（电力电子与电力传动专业论文）电压源型分布式辅助电源的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t i 曩c t t 1 l i s 血e s i ss t i l d i e sa 肫q u e n c y v a r i a t i o nc o n l l e da cb u sd i s m b u t e dp ，e r s u p p l y b ys u m m a r i z i f l g 也ee x i s 血gt e c h n i q u e s ，s o r n ec o n l n l o nu s e dt o p o l o 西e s 眦 i n 雠d d u c e d ；t l l es t i l d yb a c k g r o l n l do fd i s 砸b u “通a 1 1 ) 【i l i a r yp o w e rs u p p l yi s 够w e l l d i s c u s s e d 【 u et o 1 eh i g l lr e l i a b i l i 吼h i 曲s 诅b i l i 锣粕dl o we m ic r i t 积o n si na u x i l i a r y 州e rs u p p l ys y 蹴m s ，m eh a l g 硪d g eu ，cr e s o n a n tc o n v e r t e ri ss e l e c t c df o rt l l e f 而n t - e r l dc o n v e r t e r ，t h ea cb u s 删t e c t 眦弓a n df u 1 1 、a v er e c t i f i e r8 r e 硒、v e nu l i l i z e d t h et i l m s - r a t i ob e t w e e nt h ca cb u sa 1 1 dl o a dc o n v e f t e ri s1 ：1 t h ee 任b c to fb e a d s w h j c ha r eu s e di 1 1t l l el o a dc o n v e n e r st ot 1 1 er e s o n 锄tc i r c u i ti sa 1 1 a l y z e d t l l i st h e s i sl l s e st l l es i i l i l s o i d a l s t e a d y s t a t ea n a l y t i c a lm e t i l o dt oa 1 1 a l y z ct h e w h o l e s y s t e m t h e s i n u s o i d a l s t e a d y s t a t ea n a l ”i c a l m e t | l o dd i s c o v e r st h e a t i o n s b j pb e 研e e ns o m er e s o n a tp a r a f n e t e r sa i l ds y s t e md cg a i na n dp r o v i d e st h e m n 幽瑚锄t a lf o rm er e s o n a f i tp a r 锄曲盯s e l e c t i o n t h ea p p r o x i m a t ee 坤r e s s i o no f p a r a s m ci n d u c t a n c eo ff l a t 】i n e 跚dm i s t e dp a i r l b ei sp r o p o s e da n e rt h es t i l d yo f p 硪塔i t i ci n d u c t a n c ei nt h ea c b u s 1 1 1 i sg l l i d e st h es e l e c t i 锄o ft h ea cb u s f sl e n g t l l ， 啪p ea n do l h e r p m p e n j e s 。 t h e o 耐i c a la n a l y s i si sv e r i f i e db yc o m p a 血gd i 毹r e mw a v ef o n n so fp r o t o 啦 砸t l2 2o u i p u t so f l5 vo ，3 al l l l d e rd i 虢r e n tc i r c 啪s t a i l c e s b 髂e do nt h ep m t o t y p e ，s o m ea d v i c eo nt l l es y s t e m sg e n e r a l 】ya 1 1 df l e x i b i l i 【) ，i s p r o p o s e d k e y w o r d ：d p s ，l l cr e s o n a i l tc o n v e n e r ，a cb u s 】儿 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 很多用电设备不能由电网直接供电，而需要电力电子装置将电能形式进行变 换。