（电工理论与新技术专业论文）一种dcdc开关变换器建模方法研究.pdf

a b s t r a c t m o d e l i n ga n a l y s i sd c - d cs w i t c h i n gc o n v e r t e r si st h ek e ys t e pt os t u d y , a n a l y z e a n dd e s i g ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et r a d i t i o n a li d e a lm o d e l a n dt h ea c t u a ln o n i d e a lc o n v e r t o ri s8p r o b l e mt h a tc a n n o tb ei g n o r e dt om o d e l s w i t c h i n gc o n v e r t e r s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt os t u d y o nm o d e l i n ga n da n a l y z i n gd c - d cs w i t c h i n gc o n v e r t e r t h er e s e a r c hr e s u l t sa r eh c l p f i n t oo p t i m i z eb e h a v i o ra n di m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c yo f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s ( 1 ) h a v ed i s c u s s e d s t a t es p a c ea v e r a g i n gm o d e l so fd c d cs w i t c h i n g c o n v e r t e r s f o re x a m p l eo f b o o s tc o n v e r t e r ，s t a t es p a c ea v e r a g i n gm o d e l sw a sb u i l d e d s t a t es p a c ea v e r a g i n gw a sp r o v e nt ob et h e 矗r s t - o r d e ra p p r o x i m a t i o no fa v e r a g i n g m e t h o d , a n dt h ew a v e f o r m so f s i m u l a t i o n so f t y p i c a lb o o s tc o n v e r t e r c i r c u i tm o d e l sa n d m a t h e m a t i cm o d e l sw e r ec o m p a r e db ym a t l a bs o f t w a r e , a n dt h ea p p l i c a b l e c o n d i t i o n s o f s t a 把- s p a c ca v e r a g i n g p r i n c i p l e w e r e q u a n t i f i c a t i o n a l l y d i s c u s s e d ( 2 ) o nt h eb a s i so f t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gi r e n do f m o d e l i n gm e t h o d s o f d c - d cs w i t c h i n gc o n v e r t e r sd i s c u s s e d , au n i f i e de q u i v a l e n tm o d e l si sp u tf o r w a r dt o m o d e lb a s i cd c - d cc o n v e r t e r so p e r a t i n gi nt h ec o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) o r t h ed i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( d c m ) t h em e t h o di se x e m p l i f i e db ym o d e l i n g b o o s tc o n v e n e r ，h i g hf r e q u e n c yn e t w o r ka v e r a g i n gm o d e l sw a sb u i l d e db ym o d e l i n g b o o s tc o n v e r t e r t h em o d e l i n gp r o c e d u r e sa i l l u s t r a t e dc o n c r e t e l y , s i m u l a t i o na n a l y s i s o fd c d cc o n v a