（电力电子与电力传动专业论文）有源钳位zvspwm正激变换器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ef o r w a r dc o n v e r t e rp l a y sa m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nl o wa n d m i d d l ep o w e ra p p l i c a t i o n b 此d e s p i t ei t s m e r i t s ，t h et r a d i t i o n a ls i n g l e - e n d e df o r w a r d c o n v e r t e rh a ss o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha ss i m p l ec i r c u i t ，l o w p a r t sc o u n t ，l o wo u t p u tr i p p l e ， e t c ，i ta l s oh a ss o m es h o r t c o m i n g s f i r s t l y , t h ew o r k i n gm o d eo f t r a n s i s t o ri sh a r ds w i t c h ， w h i c hc a u s et h ed i f f i c u l t yt o i m p r o v et h es w i t c h i n g 疗e q u e n c y s e c o n d l y , i tn e e d sa m a g n e t i cr e s e t c i m u i t a n d t h e m a g n e t i c p - 幻r e o n l y w o r k s i n n o 1q u a d r a n t t h e d e v e l o p m e n t t r e n do ft h es w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) i ss o f ts w i t c h i n gw i m l l i g hf r e q u e n c y , l l i g hp o w e rd e n s i t ya n dh i g he f f i c i e n c y i ti sc l e a rt h a tt h et r a d i t i o n a ls i n g l e e n d e df o r w a r d c o n v e r t e ri sd i f f i c u l tt oa d a p tt ot h et r e n d ，s o ，i ti sn e c e s s a r yt of i n dan o v e lt o p o l o g y t h e a c t i v ec l a m pz v s - p w mf o r w a r dc o n v e r t e rh a sb e e na n s w e r e df o rw i t l lt h em e r i t so ft h e s o f ts w i t c h t e c h n i q u e a n dt h em a g n e t i cr e s e t t e c h n i q u e i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo ft h eo p e r a t i o no ft h ea c t i v ec l a m pz v s - p w mf o r w a r d c o n v e r t e ri sa n a l y z e d , i n c l u d i n gt h ee f f e c to f t h ec l a m p v o l t a g e ，t h ed e l a y o f t h ed r i v es i g n a l a n dt h es a t u r a b l ei n d u c t o rt ot h ez e r os w i t c h i n gc o n d i t i o n , e t c t h e n , a c c o r d i n gt ot h es t u d y o ft h es o f t - s w i t c h i n g , s y n c h r o n o u sr e c t i f i e ra n dp c bp l a n a rt r a n s f o r m e r , a c h i e v e dt h e d e s i g no ft h ea c t i v ec l a m pz v s - p w mc o n v e r t e r , a n dt h ed e s i g nf o r m u l a so ft h ek e y c o m p o n e n t s w e r e d e d u c e d ，i n c l u d i n gc l a m pc a p a c i t a n c e ，p c bp l a n a rt r a n s f o r m e r , s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r , o u t p u tf i l t e r , e t e l a s t l y , p s p i c es i m u l a t i o no ft h e a c t i v e c l a m p z v s p w mf o r w a r dc o n v e r t e rw a sa c h i e v e d , a n dt h es i m u l m i o np a r a m e t e r sw e r eu s e dt o o p t i m i z et h ed e s i g n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ev a l i d i t yo f t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d 也es u p e r i o r i t yo f t h e c o n v e r t e r k e yw o r d s ：a c t i v e - c l a m p ，f o r w a r dc o n v e r t e r , s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r , s o f ts w i t c h i n g p c b p l a n a rt r a n s f o r m e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘b 夏 z d 口牛年华月弓p 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，即： 学校有权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。本人授权华中科技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，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：刘吾云 z o o 牛年牛月岁d 日 指导教师签名：彰嘲 l， 2 一年月日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 模块电源的发展概况 随着科学技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。而电 子设备都离不开可靠的电源，进入8 0 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先 完成计算机的电源换代，进入9 0 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域， 程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都己广泛地使用了开关电源， 更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关器 件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。 与传统采用工频变换技术的相控电源相比，开关电源在技术上是一次飞跃，它不 但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波 电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和 设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。因此，开关电源取代线性电 源和相控电源是必然的发展趋势。 为满足产品设计需要，用户总是希望电源产品能够体积更小、莺量更轻、价格更 便宜。模块电源作为此种需求的解决方案，广泛应用在通信、工控、电力电子等领域。 模块电源主要分为d c d c 、a c - d c 、d c - a c 三种。其中d c d c 模块占据了绝大部分 的市场份额，a c d c 和d c - a c 所占份额较少。d c - d c 模块电源从8 0 年代末期出现已 有十几年历史，市场、产品均趋成熟，应用广阔。d c d c 模块电源体积小，转换效率 高，适用于对电源体积、效率等要求很高的场合，产品大部分应用在交换机等通信产 品中。其它如工业控制、电力系统、铁路信号、移动通信基站等设备也有所应用。 模块电源的主要发展趋势如下： l 、 高频化：提高p w m 的频率，传送相同大小的功率所需磁芯更小，可以减小滤波 器的体积，从而减小电源的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，小功率 d c d c 变换器开关频率将由现在的2 0 0 5 0 0 k h z 提高到1 m h z 以上。但开关频率 也不能无限提高，因为高频化又会产生新的问题，如：歼关损耗以及无源元件的 损耗增大，高频寄生参数以及高频e m ! 的问题等。 ! 