（微电子学与固体电子学专业论文）非对称半桥式数字开关电源设计.pdfVIP

摘要 摘要 非对称半桥电路结构采用脉冲宽度调制技术，具有易实现零电压软开关的优点，可广泛应用于 家用电器和汽车电子中小功率电源领域，能够满足开关电源小型化、轻量化、模块化的发展趋势。 非对称半桥具有开关电压应力小，结构简单，所用元器件少等优点，应用范围十分广泛。因此，研 究非对称半桥对于开关电源的发展具有重要的意义。 论文在比较分析了几种主要的开关电源拓扑模式优缺点的基础上，选择了非对称半桥作为主电 路结构。论文深入讨论了非对称半桥零电压软开关拓扑的工作原理，详细分析和设计了确保零电压 开关实现的两个重要参数：谐振电感和死区时间。然后进行了总体设计，包括系统主电路和控制反 馈回路的设计，系统电路模块的实现方案等，重点给出了决定系统稳态和动态性能的补偿网路的设 计，用m a t l a b 仿真验证数字p i d 算法，从而实现了频率补偿后的系统的稳定性。对非对称半桥电路 进行了详细设计，包括电路结构设计、元件参数计算和元器件选取。根据制作的p c b 电路板，对非对称半 桥电路进行了调试和测试，并在调试的过程中不断地优化元件参数以提高系统的性能。 测试结果表明，在全负载范围内，非对称半桥电路满足效率大于8 5 的要求。在满载时，输出 直流电压为2 0 0 v ，最大纹波电压为1 8 v ，输出电流为1 5 a ，测试波形和s a b e r 仿真相一致，性能参 数均达到了系统的设计指标。 关键词：非对称半桥，零电压开关，脉冲宽度调制，软开关，电源 a b s t r a c t a b s t r a c t n e a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec i r c u i tc a ne a s i l yr e a l i z et h ez g r ov o l t a g es w i t c h i n gw i t ht h ep u l s ew i d t h m o d u l a t i n gt e c h n i q u e i tc a l ls a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs u p p l yf o rs m a l l e r , l i g h t e ra n dt h e m o d u l a r i z a t i o nc o n v e r t e r i t sw i d e l ya p p l i e di nt h ed o m e s t i ce l e c t r i ca p p l i a n c e sa n da u t o m o b i l ee l e c t r o n i c w i t ht h ea d v a n t a g e so fs m a l ls w i t c hv o l t a g es t r e s s ，s i m p l es t r u c m r ea n df e w e rd e v i c e ，t h ea p p l i c a t i o no f a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec i r c u i ti se x t r e m e l yw i d e s p r e a d s oi t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ea s y m m e t r i c a l h a l f - b r i d g ez v s c i r c u i t s e v e r a lk i n d so fp o w e rs u p p l i e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nt h et h e s i s f i n a l l yt h ea s y m m e t r i c a l h a l f - b r i d g ez v sc i r c u i ti sc h o s e na st h em a i nc i r c u i t t h ep r i n c i p l eo fa s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec i r c u i ti s t h o r o u g h l yd i s c u s s e d t w oc i r c u i tp a r a m e t e r sr e s p o n s i b l ef o rm a i n t a i n i n gt h ez v so p e r a t i o na r er e s o n a n t l e a k a g ei n d u c t a n c ea n dt h ei n t e r l o c k ( 1 e a dt i m e t h e nt h es y s t e md e s i g ni sd i s c u s s e d i n c l u d i n gt h es y s t e m m a i nc i r