（信号与信息处理专业论文）电动汽车锂动力电池组均衡系统充放电技术研究.pdf

黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n c r e a s i n 西ys e r i o u se n e r g ys h o r t a g ea n de m , i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m s ，a n dp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to f e l e c t r i cv e h i c l e s t h eb a t t e r y e l e c t r i cv e h i c l ep o w e rs o u r c e s , h a sb e c o m et h ek e yt o r e s u i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s e n e r g yb a l a n c i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e c u r r e n th o tt o p i c t h ee x i s t e n c eo fs e r i e sl i t h k m a - i o nb a t t e r yp a c kd t u h n gc h a r g c n ga n dd i s c h a r g i n go v e r c l m r g e , o v e rd i s c h a r g ea n dt h et r a d i t i o n a le q t t i l i b r i t m ae x i s t si nt h ew a yt h ep r o b l e mo fe n e r g yl o s s ，t h i s p a p e rp r o p o s e sab a t t e r yp a c ki sn o n - d e s t r u c t i v e s m a r tb a l a n c eo f t h ep r o g r a m t h ec o n t e n t so f t h i s p a p e r a r em a i n l yt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) m a k eab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tl i t h i u m - i o nb a t t e r yw o r k sa n dt h ew a yo fc h a r g i n g , o b t a i n e d 啦t h ep u l s ec 吣g m e t h o dc a ne l h n i n a t et h ep o l a r i z a t i o ni n t h ec h a l g i n gp r o c e s s i n g a n de x t e n dt h el i f eo f t h eb a t t e r yp a c k ( 2 ) d e s c r i b e ss e v e r a le q u a l i z a t i o ns y s t e mt o p o l o g y , a n dc o m p a r e t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f e a c hm e t h o d d e s c r i b e di nd e t a i lt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h e f l y - b a c kc o n v e r t o gt h ee q u a l i z a t i o nc i r c u i ti sp r o p o s e db a s e do nt h ef l y - b a c kc o n v e r t o rt o p o l o g y , g i v e nt h eb a l a n c e dc i r c u i ti nt h e t r a n s f o r m e rc o r es e l e c t i o na n dm a i np a r a m e t e r so f t h ec a l c u l a t i o n ( 3 ) t h r