（电路与系统专业论文）移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 文章首先系统地研究了移相全桥零电压开关变换器的电路结构和运行模式， 然后通过仿真和理论分析证实了其中存在分叉、混沌和间歇等非线性现象，最后 利用参数共振微扰法成功地控制了移相全桥零电压开关变换器中的混沌。 降压型变换器是开关变换器的基本拓扑之一，与其相关的理论已经相当成 熟。理论和实验都已经证明降压型变换器中存在着混沌、分叉等各种非线性现象， 而且混沌现象是可以被有效控制的。移相全桥零电压开关变换器是一种在实际中 具有重要应用的软开关变换器，它是在移相控制技术的基础上，利用功率开关管 的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件，使全桥脉宽调制变换器的四个 开关管依次在零电压下导通而实现的具有恒定频率的软开关变换器。文章通过详 细地分析移相全桥零电压开关变换器的电路结构，发现其与降压型变换器具有拓 扑等价性，因此移相全桥零电压开关变换器中也必然存在与后者相对应的各种非 线性现象。为了证实这一推断，首先建立了移相全桥零电压开关变换器的仿真电 路和数学模型。设置了合理的参数，分别运用e w b 和s i m u l i n k 进行仿真，并 绘制了相关的图形；其次，详细分析图形并结合非线性动力学的相关知识，得出 了移相全桥零电压开关变换器存在分叉、混沌、间歇现象的结论；最后，运用参 数共振微扰法这一简单易行的非反馈控制方法，使移相全桥零电压开关变换器由 混沌状态转变到规则的运动状态，并通过理论分析证明了这一方法的有效性。 全文通过将复杂的移相全桥零电压开关变换器等价为简单的降压型变换器 来进行研究，从而顺利地得出了相关结论，达到了预期的研究目的。这一思路在 实际研究中有一定的借鉴意义。 关键词：移相全桥零电压开关变换器，非线性，分叉，混沌，混沌控制 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 a b s t r a c t t h ep a p e rs t u d i e ss y s t e m i c a l l yt h ec i r c u i tt o p o l o g ya n do p e r a t i n gm o d e so f p h a s e s h i f t i n go s ) f u l l b r i d g e ( f b ) z e r o v o l t a g es w i t c h e d ( z v s ) c o n v c r t e l a tf i r s t , t h e np r o v e st h a tt h en o n l i n e a rp h e n o m e n as u c ha sb i f u r c a t i o n , c h a o sa n di n t e r m i t t e n c y d o e se x i s ti np sf bz v sc o l l v 日t e l t h r o u g hs i m u l a t i o na n dt l l e o r 哦a n a l y s i s f i n a l l y c o n t r o l sc h a o si np sf bz v sc o n v e r t e rs u c c e s s f u l l yb ya p p l y i n gt h em e t h o do f r e s o n a n tp a r a m e t r i cp e r t u r b a t i o n b u c kc o n v e r t e r ，a so n co ft h ef u n d a m e n t a ls w i t c h i n gc o n v e r t e r s ，h a sm a n yl i n e a r a n dn o n l i n e a rp h e n o m e n a , s u c ha sb i f u r e a t i 0 1 1a n dc h a o s ，h a v eb e e nr e v e a l e dt oe x i s t i nb u c kc o n v e l t e r , a n dt h ec h a o so p e r a t i o n , a sf i l l i r r e g u l a ro p e r a t i o ns t a t e c a nb e c o n t r o l l e de f f e c t i v e l y p sf bz v sc 0 1 1 v e l l 船i sak i n do fs o f ts w i t c h i n gc o i l v e r l 盯w i t h c o n s t a n tf r e q u e n c y ，w h i c hh a sf o u n di m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nr e a l i t y i tm a k e st h e f o u rp o w e rs w i t c h e so ff u l l