c u i t ，t h ec o n t r o lf e e d b a c kr o u t ed e s i g na n dt h es y s t e mc i r c u i tm o d u l er e a l i z a t i o n e m p h a s i si sp u t o nt h ec o r r e c t i v en e t w o r kd e s i g n , o nw h i c ht h es y s t e ms t a b l es t a t ea n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea r e d e c i d e d t h em a t l a bs i m u l a t i o ni su s e dt oc o n f i r mt h es y s t e ms t a b i l i t ya f t e rf r e q u e n c yc o r r e c t i o no fd i g i t a l p i d m o r e o v e r , t h ed e t a i l e dd e s i g np r o c e s so fa s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ei si n t r o d u c e d i ti n c l u d e sc i r c u i t s t r u c t u r a ld e s i g n , p a r tp a r a m e t e rc o m p u t a t i o na n dp r i m a r yd e v i c es e l e c t i o n f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep c b b o a r d ，t h ed e b u g g i n ga n dt h et e s to ft h ea s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ez v sc i r c u i ti sc a r d e do n a n d o p t i m i z a t i o no ft h ep a r a m e t e rh a sb e e nt a k e nt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mi nt h ed e b u g g i n g p r o c e s s w h e nt h ea s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ez v sc i r c u i ti sa tt h ef u l ll o d e ，t h ee f f i c i e n c yi sa b o v e0 8 5 ，t h e o u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n ta r e2 0 0 v , 1 5 ar e s p e c t i v e l ya n dt h em a x i m u mr i p p l ev o l t a g ei s1 8 v t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h et e s t p r o f i l ei s c o n s i s t e n tw i t hs a b e rs i m u l a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e rh a s a c h i e v e dt h es y s t e md e s i g nt a r g e t k e yw o r d s ：a s y m m e t r i c a lh a l fb r i d g e ，z v s ，p u l s ew i d t hm o d u l a t e ，s o f ts w i t c h , p o w e rs u p p l y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另l j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 至! 整 日期： 皇堂生2 旦墨旦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：卑导师签名：幽 日期： 堕：墨挈 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖下匕 1 1课题的研究背景及研究意义 目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的电源逐渐被开关电源取代【l l 。开关电 源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达7 0 - - - - 9 5 ，稳压器体积小、重量轻，调整 管功率损耗小，散热器也随之减小。