（电力电子与电力传动专业论文）隔离型半桥低压大电流vrm标准拓扑研究.pdf

塑垩查堂婴主兰垡丝苎 ! ! ! ! ! 璺 a b s t r a c t 丁h ep o w e re l e t r o n i c ss y s t e mi n t e g m t i o n ( p e s i ) h a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea “e n t j o ni nt h e r e c e n ty e a r s ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ei s o i a t e dl o wv o i t a g eh i g hc u r r e n tv i u v lt o p o i o g i e sw i l lb e i n v e s t i g a t e d i s o i a t e d c i r c u i t sl n c l u d e ：a c t j v ec l a m pf o n v a r d ( a c f ) ，p u s hp u l lf o r w a f d ，h a l f b r i d g e ( s y m m e t r j c a lh a l fb r i d g es h ba n dd u t yc y c i es h i f l e dh a l fb r j d g ed c s h b ) e t c t h em a i n p o i n tw i l lm a i n l yf o c u so nt h es h bt o p o l o g y ，e s p e c i a l l yo na n a l y s i n gs o m em e t h o d st oi m p r o v e t h ep e r f b n n a n c eo fs h b ，s u c ha sr e s t r a i n i n 窖t h er e s o n a n c eo fp r i m a r ys i d eo f 仃a n f b m e l s o r s w i t c h i n gc o n t r o ls c h e m e sa n dg a t ed r i v i n go ft h es y n c h r o n o u sr e c i t i n e r se t c a n a l y s j so ft 】e s m a l ls g n a lm o d e l i n go fs h bj s 譬i v e n ，a l s ow j t ht h e 】o s sc a i c u i a t j o no f t h ec i r c u i t e x p e r i m e n t a ic o m p a r i s o nb e t w e e na cf ，p u s hp u l lf o r w a r d ，h s h b ，d s c h bi sc a e do na n d 1v ，3 0 ap r o t o t y p ei so b t a j n e df o re a c hp r o p o s e dt o p o i o g y ，t h e r ew 订lb et w op r o t o 帅e sw i t h d i f r e r e n ts y n c h r o n o u sd r i v i n gs c h e m e sf o ra c f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a r i f yt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i so fe a c hp r o p o s e dc i r c u t s k q r w o r d s ：v o l 蟾a er e g u l a t l o nm o d u l e ( v r m ) ，a c t i v ec i a m pf o r w a r d ( a c f ) ，p u s hp u l lf o n v a r d ，h a l f b r i d g e ( h b ) i i 祈江大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 本章首先对电力电子系统集成的必要性以及它的定义作了简单的叙述，然后就低压大电 流v r m 的分类及现状作了分析。最后对本文的主要研究内容及其意义进行了介绍。 第一节电力电子系统集成简述 现今的电力电子装置都是建立在分立的功率开关器件，控制电路，保护电路，传感器以 及大型变雎器，电抗器和大容量电容器基础之上的，并都足按照用户不同的需求和用途来进 行设计，而且这些电力电子设备的设计和制造均采用大量的非标准化器件或部件来完成。