（电气工程专业论文）大功率直流开关电源装置的研究.pdf

摘要 与传统线性电源相比，高频开关电源具有体积小、重量轻、容量大等优点。从2 0 世纪9 0 年代开始，开关电源在通讯和低电压行业得到了广泛的应用。由于容量和器件 的限制，开关电源一直未能应用于电力系统，特别是1 1 0 k v 、2 2 0 k v 等高压变电站的直 流电源。近年来，随着电力电子技术的发展，d c d c 变换技术的可靠性得到了极大的 提高，以现有技术具备制造高电压大功率的d c d c 模块的能力，使得电厂和变电站中 的直流电源柜的核心部分可以采用高频d c - d c 变换模块取代传统的直流电源，使其性 能得到很大的提高。 传统的硬开关p w m 电路曾以结构简单、控制方便得到广泛的应用，但由于其开 关器件工作在高电压、大电流条件下，功耗较大，同时为了抑制开断瞬间电压电流突 变而引入的r c 吸收网络，使系统总的损耗增加，特别是在高频运行情况下，系统效 率很低。另外级间电容电压转化引起的电压突变耦合到输入端造成较强的电磁干扰， 使系统性能受到影响。 本文旨在研究全桥移相软开关技术应用情况，并根据实际工程需求设计出一套采 用软开关控制技术，适用于中高压变电站的直流开关电源系统； 本文阐述了p w m 全桥变换器的软开关的实现原理，详细地研究了实现z v s 的条件， 分析了桥臂所存在的死区问题及原副边占空比之间的关系，设计出开关电源的主回 路：输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波： 本文详细分析并比较了电压型控制器和电流型控制器的优缺点，分析了u c 3 8 7 5 的内部结构及各项指标，设计出符合电力系统性能要求的p w m 集成控制器。在此基 础上，还完成了过流保护、过压保护、欠压保护、以及缺相保护电路的设计。 通过仿真软件p i s p i c e 对系统地各项性能指标进行了仿真分析，验证了所设计的 电路具有很强的实用性。 关键词；软开关p w m 全桥变换器z v sz c $ 上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i g hf r e q u e n c ys w i t c hp o w e r s u p p l ys y s t e mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei np r o v i d i n g d cs o u i r ：et h a nt r a d i t i o n a ll i n e a rp o w e rs u p p l ys y s t e m i t sb e e nw i d e l yu s e di n c o m m u n i c a t i o na n dl o wv o l t a g es y s t e mf r o m1 9 9 0 s ，b u ts e l d o mi i lh i 曲v o l t a g es y s t e m t h ec a u s eo ft h a ti st h eo u t p u tp o w e ro fc o m m o nh i 曲f r e q u e n c ys w i t c hp o w e rs u p p l y s y s t e mi sn o th i g he n o u g ht op r o v i d ed cp o w e rf o rh i g hv o l t a g es y s t e ms u c ha st h el l o k v o r2 2 0k vs u b s t a t i o n s a st h ed e v e l o p m e n t si 1 1p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e sa n dt h en e w s t r u c t u r e ，t h eh i g ho u t p u tp o w e ro fh i g hf r e q u e n c ys w i t c hp o w e rs u p p l ys y s t e mh a sb e e n h i 曲l yi m p r o v e d t h ei m p r o v e m e n ti ns o m ef a c e t sc a u s e db yh i 曲f r e q u e n c ys w i t c h t e c h n o l o g y i sa v a i l a b l ef o rd c p o w e rs u p p l yi i lh i g hv o l t a g es u b s t a t i o n s t h eg e n e r a lh a r d s w i t c h i n gs t r u c t u r ea p p l i e di nm a n ys y s t e m so w i n gt oi t ss i m p l e f a c i l i t i e sf o rc o n t r o ls y s t e m b u to nt h eo t h e rs i d e ，t h es w i t c h i n gs y s t e mm a k e sb i gl o s st o o p e no rc l o s eh i 曲v o l t a g ea n dl a r g ec u r r e n tc i r c u i t t h er c c i r