t e r so p e r a t i n gi nt h ec o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c n o o rt h e d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( d c m ) a r ep e r f o r m e du s e dt h r e em e a s u r e s s t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i cs m a l l s i g n a la n a l y s i sa r ed i s c u s s e db a s e do nt h ed e r i v e d m o d e l s t r a n s f e rf u n c t i o nw a sg i v e n t h ed e r i v e dm o d e l sa i n t u i t i v ea n do fc l e a r p h y s i c a lm e a n i n g t h e r e f o r e , t h ed e r i v e dm o d e l sc a r r yp r a c t i c a lv a l u e ( 3 ) u n i f i e d e q u i v a l e n t m o d e l s o f b a s i c d c d c c o b v e r t e r sa p p l i e s t o q u a s i r e s o n a n t c o n v e r t e r u m f i e de q u i v a l e n tm o d e li sb u i l d e db ym o d e l i n gq r c sc o n v e r t e r f i n a l l y , t h r o u g hs e v e r a le x a m p l e s ，c o n t r a s t i n gs t a t e s p a c ea v e r a g i n gm e t h o d sa n da t i m e a b s t r a c t a v e r a g i n gm e t h o d s t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm e t h o d sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rh a v e b e e nt e s t e da n dv e r f i e d f r o mt h er e s u l t s ，i to k l lb ec o n c l u d e dt h a tt h ea c h i e v e m e n to f t h i sp a p e rh a sm u c ha p p l i c a t i o nv a l u e , a n dc a nm e e tt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n d e m a n d so f d c - d cc o n v e r t e r st oac e r t a i ne x t e n t k e y w o r d ：d c - d cc o n v e r t e r ，q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ， e q u i v a l e n tm o d e l ，c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ， s t a t e - s p a e ea v e r a g i n gm e t h o d ，u n i f i e de q u i v a l e n tm o d e l s l l i 1 1 开关电源技术的发展状况 l 绪论 1 9 5 5 年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，实现高频 转换控制电路的开端，1 9 5 7 年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，在1 9 6 4 年美 国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到1 9 6 9 年终于做成了2 5 千赫的开关电源，这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电 源的研究成了国际会议的热门课题。 自2 0 世纪6 0 年代开始得到发展和应用的d c - d c 功率变换技术其实是一种硬开 关技术。6 0 年代中期，美国已研制成2 0 k h zd c - d c 变换器及电力电子开关器件，并 应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了5 0 h z 工频变压器，使直流电源的重量、 体积大幅度减小，提高了效率，输出高质量的直流电。到7 0 年代初期己被先进国 家普遍采用。