（电力电子与电力传动专业论文）大功率dcdc模块电源的研究.pdf

一 奎兰垩望! 里! 塑鉴皇堡堕塑茎 a b s t r a c t t h eh i g h v o l t a g ed ce l e c t r i cs y s t e mi st h et h i r da v i a t i o np o w e rs u p p l y t h e r ea r et w o k i n d so fs e c o n d a r yp o w e rs u p p l yi n h i g h v o l t a g e d ce l e c t r i c s y s t e m ，o n ei s d c d c c o n v e n e rt h a tc o n v e y s2 7 0 v d ct o2 8 v d c ，t h eo t h e ri ss t a t i cc o n v e n e rt h a tc o n v e y s 2 7 0 v d ct o115 v a c 4 0 0 h z t h em o d u l a r i t yo ft h es e c o n dp o w e r s u p p l yi si m p o n a m t o t h ep o w e r s y s t e m sp e r f o r m a n c e t h e p a p e ra n a l y z e s t h ek e yi s s u e si nt h ed e s i g no fa h i g hp o w e r m o d u l a rp o w e rs u p p l y an e wt h r e e d i m e n s i o n a lp a c k a g es t r u c t u r e si si n t r o d u c e d ，a n dap r o t o t y p eo f2 7 0 v d c i n p u t ，2 8 v 3 6 a d co u t p u t i sb u i l ti nt h el a b ，m a n yn e wt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gs o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , a 1s u b s t r a t e ，s m t , p l a n a rt r a n s f o r m e ra n dn o i s es u p p r e s s o r sa r e a p p l i e d t h es i z eo f t h ep r o t o t y p ei s6 0 x 9 5 x 2 3 ( m m ) ，a n dt h ew e i g h ti sl e s st h a nl k g ，a n d i t sf u l l - l o a de f f i c i e n c yi s9 2 t h ea s s e m b l yp r o c e s sa n de x p e d m e n t a lr e s u l t sa r ei n c l u d e d i nt h i sp a p e r i no r d e rt oi n c r e a s et h ep o w e rd e n s i t yo ft h em o d u l e ，at h r e e - d i m e n s i o n a lf c - i p e m p a c k a g es t r u c t u r ei s i n t r o d u c e d ah a l f - b r i d g ef c - i p e mm o d u l ei sb u i l ti nt h el a bw i t h b g a p o w e rd e v i c e sa n df l i p c h i pt e c h n i q u e t h ea s s e m b l yp r o c e s si sp r e s e n t e di n t h i s p a p e r k e y w o r d s ：s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ；p l a n a rt r a n s f o r m e r ；i n s u l a t e dm e t a l s u b s t r a t e s p i k ek i l l e r ；c o e f f i c i e n t t h e r m a le x p a n s i o n ；b a l lg r i da r r a y ；f l i p 。c h i p i i 南京航空航天入学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 飞机高压直源电源系统的发展 飞机电源系统由主电源、二次电源、备份电源、应急电源和辅助电源等构成呻】。 