（电力电子与电力传动专业论文）一种高频（mhz）两级vrm的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e r i v e df o ma ni n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i v ep r o j e c t ，t h ed i s s e r t a t i o n e x p l o r e sar e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo ft w o s t a g eh i g hf r e q u e n c y m h z ) d c ，d ct o p o l o g y( t a 噜e t i n g a t ： i n p u t( 3 6 - 7 2 ) v ；o u t p u t ( 1 o 1 5 ) v ；( 0 - 2 0 ) a ；w i t hi s o l a t e dt o p o l o g y ) 1 ti n c l u d e st h ea n a l y s i s a n do p t i m i z a t i o no ft h ep r i m a r ) r s t a g et o p o l o g yd e s i g n ，o p t i m i z a t i o n o ft h es e c o n d a i 了- s t a g et o p o l o g yd e s i g n ，h i g hf e q u e n c yp e r f b m a n c e o ft h ed e v i c e s ，a n ds i m u l a t i o no fm a g n e t i cc i r c u i tu n d e rh i g h f r e q u e n c ye t c ap r o t o t y p ei s d e v e i o p e da n dt h ee x p e r i m e n t a l 阳s u l t sv e r i 匆t h e t h e o n t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：v r mh i g hf r e q u e n c yc o n v e n e rt w o - s t a g ed c d c t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先简要地介绍背景知识，然后就删的结构和高频 m 的发展现 状作了分析。最后将对本文的研究内容和论文的结构进行介绍。 第一节背景介绍 人类发明的集成电路( i c ) ，极大地改变了我们的生活，并且大大推动了制 造业和计算机产业的发展。与此同时，微处理器技术的飞速发展，也给c p u 的 供电电源提出了更高的要求。根据m o o r e 定律一“晶体管的密度将会每1 8 个月 翻一番”，如图1 1 所示。 圈1 1m o o r e 定律显示微处理器中的晶体管数量以指数级增长 随着c p u 芯片中单胞尺寸的不断减小，工作频率的不断提高，每块芯片中 包含晶体管数目的迅速增加，一方面要求其供电电压交得越来越低而负载电流迅 速增长( 如图1 2 所示) ，另一方面，随着开关频率的增长，负载电流的瞬态转 换速率也随之加快，c p u 在休眠和工作两个状态之间的切换速度也越来越快， 因此要求供电电流的变化率( d ，d t ) 越来越大。图1 3 给出了对删电流变化 率要求的预测。 浙扛大学硕士学位论文第一章绪论 信 j 口 j 撕 图1 2 微处理器的电压和电流的趋势图 o 掌 2 0 0 l2 0 0 32 0 0 52 0 0 72 0 0 02 0 l l 图1 3v r m 电流变化事的预测 2 如 如 鲫 阳 孤 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第二节v l i i 的现有拓扑结构 目前删的拓扑结构可分为单级v r m 和两级v r m 两大类，如图1 4 所示。 图1 4 现有v r m 拓扑结构分类 在单级u “中，非隔离型的主要拓扑是b u c k 电路。图1 5 所示的是传统的 b u c k 电路，它适用于输出功率较小的应用场合，在输出电流较大的场合，为了 提高效率往往会采用同步b u c k 电路，如图1 6 所示。 。，圈。曼 图1 s 传统b u c k 电路图1 6 同步b u c k 电路 同步b u c k 电路的设计和应用前人已经做了不少工作【2 1 0 l ，主要集中在输入 输出滤波器的优化卦，开关器件的选择设计和损耗分析阶【8 1 以及门极驱动方案 优化 8 - 【l o 等等。与此同时，因为要提高瞬态响应一般采取多相交错并联 ( i n t e r l e a v e ) 技术，输出端的纹波由于交错叠加而变小，从而可以减小输出电容 的数量和体积。图1 7 给出了各代t m 产品样图和技术指标。随着输出电流的 增长，m 交错并联的相数已经达到四相甚至更多。 