（控制科学与工程专业论文）基于数字化控制开关电源的设计.pdf

摘要 基于数字化控制开关电源的设计 摘要 本文从实际需求出发，根据实验室科研电源的要求，通过对目前 市场上的电源性能进行比较分析，找出现有电源不足，进而引出课题 研究电源数字化的意义。 本文对主功率变换电路的拓扑结构进行研究，分析b u c k 电路的 具体工作原理。针对课题的设计需求，介绍目前主流多路输出的电路 拓扑结构，并选择课题所采用的主电路拓扑。对于主功率变换管的选 择及其驱动和保护技术，本文进行重点的研究，给出驱动电路的设计 依据，并对功率m o s f e t 的保护原理进行详细的分析，讨论主流的保 护方法，并给出r c d 保护电路参数选择的两种方法，最后进行具体的 实验验证，实验效果表明该方法切实可行。 精密输出是课题设计的重点，本文介绍几种常用低纹波输出的方 案，并进行理论分析对比，分析二级滤波电路在小信号模式下对输出 纹波的影响，最终选择b u c k 电路二级滤波的方式来降低输出纹波电 压的峰峰值。课题进行大量的实验，并给出实验波形，实验表明该方 案能够满足课题的设计需求。 电源的数字化是课题研究的重要组成部分。传统的模拟控制方法 不能很好的满足现代电源发计理念的需求，其体积大、运用器件多的 弊端与节约能源的要求也相背离。本课题采用t i 公司 北京化工大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 为核心，构成整个电源的控制系统。整机的调试和 测试表明课题设计的电源系统能够很好地满足实验室电源的需求。 关键词：开关电源，数字化，m o s f e t 驱动保护，二级滤波 a b s l r a c t t h ed e s i g n0 fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s e d o nt h ed i g i t a lc o n t r o l a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h er e q u i r e m e n to fl a br e s e a r c he l e c t r i c a ls o u r c e a c c o r d i n gt h ep r a c t i c a ld e m a n d i n g , a n d i n t r o d u c e st h e m e a n i n go f d i g i t a l l ye l e c t r i c a ls o u r c eb yc o m p a r i n gt h er e c e n te l e c t r i c a ls o u r c ei nt h e m a r k e t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fb u c ka n da n a l y s e st h e t o p o l o g ys t r u c t u r eo ft h em a i np o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h e d e s i g n i n gd e m a n d i n g ，t h i s p a p e ri n t r o d u c et h et o p o l o g ys t r u c t u r eo f m u l t i p l yo u t p u t a n dc h o o s e st h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r ea s m e n t i o n e di nt h ep a p e r t od r i v i n ga n dp r o t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e s e l e c t i o no fp o w e rt u b e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fd r i v i n g c i r c u i t i na d d i t i o n , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r o t e c t i o np r i n c i p l eo f m o s f e ta n dp r e s e n t st w ow a y so fs e l e c t i n gp a r a m e t e r so fr c da n d c o n c r e t ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b e c a u s eo ft h ek e yf a c t o r so fn i c eo u t p u t ，t h i sp a p e ra n a l y s e ss e v e r a l w a y so fo u t