、软丌关：软开关是在开关器件的导通和关断过程中，开关管上的电胍或电流保持 为零，使开关管上的电压和电流重叠区为零，也即零损耗开通或关断技术。这样， 华中科技大学硕士学位论文 损耗大大减少。软开关技术最近发展较迅速，已经成功应用j = 产品中，而且软开 关的实现方法多种多样，常见方法有谐振开关、谐振环和s s p w m 等。基本思路 是利用电路中的电感或电容储能元件在开关管开通和关断时使电压或电流谐振 到零，从而实观零电压或零电流开关。软开关的最大优点是减少了开关损耗，提 高了效率，为进一步提高变换频率提供了有力的保障。 3 、 低压输出：现1 微处理器的工作电压越来越低，因此电源的输出电压也随之下降， 还有一个特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。因 此要求d c d c 变换器具有如下特征：( 1 ) 负载变化的整个范围内效率高；( 2 ) 输 出电压低，c m o s 电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小； ( 3 ) 功率密度高。 4 、广泛采用表面贴装元件，以满足大规模自动化生产线的要求，提高产品的可靠性， 采用标准工业封装，以满足不同电源厂商和同一厂商不同功：鍪电源的兼容性。 1 2d c - d c 变换器的工作原理 d c - d c 变换器的分类方法有很多，以是否隔离来分类，d c d c 变换器分为带隔 离变压器和不带隔离变压器两大类。不带隔离变压器的d c d c 变换器输入和输出不 隔离，无法实现多路输出，主要用于对电源要求不是很高、单一电压等级的场合。本 文只介绍带隔离变压器的d c - d c 变换器。 1 - 2 1d c d c 变换器的基本构成m 】1 8 1 d c - d c 变换器的基本构成如图1 1 所示，下面将对各个部分一一进行介绍。 ! 一! ： 功率变换电路 ： 图1 1d c d c 变换器的基本构成框目 飘一 阿也 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 1p w m 控制电路 p w m 是p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( 脉冲宽度调制) 的简称，p w m 控制器的作用是 通过反馈电路对直流电压进行取样，控制功率开关器件的驱动脉冲宽度，从而调整开 通时间以使输出电压稳定。 p w m 控制电路是开关电源的核心部分，一般应具有以下功能：固定频率振荡器， 频率可在较宽范围内预调；占空比可调节的脉宽调制功能：死区时间校准；一路或两 路具有一定驱动功率的输出；禁止、软启动和电流、电压保护功能。p w m 控制电路 组成部分有：基准源、振荡器、误差放大器、脉宽调制器、分频器。 图1 - - 2p w m 控制电路组成框图 p w m 电路如图1 2 所示，由检测电路得到的反馈电压与芯片内部的基准源通过 误差放大器产生一个输出，送入脉宽调制器与锯齿波进行比较，当放大器输出电压大 于锯齿波电压时，脉宽调制器输出低电平，反之则输出高电平。因此，脉宽调制器的 输出脉冲宽度由误差放大器的输出决定，从而在脉宽调制器的输出端得到一个随反馈 电压而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送至门电路和驱动电路，即可得p w m 输出信号。 1 2 1 2 开关变换电路 开关变换电路主要有正激、反激、推挽、# 桥、全桥等拓扑结构。开关变换电路 中的功率开关器件在p w m 信号的控制下开通关断，将直流电压变换成为高频脉冲电 - 【i 。功率开关器件包括晶体管、晶闸管、m o s f e t ( 场效应晶体管) 、i g b t ( 绝缘栅 仅极功率晶体管) 等。在中小功率的开关电源p ，丌关器件主要采用m o s f e t 。 m o s f e t 是由金属氧化物和半导体组成的场效应晶体管，是一种电压控制的单极 华中科技大学硕士学位论文 型器件。在开关电源中使用的都是功率m o s f e t ，在常态下都是阻断状态，因此都是 增强型的m o s f e t ，即在栅极和源极间加上电压后，m o s f e t 才出现导电沟道。 m o s f e t 分为n 型和p 型两种，其中，n 型m o s f e t 在栅源之间加正电压时导通， p 型m o s f e t 在栅源之间加负电压时导通。他们的符号如1 3 图所示，图中的二极 管为m o s f e t 内部的寄生反并联二极管。 i * j 广f 岛芊 u s 】 图l 一3m o s f e t 的电气符号 m o s f e t 的优点是多数载流子导电，开关速度快，开关频率可以高达几百k h z ， 可以大大减小滤波器和高频变压器的体积；输入阻抗高，驱动功率d 、；漏极和源极之 间的通态电阻为正温度系数，可以多管直接并联运行而无需采取均流措施。其缺点是 导通压降比较高，电压等级和电流等级相对较低。 1 2 1 3 驱动电路 图1 4 典型驱动电路原理图 驱动电路的主要功能是将脉宽控制器输出的p w m 信号进行功串放大，以作为高 压功率开关器件的驱动信号。在大功率的开关电源中，驱动电路一般i ； ；具有隔离作用， 华中科技大学硕士学位论文 常喟变压器耦合方式来实现对高压功率开关器件的驱动和和隔离。典型的驱动电路原 理旧如图1 4 所示。 