浙江大学硕士学位论文 弟一簟绪论 v k mk xv h m9 xv i mh x 圈1 7 非隔离型v r m 产品系列 单级v r m 中的隔离型拓扑主要包括有：有源箝位正激电路( a c t i v ec l a m p f o r m r d ) 、半桥电路h a l f b r i d g e ) 、推挽正激电路( p u s h p u l lf b r w a r d ) 等，对于 隔离型拓扑而言，副边整流电路的结构对电路的性能影响非常天。币【可的原边拓 扑可以对应多种副边结构从而构成不同的拓扑。从标准化的角度出发，可以把原 边拓扑与副边结构先分离开来进行研究。甚至在以后研制生产标准化模块时，也 可以先分别研制一系列的标准化的原边电路模块和一系列的标准化的副边电路 模块， 最后再根据需要和不同的应用场合组台起来。 但是微处理器技术的飞速发展对m 的设计提出了严峻的挑战，它至少传 选了两个信息：l 、更高的带宽成为必然，随之而来的必然是开关频率的上升】： 2 、已有的单级v r m 拓扑结构已经不适应高频的场合急需找出台适的新拓扑。 为此，有人提出了两级的拓扑结构。到目前为止，两级拓扑可以分为几大类， 图1 8 给出了两种两级拓扑结构“。 f 8 l 隔离型+ 爿 隔离型( b ) 非隔离型+ 隔离型 图1 8 两级拓扑结构的两种主要形式 其中图i 8 ( a ) 所示的是隔离型+ 非隔离型的结构，它的前级是隔离型的拓 扑结构。而后级是用来实现电压调整，图1 8 ( b ) 所示的结构为非隔离型+ 隔离 型，此外，针对1 2 v 的输入等级，有人还提出了非隔离型+ 非隔离型的结构。每 种结构都有其自身的特点和应用场合，在后续的章节中我们将根据本披论文的要 求而进行简要的分析。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第三节高频v i l m 的相关研究现状 在开关电源中，与器件的开通和关断密切相关的开关损耗将随着开关频率的 增加而增加，将直接导致变流器的效率低下。以下列举一个改进的推挽正激电路， 通过来测量其在1 0 0 m z 和5 0 0 z 开关频率下的损耗来进行比较 1 2 ，图1 给出 了比较的结果。当开关频率从1 0 0 k h z 增加到5 0 0 l ( 王z 时，效率下降了约1 0 。 从图1 9 中可以看出提高效率的瓶颈主要在于原边开关损耗、同步整流导通损耗、 体二极管的导通损耗、门极驱动损耗和绕组损耗等等。 图1 9 改进型推挽正激变流器的损耗分类 开关损耗包括了副边整流部分的开关损耗和原边器件的开关损耗。而原边的 开关损耗包括了两部分：开通损耗和关断损耗，它们随着输入电压、开关频率和 器件参数特性的改变而改变。为了减少高频下的开关损耗，人们通常采用谐振变 换和其他一些软开关技术的方法。 谐振模式下的开关电源，显然，其开关损耗是很低的，因此允许其在很高的 开关频率下工作。人们已经提出了许多全谐振、准谐振和多谐振的d c d c 拓扑 口”。这些变流器的拓扑几乎己经实现了零开关损耗，然而它们的输出电压是通过 改变开关频率而进行调节，因此这些变流器不适合于系统同步性要求比较高的应 用场合。而一些定频工作的谐振拓扑继承了降低开关损耗和能在高频下工作的特 性，但是由于它们的功率和控制电路非常复杂而不能够满足高功率密度的要求。 导通损耗包括了同步整流的导通损耗和原边开关的导通损耗。对于一个隔离 型的低压大电流的变流器，其副边的导通损耗占主要部分并且是决定整机效率的 关键因素之一。因此同步整流和倍流整流经常被采用。为了减少导通损耗并且解 决体二极管反向恢复问题，人们提出了一种电流转移的方法 1 ”，如图1 1 0 所示。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 由于不存在体二极管的电流，它相关的损耗( 体二极管导通损耗和反向恢复损耗) 将被极大地减少。同时，由于同步管的电流波形随着占空比的变化而改变，因此 采用较小的占空比也能够减少副边导通损耗。 门极驱动损耗包括了原边的驱动损耗和同步整流管的驱动损耗。器件的门极 驱动损耗可以表示为： 。2 q 。v s f | 此时q g 是器件的总的门极电荷量，而门极电平为v g ，f s 是开关频率。对 于低压大电流的应用场合，门极驱动损耗变得更加重要。 垫壅 v 。：j ： = ： i 。，厂_ b口口 v 二l 草= - 。c 嚣翁 ，。 疆銎 i t i 黥濑恕量慧鬻勰瓣臻鬻黪：抽虹矗f 口北c q 玎e n 牲 n ob o d yd i 洲ec 椭n 盼 图1 1 0 电流转移的方法用来降低体二极管电流 因此谐振门极驱动技术已经被应用在d c 肪c 中为了减少驱动损耗。现有的 许多谐振门极驱动电路中，参考文献【1 4 】中提出的脉冲谐振门极驱动结构比较简 单，相比于其他驱动电路来讲是一种比较好的选择。 另外其他的损耗还包括磁芯损耗、输入输出滤波器的损耗和辅助控制电路损 耗等等。随着开关频率的增加，磁芯损耗可以通过减少磁路长度和磁芯体积来降 低。但是磁芯损耗仍然占据整个损耗的很大一部分。因此磁芯损耗的评估需要通 过做大量的工作来优化设计变压器和滤波器来实现。 