（电力电子与电力传动专业论文）开关电源的建模与仿真研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t u n d e rt h es o r w a r es e t t i n g s ，t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ep o w e rs u p p l y h a v ea s s i s t a n te f f e c t so nt h ep o w e rs u p p l yd e s i g n i n g i tc a nn o to n l ys h o r t e nt h e r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gp e r i o db u ta l s or e d u c et h ed e s i g nc o s t t h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no ft h ep o w e rs u p p l yh a v eb e c o m et h ee s s e n t i a lp a r tf o rs w i t c hp o w e r s u p p l yr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g t h i sp a p e rh a sf o u n dt h ef u l l - s c a l ea c - d c s w i t c hp o w e r s u p p l ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n , a n da n a l y z e dt h ep a r a m e t e r s a f f e c tt o m o d e l sp e r f o r m a n c e s t h ep a p e r f i r s t l ya n a l y z e dt h ec o m m o nd c - d cc o n v e r t e r st o p o l o g i 髓 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 s ，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 o r a c c o r d i n gt ot h o s em 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 r sc h a r a c t e r i s t i ci sg i v e n , l i s t e de a c hc o n v e r t e r sa d v a n t a g e sa n dd 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 f c h o o s i n g t h er i g h tt o p o l o g yf o rt h ed i f f e r e n ts w i t c hp o w e rs u p p l y b a s e do nt h ef a m i l i a rc o n v e r t e r s t o p o l o g i e s ，t h ep a p e rf o c u s e do nt h ea c t u a l d e s i g n i n gp r o c e s s e so f t h ea c - d cs w i t c hp o w e rs u p p l y , a n da n a l y z e dt h ef u l l - b r i d g e c o n v e r t e r sw o r ke l e m e n t s t h ep u l s ew i d mm o d u l a t i o nc m o sc i r c u i ts g 3 5 2 5 s s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e s ，d r i v i n gc i r c u i t s ，h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r sd e s i g n a n dc a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e r si nt h ec i r c u i t f u r t h e rm o r et h a nt h et h e o r yd e s i g n , t h e p a p e rh a sf o u n dt h em a i nc i r c u i t s a n dc o n t r o