c u i th a st oa d di nt os m o o t h v o l t a g ea n dc u r r e n ta b r u p ti no p e n i n go rc l o s i n gm o m e n t s t h el o s sr i s ea n dt h ee f f i c i e n c y d e s c e n ds i g n i f i c a n t l ys p e c i a li l lh i 曲f r e q u e n c yc o n d i t i o n g e n e r a l l yt h ea b r u p to fv o l t a g e a l s ow o u l db ec o u p l e dt oi n p u ta n df o r ma ni n t e n s ee l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l t h i ss i g n a l d i s t u r b st h ep e r f o r m a n c eo f s w i t c h i n gs y s t e m t h ef u l lb r i d g ep h a s es h i f tc o n t r o ls o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yi sr e v i e w e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt h ed e m a n do fa na c t u a lp r o j e c t , ad cs w i t c h i n gs y s t e mi sd e s i g n e df o rt h e h i g hv o l t a g es u b s t a t i o n , w h i c hi sa p p l i e ds o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , t h ef u l lb r i d g ep h a s es h i f tc o n t r o la n ds o f ts w i t c h i n gc i r c u i ti s c o n s t r u c t e da n dt h eb a s et h e o r yi si n t e r p r e t e d ；t h ec o n d i t i o nt or e a l i z ez v si ss t u d i e da n d t w o s p e c i f i cp r o b l e m s w h i c ha b o u tt h ed e a d - b a n do fb r i d g ea n na n dt h e d u t y - c y c l e r e l a t i o nb e t w e e nf i r s ta n dt h es e c o n ds i d ea l ea n a l y z e di nd e t a i l ；t h em a i n c i r c u i t so fd cs w i t c h i n gp o w e r s u p p l ys y s t e m a r ed e s i g n e dw h i c hi n c l u d e s w i t c h i n g - b r i d g ec i r c u i t ，i n p u ta n do u t p u tr e c t i f i c a t i o nc i r c u i t s c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n tc o n t r o l l e ri sp r o p o s e da n dt h ei n t e r n a l c i r c u i ta n dp a r a m e t e r so fc h i pu c 3 8 7 5a r ea n a l y z e d a na p p l i c a b l ei n t e g r a t e dp w m c o n t r o l l e rf o rd cs y s t e mi nh i g hv o l t a g es u b s t a t i o na n di t sp r o t e c t i o nc i r c u i t ss u c ha so v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n , o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o na n dl o wv o l t a g ep r o t e c t i o na l ep r e s e n ti i lt h i s p a p e r a l lt h ep a r a m e t e ro ft h es y s t e mh a sb e e na n a l y z e db yp i s p i c es i m u l a t i o na n dt h e d e s i g n e dc i r c u i t si sp r o v e da p p l i c a b l e k e y w o r d s ： s o f t - s w i t c h i n g , p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n , f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r , z e r o - v o l t a g es w i t c h i n g z e r o - c u r r e n ts w i t c h i n g v i - 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 师签名：盏j 鱼薹日期：坦安。