（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp高频通讯全桥开关电源的研究与设计.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl a r g e - s c a l ei n t e g r a t e c i r c u i t s ，m i c r o c o n t r o l l e ra n dd i g i t a ls i n g a lp r o c e s s o rc o n t i n u o u si m p r o v e t h ec o s t e f f e c t i v e ，d i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e dt o l a r g e a n d m e d i u m p o w e rh i g h f r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a la n a l o gc o n t r o l ，d i g i t a lc o n t r o lp o w e rs u p p l yh a s a d v a n t a g e ss u c ha sd e s i g nw i t haf l e x i b l e ，l e s se x t e r n a lc o n t r o lc i r c u i t ，t ob e u s e di nm o r ea d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m s ，a n dh i g hr e l i a b i l i t y h i g hf r e q u e n c ys w i t c hp o w e rs u p p l y , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so f l i g h t ，h i g he f f i c i e n c ya n ds m a l lo u t p u tv o l t a g er i p p l e ，n o wh a sb e e na p p l i e d s t e pb ys t e pi nt h en e wt y p ep o w e rs y s t e mo fm o d e mc o m m u n i c a t i o n d e v i c e s a i ma tt h ep r o b l e mo ft h eb i g g e ro fw a s t a g ea n dt h eb i g g e ro f o v e r s h o o ta n dt h eb a do fd y n a m i cs p e c i a l i t yi nt r a d i t i o n a ls w i t c h - p o w e r , u s i n gt h et e c h n i q u eo ff u l l b r i d g es o f ts w i t c hb a s e do nd s et h et e c h n i q u e o ff u l l b r i d g es o f ts w i t c hi s c o m p l e t e db yt h ea p t i t u d ed s ps y s t e m ， s a m p l i n gd i f f e r e n t i a ls i g n a lt r a n s m i s s i o n ，a d o p t i n gf u z z ya d a p t i v ep i d c o n t r o l a r i t h m e t i c ，p r o d u c i n gd i g i t a lp w mw o r kw i t hd r i v ec i r c u i t t o c o n t r o lf u l l b r i d g es w i t c h i tw i l lu s et h ep o w e rf a c t o rc o r r e c tw h i c ha d o p t t h e a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u e ，w h i c hc a nm a k ec u r r e n tf o l l o w v o l t a g ea n dm a k et h ep o w e rf a c t o rr e a c h1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nf r o m m a t l a bt om a k ec l e a rt h a t f u z z ya d a p t i v ep i da r i t h m e t i ch a s b e t t e r c a p a b i l i t y i n o v e r s h o o t ，a d j u s t - t i m e ，d y n a m i cs p e