移相全桥DC_DC变换器实验装置的研制_冯学玲.pdf

第卷第期年月电 力电子技术，移相全桥变换器实验装置的硏制冯学玲，杜志强，田茂飞，王学华（华中科技大 学，电气与电子工程学院，湖北武汉）摘要：“双碳”目标驱动 下新能源电动汽车迎来了新的发展机遇。为更好地帮助 学生认识和理解电动汽车相关技术，基于 移相全桥 软开关 技术 设 计并研制了一套宽 范围输入电压和高变换效率的车载移 相全桥（）变换器实验装置。通过控制超前和 滞 后桥臂的导通 相角差实现宽电压输入，通过谐振电感和场效应 管的结电容充放电实现变换器开关管的零电压 导通和关断，有效降低高 频开关损耗，大 大 提高变 换效 率，此处通过理论分析设计了变换器的参数，并进行了实验 验证。实验结果表明所设计变换器具有效率高、输出电压稳定的特点。该 实验设备能够 有效支撑 新工科 背 景下电力电子实验 教学，提高 学 生综合应用知识解决工程问题的能力。关键词：变换器；移相全桥；宽 范围输入电压中图分类号：文献标识码：文章 编 号：（），（，）：“），（）？，？，？：；：（）；（）引言传统 实验中实验装置多以挂箱的形 式使用，学生在实验过程中仅 依靠接插线、观察波形等方式，多强调电力变换器拓扑结构和控制技术等知 识的记忆 与理解以及对基本理论和现 象的验证，不利于 培养学生 综合利用知识解决工程实际问题的能力。针对上述问题，结合“双碳”目标下大力发展基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；教育部实验室管理研究重点 项目（）定 稿日期：作者简介：冯 学玲（），女，工程师，研究 方 向为 电力 电子、信号与控制及教学实践。王学华（），男，副教授，研究方向为 电 力 电子与电 力传 动及教学实践（通 信作者）。新能源电动汽车的背景，研制了一套能够车载的宽范围输入电压和 高变换效率的变 换器实验装置涵盖电力电子学 科领域的、脉冲宽度调 制、磁性元件的设计和制作以及谐 振软开关等技术。同时根据国家新工科建设相关要求设计了专门综 合实验 进行项目驱动式 教学，通过设计电力电子分析、设 计、仿真与实训等任务，提供学生从电路原理认知 到设计调试等一整套电力电子开发学习过程，从而提升 学生知识理解与综合应用等工程实 践能力。变换器电路原理分析变换器 拓 扑变换器电路原理图如图所示。其中第卷第期年月电力 电子技术 ，为输入（输出）电压，尺为负载电阻，乃为高频隔离变压器，开关管，和组成超前桥臂，开关 管和组成滞后桥臂，和？分别为超前桥臂 和滞后桥臂的中点为谐振电感，为隔直电容，二极管，组成次级全波整流电路，为滤 波电感，为滤波电容，（，（：和，分别为，的结电容和反并二极管，为输入电流，为变压器初级电流，为次 级整 流后电流，为次级整流电压。图变换器电路图 图为 变换器的主要波形，其中？以为开关管的驱动电压，？为超前 桥臂和滞后桥臂输出电压。卜；丨；厂！；八一：，（，图 变 换器主要波形工作原理在一个开关周 期。？中，该变换器有种开关模态，考 虑正、负半周波形的对 称性，此处仅给出正半周期的个模态。在下述分析中，假设：所有器件为理想器件；？，；（：在 充放电过程中，近似认为负载电流和变压器初级电流不 变。模态？。中，导通，电源经变压器？和滤波电路向负载供电。模态中，。