相对于电力系统，这种电力电子装置通常称为电源系统。 大功率或中功率电源系统，比如通信电源、a 电源等自身的控制电路、 驱动电路或电源系统的监控电路往往需要独立于主功率回路的辅助电源对其供 电。辅助电源的输出功率虽然不大，但它是一个电源系统中非常重要的部分，将 影响到整个电源系统的性能。高稳定、高可靠、良好的高频隔离、低e m i 是对 辅助电源最基本的要求。 此外，开关电源正向着轻、小、薄的方向发展。辅助电源作为中大功率的一 个辅助部分，在满足上述条件之外，还应选择设计简单、轻巧和经济的设计方案。 在电源系统中，控制、驱动电路往往需要不同的电压等级进行供电，而同一 电压等级也需要多个辅助供电电源。为了满足这种辅助供电的需求，通常将输入 的电网电压直接变换成负载所需要的供电电压，或者通过增加变换器的辅助绕组 来增加输出的路数，再用较长的连线将转换好的电压连接到负载上。这种供电方 式叫做集中式供电( 3 1 】，如图1 1 所示。 这种方法虽然设计简单，供电独立，但成本、体积、重量都会加大，采用多 路输出结构可以大大克服这一缺点。 交流输入线 二 电网滤波器 二二 ： 塞型皇塑i j 盏 图1 1 集中式电源结构示意图 浙江大学硕士学位论文 近年来，分布式的多路输出结构有了飞速的发展并且在一些通信电源系统中 已经有了较为成熟的应用。所谓分布式的电源系统是指将输入的电网电压变换成 某一中间电压作为母线( 在通信电源的应用中，这一电压是指4 8 v 直流电压) ， 再在需要的地方用一批直流直流( d c 仍c ) 或整流( a c 仍c ) 变换器，将其变 换成系统所需要的电压 3 l 】，如图1 2 所示。这可以大大的减小重量和体积，提 高可靠性，还可以在电网和负载之间形成良好的隔离，也可以更好的控制达到各 附载板上电源的质量。分布式电源系统的冗余性、扩展性、灵活性也大大加强。 1 2 当前技术状况 豳1 2 分布式电源结构示意图1 3 1 i 1 2 1 辅助电源的几种主要拓扑结构4 2 】 电源系统中的辅助电源分为两大类，独立型和非独立型的辅助电源。 非独立型的辅助电源是指由主变换器高频变压器输出的一部分，构成的辅助 电源，主要用于中小功率系统，有利于减小整个电源的体积，实现小型化、节约 成本。非独立型辅助电源的特点是辅助电源与主变换器两者的工作状态互相制 约，如果辅助电源不给控制电路供电，主变换器将不工作，辅助电路也随之关闭， 这种类型的辅助电源的需要在电路中增加一些启动电路，在启动之初给控制电路 提供能量，然后过渡到正常的工作状态。 独立型的辅助电源是指辅助电源独立于主功率回路，主要用于中大功率的电 源系统。它的特点是，当主电路不工作时，辅助电源也要正常供电，为整个电源 浙江大学硕士学位论文 系统提供稳定可靠的电能。独立型的辅助电源主要有以下几种结构： 传统的线性电源。它是用普通的工频变压器降压后，又经过四只二极管全波 整流，经过两个电容的平滑滤波后加到三端稳压的输入端，见图1 3 。这种设计 中，工频变压器的体积往往选得足够大，以满足各种安全规范中对绝缘和漏电的 要求。它简单、可靠、方便，具有低频隔离特性，在变压器不会影响到整个电源 系统的尺寸和造价的大功率电源系统中，这种辅助电源是一个不错的选择。由于 使用了线性电源，这种方案容易实现高精度电压输出，并且没有开关纹波。但是 使用工频变压器会增大辅助电源体积和重量并且高频隔离性能差，组间电容很 大。另外，线性电压调整器( l i c 盯r e g i l l a t o r ) 如u m 7 8 0 5 的通态压降要达到一 定的值( 如2 v ) 才能工作，这将造成很大损耗。因此，传统线性电源的辅助电 源，通常应用在小功率、辅助电源电压精度和纹波要求较高的场合。 n 亚靡奸 肾匾疰 图1 3 传统线性电源 一种不用工频变压器的简易辅助电源，即电容隔离型辅助电源。电路结构见 图1 4 ，用两只无极性的高频电容直接从输入端电网电压中取得低频脉动电压， 并串联两只电阻限流，经过四只二极管全波整流后再输入集成稳压器7 8 1 5 ，以 提供所需电压。集成电路( i c ) 输入端并联一只稳压二极管钳位，防止浪涌电压 损坏7 8 1 5 。与上一种方案相比，这种辅助电源拓扑省去了工频变压器，减小了 体积和重量。为此付出的代价是输入和输出失去了高频隔离效果，主电路和辅助 电源共地困难。同样，这种方案也使用了线性电压调整器，也会造成较高的损耗。 因此，这种电容隔离型辅助电源通常应用在低电压，小功率，辅助电源电压精度 和纹波要求较高，地回路设计简单的场合。 浙江大学硕士学位论文 图1 _ 4 电容隔离型简易辅助电源 单片开关电源。用单片式电源芯片，比如t o p s 、i t c h 或t i n y s 州i c h 系列芯片， 可以方便的做成高性能小功率的辅助电源。t 0 p s 、i t c h 器件集p w m 信号控制电 路及功率开关场效应管于一体，内部集成了自启动电路，所以只要配以少量的外 围元器件，就可以构成一个电路结构简洁，成本低，性能稳定，制作及调试方便 的单片开关电源，作为电源系统中的辅助电源，这种方法已得到广泛的应用。