（电力电子与电力传动专业论文）基于boost变换器的高功率因数软开关电源的研究.pdf

垒垒苎! 苎壁 一一一一 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，t h et e c h n o l o g yo fs w i t c h i n gm o d e p o w e rs u p p l y ( s m p s ) i sg r a d u a l l yb e i n gp e r f e c t h o w e v e r ，t h e r ei s n oe n dt ot h e d e m a n df o rah i g hp o w e ra n dh i g hp e r f o r m a n c ep o w e rs u p p ly n o w a d a y s ，p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) t e c h n i q u ei sw i d e l y r e s e a r c h e d m o s tp o w e re l e c m n l c s e a u i p m e n t sa r ec o n n e c t e dt o t h ep o w e rs y s t e mt h r o u g hr e c t i f i e r s t h e t r a d i t i o n a i d i o d ea n dt h y r i s t o rr e c t i f i e r sa r et h em a i ns o u r c e so ft h eh a r m o n i e si np o w e r s y s t e m i nr e c e n tv e a r s ， m a n yc o u n t r i e s a n di n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n h a v ep r o p o s e d r eg u l a t i o n so nt h eh a r m o n i c so fp o w e re q u i p m e n t a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t l o n c i r c u i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eh a r m o n i c so ft h e r e c t i f i e ra n dc a nm e e tt h e h a r m o n i c ss t a n d a r d t h i sp a p e rf i r s t l ya n m y z e dt h ed e v e l o p m e n to f t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p i y s i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fr e q u i r e m e n t s ，a n a ly z e d t h eb a s i cc o n s t j t u t ea n d f u n d a m e n t a lc o n f i g u r a t i o no ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s e c o n d l y ，t h i s p a p e r s t u d i e st h eb a s i cs t r u c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l e so fz v t b o o s ts o f t s w i t c h i n g p f c c i r c u i ta n dt h ei m p l e m e n t i n gp r i n c i p l eo f s o f ls w i t c h 。b a s e do nt h o s ei n f o r m a t l o n ，t h e m a i nc i r c u i ts t r u c t u r ei sa s c e r t a i n e da n dp r o p o s a lo fc o n t r o ls y s t e m 1 sp r o p o s e d f o rt h ep o w e rr e q u i r e m e n t s ，t h et w o s t a g ep f cc i r c u i t i su s e d t h ep a p e r a n a l y z e st h et o p o l o g i e s s t r u c t u r e sa n de l e m e n t s c h a r a c t e r i s t i c so it h ec o m m o n d c d cc o n v e n e r ，a n df o u n ds i m p l ym o d e lf o re a c hc o n v e r t e r a c c o r d i n g t ot h o s e m o d e