电子装置的小型轻量化关键是供电电源的小型轻量化。因此， 需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源基本上是半导体器件的开关工作，从理论上讲是低 损耗的，但是半导体开关工作也必然存在开关损耗，而且损耗随着开关频率成比例地增加。另一方 面，开关电源中必须采用变压器、电感等磁性元件以及平滑滤波用的电容元件，开关频率高，可使 这些元件小型化，然而，当开关频率提高时，这些元件的损耗也随之增加。开关电源的集成化和小 型化正在变为现实，目前正在研制开发主开关与控制电路集成于同一芯片的集成模块。然而，把功 率开关与控制电路包括反馈电路集成于同一芯片上，必须解决电气隔离和热绝缘的问题。目前，世 界各国正在大力研制开发新型开关电源，因为这是节约能源的重大举措。为了赶上和超过世界先进 技术水平，国内很多单位正在研制和应用，不断地向高频化、线路简单化和控制电路模块化方向发 展。 电子技术应用迅速发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上更加可靠，功能上更加丰富，使 用上自动化程度越来越高，体积上日趋小型化。软开关技术正是满足了开关电源的小型化、轻量化、 模块化的发展趋势，已成为电力电子技术的热点之一。 软开关是指零电压开关或零电流开关，它是利用谐振原理，使开关变换器的开关管电压( 或电 流) 按正弦( 或准正弦) 规律变化，当电压过零时，使器件开通( 或电流过零时，使器件关断) ，实现 开关损耗为零，从而提高开关频率，减小变压器、电感的体积。虽然，软开关技术能够实现功率变 换器的小型化、模块化等，但是电路变得更加复杂，使得中小功率的变换器的成本增加，往往不利 于商业竞争。本文研究的非对称半桥拓扑结构，它可以在不增加电路成本的基础上，利用电路自身 的特点，实现软开关i 川。 非对称半桥是综合了双管正激原边简单和相移全桥副边有利于输出的变换器拓扑。非对称半桥 d c d c 变换器对于传统的半桥变换器而言，具有易实现软开关，开关电压应力小，结构简单，所用 元器件少等优点，应用范围十分广泛。非对称半桥电路拓扑结构可以在不增加电路成本的基础上， 利用开关管的输出电容和变压器的漏感，在两个开关管的死区时间里发生谐振，使得开关管两端电 压降到零，实现软开关，就可以大大提高工作频率和输出功率。 1 2 开关电源研究情况 目前，对非对称半桥进行研究的国家和地区主要有美国、俄罗斯、日本、加拿大和台湾等。在 我国进行这方面研究的主要有浙江大学等高校。国外对它研究较深入，涉及到非对称半桥的拓扑结 构的改进、稳态分析、暂态分析、小信号模型、通用拓扑结构原理等。 文献i 叫介绍了从无负载到重载情况下实现非对称半桥z v s ，这能够解决e m i ( 电磁干扰) 噪声 问题和实现高效率。文献【4 】详细给出了非对称半桥d c d c 变换器的工作原理和波形图，采用非对称 p w m 技术来调整输出电压以及改善占空比利用率，并且精确分析了电压电流关系式。文献1 5 】对比了 对称半桥电路与非对称半桥电路，并为了改善非对称半桥电路变压器直流偏磁较大的问题，提出了 副边绕组非对称的非对称半桥电路。但是实际应用中调整匝数比只对某些占空比有效，并不能彻底 东南大学硕士学位论文 解决非对称半桥变换器偏磁问题。文献嘲介绍了一种优化设计的非对称半桥电路，通过参数优化和 采用同步整流，使得变换器效率得到了进一步提高。 1 3 半桥拓扑结构的发展现状 半桥变换器在d c d c 变换场合都得到了广泛应用，半桥变换器相对结构简单、成本低，在中小 功率的场合更有优势，但半桥电路要实现软开关比较困难。传统的恒频、对称控制半桥变换器，不 能够利用电路中寄生电感、电容之间的谐振来实现零电压开关( z v s ) 。谐振式半桥变换器虽然能够 实现z v s ，但是开关管的应力增加，而且要采用变频控制，使电路的设计复杂化。非对称绕组的非 对称半桥电路能够改善变压器的直流偏磁或输出滤波效果，但与实现零电压软开关有一定的矛盾。 本论文采用的是对称绕组的非对称半桥电路，它利用变压器的漏感与m o s f e t 管结电容间的谐 振，使开关管实现z v s ，而且能恒频工作。由于采用对称绕组的变压器，存在直流偏磁，虽然一定 程度上影响了变换器的可靠性，但易于实现零电压软开关，综合考虑效果比较好。 1 4 电源数字化趋势 用数字电路取代开关稳压器中的模拟电路 7 1 。这将使开关稳压器更容易设计、配置、稳定、调 节。更进一步的理由是，通过编写几行简单的代码，一个核心数字电源集成电路就可以配置成升压 稳压器、降压稳压器、负输出、反激或正激变换器。用a d c 和d s p 取代误差放大器和脉冲宽度调 制器的数字开关稳压器所需要的电压基准、电流检测电路和开关驱动器。 随着电子设备的功能越来越复杂，业界开始转向数字控制的电源管理，数字电源是电源管理发 展的新思路。更大集成度、更高效率、更快瞬时响应及更高灵活性成为数字电源受青睐的理由。 从目前情况看t i 、飞思卡尔、s i l i c o nl a b s 、a t m e l 等l c 厂商都非常看好数字电源的未来市场， 并率先投入到这一新的竞争领域。t i 将其可编程数字技术与模拟技术结合推出了f u s i o n 数字电源解 决方案；飞思卡尔5 6 f 8 0 0 0 系列数字控制器宣称应对高性价比、高效率需求。