根据主电源的不同，现代飞机电源有低压直流( l v d c ，2 8 v d c ) 、恒速恒频交流 ( c s c f ，1 1 5 2 0 0 v a c ，4 0 0 h z ) 、变速恒频交流( v s c f ，1 1 5 2 0 0 v a c ，4 0 0 h z ) 、高 压直流( h v d c ，2 7 0 v d c ) 和混合电源等五种。二次电源将飞机主电源的电能变换 为另一种或多种形式电能，供用电设备使用。 二次世界大战期间，飞机电气系统得到了快速的发展。飞机性能目益提高，机载 用电设备增加，使得直流发电机的功率提高。目前战斗机主电源安装容量为 6 0 1 2 0 k v a 。大型运输机和干线客机为1 2 0 2 7 0 k v a ，指挥机可高达1 2 0 0 k v a 。飞机 上采用的低压直流电源系统由于电压低，大功率电能传输使电网重量急剧增加。高压 直流电源可以解决这一问题。二战期间，高压直流电源曾一度被采用，但并没有得到 发展，主要有两个关键技术没有得到解决：1 ) 有刷电机高空换向恶化；2 ) 有触点开关 电器高空断弧困难。 电力电子技术的发展，使高压直流电源发展中的两个关键问题都得到了解决：无 刷直流电机出现，解决了有刷直流电机高空换向难的问题；无触点电器取代了有触点 电器，解决了触点电器高空断弧的问题。高压直流电源在2 0 世纪8 0 年代开始得到发 展，1 9 9 9 年使用高压直流电气系统的美国第四代战斗机f 2 2 试飞成功。高压直流电 源成为继低压直流电源和恒频交流电源后的第三种飞机主电源。 由于飞机上采用的1 15 2 0 0 v ，4 0 0 h z 三相交流电源经三相桥式整流电路整流后 的直流电压为2 7 0 v d c ，所以现代飞机高压直流电源的额定电压选择为2 7 0 v d c 。 1 2 高压直流电源系统的优点 高压直流电源具有以下优点：( 1 ) 电源结构简单，能量转换效率高；( 2 ) 易于实 现供电系统的冗余与不中断供电：( 3 ) 二次电源效率高，功率密度高。 高压直流电源的能量转换效率比c s c f 电源和v s c f 电源分别要高2 0 和1 0 ， 同时机电作动机构、电动油泵、闭式电动环境控制系统中的电动机，无刷直流起动发 电机等机载设备也以使用2 7 0 v 高压直流电为基础，因此发展高压直流电气系统比5 0 年代发展恒频交流电有更大的意义，它直接推动了飞机二次能源的统一，导致全电和 多电飞机的发展，促进了航空科技向更高的层次前进。 大功率d c d c 模块电源的研究 原来采用低压直流电源供电的飞机，发电机产生的电能直接传输到用电设备，因 为传输电压低，线路损耗大，输电效率低。而采用分布式电源系统后，发电机发出的 交流电，首先转换为2 7 0 v 的高压直流电后，高压传输到各用电设备附近的负载变换 器，由负载变换器转换成用电设备所需的电压。高压直流电传输，降低了馈电线电流， 损耗降低，提高输电效率。现代飞机供电系统和通信电源一样，采用的是分布式供电 系统。 高压直流电源的二次电源有两种，一种是把2 7 0 v d c 变换为1 1 5 2 0 0 v ，4 0 0 h z 交流电的静止变流器，另一种是把2 7 0 v d c 变换为2 8 v d c 的直流变换器。 1 3 模块电源的发展 1 3 1 模块电源的概念及优越性 电能在当今世界的所有能源中占到4 0 。据统计，1 9 9 7 年全世界的电能中有4 0 是经过电力电子装置的转换后使用，而这个比例预计到2 0 1 0 年会提高到8 0 。电力 电子技术是使用功率半导体器件，实现对电能高效变换和控制的一门学科。功率半导 体器件的发展推动着电力电子技术的发展，在上个世纪里，功率半导体器件和电路拓 扑、控制策略都已经发展到了一个相当高的水平，要获得进一步发展，外部因素诸如： 封装技术、冷却技术、制造技术等的影响开始发挥决定性的作用。尤其是封装技术的 进步，将为电力电子技术的发展注入新的活力口】。高效率、高功率密度、高可靠性、 低污染、低成本的电力电子装置成为了今后的发展趋势。 电源的设计涉及到电路、电力电子器件、磁性元件、控制策略、材料、热设计和 e m i e m c 等专业知识，需要具有一定知识和经验的设计人员才能完成。随着电子设 备性能的提高及功能的多样化，对电源的性能也提出了更多的要求，如何在短时间内 设计出高效、可靠、有竞争力的产品，成了对设计人员的一大挑战。同时也使设计难 度越来越大、开发周期越来越长、成本越来越高，这些因素制约了电源的进一步发展 和应用领域的扩大。 模块化能解决这一问题 4 1 。模块电源是指采用优化的最佳电路，利用先进的制造 工艺，构成一个整体的结构紧凑体积小的高质量的稳压电源【5 】。模块电源具有以下优 点 6 】： 1 标准化的模块设计简单，可靠性高，可以降低开发周期和成本； 2 可以简单的构成大的电源系统，系统扩容方便； 3 通过模块并联易于实现系统的冗余设计，实现系统的热插拔功能，增强了系 统的维护性和可靠性； 4 构成大系统时，单个模块处理的功率降低，降低功率器件的电和热应力，提 高系统的m t b f ；同时由于模块处理功率的降低，可以实现高频工作，减小 尺寸，提高效率。