o u 曲t h ea n a l y s i so f t h em o s f e ts , i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s , g i v e nt h ed e s i g no ft h e s w i t c hd r i v e rc i r c u i ta n d f l y - b a c kc l a m pc i r c u i t ( 4 ) b u i l das i m u l a t i o nm o d e li n t h em a t l a be n v i r o n m e n t ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g no f t h e e q t m i z a t i o nc i r c u i tm o d e l s i m u l a t i o n ( 5 ) b a s e do nt h ee q u a l i z a t i o ns y s t e mo fl i t h i u m - i o nb a t t e r yp a c kt om a k eas u m m a r ya n d o u f l o o l k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ；f l y - b a c kc o n v e r t o r ；c h a r g i n ge q u a r t z a f i o n i i 目录 目录 中文揖疆兽i a b s t r a c t 1 i 第1 章绪论一1 1 1 课题的研贫r 背景和意义一1 1 2 国内夕陌移蛩d 状2 1 3 课题研究的内容4 1 4 本文要解决的问题5 第2 章锂离子蜊也4 甜生及充哇i 方式6 2 1 锂离子电池的特性及工作原理一6 2 2 充电方式的研究8 2 3 电池的极化瑚像l o 2 4s o c 的定义1 1 2 5a k 章d , 结1 2 第3 章变换器分析及反激交换器的设计1 3 3 1 开关电源拓扑电路一1 3 3 1 1b u c k 变换器1 3 3 1 2b o o s t 变重受器1 4 3 1 3 摊薪改莹奂器1 4 3 1 4 半杨氆鹭奂器一1 5 3 1 5 全期融三换器一1 6 3 1 6 正激变换器1 7 3 2 反激变换器工作原理1 7 3 3 反激变换器工作过程一1 8 i i i 黑龙江大学硕士学位论文 3 4 反激变换器效率分析2 0 3 5 反激变换器应用于均衡电路设计与理论分卡斤2 2 3 5 1 均衡方案的提出2 2 3 5 2 均衡方案理论分析2 3 3 5 3 均衡方案理论推导2 5 3 6 均衡电路设计一2 8 3 6 2 反激变换器电路及性能指标2 8 3 6 3 反澎嫂澎谨彰鹦致计算2 9 3 7 反激式变换器主要参数计算3 1 3 7 1 磁芯面积乘积计算3 1 3 7 2 变压器相关参数计算3 2 3 7 3 验证设计3 5 3 8 本章小结3 6 第4 章均衡系统硬件电路设计3 7 4 1m o s f e t 驱动电路设计3 7 4 1 1m o s h 玎介绍3 7 4 i 2m o s 管的结构3 7 4 1 3m o s f e r 的工作原理一3 8 4 1 4m o s 管开关过程分析3 8 4 1 5 功率m o s f e t 的损耗分析4 0 4 1 6 功率m o s f e t 驱动电路的设计4 3 4 1 7 几种m o s f e t 驱动电路介绍4 3 4 2 硬件电路设计4 6 4 2 1 控制惮元4 7 i v 目录 4 2 3 供电电路单元4 8 4 2 4s p i 通讯单元4 9 4 2 5e 位柳与m c u 通信接口5 0 4 4 本章小结一5 3 第5 章仿真及实验结果分析5 4 5 1 均衡系统仿真分析5 4 5 1 4 反激变换器模型仿真5 6 5 1 5 均衡系统仿真5 7 5 2 2 原副边电流有效值及功率计算6 4 5 3 本章小结6 4 总结和展望，6 5 致谢7 1 玫读硕士学位期间发表的学术论文一7 2 。v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着汽车工业的快速发展，燃油汽车以其方便、快捷已经成为了人们生活、工作中最 主要的交通工具，但燃油汽车消耗了大量的能源，同时造成了严重的环境问题。能源短缺 和环境污染问题已经严重阻碍了经蛴发展和社会进步，已经成为世界各国关注的主要问 题。“节能环保”已经成为未来社会发展的大主题。人们迫切需要种即节能又_ 啄保的 交通工具来代替燃油汽车，电动汽车应运而生。 