开 关电源与线性电源相比最主要优势在于可以输出较大功率，损耗较小。图1 5 的反激式单片开关电源很好的体现了这一优势，被广泛应用在几瓦至上百瓦输出 功率场合中。反激电路拓扑由于结构简单，元件少，可靠性高，成为单片开关电 源的主要拓扑。目前的第四代t 0 p s 埘t c h 产品( 1 o p s 谢t c hg x ) 集成了软启动、 过压欠压保护、过流保护、频率抖动、前沿消隐等技术，开关频率可达到1 3 3 k h z ， 转换效率一般在8 0 以上，输出调整率好，成为小型辅助电源的最佳选择。然而， 开关电源与线性电源相比，需要更多考虑电磁兼容问题，因此在对电压纹波要求 非常严格，而对效率要求不高的场合，线性电源更具针对性。另外，多数单片开 关电源使用光电耦合器进行电流反馈，这在航空航天电源上是不允许的。 图1 5 单片开关电源 由自激式开关变换器构成的辅助电源，可以方便的提供多路输出。图1 6 是由一个自激式反激变换器构成的辅助电源。开始时通过r l 、r 2 的基极驱动电 4 浙江大学硕士学位论文 流使q l 开始导通，之后就随着开关管的开通和关断，引起r 2 上的电流变化，为 开关管的继续开通和关断提供条件。而绕组p 2 是起着加速开通或关断过程的作 用。自激式开关电源是开关电源的一种，因此具有开关电源体积小、重量轻、效 率高的优势，同时兼具元件少、结构简单的优点。但是与他激式开关电源比较， 自激式开关电源输出功率较为狭窄，开关工作频率等电路工作参数易受干扰， e m i 滤波器难于设计，整体电路可靠性较低。因此，自激式开关电源适用于中小 功率，对效率、成本要求较高，对可靠性要求较低的场合。 图1 - 6 自激式开关变换器 岛聃槲黼 由他激式开关变换器构成的辅助电源，也可以方便的提供多路输出。小功率 的情况下可以用反激式变换器，而功率相对大的时候可以用半桥或全桥的变换 器，图1 7 所示的是反激式变换器的一个应用电路图。这个电路需要一个启动电 路在启动之初为芯片供电。这种多路输出通常采用的方法就是增加变压器的绕组 来实现，辅助电源集中在一块电源板上，将输出端的电压引导需要的负载板上去。 该方案广泛用在各种集中式开关辅助电源中，通过改变拓扑结构实现不同功率等 级的输出。该方案具有开关电源的一切优势以及定制性好，输出功率范围广的优 点。与普通开关电源相同，在与线性电源的对比中也有电磁兼容( e m c ) 、纹波、 可靠性的问题。单片开关电源是他激式开关电源的一种形式，提高了集成度和可 靠性，但应用范围也受到一定限制。 浙江大学硕士学位论文 图1 - 7 他激式开关变换器 分布式结构的电源。有一些电源系统比较庞大，需要辅助供电的负载板空间 距离相对较大，这种电源系统就需要分布式结构的电源。即将输入电压变成另一 条电压母线，再在需要的地方用一批小的变换器变成需要的电源，这样可以比较 稳定的控制输出的电源精度，避免了传输电压的损失。其结构图见图1 2 。与分 布式电源不同，上述图1 3 至图1 ，5 电路均属于集中式电源。在集中式电源中， 主变换器处理所有的功率变换并输出最终负载所需的电压。在设备对电源供电质 量如电压精度、稳定度、输出功率、电压调整率和保护功能要求越来越高的情况 下，集中式电源可能造成系统可靠性降低、不必要的复杂度提高，这在辅助电源 中是应当极力避免的。分布式电源的出现缓解了这一矛盾。分布式电源将主变换 器输出能量传送到母线上，供下级的小型变换器使用。小变换器将单独或者若干 个并联输出负载所需的最终电压。与集中式电源相比，分布式电源中可将小变换 器设计为插拔的形式，降低主变换器的复杂度，使整个电源系统容易维护，同时 可依靠冗余性提高系统可靠性。另外，分布式电源可采取各种形式的拓扑以适应 多种功率、电压等级输出，具有较强的定制性。因此，分布式电源与生俱来的优 点与辅助电源所需特性不谋而合。 以下列表对比说明各种形式的辅助电源的优缺点以及应用场合。 表格1 - 1 不同类型辅助电源的对比 优点缺点应用场合 带工频变无开关纹波、输出电输出功率小、电压调整率对体积、重量、效率和电压调整率 压器线性压精度高、电路简单、差、损耗较大、体积、重量 要求不高，无高频隔离要求，对输 电源成本低廉 较大出电压纹波有特殊要求，小功率 一 浙江大学硕士学位论文 电容隔离同上，另外无工频变 输出功率小、输出电压调整基本同上，另外要求电压较低、e m c 型线性电压器，体积、重量较率差、损耗较大、无隔离，容易解决，或者成本要求苛刻 源低共地难于设计，电容易老化 单片开关集成度高、体积小、有开关纹波，需要额外的体积、重量、效率和电压调整率以 电源简单规范、能输出较e m i 滤波器，适用拓扑不及e m c 有所要求，中小功率应用场 大功率、效率高、有多，输出功率受限，适用场合 集成保护、成本低廉合受限 自激式开体积小、重量轻、电有开关纹波，电路保护功能体积、重量、效率和电压调整率要 关电源路简单，成本低廉、弱，分立元件的参数和老化求较高，e m c 方面要求不高，成本 效率高对电路性能影响较大，可靠要求较高的中小功率应用场合 性差，输出功率不高 他激式开体积小、重量轻、可设计复杂、电路结构复杂， 稳定性、可靠性、输出功率、电压 关电源按要求定制、输出功成本高调整率要求高的场台不适用。 