m o s f e t 是电压控制，型开关器件，因此其驱动电路相对简单。但是在设计过程中 要注意两个问题：( 1 ) m o s f e t 工作频率较高，因此必须防止振荡。应该尽可能缩短 栅极引线，并且在靠近栅极的地方串联一个小电阻。( 2 ) m o s f e t 的栅极和源极之间 的硅氧化层的耐压是有限的，若驱动电压超过这一耐压，耐压层就会被击穿，从而产 生损坏。一般说来，m o s f e t 的栅源电压最大不能超过2 0 v 。 121 4 高频变压器 高频变压器将高频脉冲电压变为另一等级的电压，这样，系统的电压调节就不完 全依靠调节开关元件的p w m 驱动信号，从而可以更方便的得到各种电压等级的电压， 而且，通过变压器可以将输出与输入进行隔离，通过增加副方绕组，可以很方便的实 现多路输出。 高频变压器中的磁芯所采用的软磁性材料，具有较高的磁导率、较低的矫顽力和 较高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就可以有较高的 磁感应强度，因此线圈可以承受较高的外加电压，在输出一定功率要求下，可以减小 磁芯体积：矫顽力低，则磁滞回环面积小，铁耗也小；电阻率高，则涡流小，铁耗小。 】2 1 5 整流电路与滤波电路 整流电路及滤波电路将功率变换器输出的高频脉冲电压转换成为稳定的直流输 i 叶 电压。整流电路有半波、全波、全桥、倍流等多种形式，电路如图1 5 所示。整 流器件一般采用快恢复二二极管或者肖特基二极管。 ( a ) 半波整流 i士 i ；f f! b ) 全波整流( c ) 全桥整流( d ) 倍i 荒整流 图l 一5整流电路 华中科技大学硕士学位论文 在低压大电流的开关电源中，常采用m o s f e t 代替肖特基二极管，l i 于m o s f e t 的导通电阻相对较低，在大电流情况下的导通压降比肖特基二极管的导通压降小，因 此采用同步整流可以减小功耗，提高开关电源的转换效率。 滤波器一般采用l c 滤波器，电路如图1 6 所示。滤波器中的电容要求等效串连 电阻e s r 小、峰值电流大、发热少、温升低，便于多个并联。 。厂v 、y y 、 l c 爪 图l 一6l c 滤波器 1 2 2 单端正激d c d c 变换器的工作原理 2 1 带隔离变压器的d c d c 变换器拓扑主要有以下几种：正激变换器、反激变换器、 推挽变换器、半桥变换器、全桥变换器。每种拓扑结构都各有其特点，适用于不同的 场合。其中正激变换器和反激变换器结构简单，驱动电路易于设计，成本低，缺点是 磁芯利用率低，适用于小功率场合；推挽变换器驱动电路容易实现，磁芯利用率高， 且能够自动抑制偏磁，缺点是开关管电压应力大，适用于输入电压较低的中小功率场 合；半桥变换器和全桥变换器电路复杂，驱动电路设计比较困难，一般用于中大功率 场合。 o 一 + u 。 q ， | | d 1 图1 7 正激变换器 正激变换器电路如i 叫i 一7 所示，它是由b u c k 变换器加上隔离变肌器后得到的， 目此其实质上是一个带附离变压器的b u c k 变换器。当开关管q l 导通时，输入电压 6 华中科技大学硕士学位论文 u 。全部加到变压器原方绕组上+ 副方绕组上的感应电压使得d l 导通，并将输入电流 的能量传给电感l 和电容c 以及负载，此时电感l 储存能量。与此同时，变压器原 方绕组中中建立起磁化电流，当q - 截止时，d 1 也截止，电感l 上的电压极性反转， 并通过续流二极管d 2 继续向负载供电。 假设变压器一次绕组的激磁电感为b ，绕组的匝比为n ；，n ，变压器的漏感 为零。输出电压u 0 恒定。变压器在这里只起一个单纯的变压的作用，因此可以利用 变压器的r 形等效电路来分析，并将副方折算到原方进行计算。 其中： r = n l 。u j o ：n u ，ti f = r n ，l j o = l o n 。 当开关管q l 导通时，等效负载回路的电流i j 为： o 警= u l n 一玩 ：擎川 l | 当开关管导通时，副方的整流二极管d - 导通，l f 中的负载电流为最小值i o 晌。 代入后得到： i ，：譬坚 l | 还原到副方，则有： 立：匕二! 堡；叠 n n j l | n 铲等等。 当开关管截止时，f ，( k ) = 堡焉等丝k 十l 。= l 此时，副方续流二极管d 2 导通，这时电感】。的电流为： 卜半c ，一“小与笋t 。 稳态运行条件下，当t = t 。，即t - t o n = t 0 口时，i l t s 户i 。m ，这样可得到： 华中科技大学硕士学位论文 半”。，+ 与警。= 。 可以得到： v ： ： (11)o u i n l o n d u i n h ? t d 称为占空比，从式( 1 1 ) 可以看出，只要调节d 的大小，就可以很方便的对 输出电压进行调节。 单端正激变换器结构简单，采用的元件很少，具有成本较低、可靠性高、易于控 制等优点，因而在中小功率场合得到了广泛的应用。然而单端正激变换器也有其缺陷： 1 、 开关管的开关方式为硬开关，开关损耗比较大。因为开关损耗随着开关频率的提 高而增加，因此开关频率不能太高，而这对于电源的功率密度的提高是非常不利 的。 2 、变压器原方绕组流过的是单向脉动电流，因此必须附加磁复位电路，而且磁芯是 工作在第一象限的，磁芯的利用率较低。 若单端正激变换器的磁复位电路采用有源钳位磁复位电路，则单端正激变换器就 演变成为有源钳位z v s p w m 正激变换器。