（电气工程专业论文）无源无损吸收正激型功率变换器的研究.pdf

重庆大学硕十学位论文 中文摘要 摘要 正激型变换器由于具有电路结构简单、成本低、可靠性高、驱动电路简单等 特点，因而广泛应用于中小功率变换场合。但是，正激变换器存在一个固有的缺 陷，就是变压器必须在功率晶体管关断期间实现磁复位j 否则会导致变压器磁芯 饱和。近年来，关于正激变换器磁复位技术的研究很多，出现了多种磁复位方法， 主要有复位绕组法、r c d 箝位法、谐振复位法以及有源箝位复位法等等。这些方 法均存在许多不足之处，阻碍了正激型变换器的广泛应用。 对于p w m 变换器而言，吸收技术一般可以分为有源吸收和无源吸收两类。 采用无源吸收技术能起到与一般有源软开关技术一样的作用，比如它能够减少开 关损耗、减小开关应力、削弱e m i 噪声等。此外，它还有一般有源软开关技术不 具备的一些优点：电路结构简单、不需要额外的开关管和控制电路，与有源吸收 相比，成本更低、可靠性更高，具有更高的性价比，因而是一种极具吸引力的技 术，得到了越来越多的人的关注。 本论文的主要目的是把无源吸收技术引用到正激型变换器中来，以此来提高 其功率密度、降低成本、改善效率。论文首先对开关电源电路拓扑的分类、各自 的特点和应用范围进行了介绍；对当前国内外电力电子界热衷的各种软开关技术 也进行了探讨，指出了目前软开关技术存在的不足；接着分析了正激型变换器的 各种不同磁复位方法的基本工作原理，指出了各自的优、缺点，此外，对在正激 型变换器中应用较普遍的同步整流技术也进行了介绍。论文第三章详细分析和总 结了无源吸收技术的工作原理、典型电路和无源吸收网络的构成规律等，并对无 源吸收和有源吸收技术进行了分析比较。论文第四章对无源单端正激型变换器的 两种工作方式进行了详细的分析，然后进行了仿真验证。论文第五章针对单端j f 激型变换器在主功率开关管关断期间不能传送能量、输出功率小的缺点，提出了 一种采用倍流整流的无源正激型变换器。该变换器能工作在正激和反激两种工作 状态，输出功率增大，能可靠实现变压器的磁复位，还能实现软开关，效率高。 它的另一个重要特点是电路结构简单、成本低廉，不包含有损元件，因而具有一 定的理论意义和实用价值。 关键词：正激变换器，磁复位，无源吸收，软开关，倍流整流 重庆大学硕士学位论文 英文摘婴 a b s t r a c t f o r w a r dc o n v e r t e rh a sb e e l lw i d e l yu s e df o rl o w - t o - m e d i u mp o w e rc o n v e r s i o n a p p l i c a t i o n sd u e t oi t st o p o l o g ys i m p l i c i t y , l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l b u to n ei n h e r e n t l i m i t a t i o no ff o r w a r dc o n v e n e ri st h a tt r a n s f o r m e rm u s tb er e s e td u r i n gt h ep o w e r t r a n s i s t o ro f f p e r i o d ，o rl e a dt ot r a n s f o r m e r c o r es a t u r a t e d i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c h e s a b o u t m a g n e t i cr e s e tt e c h n i q u e a r ev e r y m a n y , a n d s e v e r a lm a g n e t i cr e s e tm e t h o d sh a v e b e e nd e v e l o p e di no r d e rt oo v e r c o m et h i si n h e r e n tl i m i m t i o n t h e s em e t h o d si n c l u d e t e r t i a r y r e s e t w i n d i n g ，r c dc l a m p ，r e s o n a n tr e s e t ，a c t i v ec l a m pr e s e t ，a n d s o o n h o w e r , t h e s es o l u t i o n sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s w h i c hb l o c k c o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o n so f f o r w a r d c o n v e g e r f o rp w m c o n v e r t e r s ，s n u b b e rt e c h n o l o g yc a nb eb r o a d l y c l a s s i f i e di n t ot w o g r o u p s ：p a s s i v es n u b b e ra n d a c t i v es n u b b e r p a