（电磁场与微波技术专业论文）单电感e2类软开关电源控制电路的设计.pdf

摘要 摘要 丌关电源发展至今，高频化、小型化、高功率密度等是其主要的发展趋势。 自软丌关技术提出后，开关电源能在更高的频率下获得高效率，由于软开关技 术能有效地减小丌关电源的体积，提高功率密度，从而被广泛地应用于开关电 源技术中。 开关电源的控制方式通常有定频调制和变频调制两种，常见的定频调制有 脉宽调制( p w m ) ，p w m 驱动信号的频率保持不变，通过改变脉冲信号的宽度 ( 占空比) 来实现对输出的控制；变频调制驱动信号的频率是不恒定的。设计 要求变换器工作在软丌关的状态( 零电压丌通) ，而上述两种控制方式并不能满 足这个要求，故本文提出了一种新颖的控制方式。 本课题主要研究单电感e 2 类软开关d c d c 变换器的控制，在开关电源设计 中，输出电压的控制是高性能开关电源必须解决的关键问题，能否设计出性能 良好的控制电路就显得至关重要。由于闭环控制系统都会存在不稳定的可能性， 因此需要对反馈控制系统设计补偿环路，使电路系统稳定。 文章中首先介绍了e 2 类d c d c 变换器的电路拓扑结构以及工作原理，基于 该变换器的原理，设计了一台功率为1 0 0 w 、输出为2 4 v 的隔离式单电感e 2 类 软开关d c d c 变换器，给出了设计参数，选择了合适的开关器件，并通过了仿 真验证。然后结合变换器的工作原理和特点，选择m c 3 3 2 6 2 作为控制芯片，以 该芯片为核一t l , 设计变换器的控制电路。设计的控制电路由两部分组成：隔离、 取样电路，用来采样输出电压并实现变换器初、次级电气隔离；2 型误差放大器， 设计补偿电路使反馈电路系统稳定。最后根据芯片临界电流传导模式控制的特 点，在电路中加入r c 滞后电路，实现变换器的软开关( 零电压开通) ，并完成 电路的整体设计。本文设计的控制电路可以使开关电源工作在软开关状态，提 高了效率和功率密度，并且电路工作稳定，达到了设计指标，具有一定的实际 应用价值。 关键词：丌关电源e 2 类高功率密度软开关控制电路 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i nt r e n d si nd e v e l o p m e n to ft h es w i t c h i n g p o w e rs u p p l ya r eh i g h f r e q u e n c y , m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hp o w e rd e n s i t y , e t c a f t e rp r o p o s i n gt h es o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc a na c h i e v eh i g he f f i c i e n c yu n d e ra h i g h e rf r e q u e n c y a n dt h es o rs w i t c h i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e df o rs w i t c h i n g p o w e rs u p p l yf i e l ds i n c ei t c a nr e d u c et h ev o l u m eo ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y e f f e c t i v e l ya n dr a i s ep o w e rd e n s i t y t h e r ea r eu s u a l l yt w oc o n t r o lm e t h o d sf o rt h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l y ：c o n s t a n t f r e q u e n c ya n dv a r i a b l ef r e q u e n c y p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) i sac o m m o n c o n s t a n tf r e q u e n c ym o d u l a t i o n p w mw i l la c h i e v eo u t p u tc o n t r o lb yc h a n 酉n gt h e p u l s ed u r a t i o n ( d u t yc y c l e ) b u tf r e q u e n c yo fp w md r i v i n gs i g n a lr e m a i n sc o n s t a n t ， t h ef r e q u e n c yo fv a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v i n gs i g n a li si n