与单端正激变换器相比，有源钳位 z v s p w m 正激变换器更具有实用价值。首先，该拓扑的开关管工作方式为软开关， 开关损耗小，开关管可以工作在很高的开关频率下；其次，变压器磁芯工作在一、三 象限，从而提高了磁芯的利用率。因此，在当前电子设备对电源的效率、体积要求越 来越高的情况下，对有源钳位z v s p w m 正激变换器进行深入研究是非常有意义的。 1 3 本研究课题的意义及工作任务简介 在通信领域中，d c d c 模块电源广泛应用于交换、传输、接入、无线、数据等 通信以及监控设备。随着d c d c 模块电源使用范围越来越广，对模块电源的要求也 越来越高，其中，高功率密度与高效率是两个基本的要求。当前，通信产品日趋小型 化，必然要求模块电源也能够减小体积，提高功率密度。提高功率密度的方法就是高 额化，在传送相同功率的情况下，可以使用较小的磁芯，而且，在高频下，可以减小 滤波器的体积。但是，为了追求高功率密度并不能无限的提高频率，l 目为高频下会产 生其他的问题，如开关管损耗增大、电磁干扰等。高效率的模块电源也是必须的，高 华中科技大学硕士学位论文 效率首先意味着节能，其次，模块电源的可靠性很大程度上取决于模块本身的发热。 统计数据表明，模块电源工作温度每上升1 0 。c ，模块电源的故障率就增大一倍，效率 高的模块电源发热较少，模块电源的工作温度较低，因而可以提高供电系统的可靠性。 本研究课题是我校与航天部下属贵阳航天科技集团有限公司合作的研究课题，该 课题旨在研制一种高功率密度d c d c 模块电源，所要求达到的性能指标如下： 1 、输入电压：d c 2 8 5 v 2 、输出电压：d c l 2 v 3 、输出功率：1 0 0 w 4 、效率：9 0 5 、纹波电压：5 0 m v 在此课题中，本人主要作了以下工作： 1 、阅读大量了d c d c 变换器的文献，对d c d c 变换器的工作原理、制造工艺、技 术现状和发展有了比较清楚的认识。 2 、针对本研究课题所要求的性能指标，分别对软开关、同步整流、平面变压器三项 关键技术进行了深入研究，分析了采用这三项技术的可行性：确定采用有源钳位 z v s p w m 正激变换器这一方案。 3 、用p s p i c e 软件对有源钳位z v s - p w m 正激变换器进行了仿真分析，并将仿真参数 用于优化该变换器的设计。 4 、完成了主电路元件参数的设计和计算；确定所采用的p w m 控制芯片、m o s f e t 驱动芯片和m o s f e t 等元件。 5 、完成了主电路、控制电路、驱动电路、反馈电路和平面变压器的设计。 6 、制作了印刷电路板，研制了p c b 平面变压器和有源钳位z v s p w m 正激变换器 样机并进行了调试，实验结果验证了有源钳位z v s p w m 正激变换器的优越性， 也证明了本文所论述的设计方法的合理性。 华中科技大学硕士学位论文 2 有源钳位z v s p w m 正激变换器的关键技术 随着d c d c 模块电源使用范围越来越广泛，用户对其要求也越来越高，不但要 求高效率，还要求其能够提高功率密度，减小体积，提高可靠性，尤其是通信设备使 用的d c - d c 模块电源要求更为严格，如体积小、高度低于1 0 毫米、低压大电流输出、 最小的电磁辐射以及良好的机械结构稳定性等。很显然，采用传统的单端正激变换器 是很难满足这一要求的，必须采用新型的有源钳位z v s p v v q v i 正激变换器这拓扑结 构来实现开关管的软开关，并采用同步整流技术和p c b 平面变压器技术。在这一章 中，将对这三项关键技术进行详细的介绍。 2 1 软开关技术 2 1 1 硬开关的缺陷1 3 4 在开关电源中，磁性元件( 如高频变压器、电感、磁珠等) 在电源装置的体积、 重量、成本中占有很大比重。为了减小磁性元件的体积，提高功率密度，人们通常采 用高频化的方法。但是，传统p w v l 变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关 工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高： 1 、开通和关断损耗大：在开通时开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关 断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开 通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。 2 、感性关断问题：电路中难免存在感性元件( 引线电感、变压器漏感等寄生电 感或实体电感) ，当开关器件关断时，由于通过该感性元件的d i d t 很大，感 应出很高的尖峰电压加在开关器件两端易造成电压击穿。 3 、容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容 中的能量将全部耗散在该开关器件内，容易引起开关器件过热损坏。 4 、二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期 间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成 直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管功 耗急剧增加，重则致其损坏。 