s s i v es n u b b e rc a na c h i e v em a n y f u n c t i o n sw h i c ha c t i v es n u b b e ra c h i e v e s f o re x a m p l e ，i tc a nr e d u c es w i t c h i n gl o s s e s ， a n da c h i e v ez e r o - c u r r e n tt u r no na n d z e r o v o l t a g et u r no f f , a n d r e d u c ev o l t a g es t r e s sa n d c u r r e n ts t r e s sa c r o s sp o w e rt r a n s i s t o r s ，a n dw e a k e ne m in o i s e s ，a n ds oo n m o r e o v e r p a s s i v e s n u b b e ra l s oh a v em a n ya d v a n t a g e sw h i c ha c t i v es n u b b e rd o e sn o ta c h i e v e f o r i n s t a n c e ，t h e i rt o p o l o g i e s a r e s i m p l e ，a n dt h e y d on o tr e q u i r ea ne x t r as w i t c ho r a d d i t i o n a lc o n t r o l c i r c u i t r y c o n s e q u e n t l y , t h e y a r el e s s e x p e n s i v e ，h a v eh i g h e r r e l i a b i l i t y , a n dc a n a c h i e v e h i g h e rp e r f o r m a n c e p r i c e r a t i o st h a na c t i v em e t h o d s p a s s i v e s n u b b e ri sak i n do fs t r o n g l ya t t r a c t i v et e c h n o l o g y , a n dh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r e p e o p l e sa t t e n t i o n t h em a i n o b j e c t i v eo f t h i 5p a p e r i st oa p p l yp a s s i v es n u b b e rt of o r w a r dc o n v e r t e ( s ， a n dt oe n h a n c e p o w e r d e n s i t y , r e d u c e c o s t sa n d i m p r o v ee f f i c i e n c y f i r s t l y , c l a s s i f i c a t i o n ，r e s p e c t i v e f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n sa r e a so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t o p o l o g i e sa r ci n t r o d u c e d v a r i o u ss o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g i e sw h i c hd o m e s t i ca n d o v e r s e a sp o w e re t e c t m n i cf i e l d sa r ef o n do f a r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h e i rm a n y d r a w b a c k sa r ep o i n t e do u t 。s u b s e q u e n t l y , t h eb a s i co p e r a t i n gp r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s o fv a r i o u s m a g n e t i c r e s e t t e c h n i q u e s a r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r , s y n c h r o n o u s r e c t i f i e rt e c h n o l o g yw h i c hf o r w a r dc o n v e r t e r sw i d e l ye m p l o y i si n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc l a s s i c a lc