l s t h ea n a l y s i so ft h ec o n v e r t e rc h a r a c t e r i s t i c ，e a c hc o n v e r t e ra d v a n t a g e s a 1 1 d d i s a d v a n t a g e s ，a n dt h ep r i n c i p l e so fc h o o s i n gt h er i g h tt o p o l o g y f o rt h ed 1f f e r e n t s w i t c hp o w e rs u p p l ya r eg i v e n f i n a l l ys i m u l a t i n ga n a l y s i s i sp e r f o r m e do nt h e d e s i g n e ds y s t e m ah i g hp o w e ra n dh i g hp e r f o r m a n c es m p si sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t om e e tt h e d e m a n do fi t sc o n s u m e r i tc o n s i s t so ft o ws t a g e s t h ef o r w a r d s t a g ei sas i n g l e - p n a s e b o o s tp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tu s i n gu c 3 8 5 4 a n dt h eb a c k w a r ds t a g em a l n c i r c u i ti saf u l l b r i d g e c o n v e r t e ru s i n gp h a s e s h i f t i n g c o n t r o ls o f t s w i t c h i n g t e c h n i q u e f i n a l ly , ap r e l i m i n a r yd e s i g no fs m p s i sp r o p o s e di n t h i sp a p e ra n dt h e f e a s i b i l i t y , i n n o v a t i o na n ds u p e r i o r i t y a r ep r o v e dt h o u g he x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：s m p s s i m u l a t i o n ，s o f ts w i t c h i n g ，p f c i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 遘硼签字日期：厶。t 年l 月刁目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：h 签字日期：b 吝年l 月哆日 导师签名：毅严 签字日期：细麓年l 盘月哆e t 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 近年来，随着电力电子学的高速发展，电力供给系统也得到了很大的发展。 同时，人们对电源的要求也越来越高。在高效率、大容量、小体积之后，对电源 系统的输入功率因数和软开关技术也提出了更高的要求。从1 9 9 7 年1 月，美国、 欧洲、日本相继禁止没有进行谐波抑制和功率因数改善的供电系统进入市场，并 对高次谐波电流和功率因数制定了详细的国际标准，这样就使世界各国的电源开 发研究机构投入了大量的人力、物力来研究这一课题，形成了电源系统研究中的 一个新领域。【1 】【2 1 【3 1 电源是给电子设备提供所需要的能量的设备，这就决定了电 源在电子设备中的重要性。电子设备要获得好的工作可靠性必须有高质量的电 源，所以电子设备对电源的要求日趋增高。1 4 】相对于线性稳压电源来说，开关稳 压电源的优点更能满足现代电子设备的要求，从2 0 世纪中期开关稳压电源问世 以来就倍受关注，特别是2 0 世纪8 0 年代以后，由于电力电子技术的发展和新型 电力电子器件的产生，使其在计算机、通信、航天、办公和家用电器等方面得到 广泛应用，大有取代线性稳压电源之势。【5 j 但是，由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，开关电源的高频化就 必然对传统的p w m 开关技术进行创新，实现z v s 、z c s 的软开关技术已成为 开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率，近年来国内外的专家 学者提出了众多的电路拓扑，使得软开关技术成为电力电子技术研究的热点。【6 j 1 2 开关电源的现状及发展要求 丌关电源抗干扰技术及防止电网污染技术也已经引起国内外专家的注意。在 2 1 世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成 、“电力电子封装技术”等。 目前，新的器件( 能在低压工作、降压很小的器件) 已经陆续进入市场，可以得 到1 v 的低压输出和功率小到1 0 毫瓦的开关电源、功率密度达5 - 6 w e m ) ，为便 携装置微型化提供了条件。