率范围大 分布式开可靠度很高，冗余性成本高，效率比集中式开关稳定性、高频隔离特性，可靠性和 关电源强，结构简单，易规电源低 体积要求极高的各种功率等级应用 范化 场合 1 2 2 分布式电源的发展状况1 】 半导体技术的进步使电子系统的功能密度( f l l l l c t i o n a ld e n s m e s ) 和处理速 度不断提升。为了提高处理速度，降低功耗，供电电源朝着低电压大功率方向发 展，这给电源的设计带来挑战。于是分布式电源得到越来越多的重视。 依照功率处理单元( p o 、v e r p m c e s s i n gu n i t ，p p u ) ，分布式电源大体分为四种 结构；并联( p a m l l e l i n g ) 、级联( c a s c a d i n g ) 、多路电源( s o u r c es p l i t t i n g ) 、多 路负载( l o a ds p i i m n g ) ，如图l - 8 所示。 浙江大学硕士学位论文 哥 ( a ) 并联 亘卜母 ( b ) 串联 署甚_ ( 三一l 亘卜 ( c ) 多路电源( d ) 多路负载 图1 - 8 分布式电源的四种结构 如图1 - 8 ( a ) 所示的并联结构在实际中已得到应用。该并联结构可以在空间上 摆放在一起以取代集中式开关电源。因此这样的结构通常被称作模块电源 ( m o d l l l a rp o w e rs u p p l ys y s t e m ) 。由于需要引入母线，对应前端变换器和负载变 换器，图1 8 ( b ) 所示的级联结构在很多分布式电源中都是必需的。在设计级联结 构的分布式电源时，需要考虑负载点电压调整率、传输效率、母线特性等因数。 图1 8 ( c ) 和图1 - 8 ( d ) 所示的多路电源和多路负载结构让使用多路供电和对多路 负载输出成为可能。 级联和多路负载使多数分布式电源包括母线( b u s ) 。母线上的电压可以是直 流，也可以是交流，母线也因此分为直流母线( d cb l l s ) 和交流母线( a cb l l s ) 。 母线的选择对分布式电源系统的性能有着重大影响。 广堂r 丝 霍譬 ( a ) 交流母线的分布式电源 浙江大学硕士学位论文 前稿囊按暑 煎藏变换嚣 ( b ) 直流母线的分布式电源 图1 9 直流母线和交流母线 从图1 9 中可以看出，直流母线分布式电源变换器级数多，造成效率相对下 降，这也是直流母线分布式电源和交流母线分布式电源最显著的区别。低频交流 母线分布式电源已经得到较广泛的应用，商频交流母线分布式电源也成为近年来 的研究热点。尽管高频交流母线分布式电源具有高效、减小变压器体积等优点， 这种结构的分布式电源却没有得到广泛的接受，这是因为高频交流母线分布式电 源存在几个潜在的问题。由于母线电磁干扰对周围敏感元件会产生影响，母线必 需使用特殊的电缆( 屏蔽线或扁平线) 来减小噪声。由于集肤效应限制了母线的 频率，使得滤波器体积较一般高频开关电源为大。负载变换器整流对母线注入电 流谐波也可能造成严重的问题，而为每一个辅助电源负载变换器设置功率因数校 正环节是难以想像的，虽然谐振整流方式( r e s o n a l l tr e c t i f i e rs c h e m e ) 可能简单 地解决这一问题。关于母线问题论文第四章还将展开论述。 辩日蛐t p f q曹壹l 雌a t 生- 嚯量h 圈1 1 0 高性能计算机主机的分布式电源系统 直流母线分布式电源目前已得到较广泛的应用，如图1 9 所示的计算机系统 哇哇 浙江大学硕士学位论文 的分布式电源。该分布式电源采用三相交流输入，并联结构，每个负载变换器备 有p f c 电路和滤波电路。前端变换器采用全桥零电压开关脉冲宽度调制p w m 变 换器。母线电压高达3 8 0 v 以减小线路损耗。 在大多数大功率和部分中小功率应用场合，分布式电源无疑将取代集中式电 源成为供电电源的主要形式。要实现这一目标，目前的分布式电源必需从封装、 效率、噪声、成本和系统集成方面加以考虑。 1 2 3 理想高频母线标准 目前应用较为广泛的是直流母线，交流母线因为存在一些不容易解决的问题 才未能推广，国内外也有一些研究高频母线的文章发表【1 3 】【1 4 l ，在这里，本文试 着对理想高频母线的标准进行探讨。 屏蔽性能良好。高频母线相对于直流母线来说很大的个优点在于它隔离性 能比较好。由于母线前后的地不是连接在一起的，因此可以屏蔽掉很多地噪声的 信号。理想的高频母线应该完全屏蔽掉前端变换器的各种噪声信号。良好的高频 隔离，即副边电路相对于原边电路的浮动性，这一点特别适合于作为驱动电路的 辅助电源。 不辐射电磁波，对其他敏感器件无干扰。高频母线中通过高频电流，这个高 频电流向周围发射着高频电磁波，这是不被容许的，理想的高频母线应该没有电 磁波辐射。 寄生参数影响小。高频母线还有一个比较明显的缺点就是分布参数的影响比 较大，从而限制了主电路的频率、传输功率以及传输距离。 达到上述目的一般有两种思路，一种是单从改善线型着手，提高母线自身的 性能。比如适用利兹线( 1 i z sw i r e ) ，通过内外材料不断交替的方式将集肤效应和 引线电感降到最低。