（电机与电器专业论文）等离子脉冲电源拓扑结构及陡化电路的仿真研究.pdf

武汉理：r 大学硕士学位论文验电路三位一体的研究策略。文中对主要的电路结构进行了大量的仿真分析，如调压变换器、磁开关磁芯模型、压缩陡化系统电路等，以此降低研究成本，获得更快、更高、更好的科研效果。关键词：等离子体，脉冲电源，b o o s t 变换器，磁开关，脉冲陡化i i武汉理t 大学硕+ 学位论文a b s t r a c tt h ea p p l i c a t i o no fp l a s m ah a sav a s tp r o s p e c to ni n d u s t r ya n dm i l i t a r y p l a s m ag e n e r a t o ri st h em a i ns u p p l yo fp l a s m ae q u i p m e n t b u tap o w e rs u p p l yt h a ti sa b l et og e n e r a t ef a s tr i s et i m ea n dh i g hr e p e t i t i o nr a t ep u l s e si sn e e d e df o rp l a s m ag e n e r a t o r s ，e x c i m e rl a s e ra n dl a s e rb e a mw e a p o n s t h i sd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ei naw i d er a n g eo fr e a d i n ga n di n d e p t hs t u d yo fe x i s t i n gt e c h n o l o g yb a s e do ns w i t c hp o w e rs u p p l y , w i t ht h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf o rt h ep l a s m as t u d y , t h ep r e s s u r er e g u l a t o rf r o mt h ep o w e rc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r e ，r e g u l a t o rc i r c u i to u t p u tv o l t a g er i p p l ea n dp u l s es t e e po ft e c h n o l o g y ,c i r c u i t r e l a t e dt e c h n o l o g y , t h es y s t e mc a r d e do u tt oe x p l o r ea n ds t u d yt h ef o l l o w i n g ：f i r s t l y , p l a s m as w i t c h i n gp o w e rs u p p l yr e g u l a t o rc i r c u i ti sg o o do rb a dp e r f o r m a n c eo fi t sp o w e rt h ek e yt ot h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h ep o w e rs u p p l yw i l ld i r e c t l ya f f e c tp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h ep o w e rr e g u l a t o rc i r c u i tt o p o l o g yt oo p t i m i z et h ed e s i g nt oc o n f o r mt ot e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fp o w e ri so n eo ft h ek e yi s s u e so ft h i sa r t i c l e i nt h es y s t e m a t i ca n a l y s i so fp l a s m ao fv a r i o u ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l yr e g u l a t o rc i r c u i tt o p o l o g yo ft h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s s ，b a s e do na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u st o p o l o g i e sa n da p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，a n dg i v e sa l lt h et y p