现在可以采用软开关p w m 技术、印刷电路、折叠绕 组变压器，可以采用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效 率可达到9 0 ，大功率电源可达到9 5 左右。开关频率以2 0 k h z 为下限，几十、 第1 章绪论 几百倍的提高。设备体积、重量越来越显著下降。外形也可以做成轻、薄、短、 小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而足精致、灵巧、可没计成兼有“智 慧”的装置了。虽然近几年国内的开关电源技术取得了长足的进展，理论、研究、 生产、应用等已有相当成果或规模，但我国开关电源市场尚未很好开拓，相控电 源在我国现有电源中占有较大的市场份额。因此，利用p w m 技术的电源必须取 代各类相控电源。 对于现代的丌关电源功率交换技术的发展趋势，可以概括为：高频化、高效 率、无污染和模块化。【7 】 ( 1 ) 高频化 高频化是缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度的重要技术途径。高频化 还可使开关电源的动态品质得到改善。小功率d c d c 变换器的开关频率将由 2 0 0 3 0 0 k h z ，提高到1 m h z 。功率密度也将由每立方英寸5 0 瓦提高到1 0 0 瓦以 上。理论分析和实践经验表明：电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供 电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 k h z ( 提高4 0 0 倍) 的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的l o 。无论是逆变式整流 焊机，还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统“整流 行业的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原 理进行改造成为开关变换类电源，其主要材料可以节约9 0 或更高，还可节电 3 0 或更多。由于功率电子器件的工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用 电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更 可体现技术含量的价值。 ( 2 ) 高效率 作为电源，效率是重要的关键指标之一。高频化的结果，使开关损耗显著增 加。因此，8 0 年代后期以来，软开关变换技术始终是电源技术研究的热门课题。 有无源软开关技术，即应用无源器件( l 、c 、r 等) 构成网络，对功率开关实现 无损缓冲软开关的技术，如谐振、准谐振、恒频零开关以及z v t - p w m 或 z c t - p w m ，还有适用于桥式电路的谐振直流环节逆变技术等。软开关技术理论 上可使丌关损耗降为零。实际上可使目前的各种电源模块的变换效率由8 0 提高 到9 0 以上，达到高频率、高效率的功率变换。 ( 3 ) 无污染 随着电力电子装置和电源的大量广泛应用，使输入电源的谐波电流显著增 加，功率因数大为降低，供电网受到明显污染。开关电源的输入端常常是二极管 整流和电流滤波的组合电路，其输入电流呈脉冲状，交流侧功率因数只有0 6 0 7 。 提高a c 。d c 丌关电源的输入端功率因数，可用无源或有源功率因数校i e ( a p f c ) 2 第1 章绪论 技术。无源校正技术较为简单，即应用l c 滤波网络，可以满足i e c l 0 0 0 3 2 标 准，只不过滤波网络体积、重量较大。有源校正技术是在输入整流和d c d c 变 换器，利用控制电路( 有专用的集成控制芯片) ，使输入端电流波形接近正弦并保 持与电压同相，从而使输入端功率因数接近1 ，电路成本约增加2 0 。国外已将 软开关技术应用于p f c 有源校正，据报道，已有电源采用单相b o o s t 主电路应 用i g b t 功率器件，用零电压转换( z v t ) p w m 技术，工作频率1 0 0 k h z 、功率l k w ， 交流输入电压l8 0 2 6 0 v ，效率达到9 7 9 8 。 电源系统的无污染还有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节 约。而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其 次这些电源不能对电网产生污染。国际电工委员会( i e c ) 对此制定了一系列标准。 如i e c 5 5 5 、i e c 9 1 7 、i e c l 0 0 0 等。【8 】事实上，许多功率电子节电设备，往往会 变成对电网的污染源，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使 电网电压耦合许多毛刺尖峰。甚至出现缺角和畸变。2 0 世纪木，各种有源滤波 器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。 ( 4 ) 模块化 模块化是为了适应分布式电源供电系统的需求。过去，电源功率不大时，均 是采用单一集中的供电方式。近年来有明显地向分布式供电发展的趋势。