电动汽车包括纯动力汽车和混合动力汽车两大类，因其以电力作为动力源，所以电动 汽车具有节能、环保等优点【l 】。蓄电池作为电黼的重要组成部分，其性能优劣直接决 定了电窜噼气车能否可持续的发展。然而目前蓄电池在功率、环保、寿命、充放电存在不一 致性，降低了电池组使用寿命，增加了使用成本，成为电动汽车发展的瓶颈。目前市场上 蓄电池种类很多，如燃料电池、铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池，不同蓄电池的性能也 是参差不齐。磷酸趺锂电池具有比能量高、比功率大、体积小、自放电少以及癣嗍寿 命长等优点，目前已经逐渐成为动力电池的主孝羽p 】。由于挚体：瞵酸铁锂电池的单体电池 电压只有3 2 v ，刁浞以为电动汽霹濑懒力，因此通常把磷嚣煎多己锺电池串联起来使用。 由于单体电池南蜒壳疆中的差异及使用过程中电池包内部环境的不致等原因吧随着电池 组使用时间和次数的坳日，容量小或内阻高的蓄电池易过充电，容量大或内阻低的蓄电池 易欠充电，使得电池组中的单体电池之间性能差异越来越大，严重的影响了电池组的使用 寿命，频繁的更换电池会增加了使用成本四，因此必须对电池组进行充放电均衡。在充电 过程中通过对电压高的电池降压，对电吲氐的蝴压，保证电池组中的单体电池盔充电 时可以同时充满，在放电时能够同时放完，保持蝴中单体电池的致性嘲。本文就是 要对磷酸铁锂电池组充电均衡技术进行研究。 黑龙江大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 人们对串联电池组的均衡电路和均衡控制策略进行了广泛的研刭i 蝴，早期的均衡技 术主要用电阻消耗能量，虽然安全可靠，但是均衡效率低，大量的能量被浪费。近些年 来，均衡技术有了很大的进展，均衡的效率越来越高，安全洼也大大提升，实用性增强。 目前电池组的均衡力舞汐蝴为以下几个1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 ”4 1 。 ( 1 ) 电阻并联蓝准蒯1 5 1 1 1 6 l 电阻并联均衡方案见图1 1 。电阻并联均衡方案的核心就是将电阻并接在蓄电池的两 端。在蓄电池充电过程中，对电池组中各单体电池的端电压进行检测。当检测到某单体电 池的端电压超过了充电截止电压，导通该节均衡电路的控制开关，蓄电池与电阻形成放电 回路。通过电阻放点，刚氐矗亥节电池的端电匿，其余的蓄划也则继续充电，最后蓄电池同 时充满，达到均衡电池组和保护蓄电池的目的。 r 1r 2 ：，一一、一一 圆 图1 1 电阻均衡 f i g 1 1r e s 咖s h u n t 该方案电路结构蝴单，可靠性高，缺点是不能对端电压f 氐的单体电池补充| i 皂量， 同时刁等在能量的浪费和热量的耗散问题。 ( 2 ) 电感均衡方案；1 7 】 电感均衡方案见图1 - 2 。电感均衡就是采用电感作为储能元件，各串联电 电旁都有一 个均衡模块，每个均衡模块都是由储能电感、开关管、二极管组成。例如，当b 2 电压 超过了最大截止电压，开关管g 2 导通，电池1 3 2 对电感l 2 进行充电，电感1 2 储存能 第1 章绪论 量，当g 2 关断时，电感l 2 将储存的能量泽通过二极管续流到其它蓄电池中，从而实现 均衡充电。 图1 _ 2 电感均衡 f i g a - 2i n d t 珈a c ee q u a l i z e r 该方案在均衡过程中能量损耗较小。对系统稳定性要求较高，并且逻辑控越较为复 杂。 ( 3 ) 电容均衡方案1 1 8 ，1 9 】 电容均衡方案原理见图1 3 。电容与开关器件组成的开关网络并接在单体电泡两端。 该方案通过把能量从端电压高的电池转移到电压低的电池e 去，达到均衡的目的。 丁 图1 - 3 电容均衡 f i g a - 3 踟砸抽文：掣i 砑e q 妇 电容均衡方案优点是电路结构比较简单，且均衡速度快， 町 砬 m t 上t 上 黑龙江大学硕士学位论文 情况下，均衡结果也不受影响。均衡过程中也不需要对电量转移方向进行黼0 断，控制 逻辑简单，只需所有开关在同一时刻同时动作即可。缺点是图i - 3 中所有开关管都是大功 率，存在驱动问题；要定时控制，控制复杂。 ( 4 ) 变噩器集中均铲 ( b ) d l 图1 4 变压器均衡 f i g 1 4 t r a n s f o r m e r e q u a l i z r 娈噩舞转骥玩粥口图1 - 4 所示。变妊；器集中均衡的核心p 是吟控制器、开关管、翌董l 玉 器组成的d c - d c 变换器。初级和次级采用豇粥和反激结构比跤多，反潋燃因其缗 勾 简单、均衡效率高应用更为广泛。 1 3 课题研究的内容 第章绪论主要介绍了课题研究的背景和意义，及目前蝴均衡技术的国内外发展 现状。 第二章介绍了磷酸铁锂电池特性及工作原理，列举了几种蝴的充电方式及不同的 方式对电池寿命的影响。 