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 2 模块电源的发展情况 由于模块电源的优点，它在航空航天、通信电源、汽车电子、电子仪器、电力控 制等领域得到了广泛的使用，研究模块电源成为推动现代电子技术发展的一个重要方 面。 模块电源主要分为d c d c 、a c d c 和d c a c 三种。其中d c d c 模块占据了国 内9 0 的市场份额。a c d c 模块市场还不到1 0 ，d c a c 受应用限制更少 7 - 8 1 。 随着我国通讯、电力系统以及个人数字产品的快速发展，促进了模块电源的应用和发 展。分布式供电系统在高科技的航空航天领域的采用，推动了模块电源在航空领域的 使用。现代飞机航空机载设备用电量增大，要求提高航空电源功率，相应要求增加航 空用模块电源功率。而现代航空对体积和重量提出了更高的要求，要求模块电源满足 要求。 目前世界电源市场蓬勃发展。模块电源作为 丌关电源的一个分支，1 9 9 9 年市场 销售约3 0 亿美元。而据预测，随着近年国内通讯行业和数字化产品的普及，模块电 源市场前景看好，预计到2 0 0 4 年将增加到5 0 亿美元。 中国的模块电源供应商主要有两大类，一类是v i c o r 、l a m b d a 、a s t e c 、e r i c s s o n 、 p o w e r ，o n e 等国际公司，另一类是中兴、新雷能、汇众、鼎立信等国内公司。据 不完全统计，我国目前有电源生产厂家5 0 0 0 多家，而模块电源生产厂家约几百家， 每年市场销售约1 0 2 0 亿人民币，并以每年2 0 - 3 0 的速度增长叭。但国内模块电 源技术含量不高，市场占有率低，尤其是在中大功率领域，模块电源效率低，体积大， 不能满足要求。 中国巨大的市场吸引了众多的国外公司。目前中国的d c d c 模块电源市场主要 被国外品牌所占据，基本上覆盖了大功率模块电源的大部分市场以及小功率模块电源 一半左右的市场。随着国内对模块电源需求扩大，促进了国产品牌的发展。中小功率 d c d c 模块电源市场正在快速被国产品牌所替代，目前国产品牌已占领中小功率级 模块电源8 0 以上的市场份额。模块电源功率等级集中在1 w - 6 0 0 w 之间，其中3 0 0 w 以下产品占大多数。大功率模块电源技术含量较高，国内由于器件、工艺及材料等方 面的限制以及技术水平的落后，在3 0 0 w 以上大功率领域，发展水平低，目前仍以国 外品牌为主导。国外大的电源生产公司，如：l a m b d a 、c o s e l 、e r i c s s o n 、t y c o 都可 以提供大功率的d c d c 模块电源。而国内主要的模块电源生产商，如中兴电源、北 京汇众、鼎立信目前只能提供3 0 0 w 的模块电源，3 0 0 w 以上的模块电源少有生产。 1 4 本文的研究意义和研究内容 1 4 1 本文的研究内容 本课题针对飞机高压直流电源供电系统，研究其二次电源中的d c d c 电源的模 3 大功率d c d c 模块电源的研究 块化，实现电源模块的高功率密度、高可靠性和高效率。 本课题主要内容有： 第一章回顾了飞机高压直流供电系统的发展，分析了模块电源的优点和国内外的 发展情况，然后针对国内外发展情况指出课题研究的意义。 第二章分析大功率d c d c 模块电源设计中的难点，以及元器件和电路拓扑选择 的一些理论依据，介绍了一种新型的三维封装结构。 第三章采用第二章介绍的新型的三维封装结构。设计一台l k wd c d c 模块电源 ( 输入2 7 0 v d c ，输出2 8 v d c 3 6 a ) ，论文给出了主电路和控制电路参数设计，介绍样 机装配过程，并进行实验验证。 第四章介绍了一个半桥f c i p e m 开关单元模块的试制。论文给出了完整的装配 过程。 第五章对本文工作进行小结，并对下一步要做的工作进行展望。 1 4 2 本文的研究意义 航空科技的发展，对飞机供电系统提出了更高的要求。二次电源中d c ，d c 电源 的模块化研究对于提高整个供电系统的性能和可靠性都非常有利： 1 ) 可以实现二次电源的高功率密度、高可靠性和高效率： 2 ) 标准化设计的模块电源可以缩短开发周期、降低成本； 3 ) 模块化方便实现系统扩容，增强系统可靠性和维修性； 4 ) 大批量时降低生产成本。 而国内模块电源技术含量和研究水平还比较低，尤其在大功率模块电源领域，所 以研究二次电源中的d c d c 电源的模块化对推动我国国防事业的发展以及提高我国 在大功率模块电源市场的竞争力都具有深远的意义。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章大功率d c d c 模块电源的设计 2 1 前言 第一章提到，目前模块电源表现出高效率、高功率密度和高可靠性的发展要 求。模块电源设计是功率电子学与半导体技术、材料科学、制造工艺以及电磁兼 容等多个学科互相交叉的一门综合性科学，它的发展需要多学科的进步来提供技 术支撑。如何提高模块的功率密度，实现模块的小型化以及小型化后的热管理和 降低应力是设计中的难题。 