这是由 于： 分布式供电具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高的优点； 适用于低损耗、超高速型集成电路低电压电源( 3 3 v ，2 2 v ，1 2 v ) 的供 电要求； 当需要大功率输出时，可用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基 本部件，组成积木式智能化大功率供电电源。这样的好处是：减轻了对大功率元 器件的研制压力；减轻了对大功率装置的研制压力。 支撑功率变换技术的相关技术有功率半导体器件与专用控制i c ，这两类产 品的结合，可使电源产品体积小，重量轻、可靠性高，给应用带来了很大的方便。 开发理想开关电源需要高度综合的技术支持，按照技术群集划分即是要求节能高 效率化技术群集，高次谐波电流抑制技术群集和低噪音化技术群集的交集技术。 在建立理想开关电源综合技术的过程中，电子元器件将要发挥出极为重要的作 用。因此，电子元器件技术是基础技术，缺少这种技术则理想开关电源综合技术 也将变一纸空文了。 模块化还有两方的含义：其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的 模块化。我们常见的器件模块含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开 关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于标准功率模块。近年来有些公 3 第1 章绪论 司把歼关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块。 这不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断 提高，致使引线寄，e 电感、寄生电容的影响愈加严重。对器件造成更大的电应力 ( 表现为过电压、过电流毛刺) 。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用 户专用”功率模块。它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模 块中，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的 境地。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是 取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高 系统的可靠性。 1 3 开关电源的的基本构成和基本组态 开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可达7 0 - - - - , 9 5 ，重 量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十千 赫，滤波电感、电容可用较小数值的元件。允许的环境温度也可以大大提高。因 此得到了广泛的应用。但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电 压较高，快速瞬态响应较差。 9 1 1 3 1 基本结构 开关电源就是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，开关电源的构成框图如图1 1 所示，基本 由输入电路、变换电路、输出电路、控制电路等组成。输入电路包括线路滤波器、 浪涌电流抑制电路以及整流电路。线路滤波器的主要作用是衰减电网电源线进入 的外来噪声。浪涌电流抑制电路主要用于抑制浪涌电流。整流电路是把输入交流 变为直流，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容 输入型。功率变换电路是其核心部分，主要由开关电路和变压器组成。开关电路 的驱动方式分为自激式和他激式两大类；功率变换电路分为非绝缘型、绝缘型和 谐振型等：开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁 芯；开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时问短的晶体管，最典型的功率 开关晶体管有功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘型双极型 晶体管( i g b t ) 等3 种。控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合 调制等3 种，其中最常用的是脉宽调制( p w m ) 方式。控制电路的主要作用是 向驱动电路提供矩形脉冲列，控制脉冲的宽度从而达到改变输出电压的目的。输 4 第1 章绪论 出电路是将高频变压器次级方波电压整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要 求的低纹波直流电压。 交 线路浪涌整有源 d c ，d c 滤电流 波器抑制 流 p f c 变换器 j + 舱删信号 七泪，一上 - i 主控器i i 一- 但删旧i 1 3 2 开关电源的分类 图1 1 开关电源结构框图 开关电源可分为a c d c 和d c d c 两大类。 ( 1 ) d c d c 类开关电源 d c d c 类开关电源是将固定的直流电压变成可变的直流电压，也称为直流 斩波器，其工作方式有两种：一是脉宽调制方式，t 不变，改变t ，二是频率调 制方式，t 不变而改变t 【10 1 。