b r i d g ep w mr v o l l v g t t 盯t u r no nu n d e rz e r ov o l t a g ei nt u r n b yu t i l i z i n gt h eo u t p u tc a p a c i t o r so fs w i t c h e sa n dt h el e a k a g ei n d u c t a n c eo fo u t p u t i r a n s f o r m e ra sr e s o n a n tc o m p o n e n t so i lt h eb a s eo fp h a s e - s h i f t i n gt e c h n o l o g y b e c a u s et h eo u t p u tp a r t so fb u c kc o n v e r t e ra n dt h ep sf bz v sc o n v e r t e ra r es i m i l a r , i ti sr e a s o n a b l et oc o n s i d e rt h eb u c kc o n v e r t e rs d r v ea st h ee q u i l e n tt o p o l o g yo f p sf b z v sc o n v e r t e r t h u s ，t h 0 s en o n l i n e a rp h e n o m e n ai nb u c kc o n v e r t e r ，m u s ta l s oa r i s e i np sf bz v sc o n v e r t e l i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o n c l u s i o n , t h ep a p e rf i r s t l y e s t a b l i s h e st h es i m u l a t i 0 1 3 c i r c u i ta n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp sf bz v sc o n v e r t e r a n ds e t st h ea p p r o p r i a t ec i r c u i t p a r a m e t e r s ，b a s e do nt h e c i r c u i tm o d e lt h e c o r r e s p o n d i n gr e s u l t s8 r l ：d e d u c e d t h e nr e l a t i v ef i g u r e sa r ep l o t t e du s i n ge w b a n d s i m u l i n kr e s p e c t i v e l ya f t e rs i m u l a t i o n s e c o n d l y ，t h ec o n c l u s i o nt h a tt h e r ea l e n o n l i n e a rp h e n o m e n as u c ha sb i f u r c a t i o n c h a o sa n di n t e r m i t t e n c yi sc o n f i r m e d 、v i t i l t h et h e o r yo fn o n l i n e a rd y n a m i c s i nt h ee n d , ak i n do fn o n - f e e d b a c kc o n t r o l l i n g m e t h o d ，n a m e l yr e s o n a n tp a r a m e t r i cp e r t u r b a t i o n , i sa p p l i e dt oc o n t r o lc h a o si np sf b z v sc o n v e l t 盯, s oa st oe l i m i n a t et h eu n s t a b l eo p e r a t i o na n dt h e nt h i sw a yi sp r o v e d t ob ea c c u r a t ei nt h e o r y t h e p a p e rs t u d i e sp sf bz v sc o i l v e 1 - t e r , ac o m p l e xe o r l v c r t c rb ye o m p a r i o n 、i m i t ss i m p l ee q u i v a l e n tb u c kc o n v e r t e r , a c c o r d i n g l y t h ec o n c l u s i o nc 如b ec o n c l u d e d - 摘要 f a v o r a b l ya se x p e c t e d t h i sm e t h o dh a s ac e r t r i nu s ef o rr e f e r e n c ei nr e s e a