lc i r c u i t s m o d e l sb yu s i n gt h eo r c a d p s p i c es i m u l a t i o ns o f t w a r e , s i m u l a t e da n di n v e s t i g a t e dt h e s em o d e l s p e r f o r m a n c e s u n d e rt h ec a s eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s c h a n g i n g ，t h e np i c ko u tt h er i g h tp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp e r f o r m a n c e s t h eo v e r - a l lm o d e lh a sb e e nf o r m e db yt h e a s s i s t a n tm o d e l sm e n t i o n e da b o v e t h ef e a s i b i l i t yo f t h ec i r c u i t si sd e m o n s t r a t e d d u et ot h ea c - d cs w i t c hp o w e rs u p p l yd e s i g n sh a r ds w i t c hm o d e , t h e c o n v e r t e rb r i n g st o om u c hp o w e rl o s s e s t h es o f t - s w i t c ho p e r a t i n gm o d ep r o v i d e s h i g h e re f f i c i e n c y t h ep h a s es h i f t e df u l l b r i d g ec o n v e r t e rc a na c h i e v et h es o f t - s w i t c h m 西北工业大学硕士论文 m o d e ，t h ep a p e rc o n c r e t e l ya n a l y z e dt h ep h a s es h i f t e df u l l b r i d g ec o n v e r t e r sw o r k e l e m e n t sa n df o u n dt h ep r e d i g e s tm o d e l ，s i m u l a t e dt h ep o w e rm o s f e t s z e r o - v o l t a g es w i t c h i n g k e yw o r d s ：d c - d cc o n v e r t e r , p w mc o n t r o l ，f u l 6 b r i d g ee o n v c n e r , s i m u l a t i o n i v 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属丁西s k j ：业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北t 业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：宣! 丝垄 口刁年j 月伊e l 指导教师签名 劢句年刁月 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已中请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：量丝盔 一7 年 月妒日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开题研究背景及意义 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的 种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设 备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。传统的线性稳压电源 具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大 且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放 大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压 差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有4 5 左右。另外，由于 调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热 器，很难满足现代电子设备发展的需要【l l 。 