至于材料和器件方面，人们通过简单的c m o s 工艺设计制造了横向 m o s f e t s 【9 】，并且采用特殊的封装技术，使得其能够适用于下一代高频( m k ) 、 高功率密度的d c d c 变流器。平面变压器结构适合在谐振拓扑中使用。而一些 无源器件的集成，比如l c t ( 电感、电容和变压器的集成) 【2 ”，更将成为今后 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 几年的研究热点。采用类似于这些的新技术，将能够显著地降低损耗，而且减少 分立无源器件的使用，使电路结构交得更为简单。 总体说来，同步整流技术和倍流整流的应用将有效地降低导通损耗，而谐振 变换技术和软开关技术能够极大地改善开关损耗。考虑到很高的开关频率和实际 可用的工艺材料，想要在高频下满足一定的指标，难度很大，因此可以得出结论： 欲提高功率密度而不损失效率的话，人们仍然需要做大量的工作。 下面列举了已有的一些既满足高功率密度又适宜在高频下工作的拓扑： 多谐振推挽变流器( m r p p ) ： 在零电压( z v s ) 技术基础上，结合小占空比和电流转移的概念，多谐振推 挽变流器【1 6 能够在脚z 范围下的开关频率下工作时达到很高的效率。输出电压 通过第一级电路的控制来调节，所以第一级电路承担了调节宽范围输入的任务， 因此对改善电路性能起到了很大的作用。图1 1 1 给出了最终的 碑p 框图。 图1 1 l 两级4 8 v m 砌叩v r m 准谐振移相全桥变流器： 图1 1 2 准谐振移相全桥d c ，d c 变流器( 引入了电流转移概念) 由于良好的性能和简单的结构，移相全桥被广泛地应用。同时，自驱结构也 能够应用在该拓扑之中。通过重新设计控制电路方式，人们采用自驱方式并实现 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 z v s ，因此可以极大地减少驱动损耗和体二极管导通损耗，非常适用于高频应用。 l l c 谐振变流器： 上文中已经提到，为了增加开关频率而不影响效率，人们把注意点集中在谐 振拓扑上。在l l c 拓扑中m 】，开关管均可以实现z v s 。三阶l l c 拓扑中包含了 串联和并联谐振的优点，并且可以在一个很大的负载范围内调节输出电压。但是 由于谐振变流器需要变频控制，导致了变流器设计上面的难度很大，比如同步整 流的门极、谐振环路的功率因数控制和开关频率范围等等。 v 厂焉 1 。寸 r ：s 聪 i j 。+ 图1 1 3l l c 谐振拓扑 准谐振同步整流反激变流器： 高频低压大电流应用下的谐振同步整流技术概念可以被准谐振同步整流反 激拓扑所采用【”】。它的特点是没有体二极管的反向恢复损耗，并且所有的开关管 都能够实现软开关。反激拓扑非常简单而且对宽范围输入有着很强的适应性，但 是自驱的结构仍然十分复杂。 图1 1 4 准谐振同步反激拓扑 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第四节本文的研究内容和方案确定 奎途塞的廷缢是! 缱金金佳亟且：盟西级墅q 墅的拓盐( 指拯璺塞羞l 璺：1 2 ) y 捡t ( ! ! q ：! ：5 ) y 箍出：( q ：q ) 箍出：陋离型的主要部筮进荭直频挫 能( 迪! ! 拯曩性班窟( 益蜃缝拓盐优选：墨往笪直题选自受嚣：谐握 拯墅 麴电疆塑磁竖曲直塑至笾真笠笠2 ：羞剑挂搓狃进堑坠运! 前文中提到了现有两级拓扑的三种结构，其中非隔离型+ 非隔离型和隔离型+ 非隔离型这两种模式应用的较多，而非隔离型+ 隔离型这种形式采用的较少。考 虑到项目的专利性和探索性，作为对高频m 的一种新的尝试，非隔离型+ 隔 离型成为本论文中所选用的结构。 图1 1 5 所示是一种以类似b u c k 电路作为前级拓扑而半桥作为后级的两级模 式。在两级拓扑中，前级拓扑主要是用于在宽范围输入下调节电路的性能，以便 于后级实现较高的效率，同时不同于以往人们采用的前级拓扑( 非隔离型或者隔 离性型) ，前级拓扑也采用较高的开关频率( 本次实验先采用1m k ) 。电路工作 时，前级通过对宽范围输入下的母线电压进行调节，以供给后级稳定的中间母线 电压，所以后级的半桥只需采用0 5 占空比的不控方式。 藩野 o 汀| 勘矗舜 g o 力f r 。，e r _ 图1 1 sb u c k + 半桥( 皿)( d 芝0 5 ) 两级拓扑 这种两级拓扑有着如下的特点： 后级拓扑的优化设计：由于占空e b 是固定的，通过变压器的优化设计，可以 比较容易实现原边开关管的z v s ； 同步整流固定电压应力的优化设计：低电压应力，m o s f e t s 的驱动方式比 较容易设计( 无论是采用外驱还是自驱) ： 输出电流纹波较小，这点对于低电压输出( 尤其是删) 要求来讲非常重 要： 9 浙江大学硕士学位- 龟文 第一章嫱论 由于工作频率很高，因此有利于减小后级拓扑中变压器的容量，提高功率密 度： 相对于后级拓扑来讲，前级拓扑的灵活性就会很大，它的主要任务就是解决 宽范围输入的问题，并且要尽可能地提高效率，所以它的开关频率并不定 要求和后级一样高，值本次设计任务中前级的开关频率也要求很高，暂时先 将其定为lm k ，后级拓扑的开关频率也采用1m h z 。 