c i a l i t y r e l a t i v et o t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la r i t h m e t i c o nt h eb a s eo ft h e o r yo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , t h ep a p e rc o m p l e t e s t h ed e s i g no fm a i nc i r c u i t ，a s s i s t a n tc i r c u i t ，c o n t r o l l o o p ，s o f t w a r e ，a n d c o m p l e t e s t h es i m u l a t i o nw i t hm a t l a b f o c u s e so n h i g h f r e q u e n c y t r a n s f o r m e rd e s i g na n df u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri m p l e m e n t a t i o n a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ya n dc o n t r o lc i r c u i th a v eb e e nd e s i g n e di n t ob o a r d s ， a n dd os o m ew a v e f o r ma n a l y s i sa n dr e l a t e de x p e r i m e n t sb a s e do nt h i s c i r c u i t k e yw o r d s f u l l - b r i d g es o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , d s p , f u z z y a d a p t i v ep i d ，h i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：逝 日期：础年月4 日 | 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者繇邋导师签名烨嗍哗年互月争日 l， 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 伴随着现代社会的飞速发展，通信技术己由l g 时代跨越到了如今的3 g 时代。 为了适应通信技术的发展，对于通信的能源系统一电源也提出了更高的要求。通 信电源是确保通信设备正常运行的关键设备，常称为电信网的“心脏 【l 】【2 1 。近 年来，通信网络总体规模不断扩大，网络结构日益复杂，通信产品如交换机、接 入网、会议电视以及传输网及其终端设备等都已达到或接近世界先进水平。而相 对于通信技术的飞速发展，通信电源系统的技术水平却相对落后。传统通信电源 无论从供电制式还是从电源设备的技术性能指标方面看，都还不能满足快速变化 的电信网络的技术要求。通信电源与其他通信设备技术档次的不协调，严重威胁 着电信网的稳定运营。未来通信电源的发展趋势为：高效率、高频化、模块化、 智能化及标准化。因此，开发研制高可靠性、高可用度和高性能的新型智能化高 频开关通讯电源己成为各大通讯设备制造厂商及研究机构的攻关课题。 1 2 通信开关电源概述 随着通信事业的快速发展，开关电源系统也在不断地更新换代。特别是进入 二十世纪九十年代以来，经过几年的不懈努力，国内许多电源生产厂家不断吸收 国外的先进技术，研制生产出自己的= ) ：关电源产品，并推出具有功能齐全、性能 优越、质量可靠、智能型无人值守等特点的电源产品。同时，由于信息业的巨大 发展也对电源系统提出了新的需求，例如：多种物理设备放在一起，有电磁兼容 的需求和机房面积和承重的要求；网络设备种类变多使电源的负载变大，负载种 类变多，对电源效率和种类有要求；机房和基站数目增多，对电源的可靠性和易 维护性提出更高的要求，以满足无人值守需要。电源工作环境的差异对电源的应 用环境也提出了新的需求，如更强电网适应能力、环境适应能力等。电源是整个 信息网络的动力心脏，新的网络需要更可靠的电源。另外，随着运营商的全球化 的趋势，电源设备也需要满足全球不同市场对产品的特殊要求。 2 0 世纪推动丌关电源性能和质量不断提高的主要技术有以下几个方面： 1 、新型高频功率半导体器件的推广 如功率m o s f e t 和i g b t 已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开 关电源工作频率可达到4 0 0 k h z ( a c d c 开关变换器) 和1 m h z ( d c - d c ) 开关变换器， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和m o s f e t 同步整流技术的 开发，也为研制高效低电压输出( 3 v ) 的丌关电源创造了条件。 