i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i tc o n v e r t e r s e c o n d l y , i nc i r c u i ts w i t c h i n gp o w e rs u p p l yt o p o l o g yb a s e do nt h ea n a l y s i s ，s i m u l a t i o nm o d e lw a sc o n s t r u c t e ds t e p - u pc o n v e r t e r , a n ds i m u l a t i o ns t u d i e sa r eg i v e nu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h r e em o d e so fh i g h f r e q u e n c yp w mc o n t r o lo fh i g l lv o l t a g es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yr e g u l a t o rc i r c u i to u t p u tv o l t a g er i p p l ef a c t o rv a r i o u sf a c t o r s ，f o rt h ed e s i g no fp l a s m ag e n e r a t o rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yp r o v i d e sar e f e r e n c e f i n a l l y , p u l s ec o m p r e s s i o nc i r c u i ti sas t e e pg r a d i e n to fp l a s m ap r e s s u r eg e n e r a t e db yt h ep r i m a r yp o w e rs u p p l yv o l t a g eo fs t e e ph i 曲一f r e q u e n c ys i n ei m p o r t a n tm e a n so fd e a l i n gw i t hi t ss t e e pp r o c e s s i n gad i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo ft h ep l a s m ag e n e r a t o rp o w e rs u p p l yi sg o o do rb a d ，d u et ot h es t e e pg r a d i e n tp u l s ei i i武汉理工大学硕士学位论文c o m p r e s s i o n t h e r ea r em a n yw a y st h ed e s i g no ft h ec i r c u i tf o rt h ee l e c t i o ns i d e ，i ti se s s e n t i a lt ot h e i rs e l e c t i o na n ds i m u l a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a g n e t i cs w i t c ha n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cp u l s ec o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r k ，a n dt h ei m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i cs w i t c hm o d e lb a s e do nt h ep u l s es h a r p i n gc i r c u i td e s i g nm e t h o d ，a n dt h ep u l s es h a r p i n gc i r c u i td e s i g ni ss i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t sp r o v e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o di se f f e c t i v e m e a n w h i l e ，t h es t e e pg r a d i e n to ft h ec o m p r e s s i o nc i r c u i ti n p u ta n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u sp a r t so ft h es y s t e mo ft e s t i n gt od or e s e a r c ha n da n a l y s i s ，g i v e nt h et e