第三章介绍了反灏嫂激l 器的工作原理及特性，通过对不同均衡方案进行分析比较，引 出文中所用的方案。通过分析计算，对选择变换翻旃毯选择及完成主要参数殴汁。 第1 罩绪论 i i 第四章首先对m o s 驱动电路进行分析，选择合适的驱动方案，同时对均衡系统的其 他的组成单元进行介绍。 第五章主要是对设计的均衡电路进行仿真，同时对试验结果进行分析讨论，验证均衡 电路的可彳亏：性。 1 4 本文要解决的问题 本文主要是对锂离子电池组充电均衡技术研究，在均衡系统设计过程中需要解决的 ( 1 ) 通过痊怀同开关嘲原拓扑比较，选择适合本方案的拓s b m j 各。在选择拓扑时要 求考虑均衡电路的成本、体积大小、效率等因素。 ( 2 ) 开关管的选择。在不同的拓扑结构中对开关特性的要求不同，需要考虑漏源极 限制电压及导通电阻、棚源极开启电压、漏极最大电、疯等因素。 ( 3 ) 驱动电路的设计。m o s 管驱动电路在均衡系统中起着至关重要的作用，在设 计壤蠹勿电路盹嘴虑蛰 m o s 管栅源极开启电压，驱动电流，电气隔离等问题。 ( 4 ) 均衡系统的整体设计。在设计均衡系统时需要考虑均衡电路中各o g n ? - , - - i t n 问 题，供电嘲堵谴择，均衡瞄酾戮黜喀等问题。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章锂离子电池特 生及充电方式 2 1 锂离子电池的特i 生及工作原理 蓄电池不仅能够把化学能转化为电能，而且在能量释放完以后，参加反应化学物质在 再次充电的情况下能复括。蓄电池可以将电能转化为可以存键【= 茁蓄电池中的化学能，因此 蓄电池又被称为称二次电池甲，可以多次循环使用。 蓄哇捌靖很多种类。例如，铅酸蓄电池至今已经萑黼1 5 0 多年的历史，是目前最常 使用的蓄电池口1 1 。经过人们对它不断的研究和改进，极大的推动了铅酸电池的发展，但 是由于铅酸电池的比能量低、寿命短而且污染严重，限制了铅酸电池的使用和发展。同 样，还有镍氢电池、锂离子电池，其性能各不相同，如表2 1 所示。由图表可以看出锂离 子电池在单体电压、寿命、比重量等方面相对于= 瞄弛蓄电池存在很大的优越性。锂离子电 池发展历史较短，是近十八1 年才发展起来的一种新型电源i z 韬翮。由于其单体电池电压 高、循环使用寿命长、无污染等优点，直是世晃各国竞相研究开发和应用的热点，并且 逐渐在蓄电池市场中占据重要地位。 表2 1 蓄哇抛性能e 魄p 期 t a b l e 2 - 1c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tp o w e rb a t t e r i e s 第2 章锂离子电池特性及充电方式 所谓锂离子电池是指正负极通过对锂离子的嵌入和脱出实现充放电的化合物，这种化 合物可以循环使用，因此又称为二次电 l h i 蠲。锂离子电池由正极、隔离膜、负极三层组 成圆，构成锂离子电池的正极材料有很多种，主要包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷 酸铁锂等。由于磷酸铁锂电池具有安全性好、稳定性高，环保、价格低等优势，已纫茂为 未来蓄电池的发展方向。 磷酸铁锂锂离子电池为橄榄石结构，其标称电压是3 2 v 、终止充电电压和终止放电 电压分别为3 6 v 、2 o v 。l i f e p o 。充放电反应如p 1 】： 充电反应：l i f e p 0 4 一x l i + 一x e 专x & p d 4 + ( 1 一x ) l i f e p 0 4 ( 2 1 ) 放电反应：f e p 0 4 + x l i + + x e 一专x l i f e p 0 4 + ( 1 一x ) f e p 0 4 ( 2 - 2 ) l i f e p o 。电池充电时，锂离子从正极磷酸铁锂中脱出，经电解质到负极，嵌入负极 材料中；同时从正极释放出的电子经过外电路到负极。在放电时，锂离子从负极材料中脱 出，经电解质到正极，同时负极材料中释放的电子经过电路到腿藩电池正极，为外界提供 能量。 磷酸铁锂作为锂离子栅极材料，虽然存在导电陆差、单体电池电压榭献点， 但还是有很多优点圈： ( 1 ) 正极材料安全性好：磷酸铁锂电池的正交橄榄石型结构使得氧气不易释放，提高 了蓄电池的安全性和可靠性。 ( 2 ) 寿俞长：在充放哇变窿中蓄电池体黜较小，因此晶格结构稳定，循环使用寿 命可达2 0 0 0 次以上，有极高的性价比。 ( 3 ) 环保：在生产磷酸铁锂过程中使用的原料是无毒的，例如碳、铁等，对环境无污 染。 ( 4 ) 价格便宜：磷酸铁锂采用的原材料e 暾容易获得，生产成本较低。 ( 5 ) 高温性能优异：磷酸铁锂电池在高温下工作其寿命基本没有影响，高温性能优 异，这个特性拓宽了磷酸铁锂电池的应用领域。 