五： 上海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 电源对于所有用电设备是必不可少的。在电力系统中，直流系统的可靠性、稳定 性及技术性能直接影响到电厂的运行和设备的安全，在通信网络中，通信电源的优劣 直接影响到各种通信的质量和效果，因此人们极为重视电源的质量和技术性能。 众所周知，电力系统中除了使用交流电源外，还要使用直流电源。直流电源在电 力系统的自动控制、电力调度通讯以及计算机系统中都有着广泛的应用。直流电源的 主要作用是在交流电网电源中断时，能保证交流备用电源系统的再启动，保证设备( 电 力系统中的高压开关、断路器等) 的开断，保证通讯设备的正常运行，继电保护设 备的正常动作，事故照明用电以及计算机系统等的不中断运行，这些都是电力系统中 不可缺少的部分。因此，有人把直流电源称为发电厂、变电站的心脏。它对电力生产 起着相当大的作用，它的可靠运行直接影响到整个电力系统的安全。 九八年以前，电力系统中新建投运的变电所所选用的直流电源主要是相控，而相 控电源用的是工频变压器，体积大，而且输出电流的纹波系数大，监控设备不完善， 采用主从备用方式，用户使用不方便，对电力系统新的要求也达不到标准，另外，由 于充电设备蓄电池并联运行，纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄电 池的使用寿命。 现在，高频开关电源作为目前可控硅、磁饱和类直流电源的换代产品，是采用多 个高频开关模块并联组成的直流充电装置，在过去较长的时问内，由于受器件可开发 难度等方面因素的限制，高频开关电源技术一直徘徊在低电压( 4 8 伏以下) 和大电 源( 通讯电源等) 水平上，未能涉足电力系统所需的直流系统。随着技术的日益发展 和可靠性的逐步提高，高频开关电源所具有的体积小、重量轻、容量大，模块能自动 均流，充电电流连续可调，模块可任意并联，冗余配置且可在线操作，隔离性能好， 设有完善的自我保护系统等优点，必将在电力系统的应用中得到充分发挥，高频开关 模块在电力直流系统中具有强大的发展潜力。 由于高频开关电源具有体积小、重量轻、频率高、输出纹波小，模块叠加n + i 上海大学工程硕士学位论文 设计，并备有4 8 5 通信接口等优点，符合现代电源的潮流。目前，越来越多的发电厂、 变电站采用无人值班或少人值班方式，作为发电厂、变电站的“心脏”的直流系统也 朝着免维护、全自动的方向发展。九十年代以来，美国、德国等西方国家的新建电厂 和变电站已全部采用高频开关电源。近几年来，国内开关电源技术已经有了长足的进 步，理论、研究、生产、应用等已有了相当的成果和规模，但是现在的开关电源都是 从邮电通讯系统设计的低电压模块上发展起来的，对电力系统的操作电源所用的 1 1 0 v 及2 2 0 v 的电源研究较少。 发电厂、配电站的电力操作电源系统也面临着更新换代。系统如下图所示，整流 单元将三相交流电变换成高压直流电，该直流电直接供给动力母线。动力母线一方面 控制负载 裁 图卜i 电力操作电源系统原理框图 给负载供电，另一方面给电池组充电储能，当紧急停电时，电池组给重要的动力负载 供电。动力母线经降压单元后得到2 2 0 v d c 的控制母线，给控制负载供电，控制负载 包括重要的仪器设备、照明设备等。早期的整流模块为相控整流单元，通过笨重的工 频变压器降压后整流，整流模块的体积重量大、效率低、可靠性差。最近高频整流器 在电力系统也得到广泛应用，并将逐步取代相控电源，其市场容量非常大。 因此，本文查阅了大量相关资料，并在导师的指导下，对大功率直流高频开关电 源装置进行了研究。 1 2 电力电子器件的发展状况 电力电子器件是电力电子技术的基础，是电力电子交流装置的心脏。它的性能对 整个装置的体积、重量和性能起着重要的作用，一种高性能器件的诞生往往可以使整 个系统的面貌发生很大的改观，而装置对器件的要求，又促使器件的理论、结构、质 上海大学工程硕士学位论文 量不断地改进和发展。 电力电子器件又称作开关器件，其工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了 装置和系统的可靠性。 回顾电力电子器件的发展过程”，我们可以根据可控程度可以把电力电子器件分 成两类： ( 1 ) 半控型器件一第一代电力电子器件 自从5 0 年代，由美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技 术的开端。此后，晶闸管( s c r ) 的派生器件越来越多，到了7 0 年代，已经派生了快速 晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，电力电子器件的功 率也越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管的固有特性，工作频率较低( 一般低 于4 0 0 h z ) ，大大限制了它的应用范围，并且由于其固有的特性，比如关断这些器件， 必须要有强迫换相电路，使得整体体积增大、重量增加、效率降低以及可靠性下降。 ( 2 ) 全控型器件一第二代电力电子器件 伴随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、半控型、低频器件发展 到现在的超大功率、高频全控器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高 了开关控制的灵活性。从7 0 年代后期开始，可关断晶闸管( g t 0 ) 、电力晶体管( g t r 或b j t ) 及其模块相继实用化。在此后各种高频率的全控型器件不断问世，并得到迅 速发展。这些器件主要有：功率场效应晶体管( 即功率m o s f e t ) 、绝缘栅极双极晶体 管( i g t 或i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 等，这些器件的产 生和发展，已经形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族。 8 0 年代以来，电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展，出现 了工业适用场控及其复合器件，其中具有代表性的绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) ， m o s 栅控晶闸管( m c t ) 以及集成门极换流晶闸管( i g c t ) 等。 i g b t 是一种n 沟道增强型场控( 电压) 复合器件。它属于少子器件类，却兼有了 p o w e rm o s f e t 和双极性器件的优点：高的输入阻抗( 容抗性质) 、开关速度快、安 全工作区宽；饱和压降比较低，甚至接近g t r 的饱和压降，耐压高、电流大因此， i g b t 将是促进高频电力电子技术发展的一种比较理想的基础元件，其可望用于直流 电压为1 5 0 0 v 的高压变流系统。目前，已经研制出的高功率沟槽栅型结构i g b t ( t r e n c h i g b t ) 模块，是近几年来出现的高耐压大电流i g b t 器件均采用的结构，它避免了大 电流i g b t 模块内部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线电感，缺点是芯 片面积利用率下降。所以这种平板压接结构的高压大电流i g b t 模块也可望成为高功 率高电压变流器的优选功率器件。 m c t 是一种新型m o s 与双极复合型器件。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管 结构中制作大量m o s 器件，通过m o s 器件的通断来控制晶闸管的开通与关断。m c t 既具有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具备m o s 场效应管输入阻抗高、驱动功率 低和开关速度快的优点，同时它还克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压m o s 场 效应管导通压降大的缺点。这是m c t 被认为是目前众多的新型功率器件中很有发展 前途的器件的原因。 i g c t 是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。它的应用使 交流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大 进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。i g c t 是将g t o 芯片与反并联二极管 和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶 体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗的 一种新型器件。i g c t 在导通期间发挥晶闸管在导通期间的性能，关断阶段具有可控 管断晶体管的特性。i g c t 具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、 损耗低的特点。此外，i g c t 还像g t o 一样，具有制造成本低和成品率高的特点， 有极好的应用前景 t l 。 进入2 0 世纪9 0 年代，电力电子器件迅速发展，特别是功率集成电路发展很快， 它是由功率器件和具有一个单独功能的电路组合在一个硅片上或一个导热的绝缘衬 垫上而形成的。其且的在于降低成本，提高可靠性。已用于汽车、飞机等交通工具和 机器人电力变换器内。 1 3 开关电源的发展和趋势p 5 1 自2 0 世纪6 0 年代开始得到发展和应用的d c d c 功率变换技术是一种硬开关技 术。6 0 年代中期，美国研制出2 0 k h zd c d e 交换器及电力电子开关器件，并应用于 通信设备供电。这种技术抛弃了5 0 h z 工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅度 减小，提高了效率，输出高质量的直流电。早期开关电源的控制电路一般以分立元件 上海大学工程硕士学位论文 非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在1 9 7 7 年左右开始进入控制电路集成化 阶段。控制电路的集成化标志着开关电源的重大进步。