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高壓軟開關(guān)充電電源硬件主電路設(shè)計(jì)(一)
主電路設(shè)計(jì)
主要技術(shù)指標(biāo)
1．輸入電壓220V交流，輸出充電電壓0～2400V，直流；
2．負(fù)載電容容量3133uF；
3．輸出電流2安培直流；電源容量5kW；
4．開關(guān)頻率20kHz，諧振頻率40kHz；
5．電流檢測(cè)與電壓檢測(cè)；
6．用DSP實(shí)現(xiàn)PWM控制。
主電路選型
在諧振開關(guān)技術(shù)中最適合脈沖電容充電的電路是串聯(lián)諧振開關(guān)電路,輸出近似為恒流源或稱“等臺(tái)階充電”,突出的優(yōu)點(diǎn)是充電效率高且具有固有短路保護(hù)能力[6]。其主電路如圖3-1所示。由于電源功率大，采用全橋型電路，高頻變壓器的副邊也采用二極管整流橋進(jìn)行整流。
圖3-1 電容充電電源主電路示意圖
圖中為串聯(lián)諧振電感(含變壓器漏感和線路分布電感);為串聯(lián)諧振電容。其工作原理和具體參數(shù)將在下面給出。
電路的工作原理及方式
直流電壓（由市電經(jīng)過(guò)整流得到）經(jīng)過(guò)逆變電路逆變?yōu)轭l率很高的方波交流電，此高頻方波交流電在經(jīng)高頻變壓器生壓后，由二極管整流橋整
流輸出穩(wěn)定的直流電流，向電容C進(jìn)行充電。
設(shè)為IGBT的開關(guān)頻率，為諧振頻率。
串聯(lián)諧振變換器按大小有3種工作方式：
1．方式一(</2) 電流斷續(xù)工作,此方式下開關(guān)損耗低且干擾小,可實(shí)現(xiàn)開通時(shí)電流緩慢增加,關(guān)斷時(shí)為零電流關(guān)斷；
2．方式二(/2<<) 電流連續(xù)工作,可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。但開通時(shí),同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管存在強(qiáng)迫換流,故開關(guān)損耗較大,干擾大；
3．方式三(>) 電流連續(xù)工作,零電壓開通和硬關(guān)斷,開關(guān)損耗和干擾較大。因線路存在電感,斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰較高,極易損壞開關(guān)器件[7]。
現(xiàn)在以圖3-2的電路來(lái)分析一下串聯(lián)負(fù)載DC—DC變換器的這三種運(yùn)行方式。
（a）串聯(lián)負(fù)載DC/DC變換電路
（b）等效電路
圖3-2 串聯(lián)負(fù)載DC/DC變換電路及等效電路
由圖可知，電感和電容形成串聯(lián)諧振，并與負(fù)載串聯(lián)，經(jīng)過(guò)諧振的電流在負(fù)載端被全波整流。輸出端的濾波電容C足夠大，可以認(rèn)為電容C兩端電壓是沒有波紋的直流電壓。為了簡(jiǎn)化分析，假定諧振電路中的電阻損耗可以忽略不計(jì)，輸出電壓可以反射到整流橋的輸入端，以表示，如果為正，，為負(fù)，。
若開關(guān)T+導(dǎo)通，電流為正時(shí)流經(jīng)T+，反之，流經(jīng)二極管D-。與此類似，為負(fù)時(shí)，若開關(guān)T-導(dǎo)通，電流流經(jīng)T+；反之流經(jīng)二極管D+。因
此，對(duì)圖3-2（a）來(lái)說(shuō)，可有如下四種狀態(tài)：
1.當(dāng)>0時(shí)
T+導(dǎo)通: =+，；
D-導(dǎo)通: =，。
2.當(dāng)<0時(shí)
T-導(dǎo)通: =，；
D+導(dǎo)通: =+，。
諧振槽上的電壓取決于電流的方向以及哪個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通。上述方程所描述的狀態(tài)可以用圖3-2（b）所示等效電路來(lái)表示。應(yīng)該注意，使用這個(gè)等效電路時(shí)應(yīng)按不同的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算。在每種時(shí)間間隔內(nèi)，要確定其出使條件，并把和看作一個(gè)直流電壓。