2 、软开关技术的应用 p w m 开关电源按硬开关模式工作( 开关过程中，电压下降上升下降波形有 交叠) ，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更 大了( 功耗与频率成正比) 。为此必须研究开关电压电流波形不交叠的技术，即 所谓零电压( z v s ) 零电流( z c s ) 开关技术，或称软开关技术( 相对于p w m 硬开关技 术而言) 。由于在开关过程中，电流和电压没有交叠，因此可以认定在开关过程 中没有功率损耗，这对于提高变换器的效率及提高开关频率具有重要的意义。 3 、有源功率因数校j 下技术的应用 由于输入端有整流元件和滤波电容，单相a c - d c 开关电源及一大类整流电源 供电的电子设备，其电网侧( 输入端) 功率因数仅为0 6 5 。用有源功率校j 下技术 ( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) ，简称a p p c ，可提高到0 9 5 一o 9 9 ，既治理 了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。单相a p f c 是d c d c 开 关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相a p f c a 则是三相p w m 整流 丌关拓扑和功率冈数控制技术的结合。 4 、控制技术的发展 电流型控制及多环控制( m u l t i - l o o pc o n t r o ) 己得到较普遍应用；电荷控制 ( c h a r g ec o n t r 0 1 ) ，单周期控制( o n e c y c l ec o n t r 0 1 ) ，无源控制，滑模变结构 控制，数字信号处理器( d s p ) 控制等技术的丌发及相应专用集成控制芯片的研制， 使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。 5 、电源智能化技术和系统的集成化技术的应用 开关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化技术以及电力 电子系统的集成化与封装技术等。 通信用高频开关电源向集成化、小型化方向发展将是未来的主要趋势，功率 密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有出 现新的突破之前，重大的技术进展可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何 提高效率和减小重量。因而工艺技术也将会在电源制造中占的地位越来越高。另 外数字化控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向，这将有赖于 d s p 运行速度和抗干扰技术的进一步提高。 1 3 数字电源技术的发展概述 数字电源就是数字化控制的电源产品，它能提供配置、监控和管理功能，并 延伸到对整个回路的控制。也就是说，数字电源包括两部分：p w m 反馈回路的全 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 数字控制，电源管理与通信。数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信 部分。在简单易用、参数变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因 为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现，而在可控因素较多、实时反应速度 更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具 有优势。此外，在复杂的多系统业务中，相对模拟电源，数字电源是通过软件编 程来实现多方面的应用，其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工 作参数，优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，它还可以减少外围器件的 数量。 数字电源是一种新技术，现阶段其发展受到人们对它的一些误解而比较难推 广： 1 、数字电源的成本很高 过去，当人们一说到“数字 ，首先就会认为成本高于传统的模拟解决方案 一较之数字解决方案具有的其他优点，譬如尺寸缩小、具有灵活性与适应性、可 靠性增强、诊断功能及扩展功能，成本高是一大负面冈素。不过与使用所占空间 较大的专有技术制造的模拟反馈回路相比，利用市场上现有的c m o s 技术实现数 字反馈回路所需成本较少。另外，采用真正数字电源的解决方案整体成本比其他 现有方案低得多。 2 、设计数字电源非常复杂 人们有一种观点，认为电源设计人员天生就是模拟技术设计人员，从而不想 处理编程带来的复杂性。实际上，编程并不是意味着编写代码，其实只是处理向 导程序驱动的图形用户界面( g u i ) ，以获得各种系统级优点，其中包括： ( 1 ) 通过实时遥测技术简化了系统级温度管理； ( 2 ) 通过实时遥测技术提高了在故障出现前事先预测的可靠性； ( 3 ) 通过在最终模块或者主板测试阶段完全自动化的检查和可变电阻器微 调等功能提高可制造性。 实际上，数字电源迟迟得不到接受是因为顾客认为数字技术未得到证明、技 术复杂及成本高昂。