i r c u i t so fp a s s i v es n u b b e rt e c h n o l o g y a r e i n t r o d u c e d ，a n dp r i n c i p l e sa n dr u l e so fc o m p o s i t i o no fp a s s i v es n u b b e rn e t w o r k sa r e a n a l y z e da n dg e n e r a l i z e d ，a n dp a s s i v es n u b b e ri sc o m p a r e d w i t ha c t i v es n u b b e nt w o i l 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 o p e r a t i n gm o d e so fs i n g l e e n d e df o r w a r dc o n v e r t e rw i t hp a s s i v es n u b b e ra r ea n a l y z e d i nd e t a i l si nc h a p t e r 4 ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nt ov e r i f yt h ea n a l y s i sr e s u l t s i nc h a p t e r5 ，t oo v e r c o m et h ed r a w b a c k st h a tf o r w a r dc o n v e r t e rc a nn o tt r a n s f e re n e r g y d u r i n gt h ep o w e r t r a n s i s t o ro f f p e r i o da n do u t p u tp o w e r i ss m a l l ，an e w p a s s i v ef o r w a r d c o n v e r t e rw i t hc u r r e n t d o u b l e rr e c t i f i e ri sp u tf o r w a r d t h ec o n v e r t e rc a n o p e r a t eu n d e r t w os t a t e si n c l u d i n gf o r w a r dm o d ea n d f l y b a c km o d e ，s oo u t p u tp o w e rr a i s e s m o r e o v e r , t h ec o n v e r t e rc a nr e s e tt r a n s f o r m e re x c i t a t i o nf l u xr e l i a b l y , a n da c h i e v es o f ts w i t c h i n g ， a n de f f i c i e n c yi sh i g h a n o t h e ri m p o r t a n tf e a t u r ei si t st o p o l o g ys i m p l i c i t ya n dl o w c o s t ， a n dd o e sn o ti n c l u d el o s s yc o m p o n e n t s ，s oi th a sd e f i n i t e m e a n i n go ft h e o r y a n d p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：f o r w a r dc o n v e r t e r , m a g n e t i cr e s e t ，p a s s i v es n u b b e r , s o f ts w i t c h i n g ， c u r r e n t - d o u b l e rr e c t i f i e r i l l 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 开关电源电路拓扑的分类及其特点 开关电源主电路拓扑种类繁多，根据电路是否具备电能回馈能力、输出端与 输入端是否电气隔离阻及电路的结构形式等三个原则，可以按图1 1 分类【1 1 。 开关电 ff 降压型 k 一鋈型 ll s e p i c 型_ 非同馈d 【z e l a 型 lf 正激型 il 反激型 l 隔离型j 生柝型 i l o o 篓 回馈型 非隔离型 言曩簧篓 隔离型 图1 1 开关电源电路拓扑的分类 f i g 1 it o p o l o g yc a t e g o r i e so f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 各种不同的电路有各自不同的特点和应用场合。总的说来，非回馈型电路比 回馈型电路结构简单、成本低，而绝大多数应用不需要开关电源具备回馈能力， 因此非回馈型电路应用远比回馈型电路广泛。非隔离型电路比隔离型电路结构简 单、成本低，但多数应用需要丌关电源的输出端与输入端隔离，或需要多路相互 隔离的输出，所以隔离型电路的应用较广泛。