p u ti nl o wr i p p l e sa n dt h ee f f e c t i v e n e s sf r o mt h et w o s t a g e f i l t e rc i r c u i ti nt h em o d e lo fs m a l l s i g n a l f i n a l l y , t h i sp a p e rs e l e c t st h e i n 北京化工大学硕士学位论文 w a yo fb u c kt w o s t a g ef i l t e rc i r c u i t i no r d e rt ol o wd o w np i c k - t o - p i c k a m p l i t u d eo ft h er i p p l e s t h i sp a p e re x p e r i e n c e dl a r g e n u m b e ro f e x p e r i m e n t st oo b t a i nw a v e f o r ma n di tt u r n e do u tt h a tt h i sw a yc a nn e e d t h ed e m a n d i n go fd e s i g n t h ed i g i t a l l ye l e c t r i c a ls o u r c ep l a y sa n i m p o r t a n c ep a r ti nt h e r e s e a r c h t r a d i t i o n a ls i m u l a t i o nm e t h o dc a n n o tm e e tt h em o d e m c o n c e p t f o r t h e d e s i g n i n g o fe l e c t r i c a ls o u r c e t h i s p a p e ra d o p t s t h e t m s 3 2 0 f 2 812 d s pf r o mt 1w h i c hc o n s t i t u t e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e w h o l ee l e c t r i c a ls o u r c e t h em a c h i n ed e b u g g i n ga n dt e s t i n gp r o v et h a t t h ee l e c t r i c a ls o u r c ei nt h ep a p e rc a nm e e tt h ed e m a n d i n go fl a be l e c t r i c a l s o u r c e k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , d r i v i n ga n dp r o t e c t i o nf o r p o w e rm o s f e t , t w o s t a g ef i l t e r , d s p i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：起邋 日期：塑：篁：兰墨 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：皇! 坠丝日期：塑! ：篁：兰里 导师签名：耗坠整 日期：竺! ：羔：三墨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力电子技术的发展概述 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体- 米讲，这门技术是使用电 力电子器件对电能进行变换和控制的技术。随着社会日新月异的发展人们对电的 依赖程度越来越高，对电的需求也变得多样化、复杂化，这也在客观上推进的电 力电子技术的发展。 通常所说的电力主要有交流和直流这两种。但是这些电力往往是不能直接投 入到我们的日常生活当中的，这就需要进行电力的变换。如表1 1 所示电力的变 换主要分为以下四大类即交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。 课题主要研究的是交流到直流的变换过程。 表1 - 1 电力变换的种类 t a b l e l 2k i n do f p o w e rt r a n s f o r m a t i o n 趔 交流直流 输i 、 直流整流直流斩波 交流交流电力控制变频、变相逆变 电力电子技术的发展史其实就是电力电子器件的发展史。从1 9 0 4 年出现电 子管，1 9 4 7 年贝尔实验室发明了晶体管，7 0 年代后期，以门极可关断品体管 ( g t o ) 、电力双极型晶体管( b j t ) 和电力场效应晶体管( p o w e r - m o s f e t ) 为 代表的全控型器件迅速发展，这些器件的 h 现把电力电子技术推到了一个全新的 发展阶段。