s td a t aa n dw a v e f o r m s ；o nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt of i n do u tt h eo p e r a t i n gr u l e so ft h ec i r c u i t t h er e s e a r c hm e t h o d ，t h i st h e s i sf i r s tm o d e l i n ga n a l y s i s ，t h e nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e lb u i l ta f t e rt h et r i n i t yo fs t r a t e g y i nt h e s i s ，t h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fal a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，s u c ha sv o l t a g er e g u l a t i o nc o n v e r t e r , m a g n e t i cs w i t c hc o r em o d e l ，t h es t e e pg r a d i e n tc o m p r e s s i o ns y s t e mc i r c u i t ，t h e r e b yr e d u c i n gr e s e a r c hc o s t s ，f a s t e r , h i g h e ra n db e t t e rr e s u l t so fs c i e n t i 6 cr e s e a r c h k e yw o r d s ：p l a s m a ，p u l s ep o w e rs o u r c e ，b o o s t c o n v e r t e r , m a g n e t i cs w i t c h ，p u l s es h a r p e n i n gi v独创性声明本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：镰琢日期：2 , o o f - ；学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)雠) ：糯聊僦) 私弋嗍测时多1武汉理工大学硕十学位论文1 1课题概述1 1 1 课题题目及来源第1 章绪论选题的题目：等离子脉冲电源拓扑结构及陡化电路的仿真研究选题的来源：预研项目本课题主要来源于等离子体隐身技术的应用要求。1 1 2 课题的研究背景除固体、液体和气体三种物质形态外，等离子体是第四种物质存在形态。它是一种处于电离状态的物质高能聚集态。等离子体普遍存在于自然界中。在离地球地面上空8 0 4 0 0 k m 处的由太阳紫外线和宇宙射线使空气电离而成的电离层就是等离子体。按照等离子体的热容量的大小可以将其分成以下三大类：等离子体、热等离子体和低温等离子体。其中受控核聚变是热等离子体的重要应用之一，低温等离子体则主要用于制造各种新型的电光源和显示器。并且还可以将低温等离子体用于切割、焊接和喷涂等工艺中n 儿别。目前产生等离子体的方法主要有两种：一种是在低温条件下利用等离子体发生器来产生等离子体。这种方式是在低温条件下，主要是因为用高频高压电源提供的高能量产生间隙放电和沿面放电等形式将气体介质激活，并电离生成等离子体。由于此种方法所用的设备便宜，维护简单，因而使这种产生等离子体的方法被广泛采用口儿4 | 。产生等离子体的第二种方法是在例如兵器的特定部位涂一层放射性同位素。它的辐射剂量应确保它的射线电离空气而产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度，以确保对雷达波具有较强的吸收效果睛儿引。等离子体隐身技术就是利用等离子体回避探测系统的一种技术。它利用等离子体发生器、发生片或者放射性核素在兵器表面形成一层等离子云。在设计武汉理工大学硕士学位论文等离子体的各项特征参数时，使之满足特定的要求，使照射到等离子云上的雷达波一部分被吸收，一部分被改变其原有的传播方向，从而使发射出来的雷达波返回到雷达接收机上的能量很少，使敌方难以探测，从而达到隐身的目的。隐身技术的更深层次就是进一步的通过改变反射信号的频率，使敌方雷达测出错误的目标位置和速度数据，达到迷惑隐身的目的。刀碡1 。等离子体发生器都是上述等离子体隐身成功与否的关键技术，其主要研究的是等离子体流的产生技术、可控调节技术和产生单位等离子体的功耗等问题。在等离子体的应用背景下，研制能为等离子发生器供电的高频高压脉冲电源自然成为本课题研究的主要内容隋儿1 0 ，。1 1 3 课题研究目的及意义电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力，但电源却不像心脏那样结构形式单一。因为，标志电源特性的参数有功率、电压、频率及带负载时参数的变化等；即使在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率等指标。