黑龙江大学硕士学位论文 2 2 充电方式的研究 蓄畦蝴电意式选择的合理与否对电堪蝴寿命的长短葶瀣关重要的影响，因此充 电方式是否合适对蓄电池的寿命的长短起着很重要的作用。目前充电方式很多，大致可分 为以下四种：恒流方式充电、恒压方式充电、恒流恒压方式充电、脉冲方式充哇p 。 1 恒流充电 恒流充电是维持蓄电漪匾定电流充电的种充电方式。这种充电方法结构简单、适蔓蓝 性强，在充电初期可接受电流能力较强，但是舀充电后期蝴接受电流能力下降，充电 电流多用于水解，产生气体，不仅不能充满而且会损坏电池。 2 恒压充电 恒压充电是维持蓄电池恒定电压充电的种充电方式。在叵定电压的条件下，随着充 电时间增长，蓄电池的端电匿越来越高，充电峨郄奁着蓄电池荷电状态的变化自动调整， 使得充电电流更加接近于最佳充电电流曲线。在选择适当的充电电压的 主说l 下，可以将电 池完全充满，但是在充电初期由于蓄电池荷电少，充电电流比较大，对电池损害严重。 3 恒薪 一匾压充电 恒流恒压充电【4 1 1 是两种充电方式的结合，在前期充电过程中保持恒定电流，在后期 保持恒定电压的种充电方式，如图2 - 1 所示。首先对电池进行预涓流充电至放电终止电 压，然后进行恒流充电至电池充电终止电压，这时的电池容量接近于满容量的4 0 至 7 0 左右，然后再进行恒压充电。随着蓄电池电荷的增加，端电压端的不断匕升，充电电 1 蝴， 在电流降至刍c 勤时终止充电。 第2 章锂离子电池特性及充电方式 图2 - 1 恒流桓压充嘲 f i g 2 - 1c o n s t a n tc u n e n t 删v o l t a g ec h a r g i n g 4 脉冲充电 脉冲充电是使用高低脉冲对蓄电池充电，正负脉冲交替工作，如图2 - 2 所示。在位月 脉冲充电时，首先进衔舀流充电，当电压达到放电截止电压后，开始恒流充噬电压达 到充电截l e 电压，然后使用脉冲充电方式。在充电后期，蓄哇捌端电函鬯5 写色星高，可接受 电荷量越来越少，充电时间越来越短，停充时间越来越长，当脉冲占空比达到5 左右 时，充电完成。脉冲充电减小了电池的极化现象，提高了电池对充电电流的接受率，提高 了电池的使用寿命。 图2 - 2 脉冲充电方式 f i g 2 - 2p u l s ec u r r e n tc l m r g i n g 5 智能充电 智能充电是通过动态监控在充电过程中蓄电池可接受电流，达到智能充电的一种充 黑龙江大学硕士学位论文 电方式，如图所示2 - 3 。在充电过程中，充电电源根据蓄电池当时所处的工作状态来确定 适合的充电电流，确保电充电电流始终保持在电池可接受的范围内，与蓄电池可接受充电 曲线基本保持致，这种充电方式减少了气体的析出，延长了电池的使用寿命。 智能充电方式对多种类型的电池都适用，且安全性高可靠性好，节省充电时间。同 样，智能充电方式也存在缺点，电池结构会随着使用时间的增长发生变化，电池的充电曲 线也会变化，这点应当在使用此方式充电时注意。 2 3 电池的极化现象 图2 - 3 智能充电方式 f i 9 2 - 3i n t e l l i g e n tc h a r g i n g 在蓄电池充放电过程中，因为电流的流过导致电池的电动势偏离平衡值的现象称为电 极的极化即。 由于严重的极化现缘导致蓄电池内部的水解反应，产生大量的气体。假设蓄电池端电 压为u ，则有 u = u 0 + u ( 2 - 3 ) 式中u 0 为在某电解液浓度的电池耐崭獭电动势，au 为蓄电池的极化电压。因 为在充电时蓄电池u o 与u 的方向致，因此在充电时端电压u 比开路时的平衡电动势 u 0 要高，而放电时u 0 与u 的方向相反，所以放电时的端电压u 要低于开路时的平衡 第2 章锂离子电池特性及充电方式 电动势u 0 。 极化现象导致的温升、过压、析气等现象对蓄电池都产生不利的影响，且充电电流越 大，极化现象越严重。因此，在选择充电方式的时候要求考虑到极化现象的存在。 2 4s o c 的定义 电池的荷电状态s o c 3 3 ( s t a t eo fc h a r g e ) ，用来表征蓄电池的乘如余的电荷量。把电 油充电到不能再充时的状态定义为1 0 0 的s o c ，把不能盾放出电量的状态定义为0 的 s o c 。 s o c _ 1 - 虽 ) 式中，q 为电池已经放出的电量，c j 为在恒定电流的条俏：下，蓄电池毹够放出的电量。 锂离子商哇l 均衡的本质就是s o c 的均衡，因此在电池缝场箢过程中实际嬲的就 是s o c ，但是目前的检测方法很难准确的检测出电池的荷电状态。电池的开路电压和 s o c 在一定条件下存在着一对应的关系p q ( 如表2 - 2 所示) ，因此在电i 也组均衡系统中通 常通过检测单体电池的端电压来近似估计该节电池的荷畦燃。 