8 0 年代英国研制了第一套完 整的4 8 v 成套电源，即目前所谓的开关电源( s m p - - s w i t c hm o d ep o w e r ) 。 自7 0 年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外专业学者不断地研究 开发高频软开关技术。 最先在7 0 年代出现了全谐振型变换器，它实际上是负载谐振型变换器，按照谐 振元件的谐振方式，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 ，s r c s ) 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 s ，p r c s ) 两类。此类变换器一般 采用频率调制方法，且与负载关系很大，对负载变换很敏感，在谐振变换器中，谐振 元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。 准谐振变换器( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，q r c s ) 和多谐振变换器 ( m u l t 卜r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，m r c s ) 出现在8 0 年代中期。这是软开关技术的一次 飞跃，这类变换器中谐振元件只参与能量变换地某一个阶段，而不是全过程。 8 0 年代末出现了零开关p 州变换器( z e r os w i t c h i n gp v g tc o n v e r t e r s ) 。它可 以分为零电压开关p w m 变换器( z e r o v 0 1 t a g e s w i t c h i n gp 删c o n v e r t e r s 简称z v s ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gp 州c o n v e r t e r s 简称z c s ) 。它 采用的是p w m 控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的l l o 一1 5 。 9 0 年代初出现了零转换p w m 变换器( z e r ot r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 。它也分为 零电压转换p w m 变换器( z e r o - v o l t a g e t r a n s i t i o nc o n v e r t e r s 简称z v t ) 和零电流 转换p w m 变换器( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o nc o n v e r t e r s 简称z c t ) 。它是软开关技 术又一次飞跃，其特点是变换器工作在p 嗍方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开 关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作，损耗也很小。 在环境保护意识日益加强的2 1 世纪，电源系统的绿色化概念也被提出。所谓电 源绿色化，首先要节能，其次要电源不能或减少对电网产生污染。事实上许多功率电 子设备往往是电网的污染源，向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因素下降， 使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。2 0 世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案 诞生，出现了功率矫正( p f c p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r ) 方法，为开关电源产品的绿 色化奠定了基础。 电源技术发展到今天，已经融合了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计 算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科发展到独 树一帜的功率电子学。 1 4 本课题所研究的内容 本课题的任务主要对大功率直流开关高频电源装置做初步的研究与设计。它主要 包括开关电源的控制方式，其中主要针对软开关技术进行分析，并根据实际技术要求， 完成大功率直流开关电源装置的硬件设计和系统的仿真分析。 主要进行了以下几方面的工作： 1 分析p 嘲全桥变换器的软开关实现的原理，详细地研究了实现z v s 的条件、 桥臂所存在的死区问题，以及原副边占空比之间的关系； 2 根据实际技术要求，设计功率变换回路，包括输入整流、主变换回路、输出 滤波、及反馈和控制回路等，特别对电路中重要器件的参数选择作具体的分析计算。 3 用仿真软件对装置的相关电路进行了仿真分析。 本文的各章安排如下：第一章阐述了课题研究的目的和意义，以及电力电子器件 的发展状况，对开关电源的发展趋势进行了简要分析。第二章通过对直流开关电源系 统的整体方案分析，首先从硬开关式全桥变换器、谐振式全桥变换器和移相式全桥变 换器中选择变换器的拓朴结构，其次，分析控制电路的实现可能，最后，通过比较选 择并确定系统的整流滤波回路。