开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源，通过控制开关的占空 比来调整输出电压。它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算 机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息 产业飞速发展不可缺少的一种电源形式。开关电源现已应用到所有电子设备上， 取代了连续控制式的线性电源。开关电源功率变换电路和控制电路的非线性、 时变性使得系统的稳定性分析与设计比线性电路更为复杂。早期的初步验证方 法多是将设计完成的电路图结成面包板、万用板或p c 板，然后使用电源、信号 发生器、示波器、电表等电子仪器来加以验证。这种做法有几个缺点：首先， 制作电路板的过程既耗时、费力又损失材料的工作；况且在制作完成后的验证 结果如果有错误，这时就得花费相当长的时间来弄清是设计的电路图有误还是 电路板制作有误。于是电子工程师常常必须为解决一些和设计理念无关的困扰 而大伤脑筋。尤其现在的集成电路发展迅速，一个设计中可能包含很多个的晶 体管，传统制作的电路板来验证的方式已经完全不可行了。 近年来计算机的发展已经到了神速的地步，到了只要有合适的而且精确的 电路模型，计算机便可以根据已知的电路理论进行大量计算，从而仿真出近乎 真实的电路结果，这种经由软件验证的方法，可以克服上述的这些缺点，更因 为这种方式可以事先排除大部分设计阶段所造成的失误，使得工程师们可以更 西北工业大学硕士论文 加直接地将精力集中在设计层次方面。在国际上，开关电源的分析、研究和设计 已广泛采用计算机仿真技术。使用该技术可以在制作实际电路之前先建立一个 模拟的实验环境，根据预先建立的电路模型构造出系统的仿真模型，然后对系 统进行稳态、动态特性分析，寻求满足设计性能要求的元件参数，优化系统的 设计方案，减少开发过程的盲目性、复杂性，缩短开发周期，降低设计成本。 本文拟采用o r c a dp s p i c e 软件对开关电源系统进行计算机辅助分析【2 】【6 1 1 。 1 2 软件介绍 o r c a dp s p i c e 是较早出现的e d a 软件之一，由m 1 2 c r o s i m 公司于1 9 8 5 年 推出，在电路仿真方面它的功能可以说是最为强大。p s p i c e 在功率电子仿真功 能和模型方面正在不断加强，在国内被普遍使用，较其他的仿真软件，它有以 下几个突出的特点： 1 ) 集成性高 在p s p i c e 的集成环境里，从调用电路绘制程序c a p t u r ec i s 在w i n d o w s 环境 下完成电路图的制作及分析设置，到调用电路仿真程序p s p i c e 完成仿真与观测 结果，再到印制电路板设计的l a y o u tp l u s 或可编程逻辑元件的设计e x p r e s s 整 个操作步骤完全在一个用户界面下完成，用户不需要切换工作环境，可以省不 少麻烦。 2 ) p r o b e 观测功能 在观测电路仿真结果方面，p s p i c e 提供了p r o b e 的观测程序来协助用户快速 而精确的观测电路的特性数据，让用户能够轻易的判断电路是否合乎要求。必 要时，用户可以让p s p i c e 显示一些由记录数据所衍生出来的波形数据，譬如波 特图、相位边限、迟滞图、上升时间等。 3 ) 具有高级仿真功能 除了基本的偏压点分析( b i a sp o i n td e t a i l ) 、直流扫描分析( d es w e e p ) 、 交流扫描分析( a as w e e p ) 、暂态分析( t r a n s i e n ta n a l y s i s ) 之外，还包括 温度分析( t e m p e r a t u r ea n a l y s i s ) 、最差情况分析( w o r s tc a s ea n a l y s i s ) 、 参数分析( p a r a m e t r i ca n a l y s i s ) 、傅立叶分析( f o u r i e ra n a l y s i s ) 、噪声 分析( n o i s ea n a l y s i s ) 、性能分析( p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ) 等更进一步的 分析工具。 4 ) 具有模块化和层次设计 电路的日益复杂，使得电路的设计方法也趋向模块化和层次化。也就是说， 2 第一苹绪论 先将整体电路依其特性和复杂度切割成合适的子电路，然后个别绘制及仿真每 一个子电路，待相关的子电路都完成后，在将他们组合起来继续仿真，最后完 成整体电路。 5 ) 模拟行为模型 p s p i c e 提供了一个简便的方式去仿真一块尚未完成或极复杂的子电路。用 户可以自行定义或使用内部已建好的模拟行为的模型元件，运用描述电路特性 的方式而不需要以真实电路来输入与仿真，如此可以大幅度精简仿真时间和复 杂度。 