问题是，从接线工艺角度来看，利兹线不适合作为母线。另 一种思路是从拓扑上做文章，并辅之以比较常见的双绞线、扁平线等低电感导线， 并提高母线电压，调整母线入端波形，使得母线的输入端波形尽量接近正弦以降 低辐射。 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 3 课题预期成果 在上述研究背景下，本课题主要研究基于交流母线的分布式辅助供电电源， 拓扑采用半桥l l c 谐振变换器，希望可以提高辅助电源的稳定性，简化整个系 统并使其更具通用性。降低系统的e m i ，提高抗干扰的能力，以便为主电路提供 稳定可靠的电能。具体的预期成果如下： 完成对拓扑的分析与选择： 选定母线种类： 给出电路中关键参数的选择方案： 完成一个多路输出的样机，验证器件的选择方案； 理论分析并实验验证母线的具体参数对后级电路的影响； 给出具体情况下母线参数的选择方案。 为验证理论分析，本课题以一个2 2 路输出，每一路均为1 5 v ，o 3 a 的样机 为例进行分析。 1 4 论文主要任务 本论文第二章介绍了系统方案确定的一些考虑并最终确定系统方案；第三章 对所选定的主拓扑进行正弦稳态分析，为后文的参数确定打下基础；第四章对母 线进行建模并且对比了两种母线类型的寄生参数，确定了两种母线分布是参数的 影响因素；第五章讨论了一些关键参数的确定以及硬件电路的设计方法：第六章 对试验结果进行简要的分析；第七章讨论了这个系统依然存在的一些问题和解决 方法，以及系统的扩展；第八章对全篇论文进行总结。 浙江大学硕士学位论文 第2 章整体技术方案的选择 2 1 母线种类的选择 根据母线的电压类型，可以将分布式电源的分为两种，一种是直流母线的分 布式电源，一种是交流母线的分布式电源。这两种母线各有优缺点： 直流母线结构如图2 1 所示，直流母线的分布式电源有两级d c d c 结构， 前端变换器( n 伽t e n d ) 和负载变换器( o n b o a r d ) ，前端变换器将输入整流后的 直流电压，转换成一个电压等级相对低一些的直流电压，在通信电源中，这个电 压是4 8 v ，这个电压由电压母线传递给负载变换器，负载变换器再将母线电压转 换成所需要的直流电压输出给负载。 为了进行有效的隔离，负载变换器包含着逆变和整流两个环节，也就是说， 在直流分布式电源结构中，包含了三级结构，由于每一级变换器都存在功率损耗， 整个系统的效率相对较低。然而，由于直流母线传输的是直流电压，母线的传导 损耗就比较低，而且噪声也比较小，并且越来越成熟的d c d c 模块技术增强了 直流分布式电源的灵活性，因此，直流母线的分布式电源在应用中相对比较广泛。 【1 1 前墙壹接霉负羹壹按曩 图2 1 直流母线结构图 交流母线如图2 2 所示，交流分布式电源只包含两级结构，输入整流后的直 流电压，经过前端逆变器变换成交流电压，这个交流电压经母线传递给负载整流 变换器，再由负载整流变换器转换成需要的直流电压。 啡瞳 浙江大学硕士学位论文 交流分布式电源只包含一个逆变环节和一个整流环节，因此相对于直流分布 式电源系统，交流分布式电源系统的潜在效率就比较高。除此以外，交流母线的 输出端有变压器隔离，这可以有效的隔离地噪声，在前端变换器和负载变换器之 间形成良好的高频隔离。但交流母线的分布式电源也存在一些问题，比如：交流 母线辐射的电磁噪声会影响电路中其他的敏感元件，为减小噪声，必须使用一些 特殊的电缆( 屏蔽电缆、扁平电缆) ，这些特殊的电缆会增加整个系统的成本， 和复杂性。高频交流电流所引起的集肤效应增加了高频下的母线阻抗，这也阻碍 了频率的提高。【l j 广坐墼l 1 图2 - 2 交流母线结构图 辅助电源很重要一个功能就是要保证输出稳定可靠，交流母线结构比较简 单，并且高频隔离性能比较好，因此在本系统中，选择交流母线的结构。为了减 小交流母线对电路中其他的敏感器件的干扰，而又不增加成本，在电路设计上， 应尽量减小方波切换时的变化率，以减小谐波成分：在母线的设计上，应尽量减 小集肤效应的影响和母线间的电感，以减小母线上的压降。 2 2 前端变换器拓扑的选择 2 2 1 前端变换器拓扑的要求 根据分布式辅助电源的一些特点，对前端变换拓扑提出如下的要求： 馥) 宽输入范围与额定状态下具有较高的效率 保持时间是对分布式电源的一个特殊要求，在输入电压突然下降的情况下， 希望分布式电源系统可以持续运行一段时间，通常为2 0 m s ，这个时间就叫做保 浙江大学硕士学位论文 持时间。这个保持时间的要求就迫使变换器运行于一个较宽的电压输入范围。在 宽范围输入条件下，许多变换器( 比如p w m 控制下的b u c k 变换器) 在电路参 数的设计上就必须满足最低输入电压的要求。当输入电压较低时，变换器具有较 大的占空比，随着输入电压的升高，达到额定输入电压，占空比降低，电路转换 效率也随之降低，因此，随着输入电压范围的增加，这类变换器在输入电压高端 的效率会大大下降。 b ) 所有开关器件及二极管都实现软开关 作为中大功率电源系统的辅助供电电源，在可以稳定的输出电压的同时，还 要具有较低的e m i ，对主电路不产生干扰。