所以在这种两级拓扑中，前级b u c k 只是一种预先的调节，保证后级的半桥 输入v b u s 为稳定的电压值就可以了，因此后级的半桥拓扑工作方式就只有一种， 即以o ，5 占空比的方式，所以就可以比较容易实现较小的输出滤波电感、s r 的 驱动优化和主要开关管的零电压工作模式。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第五节本文的结构 本文在第一章中简要的介绍了背景知识和 m 的研究现状，并且确定了两 级拓扑的结构特点，确立了论文的研究方向。 第二章将介绍几种前级候选拓扑，通过理论计算和实验比较了它们各自的优 势和缺点。 第三章在第二章候选拓扑分析基础上，结合各自的特点，提出了一种新型的 降压型拓扑结构，通过分析其工作原理、小信号建模和损耗分析，证明其适合前 级拓扑的要求。 第凹章介绍了后级拓扑的选择和分析过程。 第五章分析了仿真和实验结果。 第六章针对实验中的不足之处提出改进的意见并进行展望，为后续的工作作 一铺垫。 n 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 参考丈献 l 】 i t e lp e n t i u m4p r o c e s s o r - d e s i g ng u j d e s ，v r m9 od c - d cc o n v e r t e rd e s i g n g u i d e l i n e 1 2 lz h a n g ，m t ；j o v a n o v 峨札m ；l e e ，f _ c ，d e s i g nc o n s l d e r a t j o n sf o rl o w _ v o i t a g e o n - b o a r dd c ，d cm o d u 淞f o rn e x tg 蜘e r a t i o n so fd a t ap r o c e s s i gc i r c u i t s k l ，i n ： p r o e e e d i n g so fi e e e p e d s ，i 9 9 5 ，v 0 1 1 ：3 8 5 9 4 3 】z h a g ，弧t ；j o v a n o v i c ，m m ；l e e ，f c ，d e s 咖c o n s i d e r a t i o n sf o r 】o w - v o i t a g e o n - b r dd c cm o d i e sf o rb e 互tg e n e r n t i o n so fd a t ap m c e s s i n gc i r c u n s 四，i e e e n a n s o np o w e re l e c t r o n j c s ，1 9 9 6 ，1 1 ( 2 ) ：3 2 8 _ 3 3 7 1 4 】 x u n w e iz h o u ；w a n g ，t g ；l e e r c ，o p t i m 嘶gd e s j g nf o rl 0 wv o l t a g ed c ，d c c o n v e r t e r s 【c l ，i n ：p r o c e e d i n g so f l e e e a p e c ，1 9 9 7 ，v 0 1 2 ：2 3 - 2 7 5 】 s c o t td e u 姊o p t i m 蛹n gn a n s i s t o rp e r f o r m a 日c ei ns y n c h r o n o sr e c 6 n e rb u c k c o n v e r t e r i c l 1 日：p r o e e e d i n g so f 皿e e a p e c ，2 0 0 0 ，v 0 1 2 ：6 7 5 6 7 8 【6 1 a l e xq h u a n g ，n i c kx s u ，b oz h a n 当x u n w e iz h o na n df c l e e ，l o wv o l t a g ep 0 w e r d e v i c e s f o r f u t u 他v r m 【c 1 i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e i s p s d ，1 9 9 8 ：3 9 5 1 3 9 8 t 7 j x u n w e iz h o u ；d o 岫t i ，m ；a m o r o s o ，l ；l e e ，r c ，l m p m v eu g h tl o a de m c i e n c y 如r s y c h r o n o u sr e c t i f i e rb u c kc o n v e r t e r 【c 】，i n ：p r o c e e d i g so f 瑾e e - a p e c ，1 9 9 9 ，v o l - l ： 2 9 5 - 3 0 2 【8 1 p a n o v y j o v a 0 v km l m d e s 旭nc o n e i d e r & t i o n s f o r1 2 _ v ，1 5 - v ；5 0 _ av o l t a g e r e g u l a t o rm o d u l e s i j 】。