早期开关电源的控制电路般以分立元件非标准电路为主，经过十 多年的发展，国外在1 9 7 7 年左右开始进入控制电路集成化阶段。控制电路的集成 化标志着开关电源的重大进步。8 0 年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整 的4 8 v 成套电源，即目前所谓的开关电源( s m p s w i t c hm o d ep o w e r ) 或开关整流器 ( s m r s w i t c hm o d er e c t i f i e r ) 。 7 0 年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技 术界不断研究开发高频软开关技术。最先在7 0 年代出现了全谐振型变换器，一般 称之为谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 。它实际上是负载谐振型变换器，按照 谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器( s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，s r c s ) 和并联谐振变换器( p a r a ll e lr e s o n a n tc o n v e r t e r s 。p r c s ) 两类。此类变换器一 般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器 中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。 准谐振变换器( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，q r c s ) 和多谐振变换器( m u l t i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，m r c s ) 出现在8 0 年代中期。这是软开关技术的一次飞跃， 这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采 用频率调制的控制方法。 8 0 年代末出现了零开关p w m 变换器( z e r os w i t c h i n gp 喇c o n v e r t e r s ) 。它可 以分为零电压开关p w m 变换器( z e r o z v o l t a g e s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) 和零电 流开关p 州变换器( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gp w i v ic o n v e r t e r s ) 。它采用的是p w m 控 制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的烁一k 。 9 0 年代初出现了零转换p w m 变换器( z e r o tr a n s i t i o n co n v e r t e r s ) 。它也分为 零电压转换p w m 变换器( z e r o v 0 1 t a g e t r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 和零电流转换p w m 变换器( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 。它是软开关技术的又一次飞跃。 其特点是变换器工作在p w m 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小 段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。 近年来，开关变换器朝着提高集成度、提高效率、提高控制精度和小型轻量 化飞速发展【1 】 2 】 3 1 【4 】。 1 、提高集成度。早期的开关变换器电源系统以分立元件构成为主。上世纪9 0 年 代中、后期，出现了由控制芯片、功率开关管和电感电容元件组成的功率集成电 路( p o w e ri c ) 。由子方便地实现了功率调节、远程控制等功能，以及体积、重量 的大幅度降低，功率集成电路顺应了现代便携式电子设备对电的需求，并因此得 到了广泛应用和快速发展。集成开关电源在通信行业、工业自动化、汽车制造业、 航空航天技术等领域中成为电源设计的主流，代表着稳压电源的发展方向，被誉 为高效节能电源。发展到今天，功率集成电路控制芯片把控制电路和功率开关集 成到一起，外部仅需少量的电感、电容元件就可方便地构成开关电源。可以预期， 随着电感元件在芯片上集成技术的日渐成熟，开关电源系统的集成度会更高。 2 、提高电源转换效率。提高电源的转换效率意味着降低电源的损耗。开关变换 器的开关损耗主要包括：1 ) 开关器件导通时，电流流经开关的导通电阻，产生导通 损耗：2 ) 开关器件在导通、截止间转换时，由开关管的栅源电容充放电引起的开关 损耗。针对减少这两项损耗，分别发展了同步整流技术和软开关技术【5 1 【6 】【刀。 同步整流技术采用m o s f e t 代替整流二极管，由于m o s f e t 的导通电阻很低，只 有几十m q 。整流元件的导通损耗大大降低，提高了转换效率。同步整流技术尤其 适宜应用在低电压、大电流的场合。 