人们可按照要求去“塑造”电源，因此电源的形式是多种多样的n 妇n 刭。为了达到电源转换的目的，手段是多样的。2 0 世纪6 0 年代前，研发了半导体器件，并以此器件为主实现这些转换。电力电子学科从此形成并有了近3 0 年的迅速发展。从广义上说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源。开关电源的主要组成部分是d c d c 变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换n 3 儿1 4 1 。本课题是在输出电压为2 1 3 1 ( v ，频率5 1 5 k h z ，输出电流最大为1 a ，其中幅值和频率是独立可调的高压高频逆变电源的基础上，对其输出的高频高幅值正弦电压波形进行陡化处理，将其设计成一台能为等离子发生器供电的纳秒级高压高重复频率的脉冲电源。等离子脉冲电源在众多领域中都有着很广泛的实际应用前景。如在物理科学研究领域中，与强电磁场脉冲、带电粒子流或电磁波等有关的现代物理学的研究多采用此种大功率高频率的脉冲源。在工业和环境保护领域中，比如消烟除尘、脱硫脱硝、化学降解和表面处理中也都会应用到这种高频率的脉冲电源，这种高压高重复频率的脉冲电源同样也是医疗卫生领域应用中准分子激光器的2武汉理工大学硕士学位论文主要供电电源n 5 1 。本课题的主要任务是对等离子体发生器的高压高频电源调压电路的拓扑结构进行仿真分析，同时对其所输出的正弦电压波形进行陡化处理，使之成为高压、高重复频率的纳秒级连续陡化脉冲，为等离子体发生器提供良好的电源。1 2 国内外研究现状当前等离子开关电源已经成为科学研究的热点，并且在环保、生物等领域得到了成功应用。在军事领域，除了等离子体隐身用到纳秒级高压高重复频率脉冲电源外，还有微波武器，激光武器等都用到这种脉冲电源，其核心技术之一都是磁开关技术n6 。国内外在这方面的研究主要都是在科研院所中进行的。国外，1 9 8 2 年，m s t o c k t o n 等人用金属玻璃制作的磁开关，使输出电压脉冲的上升沿时间缩短了四分之三。1 9 9 1 年c o l i n r w i l s o n 等人用1 5 段梯形网络将脉冲电压2 5 k v 的信号前沿从2 8 0 n s 锐化到5 0 n s 。n c j a i t l y 等人于1 9 9 3 年用填充铁氧体材料的同轴传输线作为陡化器件，将电压为2 0 0 k v 、脉冲宽度2 0 0 n s 的输入信号上升时间从l o o n s 陡化到1 2 5 n s 。国内，中国工程物理研究院应用电子学研究所陈裕涛等人在1 9 9 4 年用高频镍锌铁氧体作磁开关的铁心材料，将电压为2 0 0 k v 、脉宽为5 u s 、电流为2 0 a 的脉冲信号前沿从1 6 u s 压缩到0 3 u s ，且脉冲电压损失小于1 0 。1 9 9 6 年2 月，华中科技大学激光学院的王又青等老师在激光技术上发表了论文题为准分子激光器脉冲压缩开关的设计分析。文中对磁开关在准分子激光器中的应用做了详细介绍h 7 1 。美国对等离子体隐身技术也进行了大量的研究，取得了一些进展。2 0 世纪9 0 年代初，美国休斯实验室投资6 5 万美元进行了一项为期两年的研究计划。在执行计划的第一阶段，休斯实验室研究等离子体隐身的方法是测量电磁波在充满等离子体的矩形波导管中传播的透射和反射及它们随等离子体密度剖面和动量交换碰撞频率的变化，并将实验结果与理论进行了比较，在理论和实验上都取得了重要进展。在执行计划的第二阶段，休斯实验室研制和验证了等离子体隐身模型组件。在实验室双锥辐射体微波散射实验中，所测的充满等离子体外壳对反射微波信号的衰减为3 7 d b ，采用小雷达波段测量了充满等离子体外壳的散射3武汉理1 ：大学硕士学位论文截面积( r c s ) 的减小量，其中频率在4 1 4 g h z 范围内的r c s 减小量为2 0 2 5 d b n 引。1 9 9 9 年初，俄罗斯克尔德什研究中心宣称，他们己研制成功完全不同于美国“常规 隐身技术的新机理飞行器隐身系统。其方法是利用机载等离子体发生器来生成等离子体，然后通过等离子体吸收电磁波使飞机的雷达散射截面积减小。此外，受一系列物理作用的影响，比如电磁波急于绕过等离子体，也会使反射信号大大减弱引。1 3 开关电源的发展趋势目前国际上开关电源会向着以下几个方向发展啪儿2 ：( 1 ) 高频化技术：电源的高频化是使电源轻、薄、小的关键。因此，国内外都在致力于开发新型元器件，特别是改善二次整流管的损耗、电容器的小型化以及变压器，并同时采用表面安装技术，在电路板两面都布置元器件以使开关电源变得轻、薄、小。随着开关电源的频率越来越高，开关电源的变换器的体积也会随之减小，功率密度会得到大幅的提升，动态响应也得到改善。但是随着开关电源的频率不断提高，开关元器件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频抗电磁干扰等新问题也会随之产生。( 2 ) 功率因数校正技术：目前功率因素的校正技术主要分为有源和无源功率因素校正技术两大类，采用功率因数校正技术可以提高交流变直流变换器输入端的功率因数，减少对电网的谐波污染。