一些新进入者把数字 电源视为未来发展的极好机会，s i l i c o nl a b s 欲以数字电源为跳板进入电源管理领域。另外，a t m e l 、 z i l k e rl a b s 也宣布加入到数字电源的竞争行列中，这表面业界对数字电源的前景是看好的。 随着数字控制技术的发展和市场需求的驱动，电源领域里数字电源的优势将会越来越明显，但 从模拟电源到数字电源的完全转换还需要很长时间，因此模拟和数字控制技术将在未来数年内共存。 数字电源技术为电源设计领域注入了新的活力，同时也对电源设计人员提出了更高的要求。如何在 传统技术的基础上不断创新，进而设计出满足未来市场需求的电源系统将成为电源设计人员必须面 对的新课题。 随着控制策略与控制实现手段的不断发展和完善，尤其是数字信号处理技术d s p 的飞速发展， 功率电子学的数字控制技术有了更广阔的发展空间，实践证明，采取数字控制技术不仅是实现功率 电源模块化、集成化、小型化的必然手段，同时还具有控制精确、工作可靠稳定、损耗低效率高等 优点，因此是目前电力电子发展的一个主流方向。 在本文所述的半桥变换器d c d c 变换器中，将以d s p 作为系统的控制核心，验证了d s p 在电 力电子领域的广泛应用，当被控系统发生变化时，只要设计好功率电路与控制电路的接口，无需更 改控制板，只需要在d s p 中装入新的程序即可。另一方面，对于同样的功率电路，如果希望变化控 制策略，只要编写新的程序，硬件方面根本不需要改动1 8 卜i l 们。 d s p 数字信号处理系统具有如下优点： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的； 2 第一章绪论 ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修 改和升级； ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高： ( 4 ) 精度高。一个简单的1 6 位数字系统可以达到1 0 巧的精度； ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化影响比较大，而数字系统基本不受影响， 因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 1 5 本论文的主要工作 本文给出的非对称半桥z v s 变换器设计是为p d p 提供供电电源，可广泛应用于家用电器，汽 车电子等中小功率电源领域。它可以在不增加电路成本的基础上，利用开关管的输出电容和变压器 的漏感发生串联谐振，使得开关管两端电压降到零，实现软开关，就可以大大提高工作频率和输出 功率，应用前景十分广泛。 前两章首先介绍了开关电源的发展情况，然后给出了软开关技术发展过程和开关电源技术概述， 接着比较分析了几种主要的拓扑结构的优缺点，最后选择了非对称半桥作为本课题采用的主电路结 构。 第三章详细分析了非对称半桥拓扑工作原理，详细阐述了一个开关工作周期内各个状态量的变 化，并给出了稳态工作时电路参数并进行了优化。为了保证开关管的z v s 实现，谐振电感l k 和死 区时间t d 是重点考虑的两个电路参数。对非对称半桥主电路进行了具体电路的设计、元件参数的计算 以及元器件的选取。接着用m a t l a b 仿真谐振电感l k 的曲线图，最后用s a b e r 进行了开环系统仿真， 验证了实现z v s 的可行性。 第四章在充分理解非对称半桥拓扑工作原理的基础上，分析其交流小信号模型，对控制电路( 包 括电压取样电路，误差放大及补偿电路，p w m 电路) 进行分析和设计。接着采用频率补偿器来使系 统稳定，最后用m a t l a b 仿真波形验证了频率补偿后的系统的稳定性。 第五章在p c b 制板的基础上，讨论了系统抗干扰的措施，并且针对存在的问题提出解决方法， 最好对非对称半桥z v s 电路进行了调试和测试，并与理论实验波形对比总结和分析。 第六章对全文进行了总结，并对今后的工作做出展望。 3 东南大学硕士学位论文 第二章半桥拓扑结构的选取 电源是一种电能变换装置，不同的电源有不同的能量转换方式。开关电源就是利用开关方式将 交流或直流输入转换成稳定直流输出的电能变换装置。开关电源技术是- - 1 - 综合性的专业技术，它 涉及到了以电力电子技术为核心的包括电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等不同学科的 多种技术，是目前电力电子产业和科研的热点之一。 2 1软开关技术h 1 3 】 2 1 。1 软开关技术的提出 开关电源技术早在上世纪6 0 年代就出现了，后来，随着电力电子技术迅猛发展，广泛应用于工 业装置、计算机、航空航天、通信系统、交通运输等领域。硬开关的开关方式是通过控制门极来控 制的，开通电压或关断电流很大，造成很大的开关损耗。由于现代电力电子装置越来越趋向于小型 化和轻量化发展，为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性、体积小和重量轻，必须实现开 关电源的高频化。