随着这些全控型器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断的 提高同时电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应 允而生，零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 为软开关的基本形式。从理 论上讲，采用软丌关技术可使丌关损耗为零，可以提高效率。随着开关频率的进 一步提高，电力电子装置的功率密度也将随之而提蒯1 1 。 电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅应用于一般工业，也，“泛的应用 于社会生产生活的其他各个行业。如大家所常见的工业用各种电机，为其提供动 力来源的都是电力电子技术产物。与我们生活密切相关的是各种电源，如笔记本 电源、手机电池充电器，还有一些娱乐工具如p s p 、m p 4 等等这些都离不丌电 力电子技术。因为这些电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电，但是 市电是不能满足我们的需求【2 】o 如今电力电子技术的发展已经日趋完善，对社会经济的发展产生着重大的影 北京化工大学硕士学位论文 响，它正使我们的生活变得越来越美好1 1 2 线性稳压电源和开关稳压电源概述 市 电 图卜1 线性稳压电源系统框图 f i g l - 1b l o c kd i a g r a mo f l i n e a rr e g u l a t e dp o w e rs u p p l y 线性稳压电源主要得名于其调整管工作在线性放大状态，所以称之为线性稳 压电源，它的发展已经走过几十年的历史，其设计技术已经十分成熟，产品稳定 度高，波纹小，且没有开关电源具有的干扰与噪音。线性稳压电源的结构框图如 图l l 。其工作原理：将市电交流电经过工频变压器变压，经过整流滤波电路得 到未稳定的直流电压，然后经过线性稳压电路，输出滤波电路及其反馈控制电路 的处理得到一个纹波及稳定性均能符合要求的直流稳压电源。这种电源满足许多 应用场合的要求，但是有着以下几个方面的缺点【3 】【4 l ： a ：体积庞大，重量大，耗费金属材料； b ：效率很低，一般设计的线性稳压电源效率只有3 0 左右，浪费大量能源 与建设节约型社会的理念相背离； c ：由于其工作频率为工频，所以滤波电容需要选取很大的容量； 造成上述缺点的原冈主要有如下几个方面： ( 1 ) ：采用工频变压器，这就使得电源的体积和重量增加很多，工频变压器的 效率仅在8 5 左右，这样也使其效率降低。变压器主要由铜线绕制而成需要耗费 大量的有色金属铜。 ( 2 ) ：调整管在电源整个工作过程中是处于晶体管特性曲线的线性放大区，调 整管自身功率与输出电流成正比。这样调整管自身的功耗就会随电源的输出功率 的增大i 面增大，当损耗增加时这部分能最将以热的形式释放出来，从而使得调整 管急剧发热。为了保证电源能够正常工作，一股需选用大功率管子，此外还必须 给管子加上较大的散热片。 ( 3 ) ：为了得到纹波很小的优质电源，这就必须加大输出滤波电容的容量。因 为线性电源工作在5 0 h z ，要降低输出纹波电压峰峰值，只能通过增加电容容量 2 第一章绪论 这一途径实现。 线性稳压电源有如此的鲜明的缺点，效率低、体积大、较笨重，随着社会的 发展越来越不能满足人们需求，这就需要一种转换效率高，小犁轻便的新犁装置。 特别是在发生世界性能源危机的年代，各个国家都在提倡节约能源，过低碳绿色 健康生活，如何节能降耗引起人们广泛关注。除在特殊应用场合，线性电源将逐 步淡出人们的视野。随着电力电子技术、新型控制器件及控制技术的发展日趋成 熟，电力电子装置的集成度不断增加，功率密度不断增加，使得人们对效率高、 小型轻便、性能良好的新型电源需求变得具有现实可行性，同时这些需求也成为 开关电源技术不断向前发展的源源动力。按照唯物主义观点这也是事物发展的必 然。 至2 0 世纪7 0 年代中期以来，无工频变压器的开关电源技术风靡全世界各工 业化较发达的国家。与传统的线性稳压电源相比，这种电源舍弃笨重的工频变压 器，并且功率管处于开关状态而非线性放大状态。功率管的工作频率都是在 2 0 k h z 2 m h z ，效率大大的提高，而体积和重量向小型化轻量化方向发展。以 m o s f e t 开关功率管举例，当开关饱和导通时，漏极( d r a i n ) 和源极( s o u r c e ) 两端的压降接近为零，在开关管截止时，其漏极电流基本为零，所以它消耗的功 率非常低，效率也就随之提高，一般可以达到7 0 9 5 。在散热方面，也省去 了线性稳压电源巨大的散热设备，开关电源的开关管体积小、质量轻、功耗也较 小，所以散热器也随之减小。此外，由于工作频率火都已经达到几十千赫兹，滤 波片j 电容器、电感器可用较小的数值元件，允许的环境温度也可以大大的提高， 加以散热的风扇，机内温度大为降低，提高整机的稳定性和可靠性。与传统线性 电源相比，其对电网的适应能力也大幅度的提高，一般的串联稳压电源允许电网 波动范围大概为2 2 0 v _ 1 0 ，而开关型电源在电网电压从9 0 v 一2 6 4 v 范围内变化 时，都可以获得稳定的输出电压。