本章针对大功率d c d c 模块电源的设计，从电路拓扑选择、器件选择、电 路的热设计等方面进行探讨。 2 2 大功率d c d c 模块电源小型化设计的难点 影响模块电源小型化的主要因素有几方面： 变压器、电感和电容的体积和重量； 元器件的数量和封装： 电路布局和封装结构。 下面针对模块电源的小型化和降低损耗，从电路拓扑选择、器件选择等方面 进行讨论。 2 2 1 拓扑选择 合理选取电路拓扑十分重要。由于本电源输入与输出之间需要电气隔离，因 此必须选择具有电气隔离功能的变换器，包括f o r w a r d 、f l y b a c k 、p u s h p u l l 、半 桥和全桥电路。其中f o r w a r d 和f l y b a c k 一般用于小功率场合：p u s h p u l l 电路驱 动简单，但由于功率管关断时承受双倍输入电压的电压应力，一般用于低输入电 压场合；半桥电路功率管承受电压应力即输入电压，但电流应力大，且不簿实现 开关管的软开关；而全桥电路兼顾了功率管的电压和电流应力，而且易实现功率 管的软开关，常在中、大功率场合得到应用，因此本文将采用全桥电路作为功率 变换拓扑。 2 2 2 器件选择 模块电源设计中涉及到有源器件、无源元件、磁性元件等元器件。为了满足 大功率d c d c 模块电源高功率密度、高效率、高可靠性的发展要求，在器件的 选择上应该尽量选择体积、重量和功耗都比较小的器件。使用传统的通孔插装技 术( t l l r o u g h h o l e m o u n t i n g t e c l l l l 0 1 0 9 y ) 已经没有更多的提高空间。要进一步降低系 统的体积和重量，提高功率密度，只能依赖于新型封装器件的出现和封装技术的 提高。 大功率d c d c 模块电源的研究 表面贴装技术( s u r f a c em o u n t i n g t e c h n o l o g y ) 是8 0 年代发展起来的一种先进的封装技术。它采 用无引线或短引线的表面贴装器件，先在p c b 板 相应的焊盘上涂布焊膏，然后把器件贴装在p c b 板的焊盘上，通过波峰焊或再流焊使焊膏熔化，在 器件和p c b 板的墀盘问形成焊点。把器件固定在 p c b 上，实现可靠的电气连接，焊点同时也实现了 器件和基板之间的机械连接。 采用s m t 具有以下优点： 体积重量减小。一般采用s m t 后，可使电 子产品体积缩小4 0 6 0 ，重量减轻 6 0 - 8 0 ： 高频特性好，抗干扰性强。表面贴装器件 无引线或短引线，寄生参数小，高频特性得到 很大改善： 避免引线失效引起的故障，可靠性高，抗 振性好； v ，打孔数量减少，p c b 面积小，可降低成本； 易于实现自动化生产。 图2 1s m t 流程 经过2 0 多年的发展，s m t 在发达国家的应用普及率已经高达7 5 。国内普 及程度要差一些，但在要求高功率密度场合，基本无例外均采用了s m t 技术。 表2 一l 给出了近年来s m t 和t h t 技术在电子设备中的应用比例。 表2 - 1s m t 与t h t 在电子设备中的应用比例【“1 荔窃n 笪 1 9 8 51 9 9 01 9 9 7 s m t2 5 5 5 6 6 - 7 0 t h t7 5 4 5 3 4 - 3 0 2 2 2 1 主功率器件 对功率器件而言，目前封装效率较高的球栅阵列封装( b a l lg r i da r r a y ) 和芯片 尺寸封装( c h i p s c a l ep a c k a g e ) 等，比较难得到。采用s m t 封装的器件是可行的选 择。主功率器件是开关电源中主要热源之一，它的损耗主要包括开关损耗和导通 损耗。在开关频率比较高的时候，开关损耗与开关频率的增加成比例，为了降低 开关损耗，可以采用零电压开关( z e r o v o l t a g e - s w i t c h i n g ，z v s ) 或零电流开关 ( z e r o c u t - r e n t s w i t c h i n g ，z c s ) 技术。导通损耗的减小，要通过器件的选择来实现， 即尽量选择导通电阻低的功率器件。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 2 整流器件 大功率模块电源中，特别是输出电压低时，整流电路的损耗在总损耗中占了 很大的比例，影响效率的提高。整流管的损耗和它的e 向压降成正比，要尽量选 择正向导通压降低的整流管，比如肖特基二极管。整流二极管的反向恢复会引起 原边电流尖峰和整流管上的电压振荡，所以副边整流二极管一般选用反向恢复时 间比较小的快恢复二极管或肖特基二极管。在输出电压非常低，如1 2 v 或更低， 以至于l v 以下时，需要使用同步整流技术，因为m o s f e t 导通电阻低，可以 取得较高的效率，但会增加电路的复杂性。 2 2 2 - 3 尖峰抑制技术 为了消除整流二极管的反向恢复电流快速变化引起的电压振荡和电压尖峰， 可以采用在功率变压器原边用二极管箝位【1 2 】或使用r c 、r c d 吸收电路。筘位电 路会增加电路的复杂性；r c 、r c d 吸收电路增加损耗，而且需用功率电阻，影 响模块的体积和重量。 