开关电源的高频化不但减小了功率变换器的体积，而且增大了变换器的功率密度 和性能价格比，极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的噪声，从而已成为新的发展趋势。 然而功率变换器开关频率的进一步提高将受到以下因素的限制：在通断瞬间切换过程中，功率器件 的开关应力、开关损耗、剧烈的d i d t 和d u d t 冲击及其产生的电磁干扰( e m i ) 。 软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用电感和电容谐振的原理，使开 关器件的电流( 或电压) 按正弦规律变化。当电流自然过零时，使器件关断( 即零电流关断) 或电 压过零时，使器件开通( 即零电压导通) 。开关器件在零电压或零电流条件下完成的导通和关断过程， 开关损耗理论上为零。因此，它可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性 关断问题及二极管反向恢复问题。软开关技术的应用使电力电子变换器具有更高的效率( 自身损耗 大大降低) ，更高的功率密度( 自身体积、重量大大减小) ，以及更高的可靠性，并可以有效地减小 电能变换装置引起的电磁污染( e m i ) 和环境污染( 噪声等) 问题，为在2 1 世纪大力发展绿色( 无 公害或低公害) 电力电子产品提供了有效的方式和方法。 2 1 2 软开关技术的发展过程 直流开关电源的软开关技术的发展经历了以下四个阶段： ( 1 )谐振变换器 谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 实际上是负载谐振变换器，在2 0t h = 纪7 0 年代最早被提出来， 它能够通过在标准p w m 变换器结构上简单地附加谐振网络的方法来调整电压和电流的波形，使大 电压和大电流不能同时出现，这样就大大减少了开关应力和功率损耗。 按照谐振元件的谐振方式，谐振变换器可分为串联谐振变换器( s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s r c ) 和并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r ，p r c ) 两类：按负载和谐振电路的连接关系，又可 分为串联负载谐振变换器( s e r i e sl o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s l r c ) 和并联负载谐振变换器( p a r a l l e l l o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，p l r c ) 。其工作原理主要是通过谐振网络和负载的谐振，使经过开关元件 的电流或电压被整形为正弦波形，开关元件在电压或电流的过零处开通或关断，实现软开关过程。 4 第二章半桥拓扑结构的选取 ( 2 ) 准谐振变换器和多谐振变换器 2 0 世纪8 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心( u p e c ) 的李泽元教授等研究人员提出了谐振 开关，即在标准p w m 变换器结构上简单地附加谐振网络的方法而得到，它也是准谐振变换器中关 键的部分。因电路工作在谐振的时间只占一个开关周期中的一部分，故称为准谐振。准谐振变换器 通过谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦变化，从而提供了零电流或零电压开关条件，极大地 减小了变换器的开关损耗和开关噪音。 由于准谐振变换器不能使电路中的有源开关和二极管同时具有软开关条件，因此，之后又提出 了多谐振变换器。因电路中谐振拓扑和参数不止一个，故称为多谐振。 ( 3 )零开关p w m 变换器 谐振变换器能够通过谐振来调整电压和电流的波形，使大电压和大电流不能同时出现，大大减 少了开关应力和功率损耗。但也存在缺点：谐振使电压峰值很高，要求所用的器件耐压性能好；电 流的有效值很大；另外，在准谐振变换器和多谐振变换器中，输出电压的调节是通过调节开关频率 来实现的，当负载和输入电压变化范围很大时，开关频率也需要大范围变化，变化的频率为变压器 和滤波器的设计造成了困难。为此，又提出了零开关p w m 变换器。零开关p w m 变换器包括零电 压( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ，z v s ) p w m 变换器和零电流( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ，z c s ) p w m 变 换器。 零开关p w m 变换器是在准谐振软开关的基础上，加入了一个辅助开关管，来控制谐振元件的 谐振过程，实现p w m 控制。它只利用谐振实现换相，换相完毕后仍可采用p w m 工作方式，从而 既能克服硬开关p w m 在开关过程中的几大缺陷，又能保留硬开关p w m 变换器的低稳态损耗和低 稳态应力的优点。 ( 4 )零转换p w m 变换器 在零开关p w m 变换器中，谐振电感串联在主功率回路中，因此，电路总是存在着很大的环流 能量，增加了电路的导通损耗。另外，电感储能和输入电压、输出负载有很大的关系，使得电路的 软开关条件极大地依赖于输入电源和输出负载的变化。