零电压多谐振降压式电路设计

电力电子技术课程设计班级：电气1102学号：111704207姓名：韩爽扬州大学水利与能源动力工程学院电气工程及其自动化二零一五年一月目录第1章任务书 (1)一、课程设计的内容 (1)二、课程设计的目的和要求： (1)三、仿真软件的使用 (1)四、时间安排 (2)五、设计总结报告主要内容 (2)第2章软开关的类型 (4)2.1 软开关的基本概念 (4)2.2 软开关电路分类 (6)2.3 谐振开关变换器工作原理 (8)第3章主要单元电路 (10)3 .1零电压开关准谐振变换器 (10)3.1.1几种常见结构 (10)3.1.2工作原理 (11)第4章主电路的设计及参数的确定方法 (14)4.1零电压多谐振降压式变换器工作原理 (14)4.2设计参数的确定 (15)第5章理论仿真结果分析 (16)5.1原件参数的仿真研究 (16)第6章心得体会 (18)参考文献 (19)第1章任务书一、课程设计的内容零电压多谐振降压式变换器及其研究二、课程设计的目的和要求：1、进一步熟悉和掌握电力电子原器件的器件；2、进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理；3、掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数设计的方法；4、培养对电力电子电路的性能分析的能力；5、培养撰写研究设计报告的能力。

三、仿真软件的使用在电力电子系统中，需要应用大功率开关器件，因此对工程人员来说对所设计的电路最好能通过计算机分析和仿真，不断修改和完善电路。

PSPICE是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，是较早出现的EDA软件之一，1985年就由MICROSIM公司推出。

现在使用较多的是PSPICE 6.2，工作于Windows环境，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体，但各个部分各有各的窗口。

新推出的版本为PSPICE 9.2，是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件。

它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。

无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模／数转换、数／模转换等，都可以得到精确的仿真结果。

对于库中没有的元器件模块，还可以自已编辑。

PSPICE可以对电路进行以下一些工作：1.制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计算直流工作点（Bias Point），进行直流扫描（DC Sweep）与交流扫描（AC Sweep），显示检测点的电压电流波形等。

2.估计元器件变化（Parametric）对电路造成的影响。

3.分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度（Temperature）分析等。

4.优化设计。

PSPICE主要包括Schematics、Pspice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Parts 等5个软件包。

其中：○1.Schematics是一个电路模拟器。

它可以直接绘制电路图，自动生成电路描述文件；并可对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、环境温度分析、蒙特卡罗分析和灵敏度分析等多种分析；而且还可以对元件进行修改和编辑。

○2.Pspice是一个数据处理器。

它可以对在Schematics中所绘制的电路进行模拟分析，运算出结果并自动生成输出文件和数据文件。

○3.Probe是后处理器，相当于一个示波器。

它可以将在Pspice运算的结果在屏幕或打印设备上显示出来。

模拟结果还可以接受由基本参量组成的任意表达式。

○4.Stmed是产生信号源的工具。

它在设定各种激励信号时非常方便直观，而且容易查对。

○5.Parts是对器件建模的工具。

它可以半自动地将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转换为Pspice中所用的模拟数据，并提供它们之间的关系曲线及相互作用，确定元件的精确度。

四、时间安排1、方案设计：根据课程设计给定的内容和条件，进行调查研究、查阅参考文献，进行反复比较和可行性论证，确定出方案电路，画出主要单元电路、输入、输出及重要控制信号概貌的框图。

2、电路设计：根据方案设计框图，仿真软件上画出详细的逻辑图。

3、结合具体电路，设定合适的参数4、进行电路的仿真5、总结鉴定：考核所设计电路是否全面达到预定的技术指标，能否长期可靠地工作，并写出设计总结报告。

五、设计总结报告主要内容1、课程设计报告的题目2、课程设计的内容3、所设计电路的工作原理（包括电路原理图、理论波形）4、电路的设计过程5、各参数的计算6、仿真模型的建立、仿真参数的设置7、进行仿真实验，列举仿真结果8、对仿真结果的分析9，结论与收获第2章 软开关的类型2.1 软开关的基本概念在电力开关变换器的发展过程中，20世纪50年代，脉宽调制(PWM)硬开关技术的出现，为电力电子技术的发展揭开了新的序幕。