设计电源时还会加入功率因素校正技术，使电 网的谐波大大减小，降低无功功率的损耗，从而提高电网的使用效率，满足现在 节能减排的需求。 开关电源向着高频化、模块化、高效率、数字化的方向发展。数字控制是开 关电源发展的一个新的方向，输出电压仍然采用传统的模拟方式输出，但是对开 关功率管的控制采用先进数字化控制技术，利片j 先进的算法控制实现高精度高稳 定度电压输出。人机界面友好、操作方便、容错能力强是智能化电源的特剧5 。7 。 1 3 开关电源的数字化控制技术 传统的电源系统一般均采用的是模拟控制，经过多年研究和实验，采川模拟 3 控制技术f 日 u 洲- 技术l 经m 伟成熟，f h 是樘拟控制晌缺点也彼叫盐，系统需要人 醚神外、i 兀器m 兀器件的数埘多意眯拧制造成本高。大量的樱拟元器件使得系 统设计复加，逃而导皴战障榆测和维修比较幽难。器件老化i u 题手温漂问题以 技易蹙纠、境1 扰等豢 i i j 会船响控制系统的k 期稳定性。采用模拟技术制作的电 源f 纠- 境适m 件诎西，k 呐f t 州后会：h i 见偏差，使用较为小便。北车 级的产 l f ，价 较为蹦贵，般吱蝓书1 1 经济上难以乐受。 模拟量 “d 丰功率变换器 故障检测电路 数￥量 】仨 单片机 保护信号 m 叫 数字量 输m 智紧蛳 赫& m 自镕 # e # m & p 嘴 【控错阜用葚片 d a 图卜2 ；l 拟控孙u 源系统 f i g l 一2a n a l o g c o n t r o lp o w e r s u p p l ys y s t e m 擘用模拟壤成控制芯”的出现简化捧制环仃的靛讣，提商系统的的开关频 率简甲的外用电路岬n ，直接构成具有校i e 州、竹的模拟调肯器f u 路的i t 靠盹轻 普增加。幽i 2 是典型的传统模拟控制电源系统框图，经媳的p w m 模拟拄制集成 薛片s g 3 5 2 4 、t l 4 9 4 只有i n 压输山反馈，随着技术的进步逐渐发艇出现电流型控 剌的集成争用芯，自】u c 3 8 4 2 、u c 3 8 4 6 等f g l 。电流型控制方式增加i u 流反馈环， 负或的动态响应效粜更好。与传统的模拟控制相比分立元什大大的减少，但是系 统们然需璺h 栉儿，返样模拟拄剖电路的何缺陷就不刈避免。如】儿件参数的 梢度和一致性、儿刊老化等。此外，模拟集成控制匕片木身存在； 芋集成度低、控 制币够灵活、通丌j 队小曲：博衅问题。h 前的模拟栉捌下段已豁大大擀后j 控制 川论f n 发胜，川攒_ v ! = l i u 料求宴脱复朵、先进的托制并池非常闻难，模拟控制的局 h 性已经越来越i 啦? 高述d s p ( 数卞信0 址碰貅) 连渐廊玎 ，町以l q 冠的兜 【i 艮模拟控制的返此缺陷，艇j j 控制艘| j 、现连径将会蹙褂摘单，数宁：控制技术波 0 人删代也游系统当i 。r 心j - 3 足典型的数字挖制屯源系统框图，豳i ，一所川船故 # 信号挖制芯址指丌jj ”父i b 源的d s p ；占m 比如徽芯的d s p i c 3 0 f 4 0 li 咀殷 * 章绪论 t i 的d s p 2 8 1 2 等芯片，片内集成高速a d 转换器和多路p w m 发+ f 电路以及其他 牡传统模拟电源需要靠分一元件寅现的功能。 输入输出 ， 主功率变换罂 嗍隔离驱动电路 故障监测电路输出倩号隔离反馈 、一 r p 肼信号故障信叶 模拟量 通信扎 数字控制专甩巷片 图卜3 现代数字控制电源系统 f i g l - 3m o d e m c o n t r o l l e dp o w e r s u p p l ys y s t e m 数字控制给电源设计带来革命性的变革，电源系统设计变得简单，通用性增 强，系统的体积也越来越小，效率与传统电源相比提高4 0 以r 。电源设计的数 字化无疑是这一技术领域未来技胜的 要方向。就电源系统设计| f _ 言，虽然数字 控制模的优点是显而易见的，但在数宁控制系统设训- h 也有咀下几个问题需 要设计者考虑。j ： i 存捧! 制与调节方面，数字电源将遇到很大的挑战。首先是反馈回路的设计， 数字电源开关频率变高很多则要求更快的数据采样速率，般数字屯源都会采用 先进的控制算法，对控制芯片运算速度要求会显著的增加。 2p w m 波占空比的分辨率的问题。在芯片的时钟频率固定的前提下，想要 提高p w m 的分辨率就要降低其频率，反之亦然，二者是不可兼得的。因此如果 既想提高频率，又要保i 精度，解决这一脚题的办法目前只能是提高芯片自身的 时钟频率。 3 变换器的开关动作对数字采样的t 1 扰，榆测和| 十算的量化误差导致控制精 立的显著f 降，以及开关功率变换器的数字控制的数学模型理论研究的继续深 入。 电源系统的数字化研究j d = 处十起步阶段，目前这一技术迁不够成熟，要文现 低成本在现阶段有若较大的困难，所以数宁电游要完全取代模拟电源在未来短时 i a j 内是难以实现的。耍实现高频jf 戈电源的数字化实时控制，特别是想要采用现 代控制理论叶 提出的先进控制方法和策略，以取得比传统的模拟控制更加优越的 拧制特性，在这一问题 。还需要进行大肇深入的研究。 北京化工大学硕士学位论文 1 4 课题设计要求及研究的主要内容 课题属于实际需求开发课题，针对高校实验室的普遍需求，开发一款电源。 