i e e e1 t h n s o p o w e re i e c t r o n c s ，2 0 0 0 ，1 6 ( 6 ) ：7 7 6 - 7 8 3 9 1k a i w e i 疆o ；l e e ，e c ，an o v e ir e s o n a n tg a t ed r i v e rf o rh i 曲f 忡q u e n c ys y n c h r o n o u s b u c k c o n v e r t e r s i c l ，i n ：p r o c 神d i n 铲o f 删 e - a p e c ，2 0 0 1 v o l 。l ：2 8 嗽8 6 1 1 0 】鼬i w e iy a o ；l e e f c ，an o v e lr e s o n a n tg a t ed r i v e rf o r h 蛐m q 吼c ys y n c h r o n o u s b u c kc o n v e r t e r s 【j 】，i e e et a n s o np o w e re i e c t l o n i c s 2 0 0 2 ，1 7 ( 2 ) ：1 8 m 1 8 6 【1 1 1y h a n c h e n gr e ，h i g hf r e q u e n c y h i g he m c i e n c yt w o s t a g ea p p r 油c hf o r 血t u r e m i c r o p r o c e s s o r s ，v i r g i n i ap o i y t e c h n i ci n s i i t u t ea n ds t a t eu n i v e r s i t y a p r i2 2 n d ，2 0 0 5 【1 2 】m i gx u ，f r e dc l e e ，“g e n e 强lc o c e p 虹f o rh i g h - e m c i e n c yi 王i g h - f 浩q u e n c y4 8 v d c ，d cc o n v e r t e r ”，i e e ep e s c 2 0 0 3p p 1 5 6 - 1 6 2 【1 3 1y u a n c h e n gr e n ，m i n gx u ，d o u g i a ss t e r l 【，f r e dc - l e e ，“1n i z s e l f d r j v e nz v s f u i l - b 咖g ec o v e n e rf o r4 8 v p o w e rp 0 d s ，皿e ep e s c 2 0 0 3p p 1 8 0 l - 1 8 0 6 1 1 4 j l ( a i w e iy a o ，f r e dc l e e ，“an o v e lr 啪岫n tg a t ed r i v e rf o r g hf r e q u 蛐c y s y n c h r o n o u s b u c k c o v e r t e r ”， p o w e re i e c t r o n i c s i e e et r a 吐s - o n ，v 0 1 1 7 ，b s u e 2 ，m a r c h2 0 0 2p 8 0 1 8 6 1 1 5 jm gx u ，j i n g h a iz h o u ，y a n gq j u ，酗时e iy a o ，m dc l e e ，“r e s o 蚰n t 封m c h r o n 洲s r e c t i 6 c a t i o nf o rh i g hf r e q u e d c yd c 仍cc o n v e r t e r ”，l e e ea p e c 0 4 v b l 2 ，2 2 2 6f e b 2 0 0 4p p 8 6 s 一8 7 l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 jm a oy e ，m i n gx u ，f r e dc l e e ， “1h m zm n l t i - r e s o n a tp u s h - p u h4 8 vv r m ”， i e e ea p e c 0 3 1 7 ly 且n j u z h a n g ，d e h o h gx u m i c h e n ，“l l cr e s o n 8 n tc o n v e r t e rf o r4 8 vt oo 9 v v r m ”，i e e ep e s c 2 0 0 4 ，p p 。