这不足为奇，因为业界在7 0 年代末遇到了相似的情况：当 时电源从线性改为开关式，而最初开关式也被认为价格昂贵、不可靠( 输出噪音 大) 。不过，一旦顾客认识到开关式电源所具有的优点( 性能更高、尺寸更小) ，并 且学会了如何实施新的开关式电源技术，线性也源很快就被淘汰了。几年后，随着 顾客熟悉其具有的优点、市场上出现更多的提供商和解决方案、看到无需额外成 本就能带来的比模拟解决方案更好的效果，数字技术也将会出现类似的转型。 目前数字电源技术并非十分成熟，实现全数字化控制还存在许多难点，需要 有大的突破。具体包括以下几个方面： 3 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 、数字信号处理速度与高频开关的开关速度不相称。 2 、变换器的开关动作对采样的严重干扰。 3 、检测信号的量化误差导致输出响应极限环振荡，从而会大大降低控制精 度。 4 、高速运行下数字p w m 分辨率急剧下降。 目前，国内外学者针对以上问题提出了许多的解决方案【3 。9 1 ，通过这些解决 方案进一步推动了数字电源技术走向成熟。 同时，基于数字控制方式，一些先进的控制方法逐渐应用于数字电源控制中， 以提高电源的动态响应性能，如安森美公司提出改进型v 2 控制，仙章公司提出 v a l l e y 电流控制，i r 公司提出多相控制，并且美国的多所大学也提出了多种其 他的控制思想【1 0 14 1 。特别是模糊控制在数字电源中的应用，由于该控制方法能够 弥补传统p i d 控制在高性能开关电源中存在的缺陷，近年来一直成为围内外学者 的研究热点，并在各种数字电源拓扑中得以实现【1 5 18 1 。 1 4 论文的选题意义及研究内容 1 、选题意义 随着信息化、互联网、自动化技术的发展，作为大系统的能黾提供者一电源， 其可靠性、稳定性、可控性、可检测性越来越重要f l9 1 。而数字式的电源能实现 快速、灵活的控制设计，能较好的改善系统的动态响应及提高系统的可靠性，并 能将先进的控制算法融入其中，而且还能监控多部件的分命电源系统，减少产品 测试和调整时i h j ，使产品生产率更高。全数字化控制开关电源是目前研究较热门 的一个话题，也是高频开关电源未来的发展趋势之一【2 0 1 【2 l j 。 2 、研究内容 本文以设计一款4 8 v 2 0 a ( 9 6 0 w ) 的数字式a c d c 高频通信开关电源模块为 目标，开关频率选为i o o k h z 。重点研究开关电源中的主电路各电路模块的设计 工作、移相全桥软开关d c d c 变换技术及数字化实现、模糊控制技术在丌关电源 控制中的应用、开关电源中磁性元件的设计等内容。 本文的主要内容： ( 1 ) 介绍通信开关电源的原理、常用器件以及开关电源拓扑结构，对移相 全桥z v s d c d c 主电路工作的各个状态进行了详细的分析，并对副边占空比丢失 问题的原因进行了说明，并提出了常用的解决办法。 ( 2 ) 设计通信高频开关电源主电路、控制电路以及有源功率因数校正电路， 并给出高频变压器的设计步骤以及各主电路模块各功率器件的选型及参数设计。 ( 3 ) 基于t i 公司数字信号处理器d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) ，分析了使用d s p 实 4 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 现移相控制的策略，提出了基于d s p 全比较单元的直接移相脉冲生成方法，引入 了智能控制技术，以模糊自适应p i d 控制算法取代传统的p i d 算法，提高了开关 电源的动态性能，如减小了负载变化时的输出电压恢复时间，减小了电源启动时 输出电压的超调量。 ( 4 ) 外扩1 6 位差分a d 转换器a d s 8 3 6 5 进行信号的采样及a d 转换，采样信 号传输采用差分信号传输，具有较高的信号稳定性及抗干扰性。 ( 5 ) 用示波器观察辅助电源的输出电压及开关管波形，进行相关的电路分 析。在控制电路中进行基于d s p 的嵌入式软件设计，进行相关的实验分析。 中南人学硕士学位论文第二章开关电源技术的理论分析 第二章开关电源技术的理论分析 2 1 开关电源的基本原理、基本拓扑结构 2 1 1 开关电源的基本原理 现在，人们简称a c d c 开关稳压( 整流) 电源为开关电源f 2 2 1 。它必须同时 具备三个条件：开关( 电路中的电力电子器件必须工作在开关状态而不是线性状 态) ，高频( 电路中的电力电子器件必须工作在高频状态而不是接近工频的低频) 以及直流( 电源的输出是直流而不是交流) 。其丌关电源基本稳压原理如下图2 1 所示【2 3 1 ： 图2 - 1 开关电源基本稳压原理框图 从上图分析可知开关电源基本工作原理为开关k 以一定的时间间隔重复的 接通和断开，在丌关k 接通时，输入电源e 通过接通的开关以及输出滤波电路 给负载供电，在整个开关接通的过程中，电源e 给负载提供能量；当开关k 断 开时，输入电源e 便中断了能量的供应。由此可见，输入电源e 向负载提供能 量是断续的，为使负载能得到连续的能量供应，开关电源必须要有一套储能装置， 在开关k 接通的过程中储存能量，并在开关断开的过程中为负载提供能量。在 上图中，电感l 、电容g 以及二极管d 所组成的电路就具有这种功效。电感l 用以储存能量，在开关断开时，储存在电感l 上的能量通过二极管d 释放给负 载，使负载得到连续而稳定的能量。 