移相全桥零电流开关DC/DC 变换器是一种适用于大功率开关电源的软开关电路.它具有主电路结构简单,易于实现高频化;变压器的漏感可以纳入谐振电路实现功率器件软开关;主电路采用IGBT时,电压应力也很小.因为电路中IGBT的关断是在零电流条件下,可以有效地抑止IGBT由于拖尾电流带来的关断损耗.主电路变压器匝比小则有更容易避免饱和的优点[1][2].

1 燃料电池并网系统

    本论文研究的是一个输入电压为100 V,输出依380 V的DC/DC 变换器,应用于燃料电池并网发电系统,完成燃料电池输出和并网逆变器输入之间升压功能.系统结构框图如图1 所示[3],其所采用的DC/DC 升压装置原理如图2 所示.

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图1 燃料电池并网系统

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图2 移相全桥DC/DC 升压变换器

    本文所分析的电路,通过输入电感储能向输出端供电,类似与Boost 电路,由于在启动过程中,输出电压从0 开始逐渐增大,在启动的一段时间范围内,输入电感始终处于充电状态,电感电流持续增大,最终导致输入电流过流.另外,在输出端也会有类似Boost电路的电压超调现象,使得输出电压过压.因此如何解决电流型DC/DC变换器启动过程中出现的输入过流、输出过压问题,成为此种电流型DC/DC 变换器能否应用于燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的关键技术之一.

2 电路控制原理

    图3 所示为主电路IGBT驱动的时序,电路工作原理类似于Boost 电路.具体分析见参考文献[3].

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图3 相移控制时序

    为了达到快速调整输出电压、输入电流的目的,在该DC/DC 变换器中采用输出电压外环和输入电流内环构成的双环控制系统.参考电压Vref作为电压外环的给定,电压外环的输出作为电流内环的给定.由于电流内环的作用,使闭环响应速度加快,并有效限制输出电流纹波,控制框图如图4所示.同时,由于电压外环的作用使输出电压有效控制在后级逆变器所要求的电压值的范围内.

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图4 DC/DC 变换器的控制框图

3 电流型DC/DC变换器启动电路的设计

    本文所采用的启动电路结构如图5 所示,在输入电感上附加一个耦合线圈.

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图5 输入电感加耦合线圈的主电路

    在电路启动过程中,给原边的四个IGBT加上完全相同的控制信号,即采用同时开通或同时关断的方式,此时,电路主变压器被短路,整个电路等效为一个flyback 拓扑.为减小桥臂上开关管电压应力,在电感原边安装RCD 吸收电路.为限制启动电流增大过快,启动时占空比从0 逐渐增大.具体的控制逻辑如图6 所示,采用三角波和逐渐增大的一个电平信号比较得到占空比逐渐增大的PWM波形.

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图6 电路启动时占空比的变化

    在启动工作模式下,电路共分两种工作模式.

3.1 模式1(充电模式)

    S1~S4同时开通时工作,其过程如图7所示.

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图7 启动状态模式1

    输入电压Ud 给电感充电,负载通过输出端大电容续流,整流二极管Df上没有电流流过.假设n为输入电感上耦合线圈和原边线圈的比值,则此时整流二极管Df上反向电压应力为

VDf=nVd+Vout (1)

3.2 模式2(供电模式)

    S1~S4同时关断,其工作过程如图8 所示.

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    输入电感上的能量通过耦合在上面的副边线圈和整流二极管Df 向负载端释放,并给输出的大电容充电.此时原边开关管的电压应力为

V= Vnout +Vd (2)

    由于启动过程可完全等效成一个反激电路,启动过程的最大输出电压理论上等于占空比最大时输出的电压,即

Vout= nD

1-D Vd (3)

    当启动电路的占空比达到最大值时,切换到正常工作模式,由于输出电容已经被充电到一个预定值,因此,切换过程中输入电感不过流[4].

4 实验波形

    电路实验条件如下:输入电压:DC 90V,两路输出电压:380 V,两路负载各180Ω,启动模式下两路输出各带死负载500Ω.

    图9 中桥臂1 的波形和理论分析的波形一致.

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图9 桥臂1 上的电压波形(50V/div)

    由图10 可得,输入电流为20A.

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图10 输入电流波形(10 A/div)

    输出电压为380V,而单路输出电压的纹波为2V,相当于单路输出电压380V的0.5%.

    图11 为由启动模式切换到正常工作相移模式时的单路输出电压波形.由图11 可见,输出电压在切换时的超调量约为30V,基本解决了电流型全桥相移DC/DC 变换器启动过程中电压超调的问题.

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图11 启动和启动至切换的单路输出电压(50v/div)

    图12 所示为启动时4 个开关管之一上的电压波形,此时电压波形为处于切换前的电压波形,等效的flyback 工作占空比已经从0 升高到约为0.5.