6 ) 具有模拟和数字的仿真能力 除了传统的模拟信号仿真之外，p s p i c e 也集成了数字信号的仿真功能，可 以更进一步执行模拟加数字的电路仿真。 7 ) 元件库的扩充功能 尽管o r e a dp s p i c ea d 已经内建了许多的常见的电子元件符号及其相应的 模型，但随着制扳技术的进步和新的电子元件不断的问世，内建的元件库里没 有合适的元件，这时就可以用元件编辑程序新建或修改现有的元件特性以作出 合乎要求的新元件【3 】。 p s p i c e 是一个模拟的“实验台”，在它上面，可以做各种电路实验和测试， 以便修改与优化设计。它为我们分析与设计电路提供了强大的计算机仿真工具， 利用它对电路、信号与系统进行辅助分析和设计，对电子工程、信息工程和自 动控制领域的工作人员具有很高的实用价值。本课题在o r e a dp s p i c e 环境下建 立开关电源电路各部分的精确建模和仿真研究。最后电路中各元件参数寻优， 以达到最优的效果【4 】。 1 3 性能指标 在实际制作电路板时，需要测试电路是否能达到一定的指标，同样在o r e a d p s p i c e 的软件环境下，对电路的仿真也需要达到一定的性能指标。本论文所建 模型的仿真性能指标是能达到期望的电压和电流稳态输出、电压和电流的纹波 范围、瞬态响应时间和工作的频率。 1 4 课题研究的内容 开关电源主要分成a c d c 、d c d c 和d c a c 三大类，它是一个闭环的自 3 西北工业大学硕士论文 稳定系统，由主电路和控制电路组成。主电路主要由d c - d c 变换器、输出整流 电路和l c 滤波电路，控制电路主要由采样误差放大电路、脉宽调制电路和驱 动电路。如图1 1 所示： 图i - i 开关电源的基本构成 主要研究内容： i ) 对开关电源中的各d c d c 变换器拓扑结构的工作原理进行分析，并建 立各变换器的简化模型，仿真分析比较各自的优缺点。 2 ) 对a c - d c 开关电源主电路中的全桥变换器和驱动芯片s g 3 5 2 5 的工作原 理进行详细分析，设计和计算电路中整流、滤波、驱动和缓冲电路中的各参数 值和开关管的选型。 3 ) 对a c d c 开关电源电路在o r c a dp s p i c e 软件环境下建立变压器、全桥 变换器和驱动电路的各自分模型，仿真分析研究改变电路中的参数时对电路性 能的影响，根据需要来选择合适的参数来保证电路的性能，达到计算机仿真的 辅助设计的目的。 4 ) 对能达到软开关性能的移相全桥变换器的工作原理具体分析，计算电路 中的谐振电容和附加漏感的参数值，并建立变换器的简化模型，仿真研究开关 管的零导通和零关断。 4 第二章开关电源中常见变换器的建模 第二章开关电源中常见变换器的建模 在众多的开关电源中，d c d c 变换器是开关电源的主要组成部分，目前在 开关电源中应用的变换器都是由基本变换器拓扑和衍生出来的，了解基本变换 器的结构和工作原理，对开关电源的研究有着铺垫作用。本章就基本的d c - d c 变换器详细地介绍了它们的工作原理，并建立了简化模型【4 】【。l 。 2 1b u c k 变换器 b u c k 变换器又称降压变换器，它是一种对输入输出电压进行降压变换的 直流斩波器，即输出电压低于输入电压。其基本结构如图2 1 所示。 2 1 1b u c k 变换器的工作原理 假定： ( 1 ) 开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截 止”，而且导通压降为零，截止时漏电流为零： ( 2 ) 电感、电容是理想元件，电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电 容的等效串联电阻为零； ( 3 ) 输出电压中纹波电压与输出电压比值小到允许忽略。 u i n i 一。v + ii i i 【d f c 士r 1 l l 图2 - 1b u c k 变换器电路 工作过程 5 1 ： 当主开关t r 导通，如图2 - 2 所示，i s = i l 流过电感线圈三，电流线性增加， 在负载胄上流过电流厶，两端输出电压k ，极性上正下负。当厶 i o 时，电容在 充电状态。这时二极管d 承受反向电压而截止。经时间d ll 后，如图2 3 所示， 西北工业大学硕士论文 主开关t r 截止，由于电感三中的磁场将改变三两端的电压极性，以保持其电流 i l 不变。负载两端电压仍是上正下负。在i l i o 时，电容处在放电状态，以维持 厶、聆不变。这时二极管d ，承受正向偏压为电流豇构成通路，故称d 为续流 二极管。由于变换器输出电压k 小于电源电压虬，故称它为降压变换器。其工 作图如下图2 - 2 和图2 3 所示： 图2 - 2t r 导遥时图2 - 3t r 关断时 在一般的电路中是期望b u c k 电路工作在连续导通模式下的，在一个完整 的开关周期中，b u c k 变换器的工作分为两段，其工作波形图为： ，c 厂 厂 一 一 ii ll 一 厂 厂 一 z 粤 7 么巧 z 厶时电容充电，为正； = i o 时电容充电电流f c 为零； 厶时电容c 开始放电给电阻r 以保持不变， 为负m 】。 