( 3 ) 低输出电压技术：随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越低，这就要求未来的直流直流变换器能够提供低输出电压( 小于1 v ) 、大电流( 5 0 - - d 0 0 a ) 、电流变化率高( 5 a n s ) 的电源以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。( 4 ) 低噪声：开关电源的一大缺点是噪声大。由于单纯地追求电源高频化，致使噪声也随之增大。采用部分谐振变换技术，从理论上说既可以使电源高频化，又可以降低噪声。但是谐振变换技术也有其难点，比如，很难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应晶体管的寄生电容易引起短路损耗等问题都难以同时解决。( 5 ) 软开关技术：p w m 开关电源按硬开关模式工作，开关过程中，开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大、效率低、噪声也增大了，达4武汉理工大学硕士学位论文不到高频、高效的预期效果。因此，必须研究开关电压和电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 技术，或称为软开关技术。采用软开关技可以使效率达到8 5 , - , 8 8 ，可以有效地降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。( 6 ) 模块化技术：利用模块化技术可以把系统做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；也可以用模块电源组成分布式电源系统，将其设计为n + 1 冗余系统，从而提高可靠性。此外，还可以在电源系统建成以后，根据发展的需要用模块化的方法不断扩大容量。( 7 ) 大电容技术：超级电容器是电容器方面近年来最新技术进展。它分为有机系和水系两个系列。有机系的耐压为2 5 v 3 v ，水系为1 6 v 。其单元容量一般为i o f ，最大到2 7 0 0 f 。超级电容器可串联组成超高压组件或并联组成低压高能量存储组件。它引起了电力电子变换工程人员的兴趣。它具有储能大、充电快、充电电流可大可小、工作温度范围宽广、无毒性、寿命长等优点，具有极强的使用价值。( 8 ) 抗电磁干扰：高频开关电源的电磁干扰问题有其特殊性。当开关电源在高频下工作时，会引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰，有些情况还会引起强电磁场辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。由于上述特殊性和测量上的具体困难，专门针对开关电源的抗电磁干扰工作还处于起始阶段。在抗电磁干扰和电磁兼容领域，存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究。( 9 ) 电源系统的管理和控制：应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化。中央处理单元实现智能控制，就可以自动诊断故障，减小维护工作量，确保系统的正常运行。1 4 课题主要研究内容本课题是在广泛阅读国内外相关大量文献和深入研究现有开关电源技术的基础上，以等离子开关电源为研究对象，从电源的调压电路拓扑结构、调压电路输出电压的纹波系数和脉冲陡化电路的相关技术等三个方面，对电源的部分关键技术进行了系统的探索与研究，这些工作在理论研究和实际应用方面都有重要的指导意义。5武汉理下大学硕士学位论文本文的主要工作为：( 1 ) 等离子开关电源的调压电路是电源的性能好坏的关键所在，其运用的拓扑结构的优劣程度很大程度上影响着整个电源的供电性能。所以对电源调压电路的拓扑结构进行设计优化，使之符合电源的技术要求是本文的关键问题之一。所以，本文在系统地分析等离子开关电源调压电路各种拓扑结构的工作原理及过程的基础上，分析对比出了各种结构的优缺点及应用环境，并且给出了各种变换器的典型应用电路。( 2 ) 基于对开关电源拓扑电路的分析，对升压变换器进行仿真模型的构建，并在其仿真研究的基础上，给出了三种工作模式下影响p w m 控制高频高压开关电源调压电路输出电压纹波系数的各种因素，为设计给等离子发生器提供满足要求的开关电源提供了设计依据。( 3 ) 脉冲压缩陡化电路是对等离子初级电源产生的高压高频正弦电压进行陡化处理的，其处理的好坏直接影响着对等离子发生器供电质量的好坏。由于脉冲压缩陡化电路的设计有很多方法可供选侧，所以对其的选型和仿真实验至关重要。本文在分析了磁开关的工作原理及磁脉冲压缩网络的工作特点，得到了磁开关模型重要特征的基础上，给出了脉冲陡化电路的设计方法，并对脉冲陡化电路的设计进行了仿真，证明了理论分析与设计方法的有效性。6武汉理工大学硕+ 学位论文第2 章等离子开关电源调压电路的拓扑结构研究近年来，国内外学术界相继提出了多种新型的适用于中、大功率应用场合的软开关技术，这些新型的技术中调压电路的拓扑结构绝大多数是从基本的拓扑结构中演变而来的。开关电源常用的拓扑结构有许多种，并且每种拓扑结构都有其自身的特点和适用场合乜削。开关电源d c d c 变换器的拓扑结构可分为降压型( b u c k 型) 、升压型( b o o s t型) 和升降压型( b u c k b o o s t 型) 三种基本类型乜3 1 。