c o n s t a n t i nt h ed e s i g n ，t h e c o n v e r t e rw o r k si ns o f ts w i t c h i n gs t a t e ( z e r o v o l t a g e - s w i t c h i n g ) ，b u tt h et w om e t h o d s w h i c ha r ea b o v e - m e n t i o n e dc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t ，t h e r e f o r e ，an o v e lc o n t r o l m e t h o di sp r o p o s e d t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sd e s i g no fc o n t r o lc i r c u i to fc l a s se 2i s o l a t e d s o f ts w i t c hd c d cc o n v e r t e rs i n c et h ec o n t r o lo f o u t p u tv o l t a g ei sak e yp r o b l e mt h a t m u s tb es o l v e di nd e s i g n i n gah i g hp e r f o r m a n c es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y i ti sv e r y e s s e n t i a lt od e s i g nah i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o lc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，t h e r ee x i s t s t h ep r o b a b i l i t yo fi n s t a b i l i t yf o rt h ew h o l e c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m s o a c o m p e n s a t i o nc i r c u i tn e e d st ob ed e s i g n e df o rt h ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mi na n a t t e m p tt om a k et h es y s t e ms t a b l e f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec i r c u i tt o p o l o g ya n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo f c l a s se 2d c d cc o n v e r t e r b a s e do nt h et o p o l o g ya n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo fd c d c c o n v e r t e r , ac l a s se i s o l a t e ds o f is w i t c hd c d cc o n v e r t e rw i t h10 0 wa n d2 4 v o u t p u ti sd e s i g n e d ，w h i c hh a sg i v e nt h ep a r a m e t e r so ft h ec i r c u i ta n dc h o s e na n a p p r o p r i a t es w i t c hd e v i c e t h e ni th a sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o na s s i s t a n c e a n da c o n t r o lc h i pm c 3 3 2 6 2 ，b e i n gs e l e c t e dt h a tc o m b i n e dw i t ht h e o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n v e r t e r , i st a k e na st h ec o r et od e s i g nc o n t r o lc i r c u i to ft h e l i a b s t r a c t c o n v e r t e r t h ed e s i g n e dc o n t r o lc i r c u i tc o n s i s t so ft w oc o m p o n