所 以，往往导致研制周期长，成本高，使用不灵活，同时制造一台新的设备还需要花费大量的 手工劳动，这就大限制了电力电子产品生产成本的进一步降低，影响产品可靠性的进步提 高和限制了工为生产过程实现全面自动化的发展速度。不仅如此，现今电力电子产品的开发 还需要专业的电子工程师为之设计。以上这些电力电子行业和电力电子技术应用现状- 都对 屯力电子技术提出了新的目标和挑战，如果电力电子技术不能有一个重大趵转变的话，这些 目标是很难达到的。这个重大转变就需要通过发展电力电子系统集成技术来实现。电力电子 系统集成，标准化和模块化技术是解决上述问题的十分重要的途径，也是本世纪电力电子技 术发展的必由之路。人们希望它能与大规模集成电路( v l s i ) 的进步和发展给电子技术，计算 机，信息，工业自动化领域带来一场革命性的变革一样，不但对电力电子技术的进一步的发 展而且对能源，工业生产过程实现伞耐自动化的发展产生深远的，革命性的影响。所谓的电 力电子系统集成包含两个层次的集成：一足模块级的集成，即电力电子子系统的集成：别一个 是系统级的集成，即电力电子实际应用系统的集成。 电力电子模块级集成( i p e m ) 的目标是建立电力电子标准模块。电力电子标准模块不是指 一个专门的半导体，也不是指一个电路拓扑或者是个无源元件，它是一个高度集成的，能 完成特定功能的标准的电能处理单元。它有一些基本特征，如通用性，可扩充性等。要实 现h 述罔标，第一步是确定标准模块的电路结构。从众多的电力电子线路中选择出为数不多 而具有典型代表意义的电力电子功率变换电路拓扑是一项十分艰巨的任务。 典型的集成的电力电子模块( i n t e 础d p e m o d u i e i p e m ) 如图1 1 所示。【】1 通信接 输出 图1 1 典型集成电力电子模块 1 根据电力电子系统集成理论和设计规则，利用上述这些子系统方便地集成和扩展为最终 用户所需要的智能化的电力电子应用系统即为电力电子实际应用系统的集成。图l2 简单的 表示出了一个分布式供电系统( d i s t r j b u t i o np o e rs y s t e m ) 。由圈可见，这个系统由几个 i p e m 组合在一起。这样就可以根据客户不同的需求，选择适合的i p e m 来方便的组成自己所 需的系统。其中给c p u 等数字芯片供电的电源一v r m 模块也可以方便的集成在一个i p e m 中。 浙江大学硕士学位沦文第一章 图1 2 分布式供电系统集成 第二节v r m 的现状概述 随着处理器( c p u ) 以及数字芯片的快速发展，同时对它们的供电电源v r m ( v 0 1 t a 2 e r e g u l a t o rm o d u i e ) 提出了严峻考验。首先，由于c p u 等数字芯片的时钟频率的增高，它所需 要的供电电流也同时增大，比如当时钟频率达到3 g h z 的时，电流即将达到6 0 a 。芯片所需 供电电流i c c 与时钟频率的关系曲线图如图1 1 3 所示团。可以看出时钟频率从最初的几百 m h z 一直增大到现在3 g h z ，甚至更高。电流也同时从十几安培一赢增加，以后甚至会增大 到2 0 0 a 。特别是在掌上电脑的应用场合下，不但是要求v r m 有较高的效率，同时也要求 有较小的体积。概括起来，v r m 的主要问题是：在有较高的效率下，同时还耍求体积小，动 态响应好。 o23s 哺。饼i ep e n t i l l mc i o e kf r e q 。g ) 图13 芯片供电电流与时钟频率关系曲线图 图14 输出电流趋势图( i n t e l )图15 输出电压趋势国( i n t e l ) 2 塑坚查兰堡主兰堡垒奎j!二兰 图l4 ，】5 表示了i n t e lc p u 的供电电流和电压的曲线圈【3 。由图可以看出v r m 的 种必然的趋势：1 ，输出电流会越来越大；2 ，输出电压会越来越低；3 ，电流瞬态变化率( c u m n t s l e wr a t e l 也会不断的增大。 图l ，6v r m 的基本分类圈 其次，目前的v r m 拓扑结构主要可分为上网16 所示的几种类型。所谓的单级v r m 就是指直接通过一种电路拓扑来实现屯能的直接转换。隔离型拓扑主要有：( 1 ) 有源箝位正撤 ( a c t i v ec l a m pf o r w a r d a c f ) ，( 2 ) 推挽正激( p u s hpu 】lf o m a r d ) ，( 3 ) 半桥( h a l f b r i d g e ) 等。 非隔离型的v r m 拓扑主要有单级同步b u c k 电路( 图l7 ) ，以及多项交错并联 b u c k ( i n t e r l e a v i n g b u c k ) ( 图1 8 ) 4 5 6 】。 上述的两种拓扑结构主要不足是开关频率不能做 得很高，这就在一定的程度上限制了v r m 体积的减小。而且对于传统的b u c k 电路来说， 它的输入电压适应范围很小，因为当输入电压很高的时候，按照输入与输出的关系，它的占 空比d 就变得很小，所以效率也恶化。