（电力电子与电力传动专业论文）可实现宽范围电压输出的pwm平方型变换器电源的研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 关键诃：平方型变换器；电压转换比：连续工作模式：不连续工作模式：宽范围 调压 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c s ，h i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e r s u p p l yh a sb e e na p p l i e da n df o c u s e dw i d e l yb e c a u s eo fi t sm e r i t s ，s u c ha sl o wv o l u m e ， l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c ya n d l o wc o s t ，e ta 1 b u ti ti sl i m i t e di ns o m ed o m a i nd u et o t h ed r a w b a c ko fu n a b l ew i d es c o p er e g u l a t i o nv o l t a g e a c c o r d i n gt ot h i sq u e s t i o n ，a p w m q u a d r a t i cc o n v e r t e rw h i c h c a nr e g u l a t et h ev o l t a g ei naw i n dr a n g ei sp r e s e n t e d a n da ni n d e p t hs t u d yt ot h ec o n v e r t e ri sc a r r i e di nt h i st h e s i s i nv i e wt ot h ec o n t e n t s ， t h et h e s i sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e em a i np a r t sw h i c hc a nb es e e na sf o l l o w s ： f i r s t l y ，ap w ms q u a r ec o n v e r t e ri sp u tf o r w a r db a s e do nt h ed e t a i ls t u d yo ft h e b a s i cc o n v e r t e ra n da l lt h et o p o l o g i e so fp o s s i b l ec o n v e r t e r sa r eg i v e ni nt h et h e s i s t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep w m s q u a r ec o n v e r t e ri st h a tt h ev o l t a g ec o n v e r s i o nr a t i oi sa f u n c t i o no fd u t yr a t i o ss q u a r e c o m p a r i n gt oan o r m a lc o n v e r t e ra tt h es a m ev o l t a g e c o n v e r s i o nr a t i o ，t h ep w mc o n v e r t e rc a nw o r ki nal a r g ed u t yr a t i oa n dt h i sm e a n st h a t t h ep w mc o n v e r t e rc a nw o r ki nah i g hf r e q u e n c ya n di m p r o v et h ep o w e rd e n s i t y i n t h em e a n t i m e ，i to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go fn o r m a lc o n v e r t e rw h i c hi s a p p l i e di n w i d eo u t p u tv o l t a g er a n g e ，a n dt h es h o r t c o m i n gi st h en o r m a lc o n v e r t e rc a no n l yw o r k i nal o wf r e q u e n c yl i m i t e db yt h em i n i m a lv o l t a g ec o n v e r s i o nr