2 1 2 开关电源的基本拓扑结构 功率变换电路中，目前应用最多的就是脉冲宽度调制型( p w m ) 稳压电源 功率转换电路【3 ，常见的开关电源功率变换电路拓扑有单端反激、单端正激、 6 中南人学硕十学位论文第二章开关电源技术的理论分析 推挽式、半桥式、全桥式电路等【3 2 】。 ( 一) 单端反激式变换器 图2 - 2 单端反激变换器 单端反激式变换器中，该图中开关管q 在一定占空比的脉冲驱动下导通或 关断，输入直流电压v 被变换成高频交流方波电压，经变压器给输出电容和负 载提供能量。其中电路中的变压器是电感储能式变压器，它不仅有传输能量的作 用还有储存能量的作用。当开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤 波电容提供；当开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容， 以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量，因此该拓扑中不需要输出滤波电 感，使反激变换器成本降低，体积减少。 单端反激式变换器在输出功率为5 一1 5 0 w 电源中应用非常广泛，对多路输 出具有较好的自动平衡能力，所以它最适合于多路输出的d c d c 变换【2 4 1 。此外， 反激变换器不需要高压续流二极管，它广泛应用于高电压、小功率场合。 ( 二) 单端正激式变换器 【 引 渺 牛 n s l 图2 - 3 单端正激变换器 单端正激式变换器与反激式变换器不同之处是在开关管导通期间输入端电 源经变压器向输出滤波电容和负载提供能量。在上图所示结构上，正激变换器结 构中变压器增加了一个去磁线圈，哆的匝数与虬相同，其作用是在开关管 7 中南人学硕士学位论文第二章开关电源技术的理论分析 关断期间使变压器磁：芯复位。单端j 下激式变换器的工作可靠性很高，因而其应用 非常广泛，是通信开关电源整流模块逆变开关电路的优选方案之一。在最大直流 输入电压为6 0 - - - 2 0 0 v ，输出功率为1 5 0 - - - 2 0 0 w 的场合，j 下激变换器可能是应用 最广泛应用的场合。 ( 三) 推挽式变换器 t o l ，即 乞( 删) 2 ( 2 5 ) 在这段时问里，原边电流等于折算到原边的滤波电感电流，即 f 。( ，) = l l f ( ，) k ( 2 6 ) 在t ：时刻，原边电流下降到厶。 4 、开关模态3 f ：，t ， ：滞后臂谐振过程 如图2 8 所示，在f ：时刻，关断q 4 ，原边电流f p 转移到c 2 和c 4 中，抽走c 2 上的电荷，同时又给c d 充电。原边的电流流向即：卜e - a r b _ n s ( h ) 。 由于c 2 和c 4 的存在，幺的电压是从零慢慢上升的，因此q 是零电压关断。此时， v , 4 口= - v c , ，口的极性自零变为负，变压器副边绕坌f te g 势下正上负，整流二极管 d r ：导通，副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，v 月丹直接加在谐振电感上， 因此在这段时间里实际是谐振电感和c 2 、c 4 在谐振工作。原边电流f p 和电容 c 2 ，c 4 的电压分别为 i p ( f ) = 1 2 c o s c o ( t 一，2 ) ( 2 - 7 ) k = z p l 2s i n o ( t f 2 ) ( 2 8 ) k = 吆一z _ p 厶s i n c o ( t t 2 ) ( 2 9 ) 式中z p = l 一。丽。 丝挚喏 中南人学硕+ 学位论文第二章开关电源技术的理论分析 在t ，时刻，当c 4 上的电压上升到，c 2 上的电压降到零，d 2 自然导通，结 束这一开关模态。其持续的时间为 铲扣1 轰 浯 彩 么一， 5 、开关模态4 ，3 ，f 4 ：谐振结束时，原边电感储能返回电网过程 如图2 8 所示，在f 3 时刻，皿自然导通，将q 2 的电压钳在零电位，此时就 可以开通q 2 ，q 为零电压开通。q 2 和q 的驱动信号之间的死区时间乙( 垤) t 2 ， 即 t d ：一s i n l 生 ( 2 一l1 )(1a21ag)，2 i m 一袁 心。1 虽然此时q 已开通，但q 不流过电流，f 口由岛流过，谐振电感的储能回馈 给输入电源。原边的电流流向为：g e a r b f - - h 。由于副边两个整流管 同时导通，因此变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，这样电源电压 加在谐振电感两端，原边电流f p 下降。 御：( 岛) 一争( ) ( 2 - 1 2 ) 到，。时刻，原边电流从f 口( f 3 ) 下降到零，二极管d 2 和d 3 自然关断，鲮和q 中将流过电流。该阶段的持续时间为 t 3 4 = i p ( t 3 ) ( 2 一1 3 ) 6 、开关模态5 t 4 ，f 5 ：原边电流下冲过零后开始负向增大过程 如图2 - 8 ，在f 。时刻，原边电流由正方向向负方向增加，流经q 2 和q ，即： h b _ r _ a p - _ g 。由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两个整 流二极管提供回路，因此原方绕组电压仍然为零，加在谐振电感两端电压是电源 电压，原边电流反向线性增加。 ：一争( t - - t 4 ) ( 2 - 1 4 ) 到，时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流一l ，( ，) k 值，该阶段结束。 此时，整流管础关断，d r 2 流过全部负载电流。该阶段的持续时问为 k ：型坐坐( 2 - 1 5 )k2 彳- ) 7 、开关模态6 f 5 ，。 ：原边电流i p 负半周功率输出过程 电源给负载供电，原边电流为 1 6 中南大学硕士学位论文 第一二章开关电源技术的理论分析 i p ( t ) = 一i v - a 面- k v o o 一岛) ( 2 1 6 ) 因为l ，可简化为下式r kl ( ，) ：一兰学。一岛) ( 2 1 7 ) 1 u 7 在，。时刻，q 关断，变换器开始另半个周期的工作。下面简要的介绍下下 半个周期的工作过程： 8 、开关模态7t = t 6 开始，开关管q 3 关断，结电容c l 、c 3 和谐振电感谐振， c l 放电，c 3 充电。结电容c 3 使q 3 在关断过程中，电压不能突变，实现了开关管 的零电压关断。当c l 放电到零时，开关管q i 的体二极管d l 因为电感的续流作用 而导通，为q l 的零电压开通创造条件。 9 、开关模态8 ，= t 7 开始，关断开关管q ，结电容c 2 、c 4 和变压器谐振电 感谐振，c 2 充电，c 4 放电，当c 4 放电到零的时候，q 4 的体二极管d 4 导通，为q 4 的丌通创造零电压丌通条件。 1 0 、开关模念9t = f 8 开始，一次侧电流i p 由负变正，d l 、皿换流到q l 、q ， q l 和q 4 为零电压开通，原边电流以一定的斜率上升，此阶段副边电压仍旧保持 为零，输出滤波电感通过二次整流管续流。 “、开关模态1 0t = r 9 ，二次侧电压建立，输入电压通过q 和q 向负载传 输能量。继而又转入前半周期过程。 2 5 移相控制z v sp w m 全桥变换器的分析 2 5 1 零电压开关条件及实现 由上节的分析可知，开关管在其输出结电容作用下是零电压关断的。而零电 压开通是通过线路电感和输出结电容产生谐振实现的l j 。要实现丌关管的零电 压丌通，必须有足够的能量来抽走将要开通的丌关管结电容( 或外部附加电容) 上的电荷，并给同一桥臂己经关断的开关管结电容( 或外部附加电容) 充电。同时， 考虑到变压器的原边绕组电容，还要一部分能量来抽走变压器原边绕组寄生电容 c n 上的电荷。即必须满足下式： e - c j 屹2 + 2 ( 2 1 8 ) 超前桥臂容易实现z v s 。这是因为在超前桥臂= 丌：关过程中，输出滤波电感0 是与谐振电感串联的，此时用来实现z v s 的能量是0 和中的能量。一般来 1 7 中南大学硕十学位论文 第二章开关电源技术的理论分析 说，三，很大，在超前桥臂开关过程中，其电流近似不变，等效于一恒流源。滞 后桥臂实现z v s 比较困难。这是因为在滞后桥臂开关过程中，变压器副边是短路 的，此时整个变换器就被分成了两部分：一部分是原边电流逐渐改变流通方向， 其流通路径由逆变桥提供；另一部分是负载电流由整流桥提供续流回路，负载侧 与变压器原边没有关系。此时用来实现z v s 的能量只能是谐振电感中的能量，如 果不满足式( 2 1 8 ) ，那么就无法实现z v s 。由于输出滤波电感，不参与滞后桥 臂z v s 的实现，较超前桥臂而言，滞后桥臂实现z v s 要困难得多。 改善滞后桥臂实现z v s 的措施有以下几种1 4 0 j ： ( 1 ) 减小滞后桥臂谐振电容：在使用m o s f e t 的场合下，选用漏源极寄生 电容小的管子，但对m o s f e t 来说，小的漏源极寄生电容往往也意味着高的导通 压降和导通电阻，使通态损耗增加； ( 2 ) 增大谐振电感：增大原边谐振电感的储能，但较大的谐振电感，导致 较大的占空比丢失和较严重的副边振荡，谐振电感的增大受到限制； ( 3 ) 滞后桥臂加辅助换流网络：辅助网络小增加控制的复杂性，但会造成 过大的额外损耗，且电路增加了器件，增加了布线的复杂性。 2 5 2 副边占空比丢失 ( 一) 、副边占空比丢失原因 副边占空比丢失是指副边占空比d 。小于原边占空d 。，即皿_ d 。，其差值 就是副边占空比丢失d ，。 = d 。一乜 ( 2 1 9 ) 副边占空比丢失的原因是：存在原边电流从正向( 或负向) 变化到负向( 或正 向) 负载电流的时问。在这一时段罩，虽然原边有正电压方波( 或负电压方波) 。 但原边不足以提供负载电流，副边整流桥的所有二极管导通，负载处于续流状态， 整流桥输出电压为零。这样副边就丢失了这部分电压方波。根据经验，谐振电感 越大，频率越高，输入电压越低，负载越大等所引起的副边占空比丢失越严重。 在输入电压最低，负载电流最大时，占空比的丢失最为严重。 ( 二) 、副边占空比丢失所带来的问题 d ，的产生使d 。减少，为了得到所需要的输出电压，就必须减少原副边的 匝比。而匝比的减少又带来以下几个问题： 、增加副边电压的幅值，增加了整流管的反向电压； 、增加了原边电流，提高了功率管的电流定额，通念损耗加大； 、增大了原边电感在副边的折合值，加剧了副边震荡。 