同时它的输出电流纹波也会随着输入电压的增大而 增大。输出电流纹渡与占空比d 的关系如图l9 ，l1 0 所示，由圈l9 看出当两相交错并联 时占空比d 偏离05 越远，输出的电流纹渡也会越大。而当四相交错并联时，输出电流纹 波得到明显的改善，占空比d 分别在o 2 5 ，05 ，07 5 时，输出电流纹波为零且在这几点 附近输出电流纹波都很小。 埘。小“ 1 “丰l l ：，一j 翊s 幽“2 f n ： 图17 单相b u c kv r m圈l8多相交错并联( i n t e r l e a v i n g ) b u c kv r m 浙江大学硕士学位论文 第一章 i 崔 i l k l 。 。3 寸卜卜+ 7 厂 t 弋? 一一 7 十一支芝 v 图1 9 输出电流纹波与d 的关系( 2 相) 图1 1 0 输出电流纹波与d 关系( 4 相) 因l 七有人提出了两级拓扑的概念。所谓的两级就是有两个电路拓扑来共同实现c p u 的 供电方案，这种拓扑结构一个很明显的缺点就是成本较高，因为它要用到较多的器件数日， 而且控制电路也比单级的复杂。图11 1 给出了常用的两种两级拓扑结构示意图。 前级 后级 ( a ) 隔离型+ 非隔离型 出 出 ( b ) 非隔离型+ 隔离型 图11 1 两级v r m 拓扑结构 圈1 1 】( a ) 中的结构是隔离型+ 非隔离型。前级采用的是带降压隔离变压器的拓扑，后级 采用的是传统的b u c k 拓扑。具体应用如图1 1 2 所示，在控制上是通过控制前级的占空比 d 来实现输出电压调节的。而后级的控制是固定不变的，也即是固定占空比d 。这种结构的 拓扑主要有以下优点： ( 1 ) 前级开关频率较低( 几百k h z ) ，后级选择较高的工作频率( l m h z ) 。可大大减小v r m 的体积： ( 2 ) 选择适合的、m u s ，可使后级并联交错b u c k 工作在最优输入电压下，从而可提高 效率。 浙江大学硕士学位论文第章 ( a ) 有源箝位正激+ 交错并联b u c k ( b ) 半桥十交错并联b u c k 图1 1 2 隔离型十非隔离型两级v r m 图11 1 ( b ) 给出的是前级为非隔离型，后级为隔离型的两级v r m 拓扑结构。这种结构的 两级v i u 主要的特点是： ( 1 ) 与前种结构一样，两级都工作在不同的开关频率，前一级的t 作频率较低，后级的 工作频率很高t 减小了后级无源元件的体积，包括变压器磁芯，电感，以及输出滤波电容器， 这就从总体上减小了体积，增大了功率密度： ( 2 ) 另外一个特点是，后级是工作在d = 0 5 的情况下f 7 ，或两个主开关管工作在互补的情 况【8 】，不管是哪种情况后级副边的同步整流管的驱动都很容易实现，目副边同步管的驱动 电压也不会随着输入电压的变化而变化，适合在输入电压变化范围较宽的场台下。 具体的电路可见图l1 3 所示。后级隔离型拓扑可以选用半桥，也可以用有源指位正激， 推挽正激等，但全桥一般不会用在低压大电流的v r m 场合下。 图1l3 非隔离型+ 隔离型 浙江大学硕士学位论文 第一章 图11 4 所示为前后两级都是非隔离型的结构，即b u c k - 交错并联b u c k 。 图l1 4 非隔离型+ 非隔离型 值得提出的是，前级的输出，后级( b u c k ) 的输入端母线电压v b u s 的选择极为重要。后级 工作在不同的开关频率下，对应就会有一个最优的v b u s 。在图1 1 4 曲线图中可以看出v b u s 随着开关频率变化的一个关系图。比如在5 0 0 k h z 工作频率下，当v b u s = 9 v 时，变流器的工 作效率最高：而在f s = 1 删z 时，则v b u s = 7 v 时的工作效率最高 2 。 x o c m o 篆 山 图1 1 5 最优v b u s 开关频率f s ( a ) 单级v r m 供电示意图 6 浙江大学硕士学位论文 第一章 f b l 两级、，r m 供电示意图 图1 1 6v r m 给c p u 供电流示意图 图1 1 6 给出了c p u 的供电示意图，其中图1 1 6 ( a ) 是由单级v r m 直接供电，输入采用 的4 8 v d c ，图11 6 ( b ) 表示的是两级v r m 供电的情况，它在前级与c p u 间加了一个高频的 后级拓扑。 图1 1 7 和表1 1 给出了非隔离型v r m 的技术发展( c e l e s t i c a 公司) 。 v r m 9 x 系列v r m l o o 系列v r m l o 2 系列 图1 1 7各代非隔离型v r m 产品( c & d 公司) 表1 1 非隔离型v r m 技术发展( c d 公司) 工作频 输入 输出电 最大输输出电瞬态电 电压出电流压纹波压纹波 效率 率( h z ) 压( v )( ) ( v )( a )( m v ) ( m v ) 1 0 7 5 v r m 9 x 不详1 26 88 4 1 8 5 o 8 2 7 5 v r m l 0 o2 7 0 k1 21 0 088 5 “l 】 8 0 8 3 1 6 0 8 3 7 5 v r m l o 23 0 0 k 1 2 1 5 06 48 1 l 眭l 】 8 5 5 1 6 0 0 洼1 ：7 0 n e p 1 0 0 a ，s 第三节选题的意义及主要研究内容 1 ，选题意义 电力电子子系统的系统集成，就是将功率器件，电路元件，控制电路，保护电路等集成 为一个完整的智能电力电子系统，从而得到系列电力电子标准模块( i p e m ) 。