而当开关器件工作在硬开关状态，即 开关的开通和关断时的电压电流均不为零时，在开通和关断的过程中会产生较大 的损耗，这个开关损耗随着开关频率的提高而提高，发热量增大，温升提高，使 电路效率大大下降。不但如此，在开关过程中，变化很快的电压和电流形成了开 关噪声，在波形中出现了明显的过冲和振荡，给电路带来了严重的电磁干扰问题， 影响周边电子元器件的正常工作。 另外，二极管的反向恢复电流给电路带来的干扰也非常严重，当正向导通的 二极管加上反向电压时，这个反向电压和二极管回路中的电感决定了电流的下降 速率，直至电流反向，二极管恢复反向阻断功能，有时还会在电路中引起激烈的 振荡，即使是超快恢复二极管也不能完全消除这一问题! 从上述要求中可以看出，电路效率不受输入宽范围的影响，随着输入电压的 升高而升高的软开关变换器是比较理想的前端变换器。 传统的一些p w m 控制的变换器都存在输入电压和效率的矛盾，并且需要加 入一些辅助元件才可以实现软开关，导致成本增加可靠性降低。也有一些p w m 控制的变换器不需要外加器件就可以实现软开关，比如软开关同步升降压变换器 【4 7 1 ，但这种类型的变换器在参数设计和适用范围上都会受到一定的限制。而谐振 型的变换器由于是变频控制，可以通过选择适合的频率范围消除这个矛盾，也可 以不用加入任何的辅助元件就可以实现软开关，比如半桥l l c 谐振变换器，就 可以同时满足上述两点要求，因此，我们选择半桥结构的l l c 谐振变换器作为 前端变换器的拓扑。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 半桥l l c 谐振电路工作原理【2 2 l 半桥l l c 谐振电路如图2 3 所示，两个主开关s 1 ，s 2 组成了一个半桥结构， 驱动信号是固定5 0 占空比的互补信号，电感l s ，c s ，l m 组成了一个l l c 的 谐振网络，在输出侧，两个整流二极管组成了一个全波整流的副边结构，直接接 到输出电容c 。上。 一曰 囤2 - 3 半桥l l c 谐振电路原理图 l l c 串联谐振变换器与传统的l c 串联谐振变换器在形式上完全一样，l 。 是变压器的励磁电感。由于有三个储能元件，在谐振网络中就存在两个谐振频率， 一个是l i l 不参与谐振时l s 与c s 的谐振频率，定义为： z2 刮去 ， 另一个是三个储能元件共同谐振时的频率，定义为： 兀2 司云雨 当开关频率高于f 时，电路中的励磁电感l m 并不参与谐振，谐振网络只是 一个l c 的形式，就是传统的l c 串联谐振变换器，这可以创造主开关的软开关 条件。当开关频率在厶与之间时，励磁电感在一部分工作状态中也参与谐振， 因此称为l l c 谐振电路，同样可以实现主开关管软开关并且可以实现副边二极 管的软开关，只是传统的l c 谐振变换器只能工作在， z 的频率范围，而l l c 串联谐振变换器不仅可以工作在， z 的频率范围，也可以工作在五 厂 z 的 浙江大学硕士学位论文 频率范围。下面讨论在厶 半波整流。 由此看出，桥式全波整流电路的优点在于二极管电压应力低，但是整流却需 要四颗二极管；半波整流电路的结构非常简单但是由于它只是从半个开关周期中 获取能量，极易造成电路中电流的不对称，也容易引起偏磁。零式全波整流结构 介于两者之间，电压应力为两倍的输出电压，结构上只有两颗二极管。因此，在 该系统中，选择零式全波整流结构。 因为整个系统是分布式结构，整流部分的前端就需要加入磁环( 或磁芯) 隔 离，将电压从母线上引出，具体结构如图2 7 所示。 后曩蜮 一 e 噩 围2 - 7 后级整流电路结构图 2 4 系统工作过程分析 经过上述拓扑分析和选择，确定系统的主体结构框图如图2 _ 8 所示，前端变 换器采用半桥l l c 谐振变换电路，负载端由隔离磁环( 或磁芯) 从母线上将电 压引出，并接入零式全波整流结构，主输出放在母线之前只做闭环控制和给芯片 供电之用。 浙江大学硕士学位论文 前瑞变换器 负载变换嚣 图2 - 8 系统主体结构框圈 具体的工作原理如图2 9 所示，这里将副边变压器的励磁电感、漏感和母线 电感也都考虑进去。在分析过程中，认为输出电容无穷大而以恒压源v 。1 ，v 0 2 ， 代替，主开关是具有反并联寄生二极管的m 0 s f e t ，该系统在一个开关周期中 可以分为8 个工作阶段，阶段分析图如图2 1 l 所示，波形图如图2 1 0 所示，工 作过程描述如下： 图2 - 9 具体工作原理示意图 醉 阶段l ：t 0 t l 。在t o 时刻，s 1 开通，原边谐振电流流过s l ，并以正弦形式 逐渐上升。在输出侧，二极管d 。】导通，输出电压将变压器t j 钳位，由于副边 漏感l s 非常小，输出电压也同时将主变压器t r 钳位。这时原边的谐振是发生在 l s 和c s 之间流过l m 和l m 的励磁电流l 线性上升。二极管d 。：因承受反 压而截止。母线上的电流是谐振电流和k 的差再乘以变比，流过二极管d 。的 电流为母线电流与隔离变压器励磁电流的差值，这里隔离变压器的变比设为1 ， 仅做隔离之用，因此二极管的电流可以表示为： 豳 浙江大学硕士学位论文 。= ”( 一屯。) 一t 。 这里n 为主变压器的变比，该过程直到t 1 时刻，即和屯相等时结束a ( 2 3 ) 阶段2 ：t 】t 2 。