e n t s ：i s o l a t i n ga n d s a m p l i n g c i r c u i tu s e df o rs a m p l i n go u t p u tv o l t a g ea n di s o l a t i n g p r i m a r y a n d s e c o n d a r yo ft h ec o n v e r t e r ；t y p e2e r r o ra m p l i f i e r , d e s i g n i n gc o m p e n s a t e dc i r c u i tf o r e r r o ra m p l i f i e rt os t a b i l i z ef e e d b a c kc i r c u i ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec h i pa sac r i t i c a lc u r r e n tc o n d u c t i o nm o d ec o n t r o l l e r , ar c l a g g i n gc i r c u i ti sa d d e d i nt h ec i r c u i tt or e a l i z et h es o f ts w i t c ho ft h ec o n v e r t e r ( z e r o v o l t a g e s w i t c h ) a n d f i n a l l yc o m p l e t e st h ew h o l ed e s i g no ft h ec i r c u i t t h ep a p e rd e s i g n st h ec o n t r o lc i r c u i t t om a k es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi ns o f ts w i t c h i n gs t a t ea v a i l a b l e i t i m p r o v e s e f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t yw i t has t a b l ec i r c u i t ，w h i c hr e a c h e st h ed e s i g nt a r g e ta n d w i l lh a v eac e r t a i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；c l a s s e 2 ；h i g hp o w e rd e n s i t y ；s o f ts w i t c h ； c o n t r o lc i r c u i t i i i 1 绪论 1绪论 电力电子技术发展至今已有半个多世纪的历史，丌关电源技术也随着迅速 发展。开关电源与传统的线性稳压电源相比，具有体积小、效率高等优点，从 而逐渐取代了传统的线性电源，并广泛应用于加热、照明、航天、电化学、电 弧焊、通信、计算机等各个领域【l 】【2 1 。在现代社会生活中，电子设备随处可见， 这些电子设备都离不丌电源，而开关电源占据着电源市场的大部分，所以丌关 电源在电源领域有着举足轻重的地位。丌关电源作为电力电子技术的一个重要 分支，在欧美等世界各国得到广泛深入地研究，目前讵在以前所未有的速度向 前发展。 1 1开关电源的现状与发展 在各种电子设备中，电源是必不可少的组成部分，其功能相当于人类的心脏， 性能的优劣直接关系到电子设备能否可靠的工作。在日常生活和工作中，常用 的电源分为线性稳压电源和丌关电源两类。开关电源较线性电源耗能低、效率 高，而线性稳压电源体积大、耗能大；再者，线性电源的调整管工作在线性放 大状态，导致开关管极易受到损伤，电源的效率和可靠性都不高，因而很难满 足现代电子设备的需要。丌关电源因其独特的优势而占据着电源技术的核心地 位，被广泛地应用于家电、通讯、计算机等各行业，已成为电源的主流产品。 其结构框图如图1 1 所示。 图1 1 开关l u 源结构框图 1绪论 开关电源的主要优点有： ( 1 ) 体积小、重量轻； ( 2 ) 效率高； ( 3 ) 可靠性和稳定性高； ( 4 ) 对供电电网波动不敏感。 目前，世界各国的电子行业都在高速发展，开关电源是电子行业的基础产业， 因而面临着更新更高的挑战。开关电源的发展实际上是遵循着高频、高效、高 功率密度等轨迹前进的，丌关电源技术发展至今已经历了几个阶段。由于其广 泛地应用在计算机、通信等领域，随着电子产品制造工艺技术的进步，丌关电 源制造技术也得到了飞速的发展。高性能大规模集成电路的问世，制造工艺越 来越精密，使得开关电源的体积得以缩小，这样生产出来的电子产品体积也就 相应缩小，以满足现代社会的各种需要。新型开关器件的推出也不断推动着丌 关电源技术向前发展。进入新世纪后，开关电源技术不断发展创新，其发展趋 势可概括为以下几个方面【3 】： 1 、高频化1 4 】 高频化是丌关电源发展的一项重要创新技术。