具体电路分以下几类： b u c k 电路一降压斩波器，其输出平均电压低于输入平均电压，极性入出 相同； b o o s t 电路一升压斩波器，其输出平均电压高于输入平均电压，极性入出 相同； b u c k b o o s t 电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入 电压，极性入出相反，电感传输； c u k 电路c u k 斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性入 出相反，电容传输。 ( 2 ) a c d c 变换器 a c d c 变换器是将交流变换成直流，其功率电流流向可以是双向的。功率 电流流向负载的称为“整流 ，功率电流流向电源的称为“有源逆变”。 a c d c 变换器按电路的结构方式可分为半波电路和全波电路；按电路的特 点可分为不可控、半控和全控三类；按电源相数可分为单相、三相和多相；按电 路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。 此外开关型稳压电源的电路结构有多种： 按驱动方式分，有自励式和他励式； 5 第1 章绪论 按d c d c 变换器的工作方式分，有单端正激式、推挽式、半桥式、全桥 式、降压式、升压式币n s t - 降压式等； 按电路组成分，有谐振型和非谐振型； 按控制方式分，有脉宽调制式、脉冲频率调制式和p w m 与p f m 混合式； 按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变 压器耦合式、光电藕合式等。 在下节中以隔离式和非隔离式来分析开关电源的基本拓扑结构。 1 3 3 开关电源常用的拓扑结构 开关变换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输出电压的功率开关元件 和储能元件的不同配置。它有两种基本类型：非隔离型( 在工作期间输入电源和 输出负载公用一个电流通路) 和隔离型( 能量转换是用一个相互耦合磁性元件变 压器来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是公用的电流) 。 1 i 1 1 3 3 1 非隔离型变换器 非隔离型变换器包括： ( 1 ) 降压型( b u c k ) b u c k 变换器电路图如1 2 所示。其中v t 为晶体管开关调整器件，l 为滤波 电感，v d 为续流二极管。 、厂rl 图1 2b u c k 变换器电路结构 当驱动控制脉冲信号使v t 导通之后，电容c 开始充电，输出电压u o 加到 负载r 的两端。在c 充电过程中，电感l 内的电流逐渐增长，储存的磁场能量 也逐渐增加。此时，续流二极管v d 因反向偏置而截止。当驱动控制脉冲信号使 v t 截止时，l 中的电流减小，l 两端产生的感应电势使续流二极管v d 导通电 感l 中储存的磁场能量便通过二极管v d 传递给负载。当负载电压低于电容c 两端的电压时，c 便向负载放电，控制驱动脉冲信号周而复始地使b u c k 变换器 重复上述过程，致使输出电压u o 趋向于某一个定值。因为输出电压u o 总小于输 入电压u i ，故称为降压型( b u c k ) 变换器。 ( 2 ) 升压型( b o o s t ) 6 第1 章绪论 b o o s t 变换器亦称并联开关变换器。它有连续导电型和不连续导电型之分， 基本电路如图1 3 所示。它由丌关晶体管v t 、二极管v d 、储能电感l 和输出 滤波电容c 组成。由于电感l 上的感应电压通常高于输入电压，加上二极管v d 的隔离作用，使得b o o s t 变换器的输出电压高于输入电压，因此称为升压变换器。 l 图1 3b o o s t 变换器电路结构 当驱动控制信号使开关晶体管v t 导通时，能量从输入电源流入，并存储于 电感l 中，二极管v d 反偏，负载由滤波电容c 供给能量。当v t 截止时，电感 l 中的电流不能突变，它所产生的感应电势阻止电流减小，电势的极性左负右正。 二极管v d 导通，电感中储存的能量通过二极管v d 流入电容c ，并供给负载。 ( 3 ) b u c k b o o s t 变换器 图1 4 是b u c k b o o s 变换器的电路原理图。它既能工作在b u c k 型( u o u i ) ，在给定输出电压下，容许输入电压在较宽的范 围内变化时均能工作。因为b u c k b o o s t 变换器输出电压与输入电压极性总是相 反的，所以也叫反极性变换器。 v t v d 图1 4b u c k b o o s t 变换器电路结构 ( 4 ) c u k 变换器 c u k 型变换器的基本电路形式如图1 5 所示。其中，l l 、l2 是储能电感，v t 为开关晶体管，v d 是续流二极管，c i 是传递能量的耦合电容，c 2 为滤波电容。 当驱动脉冲信号为正电压时，v t 导通，l l 储能，c l 经v t 、c 2 、r l 、l2 向 r l 释放能量，并向l 2 、c 2 储能。在驱动脉冲信号为负电压时，v t 截止关断， l i 的感应电势使得v t 从较小的饱和导通压降上升到较高的电平，二极管v d 正 偏导通，l l 经c l 、v d 向c l 充电储能，同时l 2 向负载释放能量。无论开关管v t 导通还是截止关断，输入都可以向负载传递能量，只要电感l l ，l 2 c l 足够大，输 7 第1 章绪论 入输出电流基本上是平滑的。因为c l 起着传递能量的作用，亦称电压转换器。 