在实现上述目标， 首先是要确定标准模块的电路拓扑，从众多的电力电子线路中选取出为数不多而具有代表意 义的电力电子功率变换拓扑。而作为给c p u 等快速数字芯片供电的v r m 也将成为系统集成的 7 浙江大学硕= 匕学位论文 第一章 一i m 薰要任务。在现有的各种v 肼拓扑中筛选出最优的拓扑也格外重要。 现有的v i m 拓扑主要以b u c k ，交错并联b u c k 为主，它们都是以1 2 v 或5 v 作为输入的， 这种情况下就会给输入滤波器的设计带来困难。在负载突变的情况下，输出滤波电容器向负 载提供电能，同时输入滤波电容器的电流变化率必须控制在0 1 a u s 以下【9 j 。由于负载的 电流瞬间变化会很大，因此需要很大的输入滤波电容器。下式是输入电容滤波器的计算公式： c 。蕊丽靠 t ， 其中艘( 。) 是输入电流变化斜率( a u s ) ，是输入电压变化范围图1 1 8 表示了输入 滤波电容器与输入电压的关系。由曲线可以看到，当输入电压越低时，所需要的输入滤波电 容就越大。 1 1 0 口。 1 。口。 毒假o u 1 1 0如那 n l v ) 图1 1 8 输入电压与输入电容器的关系曲线图 当输入为5 v 时，输入电容需要1 3 0 0 0uf ，而肖输入电压升为4 8 v 时，则需要的输入滤 波电容只有1 4uf 。所以，随着v r m 输入电压的升高，可以减小v r m 的体积，提高功率密度， 且成本也大大降低了。所以将来v r m 的输入电压大部分将采用4 8 v ，或更高。如前所述，传 统的b u c k 拓扑不能满足高输入电压的场合，隔离型的拓扑是最佳选择，因此，本论文主要 讨论了几种常见的隔离型拓扑结构。 2 ，主耍研究内容 本文受国家自然科学基金资助，跟踪国际先进水平，对隔离型v i m 的拓扑进行了研究分 析，这些拓扑主要包括：有源箝位正激电路，半桥电路，推挽正激电路。在谢小高博士论文 1 0 中已经对几种隔离型v 刚拓扑了进行了分析，但并没有给出相应的实验结果所以第二 章主要对谢小高博士论文中提出的拓扑做了实验比较及样机。第三章重点讨论了隔离型半桥 拓扑，针对变压器原边漏感带来的影响，提出了几种优化设计方案，以及一些软开关的方法 介绍。最后对同步整流技术，以及驱动技术作了简单的说明。对各种章拓扑的比较主要从以 下几个方面入手： 各种拓扑的损耗，效率： 拓扑及控制的复杂程度及成本： 网侧输入特性与拓扑的适应性： 各种拓扑的开关频率适应性： 各种拓扑的可靠性： 各种拓扑的适应功率范围( 涉及到器件的类型) ； 各种拓扑中开关器件电应力大小的比较； 拓扑的可集成性，包括有源和无源器件。 8 浙江大学硕士学位睑文 第章 参考文献 1 钱照明，张军明，吕征宇，电力电子系统集成 j ，中国集成电路，2 0 0 3 7 p p 3 9 4 5 2 j i aw e i ，f r e dc l e e ，t w os t a g ev o l t a g er e g u l a t 。rf 。r1 a p t o pc o m p l l t e rc p u sa n d t h e c o r r e s p o n d i n g sa d v a n c e dc o n t r o ls c h e e st oi m p r o v el i g h t l o a dp e r f o r m a n c e c i n p r o c e e d i n g so fi e e e a p e c ，2 0 0 4 ，p p 1 2 9 4 1 3 0 0 3 y u a n c h e n gr e n ，m i n gx u ，k a i w e iy a o ，f r e dc l e e ，t w os t a g e4 8 vp o w e rp u de x p 】o r a t i o n f o r6 4 - b i tm i c r o p r o c e s s o r c ，i np r o c e e d i n g so fi e e e a p e c ，2 0 0 3 ，p p 4 2 7 4 3 l 4 m z h a n g ，m j o va r 】o v i c ，f r e dc l e e ，d e s i g nc o n s i d e r a t i o n sf o rl o wv o l t a g eo nb o a r d d c d cm o d u l e sf o rn e x tg e n e r a t i o n so fd a t ap r o c e s s i n gc i r c u i t s j ，i e e et r a n s o n p o w e re l e c t r o n i c s 1 9 9 6 ，p p3 2 8 3 3 7 ：5 xz h 。