表2 - 2s o c 与开路电压e 之间对蝴 t a b l e 2 - 2 r e l a t i o n b e t w e e n s o c a n d o p e n - c i r c u i t v o l t a g e m 甜a b 软件中曲线拟合工具箱c f b o o l 具有强大的功能，能够对多种类型曲线拟合。根 据表中数据，利用最小二乘法原理，通过多项式拟合的方式，令e = 厂( x ) ，s o c = x ， e = f ( s o c ) ，因此得到s o c 与开路电压之间的关系式为： ，( 曲= 似8 + k 7 + 出6 + e x 5 + a 4 + 黟3 + 融2 + h + c ( 2 - 4 ) 利用m a t l a b t 具箱c f l o o l 计算求得拟合方程的系数，确定s o c 与开路电压的函数关系 式厂( 功，并且得到s o c 与开路电压的特性曲线，如图2 4 所示 黑龙江大学硕士学位论文 i i i ；i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i _ i i i i i i i i 盲 ( 工) = 一4 0 0 7 x 8 + 2 0 4 4 x 7 3 8 9 3 x 5 + 3 6 2 8 x 5 17 7 x 4 + 4 4 6 6 x 3 5 7 8 5 x 2 + 0 6 4 7 3 x + 3 2 0 3 之 i l l 图2 4s o c 与开路电压之间关系 f i g ：2 - 4 r e l a t i o n b e t w e e n 帅u i t v o l t a g e a n d s o c f o r l i l h k a - n b 缸t l e r y 磷酸铁锂电池的开路电压与s o c 在一定电压的范围内有较好的相关| 生，从图中2 4 可以看出在8 0 的s o c 集中在3 3 3 4 v 左右。 s o c 虽然能够准确的表征电池的剩余电量，但是目前没有一种方法能够准确的测量 电池的s o c 。由于电池开路电压与s o c 在定电压的范围内确蝴的相关性，因此在电 池组均衡电路中通常以电池的电压为均衡目标。 2 5 本章小结 本章首先介绍了几种常见的蓄电池，着重分析了磷酸铁锂电毽满牲及工作原理，然后 歹睛耋了几荆誉电池充电方式。通过乡寺析s o c 与开路电压的关系，提出了以电压为均衡目 标的均衡方式。 第3 章变换器分析及反激变换器的设计 第3 章变换器分析及反激变换器的设计 3 1 开关电源拓扑电路 随着科学技术的发展，各种电子设备的广泛应用在我们生活中，同样人们对其性能的 要求也越来越高，因此促进了开关电源的进步发展。开关电源拓扑电路种类很多，目前 比较常见有b u c k 、b o o s t 、推挽、正激和反涝妒翔。不同变换器电路结构不同，在性能方 面有很大的差异，应用在不同的领域，如表3 1 所示。 表3 - 1 各种劐奂器性能b 匕较 t a b l e 3 1c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tc o n v e r t o r s 二 7 _ l 制r 图3 - 1 b u c k 交懈 f i g 3 - 1b u c kc o n v e r 瞬 v o 黑龙江大学硕士学位论文 b u c k 是输出电压小于输入电压的降压变换器。如图3 1 所示。 开关管导通时，回路电流流过电感线圈l 对电容c 充电，电阻r 两端的电压为v 0 。 开关管关断时，电感l 中的磁场将改变电感两端的极性，流过电感的电流保持不变，通 过二极管d 形成新的回路。由于输入电流是脉动的，这将会引起对输入电源的电磁汗： 扰，而且开关管的发射极不接地，使其驱动较为复杂。 3 1 2b o o s t 变换器 图3 - 2 姗蛩捩器 f i 9 3 - 2b 0 0 s co n 它r t 日 b 0 0 s t 是输出电压高于输入电压的直流变换器，也称升压式变换器。如图3 - 2 所示。 开关管导通时，通过电感线圈l 的电流以磁能的形式存储在电感中，同时电容c 放 电，维持输出电压稳定。开关管关断时，电感l 中的磁场将改变电感两端的极性，流过 电感的电：i j i i 饵塌叼吱，电感线圈中磁能转化为电能，为电容充电。 3 1 3 推挽变掺皤 v ；n = ， 图粥推挽变换器 f i 9 3 1 3p i l m p m c o n 、，吲珂 推挽变换器有两组初级线圈( 如图3 - 3 所示) ，两个开关管交替导通，在整个周期内都 第3 章变换器分析及反激变按器的设计 向负载提供功率输出。q 1 、q 2 为开关管，在工作时个导通另个关断、d 1 、d 2 为二极 管，t r 为变压器，。 