在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)開關(guān)器件的工作狀態(tài)是相同的，與此相似，兩個(gè)二極管的工作狀態(tài)也是相同的，因此只要對(duì)半個(gè)運(yùn)行周期進(jìn)行分析即可知道整個(gè)周期的狀態(tài)，因?yàn)榱硗獍雮�(gè)周期的運(yùn)行狀態(tài)與此對(duì)稱。
此串聯(lián)諧振電路的開關(guān)頻率由電路中的開關(guān)器件來(lái)控制，它可以比諧振頻率低，也可以比諧振頻率高。根據(jù)和的不同比值，電流有連續(xù)和不連續(xù)之分，起運(yùn)行狀態(tài)可分為下面的三種情況。
3.1.3.1 斷續(xù)導(dǎo)通(</2)
應(yīng)用諧振方程可計(jì)算出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)波形，如圖3-3所示。在時(shí)刻，開關(guān)T+開通，電感電流從零開始建立，電容電壓的初始值為，電流和電壓在各區(qū)間的等效電路示于圖3-3中。
在時(shí)刻，滯后180°，電感電流開始反向。因?yàn)殚_關(guān)T-尚未開通，電流只能流經(jīng)二極管D+，向電源回饋能量。在之后的180度內(nèi)，峰值電流較小。當(dāng)達(dá)到零之后，如果電路中開關(guān)器件未開通，電流一直為零。由于電路中電流、電壓是對(duì)稱運(yùn)行的，在斷續(xù)期間，電容電壓等于2，相對(duì)于為負(fù)值。因?yàn)�，以電流成為斷續(xù)狀態(tài)
在時(shí)刻，開關(guān)T-開通，下半周開始工作，其電流電壓波形前相同，但極性相反。
電路的開關(guān)頻率可從T+兩次開通為一個(gè)周期來(lái)計(jì)算。由圖可知，開關(guān)頻率小于諧振頻率的一半，也就是說(shuō)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，諧振電流已震蕩兩次，另外還有兩段停止工作時(shí)間。開關(guān)頻率的半個(gè)周期超過(guò)了諧振電流的360°，所以</2，被整流的電感電流等于輸出直流電流，負(fù)載電壓為。
圖3-3 電流斷續(xù)運(yùn)行
3.1.3.2. 連續(xù)導(dǎo)通(/2<<)
圖3-4為/2<<時(shí)，諧振電流連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的波形圖。
圖3-4 電流連續(xù)運(yùn)行
由圖可知，開關(guān)T+在處開通。開通條件不是零電流和零電壓條件，開關(guān)T+導(dǎo)通時(shí)間小于180°。在處反向，電流流經(jīng)二極管D+，于是開關(guān)T+自然關(guān)斷，在處，T—開通，電流從二極管D+轉(zhuǎn)向開關(guān)T-。與斷續(xù)運(yùn)行相比，因?yàn)殚_關(guān)T-提前開通，所以D+導(dǎo)通時(shí)間也小于180度。這種狀態(tài)運(yùn)行，開關(guān)不是在零電壓和零電流條件下開通，所以產(chǎn)生了開通損耗。此外，為了避免對(duì)開關(guān)有過(guò)大的反向峰值電流和過(guò)大的二極管損耗，二極管必須有良好的反向恢復(fù)特性。例如，在處，開關(guān)T-開通時(shí)，原來(lái)導(dǎo)通的二極管D+不能立即關(guān)斷，于是通過(guò)D+的反向電流會(huì)給正在開通的T-開關(guān)增加了電流負(fù)擔(dān)。因?yàn)殡姼须娏鹘?jīng)過(guò)開關(guān)過(guò)零，而且經(jīng)續(xù)流二極管反向，所以開關(guān)是在零電流、零電壓條件下自然關(guān)斷的。
3.1.3.3. 連續(xù)導(dǎo)通(>)
這種運(yùn)行狀態(tài)與以前討論的連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)有所不同，當(dāng)/2 <<
時(shí)，電流是連續(xù)的，其開關(guān)自然關(guān)斷，但開通并非零電流條件。當(dāng)>時(shí)，電流也是連續(xù)的，開關(guān)的關(guān)斷是強(qiáng)迫關(guān)斷，開通具有零電流和零電壓條件。