r c h e s k e y w o r d s ：p h a s e - s h i f t i n gf u l l b r i d g ez v s ，n o n l i n e a r ，b i f u r c a t i o n , c h a o s ，c h a o s c o n l t 0 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下述行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得芬型钦胁其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：陈绣籽签字日期：卯7 年平月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解辔髻椽六孕有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权懿蝴以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：男k 镌，抒导师签名：降喜j 签字日期：扣7 年手月弦曰签字日期：才扔7年尹月弦日 学位论文作者毕业去向： 工作单位：电话： 通讯身乜址：邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力电子学概况 电子学包括信息电子学和电力电子学两大分支( p o w e re l e c t r o n i c s ) 。电力电 子学是一门交叉于电力学、电子学和控制理论之间的边缘学科，其与相关学科的 关系如图1 1 所示【l 】，电力电子学在工程技术领域中也被称为电力电子技术 ( p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ) 。2 0 0 0 年，美国电力电子学会前主席t h o m a s g w i l s o n 给电力电子技术重新下了一个定义：电力电子技术是通过静止的手段 对电能进行有效的变换、控制和调节，从而把可利用的输入屯能形式变成所希望 的输出电能形式的技术【2 】。 图1 1 电力电子学与其它学科的关系 f i g 1 1r e l a t i o n s h i po f p o w e re l e c t r o n i c sa n do t h e rs u b j e c t s 电力电子技术可以理解为应用于电力领域的电子技术，具体地说，电力电 子技术就是利用电力电子器件、电路理论和控制技术对电能进行变换和控制的技 术【3 】。电力电子技术主要包括以下三个方面的内容：电力电子器件制造技术，变 流技术和控制技术。 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 电力电子器件是电力电子学的基础，电力电子制造技术的理论依据是半导体 物理学。早期的电力电子器件是晶闸管( 又称可控硅，即s c r ) ，它是一种半控 型器件，用它组成的电路称为半控型电路，这种电路的基本特点是容量大，结构 复杂，开关频率较低，功率密度和整机效率不高。功率晶体管( g t r ) 的应用， 使电力电子电路由半控型转为全控型，并在不同程度上克服了s c r 电路存在的 缺点，因而在小功率领域中出现了g t r 电路取代s c r 电路的局面。g t r 是一 种电流控制型器件，具有导通内阻低和阻断电压高等特点，然而其开通增益很低 ( 仅为5 - 1 0 ) ，这对大功率器件控制的制作工艺和电能消耗都是沉重的负担。此外， 为了降低噪声，现代电源要求器件以超音频的频率工作，然而在硬开关环境中， g t r 的典型开关频率仅为5 k h z ，这显然无法满足上述要求。与之相对，功率场 效应管( m 0 s f e t ) 是一种电压控制型高频器件，完全能够在超音频硬开关环境 中工作，其工作频率在所有全控型电力电子器件中最高。因而，在电力电子技术 高频化进程中，m o s f e t 备受青睐。另外，m o s f e t 具有输入阻抗高、驱动功 率小、驱动电路简单、开关速度快、热稳定性好等优点( 本文研究的移相全桥零 电压开关变换器中所用的功率开关管就是m o s f e t ) 。然而m o s f e t 自身也存 在不容忽视的缺点，如导通压降高、电流容量小、反向耐压低等。显然，g t r 和m o s f e t 的优缺点具有明显的互补性，因此希望研制一种新型器件，其输入 特性和开关频率与m o s f e t 相似；而输出特性和开关容量则与g t r 相似，这种 器件就是绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) ，它实际上是一种用m o s 门控制的双极 型晶体管。由于i g b t 具有g 1 1 t 和m o s f e t 都无法具备的性能，在很短的时间 内，i g b t 就几乎完全占据了原来g t r 的应用领域和一部分m o s f e t 的应用领 域，并使电力电子电路进入到超音频时代 4 1 。美中不足的是，i g b t 有电流拖尾 和擎住效应等缺点。当然，除了上述几种常用的器件外，电力电子器件还包括电 力二极管，逆导晶闸管( r c t ) ，双向晶闸管( t r i a c ) ，门极可关断晶闸管( g t o ) 等。 