图1 5c u k 变换器电路结构 ( 5 ) s p i c 、z e t a 型变换器 除了上述4 种基本的变换器外，还有两种具有两个中问转换器的电路，它们 是s p i c 、z e t a 型变换器，如图1 6 、1 7 所示。 l 1 图1 6s p i c 变换器电路结构 v t l 面 7 1 t _ 1 i 一l lv d 丁 j i 图1 7z e t a 变换器电路结构 1 3 3 2 隔离型变换器 隔离型变换器包括反激型、正激型、半桥型、全桥型等形式。 ( 1 ) 单端反激式变换器。 单端反激式变换器并非是只能由一只晶体管组成，由两只晶体管仍然可以组 成单端变换器。单端反激式变换器与推挽、全桥、半桥双端变换器的根本区别在 于高频变压器的磁心仅工作在磁滞回线的一侧( 第一象限) 。典型的单端反激式 变换器的原理图如图1 8 所示。所谓单端，即指转换电路的磁心仅工作在其磁滞 回线的一侧。所谓反激，是指当晶体管导通时，在初级电感线圈中储存能量；当 晶体管截止时，初级线圈中储存的能量再通过次级线圈释放给负载。当开关管 v t 被控制脉冲激励而导通时，输入电压u i 便施加到高频变压器t 的初级绕组 n l 上。由于变压器t 次级的整流二极管v d 反接，因此次级绕组n 2 没有电流流 过；当v t 截止时，绕组n 2 上的电压极性颠倒；v d 正偏，v t 导通期间储存在 8 第1 章绪论 t 中的能量便通过v d 向负载释放。 单端反激式开关电源电路是成本最低的一种。它可以达到输入与输出部分隔 离，还可以同时输出几路不同的电压，有较好的电压调整率，但其输出纹波电压 较大，负载调整率较差，适用于相对固定的负载。 图1 8 单端反激式变换器电路结构 ( 2 ) 单端正激式变换器 单端正激式变换器的典型结构如图1 9 所示。它在电路形式上与单端反激式 变换器几乎相同，但工作情形完全不同。当开关晶体管v t 导通时，变压器次级 侧的整流二极管v d 2 导通，此时电网就向负载传送能量，滤波电感l 储存能量； 当v t 截止时，电感通过续流二极管v d 3 继续向负载释放能量。在单端正激变换 器中，必须使用钳位线圈，用它来限制晶体管集射极上的电压尖峰，并使高频变 压器的磁通复位。钳位线圈通常与初级线圈的匝数相等，并与之紧密耦合。由于 钳位线圈的作用，开关晶体管v t 的最高反压限制在2 倍电源电压之内，此时， 为满足磁心复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以这种电路的占空比不 能超过5 0 。 il 一v 0 3 制 j v d 2 n 27 1 v d l 图1 9 单端正激式变换器电路结构 ( 3 ) 半桥式变换器 在高压丌关电源中，功率输出大的一般都使用半桥式变换器电路。其电路如 图1 1 0 所示。它由两只电容和两只高压晶体管组成。当两只晶体管都截止时， 9 第1 章绪论 若两只电容的容量相等且电路对称，则电容中点a 的电压为输入电压的一半。 当v t l 导通时，电容c l 将通过v t l ，变压器初级绕组n l 放电；同时电容c 2 则 通过电源、v t i 和t 的初级绕组n 1 充电。中点a 的电位在充、放电过程中将按 指数规律下降。在v t l 导通结束时，a 点的电位为1 2 u i u i ，且两只晶体管全 都截止。两只电容和两只晶体管的集射极间的电压基本上相等，都接近于输入 电源电压的一半。相反v t 2 导通时，c 2 放电，c 1 充电，a 点的电位将增至1 2 u i + u i ，即a 点电位在开关过程中将在1 2 u i 的电位上以+ a u j 的幅值进行指数变 化。由此可见，在半桥式电路中，变压器初级线圈的整个周期中都流过电流，磁 心利用得更充分。 ， = c 2 v t h i 扔d 2 1 毒 i a = c 1 v 1 - 仁v d ， l l l i l j v d 3 ，n 2 c c 1 )， ，n 3 ， r 、i v d 4 图1 1 0j 卜桥变换器电路结构 半桥式变换器电路的主要优点是其电路中所使用的功率开关晶体管的耐压 较低，绝不会超过输入电压的峰值；晶体管的饱和电压也降至最低；输入滤波电 容的耐压也可以减小。但是因为高频变压器上旌加的电压幅值只有输入电压的一 半，与推挽式电路相比，欲输出相同的功率，则开关管必须流过2 倍的电流。 ( 4 ) 全桥变换器 将半桥式变换器电路中的两个电解电容换成另外两只反高压功率晶体管，并 配以适当的驱动电路即可组成全桥式变换器电路，如图1 1 1 所示。v t l 、v t 2 、 v t 3 、v t 4 可组成4 个桥臂。高频变压器t 连接在它们的中间。相对臂上的v t l 、 v t 4 和v t 2 、v t 3 由驱动电路激励而交替导通。将直流输入电压变换成高频方波 交流电压。这样，高频变压器工作时，其初级线圈得到的电压即为电源电压。它 是半桥电路输出电压的一倍，而每个晶体管耐压仍为电源电压，使输出功率增大 一倍。若使电流达到半桥电路的水平，即电流增大一倍，则输出功率就可以增大 4 倍。 全桥电路的主要不足是需要4 组彼此绝缘的晶体管基极驱动电路，使控制驱 动电路成本增大并复杂化。 1 0 第1 章绪论 _ ， 、 矿乃、，1 么v d 2 、v d 一厶 1 毒 j i 么v d 、厂1 v t 争 v d 3 j 1 4 本论文的主要工作 l l y i i 1 j v d 5 制2丰c 。 i ，n 3 卜 。r 、l v d 6 图1 11 全桥变换器电路结构 基于以上分析的开关电源发展及研究现状，本文着重研究p f c 的控制策略 与软开关的应用。