第三章阐述绝缘栅双极晶体管的工作原理、特性以及 与静态、动态特性相关的参数，对软开关的类别和工作方式进行分析，通过比较 d c d c 变换器的电路结构后，确定变换器的型式，并完成开关管控制方式的改进。 第四章根据大功率直流开关电源的要求，对开关电源中的主电路各部分进行性能分析 并计算各项参数。根据计算结果选择各元器件，设计出各个独立模块，确定电源的主 电路。第五章阐述p w m 集成控制器的基本原理，对p w m 控制电路进行选择，最终 完成对电源的保护电路和i g b t 的驱动电路设计，从而实现电力电子功率器件作为开 关使用时，保证其更加安全、可靠地工作。第六章简要阐述p s p i c e 仿真软件，并利 用p s p i c e 软件对所设计的主变换器进行仿真，对所设计的电路进行仿真分析，以验 证本文所进行的理论设计的正确性。第七章对全文进行简要归纳，并得出相应的主要 结论。 上海大学工程硕士学位论文 第二章系统的整体方案分析和选择 本章从整体上对开关电源的各种功能模块进行了介绍，主要阐述了各模块的结 构、功能以及相互之间的关系，其中重点介绍了主变换器和控制电路，对当前开关电 源常用的变换器的结构、优缺点、适用范围等进行了分析，在此基础上，结合本文的 实际情况，选择了合适的变换器结构；在控制电路部分，介绍了开关电源控制电路各 控制单元的功能以及实现方法。最后对开关电源整流滤波电路进行了简单介绍。 2 1 系统整体概述 按照各部分的功能划分，从大的方面讲，开关电源可分成：机箱( 或机壳) 、电 源主电路、电源控制电路三部分。机箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用。 电源的主电路是负责进行功率转换的部分，通过适当的控制电路可以将市电转换为 所需的直流输出电压。而控制电路则根据实际的需要产生主电路所需的控制脉冲和 提供各种保护功能。开关电源的结构框图可如图2 1 所示嘲。 k 。- - h - _ _ “一 图2 - 1 开关电源的结构框图 从图中可以看出，这几部分是相辅相成的统一整体，。在电源的研制和开发过程 中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的电源满足设计要求。 电源主电路通过输入整流滤波、d c d c 变换、输出整流滤波将市电转为所需要 的直流电压。开关电源的主回路可以分为：输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整 流滤波三部分。输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流 电，然后通过输入滤波电容使得脉动直流电变为较平滑的直流电。功率开关桥将滤波 得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，由输出 整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需要的直流电压或电流，主回路进行正常的 功率变换所需的触发脉冲由控制电路提供。 控制电路是整个电源的大脑，它控制整个装置工作并实现相应的保护功能。一般 控制电路应具有以下功能：控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路、各种 保护电路、辅助电源电路。特定用途的电源视具体要求还要加装特定功能的电路。 为了使开关电源设备正常的工作，使电源的各个组成部分都能发挥其最大的效 能，就必须让电源的各个组成部分相互协调、相互协作、在电源的研制与设计过程中 应对这方面的问题给予足够的重视。 2 2d c - d c 变换器的选择 d c d c 变换器是开关电源中实现功率转换的部分。本文所设计的开关电源输出 功率约为1 i k w 。d c d c 变换器的输入电压为三相整流电压，电压较大，对开关器件 的要求比较高，因此选用全桥式电路较为合适，可使变压器磁芯和绕组得到最优利 用，使效率、功率密度等得到优化；另一方面，功率开关在较安全的情况下运行， 最大的反向电压不会超过输入整流滤波电路的输出电压。但是需要的功率元件较多， 在开关导通的回路上，至少有两个管的压降，因此功率损耗也较大。由于三相整流 桥提供的直流电压较高，工作电流相对较低，这些损耗还是可以接受的。目前，常 用的全桥式变换器有传统的硬开关式、谐振式以及移相式，下面分别简单介绍一下。 2 2 1 硬开关式全桥变换器 硬开关p w i v l 电路曾以结构简单、控制方便得到广泛应用，其电路结构如图2 2 所示。在硬开关p w m 电路中，开关管工作在硬开关状态，开关器件在高电压下导通， 大电流下关断，因此，在开关瞬间必然有大量损耗。因此，常常加入缓冲电路，如 r c 吸收网络。它可以限制开通时的d u d t 和关断时的d i d t ，使功率器件安全正常运 行。但是需要注意的是，吸收电路是通过把器件本身的开关损耗转移到缓冲电路中而 使器件得到保护的，因此这部分能量最终还是被消耗了，系统总的损耗没有减少。并 且频率越高，开关损耗越大，使系统效率大大降低。另外，开关器件在高频下运行时， 8 上海大学工程硕士学位论文 器件本身的极间电容将成为一个重要参数。极间电容电压转换时的d u d t 会耦合到输 入端，产生较强的电磁干扰，影响电源本身和电网中其他电器设备的运行。此外，电 路寄生电容、电感若形成强烈的振荡也会影响到设备的正常运行【7 】。 剑e 一【d i 刻 一【d j r _ _ _ 剑j4 剑jcd 图2 - 2 硬开关式全桥变换器结构 2 2 2 谐振式全桥变换器 硬开关式电路在频率不高时其缺点还是不是很突出，随着频率的提高，开关损耗 和电磁干扰将变成一个十分严重的问题，为了解决这一问题，有人提出了谐振式软开 关的概念【8 】。