该电源要求具备网路输出分别为：0 - 3 0 v 两路、固定输出一路( 5 v 3 3 v 切换输 出) ，所设计电源的负载电流小于等于3 a ，采用人机交互界面，使用者通过面板 设定目标输出电压，最小步幅按钮设定值为0 0 5 v ，有选择按钮区分是否为毫伏 级电压输出。显示采用液晶点阵输出，能够实时的显示设定目标输出电压和实际 输出电压，运用l e d 灯显示电压电流过载信号。相关的技术参数如表1 2 所示。 表1 - 2 电源技术参数 t a b l e l 2t e c h n i c a lp a r a m e t e ro f p o w e rs u p p l y 输入电压2 2 0 v 1 0 输出路数 4 路 输出电压0 一 3 0 v 两路，5 v ，3 3 v 额定功率3 0 0 w 负载稳定度 3 电压稳定度 l 最大负载电流 3 a 输出纹波 3 0 m v 噪声3 0 d b 效率 8 0 保护短路，过载 使用环境温度要 1 5 8 5 求 平均无故障时间1 0 0 0 小时 质量( 毛重) 1 8 k g 其它相关设计要求如下： 机箱外形尺寸：3 8 5x2 0 4 1 6 5 ( m m ) 机箱外壳材料：铁面板为p p 0 机箱颜色：银白色 输入方式：黑色a c 2 2 0 v 三芯插座；三芯电源线一根( 2 米) 输出方式：输出电源线为3 对6 跟分红黑两色，红为正极输出黑色为负极 输出。每根线径( p2 m m 或者( p2 5 m m ，采用阻燃线，输出线头 带有输出环。 本课题米源于学校实验室的具体需求，针对实验室的具体要求，力求开发一 套功能完善、精度高、高集成度度、稳定可靠的高精度数字化控制的开关电源， 该电源要既能满足实验教学要求，还要能满足如电子设计大赛，研究牛课题的开 展等方面的科研要求。 6 第一章绪论 围绕着图1 3 课题主要研究以下几个部分的内容，文章第二章研究主功率变 换电路拓扑结构的以及功率器件的选型等。文章第三章研究p o w e rm o s f e t 驱动保护电路的特点以及要求，并设计驱动电路最后给出具体的实验结果。从系 统的纹波角度出发，阐述在高开关频率下功率管自身的保护问题，重点研究r c d 吸收电路，分析具体参数数值的选取办法和计算公式，进行大量的实验分析，并 给出具体的实验效果图。 文章的第四章节主要进行精密输出电路的研究，针对开关电源纹波系数较大 的特点重点研究了几种降低纹波输出的办法，经过理论分析选择二级滤波网络作 为课题的实现低纹波输出的具体技术手段，并对b u c k 电路的二级滤波网络进 行了小信号分析。 文章的第五章给出系统的软件设计流程和一些接口电路的设计，第六章主要 进行样机整机的测试分析，经过样机测试表明纹波电压峰峰值在3 0 m v 左右，满 足课题的设计要求。 7 第：章电源主电路拓扑及控制方式选择 第二章电源主电路拓扑及控制方式选择 2 1 开关电源的主功率拓扑结构 开关电源主电路的拓扑结构核心为d c d c 变换器，通过调整变换器当中 的主功率器件导通与关断的时间来实现能量变换，它是整个开关电源的核心。开 关电源的种类划分有许多种依据，比如说按激励方式可以划分为它励式开关稳压 和自励式开关稳压电源；按照储能电感的链接方式分类又可以分为串联型开关稳 压电源和并联型开关稳压电源；按照输入与输出之间是否带电气隔离分为隔离式 和非隔离式两种变换器。非隔离式变换器输入输出之间不带电气隔离，其拓扑结 构主要有如下几种：b u c k 、b o o s t 、b u c k - b o o s t 、c u k 、z e t a 、s e p i c 等。隔离式拓 扑结构主要有几下几种：正激变换器、反激变换器、推挽式变化器、半桥变换器、 全桥变换器。下面选取隔离和非隔离各三种电路拓扑结构分析其工作原理并说明 其运用场合。 l ! ! - r 图2 1b u c k 变换器 f i g 2 - 1b u c k c o n v e r t e r 图2 1 为b u c k 变换器电路原理图，图中用的功率管为m o s f e t ，在t = 0 时刻驱动m o s f e t 导通，电源e 向负载供电，负载电压u 0 = e ，负载电流i 0 按指 数曲线上升，到f l 时刻，控制m o s f e t 关断，负载电流经二极管d 1 续流，负 载电压珈近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小， 通常串接三值较大的电感。 至一个周期丁结束，在驱动m o s f e t 导通，重复上一周期的过程。当电路 工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为： f， u o = 二l e = 堑e = a e ( 2 1 ) t ，+ t 孵t 式中，o 为m o s f e t 处于通态的时间；o 为m o s f e t 处于断态时间；t 为开 关周期；口为导通的占空比。 由上式可知，输山到负载的电压平均值“最人值为e ，若减小占窄比口， 则“随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。对降压斩波电路进行解析如 9 北京化工大学硕士学位论文 三堕+ 尺五：e( 2 2 ) d t 1 设次阶段电流的初值为。