓄电池侧电流限幅状态下进行单闭环控制, 按照电池储能状态以及负载状态, 通过电池能量管理单元进行调整, 实现蓄电池的恒流充电。供电状态下, 要对输出端的电压进行稳压控制, 将电压调节器输出正限幅值范围内电压作为电流调节器的给定。变换器电流电压进行双闲环控制, 稳定输出端电压, 提高了控制环节的稳定性。3) 参数设计原则。a.变换器。电流正常工作时要保证变换器电流占空比至少在0.5以上, 尽量取大, 增加占空比能够降低变压器变比, 降低了变压器利用率, 所以参数不能过大, 实际电流寄生参数以及死区时间也需要考虑。b.电感。调整电感大小, 保证稳态时所有开关都能够零电压开通。c.死区时间。开关管之间在关断时间至少要存在一定延迟, 实现全部零电压开关。d.反激线圈。启动电流在充电模式要能够给储能电感提供续流回路, 避免电感饱和造成的启动冲击电流。
3 电流源半桥变换器软开关
1) 功率管反并联二极管反向恢复。电流源半桥变换器的主电路在控制时序下能够有效消除变压器漏感造成的关断电压尖峰, 但是反并二极管反向恢复造成的电压尖峰问题却不能有效解决。经过反并二极管的谐振电流逐渐减小, 谐振电容电压已经反向, 二极管上的电压降会产生关断电压尖峰, 开关管上的关断尖峰并没有被消除。为了彻底消除关断尖峰, 可串联IG B T和二极管, 阻止反向电流。这种方案能够消除关断电压尖峰, 谐振电流峰值也明显下降, 导通损耗更小。2) 变换器控制。有两种控制方式, 一种是通过辅助网络实现, 另一种是控制型软开关。才有更合理的控制策略实现控制。副边带倍整流电路电压源不对称半桥变换器的开关管和二极管位置互换, 输出与输入互换, 使用电流源半桥转换器进行不对称控制无需再增加辅助网络。3) 有源钳位电流源半桥变换器。使用电源型不对称变换器消除了关断电压尖峰, 但是选用了IG B T后会产生较大的饱和压降比, 整机效率较低。为了实现主开关零电压开通, 需要设置匹配对应的辅助管, 保证回路里最多只能有一个开关开通。任意开关管电压都钳位于辅助电容电压。该变换器稳定工作一个开关周期分为16个阶段, 前8个阶段为半个开关周期, 电路有着明显的对称性。a.零电压开关。辅助开关管依靠电感储能实现开关, 电感较大, 可视作恒流源进行开关管寄生电容的充放电, 输入输出电压变换比以及输出功率等参数恒定, 漏感和开关频率成明显的正相关, 限定开关管的零电压开关就控制了变换器的最高工作频率。b.变换器控制。对两个半桥产生的方波电压调整相位移角以及电流源半桥主开关管占比控制变换器。通过两套相互独立相移角闭环控制回路以及占空比控制回路控制相移角、占空比。
4 结束语
系统研究了电流源型半桥拓扑的双向直流变换器电路结构, 软开关实现以及控制策略, 设计出了一个低电压大电流适用的双向直流变换器系统, 在电动汽车、飞机等电路系统中都有着较大的应用价值。
摘要：主要研究基于电流源型半桥拓扑的双向直流变换器技术对双向直流变换器拓扑结构、一端稳压、一端稳流拓扑结构的双向直流变流器改造、参数设计等问题进行了研究, 并对双向直流变换器的软开关技术进行了详细分析, 基于电流源型半桥拓扑的双向直流变换器技术在飞机、电动机车等领域有着广阔的应用空间。
电流型半桥 篇3
武钢炼铁总厂在线生产的7座高炉炉前堵口、开口设备均采用液压系统进行驱动。液压设备具有推力大、结构紧凑、易实现远程操作控制等优点, 已经成熟地应用在高炉炉前区域的设备上。液压系统中的进口压力补偿器及B型半桥回路, 通过稳定控制进入泥炮、开口机回转油缸的流量, 达到稳定执行机构速度的目的。
二、炉前液压系统设备简介
1. 开口机工作原理
高炉炉前开口机是用来开铁口的设备。开铁口时, 由回转臂回转驱动主机到铁口预定位置并采用液压自锁, 然后, 送进马达通过链条带动主机前进直到钻杆头部抵住铁口, 而钻杆则被事先夹持在冲击锤上, 由旋转和振打运动相结合, 达到钻开铁口的目的。
开口机由回转机构、送进机构、钻头旋转机构和冲击机构4部分构成, 均由液压站提供动力进行驱动, 主要讨论开口机回转机构液压回路, 对其他机构液压回路不在此赘述。开口机回转机构液压回路见图1 (以6号高炉为例) 。
2. 泥炮工作原理
泥炮是高炉在出完铁水后, 用来堵铁口的设备。堵铁口时, 回转机构油缸动作, 转动泥炮直到接触到铁口, 然后, 打泥机构油缸动作, 将泥炮中的炮泥推出, 堵住铁口。
泥炮由转炮机构和打泥机构两部分组成, 此处主要讨论泥炮回转机构。泥炮回转机构液压系统见图2 (以6号高炉为例) 。