a t i oa n do n o f ft i m eo f s w i t c h i n gt u b e t h ep w mc o n v e r t e rd e r i v e sf r o mt h eb a s i cc o n v e r t e rc o n n e c t e di n s e r i e s t h e r e r et w oi n d u c t a n c e s ，t w oc a p a c i t i e sa n df o u rs w i t c h e si nt h et o p o l o g y ，b u tt h e n u m b e ro fa c t i v es w i t c hi so n l yo n e t h ec o n t r o la n dd r i v ec i r c u i ta r es i m p l i f i e d s e c o n d l y ，t h et h e s i sp r e s e n t s t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e p w m q u a d r a t i cc o n v e r t e r i no r d e rt ou n d e r s t a n da n da p p l yt h es i xt o p o l o g i e so ft h e p w mc o n v e r t e rb e t t e r t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep w mc o n v e r t e rw o r k i n gi n c o n t i n u o u so rd i s c o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d ea r ea n a l y z e d ，i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d c o r r e s p o n d i n gt o t h es a m ed u t yr a t i o ，t h ep w mc o n v e r t e r g e t s ah i g h e r v o l t a g e c o n v e r s i o nr a t i oi nd i s c o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d et h a nc o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d e f r o mc o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d et od i s c o n t i n u o u so p e r a t i n g ，t h i sm e a n st h es c o p eo f v o l t a g ec o n v e r s i o ni sd e c l i n e d s oi t i sv e r yi m p o r t a n tt oa s s u r et h ep w mc o n v e r t e r w o r ki nt h ec o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d ei no r d e rt od e s i g nt h ep w mc o n v e r t e r p r o p e r l y a n dr e a l i z et h em e r i to fw i d er a n g ev o l t a g ec o n v e r s i o n t h ec o n d i t i o nt h a tt h ep w m q u a d r a t i cc o n v e r t e rw o r k si nc o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d ei sg i v e ni nt h i st h e s i s ，t o o i nt h ee n d ，t h ep w m q u a d r a t i cc o n v e r t e r ，w h i c hh a st h ei s o l a t i o nt r a n s f o r m e ra n d 华南理工大学硕士学位论文 t h ef u n c t i o n o f p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，i ss t u d i e da n d d e s i g