表1 一i 是各种隔离型电路拓扑的相 互比较。 根据各种电路拓扑的特点以及实际使用经验，一般来说，小功率电源( 1 1 0 0 w ) 宜采用电路简单、成本低的反激型电路；要求电源功率在l o o w 以上且工 作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路； 对于功率大于5 0 0 w ，工作条件较好的电源，则采用半桥型或全桥型电路较为合 理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥型电路；如果功率很大，则应采用全 桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。 重庆大学硕士学位论文 绪论 另外，在主电路中是否采用软开关技术也是个颇费斟酌的问题。事实上， 在众多的软开关电路中，具有实际应用价值的并不多，目前较为成熟的是零电压 和零电流准谐振电路、移相全桥型零电压开关p w m 电路和零电压、零电流转换 p w m 控制电路等。现阶段，在些情况下采用硬开关电路仍然是合理的选择， 而对效率、体积和重量的要求非常高时，应根据实际情况，采用相应的软开关电 路。 表1 1 各种隔离型变换器的比较 t a b l e l 1c o m p a r i s o no f v a r i o u si s o l a t e dc o n v e r t e r s 电路优点缺点功率范围应用领域 电路较简单，成本变压器单向励磁。利用几百瓦各种，# 小功率 正激型低，可靠性高，驱率低，开关管电压应力几千瓦开关电源 动电路简单高 电路= 作常简单，成难以达到较大功率，变几瓦几小功率和消费 反激型本很低，可靠性高，压器单向励磁，利丹率十瓦电子设备、计算 驱动电路简单低，开关管电压应力高机设备用开关 电源 变压器双向励磁，有直通问题，可靠性低，几百瓦各种工业墙开 、 桥型无变压器偏磁问需要复杂的隔离驱动电几千瓦关电源、计算机 题，开关较少，成 路设备用开关电 本低 源 变压器双向励磁，结构复杂，成本高，可大功牢t 业用 全桥型容易达到大功率靠性低，需要复杂的多几百瓦 开关电源、焊接 组隔离驱动电路，有直几百千瓦 电源、电解电源 通和偏磁问题 m 变压器双向励磁，有偏磁问题，开关管电几百瓦 低输入电压的 推挽型通态损耗较小，开压应力高 几千瓦 开关电源 关较少，驱动简单 需要说明的是，以上所说的各种隔离型电路拓扑的特点、输出功率和应用范 围等都不是绝对的。因为电源的拓扑不仅多样，而且还有许多变种，例如正激型 包括单管正激和双管正激等。同是半桥有p w m 、p f m 等，而p f m 又有多种工作 模式，再如全桥有硬开关型、有串联谐振串联负载、有串联谐振并联负载、有移 相、有不对称p w m 方式等等。所以具体选用哪种拓扑一定要考虑周全，包括可 靠性、成本、效率、安规、电磁兼容等多方面因素都要综合考虑到，应深入分析 里丛查堂堕主翌垡堡苎 ! 笪丝 待设计的电源的技术指标，要最适合电源参数的要求。 1 2 开关电源的发展趋势 近年来，随着新的半导体元器件、新的磁性材料、新的变换技术、新的控制 理论以及新的软件的不断出现。开关电源得到了飞速的发展。在重量、体积、用 铜用铁及毹耗等方面，开关电源与线性电源相比都有显著减小，已经在许多领域 如邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、工业设备、家用设备中得到了广 泛应用，产生了非常可观的经济效益和社会效益。当前，电源正在向以下“四化” 的方向发展：应用技术的高频化；硬件结构的模块化( 集成化) ：控制方法的数字 化；产品性能的绿色化。未来的电源将具有更高的功率密度、更高的效率、更高 的功率因数等【2 j 。 1 2 1 高频化 理论分析和实践经验表明，电气产品的体积和重量随其供电频率的平方根成 反比地减小，所以当我们把频率从工频5 0 赫兹提高到几千几兆赫兹的话，用电设 备的体积重量将大幅度地下降。同时，由于各种超大规模集成电路技术的发展， 再加上电源设各的小型化，使得整机产品体积更小，使用更方便，生产成本更低。 1 2 2 模块化( 集成化) 早期的开关电源都是由开关器件、二极管、电容、电感等分离元件组成的。 对于这种结构的电源，各种寄生电感、寄生电容以及电磁干扰对电源的输出性能、 工作可靠性等影响很大。为了提高系统的可靠性，一些生产厂商陆续开发出了智 能功率模块( i p m ) 和“用户专用”功率模块( a s p m ) 智能功率模块是将开关器 件的驱动电路以及各种过压、过流、过热和欠压保护电路都封装在里面。这样缩 小了整机的体积，方便了整机的设计与制造。a s p m 是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，使元器件间不再有传统的引线连接，再经过 严格的热、电、机械方面的设计，达到优化完善的境地。它类似于微处理器芯片。 电源的集成化可以带来诸多好处，譬如电源体积小型化、简化了设计与制造、 降低了生产成本以及提高了电路的可靠性等等。因此，电源的集成化将是未来电 源技术的重点发展方向。t 9 9 7 年前后美国政府、军方及电力电子技术领域一些著 名学者共同提出了电力电子积木( p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb t o c k p e b b ) 的 概念，明确了集成化未来的发展方向，并将电力电子集成技术的研究推向高潮。 