具有矩形磁滞回线的磁性材料制成的尖峰抑制器可以从根本上抑制噪声的 产生陋1 5 】。这种材料的磁化曲线接近矩形，在电流正常流通时，磁芯饱和，电感 很小，几乎不储存能量；而当电流减小并试图过零时，磁芯退出饱和，表现出很 大的电感。这个大电感可以阻止电流向相反方向变化，降低反向电流的峰值，有 效抑制了由于反向电流引起的尖峰。 尖峰抑制磁珠可以直接套在整流二极管的管脚上做单匝电感使用，以抑制二 极管的反向恢复电流。当一个磁珠不能满足要求时，可用多个磁珠串在器件的管 脚上使用，或者绕多匝使用。尖峰抑制磁珠使用简单，占用空间小。尖峰抑制器 的选用和整流管的反向恢复时间、整流管承受的反压以及流过的正向电流等都有 关系。目前，德国v a c 公司和日本东芝公司都有各自的尖峰抑制器产品。 2 , 3 平面变压器 模块电源要求做到轻、薄、小，因此必须降低其高度。开关电源中高度最高 的往往是磁性元件，它成了进一步提高开关电源功率密度、减小体积的最大障碍。 平面磁芯的出现解决了这一难题。平面磁芯表面积大，而高度远低于传统的 磁芯。而且平面磁芯制成的平面变压器具有很多优越的性能，比如：漏感小、散 热性好、可重复性好和可自动化程度高等。 2 3 1 平面磁芯 简单的说，平面变压器和平面电感的磁芯表面积大，而高度低，且不需要专 门的骨架，引脚短。不象普通变压器的磁芯窄而高，引脚很长，占有体积大。最 常见的平面磁芯形状为e 型磁芯，图2 2 比较了平面e 型磁芯和普通e 型磁芯 形状的不同。显见平面磁芯拓展了磁芯在平面上的面积，而降低了高度。和普通 人功率d c d c 模块电源的研究 具有相近体积的平面磁芯，具有更大的表面 积，若把它直接贴放到散热片上，具有更大 的散热面积，有利于提高变压器的功率处理 能力。 平面磁芯尺寸已经实现了标准化，常见 的是e e 、e i 型，多数生产商可以提供8 种 标准工业规格。现在随着平面磁件应用范围 匿目匡目 ( a ) 3 f 面e 磁芯( b ) 普通e 磁芯 图2 - 2 磁芯对比 的扩大，出现了和常规磁芯外型对应的p q 、e r 、r m 和罐型等磁芯。e e 型磁芯 中柱是矩形的，绕组必需延伸到磁芯外，空间利用率差，e m i 也比较严重。p q 、 e r 和r m 等磁芯具有圆柱型中柱，绕组比较短、电磁屏蔽性好，但是磁芯窗口 绕线面积和磁芯面积的比例比e e 型磁芯低，限制了绕组的匝数。 因为开关电源都工作在较高的工作频率，磁芯材料对变压器的工作情况有重 要的影响。磁芯生产厂家都提供了多种材质的磁芯可供选择，设计时一般根据磁 芯的工作频率、损耗曲线和饱和磁感应强度等来选择。目前常见的磁芯材料在 1 0 0 k h z 和0 1 t 时的损耗是7 0 1 2 5m w c m 3 ，最低工作损耗点在8 0 1 0 0 。c 。 图2 - 3 是m a g n e t i c s 公司的r 型材料在l o o k h z 时的磁芯损耗随温度变化的 曲线图，由图可见，r 型材料工作在1 0 0 k h z 下时，当磁芯温度达到1 0 0 。c 左右 时，磁芯损耗最低。根据材料的特性和电路的要求来综合选择磁芯材质，可以降 低损耗，提高变压器的性能。 c o r el o s sv s t e m p e r a t u r e 、 、 、 1 0 0，g au s s 0 0 t h l 、 、。j 一 一 一3 0 03 09 01 2 0 t e m p e r a t u r e ( 。c i 圈2 - 3 磁芯损耗随温度变化曲线 2 - 3 2 平面变压器的绕组 平面变压器和普通变压器的区别一个是磁芯外形，一个是绕组形式。普通变 压器的绕组用圆的铜导线绕制而成，绕组绕在骨架上，离中柱越来越远，在平面 坼o 1 荤i 一 _ o u 蔓1 种 南京航空航天大学硕士学位论文 上扩张：而平面变压器的绕组 1 6 , 1 7 在z 轴方向叠放( 图2 4 ) 。 图2 - 4 变压器结构比较 平面变压器的绕组最常见的有以下几种形式： ( 1 ) 用p c b 的导线构成【1 8 1 绕组用p c b 的铜膜走线构成，p c b 可以是单层、双层或多层板。用多层p c b 构成绕组，文献【2 1 】中有详细论述。绕组通过层问打孔进行匝问串联或并联。在 p c b 上预留出磁芯中柱以及边柱的安装槽，把磁芯插入。 优点；可重复性好；自动化程度高；绕组紧密耦合，漏感小；绕组可以是电 路的一部分，完全消除连接端子。 缺点：匝数多时，需用多个p c b 板叠放，板间进行电气连接和绝缘：或者 采用多层p c b 板来实现，多层板成本和工艺要求高；且由于绝缘厚度影响，窗 口利用率低，典型为o 2 5 0 3 。不适合匝数太多场合。 ( 2 ) 用挠性p c b 构成u 2 0 】 六十年代初，挠性p c b 已在国外广泛使用。我国在六十年代中才开始生产 应用。挠性p c b 是用挠性的绝缘基材制成的印刷电路板。它是在一个薄的基板 ( 2 0 u r n ) 两侧淀积相对比较厚的铜层( 7 0 a m ) 形成的。板间通过绝缘层( 2 0 u r n ) 隔离。 它可以自由弯曲、卷绕、折叠，可依照空间布局要求任意安排，并在三维空间任 意移动和伸缩，从而达到元器件装配和导线连接的一体化。