n e d t h ev o l t a g e c o n v e r s i o nr a t i oo ft h ep w mc o n v e r t e ri sd 2 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a tt h e p w mc o n v e r t e rc a nr e g u l a t e v o l t a g e i naw i d er a n g ea n dc a n g e ta s t a b l eo u t p u t v o l t a g ei nt h ew h o l ep r o c e s so fr e g u l a t i o nv o l t a g e t h ev a l u eo fv o l t a g ec o n v e r s i o n r a t i om e a s u r e di nt h ee x p e r i m e n ti sc l o s et ot h ei d e a lv a l u ea n dt h i sm e a n st h a tt h e p w m q u a d r a t i cc o n v e r t e rc a nm e e tt h en e e do f w i d es c o p ev o l t a g er e g u l a t i o n t h i si sa g o o dw a y t ow i d e nt h es c o p eo f v o l t a g er e g u l a t i o n ， k e yw o r d sq u a d r a t i cc o n v e r t e rv o l t a g ec o n v e r s i o nr a t i o ：c o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d e d i s c o n t i n u o u so p e r a t i n gm o d e ；w i d es c o p er e g u l a t i o nv o l t a g e 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：驯嘎潞 日期：2 0 0 4 匀z5 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 司1 阗落 乏劫乙“ 日期：2 0 0 4 年6 月1 4 日 日期：2 0 0 4 年6 月? ，日 第一章绪论 第一章绪论 电源技术发展到今天，已融汇了电子，功率集成，自动控制，材料，传感， 计算机，电磁兼容，热工等诸多技术领域的精华，己从多学科交叉的边缘学科成 长为独树一帜的功率电子学。近年来，随着功率电子技术的发展，功率电子变换 装置获得了飞速的发展。直流变换器电源广泛应用于计算机、邮电、通信、电力 电子系统和航空航天等领域。 1 ，1 直流变换器电源的发展概况 直流变换器电源的发展与变换器的研究有着密切的关系。1 9 5 5 年罗耶发明的 自激振荡推挽晶体管单变压器的直流变换器，是一个利用高频实现转换的控制线 路的开端：1 9 5 7 年美国的查赛发明的自激推挽双变压器的直流变换器，进一步提 高了单位体积重量输出的功率；1 9 6 4 年美国提出不用工频变压器的串联直流变换 器电源，这对电源的小型化，轻量化开辟了一条根本途径。1 9 6 9 年由于大功率硅 晶体管的耐压由外延平面型的1 0 0 2 0 0 v ，提高到了5 0 0 v 以上，并使二极管反向 恢复时间缩短了，使用这些元件，终于做成了2 5 k h z 的直流变换器电源。这一电 源的问世，在世界各国引起强烈反响。因此，以后直流变换器电源原理成了国际 会议的热门话题，许多国家均致力于直流变换器电源、开关二极管及开关变压器 铁芯材料的配套研究。1 9 7 4 年之后，便确立了以2 0 千赫兹为标准的工作频率。1 9 7 6 年美国硅谷通用公司第一个做出了s g l 5 2 4 单片集成的控制芯片。称为脉宽调制 器。它除了使电源小型化之外，还大大提高了直流变换器电源的可靠性，从而达 到了常规电源的水平。8 0 年代初，随着元件工艺的成熟，直流变换器电源的价格 几乎与常规电源持平，因此使用率得到很大的提高。如日本，1 9 7 5 年使用率为1 ，到了1 9 8 0 年提高到2 0 左右，而且淘汰了2 0 k h z 的开关频率变换器，把频 率提高到5 0 k h z 以上。 采用计算机辅助设计，对无工频变压器开关电源进行设计，从而解决了直流 变换器电源的最佳设计与最佳控制问题。7 0 年代初的直流变换器电源，虽然大大 减小了高频隔离变压器、电感线圈铁芯、滤波电容等元器件的体积和重量，改善 电源的动态响应性能，但继续提高频率也遇到了电路结构、开关损耗、噪音干扰 等新问题。