我国的国家自然科学基金委员会也已经在2 0 0 3 年初批准了由浙江大学、西安交大 等单位承担的“电力电子系统集成的理论与关键技术研究”重点项目，标志着我 国电力电子集成技术研究的正式启动p 1 1 4 1 。 1 2 3 数字化 重庆大学硕士学位论文 绪论 在传统开关电源技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。随着数字 信号处理技术日臻完善和成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理和控制， 避免模拟信号的传递畸变失真，减少杂散信号的干扰，抗干扰能力强，便于软件 调试和遥感、遥测，也便于自诊断、容错等技术的应用。 1 2 4 绿色化 许多开关电源设备会对电网产生以下污染：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。所以 必须对此加以治理。近年来各种有源滤波技术和功率因数校正技术的不断发展， 为2 l 世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 1 3 软开关技术发展概况 1 3 1 硬开关和软开关 在开关电源出现以前，线性稳压电源已经应用了很长一段时间，这类电源的 优点是输出电压的精度和纹波能满足很高的要求。但它有两个严重的缺点：一是 调整管工作在线性放大状态，损耗很大，使得整个电源效率很低；二是需要一个 工频变压器，使得电源体积大、重量重。这些显然不能满足各类用电设备对电源 的要求。开关电源正是为了克服线性稳压电源的缺点而出现的。随着各种新器件、 新工艺、新技术、新理论等的不断出现，开关电源技术发生了巨大的变化，逐渐 向着高功率密度、高可靠性、高效率、低噪声、低谐波干扰方向发展。目前，除 了对童流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全匿取代了线性稳 压电源，另外，由于i g b t 、i g c t 等新的大功率器件的出现，使得开关电源的功率 可以做得很大，在中大功率应用场合逐渐取代了相控电源，例如通信基础电源、 电力操作用直流电源、电焊机、电镀装置用电源等都逐渐采用了开关电源。所以 开关电源是目前直流电源中最主流的产品，代表着稳压电源的发展方向。 众所周知，开关频率的提高可以使电源体积减小，重量减轻，功率密度增加， 但是，随着开关频率的增加，会产生一系列新的问题【5 j ： 1 ) 器件的开关损耗以及各类附加损耗随着频率的提高而大大增加，限制了开 关频率的进一步提高。 2 ) 感性关断和容性开通造成了很高的d v d t 和d i d t ，会产生严重的电磁干扰 ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，简称e m l ) 。 3 ) 二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，在此期间内，二檄管仍处于导 通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬时短路，产生很 大的冲击电流。 4 ) 器件的应力较大，要求在丌关过程中有较大的安全工作区。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 为了解决这些问题，在2 0 世纪7 0 年代出现了采用准谐振技术的零电压丌关 电路和零电流开关电路，这种技术就是软开关技术。软开关技术是相对于“硬开 关”而言的，下面具体介绍一下硬开关和软丌关： 在很多电路中，由于功率开关器件不是理想器件，在丌通时开关管的电压不 是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电 流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区；同理，在关 断时也有一个交叠区，如图1 2 所示。根据开关两端的电压和开关中流过的电流 可以计算开关器件消耗的瞬时功率为： p o ) = 甜s 0 ) ( f ) ( i 1 ) 开关器件处入通态或断态时，消耗的功率很小，在开关状态转换的过程中， 。 和k 都很大，消耗的瞬时功率比通态或断态时大成百上千倍。通常每个开关器件 在一个开关周期中通断各一次，与开关周期相比，开关过程持续的时间很短，因 此开关过程中产生的平均损耗功率通常是通态损耗功率的几分之到数十倍，具 体的数值要视开关频率、开关器件类型、电路类型、驱动特性、电路参数等而定。 另外，在开关过程中，不仅存在开关损耗，而且电压和电流的变化很快，波形出 现了明显的过冲和振荡，导致了开关噪声的产生。 以上所描述的开关过程被称为“硬开关”。在硬开关过程中，会产生较大的 开关损耗和开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降， 发热量增大，温升提高，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来严重的电 磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。 