圖 3-5 電流連續(xù)>
圖3-5示出了>時(shí)的電路波形。由圖可知，T+開關(guān)在零電流條件下與處開通，且開始反向。在處，震蕩電流未達(dá)到零之前，開關(guān)T+被強(qiáng)迫關(guān)斷，正向電流被迫經(jīng)二極管D-流通。此時(shí)加在諧振槽的電壓為較大的負(fù)電壓，所以流經(jīng)二極管D-的電流很快在處減小為零。此后，電流反向，當(dāng)二極管D-開始反向?qū)〞r(shí)，開關(guān)T-立即開通。開關(guān)T-關(guān)斷之后，二極管D+導(dǎo)通。開關(guān)T+和二極管D-的導(dǎo)通時(shí)間為開關(guān)頻率的半個(gè)周期，此半個(gè)周期小于諧振頻率的半個(gè)周期。
三種方式中,方式一在絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開通和關(guān)斷時(shí)損耗都最小,被選作恒流充電電源的工作方式，其工作時(shí)諧振電流波形見圖3-6。
忽略圖放電保護(hù)電路的影響,設(shè)為電容電壓折算至變壓器原邊的電壓,則理想情況(輸入電壓恒定,變壓器及半導(dǎo)體器件為理想器件)下:
在期間
在期間
充電電流平均值
=
= （3-1）
由上式可見,在諧振參數(shù)和輸入電壓一定時(shí),充電電流與開關(guān)頻率成正比。開關(guān)頻率恒定,則充電電流恒定。充電電流與負(fù)載電壓無(wú)關(guān),因而具有較強(qiáng)的抗負(fù)載短路能力[8]。
圖3-6 諧振電感電流波形
主電路的各項(xiàng)參數(shù)
3.1.4.1諧振參數(shù)
充電電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3-7。
圖3-7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖中R1、R2、D1為放電保護(hù)電路;為串聯(lián)諧振電感(含變壓器漏感和線路分布電感);Cr為串聯(lián)諧振電容。
因，負(fù)載電容的影響可忽略不計(jì)。
故有
式中n為變壓器變比，為諧振頻率，為諧振周期，為開關(guān)頻率，為開關(guān)周期[9]。
現(xiàn)已確定開關(guān)頻率=20kHz。由220V交流電通過(guò)二極管直接得到，其值為311V。由于電路將工作在方式一下，即</2，所以諧振頻率要要略大于40kHz。
即
>40Hz
取高頻變壓器變比n=15；變壓器原邊電壓為311V方波電壓供電，其基波有效值198V；取26.4H，C取0.6F。
這樣有 =41.1Hz
=6.63
輸出電流按式（3-1）計(jì)算：
==1.99 A
充電電流基本符合要求。
3.1.4.2 輸入整流
如圖3-8，為了使電路給逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，輸入整流段需進(jìn)行變壓器隔離和濾波，且在電流輸入端設(shè)置一熔斷器，為電源提供保護(hù)，防止電流過(guò)大而損害設(shè)備。
圖3-8 輸入整流電路
3.1.4.3 輸出整流
由于功率大，輸出整流采用橋式整流電路。但由于輸出電壓較高，將超過(guò)單個(gè)二極管所承受的最高反向電壓，為安全起見，下圖3-9中的每個(gè)二極管將由三個(gè)二極管串聯(lián)起來(lái)一起使用，并選用快恢復(fù)二極管。
圖3-9 輸出整流電路
3.1.4.4逆變參數(shù)
在主電路中，IGBT選擇富士電機(jī)公司的2MBI175N-120，電流控制電路如圖3-10，其具體參數(shù)和電路見表3-1。
圖3-10 IGBT電流控制電路
表3-1 IGBT具體參數(shù)
項(xiàng)目 符號(hào) 額定值 單位
集電極電壓 1200 V
門極電壓 V
集電極
電流 連續(xù) 75 A
1ms 脈沖 150 A
連續(xù) - 75 A
1ms -脈沖 150 A
最大能量消耗 600 W
工作溫度 +150 ℃
存儲(chǔ)溫度 - 40到+125 ℃
絕緣電壓 交流2500（1分鐘） V
調(diào)節(jié)扭矩 裝備1 3.5
接線端1 3.5
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