，f = l r ，解上式得 = 厶。p 一：+ 丢( 1 一p 一：) ( 2 3 ) 在m o s f e t 管处于断态期间，设负载电流为i 2 ，可列出如下方程： 三堕+ r 厶：0( 2 4 ) 设此阶段电流的初值为1 2 。，解上式得 之= 厶护 7 ( 2 5 ) 。= 之( ，2 ) ( 2 6 ) 厶。= ( ) ( 2 7 ) 驴f ，红e ， - 1 ) 墨r 亿8 ， 驴l ( h l _ e 叩- ) l e 仁9 ， 根据以上分析可知。和1 2 。分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值，将 1 1 0 小警= 厶 ( 2 1 0 ) l o 第一章电源主电路拓扑及控制方式选择 er 图2 - 2b o o s t 变换器 f i g 2 - 2b o o s tc o n v e r t e r 升压斩波电路的原理图如图2 2 所示，电路中全控型器件仍然采用p o w e r m o s f e t 功率管。分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感三值 很大，电容c 值也很大。当v 处于导通状态时，电源e 向电感充电，充电电 流基本恒定为，同时电容c 上的电压向负载r 供电，因为c 值很大，基本保 持输出电压为恒值。设v 处于通态的时间为乞。，此阶段电感三上储蓄的能量 为甄乞。当v 处于断态时e 和三共同向电容c 充电，并且向负载r 提供能量。 设v 处于断态的时问为锄，则在此期间电感三释放的能量为( u o e ) i t t o 矿。 当电路工作于稳态时，一个周期r 中电感积蓄的能量和释放的能量在数值上 是相等的，即 e i t t 。= 帆一e x f 0r ( 2 1 1 ) 化简上式得到： u o t o + t o y e ：三e ( 2 1 2 ) 1 0 f f1 0 f 上式中的丁o l ，输出电压高于电源电压。 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是三 储能之后起到使电压泵升的作用，二是电容c 可将输出电压保持稳定。在分析 的时候，认为v 处于导通期间因电容c 的作用使得输出电压不变，但是实际 上c 的数值时不可能无穷大，在这个过程当中c 向负载供电，砺必然会有所下 降的，故实际输出电压会略低于( 2 1 2 ) 计算结果。 r 图2 - 3s e p i c 斩波电路 f i g 2 3s e p i cc o n v e r t e r 图2 3 为s e p i c 斩波电路的原理图。在s e p i c 电路中全控型器件仍然选用 北京化工大学硕士学位论文 p o w e rm o s f e t 进行理论分析。当功率管v 处于通态时，e _ 己l _ v 同路和c l - v _ 2 回路同时导电，工l 和三2 储能。当功率管v 处于关断状态时，e i i v d 一负载回路及三2 - v d 一负载回路同时导电，此阶段e 和厶既要负载供电， 同时也向c l 充电，c l 储存的能量在开关管v 处于导通状态时向三2 转移。 s e p i c 斩波电路的输入输出关系可由下式给出： 阢：生e ：l e ：旦e ( 2 1 3 ) 、t 哂j l ? 一t o f f 1 一a s e p i c 电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入输出滤波并且使输 出电压的极性为正。 图2 - 4 单端正激d c d c 变换器 f i g 2 4s i n g l e - e n d e df o r w a r dd c d cc o n v e r t e r 单端正激d c d c 变换器的电路拓扑如图2 - 4 所示。在图中，变压器起隔离 和变压的作用，在输出端要加一个电感器l o ( 续流电感，起能量的存储及传递 的作用) ，变压器的初级需要复位的绕组n ，。在实际的使用巾，此绕组也可以用 r c d 吸收电路取代。输出回路需要有一个整流二极管和一个续流二极管如图所 示。若变压器使用的是无气隙的磁芯，则其铜损耗较小，变压器的温升也比较低， 并且输出的纹波电压也比较小。 图2 - 5 双箭反激d c d c 变换器 f i g 2 5d u a ls w i t c hf l y b a c kd c d cc o n v e r t e r 双管反激d c d c 变换器的电路拓扑如图2 5 。在图中t l 起隔离和传递储存 能量的作用，即在开关管q l 、q 2 开通时n p 储存能量，开关管关断时n pi 句n 。 1 2 第二章电源主电路拓扑及控制方式选择 释放能量，同时n o 的漏感将通过v d 2 、v d 3 返回给输入端，可省去r c d 漏感 尖峰吸收电路。在输出端要加电感器三。和c o 电容组成的低通滤波器。输出回路 中需要一个整流二极管v d l 。双管反激d c d c 变换器的工作特点如下： 在任何工作条件下，为使两个开关管所承受的电压不超过u 。