p w m 软开关拓扑架构：在功率开关导通、关断的瞬间，利用辅助开关造成主 开关管零电压或零电流开通或关断，而在非开关时间电路仍以p 州方式工作，因 此主电路电压、电流幅值仍与传统p w m 变换器相同。这种技术的另一个优点是它的 零电压、零电流开关条件不受输入电压和负载变化的影响。特点是电压、电流变 换过程中没有波形交叠，使开关损耗近似为零，从而提高系统的电源转换效率。 软开关技术适用于开关频率较高的应用场合。 另外，还有低功耗待机、远程关断、跳过周期、轻载时自动降低开关频率等 提高转换效率的措施【8 】【9 】1 1 0 l 。 3 、提高控制精度。开关变换器的控制方式由最初的电压单环反馈控制发展为电 压、电流双环反馈控制，其中基于平均电流控制的p 1 】| m 控制技术能实现对电感电流 平均值的精确控制，己成功应用在功率因数校正电路中。此外，还出现了电荷控 制技术等l l “。 4 、小型轻量化。开关电源的体积越来越小。随着集成度的提高，开关电源所需 要的外围元件越来越少；随着开关频率的提高，系统所需要的电感、电容元件值 降低，电感、电容元件占用的体积减小。此外，还出现了由同一个输入电源实现 多路电源输出的拓扑结构1 2 1 0 3 】。多路输出电源可以通过并联或串连方式实现。采 用单输入多输出d c d c 变换器可有效减少整机体积，是实现整机综合性能优化的措 施。 在环境保护意识日益加强的2 l 世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电 源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不 能( 或少) 对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源： 向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰 甚至畸变。2 0 世纪末各种有源滤波器和有源补偿器方案诞生，有了功率校正( p f c p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r ) 的方法，为开关电源产品的绿色化奠定了基础。 总体来讲，目前开关变换器发展的技术趋势为：高频化技术、软开关技术、 功率因数校技术( p f c ) ，模块化技术以及低输出电压技术等。这些新技术的发展迫 切地要求相应的计算机建模与仿真技术的发展。 电源技术发展到今天，己融汇了电子、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精 华，功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、已从多学科交叉的边缘学科成 长为独树一帜的功率电子学。 1 2 课题的研究目的和意义 近年来，d c d c 开关变换器以其转换效率高、稳压范围宽、重量轻、灵活的正 负极性和升降压方式等优点，获得了广泛应用。但是d c - d c 开关变换电路是一个 时变的、强非线性的动态系统，它的分析与设计一直是一个难题。d c d c 开关变 换器的建模分析是研究开关电源的基础，对开关电源的分析与设计具有重要意义， 3 郑州丈学1 二学学位论文 开关变换器的建模研究是当f i i f 电力电子技术领域的研究方向之一【1 4 l 【”j ，是电路分 析设计的基础，7 0 年代以来，有众多著名学者从事这方面的研究，并且取得了大量 成果。一般来讲，变换器的建模方法可分为两大类，一类称为数字仿真法，另一 类称为解析建模法，数字仿真法是指利用各种各样的算法对开关变换器进行数值 计算，从而得到其某些特性数值解的方法，数字仿真法又可分为直接数字仿真法 和间接数字仿真法；解析建模法是指用解析表达式来描述开关变换器特性的建模 方法，解析建模法又可分为离散法、平均连续法、连续离散法、等效小参量法等。 高频、高功率密度、高效率始终是d c d c 变换器不断追求的目标，是电路分析 设计的基础，其中软开关电力电子变换技术是近年来的一个热门课题1 1 6 1 。软开关 技术的应用可使电力电子变换器具有更高的效率和更高的功率密度。软开关电路 分成准谐振电路、零开关p 删电路和零转换p 1 y m 电路，软开关技术被广泛应用， 标志着最新一代逆变器登上了历史舞台，但是对这种变换器而言，传统的理想模 型和实际电路之间的偏差是建模不可忽视的问题，本文将对d c - d c 开关变换器的 建模分析进行了深入的研究，有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。 在电力系统中，直流系统的可靠性、稳定性及技术性能直接影响到电网的运 行和设备的安全；在通信网络中，通信电源的优劣直接影响各种通信的质量和效 果，因此人们极为重视电源的质量和技术性能。而研制新型电源和电源仿真的研 究也就变得有十分重要的意义f 儿。 在中大功率d c d c 变换器中一般采用p w m 控制方式，其具有许多优良的性能，应 用十分普遍。但是由于p w m 控制方式变换器中的开关器件工作在硬开关状态，每个 周期都在高电压下开通，大电流下关断，器件承受的开关应力大，并在高频p w m 中 会产生相当可观的开关损耗，而开关损耗随开关频率的提高而增大，使得变换器 很难实现高频化，从而造成开关电源体积大以及产生严重的电磁干扰等问题。 为了解决硬开关的这些问题，d i v a n 博士提出了软开关的概念。