华中科技大学硕士学位论文 克服以上缺陷的有效办法就是采用软开关技术( s o f ts w i t c h i n g ，简称s s ) 。最理 想的软开通过程：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似 为零。另外，因器件开通前电压己下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了 容性开通问题，这意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，回此二极管反向恢 复问题亦不复存在。最理想的软关断过程：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态 值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流己下降到零，即线路电感中电流亦 为零，所以感性关断问题得以解决。 由此可见，软开关技术可以解决硬开关p w m 变换器的开关损耗问题、容性开通 问题、感性关断问题、二极管反向恢复问题，同时也能解决由硬开关引起的e m i 问 题。 2 1 2 软开关的分类 软开关包括软开通和软关断：软开通有零电流开通和零电压开通两种；软关断有 零电流关断和零电压关断两种，可按照驱动信号的时序来判断。图2 1 给出了软开 关的理想波形，同时给出了硬开关的波形以供对比。 软开关硬开关 u u 关断 波形 开通 波形 u “乜 u 华中科技大学硕士学位论文 端电压必须维持在通态值( 约等于零) 。 3 、零电压开通：开通命令在h 时刻或其后给出，开关器件电流从断态值上升到通态 值，开关器件进入导通状态。在t 2 以前，开关器件端电压必须下降到通态值( 约 等于零) 并且在电流上升到通态值以前维持在零。 4 、零电流开通：开通命令在t l 时刻给出，开关器件端电压从断态值下降到通态值以 后，电流才从断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在t 2 以前开关器件 必须维持在断态值( 约等于零) 。 2 1 3 软开关的发展t ”】【3 4 】 2 1 3 1 谐振开关 谐振开关( 以下简称r s ) 是由一个半导体开关q j 、一个电感k 、一个电容c ， 组成的电路。分l 型和m 型两种，如图2 2 所示。 ( b ) m 型 图2 2 谐振开关单元 对q l 而言，k 与c 。组成一个串联谐振电路。q l 开通时，由l 限制电流上升速度， 实现零电流开通。当q i 导通时，电流以准正弦形式经q l 、l r 进入c ，。当电感电流下 降到零时，电容电压使d - 承受反压而关断。这样，谐振开关具备了零电压和零电流 特性。 谐振开关的优点是能够实现开关管的软开关，或者开关损耗非常小。缺点是：( 1 ) 开关器件的通态电流或断态电压应力大：( 2 ) 开关器件工作频率不恒定。当电源电压 或负载变化时，靠改变开关q l 的工作频率来调节输出电压，致使变化范围很大， 使功率变压器、输入、输出滤波器的设计和优化难以进行。另外、变化范围大，不 利于与下级变换器的同步；( 3 ) 只适合开关器件数量少的变换器，如单开关d c d c 变换器等。 2 1 _ 32 谐振环 分为谐振直流环( r d c l ) 和谐振交流环( r a c l ) ，一般只采用r d c l 。谐振环 华中科技大学硕士学位论文 的基本思想是使直流母线电压或电流以较高频率振荡，恒定的直流电压或电流变成高 频脉动的直流电压或电流，从而出现周期性的过零点，给挂在该母线上的所有开关器 件创造零电压或零电流开通和关断条件。图2 3 为谐振直流环基本结构。 ( a ) 并联r d c l( b ) 串联r d c l 图2 3 谐振环 和r s 相比，该结构具有以下优点：( 1 ) 电路结构清晰，不改变直流母线两侧变 换器的结构，只对公共直流母线电压或电流进行操作：( 2 ) 过零点对所有整流器和逆变 器开关都有效，回此电路结构简单，不需要为每个开关配备一套谐振元件。( 3 ) 开关器 件的开通和关断均为零电压或零电流条件。 r d c l 的主要缺点是：( 1 ) 开关器件的通态电流或断态电压应力大。对于并联 r d c l ，直流电压峰值是无并联r d c l 时的2 倍以上；对于串联r d c l ，直流电流峰 值是无串联r d c l 时的两倍以上。( 2 ) 因控制上多采用离散脉冲调制而存在高次谐波 问题。 2 1 3 3s s p w m p w m 技术以其控制简单、灵活和动态响应特性好的优点己成为电力电于技术最 广泛应用的控制方式。但p w m 变换器中电力电于器件硬开关的工作方式，较大的开 关电压应力以及高的d u d t 和d i d t 限制了它的高频化发展。而软开关技术，则以其较 低的开关器件电压应力、趋于零的开关损耗和较小的d t g d t 及d i d t ，使电力电子器件 的开关频率极大地提高。自八十年代以来，s s p w m 变换器就快速发展。 s s - p w m 技术的基本思想是在常规p w m 变换器的拓扑基础上，附加一个谐振网 络，谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成。