而且由于基板和绝缘 层很薄，所以相对f r 4 一p c b 技术，铜填充系数提高。 优点：可重复性好；自动化程度高；绕组紧密耦合，漏感小：可以弯曲，消 除连接端子：绝缘层薄，窗口利用率高。 缺点：生产量少时，加工成本高；尺寸受限制；更改和修补比较困难；操作 不当易损坏。 图2 - 5 柔性p c b 横截面 ( 3 ) 用薄的、螺旋状层叠放置的铜皮构成。 用铜带分别制造变压器的原、副边绕组，把铜带螺旋状折叠后构成完整的绕 组，然后把原、副边绕组间隔放黉，匝间采用薄的绝缘材料进行电气绝缘。 优点：成本低：调节性好：载流能力大。 大功率d c i d c 模块电源的研究 缺点：绕组之间的绝缘处理困难；窗口利用率低；匝数多时不适合；寄生参 数不可控制：绕组间的折叠增大了热阻。 在实际应用中，要综合考虑设计的难度、可生产性、制造成本等因素选择合 适的绕组形式。事实上，选用什么方式部分主要考虑电流的等级，在小电流时， 采用多层p c b 或叠层单独p c b ：中等电流时，选用柔性p c b ( 厚铜) ；大电流 时，选用铜带构成。由于平面变压器绕组很薄，在高频情况下集肤效应和临近效 应的影响降低，交流阻抗小。 变压器绕组电流密度的选取要根据损耗来决定。电流密度高，绕组截面积小， 可以选用小磁芯。但电流密度高，绕组损耗大，发热严重。关于平面变压器绕组 电流密度的选取，至今没有文献提供明确的选取依据，在文献 1 7 】中有部分论述。 实际中，要根据温升情况进行调整。 2 3 3 平面变压器在电路中的形态 平面变压器在电路中的存在形态可以有以下四种【2 l l ，见图2 6 ： 图2 - 6 平面变压器在电路中的形态 ( a ) 独立式 变压器作为一个独立的器件放置在一个单独的线路板上，通过引出线与其他 f 缸路相连。当采用p c b 来构成绕组时，一般需要采用多层p c b 板。因为多层p c b 板很昂贵，这种方案只需要把绕组部分制成多层板，可以降低成本a ( b ) 嵌入式 为了进一步降低独立式安装的整体高度，可以在主电路板上预留槽子，把变 压器插入。这种方案可以获得比( a ) 方案更理想的高度。 ( c ) 混合式 平面变压器的部分绕组采用独立式的印制板，部分绕组利用主功率电路板共 同构成，既可以满足变压器绕组部分需要多层板的要求，又不需要把主电路板制 成昂贵的多层印制板。 ( d ) 集成式 平面变压器的绕组利用主功率电路板构成，预留插槽进行放置。这种方法可 南京航空航天人学硕士学位论文 以最好的利用电路板的空间，可是如果电路板的层数不满足需要，需要把主电路 板制成昂贵的多层印制扳。 独立式最接近常规变压器安装；嵌入式比独立式整体高度低；混合式构成比 较灵活，可以节省成本；集成式高度最低，但多数情况需采用成本高的多层板。 使用时，如果电路本身很复杂，需要使用多层p c b 板，则优选集成式。 2 4 热设计 随着模块电源集成度的提高，散热问题成为对电源设计者最大的挑战之一。 一方面因为电路向着高密度、高可靠性、小型化的方向发展，s m t 程度提高， 功率密度提高，器件间距减小，发热集中；另一方面器件功能加强，功率要求越 来越高。小型化后在更小的空间内聚集了更大的能量，散热问题自然变得突出。 而器件的工作温度极大的影响器件的性能，进而影响模块的寿命，如果不能够很 好的解决，会造成器件性能下降，甚至损坏。 热设计包括两方面的内容，一方面要尽量减少电路发热；另一方面要使热路 畅通，把电路产生的热量尽快散掉，即降低热阻，提高热传导性。 2 4 。l 减少发热 模块电源中，发热严重的主要是功率半导体器件和磁性元件。为了减少电路 发热，可以通过器件选取、布局、控制策略等方面的优化来实现。首先优先选择 体积和功耗都比较小的器件，比如s m t 封装器件：其次布局时应注意热源的均 匀分布，不要太密集：控制策略上则可以选择z v s 或z c s ，减小功率器件的开 关损耗。采用新型的平面变压器可以减小变压器高频时的交流损耗，降低温升。 2 4 2 加强散热 在进行模块散热设计时，要考虑电路的布局、冷却方法或基板材料选取。首 先，进行模块的损耗分析，考虑整体的布局。其次，要选择合适的基板材料，注 意基板的热导率、热膨胀系数( c o e f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o n ，c t e ) 以及机械 强度；然后，要注意主要发热源之间的距离，防止热量过分聚集。最后，进行模 块的热模分析，选择合适方案。 器件布局密集有利于提高功率密度，减小连线长度，从而减小寄生电感，提 高电路性能；但布局集中会使器件产生的热量集中在很小的空间内，影响电路的 可靠性和效率。所以在热设计时，要在电路布局和降低寄生参数间做到一定的平 衡。在电路布局时，尽量使电路中的主要热源分布均匀。 采用强迫冷却可以显著提高散热效果，但也会极大的增加系统体积和重量， 这对要求轻、薄、小的模块电源是不希望出现的。 随着材料科学的发展，采用高导热的基板是一个比较可行的选择。金属基敷 _ 人功率d c d c 模块电源的研究 铜板，也叫绝缘金属基板( i n s u l a t e dm e t a ls u b s t r a t e ，i m s ) 是近年发展起来的 种新兴的高导热的线路板材料，它因为具有优良的热性能和机械加工性能，在大 功率密度场合得到了广泛的应用。