当开式孑l 驰1 导通时j 电源电压n 通过开关管q 1 加到圉班器初级线圈绕组n 1 1 的两端， 电能转化为磁能存储在绕鲴n 1 1 中，通过电磁感应作用变压器的次级也会产生相应比例的 电压，加载到次级负载两端。当q 2 导通时q 1 关断，电压加到初级线圈绕组n 1 2 的两端， 同样在变压器的次级也会产生同比例的电压，加到次级负载的两端。因为推挽式变压器：属 于双极型磁化极，磁心不需要气隙，因此相比于正激和反激变换器磁导率高，能量传递效 率高。 3 1 4 半桥燃 焐 图3 _ 4 半桥变换器 f i g 3 - 4h a l f - t x i d g ec c n v 嘲e r 半桥变压器的两个开关管轮流交替工作，在整个工作周期内向负载提供输出功率，其 输出功率约等于单变换器输出功率的两倍。q 1 、q 2 为开关管，在工作时个导通另一 个关断、d 1 、d 2 为二极管，c 1 、c 2 为储能电容，t r 为变压器，如图3 撕示。 电沥对电容c 1 、c ：2 充电，两个电容器相当于串联。当开关管q 1 导通时，电容器c 1 开始放电，电能转换为磁能存储在变压器的初级，通过电磁感匣作用变压器的次级也会产 生相应比例的电压，加载到次级负载两端。q 1 关断，q 2 导通时，电容c 2 加至峨沤器初级 的两端放电，电能转换为磁能存储在变压器的初级，通过电磁感应作用变压器的次级也会 产生相应比例的电压，加载到次级负载两端。由于半桥变压器的两个开关器件工作电压只 黑龙江大学硕士学位论文 有输入电压的一半，因此，半桥变换器比较适合应用在工作电匮较高的场合。 3 1 5 全桥变换器 v i i l 1 l _ _ j 划! n 1 一 _ 1 l 一 i 一 i 剑= v o 图3 - 5 全桥变换器 f i 9 3 - 5f u u - 蜥d g ec , o n v e 胞 r 全桥变换器啃两组开关管，在工作时细导通另组关断，两组开关管轮流工作。 q l 、q 2 、q 3 、q l 为开关管，q l 和c 4 一组，嘶口q 3 一组，t r 为变压器，图3 - 5 为全桥变 换器的原理图。 当开关管q 1 和q 3 导通时，电源电压加到变压器初级线圈n l 的两端，电能转化为磁 能存储在初级线圈中，通过电磁感应作用变压器的次级也会产生相应比例的电压，加载到 次级负载两端。当q 1 、q 3 关断q 2 、q 拿导通时，电源电压加到变压器初级线圈n l 的两 端，同样能转化为磁能存储在初级线圈中，通过电磁感应作用变压器的次级也会产生相应 比例的电压，加载到次级负载两端，产生_ 个大小与正半周相同，方向相反的电压。全桥 变换器存准挠安涝蟠电匮乖“用率高，又有半跪劐奂器耐高压的特点。因此全薛劐黼用 于工作电压较高，输出大功率的和场合。 hii 第3 章变换器分析及反激变换器的设计 v i n d l l v o 图3 石正溯躞懈 f i 9 3 - 6f o r w a r dc 0 9 腑 如图3 - - 6 所示，v m 是输入电压，v 0 是输出电压，n 1 是变压器的初级线圈，n 2 是变 压器的次级线圈，d 1 、d 2 、d 3 是二极管，q 是开关管，l 是电感，c 是电容。 当开关管导通时，电压v m 加到变压器初级，电能转化为磁能存储在初级线圈中，通 过电磁感应作用变压器的次级也会产生相应比例的电压，同时为电感l 、电容c 充电。 当开关管关断时，电容c 、电感l 开始放电，保证输出电压的稳定。在变换器的初级、 次级产生反向电动势，为了防止反向电动势将开关管击穿，在变压器中增加绕组n 3 ，来 吸收反电动势能量。 反激变换器具有结构简单、成本低、体积小、可多路输出等优点，被广泛应用在中小 功率电源中圈。 黑龙江大学硕士学位论文 t d v o 图3 - 7 反激燹抉器 f i 9 3 - 7f b 炯d cc 0 撇 输入电压加到初级绕鲴两端，当开关管导通时，能量存储在变压器中，在变压器的副 边没有向负载供功率输出，仅在开关管关断后，存储在变压器中能量才向负载提供功率输 出，这科唆溺燃为反测渡溺渺。 反浏躞澎嚏嬲图如图3 - 7 所示。是变压器的输入电压，圪是输出电压，c 是滤 波电容，丁是变压器，d 是二极管，q 是开关管，r 是电阻。由于电路结构简单，因此 反激玻墩嘲d 蕾于多路输出场合应用。反涝瘦蓣懿有连续和断续两种工作模式，断续横| 靛 在功率开关s 再次导通前，次级电流下降到零的工作漠式，与此相反即为连鍪枣够拶。 如图3 - 7 所示，开关管栅极被激励而导通时，输入电医匀嚏鹾曰明强国场哟醛强嗲器， 由于次级绕组的极性为上负下正，因此二极管d 截止，次级绕组回路中没有电赢流过， 负载电流由滤波电容提供。此时变压器原边绕组当于一个电感，设绕组p 的电感量为 厶，绩组胍的电感量为厶，则管导通期间流过初级绕组，的电流为： i p ( f ) ：孕f ( 3 1 ) 却 在t = t o 时，电流妨达至蜴 大值i p 。 