为了解决这些问题，零转换p w m 变换器被 提出了。 零转换p w m 变换器包括零电压转换z v t - p w m 变换器和零电流转换z c t - p w m 变换器。在开 关转换期间，并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后，电路又恢复到正常的p w m 工作方式。其谐振网络和主开关并联，不需要处理很大的环流能量，从而减小了辅助电路的损耗， 而且软开关条件和输入电源、输出负载的变化无关。因此，零转换p w m 变换器既克服了硬开关p w m 和谐振技术的缺点，又综合了它们的优点，在中大功率场合得到广泛应用。近年来研究人员对零转 换技术大为关注，出现了许多零转换电路拓扑结构，但各种电路拓扑总是存在不同形式的缺陷。 以上各种软开关变换技术在实际的d c d cp w m 变换器的设计中的应用越来越广泛，比较典型 的有：零开关的正激、反激或正反激组合式变换电路，全桥移相式z v s 变换电路，全桥移相式z v z c s 变换电路以及采用z v t 、z c t 技术的有源功率因数校正电路等，可见，软开关技术在d c d cp w m 交换电路中的良好应用前景。 2 2 开关电源技术概述【1 4 】【1 5 】 开关电源采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来 调整输出电压。开关电源的基本构成如图2 一l 所示，其中d c d c 变换器进行功率变换，它是开关电 源的核心部分，此外还有启动电路、电压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出 电压，并与基准电压比较，其误差电压通过误差放大器放大和控制脉宽调制电路，再经过驱动电路 控制半导体开关的通断时间比，从而调整输出电压的大小。 5 东南大学硕士学位论文 图2 - 1 开关电源的基本构成 从广义上说，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转换为另一种形态的电路都叫 做开关变换器电路。若在转变时用自动控制闭环来稳定输出并有保护环节则称为开关电源。开关电 源的主要部分是d c d c 变换器。 d c d c 变换器的基本工作原理是：用一个半导体功率器件作为开关，该器件不断地重复开启和 关断，使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波，该方波经过电感、电容等组成的滤 波器滤波之后便得到了另一个直流电压。 在一个开关周期r 内，开关管导通的时间f o n 占整个周期的比例称为导通占空比d ，即： d=彳to(2-1) 丁 很明显，当开关周期不变时，导通占空比越大，负载上获得的直流电压越大。 目前，大多数d c d c 变换器的开关管都在某一固定的频率下工作，这种保持开关频率恒定，通 过改变开关管导通时间的长短来使负载变化时输出电压恒定的方法，称为脉宽调制法( p w m ) 。 在i x ；d c 变换器中，最常使用的元件是半导体功率开关管、电感和电容。在开关变换器中，半 导体功率开关管只有导通和关断两种工作状态，电感主要起平滑电流波形的作用，而电容则主要起 平滑电压波形的作用。 2 3主要拓扑及工作原理 开关电源有着各种各样的电路拓扑结构，按照开关电源的输入与输出之间是否电气隔离，可以 将其分为隔离和非隔离型两大类。非隔离型电路根据电路形式的不同又可以分为降压式结构( b u c k ) 、 升压式结构( b o o s t ) 、c u k 结构、s e p i c 结构和z e t a 结构等。隔离型电路包括正激变换器、反激变 换器、全桥变换器和半桥变换器等。在这里简单介绍单端正激变换器、反激变换器、全桥变换器和 半桥变换器的工作原理及特点。 6 第二章半桥拓扑结构的选取 1 单端正激变换器 图2 2 是单端正激变换器的原理图，图中的为输入电压，t 为变压器，k 为变压器原边的电 感量，l 。为变压器副边的电感量，s 是开关管，i l 是输出电感l o 的电流，i 。是输出电流，v o 是输出 电压。在图2 - 2 中，变换器的隔离元件t 纯粹起变压作用，因此在输出端需要加电感l 。作为能量的 储存及传递元件。电路中d l 是整流二极管，d 2 是续流二极管。同时也要注意到变压器初级和次级线 圈具有相同的同名端。 虼 图2 - 2 单端正激变换器 在开关管s 导通时，初级绕组接电源v 0 ，同时次级绕组把能量传递到输出端；当s 关断时，续 流二极管d 2 和储能元件l o 构成放电同路，继续对负载r 供电。理想条件下，根据变压器初级、次 级伏秒乘积平衡理论，在连续模式下，正激变换器输出电压v 。为： g o = ，d 圪 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中的d 为占空比，刀是变压器次级跟初级绕组匝数之比，是输入电压。从式( 2 2 ) 可以看出， 当输入电压及占空比同定时，输出电压与负载电流无关。 因为单端正激变换器的变压器使用无气隙的铁心，电感值较高，初级和次级的峰值电流较小， 所以铜损较小。在一定的输出负载时，输出电感器和续流二极管的存在使得储能电容电流保持在较 小的数值上。因此输出纹波电流和纹波电压都较小。