1 8 中南人学硕十学位论文第二二章开关电源技术的理论分析 ( 三) 、减少副边占空比丢失的方法 在丌关频率、输入母线电压圪、最小z v s 电流k 坶一定的条件下，减小占 空比丢失有以下方法： 、减小来减小占空比丢失，减小，的后果是减弱滞后桥臂的零电压开 关条件。 、用饱和电感代替线性谐振电感来减少占空比丢失，这是因为，对于饱和 电感，当其上通过电流小于临界饱和电流时，其电感为一恒定值，储能正比于通 过电流的平方。当其上通过电流大于临界饱和电流时，其电感量降为接近于零， 储能维持恒定不变。 2 6 本章小结 本章介绍了高频丌关电源的工作原理、设计步骤以及常用的半导体功率器 件，阐述了常用的五种隔离式变换器的拓扑、基本工作特性以及它们的适应范围， 介绍了软开关技术以及它们的不同种类。还介绍了移相全桥软开关p 1 】i m 变换器的 结构，重点介绍了移相全桥功率变换z v s d c d c 变换器的工作原理以及该结构中 超前臂和滞后臂实现z v s 的条件，并就副边占空比丢失问题，结合相关文献，给 出了常用的解决办法。 1 9 中南大学硕十学位论文 第三章移相全桥软开关p w m 变换器设计 第三章移相全桥软开关p w m 变换器设计 3 1 设计参数选定 针对4 8 v 2 0 a 的通讯高频开关电源，其主电路采用移相式全桥变换器拓扑。 其设计指标如下【4 1 】： l 、输入交流电压：a c 2 2 0 v 2 0 2 、输入直流电压：d c 4 0 0 v 3 、输出直流电压：d c 4 8 v ，波动范围( 4 3 v 一5 8 v ) 4 、输出直流电流：d c 2 0 a 5 、开关频率：1 0 0 k h z 6 、效率：9 0 7 、最大温升：4 0 0 c 8 、冷却方式：自然通风 为了便于后面的设计，我们先做如下的基本计算： 1 、最大输出功率：t o 。= i o 。= 2 5 5 8 = 1 4 5 0 w 2 、额定输出功率：t o = i oxu o = 2 0 4 8 = 9 6 0 w 3 、最大输入功率：吃= 。= 1 4 5 0 0 9 = 1 6 11 w 4 、额定输入功率：只= = 9 6 0 0 9 = 1 0 6 7 w 5 、最大输入电流：l = 已u , 。i 。= 1 6 1 1 1 7 6 = 9 2 a 6 、额定输入电流：，= 只u j = 1 0 6 7 2 2 0 = 4 8 5 a 3 2 高频变压器的设计 4 2 - 4 6 1 高频变压器是丌关电源中的核心元件，许多其他的主电路元器件的参数设计 都依赖于变压器的参数。高频变压器在开关电源中的主要目的是传输功率，将电 源的能量瞬时的传输给负载，此外，变压器还提供其它重要的功能：l 、通过改 变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压；2 、增加多个不同匝数的次级，获 得不同的多路输出电压；3 、为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地， 变压器方便的提供安全隔离。变压器设计的好坏不仅影响变压器本身的发热和效 率，同时也影响到丌关电源的技术性能和可靠性。 高频变压器工作时的电压、电流都不是正弦波，因此其工作状况同工频变压 器是很不一样的，设计公式也不一样。 中南大学硕士学位论文第三章移相伞桥软开关p w m 变换器设计 设计变压器的步骤为： ( 1 ) 变压器匝比； ( 2 ) 铁心的形式和尺寸； ( 3 ) 各绕组匝数； ( 4 ) 导体截面积和导体结构。 1 、匝比 匝比计算的原则是电路在最低输入电压和最大占空比的条件下，输出电压能 达到要求的上限，考虑到电路的压降，输出电压应留有裕量，即满足 k 垡型坠( 3 1 ) 圪+ + 圪7 其中k 为变压器原副边匝比，f m j 。，为输入电压的最小值，巩弘为副边最大 占空比，v o 为输出直流电压，为输出整流二极管的通态压降，为输出滤波 电感，上的直流压降。 - 考虑到移相控制方案存在副边占空比丢失现象，选择副边最大占空比为 o 8 5 ，吃( 。抽) 为p f c 输出电压的最小值3 8 0 v ，假设输出整流二极管通态压降为 1 5 v ，输出滤波电感上的直流压降为0 5 v ，则 k ! ! q 兰q ：墨兰：5 3 8 5 8 + 1 5 + o 5 在实际中选择匝比为k = 6 。 2 、铁心的选取 计算出匝比后，可根据以下公式选取合适的磁芯 掣乒矗纛 。乏) 式中，以为磁芯磁路截面积；以为磁芯窗口面积；弓为变压器传输功率； z 为开关频率；a b 为磁芯材料所允许的最大磁通密度的变化范围；吃为变压器 绕组导线的电流密度；疋为绕组在磁芯窗口中的填充因数。 本电源中变压器的传输功率弓为9 6 0 w ，开关频率z 为1 0 0 k h z ，考虑到实 用性和可购买性，磁芯材料选为铁氧体，其a b 取o 2 t ，导线电流密度以选取 4 a m m 2 ，窗口填充因数包选取0 5 ，将数据代入公式( 3 2 ) 得到4 4 2 4 c m 4 。 根据以上的计算并根据铁氧体磁芯生产产家提供的技术手册，我们可以选择 p q 5 0 5 0 磁芯。其中4 = 3 2 8 c m 2 ，a 。= 4 3 3 c m 2 ，可以满足设计要求。 3 、各绕组匝数 选定磁芯后，便可以计算绕组匝数。计算副边匝数为 2 l 主堕- 人堂堡主堂位论文第二章移相全桥软开关p w m 变换器 攻计 一 ： 2 = v o m a x = f 5 砭8 2 f s a b a , 2 x 1 0 0 x 1 0 x 02 x 3 忑2 8 x 1 0 = 4 4 ( 3 3 ) z 3 一4 h 。 