u ，p lw o n g ，p x u ，a 0 h u a n g ，i n v e s t i g a t i o no fc a n d i d a t ev r mt o p o l o g i e sf o r f u t u r em i c r o p r o c e s s o r s j ，i e e et r a n s o np o w e re l e c t r o n i c s ，2 0 0 0 ，p p ，1 1 7 2 一1 1 8 2 6 x z h o u ，p x u ，f r e dc l e e ah i g hp o w e rd e n s i t y ，h i g hf r e q u e n c ya n df a s tt r a n s i e n t v 0 1 t a g er e g l l l a t o rm q d u l ew i t han o v e lc u r r e n ts h a r i n gt e c h n i q u e ，i np r o c e e d i n g so f i 髓e a p e c ，1 9 9 9 p p2 8 9 2 9 4 7 p a l o u ，j 0 l i v e ，j ac 0 1 0 s e t c b u c k + h a l fb r i d g e ( d = 5 0 ) t o p o l o g ya p p l i e dt ov e r y o wv o l t a g ep o w e rc o n v e r t e r s c i np r o c e e d i n g so f i e e e a p e c ，2 0 0 l ，p p 7 1 5 7 2 2 8 x i a n g c h e n gw a n g ，s h a n g y a n gx i a 。，i s s ab a t a r s e h ，an o v e lc 。n t r 0 1f o rt w os t a g ed c d c c o n v e r t e rw i t hf a s td y na i i i i cr e s p 。n s e c ，i np r o c e e d i n g so fi 髓e p e s c ，2 0 0 4 ，p p 4 3 4 8 【9jz h o u x u nw e i ，l o wv o l t a g eh i g he f f i c i e n c yf a s tt r a n s i e n tv o l t a g er e g u 】a t o r _ o d u l e d i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y j u l y ，1 9 9 9 p p 1 4 0 1 0 】：谢小高，小功率d c ，d c 变流器模块标准化若干关键问题研究【d 】，浙江大学博士学位论 文，2 0 0 5 3 9 羔垡量! ! ! 坠芏竺堡苎 篁三兰 第二章有源箝位正激及推挽正激实验比较 随着v r m 输入电压的不断提高，输出电压的不断降低，传统的b u c k 电路拓扑已经 无法实现很好的电能变换与传输。隔离型的v r m 拓扑有几个显著的特点：1 可以为原副边 提供电气隔离；2r 可以通过调节变压器原副边匝比来使变流器效率优化；3 ，适台高电压输八 的场合：4 ，只需要很小的输入滤波器，从而提高了功率密度减小成本。因此隔离型拓扑 必将成为v r m 拓扑的一种理想拓扑。 本章简单分析了几种适合低压大电流v r m 隔离型拓丰 结构。包括：有源筘位正激拓扑， 推挽正激拓扑，并会别做出了1v 3 0 a 的v r m 实验样机。 第一节有源箝位正激拓扑 2 1 1 各种正激电路优缺点比较分析 正激拓扑由于其结构简单而广泛应用于二a c d c ，d c d c 场合下，功率一般在3 0 0 w 以 内。按照变压器的复位方式来划分，正激拓扑可分为以下几种常用形式：谐振复位正激，r c d 复位正激第三绕组复位正激，双管正激，有源箝位正激。 ( a ) l 皆振复位正激 1 ( e ) 有源箝位正激 醉 。1 “ 。 ( b ) r c d 复位正激 2 】【3 】 厂r 协 渖i ，。一， t 躐睡正瑶 f ? 婶 踊嘧 图2 i 正激拓扑的分类 1 0 ( f ) 有源箝位正激2 浙江丈学硕士学位论文第二章 图2 1 给出了几种常用的带磁复位功能的正激拓扑结构。图2 1 中所有拓扑副边均采 用同步整流为例。圈2 1 ( a ) 中的谐振复位电路中，如果电路工作足不完全复位状态，变压器 磁芯中就会存在较大的直流偏磁，且不同的谐振电容和激磁电感都会产生不同的v d s 。在 r c d 复位中，每个周期变压器漏感中的能量都会被电阻r 所吸收，并以热量的形式释放出。 