谐振式软开关和硬开关相比，主要是增加了两个附加元件一谐振电感和 谐振电容。利用谐振电感和谐振电容的谐振作用，使开关器件在正弦波的零电压或零 电流处开通或关断。谐振变换电路有多种拓扑结构，但其基本组成部分还是通过开关 器件和谐振元件l 、c 之间串联或并联实现的，再配以适当的控制策略来实现开关器 件的零电压或零电流动作。其基本电路结构如图2 - 3 所示。 一一 ( ) 零电漉开关 b ) 零电压开关 图2 - 3 谐振电路的基本结构图 图2 3 ( a ) 为零电流( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g ) 开关，它是通过电感l r 和开 - 9 - 关s 的串联实现的。l r 和c r 之间的谐振是靠s 的导通来激励的，利用l r 和c r 谐振 形成开关器件导通期间的正弦波电流波形，电流过零点时即将开关s 关断。零电流开 关对于具有存储效应的开关器件更加有效，如g t r 、i g b t 。 图2 3 ( b ) 为零电压( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ) 开关，它是通过电感l r 和开 关s 的并联实现的。l r 和c r 之间的谐振是靠s 的关断来激励的，利用l r 和c r 谐振 形成开关器件关断期间的正弦波电流波形，电压过零点时即将开关s 导通。 只要将图中2 2 中的硬开关换成谐振式软开关，即为谐振式全桥变换器。采用谐 振全桥变换器，电源工作的安全性大为提高。但是，谐振式变换器与负载关系很大， 对负载的变换很敏感，为保持输出在各种运行条件下基本不变，必须采用脉冲频率调 制( p f m ) ，因此，高频变压器、电感等磁元件要按最低频率设计，不可能做的很小， 实现最优设计相当困难；另外，其控制电路中需要增加电压一频率转换功能，电路要 复杂许多。所以，8 0 年代后期，许多专家进一步研究开发能实现恒频控制的软开关 技术，兼有谐振变换器和p w m 变换器的特点，形成了z c s 或z v sp w m 变换技术。 2 2 3 移相式全桥变换器 近年来，移相控制全桥变换器由于具有恒频软开关运行、移相控制实现方便、电 流和电压应力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出优点，倍受各方的广泛关注。移相 控制方式作为全桥变换器特有的一种控制方式，它是指保持每个开关管的导通时间不 变，同一桥臂两只管子相位相差1 8 0 度。对全桥变换器来说，只有对角线上两只开关 管同时导通时，变换器才输出功率，所以可通过调节对角线上的两只开关管导通重合 角的宽度来实现稳压控制，而在功率器件环流期间，它又利用变压器的漏感、功率半 导体器件的结电容或外加的附加电感电容的谐振来实现零电压或零电流的开关换流。 本文根据实际技术要求开发的电源的主电路就采用了移相式全桥变换器的拓扑 结构。本文第3 章将对此详细加以介绍。 2 3 控制电路的实现 控制电路是开关电源系统的另一重要部分。d c - d c 变换器需要控制电路提供适当 的驱动脉冲，才能有效的工作。如果控制电路不完善，主电路设计得再好也无法发挥 其自身的功能，例如：如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者出现误触发，有可 上海大学工程硕士学位论文 能引起开关桥的直通，导致短路，从而损坏开关元件。 根据电路功能的分工可将控制电路分为几大部分：脉冲产生电路、触发电路、电 压反馈控制电路、软启动电路、保护电路、辅助电源电路等，具体控制电路如图2 4 所示 9 】。从图2 4 可以看出，脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电 压反馈控制电路、保护电路以及软启动电路等提供的控制信号产生出所需的脉冲信 号，然后该脉冲信号经过触发电路的放大后去驱动开关元件，使开关管导通或关断。 图2 _ 4 电源控制电路框图 电压反馈控制电路通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采样电压 和参考电压相比较得出误差信号，反馈控制电路将误差信号进行p i 处理后得到一控 制电压。最后，反馈控制电路将该控制电压送给脉冲产生电路，进而调节输出脉冲的 脉宽达到调节输出电压的目的。 控制电路输出的p w m 信号，电平幅值和功率能力均不足以驱动大功率开关元件， 因此选择合适的驱动电路是必须的。驱动电路是将控制电路输出p w m 脉冲信号经过电 隔离后进行功率放大和电压调整再去驱动大功率开关管，由于所提供的脉冲幅度以及 波形关系到开关管的开关过程，直接影响到损耗，所以，应该合理设计驱动电路，实 现开关管的最佳开通与关断。 电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电 流，叠加在负载电流上，它不仅使开关管的负担过重而可能损坏，而且，由于持续时 间长，往往会引起过流保护电路发生误动作。若为了避免由此引起的误动作而将保护 电路搞得非常迟钝，这将会增加过流保护的不安全性。输出电压在合闸时容易出现过 冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能产生，只要达到足够的幅度将 会给负载造成损害，而且，反复的大电流冲击对电容器本身也不利，同时还会引起干 上海大学工程硕士学位论文 扰，因此，开关电源必须具备输出电源软启动的功能。软启动电路在电源合闸和重新 启动时提供一个逐渐上升的电压信号给脉冲产生电路，从而使控制电路的输出脉冲有 一个逐渐建立的过程。 