j j ， 实际选取变压器副边绕组匝数2 = 5 。由于变压器的匝比为k ：6 ，则变压 器原边绕组匝数为i = 3 0 。 4 、导体截面积和导体结构 额定负载时变压器原边电流有效值为 2 i 1 4 0 p o = 警以5 4 么 俘4 ) 导线电流密度以选取4 a m m 2 ，得原边导线截面积计算如下 伽孕= 孚_ o 9 耐 ( 3 - 5 ) 考虑高频时导线的集肤效应，导线的穿透深度 ：等：o 2 2 聊脚 ( 3 删 心js 绕组导线的线径应该小于两倍的穿透深度，如果采用铜箔绕制，铜箔的厚度 应该小于两倍的穿透深度f 3 8 】。 查导线规格表5 0 1 ，取矽o 4 的铜线8 股并绕3 0 圈，或采用里兹线绕制。 变压器副边有两组绕组，构成全波整流电路，因此副边绕组最大导电电流有 效值为 矿丁0 6 3 2 。= 半- 3 聊2 仔7 ) 副边取矽o 4 的铜线2 6 股并绕5 圈，或采用里兹线或铜箔绕制。 变压器结构如图3 1 所示。 图3 - 1 变压器结构 2 2 中南人学硕十学位论文第三章移相全桥软开关p w m 变换器设计 3 3e mi 设计 随着各种电子设备、电视网络、程控交换机、移动通信机及办公自动化的日 益普及，电子系统中的电磁环境越来越复杂，电磁干扰( e m i ) 现象同益严重， 并且成为影响系统正常工作的突出障碍。电磁干扰( e m i ) 泛指电子装置所产生 的电磁波对周围电子装置的干扰能力1 4 7 1 。产生电磁干扰必须具备三个条件：干 扰源、干扰通道和易受干扰设备。因而抗干扰设计的基本原则和措施是：抑制干 扰源、切断传播途径和提高敏感元器件的抗干扰性能。消除干扰应主要从产生干 扰的部件、传播噪声部位及公共结合部分入手。开关电源的电磁兼容( e m c ) 设 计应考虑滤波器、高频变压器、软开关技术、p c b 布线的e m c 设计等【4 引。本文主 要讨论电源输入端e m i 滤波器的原理及设计。 开关电源产生的噪声包括共模噪声和差模噪声卜w 。共模噪声是由于载流体 与大地之自j 的电位差产生的，其特点是两条导线上的杂讯电压是同电位同向的； 而差模噪声则是由于载流导体之间电位差产生的，其特点是两条导线上的杂讯电 压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。在一般 情况下，差模干扰幅度小、频率低，所造成的干扰小；共模干扰幅度大、频率高， 还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰大。为此应在电源输入端加滤波器，滤 波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害实现的衰减越理想，得到的插入损耗特 性也就越好。也就是说，如果噪声源内阻是低阻抗的，则与之对接的e m i 滤波器 的输入阻抗应该是高阻抗的( 如电感量很大的串联电感) ；如果噪声源内阻是高 阻抗的，则e m i 滤波器的输入阻抗应该是低阻抗( 如容量很大的并联电容) 。由 于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会相互转变，情况十分复杂。开关电源 中常用的e b l i 滤波器结构如下图所示： 图3 - 2e m i 滤波器 e m i 滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号 顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。本论文所采用的e m i 滤波器原理与图3 - 2 一样，具体设计图请参考后续的有源功率因数校正电路图。 中南大学硕士学位论文第三章移相全桥软开关p w m 变换器设计 3 4 有源功率因数校正电路设计 3 4 1 功率因数校正技术 开关电源的电磁干扰是其主要缺点之一。开关电源多数是通过整流器与电 力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网 中会产生大量电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。传统的丌关电源 存在一个致命的弱点，即功率因数较低，一般仅为0 4 5 - 0 7 5 ，而且其无功分 量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的9 5 ，五次谐波的幅 度约为基波幅度的7 0 ，七次谐波的幅度约为基波幅度的4 5 ，九次谐波的幅度 约为基波幅度的2 5 高次谐波的危害在很多文献中已有论述，这罩不再赘述【5 0 1 。 抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用无源滤波或 有源滤波电路来旁路或滤除谐波；二是主动法，即设计新一代高性能整流器，它 具有输入电流为难弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即具有功率因数校 正功能。国外改善开关电源功率因数工作的重点，主要是功率因数校正电路拓扑 结构的研究和功率因数校萨控制集成电路的开发，国内一些厂家也做了类似的工 作。采用功率因数校正电路的开关电源，其功率因数可达0 9 5 - 0 9 ，近