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图12 启动状态下全桥臂S1及S3上的电压(50V/div)

    图13 所示为启动时输入电流波形.由图13可见,输入电流波形和反激电路flyback工作时输入电流波形是一致的.

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图13 输入电流(10A/div)

    切换至相移工作模式时后(两路输出各带500赘死负载)输入电流波形如图14 所示.

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图14 5A/div

5 结语

    ZCS 全桥相移DC/DC 模块电源变换器具有以下优点[3]器原边功率器件IGBT实现零电流关断,有效减小了开关损耗,提高了效率.

    通过一个在输入电感上耦合上一个线圈于输出端相连接可以实现电路的软启动,抑止了传统电流型电路启动时候的过流和过压问题.

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一、色环电阻及电位器的读取方法
带有四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；第三环代表倍率；第四环代表误差。快速识别的关键在于根据第三环的颜色把阻值确定在某一数量级范围内，例如是几点几K、还是几十几K的，再将前两环读出的数"代"进去，这样就可很快读出数来。
下面介绍掌握此方法的几个要点：
（1）熟记第一、二环每种颜色所代表的数。可这样记忆：棕1，红2，橙3，黄4，绿5，蓝6，紫7，灰8，白9，黑0。这样连起来读，多复诵几遍便可记住。
记准记牢第三环颜色所代表的阻值范围，这一点是快识的关键。具体是：
金色：几点几Ω
黑色：几十几Ω
棕色：几百几十Ω
红色：几点几 kΩ
橙色：几十几 kΩ
黄色：几百几十 kΩ绿色：几点几 MΩ
蓝色：几十几 MΩ
从数量级来看，在体上可把它们划分为三个大的等级，即：金、黑、棕色是欧姆级的；红橙'、黄色是千欧级的；绿、蓝色则是兆欧级的。这样划分一下是为了便于记忆。
（3）当第二环是黑色时，第三环颜色所代表的则是整数，即几，几十，几百 kΩ等，这是读数时的特殊情况，要注意。例如第三环是红色，则其阻值即是整几kΩ的。
（4）记住第四环颜色所代表的误差，即：金色为5％；银色为10％；无色为20％。
下面举例说明：
例1当四个色环依次是黄、橙、红、金色时，因第三环为红色、阻值范围是几点几kΩ的，按照黄、橙两色分别代表的数"4"和"3"代入,，则其读数为43 kΩ。第环是金色表示误差为5％。
例2当四个色环依次是棕、黑、橙、金色时，因第三环为橙色，第二环又是黑色，阻值应是整几十kΩ的，按棕色代表的数"1"代入，读数为10 kΩ。第四环是金色，其误差为5％。
有一种5色环的电阻，如：红、红、黑、金、棕。
还有一种，如：红、红、金、金。
上面2个不都是2.2欧
第一个22欧误差正负1 第二个2.2欧误差正负5
五道环的电阻识别方法是：第一，二，三位表示实际有效读数，第四道环表示的是乘上的倍率，第五道色环表示误差。
从上到下，第一个电阻：5.6欧姆；（绿、兰、金、金）
第二个电阻：2.2欧姆；（红、红、金、金）
第三个电阻：6.8k；（兰、灰、红、金）
第四个电阻：3k。（橙、黑、黑、棕、金）
后面金金是几点几
后面金银是0点几
是乘10的负几次方