它是采用一种独特的绝缘材料将导电铜箔层与 金属基板压合在一起( 图2 7 ) ，为三层结构。 底层：金属基层，一般是铝或铜。金属基层具有高的热导率，且和大功 率场合常用的陶瓷基材相比，具有很好的机械特性。 中间层：高热导绝缘材料层，由陶瓷和聚合物混合而成。绝缘层的独特 之处在于它的电性能和热性能。为了降低热阻，它必须很薄且具有高热导率；而 为了满足电路绝缘的要求，它必须具有高绝缘性。绝缘层所用的聚合物一般根据 电绝缘、抗热老化和附着力等要求来选择。环氧树脂、聚酰亚胺等被用于金属基 板的绝缘，厚度根据电绝缘要求和散热性能综合考虑来定，一般为7 5 u m 3 0 0 u m 。 顶层：导电铜箔层。主要根据铜箔厚度决定基板的通电流能力，目前 般可以提供l 1 0 0 z 的厚度，铜箔导线的宽度则由绝缘层材料、厚度、电流以及 预定温升等因素共同决定。 图2 - 7 铝基板结构示意图 绝缘金属基板可以制成单面或双面p c b 板。基板的作用与功能已发生了变 化，不仅是安放电路元器件的支撑载体，而且是构成电路元器件互连与布线的载 体和具有一定的功能性作用。 应用于s m t 的基板，有以下性能要求： 光滑、平整，保证与功率半导体器件的良好接触； 热膨胀系数匹配，表面贴装器件与基板接触紧密，如果热膨胀系数不匹 配，在功率循环和热循环中，应力增大会影响焊点的可靠性； 高热导性，s m t 中功率器件间距小，贴装密度大，发热量比较集中，基 板应快遽把器件的热量散掉； 耐热性，s m t 工艺中，基板在安装结束前，要经受几次焊接过程； 电绝缘性好。 平面磁芯表面积相对体积的比例大，具有更大的散热面积。安装时可以贴放 在散热性好的材料上，通过热传导散热，而不象传统变压器通过对流或辐射散热。 同时电路中发热严重的功率管和整流器件可以采用s m t 器件，直接焊接在i m s 基板上，相比传统安装方式中，功率管下面垫绝缘片的方式，热阻大大减小，散 热效率提高。此时，基板既承载了电路器件，也充当电路板。模块使用时，可把 基板置于散热器上，加强散热，模块自身无散热嚣，因而体积和重量显著减小。 南京航空航天大学硕十学位论文 2 5 本章小结 本章针对大功率d c d c 模块电源设计的难点，从电路拓扑选择、器件选择、 平面变压器和热设计等方面分别进行了阐述。 大功率d c d c 模块电源的研究 第三章大功率d c d c 模块电源的设计 3 1 前言 本章讨论2 7 0 v d c 输入，2 8 v d c ，3 6 a 输出的航空用二次d c d c 电源模块的研制， 首先介绍该电源模块的总体架构，然后分别从电路拓扑、主电路、控制电路和保护电 路设计、电路封装结构等方面进行探讨，然后介绍具体的封装过程，最后给出试验结 果，并对试验结果进行简单分析。 其主要技术指标为： 口输入电压：2 7 0 v d c + 1 0 口输出电压v o ：2 8 v d c ； 口输出电流厶：3 6 a ； 口开关频率石： 1 0 0 k h z 。 3 2 总体架构 本电源模块包括输入滤波电路，逆变电路，输出滤波电路，控制、保护、驱动电 路和辅助电源等几大部分，总体结构框图如图3 1 所示。 输 3 3 电路拓扑 图3 - 1 总体框图 输出 合理选取电路拓扑十分重要，本电源选用在中、大功率场合应用广泛的移相控制 ( p h a s e s h i r e d ) z v sp w md c d c 全桥变换器，如图3 2 所示。其中q l q 4 是功率开关 管，d l 上) 4 分别是q l q 4 的体二极管，c l c 4 分别是q 1 0 4 的寄生电容。厶是变压器 的漏感。为了防止变压器直流偏磁，加入隔直电容c 6 。d 尉和口k 2 是输出整流二极管。 为了抑制整流二极管反向恢复时的电压尖峰，加入尖峰抑制磁珠厶和k 。，是输出 滤波电感，o 是输出滤波电容。 一一 亘塞堕至垫丕_ 大堂堡主堂焦笙塞 图3 - 2p s z v s p w md c d c 全桥变换器 3 - 3 1 工作模态分析 下面简单分析移相控制零电压开关p w md c d c 全桥变换器的工作原理，主要 波形如图3 - 3 所示，详细分析见文献 2 4 1 。 q q 3q l ， t q d 仍 q d _ _ 一一， 。、 j 一一 _ - i k 。 | 1 f | | il卜1 |。 f 卜i ， ， n溺扣慕缀 t it 2 t 3 t 4 s1 6t 7 t 9 t l o 1 1 f 1 2t 1 3 t 图3 - 3 主要波形图 在一个开关周期中，有1 2 个开关模态。分析之前，先做如下假设： 所有元器件均为理想器件； ( 多c l = c 3 = c l e 。d ，c 2 2 c 4 2 c 。g ； 大功率d c d c 模块电源的研究 工加l 群，k 是变压器原、副边匝比。 图3 - 4 给出了该变换器在不同模态下的等效电路，各工作模态的工作情况如下： ( 1 ) 开关模态0 在r o 时刻，对应于图3 - 4 ( a ) 。o l 和q 4 导通。