时关断，由零充电，实现零电压关断时两端电压放电至零，自然导通，待有驱动信号 实现零电压开通；时关断并 实现零电压关断，极 性由零 变为负，全部加在电感上，电路处于谐振工作状态；时：两端电压放电至零，自然 导通，待有驱动信号实现零电压开 通，进一步减小时下降至零后并负方向增 加，然关 断，电流流经丫和丫，？和同时导通；时变压器实现初、次 级耦合，关断，流过全部负载电源士时关断。变 换器开始另一半周期的工作，此处不再赘述。主电路参 数设计该节主要 设计变换器关 键参数，首 先定义如下变量：功率广，为，开关 频率，。丨，开关管为金属氧 化物半导体 场 效应晶体管（），其余变量 参数与上述保持一致。高频变压器设计高频变 压器的设计主要考 虑变比、开关频 率、磁芯选择、初 次级绕组匝数、绕线线 径及窗口利用系数等参数。其中，变比需考 虑占空比丢失现象 和宽 范围输入电压范围内实现零电压 开关（）的要求 计算；变压器磁芯参数 依据面 积乘积法选择；绕 线 参 数考虑导 线穿透深度和经济电流密度选择线径；验算 窗口利用系数和最 大磁 密。最终变压器详细参 数：开关频率为；磁芯为；匝比为：；绕线线 径 为；窗口利用系数为；并 绕股数为（）；最高磁密为。谐振电感设计由于滞后桥臂需实现零电压开关，谐振电感储 能需大于开关 管 结电容储 能。为 保证在整个 输入电压范围内都 能 实现，考虑输入电压应最 大（如）和轻载（一般考 虑满载）均实现，此处实际选取。采用均匀环形电磁芯绕制电感，应用低磁导率闭合磁芯电感计算得到电感设计参数如下：铁硅铝粉磁芯型 号为 ；电感系数 为；绕线匝数为；绕 线线径为；并绕股数为。输出滤波设计滤波器的设 计，主要遵 循在轻 载时电感电流连 续、电压脉动满 足要求的原 则。此处设计取值为，选取。具 体电感绕制在此不赘述。最终选择铁硅铝粉 磁芯 进行绕制，选择的漆包线进 行股并 绕。电压闭环设计为了保证输出电压稳定且无静差，需要对输出 电压 进行闭环反馈 控制系统设计：在控制环路中引入电压调节器。应用平 均开关 模型推导的变换器的小 信号模型，如图所示。移相全桥变换器实验装置的研制？勇葚革，频 率图电压环补 偿前后波特图 电平转换器信号调理电路工作报警 指示保雰 當路电流电压显云单片机 助￥源系统引自装置输入电源图电路结 构示意图实验装置 硬件电路结 构中还包含辅助电源系统，主要 给上述 控制电路、驱动电路和单片机提供工作电源。辅助电源系统为一体化电源 设 计模式，电源引自实验 装置输入电源，通过数个 高品质电源模块实现了宽范围输入的辅助稳压电源系统：，等，具体型号 和技 术 参数 详见第节。硬件平台元器件清 单此处 单片机 实现实验装置 数 字控制，控制流程如图所示。该 实验装置中全桥开关采用、次级 整流二极管选用肖特基二极管、驱动电路采用驱动芯片外围 电路的实现方由图可见，补偿后，相位裕度接近，系统的稳定性较好。实验装置软硬件平台根据上述设计 和仿真的参 数，搭 建了基于技术的 变换器实验装 置。硬件电路实验装置硬件电路 结构示意图如图所示。其中主电路部分（虚线框内）与图一致，控制电路主要通过霍尔检测电路和 信号 调理电路采集 装置实际的。，？和匕，并将上述信号转换为可供单片机（灰虚线框）进行转换的？模拟量。转换 后的数 字量信号会经过 软 件保护判断、电压闭环调节、移相角控制 和超 前、滞 后桥臂的生成等环节；单片机输出路信号，通 过电平 转换电路、隔离驱动电路后可直接驱动开 关管（导通和关断，实现电源到负载的能量传输。鼢（）歲心么）：图小信号模型图中，为 有 效占空比，尺。