通常，从电网或电池等电源直接得到的电能往往不能满足实际的要求，需要 对电能进行变换，因而可以说变流技术是电力电子技术的核心和主体。所谓电力 电子变流技术，是指利用电力电子器件构成各种变换电路、装置和系统的技术， 其理论基础是电路理论。 电力电子电路及装置通常被称为变换器( c o n v e r t e r ) 或开关变换器( s w i t c h i n g 第一章绪论 c o n v e r t e r ) 。按照电能变换的功能，变换器可以分为四大基本类别，即交流直流 变换器( a c d c 变换器) 、直流交流变换器( d c a c 变换器) 、直流直流变换器 ( d c n ) c 变换器) 和交射交流变换器( a c a c 变换器) 。 1 1a c d c 变换器：将交流电能变换为直流电能的变换器，通常称为整流 器( r e c t i f i e r ) ： 2 ) d c a c 变换器：将直流电能变换为交流电能的变换器，通常称为逆变 器( i n v e r t e r ) ； 3 ) d c d c 变换器：将一种直流电能变换为另一种直流电能的变换器，通 常称为斩波器( c h o p p e r ) ； 4 )a c a c 变换器：将一种交流电能变换为另一种交流电能的变换器，包 括交流调压器和周波变换器。 本文将研究的移相全桥零电压开关变换器本质上就是一种d c d c 变换器。 电力电子控制技术是控制理论、微电子技术和计算机技术相结合的产物，它 包括驱动、缓冲、保护、反馈、相控、脉宽调s l j ( p w m ) 、脉频调制( p f m ) 、功率 因数校正( p f c ) 、移相技术和软开关技术等，其中脉宽调制( p w m ) 技术是目前 应用较为广泛和成熟的技术，它维持开关周期恒定并通过改变电力电子器件( 如 m o s f e t 、i g b t 等) 的导通占空比来控制输出电压的大小，最初应用于直流 直流变换器( d c d c 变换器) ，后来与脉频调制( p f m ) 相结合应用于直流交流 变换器( d c a c 变换器) 。电力电子控制技术是目前电力电子技术研究领域中最 活跃的内容之一，是提高和完善电力电子电路性能的有效手段。 本文所研究的移相全桥零电压开关变换器中就用到了驱动、反馈、脉宽调制、 移相技术和软开关技术。 电力电子技术的基本特点之一是能以小信号输入控制很大的功率输出，放大 倍数极大，这也是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。微电子技术和计 算机技术的新成就，可以通过这一接口移植到传统工业产品中，促使传统产品的 更新换代5 1 。电力电子技术的另一基本特点是电力电子器件总是工作于开关状 态，正向压降低且反向漏电流小，从而在理论上保证了各类电力电子设备所共有 的节能性能。 电力电子技术的诞生是以1 9 5 8 年美国通用电气公司研制出的第一个工业 用普通晶闸管为标志的【3 】。近五十年来，电力电子技术的发展大体可划分为两个 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 阶段。1 9 5 8 年至1 9 8 0 年称为传统电力电子技术阶段，在这个阶段，电力电子器 件以半控型的晶闸管为主，控制电路以模拟电路为主。1 9 8 0 年至今称为现代电 力电子技术阶段，目前全控型电力电子器件已大量使用，数字控制电路己基本普 及。 现代电力电子技术在器件、电路及控制技术方面与传统的电力电子技术相比 主要有如下几个特尉3 】： 1 )全控化：电力电子器件实现全控化是现代电力电子器件在功能上的重 大突破，避免了传统电力电子器件关断时所需的强迫换相电路； 2 )集成化：m o s f e t 和i g b t 都是功率集成器件( p d ) ；将多个功率集成 器件( p i d ) 按照一定的电路拓扑安装在一起可以构成功率模块。随着技 术的进步，功率模块内部除主电路器件以外，还包含相应的各种接口 电路、保护电路( 过流、过压和过热保护等) 和驱动电路，从而形成 功率集成电路( p i c ，】； 3 )高频化：电力电子器件开关频率的提高可以使电路获得多方面的好处， 如更高的功率密度和可靠性，更低的噪声和快速响应能力等。目前， i g b t 的工作频率可达1 0 0 k h z ；而功率m o s f e t 的频率可达数百兆； 4 )数字化：采用计算机控制的全数字化智能型电力电子产品目前已得到 广泛应用。 电力电子技术应用非常广泛，国防军事、工业交通、农业商业和文体医药 等领域，甚至家用电器中无不渗透着电力电子技术的成果嘲。例如，新型的通信 用一次电源，是将市电直接整流，然后经过高频开关功率变换，在经过整流、滤 波，最后得到4 8 v 的直流电源。又如，对于交流电网单相输入的中小功率开关 电源，应用电力电子技术的功率因数校正技术，功率因数可以达到0 9 9 以上。 1 2 电力电子电路与非线性现象 由于电力电子器件总是工作于开关状态，因而电力电子电路属于非线性电 路的范畴，非线性电路理论是非线性科学的重要分支之一。随着应用数学理论研 究的不断深入以及计算机技术的迅速发展，人们已经可以用全新的视角审视、深 化、整理甚至是发现过去不能研究的问题。近二十多年以来蓬勃开展的非线性科 第一章绪论 学研究就是典型的例子。 