保护电路是控制电路的一个重要组成部分，为了提高电源的可靠性必须不断完善 保护电路的功能。当前开关电源电路的主要保护功能有：过流保护、过压保护、欠压 保护、温度保护。过流保护和过压保护是为了保护负载和电源两者而设置的，而欠压 保护和温度保护是为了电源本身而设置的。 辅助电源电路的功能是为控制电路供电。辅助电源的类型有很多种，既可以采用 串联线性调整型电源，也可以采用开关电源。辅助电源也可以通过高频变压器获得输 出后反馈提供，辅助电源本身作为开关电源的一组负载。选取辅助电源电路形式时， 只要该电源能满足控制电路的要求即可。 2 4 整流滤波回路的选择 整流滤波回路是开关电源的重要组成部分，它可以提高电压、电流的稳定度，减 小干扰。开关电源中分别存在输入和输出整流滤波回路。 1 输入整流滤波回路 本课题研究的电源额定工作状态的技术要求为：输出电压2 2 0 v ，输出电流5 a ， 输出功率为1 1 k w ，属于大功率电源。为了保持三相交流电源的对称性和减小电源的 输入滤波电容等原因，大功率电源一般采用三相电源作为供电电源。因此，本文试验 用电源电路采用三相桥式整流，电感和电容组成输入整流滤波回路。 2 输出整流滤波回路 在大功率电源中，常用的输出整流电路有桥式整流电路和全波整流电路。因为本 文实验要求输出电压为2 2 0 v 。桥式整流电路适用于输出电压较高的场合，还可以使 变压器结构简单，降低整流管的电压定额，所以我们采用桥式整流电路作为输出整流 电路。输出滤波电路一般可采用一级滤波也可采用两级滤波。输出滤波电路的作用是 滤除二次侧整流电路输出的脉动直流中的交流成分，得到平滑的直流输出。在开关电 源中通常采用一级l c 滤波电路，当要求输出纹波很小时，也可以采用两级l c 滤波电 路。考虑到本实验要求精度很高，我们采用的是两级l c 滤波电路。 第三章软开关d c - d c 变换器设计 3 1i g b t 管的工作原理及其特性 绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ，简称i g b t ，是8 0 年代出现的新型复合器件。它是v m o s 的电压控制特性与双极型电力电子器件结合以 获得大电流的电导调制机制的产物，它既有功率m o s f e t 的电压驱动和高速开关特性， 又有双极型晶体管的大电流开关特性。由于它将m o s f e t 和g t r 两者的优点集于一身， 因此发展很快，倍受青眯。在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领 域中，i g b t 有广泛的应用前景。 1 i g b t 的工作原理 i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r ，简化等效电路可用图3 - 1 ( a ) ， 图形符号如图3 - 1 ( b ) 所示。 c g 一 c 1 j g - jk ei ( a ) 等教嗽路( b ) 符号 图3 一li g b t 的等效电路及符号 图中电阻r 。是厚基区g t r 基区内的扩展电阻。i g b t 是以g t r 为主导元件，m o s f e t 为驱动元件的达林顿结构器件。i g b t 的开通和关断是由门极电压控制的。门极加以 正电压时，m o s f e t 内形成沟道，为晶体管( p n p ) 提供基极电流，从而使i g b t 导通。 门极的正电压消失或加上负电压，m o s f e t 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断， i g b t 即被关断。 2 i g b t 管的静态特性及参数 i g b t 的静态特性主要有伏安特性、转移特性、通态特性。 i g b t 的伏安特性是指以栅源电压v “为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关 系曲线。输出漏极电流受栅源电压的控制，越高，i c 越大。其输出特性可分 为饱和区i 、放大区i i 和击穿区i i i ，特性如图3 - 2 ( a ) 所示。 i g b t 的转移特性是指输出漏极电流i c 与栅源电压之间的关系曲线。它与 m o s f e t 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压v t 时，i g b t 处于关断状态。在 i g b t 导通后的大部分漏极电流范围内，i c 与v g e 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏 极电流限制，其最佳值一般取为1 5 v 左右，特性如图3 - 2 ( b ) 所示。 ? c 。 i ； 1 i i i ： ll ； 5 ) , l 缓三3 i r 。 吒 ( a ) 伏安特性( b ) 转移特性 图3 _ 2i g b t 的相关特性 与静态特性相关的参数主要有以下几个参数【1 0 】： ( 1 ) 通态电压 它是额定集电极电流在规定条件下i g b t 上的压降，是影响最大输出功率的重要 参数，在开关电路中它决定了输出幅度和自身损耗的大小，与工作温度t 、栅极发射 电压v c e 有关。在相同条件下，耐压级别越高的器件，其值越大。 ( 2 ) 开启电压v t 开启电压v t 是指沟道体区表面发生强烈反型层所需的最低栅极电压，即反型层形 成的条件。只有v c e ( 。) v t ，i g b t 才会导通。 ( 3 ) 集电极发射极阻断电压k v * 是i g b t 正常工作的极限电压，是设计选择管子的重要依据之一。 ( 4 ) 最大栅极