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色环电阻的识别方法1﹒电阻的认识﹕各种材料的物体对通过它的电流呈现一定的阻力﹐这种阻碍电流的作用叫电阻。具有一定的阻值﹐一定的几何形状﹐一定的技朮性能的在电路中起电阻作用的电子组件叫阻器﹐即通常所称的电阻。电阻R在数值上等于加在电阻上的电压U通过的电流I的比值﹐即R=U/I。
2﹒种类﹕
a 按制作材料可分为﹕碳膜电阻﹑金属膜电阻﹑线绕电阻和水泥电阻等。其中常用的为碳膜电阻﹐而水泥
电阻则常用于大功率电器中或用作负载。
b 按功率大小可为1/8w以下1/8w﹑1/4w﹑1/2w﹑1w﹑2w等。
c 按阻值表示法又可分为数字表示法及色环表示法。
d 按阻值的精密度又可分为精密电阻(五环)和普通电阻(四环)。精密电阻通常在Z轴表中用“F”表示。
3﹒电阻的单位及换算﹕
a 电阻的单位﹕我们常用的电阻单位为千欧(KΩ),兆欧(MΩ)﹐电阻最基本的单位为欧姆(Ω)
b 电阻的换算﹕1MΩ = 1000KΩ      1 KΩ= 1000Ω
4﹒电阻的电路符号及字母表示﹕R
5﹒电阻的作用﹕阻流和分压。
6. 电阻的阻值辨认﹕由于电阻阻值的表示法有数字表示法和色环表示法两种﹐因而电阻阻值的读数也有两种﹕
a 数字表示法﹕此表示法常用于CHIP组件中。辨认时数字之前两位为有效数字﹐而第三位为倍率。例如﹕
334表示﹕33×104Ω=330 KΩ（这里要注意一下不是104Ω，而是10的4次方）275表示﹕27×105Ω=2.7 MΩ（这里要注意一下不是105Ω，而是10的5次方）
b.色环表示法﹕电阻色环转换为阻值对照表
４色环电阻，是用３个色环来表示阻值，前二环代表有效值，第三环代表乘上的次方数，用１个色环表示误差。５色环电阻一般是金属膜电阻，为更好地表示精度，用４个色环表示阻值，另一个色环表示误差。下表是色环电阻的颜色-数值对照表：　　
色环第一环第二环第三环第四环（乘法）（误差环）
黑 0 0 1  
棕 1 1 10 +/- 1%
红 2 2 100 +-2%
橙 3 3 1000  
黄 4 4 10000  
绿 5 5 100000 +/- 0.5%
兰 6 6 1000000 +/- 0.2%
紫 7 7 10000000 +/- 0.1%
灰 8 8 100000000  
白 9 9 1000000000 +5~-20%
金    +-5%
银    +-10%
无色环    +-20% 一、电阻阻值的色环表示法
电阻的单位：电阻的基本单位是“欧姆”，什么叫“1欧姆”？假如一段导线，两端的电压是1伏，此时流过导线的电流是1安培，那么这段导线的电阻就是1欧姆,简称“欧”。1000欧=1千欧（KΩ），1000千欧=1兆欧(MΩ)。欧姆的符号是“Ω”；千欧符号“ΚΩ”；兆欧符号“MΩ”。
1、颜色和数字的对应关系：首先我们向你介绍颜色和阿拉伯数字之间的对应关系，这种规定是国际上公认的识别方法，记住它对我们进一步学习很有帮助。
颜色按照下面的方法容易记忆：
黑0     棕1       红2      橙3     黄4     绿5    蓝6     紫7     灰8     白9 　
此外，还有金、银两个颜色要特别记忆，它们在色环电阻中,处在不同的位置具有不同的数字含义，这是需要特别注意的。对此，我们放在后面介绍。

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“四色环”读数规则
所谓“四色环电阻”就是指用四条色环表示阻值的电阻。从左向右数，第一，二环表示两位有效数字，第三环表示数字后面添加“0”的个数。所谓“从左向右”，我们是指把电阻象图中所画的样子放置——四条色环中，有三条相互之间的距离靠得比较近，而第四环距离稍微大一点。
但是说实在的，现在的电阻产品，你要区分色环距离的大小的确很困难，哪一环是第一环，往往凭借经验来识别；对四色环而言，还有一点可以借鉴，那就是：四色环电阻的第四环，不是金色，就是银色，而不会是其它颜色（这一点在五色环中不适用）；这样你就可以知道那一环该是第一环了。
请看下面例子：
红2   紫7   棕1   金±5％
第一环：红——代表2
第二环：紫——代表7
第三环：棕——代表1，
但是第三环的“1”并不是“有效数字”，而是表示在前面两个有效数字后面添加“零”的个数。
由此看来，这个电阻的阻值应该是270，单位是什么？在色环电阻中，一律默认为“欧姆”（电阻的基本单位，符号是Ω）。上述电阻的阻值是：270Ω     那么，第四环又是什么意思？第四环表示电阻的“精度”，也就是阻值的误差。金色代表误差±5％，银色代表误差±10％。对270Ω而言，±5％的误差，意味着这个电阻实际最小的阻值是270*（1－0.05）＝265.5Ω；最大不会超过270*（1＋0.05）＝283.5Ω。
在识别四色环电阻时，有两个情况要特别注意：
1、当第三环是黑色的时候，这个黑环代表0的个数，几个0？是0个“0”，也就是“没有0”。如：红2   红2   黑0个0   金±5％阻值是：22Ω而绝不是220Ω！
2、金色和银色也会出现在第三环中：前面我们已经提到，第四环是表示误差的色环,用金、银两种颜色分别表示不同的精度；而第三环表示“添加零的个数”，那么当第三环出现金色或银色的时候，又怎么理解“添加零的个数”呢？做法如下：
第三环—金色：把小数点向前移动1位；
第三环—银色：把小数点向前移动2位。
例：1、色环排列：橙灰金金，阻值是3.8Ω
2、色环排列：绿黄银金，阻值是：0.54Ω
因为这种电阻的阻值太小了，在一般电路中几乎不用，所以在普通的电阻系列中是没有的。
对于电位器来说，虽然阻值调到最大或是最小以后可以继续进行调节，但是阻止不变的，不是循环的，切记。