采用软开关技 术，功率器件在零电压或零电流条件下导通或关断，可以有效的降低开关损耗， 理论上为零开关损耗。本文在对p w m 开关变换器和准谐振开关变换器理论分析的基 础上，对p w mb o o s t 开关变换器和z v s q r c 开关变换器及z c s q r c 开关变换器进行建 模仿真。 1 3 电路仿真的状况和发展 现在开关电源的应用中，在开关动作时，开关电流、电压的上升率大，因而 应力大；高频化使得电源体积减小，散热条件变差，变换器的内部工作环境恶化； 4 开关器件频繁开通和关断，在一定条件下会产生谐波，污染电网的用电环境。同 时新型变换器元件类型多、参数复杂，如果都采用高质量、高精度的元件又会造 成成本提高，市场竞争力下降。对于这些复杂的问题，使用传统的设计方法很难 解决。应用计算机仿真来辅助设计，选择适合的软件，上述的问题就会得到一定 的解决。在仿真时，读取电路中任意一条支路的电流以及各个点之间的电压非常 容易。而且仿真软件还可进行频率响应、噪声分析、参数变化分析、蒙特卡罗分 析、最坏情况分析等等，这些都是简单的实验所不能完成的。 自从6 0 年代计算机应用以来，对分析电路和系统提出过很多分析方法，但是 对于以开关状态工作的电路与系统，直到7 0 年代才有相应的仿真软件出现。其中 应用比较普遍并且对开关工作电路与系统仿真产生影响的有如下几种【1 9 】： 1 、美国v i r g i n i a 电力电子中心开发的c o s m i r ，它基于离散时域法开发，用直 接数字积分法或解析法求解，可以快速得到稳态响应或大信号瞬态响应，但由于 开关器件的理想化假设，因此不能分析器件开通或关断瞬间开关器件的电应力变 化： 2 、基于节点分析法开发的e m t p 、a t p ，p e c a n 等程序，可应用于电力系统等大系 统的仿真，其主要缺点是：处理电源不充分，不能包含与电流有关的元件，难以 实现有效的数字积分，分析线性电路的零、极点要用特殊技术，难以快速分析电 力电子电路的稳态等； 3 、基于改进的节点分析法开发的s p i c e 通用电路仿真程序及其派生软件p s p i c e ， h s p i c e 等，其主要缺点仍是分析费时较多； 4 、美国加州理工学院研制开发的s c a p ，它基于状态空间平均法开发，可对开关 变换器进行大信号瞬态分析，并可决定其小信号传递函数及零，极点配置； 5 、m a t l a b 。它是一个高性能的数学工具，能够解决许多实际的工程和数学问题， 可用于：数值分析、矩阵计算、优化和绘图等，目前也被广泛用于开关交换器的建 模与仿真分析； 6 、香港理大学y s l e e 等人将p s p i c e 和m a t l a b 结合，开发了电力电子电路优化 用的c a d 程序，称为m a t s p i c e ，可用来：建立s p i c e 模型、仿真和性能评估、设计目 标和约束定义的描述、多目标优化等。 1 4 论文的章节安排 本文以基本p w md c d cb o o m 变换器和典型零电压准谐振( e v s q r c ) 升压 郝州大学 二学学位论文 变换器及零电流准谐振( z c s q r c ) 升压变换器为研究对象，通过一系列的建模方 法进行变换器的数学建模，并采用多种仿真方法进行仿真，给出了基本变换器和 准谐振变换器的统一建模方法，仿真表明该模型的正确性。论文共分六章，各章 内容安排如下： 第一章：绪论 介绍了开关电源技术的发展状况及研究成果，电路仿真的状况和发展，给出 了本文研究重点。 第二章：d c d c 变换器的组成和基本原理 介绍了基本降压( b u c k ) 、升压( b o o s t ) 、降压一升压型( b u c k b o o s t ) 和c u k 型四种p w md c d c 开关变换器，以典型升压( b o o s t ) 变换器为例，介绍了变换 器中个元件的作用，变换器的工作原理，电流连续与断续模式的边界，即参数的 适当选取。研究了软开关技术 2 0 1 ，介绍了谐振开关变换器的分类，以典型零电压 准谐振升压变换器及零电流准谐振升压变换器为研究对象，介绍了准谐振开关变 换器的半波和全波状态下的原理。 第三章：d c d c 变换器的统一电路模型 给出了d c - d c 变换器的统一电路模型。以基本变换其为例，写出了其统一电 路模型，及模型中各参数问的关系；给出了准谐振开关变换器的同一电路模型。 第四章：基本d c - d c 变换器的仿真研究 以典型升压( b o o s t ) 变换器为例，建立起状态空间平均法模型，通过数学推 导阐述了状态空间平均法是平均法的一阶近似，从理论分析的角度定性的说明此 法的适用条件，并利用m a t l a b 对典型升压变换器( b o o s tc o n v e r t e r ) 的状态平均 模型和原电路模型进行仿真对比，定量地讨论状态空间平均法适用条件。建立了 变换器的高频平均法模型，并用三种方法对典型升压( b o o s t ) 变换器c c m 模式 和d c m 模式工作状态进行仿真分析。 第五章：准谐振开关变换器仿真研究 以典型零电压准谐振升压变换器及零电流准谐振升压变换器为研究对象，建 立了准谐振开关变换器的状态空问平均法模型，时间平均法模型，建立了谐振变 换器的统一模型变换器。并对各种模型进行了仿真对比。 第六章结论与展望 对论文所做的全部工作进行了总结，并给出下一步要研究的方向和目标。 8 2 d c - d c 变换器的组成和基本原理 2 1 基本d c - d c 变换嚣组成 d c d c 变换器的电路通常由主电路和控制电路两大部分所组成，其电路框图 如图2 1 所示。 