原边电流由电源正流经q l 、变压器 漏感三，、变压器原边绕组以及q 4 ，最后回到电源负。副边电流回路是：副边绕组厶， 的正端，经整流管d r 。、输出滤波电感n 输出滤波电容c ，与负载风d ，最后回到绕 组厶1 的负端。 ( 2 ) j t ：关模态1 ( 幻，t i ，对应于图3 - 4 ( b ) ) 在，o 时刻关断q 1 ，原边电流从q l 中转移到c l 和c 3 支路中，给c l 充电，同时 c 3 被放电。由于有c l 和c 3 ，q l 是零电压关断。这段时间里，变压器原边漏感l 和 输出滤波电感是三，串联的，而且工r 很大，认为原边电流基本不变，类似一个恒流源。 c 1 恒流充电，c 3 被恒流放电，电压线性变化。当c 3 的电压下降到零时，9 的反并二 极管d 3 自然导通。 ( 3 ) 开关模态2 ( i t , ，f 2 ，对应于图3 - 4 ( c ) ) d 3 导通后，可零电压开通q 3 。q 3 开通前，原边电流经d3 、白、l 、变压器原边 绕组和0 4 流通。q 3 开通后，原边电流经q 3 、巴、与、变压器原边绕组和q 4 流通流 通。这段时问里，日为零，原边电流等于折算到原边的输出滤波电感电流。 ( 4 ) 开关模态3 ( i t 2 ，t 3 】，对应于图3 - 4 ( d ) ) 在t 2 时刻关断q 4 ，原边电流从9 4 中转移到c 4 和c 2 支路中，给c 4 充电，同时 c 2 被放电。由于有c 2 和c 4 ，q 4 是零电压关断。v a b ：一v ，b 的极性开始由零变负， 变压器副边绕组电势反向，下正上负，整流二极管d r 2 导通，副边绕组工吐中开始流 过电流，整流管d r l 和d e a 同时导通，把变压器副边绕组短接，副边绕组电压为零， 原边绕组电压也为零。口直接加在变压器的漏感。上。这段时间里，漏感l 和电容 c 2 、c 4 谐振工作。 到t 3 时刻，当c 4 的电压上升到时，d 2 自然导通。 ( 5 ) 开关模态4 ( 【f 3 ，t 4 ，对应于图3 - 4 ( e ) ) d 2 导通后，可以零电压开通q 2 。q 2 开通前，原边电流流过d 2 aq 2 开通后，原 边电流开始流过q 2 ，变压器漏感的储能回馈给输入电源，由于副边两个整流管同时 导通，变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，电源电压加在变压器漏 感两端，由于漏感一般很小，原边电流线性下降。到“时刻，原边电流下降到零。 ( 6 ) 丌关模态5 ( i t “7 j 】，对应于图3 - 4 ( t ) ) t 4 时刻，原边电流下降到零。在电源电压作用下，向反方向增加，由q 2 和q 3 提 供原边电流通路。但原边电流还不足以提供负载电流，负载电流仍由两个整流管同时 提供，因此变压器原边绕组电压仍为零，加在漏感两端的电压是电源电压，原边 电流反向线性增加。 到r 。时刻，原边电流增长至折算到原边的负载电流，此时，整流管d 用关断， 南京航空航天大学硕士学位论文 ( ) ，时“ l h l u 忡k ul n 【o u i i lp t u 圈3 - 4 各开关模态的等效电路 7 大功率d c d c 模块电源的研究 e k z 流过全部负载电流。 ( 7 ) 开关模态6 ( i t 5 ，t 4 ，对应于图3 - 4 ( g ) ) 这段时间里，电源给受载提供能量。 在t 6 时刻，q 3 关断，变换器开始另半个周期的工作，工作情况类似于上述的半 个周期。 3 3 2 电路优点 该电路具有以下优点 2 2 , 2 3 1 ： 利用功率开关管的结电容和变压器的漏感，实现功率管的z v s ： 开关频率恒定，有利于滤波器的优化设计； 功率管的电压、电流应力小。电压应力为电源电压，电流应力等于折算到原 边的负载电流；可以提高开关频率，减小电源的体积和重量；同时可以改善 开关管的工作条件，有利于提高电源的可靠性，提高平均故障间隔时间( m e a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e s ，m t b f ) 。 3 4 主电路参数设计 3 4 1 高频变压器设计 1 原副边变比 为了提高高频变压器的利用率，减小开关管的电流，降低输出整流二极管的反向 电压，从而减小损耗和降低成本，高频变压器原、副边变比应尽可能的大一些。为了 在输入电压范围内能够输出所要求的电压，变压器的变比应按在输入电压最低时来选 择。设副边最大占空比文。为o ，8 5 。则可计算出最小副边电压。为： 。：堡掣：型型：3 7 1 l ( v )( 3 1 ) y = 一= 一l i 。”“ 屯。0 8 5 。 其中：圪是输出电压，是输出整流二极管的通态压降，是输出滤波电感上 的直流压降。 故变压器原、副边变比k 为： 世：丘业：丝：6 5 4 8 ( 3 - 2 ) 吃。 3 7 1 l 式中，。为最小输入直流电压，k 。= 2 7 0 ( 1 - 1 0 一) 一2 4 3 v 。 实际取k = 6 5 。 2 开关频率 南京航空航天大学硕士学位论文 由于实现了功率管的零电压开关，可大幅提高开关频率。开关频率高，可以减小 绕组匝数，从而允许