2 2 2b o o s t 变换器中参数计算 如同b u c k 电路一样，给定输入电压的范围、输出电压、功率p 、 输出电流厶、纹波电压的范围a g o ，开关频率正，就可以推出电路中l 、c 的 参数值和所需要开关管和二极管的耐压和耐流值，从而选定各自的型号。 在开关管t r 导通期间，电感电流的上升量为 她。= j ：= 一睾( f l “) = 一堡ld 。l(2-10) 在开关管关断期间，电感电流的下降量为 l 2 - - f 2 一与= 一毕：= 孚( 2 - 1 1 ) 由于稳态时这两个电流变化量相等，r p ，i a l ，i = l 茁。：i ，所以由( 2 - 1 0 ) 和 ( 2 1 1 ) 可得： g o - ，v sd 2 t s ：争( 2 - 1 2 ) 由( 2 1 2 ) 式整理得 = 珞击 ， ( 2 1 3 ) ( 1 ) 电感l 的确定 在连续和不连续之间有个临界状态，此时 等= 厶 ( 2 - 1 4 ) 整理得 三c = j v o i 。d 1 ( 1 一d 1 ) z 五 要保证电路工作在连续工作模式必须使工k ， ( 2 ) 电容c 值的确定 ( 2 1 5 ) 一般取1 2 倍的裕量。 墨三兰茎差皂塑! 堂墨至垫墅堕堡堡 电感电流连续的模式下，考虑滤波电容器内部有寄生电阻，考虑二极管电 流f d ，的纹波电流都会流进电容器c ，以保证负载上得到平直的直流电流。因此 i d , t 的充电或放电能量q 形成的纹波电压可以表示为： = a _ c _ q e = l o d c , t s = - - 西。cd ,ts(2-16)” cc 整理( 2 - 1 6 ) 式得：c 2 责d 1 瓦( 2 - 1 7 ) 二极管的选择要求：。( m a x ) = ( 2 - 1 8 ) i m ( m a x ) - i s + 等i i s + 毪瞩( 2 - 1 9 ) 2 2 3b o o s t 电路的建模和仿真结果 设定输入电压v 2 = 1 2 ，输出电压v o = 2 4 v ，输出电流1 0 = 5 a ，纹波电流 要小于l a ，纹波电压要小于1 0 0 m v ，频率兀= 5 0 k h z 。计算出电感l = 7 2 u h 和 电容c = 6 2 5 u f ；开关管t 的最大电流为1 4 5 a ，最大承受电压为3 6 v ，开关管 的型号为i r f l 4 0 ：二极管的最大承受电流为1 4 5 a ，最大承受电压为2 4 v ，二 极管的型号为m u r l 5 0 5 。根据计算所得搭建的p s p i c e 模型如下图所示： 图2 1 1b o o s t 变换器在p s p i c e 下的模型 炙 4 。8 西北工业大学硕士论文 一 i jl l ji j nb h 日2 2 ”a an 删，口 av ( z ：z ifq 埘z i itv ( 叫s e + ，n l - ：。i i h - d 图2 1 2b o o s t 变换器瞬态波形图 图2 1 3b o o s t 变换器的稳态波形图 图2 1 2 和图2 1 3 为b o o s t 电路仿真结果的瞬态和稳态波形图，图2 1 2 中的波形从上至下分别为输出电压砌、电感的电流f ，和输出电流白的波形，从 波形图中可以看出在启动时电路有振荡过程，经过一段时间后进入到稳态，振 荡时间的长短和幅值的大小，跟电感和电容的取值有很大的关系，所以在设计 电路时，要细节调节电感和电容值。从图2 1 3 的稳态波形图中可以得出电感的 电流f ：在1 0 a 1 2 a 之间反复充放电，当开关管有驱动电压时，电流f ：上升，当 开关管没有驱动电压时电流f ，下降，满足理论的分析和设定值。 2 3c u k 变换器 c u k 变换器综合了降压、升压、升降压变换器电路的优点，可以实现：输 入输出电流基本平直，输出电压可在零变化，主开关驱动简单。变换器电路如 图2 1 4 所示： 2 3 1c u k 变换器的工作原理 假定： ( 1 ) 开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截 止”，而且导通压降为零，截止时漏电流为零； ( 2 ) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电 容的等效串联电阻为零； ( 3 ) 输出电压中纹波电压与输出电压比值小到允许忽略； 1 2 第二章开关电源中常见变换器的建模 图2 1 4c u k 变换器结构原理图图2 1 5c u k 工作波形图 图2 1 6 开关管导通期间图2 1 7 开关管截止期间 工作过程： ( 1 ) 在厶开关管导通期间，如图2 1 6 所示。此时嚣导通，把输入输出环路 闭合。d 反偏而截止，这时输入电流i l 使三，储能；c 的放电电流i 2 使三2 储能， 并供电给负载r 。b 中流过输入、输出电流之和，即扣i l + i 2 。 ( 2 ) 在7 谚开关管关断期间，如图2 1 7 所示。b 截止，d 正偏而导通，将输 入输出环路闭合。这时电源输入和厶的释能电流i l 向c 充电，同时三：的释能电 流i 2 以维持负载。流过d 的电流亦为输入、输出电流之和，即扣i 1 + i 2 由此可见，这个电路无论在厶及z 谚期间，都从输入向输出传递功率。