1 8 4 8 一1 8 5 4 【1 8 】 p r a v e e nk j i a n ，g a r ye d w a r d s ，“a s y m m e t r j c a lp u i s e w i d t h - m o d u l a t e dr e s o n a n t d c ，d cc o n v e r t e rt b p o i o g i 嚣”，i e e et 聃so np e ，v 0 1 1 1 ，n o _ 3m a y1 9 9 6 1 9 】 m b a r t o l j ，丸r e 矗n i ，k a z i m i e r c z u km k “h y br i d g ez e m - c u r r e n t s w i t c h i n g r e c t i 6 e rf o rh i g h f r e q u e d c yd c d cc o n v e r t e ra p p l i c a t i o n s ”，i n t e i e c 9 5 ，2 9o c l 一1n o v 1 9 9 sp p 5 l o 一5 1 7 1 2 d lz j 耋h e n 。d o k a d i ，r l i n ，a l t l n 低喇s ，s 舢d e r s o n ，“k t e a i d i s e 哦ep 洲e r m o s f et e n a b l i n gt e c b n o l o 盱f o rn e x t - g e n e r a t j o n ，m h 硝r e q u e d c y h i g h d e n s i t y d c ，d cc o v e 九e 邛”， e ea p e c 2 0 0 4 ，、b 1 1p p 2 2 5 - 2 3 4 2 1 lj t s t r y d o n ，j d v a w y l 【，m a d er o o q ，“i n t e g r a t i o no fn1 - m h zc o v e n e rw i t h a c t 押ea n dp a s s j v es t a g e s ”，i e e ea p e c 2 0 0 1 ，v 0 1 2 ，p p 1 0 4 5 1 0 5 0 1 2 2 1m m j o v a n o v j c ，d c h o p k i ns f 哺d c ，l e e ， “e v a 】u t i o a n d d 龉i g n o f m e g e h e 她f r e 蚪跖c yo 尽l i n e 跫r oc u r r e n t5 w i t c 矗e dq a s i n s o 船tc d b v e r t e 体”i e 矾： m n s p o 靴re l e c 仃o n 巾p 1 3 6 1 4 6 【2 3 】 a b h a t ， “a n 8 l y s i s 8 n dd e s i g o fan x e df e q u 蛐c yl c l t y p es e r i 龉r e s o n a t c o n v e r t e r ”，i p m 己1 9 9 2a p p l p o w e re l e c t r o n _ c o n f e b 1 9 9 2 ，p p 2 5 3 - 2 砷 1 2 4 jy i n 鹊iz h a n g ；s 锄，p c ；y a n f e il i u ， “an o v e l 神r ov o l t a g es w j t c h e d ( z v s ) b u c k n v e r t e ru s i n gc o u p l e di n d u c t o r ，e l e c t r i c t i 且n dc o m p u t e re g i e e r i n g ， 2 0 0 1 一 c a b a d i a nc o n f e r e n 释。nv o l u m el 。1 3 1 6m 8 y2 0 0 lh g e ：3 - 3 6 2v o i 1 f 2 5 】 f r e dc l e ea dy 汕u ic h e ，“ar e n a n tg _ t ed r i v e rf o rp o w e rm o s f e t ”u s p a t e n tp r 0 、i s i o n a l l r n o 1 6 4 1 5 9 p r ，o c t o b e r1 9 9 9 【2 6 】a p p l i c a t i o nn o t ea n - 9 4 4 ，u s eg a t ec h 8 r g et od 髂i g nt h eg a t ed r i v ec i r c u i tf o r p o w e rm o s f e t a n di g l m ”，i n t e r n a t i o a lr 辟c t i n e n 【2 7 lm a n er o o 吼j i t s 时d o m ，j n v a nw y kp b 曲m e d e s i g c o s i d e r 毫u o n s f o ra1 m 咀zm o s f e tg a t e - d r i v e rf o ri t e g r a t e dc o n v e r t e r s ，”c e n t e rf o rp 口w e re l e c t r o n i c s y t e m s ( c p e s ) a u a is e m i n a bb l a c k s b u r gv a ，u s a ，a p r i i2 0 0 2 ，p p 3 4 6 3 s 3 【2 8 】谢小高，小功率d c ，d c 变流器模块标准化若干关键问题研究【d 】，浙江大学博士学位 论文，2 0 0 5 年3 月 浙江大学硕士学位论文 第= 章前级拓扑的优选 第二章前级拓扑的优选 前文中已经提到，选取非隔离型的电路结构作为前级拓扑，而后级的拓扑结 构为隔离型半桥拓扑。