开关电源的体积主要由电感和 电容等储能元件的体积所决定，因此，要缩小丌关电源的体积，就要减小电感 元件和电容元件所占用的体积。提高开关电源的工作频率，能够有效的减小电 感和电容等储能元件的体积，这就使得丌关电源的体积得以缩小。因此，高频 化是使开关电源实现小型化的重要技术手段。要提高开关电源的工作频率还要 依赖于高性能开关器件的推出，自功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极晶体 管( i g b t ) 问世以来，开关电源的工作频率得到很大提高。超容电容器和平面 变压器的发展，也为丌关电源的高频化做出不小的贡献。 2 、高功率密度 如今各种电子产品的体积越来越小，这就要求开关电源也应减小体积，提高 功率密度。功率密度的提高依赖于效率的提高，而效率的提高需要高频技术的 支持。现在市场上广泛使用的开关电源，大多采用的是脉宽调制( p w m ) 技术， 而这种类型的电源产生的损耗主要是由开关管在开通、关断及导通三种状态下 分别产生的损耗，以及整流二极管的损耗等。因此，在设计丌关电源时要采用 先进的技术减小各种损耗以提高效率。对于p w m 型的开关电源来说，工作频率 越高，在一定时问内开关管开通和关断的次数就越多，产生的损耗也就越大。 2 1 绪论 随着软丌关技术的提出，这个问题得到较好地解决。 3 、软丌关技术【5 】【6 】 开关电源工作频率的提高有赖于软开关技术的发展。软丌关技术是开关电源 技术的一个创新，根据谐振原理，在开关电源工作时，使肝关器件两端的电压( 或 流过的电流) 按正弦或准正弦规律变化。当开关器件两端电压为零时，开关丌通 ( 或流过开关器件的电流为零时，丌关关断) ，在这种情况下，开关损耗大大降低。 最初的开关电源技术采用的是“硬开关”技术，与“软丌关”技术不同，其丌 关管在导通或关断的时候，开关器件两端的电压或流过的电流并不为零，在这 种工作方式下开关管的耗能大。为了降低丌关损耗，软开关技术应运而生。 4 、数字化 开关电源的另一个发展方向是数字化。在电力电子技术发展初期，电路的 控制足采用模拟控制，而模拟控制存在误差大，不方便等缺点。相对而言，数 字控制则控制起来更方便，抗干扰能力更强。 5 、功率因数校正技术( p f c ) 目前，最为广泛的变流方案是从2 2 0 v 交流电网经整流滤波后直接供给直流， 虽然输入交流电压的波形是正弦变化的，但输入电流波形却有着高次谐波，畸 变严重。这样的后果是谐波电流对电网产生危害，输入端功率因数下降，负载 所得的实际功率下降。采用功率因数校j 下( p f c ) 技术，可有效地减少电流的高次 谐波，提高电源的效率。 1 2 开关电源分类 电子技术的发展促使人们研究更新的开关电源技术，而丌关电源的种类也 越来越多，开关电源的分类如下： 1 、按激励方式划分 ( 1 ) 他激式开关电源 电路内部专门设置有产生驱动信号的控制驱动电路，在早期的开关电源产 品中，这部分电路采用的是散件电路，后来是采用p w m ( 或s p w m ) i c 实现 的，这类电源一般用于大功率的场合。 ( 2 ) 自激式开关电源 电路中的功率开关管既作为开关器件，又作为p w m ( 或s p w m ) 驱动信号 3 1绪论 产生的振荡管，这种电路结构的丌关电源都工作在谐振状态，一般应用在中小 功率的场合。 2 、按调制方式划分 ( 1 ) 脉宽调制型( p w m ) 脉宽调制( p w m ) 型驱动信号的频率保持不变，通过改变脉冲的宽度( 占 空比d ) 来实现对输出的调节控制，大多采用输出取样电路构成的反馈闭环回路， 经过处理反馈信号来调节驱动信号的脉宽，以此来稳定输出。 ( 2 ) 脉频调制型( p f m ) 脉频调制型驱动信号的占空比保持恒定，通过改变振荡频率来调节输出， 一般白激式丌关电源采用这种调制方式。 ( 3 ) 混合型 混合型通过调节驱动信号的频率和脉宽来实现稳定输出的目的。 3 、按输入、输出电压大小极性划分 ( 1 ) 降压式开关电源 降压变换器一b u c k 变换器，输出电压玑小于输入电压配，输入与输出电压 极性相同，优点是损耗低、效率高。 ( 2 ) 升压式开关电源 升压变换器一b o o s t 变换器，输出电压以大于输入电压u ，输入与输出电 压极性相同，一般用于小功率场合。 ( 3 ) 反极性开关电源 降压或升压变换器b u c k b o o s t 变换器，输出电压玑大于或小于输入电压 ，输入与输出电压极性相反。 降压或升压变换器一c u k 变换器，输出电压u 大于或小于输入电压u ，输 入与输出电压极性相反。 4 、按开关管的连接方式划分 ( 1 ) 单端正激d c d c 变换器 单端j 下激电路拓扑中仅含有一个丌关管。其工作特点是开关管导通时，变 压器的能量由初级传递到次级；开关管关断时，由整流器之后的l c 滤波器为负 载提供能量。这种电路不适合用在大功率的场合。 ( 2 ) 单端反激d c d c 变换器 单端反激电路拓扑结构不需要输出电感，只含有一个输出滤波电容，广泛应 4 1 绪论 用在高电压、小功率的场合。电路中的变压器不仅起着变压器的作用，还起着 电感的作用。其工作特点是歹f 关管导通时，能量储存于变压器中，负载山输出 滤波电容提供电流；开关管关断时，变压器的能量从初级传递到次级，负载得 到能量。 ( 3 ) 半桥变换器 半桥电路拓扑结构中，两个开关管连接成半桥的形式。这种电路拓扑中开 关管的电压应力较单端正激电路的低，磁芯利用率也比单端下激电路有所提高。 适用于功率较大的场合。 ( 4 ) 全桥变换器 在全桥电路拓扑中，四个丌关管连接成全桥的形式。这种电路适用于大功 率的场合。 ( 5 ) 推挽电路 推挽电路使用两个开关管，连接成推挽的形式，实际上是由两个单端反激 开关电源电路相加而成的，适用于输出功率大的场合。 1 3 软开关技术 在开关电源中，开关器件的开关损耗与开关频率的高低有着密切的关系， 开关电源的工作频率越高，开关器件上产生的损耗就越大，开关电源的效率也 就越低。此外，开关频率越高，电路产生的d r d r 和别出也就越高，电磁干扰( e m i ) 也就越强，从而影响控制和驱动的稳定性，因此必须设法减小开关损耗。高频 化是开关电源技术的一个重要发展趋势，而提高开关频率则依赖于软开关技术。 大功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的相继推出，使得开关 电源的工作频率越来越高，体积越来越小，功率密度也得到提高。为了使开关 电源能在高频下高效地工作，高频软开关技术得到不断地研究。 首先介绍一下“硬开关”和“软开关 的区别。所谓“硬开关”指的是在 开关管开通或关断时，开关器件上的电压或流过的电流不为零，在这种工作模 式下，开关损耗比较大。“软开关 指的是当开关管的电压为零或流过的电流为 零时，开关管开通或断开，从而开关损耗为零。早期的开关电源技术采用的都 是“硬开关”技术，因其损耗大、效率低，不利于高功率密度的设计，逐渐被 “软开关”技术所取代。 5 l 绪论 在“硬丌关”和“软丌关 两种不同的状态下，丌关管两端的电压波形和 流过的电流波形分别如图1 2 和1 3 所示，从波形图中可以看出：在硬开关状态 下，有一定的开关损耗，而在软丌关状态下，开关损耗几乎为零。软丌关技术 能有效地降低损耗，因此，软开关技术被提出来并在不断地发展。 p n p 0 t 0 图1 2 硬开关状态f ，开关管的电压、电流和损耗波形 pp 图1 3 软开关状态下，开关管电压、电流和损耗波形 近几十年来，国t h a i - 各种高频软开关技术飞速发展，软开关技术的发展分 别经历了准谐振技术、零开关一脉宽调制技术和零转换一脉宽调制技术这3 个阶 段。先后提出来的技术有：串联或并联谐振技术、有源钳位z v s 技术、准谐振 6 1 绪论 或多谐振技术8 1 、z v s p w m 或z c s p w m 技术9 1 、移相全桥z v s p w m 技术、 z c t p w m 或z v t p w m 技术、广义软开关技术。软开关技术的发展过程如表 1 1 所示【10 1 。 表1 1软开关技术的发展过样 1 4 控制方法的介绍 开关电源主要包括主电路和控制电路两部分，其中，主电路的作用是完成 功率的变换，而控制电路的作用则是稳定主电路的输出。由于开关电源在输入 或外部环境变化时，输出也会随着变化，因此，通过控制电路来调节开关器件 的导通时间( 占空比d ) ，使开关电源的输出保持不变。控制电路的质量高低决 定了丌关电源的性能是否良好，因此，在设计开关电源时，控制电路的设计就 显得至关重要。定频控制和变频控制是两种主要的控制方式。定频控制方式下， 开关周期恒定不变，通过调节丌关丌通的时间( 占空比d ) 来控制输出，也就是 通常所说的脉宽调制( p w m ) 技术；变频控制方式的开关周期不恒定，有定关断 时间、定开通时间、迟滞比较等几种方式。 按控制电路的采样变量进行分类，控制方式可分为：电压型、电流型、电 荷型、平均电流型和v 2 型等【l l 】【12 1 。 1 、电压型控制方式 传统的p w m 型d c d c 变换器通常采用的是电压型控制，这也是最早、最 简单的控制方式，由于是单环控制，电路比较简单，实现起来较容易，因而得 到广泛地应用。电压型控制方式采用对输出电压进行采样，采样信号作为反馈 信号，并与误差放大器的基准电压信号进行比较，比较结果经放大后生成误差 7 l 绪论 信号，误差信号与振荡器产生的锯齿波比较，产生占空比可调的方波信号，来 驱动丌关管，以达到稳定输出电压的目的。电压型控制原理图和波形图如图1 4 所示。电压型控制电路结构简单，便于分析和设计，但是要在控制电路中增加 补偿电路，才能实现系统稳定的工作，并且响应速度慢。 锯齿波 7 亿刀刀 a电压犁控制原理图 b 电压型控制波形图 图1 4 电压型控制原理图与波形图 2 、电流型控制方式 电流型控制方式的取样信号包含了电容电压和电感电流两个变量，这样可 以提高p w m 控制的性能。这种控制方式又叫峰值电流控制，电压信号作为外环 控制信号，电流信号作为内环控制信号。与电压型控制方法相比，电流型控制 方法用丌关电流波形代替了锯齿波，作为与误差信号比较的对象，以此产生 p w m 信号。电流型控制方式原理图和波形如图1 5 所示。电流型控制具有自动 限流、响应速度更快、闭环系统稳定性高等优点，因而得到了更为广泛地应用。 但是在占空比d 大于0 5 时，需要增加斜坡补偿电路来消除次谐波振荡，稳定电 路系统。 