只 要输入输出电感三- 、上：及耦合电容c 足够大，则厶及三：中的电流基本上是恒 定的。在砌期间，输入电流i l 使c 充电储能；在期间，c 向负载放电释能。 因此。c 是能量传递元件。 由于稳态时，两电感上的电压平均值为零，所以在电路的回路中有： = + v o ，当开关管的加正脉冲时，开关管两端电压为零，在珞的作用下 n 西北工业大学硕士论文 线性上升，l 1 两端的电压为v s ，同时电容c 也通过开关管放电给l 2 和c 1 ， 保持负载上的电压为v o ，f 。：也线性上升，流过开关管集电极的电流为f 。+ f 。， 电容c 上的电压为= k + r o 。当开关管的脉冲消失时，开关管截止，二极管 导通，所以开关管上的电压= r c ，流经l 1 上的电流线性下降给电容c 充电， = 一= r o ，l 2 上的电压与v 0 相等，二极管上的电流为i 。+ 屯：。 2 3 2c u k 变换电路中参数计算 ( 1 ) 在开关管导通期间，二极管截止，l l 储存能量压降为v s ，l 1 上的电流 增量为。( d n ) = 手乙= 竽d 1 乃 ( 2 - 2 0 ) 同时，l 2 也储存能其上的压降为吃一圪，压降方向与电流方向相同，电流增量 为 址z ”警驴v c l 2 - v o d j t s ( 2 - 2 1 ) ( 2 ) 在开关管关断期间，二极管导通，l 1 释放能量，l 1 上的电压为- v 。， 电流增量为 虬，= 一警= 一警( 1 _ d 1 ) 五( 2 - 2 3 ) 同时l 2 也释放能量，l 2 上的压降为v o ，电流增量为 蝇2 ( o f f ) = 一厶r o r 够= 一l 2 r 0 0 一z ) o r s ( 2 - 2 4 ) 由于进入稳态时( 伽) = l 她。( o f f ) i 、虬：( o 厅) = l ，上：( 硎( 2 - 2 5 ) 由( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 和( 2 - 2 5 ) 式整理可得： 砌= 击= m v $ ( 2 - 2 6 ) 式中膨= 击称为电压增益，当d l = o 5 ，m = 1 ，v o = v s ；当d i 0 5 ，m i ，v o v s ，升压式。 c u k 变换器有这种显著的优点，虽然不用变压器，但特性非常接近一个匝 比可调的d c - d c 变换器，能量的储存和传递同时在两个开关期间和两个环路中 第二章开关电源中常见变换器的建模 进行。 在连续工作模式下，电感的电流的纹波为m = 詈d 1 五、鸲= 笔d l 马 m + 鸲= 鲁d l 五+ 笔d 1 五= 三v s 。d - 瓦 工e = 面孝 西d l 五 式中上e = 厶工z 在连续与非连续状态的临界状态型学= l “产百0 2 v o 整理式( 2 - 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) 和( 2 2 9 ) 式得 上e = 黑2 ov o d l 乃 z i4 厶厶的值取大于l e g 值，一般取1 2 倍的裕量 2 3 3c u k 变换电路的建模和仿真结果 ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) c u k 电路在o r c a d p s p i c e 下的简化模型如图2 一1 8 中，频率兀= 5 0 k j 4 z 、输 入电压为殆= 1 2 0 v 、电感l 1 = l 2 = 1 0 0 0 u h 、c i = l - 5 u f 、滤波电容c o = 1 0 u f 、 输出电阻r = i o o q 、开关管的取i r f 4 5 0 和二极管为m u r 4 3 0 。 p _ 、鼬j i o o o u h i il z d i 剐。 = q il 图2 1 8c u k 电路在p s p i c e 下的模型 1 5 r 1 1 0 0 西北工业大学硕士论文 图c a ) d = 0 4v o = 7 9 8 v 图c o ) d = 0 5 v o = 1 1 8 9 v 图2 。1 9 不同占空比时的输出电压波形 图( a ) i l l 和i l 2 的电流波形 、 * h i t uh “ o t l ：1 1 4 ：“ t i i k ) 一八八人、八厂厂厂， 图( b ) 、r 0 在稳态时的电压波形 一 一 一一 一一一 图( c ) l 1 上的电压波形图( d ) l 2 上的电压波形 图2 - 2 0d = 0 5 时的各波形图 从仿真结果图2 1 9 中可以看出在同一个模型下改变开关管的导通比，就能 输出不同值的电压值，如( a ) 图中导通比d = 0 4 时，输出电压为7 9 8 v ，( b ) 1 6 第二章开关电源中常见变换器的建模 n 图中导通比d = 0 5 时，输出电压值为1 1 8 9 v 。对比理论v o = 一= _ 毛k 计算出 l d d = 0 4 时输出电压为8 0 v ，d = 0 5 时输出电压为1 2 0 v ，可以看出仿真值和理 论值有一定的误差比理论值要小，是因为开关管和二极管存在一定的损耗。 