三、进口压力补偿器
1. 采用进口压力补偿器的原因
比例方向阀的控制阀口属于薄壁节流孔口, 根据节流口流量特性公式 (1) 。
式中K———节流系数A0———节流口的通流面积Δp———节流口前后的压差
A0———节流口的通流面积
Δp———节流口前后的压差
m———由节流口形状和结构决定的指数, 0.5
式 (1) 说明通过节流口的流量与节流口的截面积及节流口两端压力差的m次方成正比。对于已选定的比例方向阀来说, 节流口形状和结构是固定的, m就是一定的。因此, 只要保证Δp不变, 则在电流一定情况下, 通过比例方向阀的流量就为定值。
在开口机和泥炮回转液压回路中, 有一个很重要的阀, 即控制回转油缸动作的电液比例方向阀 (图3) 。电液比例方向阀与输入电信号成比例的输出量是通过阀的工作介质的流量 (流量的大小通过阀芯移动控制阀口大小来实现) , 并且该输出量随着输入信号的正负变化而改变通过阀的工作介质的流动方向, 从而改变执行机构的运动方向, 因此电液比例方向阀也称为比例方向流量控制阀。理论上, 该阀控制的流量与输入电流成比例, 因此可以通过控制电流信号的大小来改变流量大小, 从而来控制油缸转动的速度。实际上, 该阀在控制执行元件运动速度的过程中, 由于开口机和泥炮运动轨迹是弧线, 而且轨迹不水平, 所以转动油缸的负载压力是变化的, 也就造成比例方向阀出口压力的变化, 根据公式 (1) , 其中Δp=pp-pA, pp是不变的系统压力, pA是变化的负载压力。所以Δp是变化的, 所以会造成进入油缸无杆腔的流量也是变化的, 也就造成了泥炮前进过程中速度的不稳定。
因此, 需要对电液比例方向阀进口压力进行补偿, 即出口压力增大时, 进口也增大, 出口压力减小时, 进口也减小, 进出口压差Δp保持一定, 保证了通过电液比例方向阀的流量稳定, 从而保持执行元件速度的稳定。
2. 进口压力补偿的应用
如图3, 在比例方向阀的出油口A、B口之间, 安装一个梭阀, 它的作用是将从比例方向阀出来的高压油引至减压阀与比例方向阀进口压力进行比较, 当引出压力随着负载变化时, 减压阀的阀口也随着这种变化而变化。
图3中, 减压阀芯的右端作用有比例方向阀进口压力p1, 左端 (弹簧腔) 作用有梭阀检测到的比例方向阀A腔或B腔中的较高压力p2, 因此不考虑阀芯受到的液动力 (系统中采用德国REXROTH公司生产的ZDC系列二通进口压力补偿器, 较好的解决了液动力对补偿精度的影响) , 则减压阀阀芯的受力平衡方程见式 (2) 。
式中p1———比例方向阀入口压力 (经减压阀减压得到)
p2———比例方向阀出口压力 (经梭阀检测得到并引回减
压阀弹簧腔)
Ac———减压阀芯面积k———减压阀弹簧刚度
Xv0———减压阀弹簧装配时预压缩量
Xv———减压阀弹簧起减压作用时的位移量
由式 (2) 可以看出, 当弹簧较软, 减压阀调节的位移较小时, Δp=p1-p2=kx0/4近似为常数, 即负载变化时, 压力补偿器的阀芯将重新建立起平衡, 保持电液比例方向阀进出口压差为一定值。此时, 进油节流口开口面积只与比例方向阀输入电流信号有关, 而与负载变化无关。
四、B型半桥回路
实际上, 采用进口压力补偿器的目的不是减小电液比例方向阀阀口上的压差, 而是将阀口上的压差稳定住, 进而达到稳定流量的目的。由于p2的大小随着负载压力的变化可以达到很大, 而p1最大只能达到系统压力ps, 所以为了保证在一定范围之内 (0.5MPa<Δp<0.8MPa) 保持Δp不变, 需要对p2的变化范围进行限制, 即限制其最高压力。
在液压系统中, 多采用B型半桥对所要控制的压力进行调节, 见图4。在梭阀的出口和压力补偿器弹簧腔之间, 增加固定液阻R1和直动式压力阀Y (即可变液阻) , 构成一个B型半桥。调节压力阀Y的值, 即可调节进入补偿器弹簧腔压力的大小。在负载压力没有达到压力阀Y的调定值之前, Y阀口不打开, 回路按图3的原理工作, 当负载压力达到压力阀Y的调定值时, Y阀口打开, 实现溢流, 负载压力就被限制住了。溢流阀Y压力在调试时设定, 一般略小于 (ps-Δp) , 考虑到有管路沿途损失, 溢流阀Y压力在实际设定时会更低一点, 以保持定差减压阀起作用, 但一旦该压力设定后, 就不能随便再动了, 这一点对于设备维护人员查找设备故障非常重要。W12.03-09
摘要：武钢炼铁总厂高炉炉前液压系统进口压力补偿器及B型半桥回路的原理及应用。