非线性电路理论将非线性科学研究的成果与传统的电路理论相结合，界定 新的研究内容、范围，使用新的结构体系，介绍新发现的现象，从实用的角度给 出研究方法与工具，具有重要意义田1 。 尽管电路理论的研究已经有一百多年的发展历史，但是直n - 十世纪六七 十年代还是以线性电路理论为研究重点。随着高度非线性电子器件的广泛应用， 电子电路中出现了大量的非线性现象，已有的线性电路理论既无法解释非线性电 路的行为，又不能指导非线性电路的分析与设计。于是，从上世纪六十年代开始， 有关非线性电路构造、分析与综合、故障诊断等各个领域的理论研究迅速展开。 随着二十世纪七十年代末期非线性科学领域中非线性现象研究热潮的兴 起，非线性电路中的混沌现象研究一直是独树一帜。八十年代初，p l i n s a y 通 过对含变容二极管的二阶的非自治电路的研究，在实际物理系统中首先验证了 f e i g e n b a u m 的倍周期分叉通向混沌的理论。纠。l o c h u a 等对正弦激励下非自治 电路以及r w n e w e o m b 等对自治电路中混沌现象研究的报道，是非线性电路中 混沌现象研究的早期论文 2 3 1 。 1 9 8 4 年，l o c h u a 提出著名的“蔡氏电路”，以及随后采用电路实验、计算 机模拟、理论分析等多种研究工具对该电路中混沌行为的研究，为非线性电路中 分叉、混沌现象的研究提供了范例。 在随后的十多年间，有关产生混沌、超混沌的构造电路、实际应用电路的 不断报道，不仅为非线性动力学系统中混沌理论的研究提供了丰富的资料，而且 也使电路中混沌现象的研究成为整个混沌理论研究中不可缺少的一个重要组成 部分。 非线性电路理论为非线性新器件的应用提供了理论依据，混沌现象也在许 多领域有着巨大的应用前景。在非线性电路中有目的地避开、产生、控制或强化 混沌现象已经成为一个关键性的研究课题。 既然非线性电路具有复杂的动力学行为( 如分叉、混沌、间歇等) ，那么作 为一种典型的非线性电路，电力电子电路中也必然存在相应的各种非线性现象。 为了彻底了解电力电子系统的运行过程，并设计出稳定可靠的开关变换器系统， 有必要对各种开关变换器系统进行研究。首次证实在d c d c 开关变换器中存在 混沌的是b r o c k e t t 和w o o d ，他们在1 9 8 4 年发表的论文中指出受控的b u c k 变换 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 器可以产生混沌行为 6 1 。1 9 8 8 年，h a m i l l 和j e f f e r i e s 首先对变换器中的混沌现象 进行了理论分析【刀。此后，开关变换器的混沌现象研究在世界各地迅速展开，获 得了许多成果。当前的研究手段主要包括理论分析、数值仿真和电路验证三个方 面。 开关变换器工作于混沌状态是一种不稳定的现象，人们在设计功率变换器 时总是设法避免这种现象的发生。一般来说，通过元件参数的调节，变换器可在 一定程度上减弱、甚至脱离混沌状态。然而，在许多情况下，既定的变换器设计 结构和参数不允许任意改变，于是人们便提出了d c d c 开关变换器中混沌控制 的概念，使得变换器能够稳定到混沌吸引子的某个周期轨道上。另外，在d c d c 开关变换器中，有时也可以利用混沌的一些特性和优势( 如连续宽带频谱、遍历 性、对扰动的极端敏感性等) ，以适合不同的应用场合，如改善电磁干扰，进行 目标跟踪等。这些都给未来的研究指明了方向。 1 3 本文的内容与结构 本文的主要研究内容可以分为以下两个部分，即移相全桥零电压开关变换器 中的非线性现象研究( 第四章) 和移相全桥零电压开关变换器中的混沌控制( 第 五章) 。由于本文所研究的非线性现象及混沌控制的物质载体是移相全桥零电压 开关变换器，因而第二章在简要地介绍了开关电源及开关变换器的基本知识之后 重点阐述了移相全桥零电压开关变换器的等价交换器降压型变换器。本文所 研究的分叉、混沌、间歇等非线性现象及混沌控制的理论前提是混沌动力学，为 此第三章着重介绍了混沌动力学及相关理论。 1 )移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象研究 开关功率变换器是现代电路理论的重要研究对象，属于非线性电路与系统 的范畴，其中已经发现了包括分叉、混沌、阵发混沌、间歇等在内的各种非线性 现象i ”“3 1 。移相全桥零电压开关变换器作为开关变换器家族的重要一员，其中必 然存在相应的各种非线性现象。第四章首先详细研究了移相全桥零电压开关变换 器的电路拓扑，并指出其与降压型变换器的拓扑等价关系，然后在前人研究降压 型变换器的成果的基础上，构造了合适的电路模型，具体研究了移相全桥零电压 第一章绪论 开关变换器中的分叉、混沌与间歇现象。 移相全桥零电压开关变换器中的混沌控制 由于混沌具有初值敏感性和长时间发展趋势的不可预见性等特点，在实 际的开关变换器系统中，混沌可能产出偏离设计初衷甚至破坏性的结果，应 该加以避免。如果通过改变已经设计好的变换器系统的结构或参数来消除混 沌，可能会付出较大的代价，为此有必要对混沌进行有效的控制。第五章首 先介绍了一种适合于移相全桥零电压开关变换器的非反馈控制方法参数 共振微扰法，然后利用此方法对移相全桥零电压开关变换器中的混沌现象进 行控制，最后通过电路仿真结果来验证参数共振微扰法的有效性。 