考虑到前级的输入范围是3 6 7 2 v ，并且课题要求的开关 频率较高，所以前级拓扑必须是适应宽范围输入、高频环境，并且结构简单、效 率较高的。与一般的非隔离型+ 隔离型的两级拓扑不同的是，的前级也要求相当 高的开关频率( 现有的前级频率一般为( 3 0 0 4 0 0 ) k h z ) ，因此前级的输出特性应 该为在相同的输出功率下，实现较高的输出电压和较小的输出负载电流。因为前 级拓扑的基本电路为b u c k ( 降压型) 电路，所以较小的输出负载电流能够尽可 能的降低开关管的关断损耗，提高电路的效率，所以暂且将输出电压定为3 0 v ， 后续将对中间母线电压( 即前级输出电压) 进行详细分析。本章将简单的比较几 种前级的拓扑结构，并做出简单的总结，同时提出前级拓扑的一些要求。 第一节传统的b u c k 电路 图2 1 所示的是传统b u c k 拓扑结构。这里把传统b u c k 电路列为候选的拓扑， 原因有两点：l 、该电路结构最为简单；2 、由于要求前级的输出负载电流较小( 按 照9 0 w 的设计，输出3 0 v 时，输出电流为3 a ) ，所以开关管的关断损耗会比较 小，因此在特定的条件下，一些常用的软开关拓扑未必会在效率上优于传统的 b u c k 电路。 v o 图2 1 传统的b u c k 电路 根据表2 1 所列参数，分别计算和测量了传统b u c k 电路的效率，并加以比 较。图2 2 给出了计算和测试的效率结果。 浙江大学硕士学也论支第二章前龋拓扑的优选 表2 1 传统b c k 电路的主要参数列表 轴a 电压输出电压输出负截 开黄频率 主开关管续流=输出电感l ( m电滴 a ) s 极管u l 。t i3 6 - 7 23 031 3 2m h zl r f 5 弛f y p 2 0 1 0l e 7 5 h 9 6j 9 6o 0 b5 j 5n 童9 i5 0 1o 9 3j 9 30 9 2j 3 0o ( ) o 5 0o6 0 07 00 v l i ( v ) 国2 2 传统b u t k 电路的效率计算和测量 罔2 2 可以看出随着输入电压的增加，效率随之降低，最高的效率出现在 低端3 6 v 时，效率为9 5 2 。同时可以发现，实际测量的效率比计算的效率低了 个多的百分点，原因是除了效率计算时一些不易计入的损耗之外，还有就是 m o s f e t 的损耗，因为电路中m o s 管是硬开关，在高频环境下。m o s f e l 、的开 通、关断损耗和门极驱动损耗占据了总体损耗的大部分，图2 3 给出4 8 v 输 圈2 3 传统的b u c k 电路的各项主要损耗( 4 8 v 输入、3 0 v 3 a 输出) 入时，传统的b u c k 电路的各项主要损耗。可以发现关断损耗和门极驱动损耗之 1 5 浙江大学硕士学位论文第二章前级拓扑的优选 和占据了总损耗的一半多。高达( 2 3 ) w 的损耗都加在m o s f e t 上面，引起结温 的急剧上升，从而使整体损耗继续增加。可以将此结果作为个参考量，以便和 软开关电路作为一个比较。 浙江大学硕士学位论文 第二章前级拓扑的优选 第二节带耦合电感的z v sb u c k 电路 文献 7 仲提出了一种带有耦合电感的z v sb u c k 拓扑结构。它的主要特点是 在输出电感的磁芯上耦合了一个额外的绕组，所以既保持了传统p w m 变流器和 准方波( q s w ) b u c k 电路的优点，即上、下管都能满足软开关的条件，又能实 现较小的输出电流纹波，可以大大减小电感电流纹波过大带来的损耗。 图2 4 所示的就是带有耦合电感的z v sb u c k 电路，电感l 。和k 紧密地耦 合在同一磁芯上，而且电感l r 的电感量较小，而输出电感l 。相对很大。并且由 于耦合电感k 的存在，稳态工作时电感k 的电流k 可以过零双向流动，同时输 出电流的电流纹波很小。过零双向流动的i ，确保了上、下管予的软开关。而 纹波很小的输出电感电流允许更大的输出功率却降低了对输出滤波电容的要求。 图2 4 带耦合电感的z v sb u c k 拓扑 为了简化分析，所有的开关器件可以近似为理想器件，同时假定变流器处于 稳定工作状态。考虑到开关管的结电容和死区时间，一个周期可分为7 个阶段。 图2 5 给出了变流器的工作波形，图2 6 示出其各个阶段的等效电路。 r l j 拱态1r t 0 t f j ：在t 口时刻，s l 已经处于导通状态而s 2 关断。