通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换相 网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关器件开通前电压先降为零，或关断 前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率， 虹，率e ( a ) 硬开关开通过程 ( f 1 ) t u r n * o np r o c e s so f h a r ds w i t c h i n g 伯1 硬开关关断过程 ( b ) t u r n - o f f p r o c e s s o f s o f ts w i t c h i n g 图1 2 硬开关电路的开关过程 f i g 1 2s w i t c h i n gp r o c e s s o f h a r ds w i t c h i n g c i r c u i t 重庆大学硕士学位论文 绪沦 i 卜i r-：，2 毫e ii p - - - 一i ii kt ( a ) 软开关开通过程 ( a ) t u r n o np r o c e s so f s o f ts w i t c h i n g p | 卜+ ， ( b ) 软开关关断过程 ( b ) t u m o f f p r o c e s so f s o f ts w i t c h i n g 图1 3软开关电路的开关过程 f i g 1 ，3s w i t c h i n gp r o c e s so f s o f ts w i t c h i n gc i r c u i t 从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的开关过程就是“软开关”， 典型的开关过程如图1 3 所示。 1 3 ，2 软开关技术的分类和特点 软开关技术自问世以来，出现了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开 关电路，主要有以下几类： 1 ) 准谐振变换器，包括z v s 。q r c ( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n gq u a s i r e s o n a n t c o n v e r t e r ) 和z c s q r c ( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gq u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 。准 谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波。谐振的引入使得电路的开关损耗和开 关噪声都大大下降，但也带来一些负面问题：谐振电压峰值很高，要求器件耐压 必须提高：谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电 路导通损耗加大；当负载和输入电压在大范围内变化时，为了使输出电压保持稳 定，开关频率必须大范围的变化，因此只能采用脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，简称p f m ) 方式来控制，而变压器和电感等磁性元件要最低频率设 计，难以实现设计最优化。 2 ) 多谐振变换器( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r ， z v s m r c ) ，它把包括晶体管的输出电容、二极管的结电容和变压器的漏感在内 的所有主要寄生元件并入谐振电路，使m r c 工作于高频时，对所有半导体器件 都能具有最合适的零电压开关条件。其主要缺点是：与p w m 变换器相比电流和 电压应力增加，但与q r c 相比应力小；也需要采用p f m 工作模式，控制复杂， 变压器、输出滤波器设计困难。 3 ) z v s p w m 和z c s p w m 变换技术，它们是p w m 技术与z v s ( 或z c s ) q r c 技术的综合。z v s p w m 变换器和z c s p w m 变换器分别是在z v s q r c 和 z c s q r c 的谐振网络中增加辅助晶体管开关，其特点是一周期内变换器交替运行 于q r c 和p w m 两种变换器模式，实现“零开关一恒频控制”的零开关一p w m 6 重庆大学硕士学位论文绪论 变换器。这类变换器的谐振电感串联在主电路内，因此零开关条件与输入电压 负载电流的变化范围有关，在轻载下有可能失去零开关条件，从而限制了软丌关 工作范围；另外，电路中存在着很大的环流能量，不可避免地增加了电路的导通 损耗。 4 ) 零电压转换( z e r o v o l t a g e t r a n s i t i o n ，z v t ) 和零电流转换 ( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o n ，z c t ) p w m 变换器，是分别在z v s p w m 和z c s p w m 变换器的基础上，使谐振网络与主开关管并联而形成的。与z v s p w m 和 z c s p w m 变换器相比，z v t - p w m 和z c t - p w m 变换器能在更宽的电源电压和 负载电流变化范围内满足零开关条件，而且电路中的环流能量被自动地保持在较 小的数值。但是，这种变换器所需要的元器件数量成倍增加，大大增加了成本和 控制难度，而且辅助开关的电流应力大。 