为此1 9 7 5 年美国s i l i c o n i x 公司开创v 形沟道的金属( 氧化物) 半导 体场效应晶体管，即v m o s f e t 管，它克服了平面m o s f e t 双极型晶体管的缺点。 这种晶体管的主要特点是允许开关频率大大提高。当然v m o s f e t 也有饱和管压 降较双极型晶体管大的缺点，但后来工艺的改进，使之大有改善，现已使二者相 华南理工大学硕士学位论文 近了。现在新的器件( 能低压工作、降压很小) 陆续进入市场，因而可得到1 v 的 低压输出、功率小到i o m w 和功率密度达5 - 6 w c m 3 的开关电源、为便携装置微型 化提供了条件。现在可以用软开关、p w m 技术、印刷电路、折叠绕组变压器，可 以采用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，使小功率开关电源整机效率可达到9 0 ，大功率电源可达到9 5 左右。频率也得到了大大的提高，从而使得设备体积、 重量显著下降，外形变得轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备， 而是精致、灵巧，可设计成兼有“智慧”的装置了。 直流变换器电源是输出电压恒定或按要求变化的直流电源，其输入为直流电， 也可以是交流电。直流开关电源具有如下特征：a 、电源电压和负载在规定的范围 内变化时，输出电压应保持在允许的范围内；b 、输入与输出间有好的电气隔离： c 、可以输出单路或多路电压，各路之间有电器隔离。直流变换器电压与直流线性 电源相比有：a 、电力电子器件在开关状态下工作，电源内部损耗小，效率高；b 、 开关频率高，电源体积和重量小。 现代家用电子电器( 如电视机、录像机、v c d 等) ，个人计算机，测试仪器( 如 示波器、信号发生器、波形分析仪等) 和生物医学仪器都采用直流变换器电源。 直流变换器电源还在工业装置、大型计算机、通信系统、航空航天和交通运输等 各个方面使用。 1 2 直流变换器电源的分类 直流变换器按输入与输出间是否有电气隔离分为不隔离的直流变换器和有隔 离的直流变换器两种。 不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四管 三类。单管直流变换器有六种，即降压式变换器、升压式变换器、升降压式变换 器、c u k 变换器、z e t a 变换器和s e p i c 变换器。在这六种单管变换器中，降压式 和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生出来的。双管直流变换器有双 管串接的升降压式变换器。全桥直流变换器是常用的四管直流变换器。 有隔离的直流变换器也可按所用有源功率器件数量来分类。单管的有正激式 和反激式两种。双管有双管正激、双管反激、推挽和半桥四种。四管直流变换器 就是全桥直流变换器。 通常采用变压器实现输入与输出间的电气隔离，变压器本身具有变压的功能， 有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相 回电压的输出。 2 第一章绪论 1 3 对直流变换器电源的要求 电源是电子设备的心脏，它的性能好坏直接影响电子设备能否正常工作，所 以要求电源要有高的可靠性、好的维修性。直流变换器电源的电气性能对电子设 备的工作有重要影响。直流开关电源的电气性能包括输入特性，输出特性，附加 功能，电磁兼容性和噪声容限等。 直流变换器电源的输入电源有赢流电源和交流电源两种。交流输入时，交流 电压往往要先经整流滤波变换成直流电压后，再通过直流变换器转变为所需要的 直流电压。输入为直流电源时，电源电压的额定值及其变化范围、输入电流额定 值及其变化范围、输入冲击电流、输入电压的突然下降或瞬时断电是必须考虑的 因素。输入交流电源时还必须考虑输入电压相数、电源额定频率及其变动范围、 输入电流波形和输入功率因数等要求。 电源的输出参数有额定输出电压、电流、输出电压可变范围、输出电流可变 范围和输出电压的纹波。输出电压稳定精度是直流开关电源的重要技术指标，输 入电压变化、负载电流变化、工作环境温度变化和工作时间的增长都会使输出电 压变化。稳定精度包括负载效应( 负载调整率) 和源效应( 电网调整率) 。负载效 应是指当负载在0 1 0 0 额定电流范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压 整定值的比值。源效应是指当电网电压在规定的范围内变化时，输出电压的变化 量与输出电压的整定值的比值。 直流变换器电源还应有输出电压、欠压、过流和过热等保护功能，以免损坏 用电设备。在构成电源系统时，开关电源还应有遥控、遥测和遥信功能。 直流变换器电源应有高的转换率、低的噪音。好的电磁兼容性和绝缘性能等。 有些直流变换器电源还要求具有较宽的输出电压调节范围以满足实验室或者 其它特殊场合的需要。我们所研究的直流变换器通常都是恒压或是恒流型的，而 实验室或其它特殊场合要求直流变换器电源的输出电压可宽范围调节，本文就是 针对直流变换器电源可实现宽范围电压输出这一要求展开研究的。 