+ u d ，v d 2 、 v d 3 必须是快恢复管； 在反激开始时，存储在原边漏电感的能量会经过v d 2 、v d 3 反馈回输入 端，系统能量损失小，效率高； 与单端反激变换器相比，无需r c d 吸收电路；功率器件可以选择较低的 耐压值，功率等级也会很大： 在轻载时，如果“开通”周期内储存在变压器原边绕组中能量过多，那 么在“关断”周期内会将过多的能量反馈到输入端； 两个开关管的工作状态一致，下管的波形会优于上管的波形。 v w 图2 6 半桥电路拓扑图 f i g 2 - 6h a l f - b r i d g ec i r c u i tt o p o l o g y 在半桥电路中，变压器一次侧的两端分别连接在电容c i 、c 2 的中点和功率 管q l 、q 2 的中点。电容c l 、c 2 的中点电压为u 以。q l 、q 2 交替导通，使得 变压器一次侧形成幅值为u 以的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二 次侧整流电压蝴的平均值，也就改变了输出电压的幅值。q 1 导通时，二极管 v d l 处于通态，q 2 导通时二极管v d 2 处于通态，当两个开关管都关断时，变 j 玉器绕组w i 中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组w 2 和w 3 中的 电流大小相等、方向相反，所以v d l 和v d 2 都处于通态，各分但一半的电流。 q 1 或者q 2 导通时电感三的电流逐渐下降。q l 和q 2 断态时承受的峰值电压均 为u 。 由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称l 酊造成的变 丛器一次电压的直流分量有自动平衡作用，凶此不容易发生变上& 器的偏磁和直流 磁饱和。 为了避免上下两个开关管在换流的过程中发生短暂的同时导通现象，造成短 北京化工大学硕士学位论文 路损坏开关管，每个开关各自的占空比不能超过5 0 ，并且必须留有一定的裕量。 当滤波电感l 的电流连续时，有 u o 一2t o u t n i r ( 2 1 4 ) 如果输出电感的电流不连续，输出电压将高于式2 1 的计算值，并随着 负载减小而升高，在负载为空载的极限状况下将为 u o 一器 亿。5 ， 2 2 多路输出开关电源拓扑结构 在许多实际运用场合往往希望一台电源具备多路输出功能，这样既方便调试 等工作的进行，在一定程度上更能减少电源之问相互干扰，还能降低所从事工作 的成本。纵观我们设计电源的过程，选择拓扑结构是一项重要工作，在设计周期 开始阶段一个好的电路拓扑结构地选择将会直接影响设计系统的输出性能指标 和设计的复杂程度【l i 】。 在现代设计电源过程中已有成百上千种行之有效的电路拓扑结构可供选择， 但是选择具备多路输出的拓扑结构仍然是较困难的事情。论文研究了几种具有典 型多输出的电路拓扑，简述他们各自的优缺点。 如图2 - 7 ( a ) 所示这一拓扑结构的每一路输出都是一个彼此都独立的完整的正 激变换器。它具备如下几个优点：1 ) 所有输出可以实现精密调整；2 ) 所有输出 相对于负载而言相互独立；3 ) 为了降低输入电源的噪声装置可以实现同步运行 和一定角度的相移；4 ) 包括对小信号能实现完整的可预测性操作。但是这一结构 也有它自身的固有缺陷：1 ) 多路输出变换器之间的噪声使得设计变得异常的复 杂；2 ) 在多路输出拓扑结构当中这一拓扑结构所用的元器件数目最多；3 ) 所有 的输出电源都必须经过隔离才能进行处理，设计成本增加。 如2 - 7 ( b ) 图所示的拓扑结构中仅用了一个隔离变压器，这在磁材料占成本 比重较大的电源设计中具备了较大优势，而功率管在封装上逐渐减小，性能逐渐 提高而价格越来越便宜的今天，磁材料似乎在电源中所占的空间最大花费也最 大。这一种拓扑的结构的优点是：1 ) 输出可以实现精密调整；2 ) 输出相对于负 载足相互独立，一路失效不会影响其它电路的工作；3 ) 仅使用单一隔离变压器； 4 ) 为了降低总线的噪声，装置能够实现同步运行。单端隔离这种拓扑结构的缺 点如下：1 ) 每路输出的电源其都必须经过两次变换；2 ) 变换器之间的噪卢同样 使得设计变得异常凼难；3 ) 相互隔离的输出之间弹性较小。 1 4 第二章电源主电路拓扑及控制方式选择 a ) b ) c )d ) 图2 7 多路输出拓扑( a ，b ，c ，d ) a ) 各路运用独屯的前向变换器 b ) 单端隔离多负载变换器 c ) 带有辅助总线的双功率级输出变换器 m 主输出精密调整辅助输出具备独立开关变换器 f i g 2 - 7m u l t i p l eo u t p u tt o p o l o g y ( a ，b ，c ，d ) a ) e v e r yo u t p u tu s ed e p e n d e n tc o n v e r t e r ”i s o l a t e ds i n g l e - e n d e dm u l t i l o a dc o n v e r t e r c ) d u a lo u t p u tp o w e rs t a g ew i t ha u x i l i a r yb u sf o rm u l t i p l eo u t p u t d ) f o r w a r dc o n v e r t e rw i t hr e g u l a t e dm a i no u t p u ta n di n d e p e n d e n ts w i t c h e so na u x i l i a r y o u t p u t s 图2 7 ( c ) 这种拓扑结构是带有主输出和辅助输出形式，这一拓扑结构的最 主要优点是我f l - n y 以通过初级变换的占空比来实现输出的精密调整并且去除了 主输出电路上串联的功率开关管。