第二章开关电源与开关变换器 第二章开关电源与开关变换器 电源是电子设备的动力，其质量的优劣和可靠性的高低将直接影响甚至 决定整个设备的性能。设计师在设计电子产品时都会考虑节能的问题，对于 大多数电子设备而言，节能的潜力在于电源系统。电源按照其主电路中功率 开关管的工作区域不同分为线性稳压电源( 称线性电源) 和开关稳压电源( 简 称开关电源) 。 线性电源是指主电路中的调整功率管工作在线性放大区的电源，其工作 过程为：将交流电压经过线性变压器变压以后，再经过整流、滤波和线性稳 压，最后输出一个纹波电压和稳定性能等均符合要求的直流电压。线性电源 原理框图如图2 1 所示。 图2 1 线性电源的原理 f i g 2 ip r i n c i p l eo f l i n e a rp o w e rs u p p l y 线性电源的技术指标大致包括以下几个方面：额定指标、质量指标、自 动化程度和经济指标等。额定指标用以说明电源能够提供的功率、电压和电 流的范围以及环境温度、湿度和气压等额定工作条件。质量指标包括稳定度、 动态性能和保护功能等。自动化程度用来说明维护人员离开时，电源是否具 有自动开机、停机功能，各种信号、故障检测功能等。经济指标主要包括效 第二章开关电源与开关变换嚣 率和功率因数等。 线性电源具有电源稳定度和负载稳定度较高、输出纹波电压小、结构简 单、便于维修等优点。同时线性电源也有以下两个严重的缺点：一是功耗大， 效率低( 一般只有3 5 - - 7 0 ) t 8 】；二是体积大、重量重、难以微小型化。 由图2 1 可知。造成线性电源上述缺点的原因，一是调整管t 一直工作 线性放大区，调整管的功耗与输出电流成正比，且随输出功率的增大而增大， 使调整管急剧发热，这样需要选用大功率的调整管，必要时还要为其配以散 热片：二是工频降压变压器的效率只有8 0 - - 9 0 n ，且体积较大，重量较重； 另外，为降低输出电压中的低频纹波电压，须增大滤波电容的容量。为了克 服线性电源的缺点，开关电源应运而生。 2 1 开关电源 开关电源是指主电路中的功率调整管工作在开关状态的电源，其原理框 图如图2 2 所示。它由d c d c 变换器、取样电路、基准电路、比较放大电路 及调整驱动电路组成。 图2 2 开关电源的原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 相对于线性电源来说，开关电源具有以下几个突出的特点： 1 ) 功耗小、效率高：功率调整管( 包含在d c d c 变换器中) 工作在开 关状态，损耗：f t t d , ，使得开关电源的效率可以达到9 0 以上，甚至 9 5 以上【1 0 l ； 2 ) 体积小、重量轻：开关电源使用高频变压器或者不使用变压器( 对 于非隔离型开关电源) ，由于高频变压器的体积可以做得很小，从而 使整个开关电源的体积大为缩小，重量也大大减轻； 3 ) 稳压范围宽：开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的， 输入信号电压的变化可以通过调频或者调宽来进行补偿，这样在输 入电压变化较大时，仍能保证有较稳定的输出电压【9 】； 4 ) 滤波效率高：由于输出电压中的纹波电压的频率较高，从而所需要 的滤波电容的容量和体积都大为减小。 由于以上优点，开关电源广泛地应用于计算机、通信设备、控制装置及 家用电器等电子设备中。当然，开关电源也具有存在开关扰动、电路复杂、 纹波较大、瞬态响应较差等缺点，因而开关电源的应用也受到一定的限制【2 1 】。 高频化、小型化、模块化、数字化和绿色化是开关电源的重要发展方向。 在电力电子技术的各种应用系统( 如逆变焊机、通信电源、高频加热电源、 激光器电源和电力操作电源等) 中，开关电源始终处于核心地位。 1 ) 高频化：高频化是小型化和模块化的基础。理论分析和实践表明， 电气产品的变压器、电感和电容的体积、重量与供电频率的平方根 成反比。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，目前开关频 率达到数兆赫的开关电源已经投入使用，从节能和节约原材料方面 带来了显著的经济效益。 2 ) 模块化：模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其 二是指电源单元的模块化。模块化的目的不仅在于使用方便和缩小 整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而 把器件承受的电应力降到最低，提高系统的可靠性。另外，大功率 的开关电源，一般采用多个独立的模块单元并联工作，并采用均流 技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他 第二章开关电源与开关变换器 模块再平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量，而且通过 增加功率很小的( 相对于整个系统来说) 冗余电源模块，极大地提 高了系统的可靠性，即使出现单模块故障，也不会影响系统工作， 而且为故障模块的修复提供了充分的时间。 3 ) 数字化：在传统的电力电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计 和工作的。