研究基本的调压电路拓扑结构和工作原理对开关电源的研究有着基础铺垫性作用，所以本章先对上述基本的拓扑结构的工作原理和参数设置方法进行详细地介绍，并对其建立典型的应用电路。2 1b u c k 变换器b u c k 变换器习惯上又被称为降压变换器、串联开关稳压电源或三端开关型降压稳压器。它是一种对输入电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压小于输入电压。其基本拓扑结构如图2 1 所示乜钔。l图2 1b u c k 变换器典型拓扑结构图2 1 1b u c k 变换器的拓扑结构及工作原理为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假定：7v o武汉理上人学硕士学位论文( 1 ) 续流二极管和开关晶体管理想元件，即它们可以快速地“导通”和“截止”，并且在导通时电压降为零，截止时漏电流为零。( 2 ) 电路中的电感和电容均为理想元件，即电感工作在线性区而未饱和，其寄生电阻为零。电容的等效串联电阻也为零。( 3 ) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到可以忽略心5 j 。b u c k 变换器的工作过程：由图2 1 可知：当q l 导通时( t o n 时间内) ，输入信号通过q 1 、电感l和负载电阻r l 形成回路，并给电容c o 充电。续流二极管v d 下端接地，因电位下低上高而反相截止。此时电感l 中的电流i l 即为回路电流。由于电感中的电流不能突变，其两端会产生一个极性为左正右负的自感电势，存储能量。i l 从最小值开始线性增加，经过t 伽时间达到最大值i m 觚，此时q 1 从饱和导通转入截止时刻。当q 1 截止时，即p w m 波在t o e r 段时，由于线圈l 中的磁场会改变线圈l两端的电压极性，来维持电流i l 不变，因此负载r l 两端电压仍然是上正下负。在i l 一l c ，实际工程中一般取1 2 倍的裕量。( 2 ) b u c k 电路中电容c o 的确定流经电容的电流i 。是( i l - i o ) ，根据i 。对电容的充放电产生的纹波电压铲古心r = 1 丁a i l 弘告丁仫9 )将( 2 2 ) 式带入( 2 9 ) 式中得：c 。：三三虹r ( 2 - 1 0 )。8lvpp由( 2 1 0 ) 式可知，b u c k 电路中的电容大小不仅与输出电压、电感值的大小有关，而且还与脉冲的关断时间及周期相关。所以在实际工程中，电容值的9武汉理- 亡人学硕士学位论文确定是很复杂的。要兼顾各个参数值的确定，所以在电路设计时，要反复调整电容的大小，使b u c k 电路的性能最佳。2 1 3b u c k 变换器的典型应用电路典型的降压型控制器有m a x 7 2 4 、t p s 5 2 1 0 、l t l 0 7 4 、l m 2 6 7 9 等。b u c k控制器典型应用电路图如图2 2 所示啪1 。nl1( 10t vvj、，_ y 、54。上r ，1 l jl t l 0 7 4么v d2 8 k132c a +c 2 业kc 1l1r 2_ 一5 0 0 u f 二j2 2 1 k2 0 0 u f - -_ 一旺0 1 u 可图2 2b u c k 控制器典型应用电路图其中l t1 0 7 4 中的管脚为：1 - - f b ( 反馈信号) ：2 - - v c ( 限流) ；3 g n d ；4 - v s w ( 信号输出) ；5 - - v i n ( 信号输入) 。l t 系列的电压调节控制器是凌力尔特公司的产品。凌力尔特公司设计、制造和销售门类宽泛的标准高性能集成电路产品。该公司的主要产品门类涵盖放大器、电池管理、数据转换器、高频接口、电压调节器和电压基准等。l t l0 7 4 是一款高效率开关模式降压型电源控制器。封装中内置了开关控制器、功率f e t 、电感器和支持组件。l t l 0 7 4 的工作输入电压范围为1 0 v 至4 0 v ，可支持2 5 v 至5 0 v 的输出电压范围。该控制器仅需采用电感器、检测电阻器、大容量的输入和输出电容器便可实现完整的设计。故障保护功能包括过压和折返电流保护。l t l 0 7 4 把经降压、整流，平滑的非稳定直流变为稳定的直流。其输出电流约为5 a ，过载时限流电路动作，输出电压可由外接电阻进行调整，使其输入电压范围较宽啪1 。1 0武汉理工人学硕士学位论文2 2b o o s t 变换器b o o s t 变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。它是一种对输入电压进行升压变换的直流斩波器，即输出电压大于输入电压。其基本拓扑结构如图2 3 所示。lv d图2 3b o o s t 控制器典型拓扑结构图2 2 1b o o s t 变换器的拓扑结构及工作原理为分析稳态特性，简化推导公式的过程，所需假定与2 1 1 节b u c k 变换器的假定相同。b o o s t 变换器的工作过程：由图2 - 3 可知：当q 1 导通时，输入电压v i n ，通过电感l 和q 1 形成回路，而续流二极管v d 截止，此时电感l 中的电流i l 即为回路电流。由于电感中的电流不能突变，其两端会产生一个极性为左负右正的自感电势，这时电感l 存储能量。