仿真结果图2 2 0 为导通比d = 0 5 时，电路中电感l 1 和l 2 的电流值和电 压值如( a ) 、( c ) 和( d ) 图，输出稳态电压值如图( b ) 。对比( a ) 图的l 1 电感的电流( 实 线波形电流) 和( c ) 中的电压波形可以看出开关管导通期间电流在上升阶段时， 电感的电压为正值其值为1 2 0 v ；开关管截止期间l l 的电感的电流在下降阶段， 电感的电压改变极性变为1 2 0 v 1 1 1 1 1 1 2 】。 2 4 本章小结 上述的三种d c - d c 变换器，其中b u c k 和b o o s t 是用电感作为传送能 量的元件，c u k 是用电容作为传送能量的元件。它们有一个共同的特点：输入 输出的一根线是公用的，因此也称为三端开关式稳压器，通过原理分析可总结 几个基本概念【4 】： ( 1 ) 在d c d c 变换器时，其电气特性与电感电流模式有密切关系。凡周期 中电感电流过零值称为不连续模式，此时能量完全传递；电感电流大于零值称 为连续模式，此时能量不完全传递。 ( 2 ) 开关电源电感与电容起能量储存释放作用，其接线形式一定为低通 滤波器的形式。因为变换器有关元件，使得电压波形呈脉冲状，欲得直流输出， 一定要有某种形式的低通滤波器。 ( 3 ) 在实际应用中，就电气特性而言，没有哪个d c - d c 变换器是最佳的， 换言之，不同的应用，应该选取不同的最适合的变换器。 1 7 第三章a c d c 开关电源的研究 第三章a c d c 开关电源的研究 设计a c - d c 的整流电源输入为3 0 1 0 0 v 的正弦波电源，输出要达到7 v 2 0 a 的性能，工作的频率为1 0 0 k h z ，输入整流滤波用桥式整流滤波，d c - d c 变换 器采用全桥变换器，变压器采用高频脉冲变压器，输出整流滤波采用全波整流 滤波，p w m 控制器采用s g 3 5 2 5 芯片控制电路洲。其框图如图3 1 所示： 3 1 全桥变换器 图3 - 1 a c - d c 电源框图 全桥变换器拓扑是目前国内d c d c 变换器中最常用的拓扑之一，在中、大 功率应用场合更是首选拓扑，因为该拓扑具有功率开关管的电压、电流额定值 小，功率变压器利用率高等明显优点。基本的全桥变换电路根据供电的方式不 同可分为电压源型和电流源型两大类，其中电压型d c d c 全桥变换器的电路是 由基本的b u c k 变换电路演变而来的，因此又称全桥b u c k 变换器，在实际中 得到广泛的应用，所以本文采用此种变换器。 3 1 1 全桥变换器工作原理 桥式变换器由四个功率开关管器件、一个变压器、滤波的电感和电容组成。 其驱动装置相对于半桥而言增加了一倍，提高了成本，但用在功率较大的场合 时还是比较实用的。 1 9 而路一 一 垂电一 一 一波波一 一 圈 一 蓦一重 圜 ，一 羊 珏北工业大学硕士论文 0 r 图3 - 2 全桥变换器主电路图 如图3 2 所示为d c - - d c 变换器的主回路。桥对角的两个功率管作为一组， 每组同时接通或断开，两组开关轮流工作。由于两组开关的轮流工作，这样在 t 变压器的原边就形成交变的方波电压，由变压器变压后经过全波整流和滤波 电路最后输出平滑的直流电压。下图3 3 为全桥变换器的工作波形图。 耳：( 霉，) u u c d | u ( 2 c z , ，e c ( 5 - 5 ) p 在( t 。- t ) 期间急剧减小至零的原边电压c ，。，使副边感应电压u 。、【么： 也急剧减小至零，而副边电流么。仍保持原方向缓慢衰减。整流二极管d r l 导 通电流开始减小。 第五章全桥软开关变换器 图( c ) ( t ! t ) 期间图( d ) ( f 3 - t 4 ) 期间 3 、( t ，t ，) f 。正半周的箝位续流过程 在t 2 之前因超前臂的谐振己使d 3 导通箝位，即u 。= o ，【，。= o ；谐振结 束，c 1 、c 3 完成充放电之后，原边电流i 。仍维持正向流动，在t r 3 导通之前i 。 的续流回路自然从急剧减少的i 。和f 。，转移到箝位二极管的d 3 导通续流。因此 加到开关管t r 3 的栅极驱动脉冲电压变为高电平使之实现零电压开通后，由于 d 3 提前提供了原边电流的的前臂续流回路，故( t t 3 ) 虽两臂的电压为零 u 。= u 。= u 。= 0 ( 即箝位续流过程) ，但原边电流仍按原电流方向继续流动、 不断衰减，其值等于折算到原边的输出滤波电感电流值： ；，、 i p ( t ) = ：丝里( 5 - 0 f 。( f 3 ) = l( 5 - 7 ) 4 、( t 3 一t 4 ) ：t r 4 关断后滞后臂的谐振过程 在t 3 时刻加到滞后臂下管1 m 栅极的驱动脉冲电压变为低电平，开关管1 m 由导通变为截止，使正向续流的原边电流f 。在全桥右臂突然失去主要通路。而 t 3 时f 。刚缓慢降到厶，仍按原流动方向对c 4 充电，同时抽走c 2 上的电荷。由 于t h 关断后c 4 充电电压【，c 急剧从零升高变为正极性，使滞后臂的中点电压 u 。由零变为正值，故【，。