但是随着数字信号、数字电路的优势越来越突出，数字 信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越强大的生命力便于 计算机处理和控制，能够避免模拟信号的畸变失真，减小杂散信号 的干扰( 提高抗干扰能力) ，便于软件调试和遥感、遥测、遥调，也 便于自诊断、容错等技术的植入。如果说，在二十世纪末，对于各 类电路和系统的设计来说，模拟技术还是大有用武之地的( 如印制 板的布图、电磁兼容以及功率因数校正等问题的解决，都离不开模 拟技术的知识) ，那么，对于智能化的开关电源，在用计算机控制时， 就离不开数字化技术了。 4 ) 绿色化：电源的绿色化有两层含义，首先是显著节电，这意味着发 电容量的降低，减少了对环境的污染；其次这些电源不能对电网产 生污染。事实上，许多功率电子用电设备，对电网来说往往就是污 染源。二十世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的诞生，为2 1 世 纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 2 2 开关变换器 2 2 1 开关变换器概论 d c d c 变换器是开关电源的核心部分和主要研究对象【1 9 1 。按照电路拓扑， d c d c 变换器可以分为两大类，即不隔离的d c d c 变换器和带隔离器的d c d c 变换器。两者的功能都是变压，至于隔离与否，则要看实际需要。所以基本变换 器只完成变压的功能，带隔离器的变换器除完成基本功能外还有输入输出之间 隔离的功能。 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 不隔离的d c d c 变换器有四种基本的拓扑，即b u c k 变换器、b o o s t 变换器、 b u c k b o o s t 变换器和c u k 变换器如图2 3 所示。其它类型的变换器，可以由这四 种基本变换器隔离、组合和派生而得到。 带隔离的d c d c 变换器包括单管的正激式变换器( f o r w a r dc o n v e r t e r ) 和单管 反激式变换器( f l y b a e kc o n v e r t e r ) ，多管的推挽式变换器( p u s h - p u l lc o n v e r t e r ) 、半 桥式变换器( h a l f - b r i d g ec v e n c r ) 和全桥式变换器( f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r ) 等。 按隔离方法不同，开关变换器可以分为变压器隔离式、光电耦合式和磁放大 器式等。 按激励形式不同，开关变换器可以分为他激式和自激式两种。他激式开关变 换器中专门设有产生激励信号的振荡器；而自激式开关变换器中开关管兼作振荡 管。 v l + v j i a ) b u c k 变换器 佃归口帕7 + v o v l f b ) b o o s t 变换s ( b ) b o o s tc o n y e r t l ) r lc 鼻 l j丽 f hi i! c 二= 毗 一 i ( c ) b u c k - b o o s t 变换m f d ) 6 u k 变换署 ( c ) b u c k b o o s tc o n v e r t e r ( d ) c u kc o n v e r t e r 图2 3d c d c 变换器的基本拓扑 f i g 2 3f u n d a m e n t a lt o p o l o g i e so f d c d cc o n v e r t e r + v 0 - 场 + 按调制方式不同，开关变换器可分为调宽型( p w m ) 、调频型( p f m ) 等。调 宽型开关变换器通过改变脉冲宽度来调节输出电压的大小；调频型开关变换器保 持占空比不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节输出电压的幅度。 第二章开关电源与开关变换罂 按功开关管的连接方式不同，开关变换器可分为单端式、推挽式、半桥式、 全桥式。其中，单端式开关变换器只使用一只开关管，这种变换器的特点是结构 简单、价格低廉，但输出功率难以提高；推挽式开关变换器使用两只开关管，连 接成推挽功率放大器的形式，这种变换器的特点是高频变压器具有中心抽头；半 桥式开关变换器使用两只开关管( 和两只电容) ，连接成半桥的形式，这种变换 器的特点是适合输入电压较高的场合；全桥式开关变换器使用四只开关管，连接 成全桥的形式，这种变换器的特点是输出功率较大。 按开关管的开关条件不同，开关变换器可分为硬开关和软开关。在硬开关变 换器中，开关管在电压不为零时导通，在电流不为零关断。随着开关频率的上升， 一方面开关管的开关损耗会成正比地上升，使电路的效率大大降低，另一方面， 会产生严重的电磁干扰( e m i ) 噪声。在软开关变换器中，由于电感和电容的谐振， 开关管两端的电压( 或流过开关管的电流) 按正弦或准正弦规律变化。当电压下 降到零时，使开关管导通，当电流自然过零时，使开关管关断，开关管在零电压 或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使开关管的开关损耗理论上为零。