t l 时刻由于和相等，输出侧电流f 0 1 下降到零，于是二极 管d d l 上电流自然过零而关断，是零电流关断，几乎没有反向恢复的过程。同时， 输出电压不再对变压器钳位，两个励磁电感成为自由的谐振电感， l 。n 2 k 与 l 。+ n 2 h 加在一起与c s 谐振。这个谐振周期要比前一个谐振周期大得多，谐振 电流的斜率相对小了很多，所以在这段时间里，原边电流可以看作近似不变， l 。n 2 k 是一个恒流源。直到s 1 的门极信号为低电平，该阶段结束。从这个阶 段中可以看出，副边由于隔离变压器所引入的励磁电感和漏感对于原边的谐振参 数是有影响的。 阶段3 ：t 2 t 3 。在时刻t 3 ，s l 关断，于是原边电流对s j 的寄生电容充电， 同时对s 2 的寄生电容放电。此时输出端二极管d d 2 导通，输出电压将变压器钳位。 壹至s 2 的寄生电容放电完毕，该阶段结束。 阶段4 ：b k 。当s 2 的结电容上的电压下降到零之后，原边电流就流过s 2 的体二极管，并且以正弦形式反向增大。输出侧二极管d d 2 导通。由于s 2 的体二 极管的导通，使得s 2 的漏源电压保持为零，为s 2 的零电压开通创造了条件，这 个零开关条件不需要添加任何器件就可以实现，也不会引入多余的开关切换过 程，因此可以说，这是天然的软开关。当s 2 的门极为高电平，该阶段结束。 阶段5 ：t 4 专t 5 。在t 4 时刻s 2 开通，原边谐振电流乇流过s 2 ，并以正弦形式 逐渐反向上升。副边二极管d 。2 导通，输出电压继续将变压器钳位。原边的谐振 发生在l s 和c s 之间，流过l 。的励磁电流j m 线性下降。此时副边二极管的电流k 可以表示为如下： 毛。= 胛( 一t 。) 一t 。 ( 2 4 ) n 为主变压器变比，该阶段直到和t m 相等时结束。 浙江大学硕士学位论文 阶段6 ：t 5 专t 6 。t 5 时刻由于f d 和相等，输出侧电流。下降到零，于是二极 管d 。上的电流自然过零而关断，是零电流关断，因此几乎没有反向恢复的过程。 此时，输出电压不再对变压器钳位，l m 成为自由的谐振电感，l 。n 2 l ：与l 。+ n 2 l ： 加在一起与c s 谐振。直到s 2 的门极信号为低电平，该阶段结束。 阶段7 ：t 6 t 7 。在时刻t 6 ，s 2 关断，于是原边电流对s 2 的寄生电容充电， 同时对s l 的寄生电容放电。此时二极管d p l 导通；d p 2 截止，靠电容对负载供电。 直至s l 的寄生电容放电完毕，该阶段结束。 阶段8 ：t 7 t 8 。当s 1 的结电容上的电压下降到零之后，原边电流就流过s 1 的体二极管，并且以正弦形式反向增大。由于s 1 的体二极管的导通，使得s 】的 漏源电压保持为零，为s 1 的零电压开通创造了条件，也是天然的软开关。当s 1 的门极为高电平，该阶段结束。 s 8 28 1 l 。| 一 一l| v l n 0 卜、- j -d 卜 甜一r 酹 n 一少 弋 i 煨 l l 弋少弋 阶段1 固2 1 0 各阶段波影图 阶段2 t l 一 岛 蟮 浙江大学硕士学位论文 阶段3 阶段4 阶段5 + 阶段7 阶段6 图2 - 1 1 系统工作过程阶段分析图 2 5 系统原理仿真分析 阶段8 对系统进行开环仿真，开关频率设为3 0 0 k h z ，谐振参数为：厶= 5 0 肚l ， 寸 c s = 4 n f ，k = 2 l o 叫，聪= 2 0 0 灿l ，乓= o 1 4 p h 。仿真电路图如图2 1 2 所示。 2 4 。未雕。鬟苫 t 与四一； t iiiiiiiiiii 浙江大学硕士学位论文 图2 1 2 仿真电路 u ”器悼u m ： 波形如图2 1 3 所示，从上到下依次为：开关管驱动波形、谐振电流与励磁 电流对比波形、母线上电流与后级隔离变压器励磁电流波形对比、后级二极管电 流波形、母线前后电压波形对比。 图2 - 1 3 仿真波形图 窜 鍪 卜 浙江大学硕士学位论文 2 6 本章小节 本章首先介绍了辅助电源系统对于前端变换器拓扑、母线类型、负载变换器 拓扑的一些要求，并根据这些要求选定了这个分布式辅助电源系统所采用的方 案，即：前端半桥l l c 谐振变换器，负载端零式全波整流的交流分布式电源。 介绍了l l c 谐振电路的基本工作原理，以及应用于系统之中考虑了副边隔离变 压器以及母线分布参数影响的电路工作过程，给出了几个关键点的波形以及仿真 结果。 浙江大学硕士学位论文 第3 章系统的正弦稳态分析 在包含谐振网络的谐振电路中，电压和电流在一个开关周期的每一个子区间 里都是以正弦规律变化的，这种正弦变化的幅值都比较大，因此，传统的小信号 近似方法几乎不适用，可以用正弦稳态的分析方法来分析电路。在这一章的分析 中，l 。视为等效的漏感，里面已经包含了隔离变压器漏感和母线电感折合过来的 成分，同样，l m 视为等效的励磁电感，里面也已经包含了隔离变压器励磁电感 折合过来的成分。 由前述的原理分析可以看出，直流电压源k ( f ) 经过占空比为o 5 ，开关频率 为的半桥斩波电路之后，变成了一个占空比为o 5 的方波k ( f ) 加到了谐振网 络上，如图3 1 所示。 