本文主要工作包括： ( 1 ) 分析基于b o o s t p f c 电路的开关电源基本结构和工作原理； ( 2 ) 分析设计b o o s t p f c 的控制电路，减少输出的纹波电流，提高p f c 电 路的快速动态响应； ( 3 ) 详细分析d c d c 电路的工作原理和控制方法，并设计一种新型次级 箝位两路输出d c d c 电路； ( 4 ) 详细分析软开关的原理，并在前级和后级电路中运用软开关电路，从 而提高电路的效率。 ( 5 ) 应用m a t l a b 软件对系统进行建模与仿真，并在仿真时得到良好的 仿真波形； ( 6 ) 设计一台实验样机，通过实验，证明该实验样机具有较理想的输出电 压波形，最终，证明本文研究方案的可行性与优越性。 第2 章p f c 软开关电路的原理和控制方法 2 1 引言 第2 章p f c 软开关电路的原理和控制方法 目前，开关电源前置级a c d c 变换普遍采用二极管桥式整流加大容量电容 滤波电路，在电网电压高于直流整流电压时，电容充电，在电容充电期间形成脉 冲电流，其电流峰值高，谐波电流及波形失真大，造成功率因数低，一般仅为 0 5 一o 7 6 。 l2 j 谐波电流会引起电网的电压波形失真，对电网造成严重的谐波污染 和干扰，增加了损耗，浪费了能源。谐波也会使电器设备过热、产生振动和噪音， 并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，谐波还会引起继电保护和 自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和 电子设备会产生严重电磁干扰【l 引。使用有效的校正技术，把谐波污染控制在较 小的范围已是当务之急，设计和制造功率因数接近或等于1 的开关电源己成为开 关电源发展的必然趋势。 从2 2 0 v 交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为 广泛的一种基本的变流方案。例如在线式开关电源，即a c d c 开关电源的输入 端，a c 电源经全波整流后，一般接一个大电容器，以得到波形较为平直的直流 电压。整流器一电容滤波电流是一种非线性元件和储能元件的组合；虽然输入交 流电压是正弦的，但输入交流电流却严重畸变，呈脉冲状。而且其无功分量基本 上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的9 5 ，五次谐波的幅度约为 基波幅度的7 0 ，七次谐波的幅度约为基波幅度的4 5 9 6 ，九次谐波的幅度约为基 波幅度的2 5 。抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用 无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波：二是主动法，即设计新一代高性能 整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即具有 功率因数校正功能。国外改善开关电源功率因数工作的重点，主要是功率因数校 正电路拓扑结构的研究和功率因数校正控制集成电路的i 丌发，国内一些厂家也做 了类似的工作。采用功率因数校正电路的开关电源，其功率因数可达0 9 5 0 9 9 ， 近似于l 。近年来功率因数校正电路得到了很大的发展，成为电力电子学研究的 重要方向之一。【1 4 】 近年来国内外开展了高功率因数开关电源的研究，取得了可喜的成果。但从 目前的研究情况来看，在高频有源功率因数校正电路中，d c d c 功率变换级普 遍采用p w m 硬开关技术。由于硬开关p w m 变换器固有的缺点，限制了功率因 1 2 第2 章p f c 软开关电路的原理和控制方法 数校正电路性能的提高，其表现在：【1 5 】 ( 1 ) 开通和关断损耗大 在丌通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时电压上升和 电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开 关频率的提高而增加。 ( 2 ) 感性关断问题 电路中难免存在感性元件( 引线电感、变压器漏感、寄生电感等) ，当丌关 器件关断时，由于通过该感性元件的d i d t 很大，感应出很高的尖峰电压加在开 关器件两端，容易造成电压击穿。 ( 3 ) 容性开通问题 当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全 部消耗在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。 ( 4 ) 二极管反向恢复问题 二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于 导通状态，若立即丌通与其串联的丌关器件，容易造成直流电源瞬问短路，产生 很大的冲击电流，引起开关器件和二极管功耗急剧增加，甚至使其损坏。正因为 硬开关的以上缺点，采用p w m 硬开关技术的开关电源电磁兼容性差，开关频率 和效率难以提高，谐波畸变难以降低。而软丌关技术可以解决这些问题。 2 2 功率因数校正的工作原理 2 2 1 功率因数基本概念 一般丌关电源的输入整流电路为图2 1 所示。 a c j ziz l 直 = d c ，d c 流 负 zizi 载 图2 1 一般开关电源整流电路 1 3 第2 章p f c 软开关电路的原理列控制方法 ：，、 朔 置孤：叠：*十i 1矗 二一- 。