阁此它只适台在对变流器效率要求不是很高的场合。而对高效率高电压调整率的v r m 来说， 显然是不适合的，且它的同步管自驱动也较难实现。采用第三绕组复位时，当输出太电流时， 在第三绕组中就会同时产生一个较大的复位电流，因而复位二极管上的导通损耗较大。图 2 1 ( d ) 中的双管正檄拓扑不论是控制上，还是元件数目上要比先前几种都要复杂，但是它也 是应用非常广泛的。它一个最大的特点就是原边管耐压较低，每个管的最大端电压为v i n 。 同时它的最大占空比d 必须小于o 5 ，很显然它不适合在输入电压范围较宽的场合，而且由 于原边有两个二极管，所以在输出电流很大的情况下原边的损耗也会很大。所以对v r m 并不是报台适。 有源箝位正檄拓扑( a c t i v ec l a m pf o r w a r d 树c f ) 是一种最理想的软开关拓扑，且可阻 工作在低压高频的场合【4 。结构有如图2 1 ( e ) ，( o 两种形式。其中圈2l ( f ) 只是为了箝位管 的驱动方便，而将图2 1 ( e ) 中的箝位管由上移至下。且用p m o s 代替n m o s 。 有源箝位正激主要有以下几个优点： ( 1 ) 占空比d 可在o 1 0 0 变化，适合宽范围输入场合，比如3 6 7 2v ， ( 2 ) 无损复位，这种有源器件复位的正激复位电路几乎是无损的，这是与其它复位方式所 不同的 5 】； ( 3 ) 在较重负载情况下，原边主开关和箝位开关都可以实现零电压开通( z v s ) ，适合在高频 场合从而提高效率i ( a ) c d r 拓扑结构 v g ( s r l ) v g ( s r 2 ) v g s l v g s 2 。 v 9 5 1 髟夕乡一 l hj l j 、h 、 一 一i l 霞 、 客亭 “i o。 ( b ) c d r 工作波形图 图2 2 倍流整流拓扑段波形图 对于隔离型低压大电流v r m 来说，电路主要的损耗都集中在副边的同步整流管卜。如 何减小副边同步整流管的损耗，成为提高变流器效率的关键。倍流同步整流( 如图 2 2 ( a ) ) ( c u r r e n td o u b l e rr e c t i n e r 栈d r ) 是最理想的副边整流拓扑结构l ：6 ：| 用。其主要优点有 ( 1 ) 变压器副边只需一个绕组，与中间抽头相比较，它的副边绕组数只有中间抽头的一半， 所以损耗在副边绕组的功率相对较小，且变压器制作比较方便，( 2 ) 输出电流纹渡很小；它输 出有两个滤波电感，两个滤波电感上的电流相加后得到最后的输出负载电流，电感上的电流 纹波有相互低消的作用，所以最终得到了很小舯输出电流纹波( 如图2 ( b ) ) ，( 3 ) 流过每个滤 波电感的平均电流只有输出电流的一半( 对称情况下) ；与中间抽头结构相比较，在输出滤波电 感上的损耗得到了明显的减小，( 4 ) 较少的大电流联结线( h j 曲c u r r e n ti n t e r c o n n e c t i o n ) ；在 倍流整流拓扑中，它的副边的这种犬电流联结线只有2 个，而在中间抽头的拓扑中有3 个， ( 5 ) 最后就是它的动态响应很好。它的缺点就是需要两个输出滤波电感，在体积上相对要大 浙江大学硐士学位| 仑文第二章 些，但是用集成磁( i n t e g f a l e dm a g n e t i c ) 方法，可以将它的两个输出滤波电感和变压器都集 成到同一个磁芯内，这样可以大大的减小变换器的体积，而它这种体积大的缺点也可以克服 【6 】 7 8 】 9 【1 0 】。 综上所述，有源箝位正激+ 倍流整流拓扑可作为一种理想的隔离型低压大电流v r m 拓 扑候选拓扑，也既是正反激式( f o n v a r d 日y b a c k ) 拓扑 11 【1 2 】。 ( a ) n 管箝位 图23 止反激式拓扑 ( b ) p 管箝位 图23 给出了两种不同结构的正反激拓扑电路结构，它们的工作原理是相同的，不同的 是：图2 3 ( b ) 中的箝位开关管s 2 ( p m 0 s ) 相对比较容易驱动，而( a ) 中的s 2 就需要有独立的自 举驱动芯片或驱动变压器来实现它的门极驱动，这样就相对较为复杂。且它们的箝位电容 c c 上的电压也不一样，图2 3 ( a ) 中由伏秒平衡原理得： 。d = k 。( 1 一d ) 因而有：k ：= 丁与吒 ( 2 11 ) 同样在图2 3 ( b ) 中： 。d = ( k 。一) ( 1 一d ) 氰k 户尚 ( 2 1 2 1 图2 3 ( d ) 为主开关管s 1 的占空比，但图2 3 ( a ) 和图23 ( b ) 中的主开关s 1 的耐压要求是一样的。 图23 ( a ) 中的： 肾叱= + 南叱= 尚 b ) 图2 3 ( b ) 中的： - 2 k 。2 尚 ( 2 ) 浙江大学硕士学位论文第二蕈 卜 、 h 、 ( a ) 占空比与输入电压的关系曲线图 ， v 凼1 ( b ) 箝位电容电压与输入电压关系曲线图 ( c ) 主丌关源漏极电压与输入电压关系曲线图 图2 4 与输入电压相关的函数曲线图 图24 给出的曲线圈是在v 0 = l v ，n = n p ：n s = 8 ：1 下算出的。