但是单端正激变换器电路复杂，需要去磁复位 的绕组，从而增加了成本。而且进入到非连续状态时，在输出绕组上会产生过电压。正激变换器适 用于低压、大电流、中小功率应用场合。 2 反激变换器 图2 3 是反激变换器的原理图。变换器的隔离元件t 既能起储能作用又起变压作用，因此它不 需要滤波电感，结构简单。 当开关管s 导通时，变压器t 储存能量，负载电流由输出滤波电容c 。提供；当s 关断时，变压 器将储存的能量送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。理想条件 下，连续模式反激变换器输出电压v 。为： 图2 - 3 反激变换器 7 蟛 r_i ti 东南大学硕士学位论文 1io=尚0-3) 其中d 为占空比，刀是变压器次级跟初级绕组匝数之比，是输入电压。 与正激变换器相比，反激变换器变压器带有气隙，损耗较大，同时其纹波电流和纹波电压也较 大。但是其结构简单，易于实现且成本低，通常应用于小功率场合( 低于2 0 0 瓦) 。 3 全桥变换器 图2 4 是全桥变换器的原理图。在图2 - 4 中，功率开关管s l 、s 4 为一组，s 2 、s 3 为一组，每组 同时导通或关断，两组开关轮流工作。在理想条件下，输出电压v 。为： v o = n d 圪 ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中d 为占空比，胛是变压器次级跟初级绕组匝数之比，是输入电压。 j 一d 1 丰叫 1 工一 ：d2 1u 嵋 图2 _ 4 全桥变换器 跟半桥变换器相比，全桥变换器双向励磁，变压器铁心和绕组得到最佳应用，使效率、功率密 度得到提高，通常用于大功率场合( 几百瓦到几千瓦) 。但是其线路复杂，用到的功率元件较多， 因此成本较高。 4 半桥变换器 图2 5 是半桥变换器的原理图。在图2 5 中，电容器c l 、c 2 与功率开关管s l 、s 2 组成桥。在理 想条件下，输出电压v 0 为： v o = n d v i n 图2 5 半桥变换器 ( 2 - 5 ) 式( 2 5 ) 中d 为占空比，刀是变压器次级跟初级绕组匝数之比，是输a e g 压。 与推挽、正激变换器相比，开关管关断时，半桥变换器电压应力仅为推挽、正激变换器的一半， 并且半桥变换器不存在像单端正激和推挽拓扑中那样麻烦的漏感尖峰问题。半桥变换器通常用于中 小功率场合( 几百瓦) 。 8 第二章半桥拓扑结构的选取 2 4主变换器模块的选择 由于开关电源的电路拓扑很多，如何选择电路拓扑是开关电源设计的一个难点。在开关电源的 设计中，拓扑的类型与电源各个部分的布置有关，这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及 可以给负载提供多大的功率密切相关。这也是设计中性能和价格折衷的关键点。每种拓扑都有自己 的优点和缺点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率受到限制，而有的可以输出足够的功率， 但成本比较高。在一种应用场合下，可能有好几种拓扑都可以胜任，这时就必须全面考虑以选择出 最合适的一种结构。选择最合适的拓扑需要考虑的主要因素有： ( 1 ) 电路要求传输的最大功率； ( 2 ) 输入输出是否需要变压器隔离； ( 3 ) 加在变压器初级或电感上的电压值是多大； ( 4 ) 加在开关管上的最大电压有多高； ( 5 ) 流过开关管的峰值电流有多大。 开关电源中的隔离一般都是通过变压器来实现的。在某些应用场合，由于系统的要求不是很高， 输入和输出之间不需要隔离，但在大部分的场合都需要通过变压器进行隔离。尤其是在输入直流电 压较高的情况下，为了安全起见，都需要变压器隔离。 表2 1 几种常用电路拓扑比较 拓扑 反激 正激推挽半桥全桥 功率小于1 5 0 w小于1 5 0 w小于1 0 0 0 w5 0 0 w 左右5 0 0 w 以上 开关管数量 1 个1 个2 个2 个4 个 控制复杂度简单简单比较简单比较简单复杂 成本低低 较高较高高 变压器利用率低低较低较高高 表2 1 列出了以上几种拓扑结构的特点。由该表可知，正激和反激式电路的结构都比较简单， 只需一个开关管，控制、驱动容易，但是它们的变压器不仅计算、设计复杂，而且利用率低，通常 这两种拓扑仅用在功率小于1 5 0 w 的场合；推挽式拓扑是正激式拓扑的延伸，它的结构简单，驱动 容易，仅需增加一个开关管就可以实现较大的功率传输，在早期应用比较广泛，但该拓扑存在磁偏 问题，可靠性不高，需要采用额外的措施来保证它的可靠性；全桥拓扑所需开关管数量最多，因而 成本在几种拓扑结构中是最高的，但全桥拓扑有非常明显的优点，主要表现在开关管的耐压低，可 靠性高，变压器设计简单，利用率高，理论上它能实现所有功率范围的传输，在实际应用中，该拓 扑在5 0 0 w 3 0 0 0 w 的功率范围内应用广泛；半桥拓扑的高频变压器设计简单，利用率高，传输的功 率范围大，可达5 0 0 w 左右，符合设计需求。 2 5 小结 对于本次设计，主变换器d c d c 模块的输入直流电压v ；为4 0 0 v 左右，输出功率为3 0 0 w 。反 激式和正激式拓扑都要求其开关管的耐压值在2 v 证以上，即大于8 0 0 v 。推挽拓扑尽管比前面两种拓 扑有较高的传输功率，但也能达到1 0 0 0 w 左右，同时其开关管的耐压值也需要2 v i n ，并且存在电流 不平衡问题，因此它也不适合本次设计的要求。