功 率场效应管伽0 s f e t ) 宜采用零电压开通方式( z v s ) ，而绝缘栅双极性晶体管 ( i g b d 宜采用零电流关断方式( z c s ) 。 2 2 2 降压型变换器 本文所研究的移相全桥零电压开关变换器，属于由b u c k 变换器派生的、变 压器隔离的、他激式的、调宽型的、全桥式的软开关变换器。下面首先以b u c k 变换器为例来说明开关变换器的工作过程。 b u c k 变换器( 又称降压型变换器) 的主电路如图2 3 ( a ) 所示。为分析其稳态特 性和简化推导公式的过程，特作以下假定： 1 1 开关功率管、二极管均为理想器件：即可以瞬时地导通和截止，而且导 通时压降为零，截止时漏电流为零； 2 1 电感、电容为理想元件：电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零， 电容的等效串联电阻为零； 3 1 输出电压中的纹波电压和输出电压的比值d n 可以忽略。 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 + 吒 + v - k i - - 0 c 丰凰【 il 。 l i l ) ( b ) 图2 4b u c k 变换器工作模式 f i g 2 4m o d e so f b u c kc o n v e r t e r + b u c k 变换器的工作原理如下：当开关r 导通时，有如图2 4 ( a ) 所示的电流 = t 流过电感线圈l ，电流线性增加，在负载墨上流过电流，o ，两端输出电压 k ，极性上正下负。当 l 时，电容在充电状态。这时二极管承受反向电 压；经过时间d l t 后( d 1 = 鲁，o 为开关管t 导通的时间，l 是周期) ，当开关 - 管r 截止时，如图2 4 ( b ) 所示，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极 性，以保持其电流f l 不变。负载墨两端的电压仍是上正下负。在屯 l 时，电容 处于放电状态，有利于维持l 和k 不变。这时二极管承受正向偏压为电流i l 构 成通路，故称为续流二极管。由于变换器的输出电压圪小于电源电压k ，故 又称它为降压变换器。工作中输入电流，开关管导通时大于零，在开关截止管 时等于零，即是脉动的，但输出g g 流i o ，在l 、和c 的作用下却是连续的， 平稳的。 按电感电流在周期开始时是否从零开始，可将b u c k 变换器分为电感电流 连续和电感电流不连续两种工作模式，其波形图分别如图2 5 ( a ) 和2 5 ( b ) 所示。 在图2 5 ( a ) 中，设开关管导通时间为t 。= t l = o l r , ，开关管截止时间为 t o n = f ：- t i = d 2 7 = ；导通时间占空比d l ( d l = 鲁 1 ) ，体现了开关管导通时间占 - 周期的百分比，截止时间占空比d 2 ( d 2 = 等 1 ) 体现了开关管截止时间占周期 - 的百分比。根据假定1 ) 可知，d 2 + d l ；1 。 第二章开关电源与开关变换器 1 厂 厂 0 l l l 一 o o ( a ) 电感电流连续模式 1 写：! 0 o k f 0 ( a ) i n d u c t o rc u r r e n tc o r l 口r l u o u sm o d e( a ) i n d u c t o rc u r r e n td i s c o n t i n u o u sm o d e 图2 5b u c k 变换器的工作波形 f i g 2 5w a v e f o r m so fb u c kc o n v e r t e r - 1 5 移相全桥零电压开关变换器中的非线性现象及其控制 在输入输出不变的前提下，当开关管导通时，波形如图2 5 ( a ) 0 f l 所示， 电感电流平均粤，l2 l5 篑，电感电流线性上升增量为： l u = f 1 毕= 华 = 华d 1 互( 2 - d 式中“电流增量( a ) ； 巧输入电源电压； 圪输出电压； l 电感( h ) ； d 1 开关周期( s ) ； 互开关管导通时间占空比。 当开关管截止时，如图2 5 ( a ) t 2 所示，t 的增量为： 一j ? 挚= 亭( f 2 州= ( 互一d 1 正) = 鲁d 2 i ( 2 - 2 ) 由于稳态时这两个电流变量相等，即m 。爿虬i ，所以 华d 1 互= 鲁d 2 t = 詈( 正一蚴 又因为d i + d 2 = 1 ，整理得 k = d l k c 3 ) 式( 2 - 3 ) 表明，输出电压随占空比d i 而变化，由于d j 1 ，故k k ，v o v , 是 电压增益，表示为m ，在本线路中，有 m 2 爹2d i(2-4) 如图2 6 所示，电压增益m 由开关接通时占空比日决定，即变换器具有很好的 控制特性。 第二章开关电源与开关变换器 图2 6m - - f ( d ，) f i g 2 6m = f e 0 1 ) 当电感上较小，负载电阻墨较大，或开关周期z 较大时，将会出现电感电流己 经下降到零，新的周期却尚未开始的情况，在新的周期里，电感电流从零开始线 性增加。这种工作方式称为电感电流不连续的模式，波形如图2 5 ( b ) 所示。此时， 开关管导通占空比为d l 。 蚧半d l 互 当开关管截止时， 虬一艺d 2 由于蝇刊