由图2 4 ( c ) 可以看到，当输 入为7 2 v 时，v d s l = 8 7 v 。对器件的耐压要求并不是很高。图2 3 中灰色部分表示可以通过 磁集成来将输出滤波电压和变压器都绕制在同一副磁芯中。 但变压器漏感对整个电路工作都有报大的影响：正面的影响主要是能够通过漏感中的能 量来实现原边开关管的软开关，这一特性比较适合拓扑工作在高频场合；负面的影响主要包 括：( 1 ) 当漏感存储的能量与开关管输出结电容能量小平衡时就会产生直流磁偏，会导致磁 芯的饱和以及箝位开关失去z v t 工作状态的可能i5 1 ；理想情况下，如果a ；考虑变压器漏感和 开关管的寄生电容，认为变压器激磁电流在每个开关周期中的平均值等于零，这时就不存在 直流磁偏，但实际上，这两个寄生参数对电路的工作具有很大的影响。因此在设计的时候应 当选择台适的参数。 浙江大学硕士学位论文 第二章 且引m ( 6 f 咖熹彘 、 w d 如 最大直流磁偏：，m c m a x ，= 镌暑芝笔粤+ 旦 笔 r 215 、 f 2 16 、 其中e c s 表示的是开关管寄生电容在每个周期中的储能：e m 表示的是每个周期存储在变压 器漏感中的能量；l m 是变压器原边激磁电感置。 l l m 刀f 入 、f i 。 s l ，s 2 。 图2 5 直流磁偏的产生 ( 2 ) 由于漏感的存在，副边同步管的换流时问就会随着漏感中能最的增加而延长。这种情况 f ，传统的互补驱动的方法就不合适了。因为在换流期间，是靠副边整流管的体二极管来进 行的。这个期间如果时间太长，显然由体二极管带来的损耗就会增大。如图2 6 所示。 二掇管换流 l ： t 厂 ! 厂 ! h f ： t ! 丛：! l 堕! 1 7 s r 拱减 hh 一 1 厂： 菌卜1 “2 7 豳广蕾 寸删1 厂 ! 7 厂 ! l l广： l - 肆叫 7 ( a ) s r 体二极管导通换流( b ) s r 导通换流 图2 6s r 体二极管换流分析波形图 特别是在低压大电流v r m 中，当输出电流较大的情况下，由于漏感带来的换流使同步 管的体二极管导通的过程，在很大程度上影响了v r m 的效率且给散热也带来问题( 见图 6 ( a ) ) ，同时这个区间会随着负载的加重而增大。理想的驱动波形如图26 ( b ) 所示。在换流期 间应该使s r 继续导通换流，这就需要使s r l 的驱动门极脉宽加宽。这种驱动的实现是通过 采样s r l 上的电流来完成的。这种换流方式的优点是避免了体二极管的导通，提高了效率； 缺点是驱动电路比较复杂，不便于集成。具体的方法在的后面的实验中给出。 2 1 2 实验结果及样机 实验主电路拓扑及参数选择 根据上面的分析，制作了一个l v 3 0 a 的v r m 实验样机。丰电路拓扑如图27 所示。 4 浙江大学硕= 学位论文 第二章 _ t i v i n i “ l l 当串呷 图27 实验主电路拓扑及磁集成结构图 变压器原边绕组和剐边绕组分别绕制在中心柱和两个磁柱- ，这样的缺点是变压器原边 漏感较大；优点是原边制作起来比较方便，且原边绕组二的损耗较小。具体的电路参数如表 2l 中所示。 表2 1 实验电路参数 参数 符号数值( 型号) 单位 鬓藜鎏麴鬻蒸鬻! n3 6 7 2v j 鬟囊蒸蘸辫鼍 v ol v 黧瓣骥麟； l o 3 0a 黧凌缀麓隧 s 1 ，s 2 i r f 3 4 1 i 黧鳞麟醚萋 s r l ，s r 2 i r f 7 8 4 3 誉黪黧簿缫? 鬻鬟； f s2 5 0k h z 毒警蛰墨j i 瀣愁菇 e e 2 2 1 6 警黎裂鳓鬻1 自鬻瓣i n 2 n d ：n s 8 ：1 7 羹i 黧：_ | | 骖l 灏戳i 麟i l m 8 0 uh 羹漂熏测螽瀵蠹器i l ko6“h 鬻獭爨骥麟 c o 1 5 0 0 l uf 毽渤燃黪谬溪懋麟鼍臻 l 0 1 ，l 0 26 0 0n h 鳞溅懋测鬻蕤鬟 u c c 3 5 8 0 1 实验波形分析 图28 给出了主开管s l 育软开关过程，有源箝位正激拓扑不但是无损复位的，而且同 对还可以实现原边开关的z v t ，但是z v t 的实现与负载密切相关。图2 8 ( a ) 表示的是存轻 载时，并不能实现零电压开通，此时由于存储在变压器漏感中的能量不足以使s 1 实现零电 压开通。图2 8 ( b ) 是在负载较重下测得的，可以看到，s 1 可以在零电压下开通。 浙江大学硕士学位论文第二章 图 卜 ( b ) 重载时s 1 的v d s 及v g s 图28 主开关s l 的z v t 图2 9 是在传统互补驱动副边同步驱动管的源漏极波形图。在负载较重的情况下，电 流从整流管向续流管换流的区间较为明显，月这个期间会随着负载的加重而延长。严重的影 响了v r m 效率的提高。i 百m 图司以看出，续流管s r 2 在此换流期间内不存在体二极管通的 问题。因为它的门极驱动在这个期间内存在。 