PWM 技术以其电路简单，控制便而获得了广泛应用。

一般说来，PWM 技术是指在开关变换过程中保持开关频率恒定但是通过改变开关的接通时间长短，使得当负载变化时，负载上的电压输出变化不大的方法。

但是这种开关技术是一种“硬开关”，即开关管的通断控制与开关管上流过的电流和器件两端所加的电压无关，功率开关管的开通和关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，开关损耗很大。

尤其是现代电力电子技术正在向高频更高频的方向发展，PWM 硬开关技术使得开关损耗已经成为高频化发展的显著障碍。

下面详细说明开关损耗的产生机理如图2.1a ） 硬开关的开通过程b ）硬开关的关断过程2.1硬开关的开关过程开关电源中所应用的功率开关器件GTR ，MOSFET 等并不是理想的开关器件。

在硬开关开关电源技术中，如图2．8在开通的过程中开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。

在这段时间里，电压和电流有一个交叠区，从而产生损耗，称之为开通损耗,其值由式(2-1)给出：dt I V on P ce Tce loss ⎰=0)( （2-1） 式中T 是开通或关断时间。

当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时开关管的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。

在这段时间里电压和电流也有一个交叠区，所产生的损耗称之为关断损耗(Turn —off lass)其值同样可以由式(2-1)计算得到。

将开关管工作过程中产生的开通损耗和关断损耗通称之为开关损耗(Switching Loss)。

在一定条件下，开关管在每个周期中的开关损耗是恒定不变的，提高变换器的频率则开关管的开关损耗也随着增加，其单管总开关损耗由式(2-2)给出：Icedt Vce f dt I V f on P offon T ce T ce loss ⎰⎰+=00)( (2-2) 其中f 是开关频率。

由式(2-2)可知，开关频率越高，损耗越大，变换器的效率就越低。

开关损耗的存在严重地限制了开关电源的小型化和轻量化以及开关频率的提高。

开关管工作在硬开关状态下，会产生较大的电磁干扰：同时在开关过程中开关管也会承受较大的电压和电流应力，为了减小开关管在工作时产生的电磁干扰和免受过压过流损坏同时减小开关电源的体积和重量，必须实现高频化，高效率化，其方法就是减小开关损耗。

减小开关损耗的方法除了选择高性能的器件外还有就是实现变换器开关管的软开关。

通过在原电路的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减少甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。

使开关条件得以改善。

软开关有时也被成为谐振开关。

软开关电路中的典型的开关过程如图2.2，具有这样开关过程的开关称为软开关。

软开关电路中S 关断后Lr 与cr 间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。

谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S 两端的电压在其开通前就降为零。

a)软开关的开通过程 b ）软开关的关断过程图2.2 软开关的开关过程根据实现策略的不同，可以把软开关分为两类：零电流开关、零电压开关。

零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。

零电流开关有两层含义：在开关管关断前，预先使其电流减小到零，从而实现零电流关断；在开关管开通过程中，设法使其电流保持为零，或者限制电流的上升率，使之只以很小的电流与电压交叠，从而实现或近似实现零电流开通。

零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。

零电压开关也有两层含义：在开关管开通前，预先使其电压减小到零，从而实现零电压开通；在开关管关断过程中，设法使其电压保持为零，或者限制电压的上升率，使之只以很小的电压与电流交叠，从而实现或近似实现零电压关断。

零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。

零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。

零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。

简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。

2.2 软开关电路分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。

根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路，如图2.3。

a）开关基本单元b）降压变换器的基本单元C）升压变换器的基本单元d）升降压变换器的基本单元2.3 基本开关单元准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。

为最早出现的软开关电路，可以分为两类：零电压开关准谐振电路;零电流开关准谐振电路;零电压开关多谐振电路;用于逆变器的谐振直流环节，如图2.4。

a）b）c）a）图为零电压开关准谐振电路基本单元b）图为图为零电流开关准谐振路基本单元，c）图为零电压开关多谐振电路基本单元，2.4 准谐振电路的基本单元特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制方式来控制。