全桥拓扑结构可满足大功率电源设计的要求，但控 制和驱动相对比较复杂。半桥电路开关管有耐压值较低等许多优点，而且它的传输功率一般控制在 5 0 0 w 以下。可见，半桥电路是中小功率电源设计的理想选择。 9 东南大学硕士学位论文 开关电源设计的一个重要要求就是要实现小型化和轻便化。由开关电源的原理可知，开关频率 越高，则变压器、电感等磁性元件的体积越小、重量越轻，即要达n d , 型化的要求就要使电路在较 高的开关频率下工作。但是，对于半桥拓扑而言，开关频率越高，则开关损耗越大，这不仅使系统 的效率下降，而且为了散热，必须增加散热片的面积。因此普通的半桥电路结构不适宜在较高的开 关频率下工作。目前，中小功率开关电源比较倾向于使用半桥软开关拓扑结构，如半桥零电压开关 拓扑( z v s ) ，零电流开关拓扑( z c s ) 以及零电压零电流开关拓扑( z v z c s ) 。半桥软开关电路在 不增加额外元件的情况下，利用半桥电路的寄生参数产生振荡，在电压( 或电流) 过零时导通( 或 关断) 开关元件，从而消除了开关损耗。 综上可见，在各种拓扑中，半桥软开关拓扑不仅能够实现中小功率变换，而且由于消除了开关 损耗，因而可以在较高的开关频率下工作，满足本次设计的各项要求。鉴于目前半桥z v s 结构的应 用逐渐成熟，为达到设计指标要求，所以主变换器i x ：一d c 变换器选用半桥z v s 拓扑结构。 1 0 第三章非对称半桥主电路设计 第三章非对称半桥主电路设计 非对称半桥相比对称半桥最大的区别在于两个主开关管的导通时间是互补的，对称半桥的导通 时间则是相等的。非对称半桥d c d c 变换器对于传统的半桥变换器而言，具有易实现软开关，开关 电压应力小，结构简单，所用元器件少等优点，应用范围十分广泛。 3 1非对称半桥主电路的工作原理【1 6 】【1 7 】 主电路如图3 1 所示，主开关为m o s f e ts l 和s 2 ，由于是电压驱动控制器件，所以有驱动功率 小，工作速度快，驱动电路简单等优点。d s l 和d s 2 为s 1 和s 2 的寄生二极管，谐振电容c s l 和c s 2 为s 1 和s 2 的寄生电容。隔直耦合电容c b 的作用是防止由于两个开关管的特性差异而造成交压器磁 芯饱和，从而提高主电路的抗不平衡能力。变压器t 等效为激磁电感l 。与理想变压器并联，再串联 一个谐振电感l k ( 包括变压器漏感) 。变压器原边匝数为n l ，副边匝数为n 2 l 和n 2 2 ，采用全波整 流，采用超快恢复二极管d i 和d 2 ，输出滤波电感l f ，滤波电容c f 。隔直耦合电容c b 电压为v c b = d v i a ， 变压器匝比为n l = n 2 l n 1 ，n 2 = n 2 2 n l 。 3 1 1 开关工作过程分析 t d il f 图3 1 非对称半桥主电路原理图 非对称半桥是在开关转换过程中，变压器漏感和主开关的寄生电容产生谐振时才能实现z v s 。 非对称半桥电路波形图如图3 2 所示，其拓扑在一个周期内共有8 个工作状态，前半周期与后半周 期的工作状态几乎一致。下面结合图3 - l 和图3 - 2 ，通过整个工作周期舻t i o 来简单阐述该非对称半 桥z v s 拓扑的工作原理。 为便于分析，我们假设： ( 1 ) 所有元器件均为理想元器件； ( 2 ) 开关管寄生电容c s l = c s 2 = c ； ( 3 ) 滤波电感足够大，负载电流i o 可视为恒流源： ( 4 ) 激磁电感足够大，使得i 。近似为恒流源； ( 5 ) m o s f e t 与二极管导通压降为零。 东南大学硕士学位论文 。蜴 l v g s l v g s zv g s l ：( 1 一d ) i f+ i ? d f+ i o | | ii 。 。f 1 f i l ( 1 - d ) v 衲n7 f ：d v i n n 2i士v ov i d i d 2 、 1 2 c 2 一三c 【( 1 一d ) 2 2 + d 2 2 】( 3 - 3 7 ) 在t 6 t 7 时 吾三正2 2l ，c v 2 一吾c 【( 1 一d ) 2 2 + d 2 2 】 代入公式( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) ，可得 名et l - - t 2i f j 舱面案v o + t $ r 在伍卅时厶 ：竺盘二竺 ： d ( 1 - d ) d 丽v o + 聊 - ( d - 0 5 ) l t f i 2 q 志+ 蟛r ，：厶一i 竺生型二二一 d ( 1 - d ) ( 1 - 。，+ 钢+ ( d - 0 5 m 对 胪厶一毒叠蔓_ 烈卜研 喃+ 明弋肛o 5 烨 1 5 ( 3 - 4 2 ) 酚 叻 d o o 4 4 0 0 0 p 东南大学硕士学位论文 我们用m a t l a b 仿真了y ，和肋的曲线图，目的是确定实现z v s 所需要的最小谐振电感厶。从图 3 - 3 我们可以看出当l k 一4 2 5 9 h ，y j 和肋都大于零，这意味着谐振时谐振电感厶能够存储足够的能 量，从而使得z v s 可以实现。 图3 3 谐振电感l k 曲线图 在实际设计中，谐振电感产7 2 9 h 满足上述条件要求，从