电感l r 和输 出电感l 。串联，因此上管电流i s l 、电感l r 电流i ，和输出电流i 。u t 以同样的斜率k 上升。s l 在t l 时关断。 ( 2 - 1 ) f 2 j 模态2f t i t 2 j ：s 1 在t 1 时关断，电感k 和上、下管的结电容c s l 、c s 2 和 浙扛太学硕士学位论文 第二章前级拓扑的优选 续流管d 的结电容c d 发生谐振，c 。1 充电而c 。c d 放电。在t 2 时，因为c 。2 两 端的电压下降至零，这时下管s 2 的体二极管d 2 开始导通，同样续流二极管d 也 开始导通。此时输出电感l 。两端的电压v 。开始改变其极性。 r 3 j 模态3r t 2 b j ：当d z 导通时，耦合电感l p 和l ；的极性已经改变了。这 时电感l r 上的电流i ，开始下降，输出电感电流i 。t 也同时开始下降。由于电感k 相比较l s 而言要小的多，所以电流i ，要比电流k 下降的快的多。从这个阶段的 等效电路图2 6 模态3 可以看出谐振电感l r 两端的电压v ，等于耦合电感l d 的端 电压。由此可得方程( 2 2 ) 、( 2 3 ) 。 而且 v 。+ v ，十v o = o v 等 丫l 等+ m 警 v 等+ m 鲁 i ，+ i 。= i 叫 m - 丽 把方程( 2 - 4 卜( 2 - 8 ) 带入方程( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可得各电流的斜率： 旦k ；生! ! 生! d t ( l 。+ l 。十2 h ql ， 生：兰! 坠生2 d t ( l 。+ l 。+ 2 m ) l ， ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一lo ) 浙江大学硕士学位论文 第二章前级拓扑的优选 盟：坐兰立 d t ( l p + l ，+ 2 m ) l ， ( 2 一1 1 ) 从方程( 2 _ 9 ) ( 2 _ 1 1 ) 可以很清楚地看出电感电流i ，和输出电流i 。呈下降趋势而k 则在上升。 同时，d 2 的导通将s 2 的漏源电压箝位在零电压状态，为s 2 的零电压导通开 创了条件。 f 4 j 模态4r t 3 t 4 j ：在t 3 时刻，谐振电感l 吓电流i ，下降至零，此时s 2 开始导 通，在t 4 时，s 2 关断。同时续流二极管d 也关断，电流i 。靠体二极管维持。 r 5 j 壤态5r t 4 t s j ：当s 2 关断的时候，谐振电感l r 和上、下开关管的结电容 再次发生谐振。此时电路的工作状态和蠖态2 非常类似。c 。l 放电，而c 。2 充电。 在t s 时，c 。1 两端的电压下降至零，该模式结束。 r 6 j 横态6r t 5 t 。j ：在t s 时刻，因为c 。1 两端的电压下降至零，所以上管s 1 的体= 极管开始导通。从这个模态的等效电路图可以得出： v p 十v ； - v 2 0( 2 - 1 2 ) 琢+ 蟮2 # 把方程( 2 - 4 ) ( 2 8 ) 带入方程( 2 1 2 ) 、( 2 一1 3 ) 可得 监：生v 坠兰：! d t l ，( l 。+ 蚴。( l 。+ l 。+ 2 m ) l ， 熹一+ 器 坐：显一坐兰! ! d t l ，。+ l 。+ 2 m ) l ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 由方程( 2 - l 咿啦- 1 6 ) 可以看出，在此模态下，i ，和开始上升而i ，开始下降，而 且可以发现i ，上升的速率比i o 。要快得多。同时体二极管d 1 的导通也为s l 的零 电压开通创造了条件。在t 6 时刻，i ，上升到零。 浙扛大学硕士学位论文 第二章前级拓扑的优选 f 7 j 模态r t 6 t 7 j ：在t 6 时刻，s 2 零电压开通，i ，和i 。继续上升。但是因为i r 的上升速度比要快得多。在t 7 时刻，i ，与i 。相等，而i 。下降至零，此时续流 二极管d 关断。 在下一个开关周期中，重复上述7 个模态。 刁厂 刁 厂司埘讯 “2 l o n t |j ! 歹 一 n _ ， l o t l t 2t 3t 4 t 5 t 6 t 7 图2 5电路工作的主要波形 塑至查兰堡主竺垡笙苎墨三童堕塑塑堑塑垡 模密1 模态3 模态5 + v o 模态7 模奋2 攘态4 模志6 图2 6 一个开关周期内各阶段工作模态的等效电路 2 1 + v o 浙江大学硕士学位论文 第= 章前级拓扑的优选 根据上文中的原理性阐述，对该拓扑的损耗进行了计算。表格2 - 2 中列举的 是电路的基本参数，而样机的损耗估算将分别列于表格2 3 中，并将其与准方波 b u c k 的损耗进行比较，更能体现出在高频下的优势。 表2 2 电路的主要参数 输入电压3 6 v 输出电压 1 7 5 v 输出电流 2 a 输出功率 3 5 w 开关频率1 剐田k 谐振电感 5 0 0 h 耦合电感匝比 n = n p ：n s 一1 ：2 输出电感 8 u h 表2 3 新型z v sb u c k 和准方波b u c