a 电流型控制原理图 b 电流型控制波形图 图1 5 电流型控制原理图和波形图 8 l 绪论 3 、平均电流型控制方式 平均电流型控制方法对电流的控制更为精确，这是因为控制的变量是电感 电流平均值。而峰值电流控制方法对电流的控制不是很精确，在有些场合并不 适用。平均电流型控制方法精度高，抗干扰能力强，并且不需要斜坡补偿电路， 但缺点是响应速度较慢。 4 、电荷型控制方式 电荷型控制方法控制的变量是每个周期的电量，能更有效地控制电流，其 缺点是对瞬态电流变化的响应速度慢，不能有效地保护丌关管。 5 、v 2 控制方式 v 2 控制方法采用的是双坏控制，与电流型控制不同，其输出电压采样代替 了电流采样。v 2 控制方法不但具有对输入电压动态响应速度快、闭环系统稳定 性高等优点，而且对负载的变化具有超快的响应速度。但v 2 控制方法抗干扰能 力差，没有自动限流功能，同样需要增加斜坡补偿来消除占空比d 大于0 5 时的 次谐波振荡。v 2 型控制原理图与工作波形如图1 6 所示。 av 2 型控制原理图 b 工作波形图 图1 6v 2 犁控制原理图与波形图 1 5 本课题的主要工作 本课题的主要任务是研究单电感e 2 类软开关电源的控制问题，首先要设计 出主电路，即单电感e 2 类d c d c 变换器，然后为主电路设计控制电路，并且使 变换器工作在软开关的状态。本文采用了一种新颖的控制方式来实现软开关和 控制输出电压的双重目的。 总体工作主要分以下几部分：单电感e 2 类软开关d c d c 变换器的拓扑结构 分析与选取；单电感e 2 类d c d c 变换器的设计；控制芯片的选取及反馈电路的 9 l 绪论 设计；整体电路的设计及变换器软开关的实现。 1 、单电感e 2 类d c d c 变换器的拓扑结构分析与选取 在设计单电感e 2 类d c d c 变换器之前，先找出一种合适的电路拓扑作为电 路基础。讲述了e z 类d c d c 变换器的拓扑结构及工作原理，以及其基本构成电 路：e 类逆变器和e 类整流器的工作原理与电路特点。提出了一种单电感e 2 类 软开关d c d c 变换器的电路拓扑结构，并分析了变换器的工作原理。具体内容 如第2 章所述。 2 、d c d c 变换器的原理及设计 根据提出的单电感e 2 类d c d c 变换器拓扑结构，以及要达到的设计要求， 本文设计了一台功率为1 0 0 w 的隔离式单电感e 2 类软开关d c d c 变换器作为主 电路，给出了设计参数，并用仿真软件s a b e r 对其进行仿真。这一部分内容如第 3 章所述。 3 、d c d c 变换器反馈电路的设计 完成变换器的设计之后，选择了m c 3 3 2 6 2 作为电路的控制芯片，介绍了芯 片的工作特性，然后利用芯片作为临界电流传导模式控制器的特点，为变换器 设计反馈电路，反馈电路包括了取样电路和误差放大器补偿电路两部分。取样 电路采用了t l 4 3 1 和p c 8 1 7 组成的隔离、取样电路，补偿电路的作用是实现控 制环路系统的稳定。具体内容如第4 章所述。 4 、整体电路的分析及变换器软开关的实现 本文最后给出了整体电路结构的设计，通过对电路各个元件参数的计算， 设计出芯片外围电路。并根据控制芯片控制产生驱动信号的特性，提出了一种 新颖的控制方式，不同于常用的变频或恒频控制方式。其实现软开关控制的策 略是通过引入一个r c 滞后电路，使得d c d c 变换器在开关管电压为零时，芯 片输出信号驱动开关管导通，实现软开关。这部分内容如第5 章所述。 1 0 2d c d c 变换器的分析与选取 2 d c d c 变换器的分析与选取 要设计d c d c 变换器，首先找出一个合适的电路拓扑作为其理论基础。e 2 类软开关d c d c 变换器从电路拓扑上看，是由e 类逆变器和e 类整流器改进得 来的。其中，e 类逆变器和e 类整流器都工作在软丌关状态，这就使得整体电路 具有很高的效率。本文所采用的单电感e 2 类软开关d c d c 变换器【1 3 】，由于只 包含一个电感元件，较传统的e 2 类软开关d c d c 变换剐1 4 】所需的元器件要少， 所以更适用于高功率密度变换器的设计。下面先对e 类逆变器和e 类整流器的 拓扑结构和工作原理进行分析，然后再分别介绍传统的e 2 类d c d c 变换器和单 电感e 2 类软丌关d c d c 变换器的拓扑结构以及工作原理。 2 1e 类逆变器 e 类逆变器( e 类放大器) 在理想情况下的效率为1 0 0 ，最早由s o k a l 提出， 电路结构简单，工作在软开关状态，是一类效率很高的放大器0 5 。e 类逆变器 主要应用在高功率的场合。由于效率高，在现代各个电子领域都得到了广泛地 应用，如使用在中继通讯站中，损耗小，效率高，维护成本低【1 6 】。e 类逆变器既 可以应用于大功率的场合，也可应用于弱电系统中。 当e 类逆变器工作在最佳或准最佳状态时，效率最高，应尽量使其工作在此 类状态。此时，e 类逆变器满足的条件为： 1 ，c 。_ o t = 2 n - = 0 ( 2 1 ) 了d v c el ：0 i t a t = 2 n ( 2 2 ) ， 一 厶z ， 了d v c e t o t = 2 t r d m d t ( 2 3 ) 上面的三个式子中，为开关器件两端的电压，研= 2 n 是开关器件导通的 时刻。