输入 2 1 i 主电路及其作用 图2 1d c - d c 变换器框图 f i g 2 1f r a m eo f d c i x ：c o n v e r t e r 主电路是处理和传输大功率的电路，对设备的电性能、效率、温升、可靠性、 体积和重量等指标有决定性的作用，其要求如下： ( 1 ) 在确定的输入直流电压变化范围内，能输出负载要求的变化范围的直流电 压，例如，输入电压最低时也能达到最高输出电压，输入电压最高时也能达到最 低输出电压等。 ( 2 ) 输出负载要求的直流电流( 范围) ：能够输出足够的直流负载电流，并且 能够允许在足够宽的负载变化范围的情况下( 例如，从空载到满载，即电流从0 最大) ，设备能正常运行( 例如，电压稳定、不损坏器件) 。 ( 3 ) 应满足输入侧与输出侧是否需要隔离、抑制纹波电压、抗干扰、效率和温 升等要求。 7 2 1 2 控制电路及其作用 ( 1 ) 驱动大功率开关晶体管：按需要的脉冲宽度，高频开关工作，使主电路正 常运行。 ( 2 ) 按照主电路所需输出量( 电压或电流或功率) 的大小，调节脉冲宽度，使 主电路输出合适的输出电压，实现稳压、稳流及各种保护等功能。 2 2 四种基本的d g - d cp w m 变换器 对于小功率d c d cp w m 变换器【2 1 】1 2 2 1 2 3 1 ( 例如1 0 0 w 以下) ，实际上用开 关晶体管、开关二极管、电感、电容各一个，就可以组成一台非隔离式d c d c 变 换器，是各种d c - d c 变换器中最简单的拓扑。其主电路的核心是三端p w m 开 关，它表示d c - d c 变换器p w m 开关组合。开关晶体管、开关二极管和电感元 件的不同组合，可以构成降压( b u c k ) 、升压( b o o s t ) 、降压一升压型( b u c k - b o o s t ) 和c u k 型四种d c d c 变换器的p w l v i 开关变换器模型，分别如图2 2 ( a ) 、( b ) 、 ( c ) 、( d ) 所示。由图2 - 2 可见，这四种d c d c 变换器的输入和输出是通过电 感元件耦合的。 s i 【 + 一 汕刊 ) 2 ( a ) b u c k 型 ( b ) b o c k - b o o s t 型 ( b ) b o o s t 型 + 再_ 丌弘 。5 丁。1 图2 2 四种主要p 删变换器电路拓扑 f i g 2 2t h ef o u rl e a d i n gs t u c t u r eo f p w m c o n v e r t e rc i r c u i t 8 + 在高频p w m 脉冲控制下，以一定占空比重复导通和关断变换器中的p w m 开 关组合，对直流输入电压斩波，形成高频脉冲准方波电压，再经滤波后接负载。 以上四种基本拓扑结构可以高度概括开环情况下d c d c 开关变换器的各种结 构。此外，从建模及仿真的角度考虑，也必然要求模型方程及仿真算法具有一般 性，从而j 针对基本拓扑结构的建模与仿真分析方法足以推广至各种特殊情况。 2 3b o o s t 变换器主电路及工作原理 b o o s t 变换器是p w m 型d c - d c 变换器中最简单1 2 4 ，也是最基本的一种。b o o s t 变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，由功率开关s 、储能电 感l 、续流二极管d 、滤波电容c 、负载电阻卿输入电压虼组成。其主电路拓扑结 构如图2 3 。 2 3 1 工作原理 图2 3b o o s t 变换器电路图 f i g 2 3b o o s tc o n v e r t e rc i r c u i t 1 各器件作用【2 2 】 ( 1 ) 晶体管开关s 晶体管s 与负载r 侧电路相并联，s 的反复导通和截止，控制 了加到负载r 的时间比例，起到斩波作用，可调节输出电压v o 。 ( 2 ) 储能电感l 电感是平滑电流( 限制电流变化率) 用的，这里强调了晶 体管s 导通时l 储能的物理作用，故称为储能电感。 ( 3 ) 二极管d当开关管s 截止时，v d 提供一个称为“续流”电流的通路，使 电感电流不致瞬变中断，避免电感感应出高压而将晶体管击穿损坏。此续流通路 也是电感能量放出到负载的通路。 ( 4 ) 滤波电容c 减小负载电压的脉动成分和减小输出阻抗。 ( 5 ) 等效负载电阻r 为输出电压和输出电流自所供给的用电设备。 g 郑州大学丁学学位论文 2 变换过程 如图2 3 所示的b o o s td c d c 变换器电路，在电感电流连续方式下，电路分开 关s 导通和开关s 断开两个阶段，开关s 导通时，为电感l 储能阶段。此时电源不 向负载提供能量，负载靠储于电容c 的能量维持工作，开关s 断开时，电源和电感 共同向负载供电，此时还给电容c 充电。图2 4 给出了在电感电流连续模式下的情 况下札和垃的稳态波形。 设开关占空比为d ：婆，电感电流为，输出电压为匕，取西和圪为状态变量。 