在辅助输出端，串联一个二极管在功率管后面。 主要缺点是对于每一路输出需要相互独立的p w m 控制器；辅助输出的工作周期 必须要比主输出的t 作周期短，这样就会出现瞬态控制的问题，使得系统复杂度 增加；初级控制不能运用电流控制模式。 图2 7 ( d ) 为带有辅助总线的多输出拓扑，主输出的电源只经过一次变换， 北京化上大学硕士学位论文 使得效率最大化，输出的调整靠初级的p w m 控制来实现。辅助输出是通过耦合 电感和变压器来提供预调整的总线电压，而根据负载的状况不同辅助总线上的电 压是变化的。辅助输出也是可以通过对自身变换器的调整实现精密地控制输出电 压的大小。 2 3 开关电源的控制方式 2 3 1 脉宽调制技术 脉宽调制技术( p w m ) 的发展已经经过几十年的时间，其技术已经十分成 熟。其电路简单，控制方式简便，目前已经出现了大量专门的脉宽调制器，最为 经典如s g 3 5 2 5 等脉宽控制器。运用p w m 技术的变换器一般的频率都是3 0 k h z 左右，选用的开关功率管一般也是m o s f e t 居多。在这个应用层面上，所设计 的产品无论在质最、可靠性、产品价格还是重量上都可以说达到了完美的程度。 p w m 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。 但是p w m 技术有其固有的缺陷，这些缺陷已经限制了它的进一步发展。其主要 缺点主要表现在以下几个方面：1 ) 功率管在开通和关断的过程中，电流和电压 的波形重叠，产生了开关损耗，并且这个损耗随着开关频率的增加和设计产品的 容量的增加而增加：2 ) 电路中的寄生参数没有处理，寄生电感和寄生电容在高 频时会产生巨大的电压尖峰和浪涌电流。开关损耗是由于电流电压的重叠，二者 的乘积就是损耗，不让这二者重叠问题就有可能得到解决。寄生参数的问题是否 可以考虑在电路设计里面融入这二者，使得寄生电感和寄生电容成为电路可靠工 作的一部分，这样第二个问题也有可能得到解决，基于上述分析人们提出谐振变 换技术。 2 3 2 谐振变换技术 谐振变换器就是利用谐振原理使开关两端的电压或者电流在一个周期的某 个时间段呈正弦规律变化，电压和电流波形错开，使得电路具备了z c s 或者z v s 的变换条件，使得功率管自然导通或者关断。在零电压或者零电流条件进行导通 和关断状态的转换使主功率管在开通和关断的过程中的损耗将大为降低。一般的 准谐振电路分为如下几种：第一种是零电压丌关谐振电路( z v sq r c ) ：第二种 是零电流开关准谐振电路( z c sq r c ) ；第三种零电压开关多谐振电路( z v s m r c ) 等。图2 8 给出了上述三种谐振电路的基奉开关单元1 1 1 。 1 6 第一二章电源主电路拓扑及控制方式选择 a )b )c ) 图2 - 8 准谐振电路的基本开关蕾元 a ) 零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路的基本开关单元 c ) 零电压开关多谐振电路的基本开关单元 f i g 2 - 7b a s i cs w i t c h i n go fq u a s i r e s o n a n tc i r c u i tu n i t 钔b a s i cs w i t c h i n gu n i to f z e r ov o l t a g es w i t c h i n gq u a s i - r e s o n a n tc i r c u i t b ) b a s i cs w i t c h i n gu n i to f z e r oc u r r e n ts w i t c h i n gq u a s i - r e s o n a n tc i r c u i t c ) b a s i cs w i t c h i n gu n i to f z e r ov o l t a g es w i t c h i n gm u l t i p l eq u a s i - r e s o n a n tc i r c u i t 相对于传统的p w m 变换器，准谐振变换器有如下几个优点：1 ) 电路寄生 参数被纳入谐振元件，较大程度的降低电路损耗，寄生电感和寄生电容中存储的 能量会通过谐振回馈到电网中去，而不是被附加的吸收电路吸收并以热的形式散 发；2 ) 准谐振变换器实现了功率管的零电压或者零电流的开通关断，从而使得 开关损耗大大降低：3 ) 开关噪声大大下降。但是准谐振变换器也有一些负面的 问题：1 ) 谐振电压的峰值很高，这就使得在选择功率管时器件的耐压数值必须 大幅度提高；2 1 谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换， 造