i l 、竹 籍 ：7 工 ，： 葛i ： y o ：、 图2 2a c d c 整流电压电流波形 j 下弦电压施加在线性无源元件上，其电流和电压仍为同频率的正弦波。但当 证弦电压施加在_ i f 线兀件上时，电流就变为非正弦波，非j 下弦咆流在电网阻抗上 产生j 一囊降，会使电压波形也变为非证弦波。用仪表测量一无p f c 整流电路输入 端交流电压、电流波形如图2 2 所示。【1 6 ”】 1 功率因数( p f ) 的数学表达式p f ：1 兰， 其中t h d = ) 2( 电流总谐波含量) 。 因此，只要设法抑制输入电流中谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形 校正为或接近j 下弦波，就可实现功率冈数校正。 2 2 2 功率因数校正技术的分类 开关电源的功率因数改善及高次谐波抑制已经成为丌关电源研究的一个主 要方面。为了限制谐波，减少电磁污染，国际电工委员会早在8 0 年代就制定了 相关的标准i e c 5 5 5 2 ，9 0 年代经修改成为现行标准i e c1 0 0 0 3 2 。各电源研究 机构和电源厂家为了得到符合标准的高性能、低成本电源，投入大量的人力物力， 研究出很多种方法。方法虽然互不相同，但都是出于同样的原理，即补偿输入网 络的阻抗，使得输入电流接近正弦波，从而达到改善功率因数和抑制高次谐波的 目的。现在一般有下面儿类方法。【1 8 j 一、无源滤波方法 回顾功率因数校正电路的发展，人们最早是采用电感和电容构成的无源网络 进行功率囚数校正，图2 3 所示电路是在二极管整流桥前面串接一个l c 组成的 滤波器，它可以使得整流桥中二极管的导通角增大，从而使得电流波形得到明显 改善1 1 引。这种无源的功率因数校正电路结构简单可靠，但是其功率因数校正效 果并不理想，并且变换器的体积和重量较大。而且运行情况受系统阻抗的影响， 若不使用调谐电抗器，很可能会与系统电抗产生并联谐振。 1 4 第2 章p f c 软开关电路的原理和控制方法 么 r 一 二= 么么 ， 图2 3无源的功率冈数校正电路 ( 1 ) 多脉冲整流法 它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波电流进行移相，使奇次谐波在变 压器次级相互叠加而抵消。 ( 2 ) 谐波注入有源滤波器法 ( 3 ) 有源功率因数校正法 有源功率因数校正法( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e e t i o n ) 简称a p f c 技术， 它直接采用有源开关或a c d c 变换技术，使输入电流成为和电网电压同相位的j 下 弦波。在整流器和负载之间接入一个d c d c 开关变换器，应用电流反馈技术，使 输入端电流i 的波形跟踪交流输入正弦电压的波形，从而使电网输入端的电流波 形逼近讵弦波，并与输入的电网电压同相位。有源功率因数校正可得到较高的功 率因数，总谐波畸变小，可在较宽的输入电压范围内和宽带下工作，体积小，重 量轻，输出电压也可保持恒定。但是电路复杂，m t b f ( 平均无故障时间) 下降，成 本较高，效率会有所降低等。有源功率因数校正器已广泛应用在a c d c 开关电源、 交流不间断电源( u p s ) 等领域，因此重点分析讨论这种方法。 有源功率因数校正器( a p f c ) 的研究主要集中在拓扑结构、控制策略和建模分 析几个方面。a p f c 按输入相数分为单相p f c 和三相p f c ；按拓扑结构和外特性分 为电压型( 升压型或b o o s t 型) 和电流型( 降压型或b u c k 型) ；按照能量流向可以 分为能量可逆和不可逆p f c ；按照是否采用软开关技术，可以分为硬开关p f c 和 软开关p f c 。 乘法器型p f c 技术的基本原理是b o o s t 变换器工作在连续导电模式，其电感 电流就是输入电流。电感电流被采样并被控制，使其幅值和与输入电压同相位的 正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校j 下的目的。乘法器型p f c 电路还可以 根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而获 得可调整的输出电压。乘法器型p f c 技术的控制方式可分为三种：常频控制，常 误差带控制和变误差带控制。 第2 章p f c 软开荚电路的原理和控制方法 基本电压跟随器型p f c 电路中的变换器工作在不连续导电模式，其开关由输 出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上m 比于输入电 压，因此输入电流波形自然与输入电压波形相同。 事实上，对于不同的变换器结构，输入电流波形会出现不同程度的畸变，但 这对输入功率冈数的影响并不i ! f j 显。与乘法器型p f c 电路相比，电握跟随器型 p f c 电路的控制方式更为简单，仅需要一个输出电压控制歹f ：关。因此，多数现有 的开关电源p w m 控制用集成电路均可作为电压跟随器型p f c 电路的控制器。另外， 变换器工作在不连续导电模式下，从而避免了b o o s t 变换器中凶输出二极管反向 恢复电流而带来的问题。 电压跟随器型p f c 技术的一个缺点是其输入电流波形为脉动三角波，因此其 前端需添加一个小容量的滤波电容( 或是l c 低通滤波器) 以滤除高频纹波。另一 个缺点是其较高的开关峰值电流会带来较大的开关关断损失。 根据软丌关特性，有源p