在稳态时，电感电压在一个周期内的积分为0 ，即 + 一r o k = o( 2 1 ) 式( 2 1 ) 两边除以z 整理得 假设电路没有损耗，= 昂，故 “ 0 0 争= 壬= 上 (22)1d 钮 一 、1 v 0 h ；r o l o 量；l d i h 笋守_ _ 一r 叫 j：i一 上j + c t 月1 + ( a ) 开关管导通时的等效电路 ( b ) 开关管断开时的等效电路 图2 4b o o s t 变换器电路的情况( 假定屯连续) f i g 2 4t h es t a t e so f b o o s t c o n v o r l e rc i r c u i t ( a s s u m e 垃c o n t i n u u m ) 10 ( 2 3 ) 2 3 2 电流连续与断续模式的边界 “e ，吒 o 图2 - 5 给出了在电感电流临界连续的情况下札和屯的波形 ( a ) 电感电压和电感电流波形 ( b ) 保持为常数时k ，与d 的关系曲线 图2 5 临界连续模式下的情况 f i g 2 5t h es t a t e so f c r i t i c a lc o n t i n u e de l e c t r i cc o n d u c t i o no f c o n v e r t e rc i r c u i t 由定义可知，在i 临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流屯降为0 。在 临界情况下的电感电流平均值为： 屯= 扣脚= 挣k = 鲁州硼 ) 在升压变换器中，电感电流和输入电流相等( i l = ) ，且由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可得，在电流临界连续状态下的输出电流平均值是 钿；鲁扯 ( 2 5 ) 大多数升压变换器的应用都要求圪恒定。在圪恒定时，在临界连续情况下输 出电流钿与占空比d 的函数关系曲线如上图2 5 ( b ) 所示。保持恒定时，输入 电压变化时，则意味着要改变占空比以 图2 5 ( b ) 表明，在占空比d = 0 5 时，电流临界连续所要求的电感电流b 最 大，为 ，。= 鲁 ( 2 6 ) 在占空比d = 0 3 3 对，电流临界连续所要求的输出电流最大，为 k ，。= 寺孚一。叭孚 ( 2 7 ) 由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 分别代入由式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可得，电感电流和输出电流分 郑州大学1 = 学学位论文 别表示为 = 。却一d 儿。 = 导a 6 一d 2 k 。 图2 。5 ( b ) 表明：对于给定的占空比4 当输出电压恒定时，若负载电流平 均值低于( 同时，电感电流平均值也会低于b ) ，则变换器工作在电流断续模 式。整理知： 临界条件为：而2 l = d ( i d 尸 开关电源变换器工作在连续模式时；嚣，却一d 户 开关电源变换器工作在连续模式时：嚣c d o d ) 2 2 3 3 电感电流不连续状态( d c m ) 的工作情况 假设当输出负载功率减少时，和d 保持不变。如图2 6 所示为和d 保持不 变的情况下，临界连续和断续模式的工作波形。 o ，乜 0 k 也一9 - f l + 一r 一 ”工，屯 0 ( a ) 在电流连续和断续的临界状态( b ) 在电流断续模式下 图2 6 升压变换器工作波形 f i g 2 6t h ew o r k i n gw a v e f o r mo f b o o s t c o n v e r t e rc i r c u i t 在图2 6 ( b ) 中，当昂( = 昂) 降低时，由于保持不变，所以导致i l ( f f i k ) 降低， 进入电流断续模式。图2 6 中和d 保持不变的情况，所以t ，m 在两种模式下是相 同的，只有图2 6 ( b ) 中升高，则一更负，n 才可能降低。 电感电压在一个周期内的积分等于0 。有 v j n d l t + 0 一g o j r = 0 12 所以 崖：攀 偿， 在图2 6 ( b ) 中，输入电流平均值( 也等于电感电流平均值) 为 将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 9 ) 得 k ；象西r 慨+ 如) ( 2 1 0 ) 厶= ( 鲁卜 ( 2 1 1 ) 在大多数应用中，保持不变，改变对会导致西的改变，由式( 2 7 ) 、式( 2 9 ) 和式( 2 7 ) 可得占空比西与负载电流在不同时的函数关系为： ，珊 4 = 防搬一- 亡r 2 3 4 输出电压纹波 在前面的分析中，假设输出电容足够大，从而使= 。然而，实际上，输出 电容值是有限的，因而输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的纹 波如图2 7 。 o v o 0 图2 7 升压变换器的输出电压的纹波 f i g 2 7t h eo u t p u t - v o l t a g er i p p l e so f b o o s tc o n v e r t e rc i r c u i t 假设二极管电流的所有脉动分量流过电容，而i d 的直流分量流过负载，a 口代 表电荷增量，因而纹波的峰一峰值为 l3 产i二 蚺甏 a = 等= 等= i v o i d t 所以a 圪f o = 丛r c = 等式中r = 尺c 对于电流断续模式也可进行类似分柝【2 5 1 。 2 4 准谐振开关变换器分类及工作原理 2 4 1 软开关技术 2 4 1 1 软开关的基本概念 在电力开关变换器的发展过程中，2 0 世纪5 0 年代，脉宽调制( p w i d ) 硬开关技 术的出现，为电力电子技术的发展揭开了新的序幕。