开关转换时，谐振网络工 作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响p w m 技 术的实现。从而既保持了p w m 技术的特点，又实现了软开关扶术，使s s p w m 变换 器成为目前最具发展和应用前景的变换器。s s p w m 变换器可以用s s p w m 开关单 华中科技大学硕士学位论文 元代替普通变换器上的开关元件而得到。下面介绍几种常用的s s p w m 丌关单元。 l 、零电压准方波开关单元( z v s q s c ) z v s 准方波( z v s - q s c ) 开关单元如图2 - 4 所示，其中q 是主开关，q l 是辅 助开关，c ，是开关管q 的输出电容，电感l 不仅起滤波作用，还作为谐振电感。 图2 4 z v s q s c 开关单元 z v s q s c 开关单元可以直接或间接的用于p w m 技术，用z v s q s c 开关单元代 替基本p w m 电路中的p w m 开关单元，就可以得到z v s 准方波变换器。 2 、零电压开关p w m 开关单元( z v s p w m ) 零电压开关p w m ( z v s p w m ) 开关单元综合应用了零电压准谐振变换器和p w m 变换器的原理，电路如图2 5 所示。给零电压准谐振开关单元内的谐振电感并联一个 辅助开关，就得到零电压开关p w m 变换器开关单元，电路如图所示。辅助开关q 。通 过使谐振电感短路，周期性的消除电路谐振，使其只在开关转换瞬间产生谐振，为主 开关创造零电压开关条件。定时控制辅助开关的开通和关断就能实现恒频控制。 c ，q 1 图2 5z v s - p w m 开关单元 用零电压开关p w m ( z v s p w m ) 开关单元替代常规p w m 变换器内的p w m 开 关单元可获得零电压开关p w m 变换器。移相全桥z v s p w m 变换器即属于这一类型。 3 、零电流丌关p w m 开关单元( z c s p w m ) 华中科技大学硕士学位论文 零电流开关p w m ( z c s p w m ) 开关单元是z v s p w m 开关单元的对偶电路，如 图2 6 所示。加入一个辅助开关与零电流开关准谐振开关单元内的谐振电容串联就 得到零电流开关p w m 变换器开关单元，它的作用是周期性的断开c ，消除l 和c ，间 的谐振，使其只在开关转换瞬间产生谐振，为功率开关创建零电流开关条件。 图2 6z c s p w m 开关单元 有一种全桥零电流开关p w m 变换器，就属于z c s - p w m 开关变换器，它是移相 全桥z v s p w m 变换器的对偶电路，特别适合大功率a p f c 电路。 4 、零转换p w m 开关单元 零电压开关p w m 开关单元和零电流开关p w m 开关单元都有与主电路串联的谐 振电感，利用谐振电感与谐振电容( 通常与半导体设备并联) 问的谐振实现软开关条 件。由于这些储存振单元在主电路中，所以软开关变换器要受固有问题的影响。首先， 在半导体设备上会产生附加的电压应力；其次，所有的电能都通过谐振电感，会产生 循环能量，增大导电损耗；此外，储存在谐振电感内的能量对电源电压和负载电流有 很强的依赖性，因此零开关条件对电源电压和负载电流的变化敏感，在轻载时可能失 去零开关条件。 零转换p w m 开关单元将谐振单元从主电路移开，使之与主开关支路并联，就可 克服上述缺点。在开关转换期间，并联的谐振网络产生谐振获得零电压开关或零电流 开关条件。开关转换结束后，电路又恢复到正常的p w m 工作方式。这样，变换器就 能在保持p w m 变换器优点的同时获得软开关条件。零转换p w m 变换器包括零电压 转换( z v t ) 和零电流转换( z c t ) p w m 变换器，电路如图2 7 、2 8 所示。与 z v s - p w m 变换器和z c s p w m 变换器一样，z v t p w m 变换器和z c t p w m 变换 器电可以将普通变换器中的7r 关用z v t 和z c t 开关单元替换得到。 华中科技大学硕士学位论文 划 卜叫b p 图2 7z v t p w m 开关单元 器l ，l 画 c ，- l 图2 8z c t - p w m 开关单元 2 2 同步整流技术 目前，由于集成电路芯片设计技术的进步，芯片供电电压的不断下降，相应的负 载电流不断上升。因此，传统的由肖特基二极管构成的整流器功耗也越来越大，电源 功耗增加，这对于提高电源的效率和可靠性是及其不利的，为了解决这一问题，同步 整流技术越来越多的应用于电源的设计之中。 2 2 1 同步整流技术 开关变换器的损耗主要有3 部分：功率开关管的损耗、高频变压器的损耗和输出高 频整流管的损耗。当前，由于芯片供电电压的不断下降，因此电源输出电流越来越大， 整流管的损耗在整个电源损耗中的所占比例也越来越大。若采用肖特基二极管整流，由 于肖特基二极管正向导通压降( 0 3 v 0 6 v ) 与电源输出电压相比较大，因此，损耗也比 较大，尤其是在输出电流很大的时候。因而如何减小肖特基整流管带来的损耗是提高功 率变换器效率的关键。而同步整流技术的出现，正好顺应了这个要求。该技术采用低导 通电阻的功率m o s f e t 管代替肖特基二极管起整流管的作用，从而降低整流器的损耗， 提高电源的效率。 华中科技大学硕士学位论文 以正激变换器常用的半波整流电路为例来介绍同步整流的工作原理，电路如图2 9 所示，其中，q 2 、q 3 为同步整流专用m o s f e t 。