图2 9 副边同步整流管换流波形图 图21 0 是在改变了副边同步整流管驱动后测得的波形图。很明显与图2 9 相比较，可以 看出同步髂流管的门极驱动波形加宽了。因此在这个期间内是s r 导通的，而避免了体二极 管的导通。从而可以提高效率。但是要在输出端加上个电流互感器和相应的电路来实现驱 动的加宽。这样1 ；论是从成本还是可集成度r 来看，都是1 ：适合的。 国21 0 改驱动后整流管换流波形图 6 浙江大学硕i j 学位论文 第一二章 副边两个同步管的驱动电路如图21l 中所示。续流管s r 2 的驱动直接从它的d 端拉 出，当副边绕组同名端为正时，也即i 为正向流通时，经d 3 ，c 2 使三极管t 2 快速开通， 因而s r 2 门极电荷经r 3 和t 2 放掉苴至关断；当副边绕组同名端为负时，t 2 关断，t 1 开 通田而s r 2 门极电位被筘到c 上电压相同，s r 2 导通。这种驱动方案结构上相对比较简单， 比较易实现。图2l l ( b ) 是副边整流管f | ( 驱动电路，它是通过采样s r l 管的电流来实现驱动 的。二极管d 1 用过籍位副边电压到输出v 0 ，因为当j ”1 较大的时候，电流互感器的输出 就会变得很高，以至超过s r 的门极电压，而损坏s r 。这个时候，就必须将它箝位在某一 特定的电压源上。 协，例 s 蜩 ( a ) 续流管驱动电路 d 1 v u 委 ( b ) 接流管驱动电路 d 1v o 厂制_ g h 炳卜广嘶 一 ( c ) 整流管驱动电路2 嘲2 1 1 同步管驱动电路 二极管d 2 和电阻r 1 是用过实现互感器磁复位的，由于电阻的串入所以存在着一定的 驱动损耗。在输出电雎、，0 较高的情况下，| ；j j 以直接用来驱动，叫是当输m 电压较低时在 v r m 当中，输出电压都在几伏或是l v 以下，所以无法直接用这个电压来驱动同步管，凼 此电路中还需要加上图2 1l ( b ) 中影印部分的电路来完成较好的同步管的自驱动。 7 ： 浙江大学坝卜学位- 仑文 第审 这种方案虽然实现了整流管比较理想的驱动它也有自身的缺点。首先，电路结构比较 复杂：因为电流互感器的输出被筘位到v o = 1 v ，这个电；芷不足咀开通s r 。因此就耍加上后 面册影部分的电路来抬高电压；其次，体积的增大；电路巾加了。个电流互感器，和些二， 三极管电路，降低了功率密度。同时，| ：! = l 不利于功率模块的集成。且由于副边同步棒流管上 电流很大，所以检测起来不是根方便。冈此可以利j _ ； j 鹅流管驱动电路2 ，如图21 1 ( c ) 所 示。这种力案是通过检测变压器坂边绕组电流来驱动整流管的，这一蝗电路可加在电蹄的味 边比加在剐边实现起来要方便。r 互感的磁复位是通过i u 容c l 羽1 二二极管d 2 米实现的， 与前而的电阻复位比较，这种复位方式的几乎n j 以认为是无损的。 图2 1 2a c f 效率晌线图 图2 i3 副边电流驱动a c f 样机 浙江大学f i i jp 学位沦文第：辛 图21 4 原边电流驱动a c f 样机 图2 1 2 足实验测得的效率曲线图。满载时效率可以达到8 0 ，且足在自然冷却条件下 测的。图2 13 足副边采样电流型驱动a c f 样机图，驱动电路如图2 1 | ( b ) 中所示。图2 1 4 是能过采样原边绕组电流的电流型驱动a c f 样机图片。具体驱动电路立图21 1 ( c ) 中所示。 2 1 3 总结 有源筘位l i ：激f u 路由于其主电路结构简单，无损复位笛优点而r 泛应用丁中小功率场 台。且电路叮以工作在占空比d 05 的情况下，比较台适在宽范围电压输入的变流器当中。 有源筘位止激+ 倍流整流结构，即正反激式拓扑= | _ | 应用在低压大电流v r m 中。mr 变压器 原边漏感的存在当原边主开关关断后，副边同步整流管和续流管之间的抉流过程比较| ! j j 显， 且这一期问会随着负载的增大而延长，严重影响丁v r m 的变换效率。采埘电流型驱动后， 可解决这一问题。但是结构复杂，不易实现。集成也较朗难，成本高，功率南度低等不足： 最后给m 了实验效率曲线及两种驱动方案下的样机。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章 2 2 1 电路工作原理简析 第二节推挽正激 图2 ，1 5 推挽正激电路图【1 3 】图2 1 6 改进型推挽正激电路图【1 4 图2 15 是推挽正檄电路拓扑。这种拓扑的主要优点有：1 ) 输入电流纹波小，利于输入滤 波器的设计：2 1 原边开关管电压被筘位在2v i n ；3 ) 与有源箝位相比较，副边同步整流管上的电 流有效值较小。这种拓扑结构只是在原有的推挽电路上加了一个箝位电容c c ，且将开关管 s 2 上移。后来又有人提出了如图2 1 6 所示的改进型推挽正激拓扑结构。它是在推挽正激的 基础上多加了一个箝位电容，同时将原边两个绕组拆开。与推挽正激相比，改进后的这种拓 扑只是在平缓输入电流上的作用比较明显。但它的结构相对要复杂。在这里只对前一种推挽 正激作说明。 ( a ) 模式一：t 0 叫1( b ) 模式二：t 1 t