拓一：堕( 3 - 2 ) t o z 口m a x = 一 厶 此时开关管关断，初级绕组开路，使得次级绕组的电压极性是匕正下负，二极管d 第3 覃变换器分析及反激变换器的设计 导通，导通期间存储在变压器的能量通过二极管向负载释放，同时对电容充电。此时，只 有变压器的副边工作，开关管关断期间流过副边绕组的电流： 玉( ) ：i s 。一_ v of (3-3) l 5 t = t 时，副边电流达至0 最小6 l c ： 良。妇：玉。缸一v o 铆( 3 - 4 ) 三 f = t 时刻，i s m i l l = 0 和玉曲 0 表示在开关管导通期间储存在磁场的能量还未释放完。匕述情况即反激变换器的 二种工作状态：连续状态和断续状拶。 ( 1 ) 断续状态( d c m ) r = t 时刻，变换器绕组中的电流早已衰减到零，在下一个周期q 重新导通时，p 中的电流昂从零开始按厶的规律线性e 升，如图3 8 所示。 图3 - 8 电深勘缚飘 f i g 3 - 8d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e 在开关管q 导通期间，加至岐濑l 器初级绕组p 的两端，初级绕组两端的电流线 l j 比t r m a r t = 厶，其中，厶是初绷电感。导通结束之前，初级电流e 升至 扫。= 厶。此时变压器储存的渤： 1 e = 去厶司2 ( 3 5 ) z 在个周期t 的时间内，其入功率为： 黑龙江大学硕士学位论文 | 1 p ：垡垄竺尘：( 3 - 6 ) 2 7 反浏豉涝器工作断续工作模式下，在开关管关断瞬间会产生很大的电压尖峰。即使鸯俞 出功率不是很大，关断瞬间次级有较大电流尖峰流入，在输出线电感产生较高的d i id t ， 从而会在输出地线e 产生严重的噪声。在断续模式下，留有定的死区时间，最大导通时 间与复位时间之和不超过整个周期的8 0 0 ，使得鼬心不易饱和。 ( 2 ) 连续状态( c a ) 截止时间幻小于绕组m 中的电流衰减到零所需的时间，绕组m 中的电流矗大于零， 在下个周期q 重新导通时，n e 中的电流扫从知面。开始按易的规律线性上升，这时 磁化电流挝哥谢鸯淞，如图3 - 9 所示。 图3 9 电流连续模式 f i 9 3 - 9c o n t i n u e sc u r r e n t m o d e 在c c m 模式下，电瀛喻终会流过反激变压器的绕组，初级电流波形和次级电流波形 都为阶梯形。在连续模式下，当负载电阻r 变大时，输出电压v o 也会变大，使得导通伏 秒数与关断伏秒数不相等，磁逋逐渐e 升，磁雌酗冬饱和，导致变压器损坏。 影响变压器能量的传递效率的因素有很多h ，例如：漏感，磁心损耗，磁滞损耗， 涡流损耗等。大多数变换器都采用铁氧体麟芯。铁氧体一般由氧化铁和锰或锌氧化物混合 第3 章变换器分析及反激变j 嗅器的1 焚计 构成，是种具有晶体结构的陶瓷性铁磁纬拌 o 因为具有很高的电阻率，所以苻黼体 来说，涡流损耗可以不考虑。 ( 1 ) 漏感分析 厶：筚妇( 3 - 7 ) ，z 厶为漏感，为空气磁导率，d 为两个线圈之间距离，g 为两个线圈之间的平均周 长，力为两个线圈之间的高度。 由公式3 7 可知，变压器的漏感与其初级匝数n 的平方成正比，与线圈的高度h 和 间隔d 成反比。因此减小线圈匝数和减小线圈之间距离可以减少漏感，同样，选取较大 的线圈也可以减少漏感。 ( 2 ) 磁渊员耗 由于铁氧体的磁芯损耗仅为嵇滞损耗磁；滞损耗又与磁、滞回线所包围的面积成正比，反 激变换器仅工作在第象限，电路的磁场是单极性的，那么在相同的峰值磁通密度下，磁 芯损耗仅为双极性电路的一半。 大多数铁氧体的铁损陬与磁感应强度a b 的2 7 次幂成正 匕 与开关频率多的1 7 次 幂成正比 r i = o - ：1 7 b 2 7 y ( 3 8 ) 仃为与铁磁材料性质有关的系数，y 为磁芯体积。 ( 3 ) 磁滞损耗 磁材料中的磁畴在外电场的作用下发生了“弹性 转动，当去掉外磁场时，磁喇乃能 恢复原来的方向；而另部分磁畴的转动要克服与磁畴壁的摩擦，当外嗷眩掉时，磁畴 不会恢复原来的方向，仍保持磁化方向。因此磁化时，将会产生两部分能量，部分能量 可以恢复，而另部分克服摩擦产生的能量，会以热量的形式散发出去，这就是磁滞损 耗。 ( 4 ) 涡遗菔愤耗 黑龙江大学硕士学位论文 i i i 将交流屯b 睡4 线圈两端，线圈中流过激励电流f ，磁芯周边存在电阻r ，产生损耗 i 2 r ，这就是涡流损耗。 涡流损耗与磁芯磁通变化率成正比。当导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，磁 通变换率越高，涡流就越大。导体的电阻率较小时，涡流损耗很大，产生热量。 集肤效应和邻近效应都是由涡流产生的。