i l 从最小值开始线性增加，经过k 时间达到最大值i 蚴x ，之后q l 从饱和导通转入截止。当q 1 截止时，续流二极管v d 因加正向电压而导通，存储在电感l 上的能量通过v d 、r l 和c o 回路释放。同理因为电感l 的电流不能突变，回路中的电流i l 从i m x 开始线性减少，再经过t o r t 时间，q 1 从截止重新变为饱和导通，此时i f i m 缸+ i l _ 减小到最小值，即i l 在t 内的正增量与在t o l r 内的负增量数值恰好相等。一一茎坚堡i 三奎堂堡主堂焦堡奎一_ _ _ _ _ _ _ _ _ ，一一2 2 2b o o s t 电路中的参数计算由图2 - 3 可知，当q 1 导通时，电感电流的正增量i l + 可表示为：哦= r ”牛r = 毕乙吐。( 2 1 1 )其中v 蹦为q l 的饱和电压降。当q 1 截止时，电感电流的负增量i l - 可表示为：垅= e 嘞坠等与r = 牛( 2 1 2 )f ：= f 三譬粤l 。：坠竖l r 当q 。3 )。ro 雄v j j则输出电压v o 为：圪= 弓孑一专一= 毒形”一每一q 。4 ，在假定条件下，q 1 导通饱和电压v s a 产o v ，续流二极管导通电压v d o v ，故有：矿。2 寺吒一2 击n 一心。5 )( 2 1 5 ) 式表明升压型d c - d c 变换器的输出电压v 。与t t o n h 茈正，因为t t o f f ，所以v 0 总是大于输入电压v i n 值，即为升压型变换器。( i ) b o o s t 电路中电感l 的确定根据电路的连续导电模式和不连续导电模式的临界状态日n垒l = f( 2 1 6 )即l=zdk z - i o7将( 2 1 6 ) 式带入( 2 1 2 ) 式中并整理得：工。：导d ( 1 一d ) 丁= 了1r 。d ( 1 一d ) 丁( 2 _ 1 7 )为了要保证电路工作在连续导电模式下，必须使电路中的电感l l c ，实际工程中一般取1 2 倍的裕量。( 2 ) b o o s t 电路中电容c 。的确定考虑电容器内部都有寄生电阻，考虑续流二极管电流的纹波电流都会流进1 2武汉理- t 大学硕士学位论文电容器c o ，以保证负载上得到平直的直流电流。因此，电容的充放电产生的纹波电压v p p 可表示为：v 。：型：上l dt( 2 1 8 )p pcorl co整理得：c：兰j 一d：三kdt(219)t1 9= 二_ j 一d= 二- k( 2 一urlyp pypp由式( 2 1 9 ) 可知，b o o s t 电路中的电容与电路输出电流和脉冲的导通时间成正比，与电容充放电时产出的纹波电压大小成反比。所以为了得到较好的输出电压波形，可以通过改变脉冲的导通时间来改善输出纹波电压。2 2 3b o o s t 变换器的典型应用电路典型的升压型控制器有l t l 3 7 0 、m a x 7 4 2 、l m 2 5 8 6 等。b o o s t 控制器典型应用电路图如图2 4 所示。v i图2 - 4b o o s t 控制器典型应用电路图其中l t l 3 7 0 中的管脚为：1 - - v c ( 限流) ；2 - - f b ( 反馈信号) ；3 一s s ( 软启动信号) ；4 - - g n d ( 接地端) ；5 - - v s w ( 信号输出) ；6 一空置；7 - - v i n ( 信号输入) 。l t l 3 7 0 是一款高效率开关模式升压型电源控制器。封装中内置了开关控制器、功率f e t 、电感器和支持组件。l t l 3 7 0 工作输入电压为5 v ，输出电压为1 2 v 。仅需采用电感器、检测电阻器、大容量的输入和输出电容器便可实现完整的设计。其故障保护功能包括过压和折返电流保护。1 3武汉理工大学硕士学位论文2 3b u c k b o o s t 变换器b u c k b o o s t 变换器又称降压升压变换器、反号变换器。它是一种对输入电压既能进行降压变换又能进行升压变换的直流斩波器，即输出电压既可以小于，也可以大于输入电压。其基本拓扑结构如图2 5 所示。v o图2 5b u c k b o o s t 变换器典型拓扑结构图2 3 1b u c k b o o s t 变换器的拓扑结构及工作原理n 。为分析稳态特性，简化推导公式的过程，必须设定一些假定，所需假定与2 1 1 节b u c k 变换器的假定相同。b u c k b o o s t 变换器的工作过程：由图2 5 可知，当q l 导通时( k 时间内) ，输入信号v i n 通过q l 和电感l形成回路，续流二极管v d 反相截止，此时电感l 中的电流i l 即为回路电流。由于电感中的电流不能突变，其两端会产生一个极性为上正下负的自感电势，存储能量。i l 线性增加，经过t o n 时间达到最大值i m 瓤，此时q l 从饱和导通转入截止。当q 1 截止时，续流二极管v d 因加正向电压而导通，存储在电感l 上的能量通过v d 和r l 回路释放，同时给电容c o 充电。同样因为电感l 的电流不能突变，回路中的电流i l 从i 蚴开始线性减少，再经过t 。f r 时间，q 1 从截止重新变为饱和导通，此时t = k + 减小到最小值，即i l 在t 。n 内的正增量与在t o 仃内的负增量数值恰好相等。