，为初级占空比；￥和分别为输出滤波电感电流 扰动 和输入电压扰动 产 生的占空比扰动：、（）（）其他 变量定 义与上述保 持一致，和分别为 滤 波电感电流、输入电压、占空比和输出电压的小信号扰动。式（）中，？表 征 谐振电感对全桥变换器造成的占空比丢失。在电路结 构上等效于在电感“上串联了一个？由图可以进一步推导出到的传递函数），表达式为：（）：？（）（）（）图电压闭环控制框图 的采样系数，脉宽调 制器的模型可以等效为尺，其中，为锯 齿 载 波幅值，因此，给出电压闭环控制框图见图所示，并推导得系统环路增益其中，。为调制波的小信 号扰动，（）为电压补偿器传递函数。令即可求得校正前系统环路增益的波特图，同时设计控制器作为补偿器。考虑期 望截止频率乂一般设置为开关频 率的，相位裕度 为，因此可以得到补偿前后的波特图，如图所示。移相 发 生器霍尔检测电路辅助电源系统件护断软保判压环节电闭调（格）（），波 形（爭）（），波形图 实验装置 实验波 形 结论在新工科和“双碳”大力 发展新能源电动汽车背景下，此处 研制一套用于电力电子实验教学的车载移相全桥变 换器实验装置基于小信号模型设 计电压控制器，并应用单片机实现该装置的数字控制，该装置采用一体化电源设计，即输入电源同时 为辅助电源与主电路供电，实验结 果表明装置具 有 效率高 和输出电压稳定的特点，能够 满足实验教学需求。基于该实验 装置能够设计基于项目驱动的综合实验任务，同时可通过模块化设计灵活调 节实验难 度，能够有效 激发学 生主动利用所学理论 知 识进行工程实 践的兴趣，改善教 学 效果和提升学生的学习体验。参考文献黄 海宏，杜少武，张毅现代电源 技 术实验平台研制实验技术与管理，（）：张方禹电动汽 车高 性能车载变换器研宄与设计杭州：浙江大学，】李志义对毕业要求及其制定的再认识一工程教育专业认证视角高等工程教育研究，（）：赵修科开关电源中 的磁性元件沈阳：辽宁科学技 术出版社，徐德鸿电力电子系统建模及控制北京：机械工业出版社，】胡寿松自动控制 原理北京：科学出版社，（格）波形同时 导通时间变长，以此保证输出电压的稳定。测试结果表明：所研制的实验装置具有转换效率高和输出电压稳定的特点，能较好满足电力电子实验教 学需求。式。装置所需元器件：型号，为，为，代号 为，数量为只；二极 管 型 号为，为，为，代号为，数量为只；驱 动芯片型号为，输入电压范围，数量为只；电流霍 尔型号为：，电流 变比：，数量为只；电压 霍尔 型号为？，数量 为只；辅助电源模块型号，输入输出电压为，数量为只；电源芯 片 型号为，输入输出电压为，数量 为只；驱动电源芯片型号 为，输入输出电压为（）数量为只；以及磁芯材 料、漆包线、电阻电容和安装材料若干。（）主程序 总流程图（）电压环程序流程图图实验装置软 件控制 流程图 实验结果所设 计的 实验装置平台实物包 含输入侧，电压霍尔采样，辅助电源，保 护电路，驱动，广驱动，电平转 换，控制接口，谐 振电感，隔离 变压器，电流霍尔采 样电压霍尔采 样。，滤波电感，电流霍 尔采样？滤波电感，输出侧。完 成了额定工况下装置的闭环测试，测 得电源转换效率（含辅助电源及控制电源）为，桥臂中点电压和的驱动电压以及波形如图所示。闭环调节时，的波形会随着的变 化而改变：增大 时，的正半周 和 负半周幅值 会随着 增 大，但持续时间会 变短，移相角相应增大，和同时导通时间变短；减小时，的正半周和负半周幅 值 会随着 减小，但持 续时间会变长，相应 减小，和第卷第期电 力电子技术，年月）口？：（￥）（管）