变为负极性上负下正，则副边的整流二极管d r 2 受 到正向偏置而开始导通。上端绕组虽然感应到反向电压，但其较大的正向电压 不会突变为零，仍保持原方向流过d r l 。 在“时刻谐振电压c ，c 4 升到电源电压，原边反向电压值增到最大的负值， 使副边感应电压值也增至最大，则d r 2 完全导通，使副边绕组电压上下两端被 同时导通的两只二极管d r l 、d r 2 正向电压箝位低于电平0 7 v 2 = 1 4 v ，这对 于感应了上百伏的副边绕组可以近似认为它被短路。 6 s 西北工业大学硕士论文 图( e ) ( “一t 5 ) 期间图( f ) ( t 5 一t 6 ) 期间 图5 - 3 移相全桥变换器工作过程状态图 5 、( t 4 一t 5 ) 谐振结束时d 2 导通续流，电感储能返回电网 在t 4 时刻c 2 、c 4 与l r 串联谐振，u 。= u 。迅速升到电源电压，使 d 2 导通，把t r 2 两端电压箝位在零电平，为t r 2 的零电压导通准备了必要的条 件。如设计合理，谐振结束d 2 导通，就可以结束滞后臂的死区时间，即 a t ，( t 4 伪。但c 2 、c 4 的充放电时间又受负载电流大小的直接影响，不同 的功率管，其结电容大不相同，因而导通电流关断时间也不相同。 6 、( t 5 - - t 6 ) ：原边电流下冲过零后开始负向增大 在( t 4 一t 5 ) 原边电流从左向右流动急剧减小到零之前，滞后臂上管t r 2 已 导通，且超前臂下管t r 3 在“之前也导通。因此在( t 5 一t 6 ) 由于副边两二极 管同时导通切断了反射电感2 三，故原边电流i 。按最大变化率下降到零值时 ( t 5 时) ，曾导通的续流二极管d 3 和i ) 2 自然关断，形成新的供电通路，为下 一步即将开始的负半周功率输出阶段创造了条件。t 5 之后原边电流仍按该变化 率从零值自右臂经t r 2 向左臂t r 3 开始反方向急增，维持下冲态势，使i 。负向 增大到峰值一 为止。 原边电流f 在过零值下继续下冲完成后半段反向急变过程，已是t r 2 、t r 3 导通形成的功率输出供电回路。这与t 0 t l 功率输出之前t r l 、t r 4 同时导通原 理对称。但( t 5 - - t 6 ) 正是副边两整流二极管的同时导通和急剧换流的过程：f 。 急剧减小、f 。急剧增大，仍将副边的绕组两端箝位在低电平，阻碍了功率输 出【1 7 1 1 3 4 1 1 3 5 1 1 5 1 - 5 3 。 5 1 2 移相谐振控制器 u c 3 8 7 5 软开关电源移相p w m 控制集成电路，对两个半桥开关电路的相位 6 6 第五章全桥软开关变换器 进行移动控制，实现半桥功率级的横频p w m 控制，借助开关器件的输出电容 的充放电，在输出电容的放电结束( 电压为零) 的状态下实现零电压开通。相 位控制的特点体现在u c 3 8 7 5 的4 个输出端分别驱动前桥臂和后桥臂的两个桥 臂，都能单独进行导通延迟的调节控制，在该死区时间内确保下一个导通管的 输出电容放电完毕，为即将导通的开关管提供零电压导通的条件。在全桥变换 拓扑下移相控制的优点得到了充分的体现，所以在课题中采用了u c 3 8 7 5 的控 制器，u c 3 8 7 5 在电压模式下或是电流模式下都可以进行工作。 由于振荡器的工作频率大于2 m h z ，所以整个电路的工作频率可以达到 2 m h z 。该芯片除了可以在通常的方式下工作还可以通过c l o e k s y n c 引脚来接 受外部同步时钟信号，此时，外部时钟信号频率需要大于芯片频率。芯片的保 护功能有：欠压锁定功能，即芯片的偏置电压达到门值( 1 0 7 5 v ) 之前，前四 个输出端均保持低的有源输出状态；内置的1 5 v 使工作可靠，具有过流保护， 一旦出现故障该保护电路可以在7 0 n s 内关断所有输出，而且故障处理可以在全 周期范围内再启动。 移相控制信号发生电路是u c 3 8 7 5 的核心部分。振荡器产生的时钟信号经 过d 触发器的2 分频后，从d 触发器的“q ”和“q ”得到两个1 8 0 0 互补的方 波信号。这两个方波信号从o u t a 和o u t b 输出，延时电路为这两个方波信号 设置死区。o 嗽和0 u i b 与振荡时钟信号同步。p w m 比较器将锯齿波和误 差放大器的信号比较后，输出一个方波信号，这个信号与时钟脉冲经过“或非 门”后送到r s 触发器，r s 触发器的输出“q ”和d 触发器的“q ”运算后， 得到两个1 8 0 0 互补的方波信号。这两个方波信号从烈r r c 和o u t d 输出，延时 电路为这两个方波信号设置死区。仪r r c 和0 u r d 分别领先于0 们m 和o i 玎：a 之间相差一个移相角，移相角的大小决定于误差放大器的输出与锯齿波的交点 1 1 7 4 4 5 3 。 5 2 移相软开关中参数的计算 5 2 1 输出滤波电感的设计 在工程设计时，一般经验的要求输出滤波电感的电流的最大脉动量m 。为 最大输出电流的2 0 ，也就是说在输出电流的1 0 的条件下，输出滤波电感电 流应该保持连续 4 1 1 3 2 1 3 5 】【3 6 1 。由于输入电压是变化的，由于输入电压是