1 3 3 一般软开关技术的不足 应用各丰巾软开关技术可以减少开关损耗，提高效率，能有效解决容性开通、 感性关断以及二极管的反向恢复问题，同时也能解决由硬开关引起的e m i 问题， 为电力电子技术高频化的发展拓宽道路。软开关技术由于它所具有的优越性能， 因而成为电力电子技术领域中最活跃的研究方向之一。但是，软开关技术也存在 一些不足之处： 1 ) 开关期间工作的占空比调节范围减小； 2 ) 由于需要辅助的换相电路，增加了装置的成本和控制难度： 3 ) 由于软开关的转换过程一般是利用分布电感及电容产生谐振来进行的，而 分布参量随着工艺水平的不同而变化甚大。这使得电路的稳定性受到影响，因此， 目前软开关还只是集中应用在较小功率的电源中； 4 】由于负载变化时，需调整功率器件的工作时序，及时发出控制指令，在高 频条件下，如何实时检测负载变化，在短时间内完成时序及其它控制策略的计算 是个需要解决的问题，采用数字信号处理器( d s p ) 控制将是软开关技术的发展 趋势。 1 4 正激型变换器的研究现状 正激型变换器由于具有电路结构简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单等 特点，在中小功率场合得到了广泛的应用；但由于其有变压器单向励磁，利用率 低，开关管电压应力高等缺点，限制了其在更高功率场合中的应用。随着各种软 开关技术比如有源箝位软开关技术、定频谐振软开关技术等在单管正激型变换器 中的成功应用，解决了一般正激型变换器变压器利用率低、高频损耗大的缺点， 使得正激型变换器的应用场合更加广阔，尤其在需要低电压大电流输出的各种微 重庆人学硕士学位论文 绪论 处理器、i c 芯片和数字信号处理器中，正激型变换器被认为是最合适的拓扑之一， 再加上同步整流技术，效率变得更高，可达9 5 以上，因而具有更强的竞争力。 但是这些技术也存在着很多问题，比如r c d 箝位技术效率低，谐振复位技术结 构复杂，同步整流管的驱动困难，而有源箝位技术虽然能实现主开关管和辅助开 关管的软开关，但是在轻载时软开关条件很容易丢失，而且整个电路的控制、驱 动复杂，成本显著增加，等等。 双管正激型软开关变换器技术也得到了迅速的发展。各种并串联、串并联、 并并联 6 i 和三电平等软开关双管正激型变换器相继出现，使得在中大功率应用场 合，具有与移相全桥变换器相同的性能，而且可靠性比移相全桥更高。 1 5 无源吸收的意义 随着市场对电源体积和重量越来越苛刻的要求，软开关技术在电源中的应用 将越来越广泛，从发展的角度看，软开关是未来电源技术的主流。 前面已经提到，目前，在众多的软开关电路中，具有实际应用价值的并不多， 目前较为成熟的只有很少的几种，而且采用这些软开关电路大都需要复杂的驱动、 控制电路，成本显著上升；对功率器件、变压器等的参数要求较高，需要较先进 的工艺制造水平。而采用无源无损( 或低损) 吸收技术不断能够减少开关损耗、 减小开关应力、削弱e m i 的影响等，能达到与一般软开关技术一样的效果，而且 采用这种技术的变换器结构简单、成本低廉、可靠性高，对器件、工艺的要求很 低，因而具有很高的性价比，是一种极具吸引力的技术，得到了越来越多的人的 关注。 对用户来讲，电源除了要有高品质之外，同样看重的就是它的价格问题。无 源吸收技术具有比一般软开关技术更高的性价比。随着无源吸收技术的不断发展 和完善，采用无源吸收技术的电源将越来越多，市场将越来越广阔。 1 6 论文的主要工作 正激变换器由于电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单等在中小功 率场合得到了广泛的应用，但由于它有变压器单向励磁，利用率低，开关管电压 应力高等缺点，在一些应用场合受到了限制。随着有源箝位技术应用到正激变换 器中来，解决了变压器利用率低，效率低的缺点，而且采用同步整流技术可进一 步提高效率，因而在要求低电压大电流输出的场合得到了广泛的应用。但是采用 有源箝位的正激型软开关变换器也有不少缺点：一是需要辅助开关和复杂的驱动 和控制电路，成本显著增加，二是软开关条件不容易满足，虽然可以通过给铁芯 丌气隙，减小激磁电感或串联一个饱和电感来解决，但同时增加了通态损耗和变 重庆大学硕士学位论文绪论 压器铁耗，而且设计更复杂，成本更高。针对这些问题，本文把无源吸收技术应 用到j f 激型变换器中来，以达到既简化电路结构、降低控制和驱动的复杂性又能 改善效率、增加功率密度、提高工作可靠性的目的，具体傲了如下一些工作： 1 ) 分析了目前各种正激变换器的工作原理，分别指出了各自的优、缺点。 2 ) 阐述了无源吸收电路的工作原理、特点及分类，分析了无源无损吸收网络 的基本构成原理、主要规律等。 3 ) 详细分析了采用无源无损吸收网络的单端正激变换器的两种工作方式，给 出了关键参数设计准则，指明了各自的优缺点，对工作过程进行了仿真验证。 4 ) 提出了一种采用倍流整流的无源无损吸收正激型变换器，该变换器在一周 期内能工作在正激和反激两种工作状态，输出功率增大，能可靠实现变压器的磁 复位，还能实现软开关，效率高，而且它的电路结构简单、控制和驱动方便、成 本低廉，开关管电压应力小，不包含有损元件等。文中详细分析了该变换器的稳 态工作过程，给出了关键参数设计准则，最后对工作过程进行了仿真验证。 9 重庆大学硕士学位论文2 止激型变换器 2 正激型变换器 2 1 引言 正激型变换器由于具有电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、电压升降范围宽、 易于多路输出等特点，因而广泛应用于中小功率电源变换场合【。