1 4 本文的研究目的和内容安排 1 4 1 研究目的 不管是各类实验室，还是各种电子设备，直流稳压电源的使用都很普遍。传 统的线性调压稳压电源，由于受调整管功耗等因素的限制，在大电流下难以实现 宽电压输出，而要使输出电压能够宽范围调整，就必须使用多档开关，或转换变 压器抽头，或变更其它电路参数，由于使用了电源变压器和电压调整管，导致了 其体积较大、效率偏低。 3 华南理工大学硕士学位论文 随着电力电子技术的迅速发展，直流变换器电源因其工作频率高、体积小、 重量轻、效率高、成本低等优点而得到广泛的应用，但传统的脉宽调制直流变换 器电源存在不适宜宽范围调压的缺点。当输出电压较低时，由于开关管的触发脉 冲太窄，传统变换器工作不稳定，因而不得不使用频率调制，结果使变换器电路 复杂，工作可靠性降低，因此研究可实现宽范围电压输出的直流变换器电源是必 要的。 1 4 2 内容安排 本文在研究基本b u c k 变换器的基础上提出了适用于实现宽范围电压输出的 p w m 平方型变换器，并给出了不同类型的p w m 平方型变换器的拓扑结构，分析并研 究了p w m 平方型变换器的工作原理和工作方式，最后设计制作了带功率因数校正 功能的p w m 平方型变换器电源电路，并通过所研制的电源装置的实验分析验证了 理论分析的正确性。文章的具体内容安排如下： 第一章论述了直流变换器电源的发展历史、分类和对直流变换器电源的要求 以及研究可实现宽范围电压输出的直流变换器电源的必要性。 第二章在分析基本b u c k 型变换器基础上提出了p w m 平方型变换器并给出 可能的拓扑结构。 第三章分析了工作在连续导通模式和不连续导通模式下的p w m 平方型变换器 的基本特性：分析了p w m 平方型变换器不同的工作方式，并对每种工作方式进行 了仿真分析来验证理论分析的正确性；推导了使p w m 平方型变换器工作在连续导 通模式的条件。 第四章介绍了所研戳豹p w m 平方型变换器的电路设计。利用m c 3 4 2 6 2 芯片和 b o o s t 电路实现了工作于临界连续模式的p f c 级，并介绍了m c 3 4 2 6 2 的内部结构及 其工作原理。给出了d c d c 级主电路设计，包括主电路、控制电路各参数设计及 主功率变压器的设计。 第五章给出了p w m 平方型变换器的实验结果和开关管、变压器的电压波形， 输入输出电感电流波形及实验的有关性能参数，测定了电压转换比m 于占空比d 的关系曲线，分析了所设计制作的p w m 平方型变换器的效率。通过与传统的双管 正激变换器的比较，给出了p w m 平方型变换器的优点以及不足之处； 4 第二章p 删平方型直流变换器拓扑的研究 第二章p w m 平方型直流变换器拓扑的研究 电力电子功率转换技术有两种基本类型，即脉宽调制型和谐振型。脉宽调制 型用控制脉冲占空比间断工作来产生所需的脉冲电压和电流，而谐振型技术以正 弦形式处理功率开关管，使开关管在零电流下换流或者在零电压下换向，这样降 低了开关损耗。但是，正弦电流有着较高的峰值电流，导通损耗较大，所以，当 今功率电子转换技术中，在中低功率应用领域，脉宽调制型( p w m ) 技术仍占优 势。平方型直流变换器的设计也采用p w m 型。 p w m 直流变换器拓扑包括b u c k 型、b o o s t 型、b u c k b o o s t 型、c u k 型，s e p i c 型和z e t a 型。本文所设计的p w m 平方型直流变换器是基于基本b u c k 型变换器衍生出来的，所以，在这里有必要对基本的b u c k 型直流变换器进行简 要分析。 2 。1 基本的b u c k 变换器的分析 b u c k 变换器是最基本的一种直流变换器，其q 为晶体管开关调整元件，滤波 电感为l 、电容为c ，d 为续流二极管，其基本拓扑如图2 1 所示。 r 图2 1b u c k 变换器的电路图 f i g 2 - 1c i r c u i td i a g r a mo fb u c kc o n v c r t c r 为分析稳态特性，简化推导公式的过程，作如下假定： ( 1 ) 开关晶体管、二极管均是理想元件。 ( 2 ) 电感、电容是理想元件。 ( 3 ) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 2 1 1 电路的工作过程 当开关晶体管q 导通时，如图2 2 ( a ) 所示，电流，。= ，流过电感线圈l ， 在电感线圈未饱和前，电流线性增加，在负载r 上流过电流k ，两端输出电压u ， 极性上正下负。当，： ，。时，电容c 在充电状态。此时二极管d 1 承受反向电压； 当开关晶体管q 截止时，如图2 2 ( b ) 所示。由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 5 ，p 一 v ( b ) 图2 - 2b u c k 变换器工作原理 f i g 2 - 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f b u c kc o n v e r t e r 2 1 ，2 主要关系式 设开关周勰为t 。