其中，式( 2 1 ) 表示在开关器件开通的时刻，开关管两端的电压为零，即 零电压开通；式( 2 2 ) 表示在开关器件开通的时刻，开关器件两端的电压对时间 的导数为零；式( 2 3 ) 表示开关器件在关断时刻之后其两端电压的上升率为有限 2d c d c 变换器的分析与选取 值【1 7 1 。 2 1 1e 类逆变器的工作原理 l 、电路拓扑结构和工作原理【i s 】【1 9 】 e 类逆变器的电路拓扑结构如图2 1 所示，其理想状态下的等效模型如图2 2 所示，图2 1 所示电路中，电感厶的阻抗很大，可以使流过的电流为一恒定值。 其中，厶、c 为谐振元件，与电阻尺组成谐振回路，电路谐振时，在r 上产生 正弦输出。 工作原理如下： 开关管导通时，电感厶中的电流全部流过丌关管，而厶、g 在开关管导通 之前就已经存储了能量，此时，厶、c 、r 构成了一个闭合的谐振回路，并在 尺上产生了币弦输出。这时，流过丌关管的电流为流过电感厶中的电流与厶、c 、 r 闭合谐振回路中的电流之和。 图2 1e 类逆变器的电路拓扑 图2 2 理想状态下等效模型 开关管关断时，电容g 上的电压由零开始缓慢上升，在关断电流拖尾期间， 开关管两端电压上升的幅值受限，因而关断损耗有所减小。在管子关断期间，厶、 c 、r 和c l 形成了一个谐振回路，电感厶为谐振回路补充能量。谐振过程中， 当电容c l 上的电压降为零时，开关管导通，实现了开关管在零电压时刻的导通， 大大降低了开通损耗。至此，逆变电路的一个完整周期工作结束，输出得到了 正弦波。上述分析可见，e 类逆变电路结构十分简单，能降低开关管的开通、关 断损耗。 2 1 2 e 类逆变器的工作状态 e 类逆变器有3 种不同的工作状态，在品质因数q 和占空比d 不变的情况 下，这3 种工作状态受负载的影响很大。根据负载尺的大小不同，3 种工作状态 1 2 2d c d c 变换器的分析与选取 如图2 3 所示： ( 1 ) 最佳状态 当电阻r 为最佳负载町时，开关管两端的电压，即并联在丌关管两端的 电容电压恰好谐振到零( 同时a v d t = 0 ) 时，丌关丌通，这时开关损耗为最小， 工作波形如图2 3 a 所示。 ( 2 ) 准最佳状态 当r p r 时，开关管开通时，其两端的电压还未谐振到零，这不是零电压 时刻的开通。此时，电容c l 上的电压直接对开关管放电，流过开关管的电流很 大，不仅开通损耗大，而且还可能会损坏管子，这种情况是不允许发生的，波 1 3 ：| 2 o b 0 b 0 佻 o o b o 2d c d c 变换器的分析与选取 形如图2 3 c 所示。 通过以上分析可知，在设计e 类逆变器时，当元件参数确定后，变换器的 工作状态受到负载尺的影响，只有在o r 0 ，整流二极管导通时，电感电流线性增加，当扛屯， 即如= 0 时，二极管零电流关断。 1 5 2d c d c 变换器的分析与选取 b d 入； u i v d 0 e a 零电流e 类整流电路b 等效电路 c 二极管导通时的等效电路d 二极管截i 卜时的等效电路e 工作波形 图2 5 零电流e 类整流电路及工作波形图 2 。3 e 2 类d c d c 变换器 e 2 类d c d c 变换器是基于e 类逆变器和e 类整流器改进得来的，由于e 2 类变换电路中的逆变器和整流器都工作在软开关状态，所以e 2 类d c d c 变换器 是一类效率极高的变换电路。下面将分别对传统的e 2 类d c d c 变换器和单电感 e 2 类d c d c 变换器进行介绍。 2 。3 1 传统的e 2 类d c d c 变换器 当d c d c 变换器的逆变电路和整流电路都工作在软开关状态时，即d c d c 变换器工作在e 2 类状态，这就能大大提高变换器的频率和效率。可以用前面所 介绍的e 类逆变电路和e 类整流电路来构成e 2 类d c d c 变换器，这类变换器 能工作在很高的频率下，并能得到很高的效率。传统的e 2 类d c d c 变换电路如 图2 6 所示。 1 6 i o 0 也o 2d c d c 变换器的分析与选取 图2 6e 2 类d c d c 变换电路 传统的e 2 类d c d c 变换电路【2 2 l 如图2 6 所示，电路中的逆变电路和整流电 路都可以工作在软开关状态，虽然这种电路拓扑能达到提高频率和效率的目的， 但是常常需要两个或者更多的电感元件。在实际电路中，占用体积较大的往往 是电感元件，这样的设计就使得电路的体积较大，达不到提高功率密度的目的。 凶此，就需要寻找一种电路结构更为简单、使用元器件数目更少的e 2 类d c d c 变换器，不仅可使电路中的逆变电路和整流电路都工作在软丌关状态，而且电 路所使用的元件更少，可以提高功率密度。 2 3 2 单电感e 2 类d c d c 变换器 为了提高e 2 类d c d c 变换器的功率密度，单电感e 2 类d c d c 变换器的拓 扑结构被提出来，电路如图2 7 a 所示，可以看到电路中只含有一个电感元件， 这就能大大减小变换器的体积，提高功率密度。其等效电路如图2 7 b 所示。 工作原理： 单电感e 2 类d c d c 变换器如图2 7 a 所示。