当主开关q l 开通时，驱动2 和 驱动1 分别给出信号，使得q 3 关断，q 2 开通，q 2 就起了整流管的作用；同样，当主 开关q i 关断时，驱动2 和驱动1 分别给出信号，使得q 2 关断，q 3 开通，这样，0 ， 就起了续流管了作用。不难看出，这一电路的工作原理与普通的肖特基二极管构成的 半波整流电路是一样的。 由于驱动信号的传递和q 2 、q 3 的栅极电压建立需要一定的时间，在这段时间内， q 2 和q 3 尚未开通，此时体二极管以提供电源回路。当开关频率较高时，栅极驱动损 耗在整流电路损耗中占主要部分：当开关频率较低时，m o s f e t 的导通损耗在整流电 路损耗中占主要部分，此时要尽量减小体二极管的导通时间以提高变换器的效率。 图2 9 同步整流器原理图 同步整流的功耗可以用下式近似表示： r = i 。r 。，+ c t j f 其中i 仟m ；为正向电流有效值； 。为通态电阻； f 为开关频率： c 。为输入端电容。 2 2 2 同步整流电路的分类 2 q 同步整流电路分为两大类：一类是它激式，一类是自激式。其中，它激式电路每 个整流m o s f e t 管都有一套驱动电路，包括延时逻辑、变压器和驱动器，电路复杂， 而且难以保证栅极电压和漏源极电压同步，可靠性低，因此，它激式同步整流电路很 少被采垌。下面介绍两种自激式同步整流电路电路： 1 7 华中科技大学硕士学位论文 1 、交叉式同步整流 交叉式同步整流电路( s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r ，简称s r ) 如图所示，因为q 2 和 q ，的栅极和漏极通过主变压器交叉联接而得名。这种形式s r 的最大特点是s r 管的 驱动网络极其简单，它是利用主变压器副方绕组电压来实现s r 管的开通与关断，无 需附加驱动器和变压器。 因为交叉式同步整流电路的是利用变压器的副方电压驱动同步整流m o s f e t 工 作的，因此，其性能受到变压器副方电压的制约，因为m o s f e t 的橱源电压最大不 超过_ + 2 0 v ，而当变换器的输出电压较高时，变压器副方的电压都会超过2 0 v 。因此， 交叉式同步整流电路一般只用于输出电压为5 v 以下的电源；对于输出电压较高的电 源，如欲采用同步整流技术，可以采用变形的交叉式同步整流电路。如图所示，同步 整流m o s f e t 的驱动信号由变压器的辅助绕组得到。 ( a ) ( b ) 图2 1 0 交叉式同步整流电路 华中科技大学硕士学位论文 2 、感应式同步整流 交叉式同步整流电路是利用变压器副方电压工作的，因此其应用受到变压器副方 电压的限制：( 1 ) 因为m o s f e t 的栅源电压最大不超过4 - 2 0 v ，而当变换器的输出电 压较高时，变压器副方的电压都会超过2 0 v 。因此，交叉式同步整流电路一般只用于 输出电压较小的电源；( 2 ) 交叉式同步整流不能消除体二极管的导通，因为变压器的 波形不是标准的方波；( 3 ) 当变换器是电流型输入，容性负载时，同步整流m o s f e t 的驱动信号不便从变压器副方得到，这是因为此时变压器副方电压主要由整流环节的 状态决定；( 4 ) 交叉式同步整流电路不能用于非隔离式变换器。 在肖特基二极管整流电路中，当二极管反向截止电压降到零时，二极管将导通， 当二极管中所流过的电流降到零时，二极管将关断。将此思想引申到同步整流电路中， 可以表达为同步整流管的“过零工作条件”：( 1 ) m o s f e t 漏源电压降到零时，m o s f e t 将开通：( 2 ) 当漏极电流降到零时，m o s f e t 将关断。电压感应式同步整流器( v s s r ) 正是按照这种思想而被提出的。 感应式同步整流电路开通逻辑控制主要是通过检测m o s f e t 的栅极信号和漏源 电压信号来进行工作的。当栅极有驱动信号，漏极电流下降为零时，m o s f e t 就应该 关断，由驱动电路给出关断信号。当栅极无驱动信号，而m o s f e t 的漏源电压下降 为零时，m o s f e t 就应该开通，应由驱动电路给出开通信号。这样就可以通过检测 m o s f e t 的漏源电压、漏极电流和栅极电压来实现同步整流。 目前，这一技术还在研究之中，但是一旦技术成熟，它将成为将来最具有发展潜 力的整流器件。 2 3p c b 平面变压器技术 2 3 1p c b 平面变压器 在d c - d c 变换器中，基本的b u c k 、b o o s t 、c u k 变换器是不需要隔离变压器的。 但如果要求输出与输入隔离，或要求得到多组输出电压，就要在开关元件与整流7 i 件 之间使用隔离变压器，所以绝大多数开关电源都有隔离变压器。目前开关，色源的发展 趋势是效率更高、体积更小、重量更轻，尤其是通信设备使月j 的模块电源要求更为，r 格，如高度低rl o 毫米、低压大电流输出、最小的电磁辐射以及良好的 几械结构稳 定性等。而传统的隔离变压器在效率、体积、重量等方面严重制约了开关电源的进 华中科技大学硕士学位论文 步发惺。同时由于变压器涉及到的主要参数有电压、电流、频率、变比、温度、漏感、 * e 、外形尺寸等，所以一直无法象其它电子元器件那样有现成的变压器可供选用， j ：占常要经过繁琐的计算来选用磁芯和绕组导线，而且绕组的绕制方法对变压器的性能 也彳i 较大