，闭合时间为“= d 。瓦，断开时间t z - - f 。= d 2 瓦；d 1 ( 1 ，称d t 为 接通时间占空比，d 1 - k d 2 = 1 。 根据前面的假设，v o 、v 不变，则q 导通时，电感电流线性上升，其增量为： 丛。= 3 毕t = 半f v , - 工v o d 。t s 协d 式中： ，一电流增量( a ) 。 v 一输入电源电压( v ) ； y 。一输出电压( v ) ； l 一电感( h ) ； 当q 截止时，电流增量为： = 专挚= t - v o ( f 2 叫= t - v o 呸一d l b ) = 鲁 ( 2 _ 2 ) 由于稳态时这两个电流变化量相等，即a 。= 阻。2 | ，故： t y , - v o 。b = 睾( 1 一。) 瓦= i v o 。t 瓦 6 第二章p w l 4 平方型直流变换器拓扑的研究 整理得： v o = v , d l ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 表明，输出电压k 随占空比d - 而变化，e h 于d 。 1 ，故v o k 时，其工作状态由连续转化为不连续。当疋增大， 即t ；减小时，则保持开关变换器连续状态工作的。降低。 2 1 3b u c k 变换器的性质 由上述的讨论和图2 4 ( a ) ( b ) 可知，b u c k 变换器有如下的些性质： ( 1 ) v o 是v 在瓦内的平均值，v l 时有时无，k 则是平直的。因此，变换器可 以简单看成是一个有低通滤波器的电压斩波器。低通滤波器的作用是滤去v l 中随 时间而变化的交流分量。所以低通滤波器的频率，c 比开关频率，要低的多。值得 注意的是，在k 和d ，的值相同时，不连续状态的k 较连续时的k 大。 ( 2 ) 输入电流f i 是脉动的，与变换器的工作状态连续与否无关。这个脉动电流 在实际应用中受到限制，以免影响其它部分的工作。通常，在电源k 和变换器之 间会加上一些输入滤波器，这种滤波器必须在开关变换器设计的早期阶段和建立 模型的过程中预先进行考虑，否则，在开关变换器与输入滤波器连接时，可能会 引起意外的自激振荡。 8 第二章p 删平方型直流变换器拓扑的研究 ( 3 ) 在高功率应用中，变换器应避免工作在不连续工作状态。因为在不连续 工作状态，功率晶体管和二极管承受较高的峰值电压和电流。 ( 4 ) 输出滤波器的截止频率厶定义为： f c - - 丽1 当所选的c 能达到所需的输出滤波要求时，l 可以选得足够大，以便使开关变 换器保持在连续的工作状态，但电容本身没有完美的电气性能，所以其内部的等 效串联电阻将消耗一些功率。另外，等效串联电阻上的压降会产生输出纹波电压， 欲减小纹波电压，只能靠减小等效串联电阻的值和动态电流的值。电容c 类型的 选择，通常由纹波电流的大小决定。截止频率厶的高低，l c 的大小，都将影响输 出纹波电压。从改善动态特性看，可考虑选择小电感量，大电容值。 i h 一 一l 一一 门 。 f 、一r 、i il l 一 ( a ) 电感电澹连续 ( b ) 电感电流不连续 图2 - 4b u c k 变换器两种工作模式波形图 f i g 2 - 4w a v e f o r mf o rt w oo p e r a t i o nm o d e so fb u c kc o n v e r t e r 2 2 隔离型b u c k 变换器的分析 在b u c k 变换器开关与负载之间插入隔离变压器，这种隔离型b u c k 变换器称 为单端正激变换器( f o r w a r dc o n v e r t e r ) 。 由于单向脉冲电压具有非零的直流平均电压，当该电压加到变压器初级绕组 时，需要加入一个复位电路，来释放存储在变压器电感中的能量。释放变压器电 9 华南理工大学硕士学位论文 感中储能的方法可以有很多种，如在初级绕组n 1 两端并联电阻，或者并联电阻一 电容串联网络，通过l c 振荡将磁能转换为电能。根据变压器复位方法的不同，它 具有多种拓扑形式。常见的正激变换器的拓扑有如下几种形式： ( 1 ) 线圈复位正激变换器 ( 2 ) 谐振复位正激变换器 ( 3 双开关正激变换器 ( 4 ) 零电压过渡正激变换器 2 2 1 线圈复位正激变换器 图2 - 5 ( a ) 是线圈复位正激变换器的原理简图；图2 5 ( b ) 是变压器两端电 压波形。从图中可以看出电路的工作周期分为5 个阶段。 ( 1 ) t o f t ，：功率输出阶段。当t = t 。时，开关管q 导通，变压器承受电源 电压并向负载输出能量。这一阶段将于q 关断的t = t ，时刻结束。 ( 2 ) t t t ，：开关管q 关断阶段。v d l 和v d 2 都导通。流过v d l 的电流比 例下降，流过v d 2 的电流比例上升。当t = t ，时，由v d 2 代替v d l 给负载供电。 ( 3 ) t ， t t ，：能量回馈阶段。在这个过程中变压器中储存的能量通过n 3 回馈给电源。当n 3 两端电压为k 时，q 两端承受电压为2 v 。 v ( a ) 电路原理图 v ( h ) 变压器两端电压波形 图2 - 5 线圈复位正激变换器原理图及其相关波形 f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a m a n dw a v e f o r mf o rf o r w a r dc o n v e r t e rw i t hc o i lr e s e t t i n g ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a m ；( b ) p r i m a r yv o l t a g ew a v e f o r mo ft r a n s f o r m e r ( 4 ) t ， t t ，：磁通恢复阶段。在这个阶段变压器磁通恢复到正常水平，为 下一次导通做准备。 ( 5 ) t 。 t t 。：为死区时间，变压器中没有电流和电压，等待下一次导通。 通过上述分析，这种复位电路优缺点如下： 优点： ( 1 ) 电路简单、成本低，只需一个小的复位线圈。 ( 2 ) 在电源路径中，耗能元件少，并且有一部分能量回馈，因而效率可观。 1 0 第二章p w l d 平方型直流变换器拓扑的研究 缺点： 当复位绕组的匝数与变压器原边绕组匝数之比为1 ：l 时， ( 1 ) 占空比必须小于5 0 。 ( 2 ) 开关承受两倍输入电压。 ( 3 ) 不适用于高开关频率的应用场合。 2 2 2 谐振复位正激变换器 图2 - 6 ( a ) 是谐振复位的正激变换器的原理简图；图2 - 6 ( b ) 是变压器两端 电压波形。谐振复位是利用电路中变压器的自身电容和电感以及开关元件的寄生 电容的自激振荡来复位。 v i r v ( a ) 电路原理图( b ) 变压器两端电压波形 图2 - 6 谐振复位的正激变换器原理图及其相关波形 f i g ，2 6s c h e m a t i cd i a g r a m a n dw a v e f o r mf o rf o r w a r dc o n v e r t e rw i t hr e s o n a n c er e s e t t i n g ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a m ；( b ) p r i m a r yv o l t a g ew a v e f o r mo ft r a n s f o r m e r 这种复位电路的优点如下： 优点： ( 1 ) 需要的器件少。 ( 2 ) 工作时占空比可以大于5 0 。 ( 3 ) 因为元件少和磁能的循环利用，效率高。 缺点： ( 1 ) 由于加于主开关管电压的影响，谐振复位正激变换器仅适用于高频变换 器。在一定的输入和输出范围内，减少峰值电压的最有效方法是增大开关频率。 ( 2 ) 硬开关。 2 2 3 双开关正激变换器 图2 7 是双开关正激变换器的原理简图。双开关复位是利用电路中的辅助开 关管帮助主开关管的关断和磁场能量的消耗和回馈。电路的工作周期也分为5 个 阶段。 ( 1 ) t o t t l ：功率输出阶段。当t = t o 时，开关管q 导通，变压器承受电源 华南理工大学硕士学位论文 电压k 。并向负载输出能量。这一阶段将于q 关断的t = 时刻结束。 ( 2 ) t 、 t t ，：开关管q 关断阶段。v d 3 和v d 4 都导通，流过v d 3 的电流比 例下降，流过v d 4 的电流比例上升。当t = t ，时，由v d 4 代替v d 3 给负载供电。在 这个过程中开关管q 1 和q 2 共同分担电源电压k 。 ( 3 ) t ， t t ，：变压器承受电压反向，二极管v d i 和v d 2 被迫导通，电压箝 位，变压器储存的能量通过v d i 和v d 2 反馈给电网。 ( 4 ) t ， f t 。：磁通恢复阶段。在这个阶段变压器磁通恢复到正常水平，为 下一次导通做准备。 ( 5 ) t 。 t 茎t ，：死区，变压器中没有电流和电压，等待下一次导通。 通过上述分析，这种复位电路优缺点如下： 优点： ( 1 ) 加于每个m o s f e t 的最大电压仅为v 。 ( 2 ) 减少了干扰尖峰，有利于减小应力和噪声。 ( 3 ) 可以有效地避免误触发引起短路故障。 缺点： ( 1 ) 需要更多的开关器件，增加了成本。 ( 2 ) 电路中过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低额定电压的m o s f e t 降低电阻r 。) 来提高效率。 ( 3 ) 占空比小于5 0 ，受开关频率的限制。 