当q l 截止时电路中i o 的方向与参考方向一致，v o的电位比参考电位( 零电位) 低，所以为负值。1 4武汉理工大学硕七学位论文2 3 2b u c k b o o s t 电路中的参数计算由图2 - 5 司知，当q l 导通时，电感电流的正增量i l 卞司表不为：z ：= r ”! 争r = 牛z 。= i m , x ( 2 - 2 0 ，其中v 咖为q l 的饱和电压降。当q 1 截止时，电感电流的负增量a i l 可表示为：ai l = l 上f ：华( 2 2 1 )j7 。三三叫7。f ：=f 三- ! ：i z ，。= ：j ! 2 ，。2 - 2 2 )则输出电压v o 为：y 。：j 监掣业一y 一( 2 2 3 )om在假定条件下，q 1 导通饱和电压一。，0 v ，续流二极管导通电压v d 0 v ，故yo = 二挚= 击1矿，。(224)ffmn j 月。joj上，上式中分子的负号表明输出电压v o 的相位与输入电压v i n 的相反。并且可以看出升降压型d c _ d c 变换器的输出电压v o 与一d 成正比，因为一d可能大于1 也可能小于1 ，所以输出电压v o 可能大于输入电压v i n 值，也可能小于v i n 值，即为升降压型变换器。( 1 ) b u c k b o o s t 电路中电感l 的确定根据电路的连续导电模式和不连续导电模式的临界状态，i ，即1 产= 1o( 2 2 5 )并且由图2 - 5 可知，i l = i i n + i o ，得：仁屯“= 占p 卜南= 老( 2 - 2 6 )将( 2 - 2 6 ) 式整理得：小警2i = 每2i ”d ) 2r仫2 7 ，c，1 5武汉理工大学硕十学位论文要保证电路工作在连续导电模式下，必须使电路中的电感l 二，l c ，实际工程中一般取1 2 倍的裕量。( 2 ) b u c k b o o s t 电路中电容c o 的确定电容的充放电产生的纹波电压v p p 可表示为：1 矿华= 善d 丁( 2 - 2 8 )p pcor l co 整理得：c ：二 - 一dr( 2 - 2 9 )9灭矿pp由( 2 2 9 ) 式可知，b u c k - b o o s t 电路中的电容不仅与输出电压的大小、脉冲导通时间成正比，而且与负载电阻的大小成反比。因此在设计此电路的电容时，要充分考虑所带负载的大小，从而决定导通时间的长短，以此来改善输出纹波电压。当然这些参数值都是相互影响、相互制约的，所以在实际设计时，应先通过仿真的手段，多次调整各个参数，伎电路输出效果最佳。2 3 3b u c k b o o s t 变换器的典型应用电路典型的升降压型控制器有l t m 4 6 0 7 、l m 2 5 7 9 、m a x 7 6 5 等，b u c k - b o o s t控制器典型应用电路图如图2 - 6 所示。v -4广。1 k lt 0v 2 0 v1 0 0 u f - 1 - -，alv 0p l l i nv j 口t上1 0 u f + 上3 3 0 u l c心| o f f er i nf c b_ 上土上s w ls w 2l t m 4 6 0 7鼬e l l s es e n s e +10 1 u f中is ss e n s e -il上s g n dv 阳1 暑监p g n d图2 - 6b u c k b o o s t 控制器典型应用电路图1 6武汉理工人学硕+ 学位论文其中：n 一输入信号；f c b 端迫控制输入端；s w l 、s w 2 端功率开关端；r s e n s e 端感应电阻；s e n s e + 、s e n s e 端感应电流和反向电流比较器输入正负端；v f b 反馈电压端；p g n d 电源接地端；s g n d 信号接地端；s s 软启动端；r u n 运行信号；p l l i n 一外接时钟信号；v o u t 输出信号。l t m 4 6 0 7 是一款高效率开关模式降压升压型电源。封装中内置了开关控制器、功率f e t 、电感器和支持组件。l t m 4 6 0 7 的工作输入电压范围为4 5 v 至3 6 v ，可支持o 8 v 至2 4 v 的输出电压范围( 由单个电阻器来设定) 。该高效率设计在升压模式中提供了高达5 a 的连续电流( 在降压模式中为1 0 a ) 。仅需采用电感器、检测电阻器、大容量的输入和输出电容器便可实现完整的设计。可以使l t m 4 6 0 7 的频率与一个外部时钟相同步，以减少无用的频率谐波。故障保护功能包括过压和折返电流保护。2 4 三种变换器的优化分析上述三种基本的d c d c 变换器有一个共同特点：在输入和输出回路中有一根线是共用的。因此，也把这种变换器称为三端开关式稳压器。通过上述的原理分析，可以总结以下几点：( 1 ) 在d c d c 变换器中，开关电源中的电感与电容配合，起到能量储存和释放的作用。其接线形式是为低通滤波器的样式。因为变换器的有关元件必定使得电压波形呈脉波状，欲得到直流输出，电路中一定要有某种形式的低通滤波器。( 2 ) d c d c 变换器中的降压型( b u c k ) 和升压型( b o o s t ) 结构是最基本的拓扑结构类型。其他的结构类型都是由这两种基本类型派生或是变换创新出来的。因此可知其是由那种类型派生出来的，就必然具备有哪种的基本特性，也包括其动态特性。( 3 ) 在实际应用中，