p w m 技术以其电路简单，控制 方便而获得了广泛应用。一般说来，p w m 技术是指在开关变换过程中保持开关频率 恒定但是通过改变开关的接通时间长短，使得当负载变化时，负载上的电压输出 变化不大的方法。但是这种开关技术是一种“硬开关”，即开关管的通断控制与 开关管上流过的电流和器件两端所加的电压无关，功率开关管的开通和关断是在 器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，开关损耗很大。尤其是现代 电力电子技术正在向高频更高频的方向发展，p w i d 硬开关技术使得开关损耗已经成 为高频化发展的显著障碍。下面详细说明开关损耗的产生机理如图2 8 。 ( a ) 硬开关得开通过程( b ) 硬开关的关断过程 图2 8 硬开关的开关过程 f i g 2 $ t h eo n o f f p r o c e s so f h a r d s w i t c h i n g 开关电源中所应用的功率开关器件g t r ，m o s f e t 等并不是理想的开关器件。在 硬开关开关电源技术中，如图2 8 在开通的过程中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，电压和电流有一个交叠区，从而产生损耗，称之为开通损 14 耗( t u r no nl o s s ) 其值由式( 2 1 2 ) 给出： 枷) = i l 砂 ( 2 1 2 ) 式中t 是开通或关断时间。 当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，而是有一个上升 时间，同时开关管的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间 里电压和电流也有一个交叠区，所产生的损耗称之为关断损耗( t u r n o f fl a s s ) 其 值同样可以由式( 2 1 2 ) 计算得到。将开关管工作过程中产生的开通损耗和关断损 耗通称之为开关损耗( s r i t c h i n gl o s s ) 在一定条件下，开关管在每个周期中的开关损耗是恒定不变的，提高变换 器的频率则开关管的开关损耗也随着增加，其单管总开关损耗由式2 1 3 给出： = ，胆聊+ 胆k 出 ( 2 1 3 ) 其中f 是开关频率。由式( 2 1 a ) 可知，开关频率越高，损耗越大，变换器的 效率就越低。开关损耗的存在严重地限制了开关电源的小型化和轻量化以及开关 频率的提高。 开关管工作在硬开关状态下，会产生较大的电磁干扰：同时在开关过程中开关 管也会承受较大的电压和电流应力，为了减小开关管在工作时产生的电磁干扰和 免受过压过流损坏同时减小开关电源的体积和重量，必须实现高频化，高效率化， 其方法就是减小开关损耗。减小开关损耗的方法除了选择高性能的器件外还有就 是实现变换器开关管的软开关。 通过在原电路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 流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关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，降低他们的变化率，从 而大大减少甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。使开关条件 得以改善。软开关有时也被成为谐振开关。软开关电路中的典型的开关过程如图 2 9 ，具有这样开关过程的开关称为软开关。 软开关电路中s 关断后l r 与c r 间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正 弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使s 两端的电压在其开 通前就降为零。 ( a ) 软开关得开通过程 ( b ) 软开关的关断过程 图2 9 软开关的开关过程 f i g 2 9t h eo n o f f p r o c e s so f s o f i - s w i t c h i n g 根据实现策略的不同，可以把软开关分为两类：零电流开关、零电压开关。 零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪 声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。零电流开关有两层含义： 在开关管关断前，预先使其电流减小到零，从而实现零电流关断；在开关管开通 过程中，设法使其电流保持为零，或者限制电流的上升率，使之只以很小的电流 与电压交叠，从而实现或近似实现零电流开通。 零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗 和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。零电压开关也有两层 含义：在开关管开通前，预先使其电压减小到零，从而实现零电压开通；在开关 管关断过程中，设法使其电压保持为零，或者限制电压的上升率，使之只以很小 的电压与电流交叠，从而实现或近似实现零电压关断。 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。零电压关断：与开关并 联的电容能使开关关断