图2 7 双开关复位正激变换器的原理图 f i g 2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a ma n dw a v e f o r m f o rf o r w a r dc o n v e r t e rw i t hd u a l t r a n s i s t o r r e s e t t i n g 2 2 4 零电压过渡正激变换器 图2 - 8 ( a ) 是零电压过渡正激变换器的原理简图；图2 8 ( b ) 是变压器两端 电压波形。零电压复位是在电路中添加辅助振荡电路，利用振荡电路的电流过零 来实现变压器复位。 通过上述分析，这种复位电路优缺点如下： 优点： 1 2 第二章p 州平方型直流变换器拓扑的研究 ( 1 ) 占空比可大于5 0 。 ( 2 ) 由于零电压变换，具有高的效率。 ( 3 ) 适用于宽的操作频率，从5 0 k h z 到i m h z 。在稳定状态下，自激斜坡电路能 够提供更好的磁芯复位方式。 ( 4 ) 与变化的输入电压相比，变压器的复位电压应力是相对稳定的。这些都应 归功于s d s r 中的保持m o s f e t 提供了稳定的e m i r f i 和门极触发信号。 ( 5 ) z v t 具有更好的e m i r f i 特性和无漏感尖峰。 缺点： ( 1 ) 需要额外的q 2 ，高压电容c 。和q 2 的驱动变压器，增加了成本。 ( 2 ) 由于复杂，需要两路特殊排序的驱动信号。 ( 3 ) c 。的存在，对负载变化的响应性差，有可能导致变压器饱和。 ( 4 ) m o s f e t 上的电压应力可以达到两倍的k 以上。 综上所述，线圈复位正激变换器的变压器制造复杂，需保持足够的死区时间， 开关管要承受较高的电压应力。谐振复位正激变换器线路简单，效率高，但受开 关频率的影响，仅适于高的开关频率。双开关正激变换器的开关管不承受过大的 电压应力，较适合用于d c d c 正激变换器。零电压过渡正激变换器中的开关管实 现了软开关，不可能存在高电压和大电流，开关所受的电压应力和开关损耗最小， 能够输出高电压和大电流，特别适用于高压、高频的场合。 l ， v i ( a )电路原理图( b ) 变压器两端电压波形 图2 - 8 零电压过渡正激变换器原理图及其相关波形图 f i g 2 8s c h e m a t i cd i a g r a m a n dw a v e f o r mf o rf o r w a mc o n v e r t e rw i t hz e r o v o l t a g et r a n s i t i o n ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a m ；( b ) p r i m a r yv o l t a g ew a v e f o r mo ft r a n s f o r m e r 2 3 p w m 平方型直流变换器的提出 在某些特定的场合，d c d c 转换装置需要适应宽范围的输入电压或需要满足宽 范围输出电压的要求，这就意味着该类变换器应具有较宽的电压转换比范围。对 于传统p w m 变换器来讲，其电压转换比m ( m = k i v , ) 是占空比d 的函数 ( m = ，( d ) ) ，用于实现宽范围电压输出场合时有一定的弊端。因为当工作在最恶 1 3 华南理工大学硕士学位论文 劣的条件下，即输入电压最高，输出电压最低，负载最轻的时候，传统p 1 | m 变换 器必须工作在很小的占空比，才能满足上述要求，但由于开关管最小开通时间的 存在，就使得传统p 删变换器不得不选择工作在较低的工作频率，从而限制了该 类变换器工作频率的提高。基于传统p w m 变换器运用在实现宽范围电压输出场合 受到工作频率提高的限制，本文在对基本p w m 变换器的深入研究的基础上提出了 更适用于这类场合的p w m 平方型变换器，并解决了传统p w m 变换器工作频率提高 受限制的问题。 本文所提出的p w m 平方型变换器，其特点就在于它的电压转换比m 是占空比d 平方的函数，即m = f ( d 2 ) 。在图2 9 中可以看出，对应最小占空比d 。，p w m 平 方型变换器可获得的最小电压转换比要低于传统p w m 变换器，这就意味着若要获 得同样低的电压转换比，该变换器较传统p w m 变换器而言，可以工作在较大的占 空比，较高的工作频率，这样更易于实现电路的控制和拓宽可获得的电压转换比 范围，实现宽范围电压输出，而且直流变换器的频率也不再受最低电压转换比的 限制了。 占空比 图2 - 9 占空比与电压转换比的关系 f i g 2 - 9d u t yc y c l e sv sc o n v e r s i o nr a t i o n 2 4p w m 平方型直流变换器的拓扑结构 由图2 - 9 可知，如果变换器的电压转换比是占空比平方的函数m = f ( d 2 ) ，那 么该变换器可获得的电压转换比范围较传统p w m 变换器就会拓宽很多。而电压转 换比满足这种关系的变换器可以由两个基本p w m 变换器串联来获得哺1 。比如，两