它包括了一个功率开关管( b j t 、 i g b t 或m o s f e t ) ，一个和c ，组成的谐振网络，一个d 0 和c d 组成的整流网 络。开关频率为z ，占空比为d 。电路中的逆变电路和整流电路都工作在软开 关状态，大大降低了开关管和整流管的损耗。而e 类逆变器需要工作在以下最 佳条件： 1 ，c 层i c o t = 2 ，t = 0 ( 2 1 ) d v - c e i =0itot=2，r( 2 2 ) f l 厶z ， 口z 丌关管在t = 2 r r o 时开通。 单电感e 2 类d c d c 变换器的工作原理可由图2 7 c 中的工作波形加以解释。 丌关管开通时( 0 r o t 2 刀d ) ，开关管两端的电压为零，而流过开关管的电 1 7 2d c d c 变换器的分析与选取 流乙以固定斜率线性增长，流过电容c ，的电流t 为零。开关管关断期问 ( t 。 t t ：) ，整流二极管d d 处于关断状态，电感中的电流0 对谐振电容c ，充 电，电压增长并在t ：时刻达到幅值为v o + ，。在t 2 t 3 时n 2 _ f b j ，二极管d o 处 于导通状态，电感中的电流通过二极管d o 对输出电容c o 充电。l d o 则线性减 小，并在如时刻降为零。在岛到2 x t o 时刻之问，二极管d d 关断，电容c r 通过电 感放电，并在t 4 = 2 7 r c o 时，谐振到零，开关管开通，下个周期开始。至此， 一个完整的工作周期完成。 a b ； 【：l | 斗|叫 ”t 2t 3t 4 c a 单电感e 2 类d c d c 变换器 b 等效电路图c 最佳工作状态卜的波形图 图2 7 单电感e 2 类d c d c 变换器原理图及工作波形图 变换器的近似分析 a 假设 对如图2 7 a 所示的单电感e 2 类d c d c 变换器的分析基于图2 7 b 所示的理 想模型图和如下各项假设： l 、开关管工作在理想的开关状态，即开关管导通时，开关管的电阻为零， 两端的电压也为零；开关管断开时，流过开关管的电流为零；开关管的上升时 间、下降时间和延迟时间也为零。 2 、电路中的整流二极管在理想状态下工作，即整流二极管加正向偏压时， 1 8 2d c d c 变换器的分析与选取 其两端的电压为零；整流二极管加反向偏压时，流过的电流为零，开通和关断 时间也都为零。 3 、变换器中的电感和电容都是理想器件，即它们是无损的、线性的并且自 谐振频率是无穷大的。 b 最佳工作条件的实现 当整流二极管在时刻关断后，l c 谐振网络开始谐振，电容c ，通过电感 和输入电源以电压初始值开始放电。等效电路如图2 8 所示。 图2 8 谐振：s 效电路 根据电路原理町得，l c 电路谐振的电压方程为： = k + ( 圪- g , ) c o s c o ，( t - t 3 ) 其中t a r = 1 c ，对( 2 4 ) 式微分得： d v c r ( t ) d t = - r o ，( v o - v i ) s i no , ( t - t 3 ) 根据式( 2 2 ) 的最佳工作条件：d 吃出= 0 ，代入式 q ( t 4 - t 3 ) = 7 ，再将缈，( t 4 - t s ) = 刀代入式( 2 5 ) 中得到： 吃( f 4 ) = 巧一v o + k = 2 9 , 一v o 根据式( 2 1 ) 的最佳工作条件，有吃( f 。) = 0 ，就得到： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 4 ) 中得到 ( 2 6 ) v o = 2 形 ( 2 7 ) 由以上分析可知，当v o = 2 9 , ，并且开关管在时刻( 即吃( ) = 0 ) 开通， 可以实现最佳工作条件式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 。分析可知，当圪= 2 k 时，开关管 的占空比与二极管的占空比相等，并且有= i e d g 。 c 最大电压、最大电流和功率输出能力 功率输出能力与最大电压、最大电流的关系为： p o = 圪l ( 2 8 ) 1 9 2d c d c 变换器的分析与选取 其中，厶为k 在一个周期内流过电流的平均值。所以 厶= d m 2 ( 2 9 ) 把式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) 中得 = 圪d 2 ( 2 1 0 ) 已知l d o m = ，r o = ，则有 p o = k 洲d 乞m 2 ( 2 1 1 ) 功率输出能力 q = i c e m = d 2 ( 2 1 2 ) 由式( 2 11 ) 可得 = ( d 2 ) ( 乞) = o i d ) ( p , u , ) = ( 1 d ) t ( 2 1 3 ) 其中，t 为输入直流电流。 1 在选取d c d c 变换器的占空比d 时要注意，d 必须小于0 5 。如选择d = ：i ， j 1 则c p = ，= 3 。 u 由式( 2 5 ) 得到：= 2 v , 。 在文献中，通过实验结果分析，并测得变换器的效率到达了9 0 以_ l 1 1 3 】， 可见此类变换器能在高频下获得高效率