7 】 8 j 。随着大规模集 成电路技术的迅速发展，各种微处理器、i c 芯片和数字信号处理器等的尺寸越来 越小，工作频率越来越高。为了满足更快和更有效地进行数据处理等工作的需求， 它们对工作电压要求越来越低，已经从5 v 下降到3 3 v ，以后将逐渐降到1 1 1 8 v ， 甚至更低；同时，为了使工作更可靠、更高效，功能更强大，它们对供电电流的 要求越来越大。而正激式变换器被认为是最适合低电压、大电流输出的变换器拓 扑之一。因此，正激型变换器的应用将会越来越广泛。 但是，正激变换器存在一个固有的缺陷，就是变压器必须磁复位，否则变压 器的磁通将不断增加，最后导致磁芯饱和。磁复位的基本要求是变压器原边绕组 在激磁和去磁过程中所加的电压伏一秒面积相等，极性相反。近年来，关于正激 变换器磁复位技术的研究很多，出现了多种磁复位方法，主要有复位绕组法、r c d 箝位法、谐振复位法以及有源箝位法等1 6 】【”。 2 2 正激变换器的磁复位方法 为了防止变压器磁饱和，正激变换器必须在其功率开关管关断期间使变压器 磁复位，因而需要专门的磁复位电路，这是与其它变换器不同的地方。 2 2 1 复位绕组法 正激变换器的原理电路图如图2 1 所示，它实际上是在b u c k 变换器中插入隔 离变压器而成，与反激变换器相比，正激变换器的变压器增加了一个复位绕组n 3 ， 并在该复位绕组回路中增加了一个复位二极管d 3 ，副边增加了输出滤波电感l o 和 + v o 图2 1 带复位绕组的正激变换器 f i g 2 1 f o r w a r dc o n v e r t e rw i t ht e r t i a r yr e s e tw i n d i n g 0 重庆人学硕士学位论文2 正激型变换器 续流二极管d 2 。 在工作原理上，正激变换器与反激变换器有着本质的区别，其变压器不再起 电感作用，而是一个完全意义上的变压器，只起输入输出隔离和电压变换的作用， 只储存变压器激磁所需的少量能量。当开关管s 开通时，变换器通过副边整流二 极管d i 向负载提供能量，当s 关断时，变换器副边由输出滤波电感l o 的储能通过 续流二极管d 2 向负载提供能量，原边通过复位绕组n 3 和复位二极管d 3 对变压器 磁芯进行磁复位，将变压器激磁时储存的能量回馈到变换器输入端。 图2 1 所示的方法是最早采用的复位方法。复位时，激磁电流流过复位绕组和 复位二极管，将激磁电感中储存的能量回馈到输入电源端。采用这种方法时，开 关的电压应力为： v s = ( 1 + 生) v i ( 2 ，1 ) 如 式中，v s 为开关电压应力，v i 为输入电压，忱和m 分别为变压器原边绕组和 复位绕组的匝数。 在实际应用中为了降低开关管的电压应力，提高变换器工作占空比，一般使 复位绕组的匝数与原边匝数相等，即= g ，这样开关管的电压应力为两倍的输 入电压。这种磁复位方法简单，但是变压器的结构和设计比较复杂，成本和体积 增加，而且还有以下缺点：( 1 ) 开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰 需要r c 缓冲电路来抑制；( 2 ) 开关管承受的峰值电压与输入电压成正比，当输入 电压范围较宽时，必须采用高耐压开关管，而高耐压开关管的导通电阻较大，从 而导致较大的导通损耗。 2 2 2r c d 箝位技术 在成本要求严格，而对变换效率要求不高的应用场合，一般采用r c d 筘位技 术，如图2 2 所示。在该变换器中变压器只有两个绕组，不需要复位绕组，但是增 加了箝位二极管d c 、箝位电容c c 和箝位电阻r c 。 v 图2 2 采用r c d 筘位的正激变换器 f i g 2 2 t h er c d c l a m p e d f o r w a r dc o n v e r t e r + v o 重庆人学硕士学位论文 2 正激型变换器 变换器磁复位的原理为：箝位电容的容量相对较大，相当于一个电压源，当 ，l ：关电压高于输入电压和箝位电容电压之和时，筘位二极管导通，将开关电压箝 位在输入电压与箝位电容电压之和，箝位电容电压作为负电压加在变压器原边， 复位变压器的磁芯。采用r c d 箝位的正激变换器的筘位电容电压( 即变压器的复 位电压) 和开关电压应力分别如式( 2 。2 ) 和( 2 3 ) 所示： w c c - - d v 2 _ t ：型鱼 ( 2 2 ) l 一上)l d _ _ r ， v s = v i + v c c = 二塑( 2 3 ) d o d 、 式中，v c c 为箝位电容电压，d 为变换器的工作占空比，h 为变压器变比，v 。 为输出电压，v s 为开关管电压应力。 r c d 箝位法与复位绕组法相比，具有以下优点：( 1 ) 磁复位电路结构简单， 为一简单的无源网络：( 2 ) 功率开关管承受的电压较低：( 3 ) 主开关的结电容使 变换器双向激磁，但是结电容般很小，因此反向激磁也很小；( 4 ) 占空比可大 于0 5 ，适用于宽输入电压场合。它的缺点是：大部分磁化能量消耗在箝位电阻中， 效率低，因此，采用r c d 箝位的正激变换器主要用于价廉、效率要求不高的场合。 2 ，2 3 有源箝位技术 如图2 3 所示的是采用有源箝位技术的两种不同连接方法的正激变换器，它们 都能够减小开关管的电流应力和通态损耗。有源箱位网络由原边筘位开关s c ( 其 上并联有反并二极管d e