谐振网络 图3 1 等效谐振网络示意图 根据傅立叶理论，v s ( ，) 可以分解为一个直流分量，一个基波分量( 基波频率 ) ，和一系列的奇次谐波分量。频谱分析可见图3 - 2 。谐振网络只是对v s ( f ) 的 基波成分产生相应，而忽略v s ( ，) 的谐波成分。也就是说，谐振网络中的谐振电流 ( r ) 和谐振网络的负载电流( ，) 、负载电压k ( f ) 都实际上都是频率为厶的正弦 波，而不包含谐波成分。通过改变基波频率( 即开关频率) 即可改变负载电压和 电流的幅值。【2 0 】 浙江大学硕士学位论文 图3 2v s ( ，) 的幅值频谱图8 ” 3 1 谐振网络输入端口建模2 明 由于谐振网络主要响应激励源的基波成分，这里我们先对输入端口和输出端 口进行建模，如图3 3 所示。r 等效为n 路输出的总负载。 开关网络n 8 图3 - 3l l c 谐振电路原理图 整流网络nr 低通滤波网络n v o 月 开关器件以5 0 的占空比，开关频率矗将直流电压v g ( f ) 斩波成v s o ) ，波形 如图3 4 和图3 - 5 所示。将v s ( f ) 分解成傅立叶级数： v s ( r ) = 孚+ 等点扣吲) b ， 其中，q 。= 2 丌l 。v s ( f ) 的基波分量k ，( ，) 可表示如下： ”等s i n ( 吖) 氓s i n ( ，) ( 3 2 ) 浙江大学硕士学位论文 它的幅值是输入电压k 的2 厅倍，并与v s ( f ) 同相。 图3 - 4v s ( r ) 及其基波分量波形 u i 八j厂 笤 文y 。 图3 5 ( r ) 及其基波分置波形 输入电流的建模也是必要的，当开关s l 闭合而开关s 2 断开时，输入电流等 于( f ) ，而当开关s 1 断开而开关s 2 闭合时，输入电流为0 ，如图3 - 5 所示。由 系统的原理分析可知，( f ) 要滞后于k ( f ) 一个角度织，因此，( f ) 可以近似的由 下述等式来描述： ( f ) = 。s i n ( n v 一识) ( 3 3 ) 输入电压的直流分量，也就是输入电压的平均值可以通过f g ( r ) 对。的积分 来求得： 浙江大学硕士学位论文 ( 。= 粕舯r 等效电路如图3 6 所示。 = 毒卜s i n ( 卜吼) 出 刚， = 三小。s ( 织) ( f ) = ( b ) 生。i 。f 图3 - 6 输入端口等效电路 3 2 谐振网络输出端口建模 在输出端，为了使输出电压保持稳定，一般都会在输出端并联一个大电容， 在负载一定的情况下，输出电流也会保持在一个恒定的值，这里可以借鉴小信号 模型理论，把一路的输出电压近似记作恒值矿，把输出电流近似记作恒值。经 过理想变压器之后，谐振网络输出的电压v r ( r ) 、电流f r ( f ) 变为v r ( f ) h 、n f r ( f ) ， 如图3 7 所示，在这个等效电路中，由于已经将隔离变压器的励磁电感和漏感等 效到前级的谐振参数里了，因此，这个变压器视为理想变压器。 图3 7 输出端电路 浙江大学硕士学位论文 如果把谐振网络出来的电流近似看作幅值为，r ，相移为绦的正弦波，即： 则，v r ( f ) 可以表示为 f r ( f ) = 矗。s i n ( r 一绦) ( 3 5 ) h ( f ) = 等s i n ( ) ( 3 6 ) 由于没有直流电流可以通过输出滤波电容，因此，输出电流就是胛f r ( f ) 绝对 值的平均值。即： ，= 善r ”厶，| s i l l ( 卜饰) p 南“。、1 = 吾k 。 疗 得： 枷警 因此： r = 糟崭笋 p 一2 笋 图3 - 8 输出端等效电路 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 浙江大学硕士学位论文 3 3 谐振网络传递函数以及系统增益 该电路在基波频率下的正弦稳态等效电路图如图3 9 所示。 谐振同络传函月( s ) 得谐振网络的传递函数 因此： 其中： 图3 - 9 正弦稳态等效电路 日( s ) ：善址 吐s + 素k “r c ：刍g 墨兰： t c s k + c ：咒( k + 厶) 妒+ k s + 也 砌小丽硒i 意甓为丽 r 丢阳 q ：立 正 z = 9 = 譬= 篝 石 ( 3 ，1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 】4 ) 母 焘 浙江大学硕士学位论文 该系统直流增益 ：生 厶 m ：三 k = ( 爿( 丢 ( 每 ( 鲁 ( 毒 地昙击k 。毒厅足o 、，。2 4 疗 出昙盖删吼：坞毒万8 j r 弹2l i 、，5 2 坞石 一姚。心 2 n 2 2 行2 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 由式( 3 1 6 ) 可以看出，系统的直流增益与谐振网络的直流增益差一个变比 的关系，为了分析方便这里暂时对谐振网络的直流增益进行分析。谐振网络的直 流增益与品质因数、开关频率与谐振频率的比值，励磁电感与漏感的比值三个量 有关，因此，电路的谐振参数、开关频率会直接影响到电路的运行状态。 图3 1 0 所示为