（材料加工工程专业论文）移相全桥零电压开关（zvs）电力操作电源的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着电力电子技术的发展，移相全桥p w m d c d c 变换器已经成为 高频开关电源研究的热点，特别是在中大功率场合，采用软丌关技术( 如z v s ) 的移相全桥d c d c 变换器代表了此领域功率电子技术的发展方向，因为它不但 可以减少开关电源的开关损耗、电磁干扰，还能改善电路的输出特性，提高电路 的效率、稳定性和可靠性。 本文在分析移相全桥零压软开关电路的基础上，研制了2 2 k w 的电力系统用 直流操作电源，实验表明，本电源可在全输入电压和全负载范围实现z v s 软开关， 整机效率在全负载范围达到8 5 以上。 本论文共包括三部分。 首先，分析移相全桥软开关拓扑结构的工作原理与模态，并分析了输出滤波 电路、辅助电源电路、以及e m i 电路，指出移相全桥零电压( z v s ) 技术要注意 的几个关键问题。通过与3 8 7 3 芯片相比较，指出本电源控制电路是电压环与电流 环双环控制相结合的特点，并讨论了控制电路中斜率补偿电路原理、电流环调节 电路、均浮充电压调节系统、均流控制电路、保护电路、驱动电路等。 其次，根据在理论分析的基础上，研制了2 2 k w 的电力系统用直流操作电源。 设计和选择了组成电路的各元件参数。通过分析和讨论采集的相关波形，验证了 本电源功率管是零电压开通和关断，从而减少了功耗。考察了电源输出特性、散 热状况和效率，验证了本电源在性能上基本达到了设计要求，说明采用电压环和 电流环双环控制与移相全桥z v s 技术相结合的开关电源的电路设计的正确性。 最后，考虑到为实现自动化和无人值守的要求，研制了该电力操作电源集中 监控电路。微处理器采用8 9 c 5 1 为核心，用c 5 1 编程，利用键盘输入控制电源模 块的信号，达到遥空、遥测、遥信、遥调等四遥功能。 关键词：丌关电源；z v s 双环控制；均流；监控 a b s t r a c t i nt h ef e wy e a r s p h a s e s h i f t e dp w md c d cc o n v e r t e rh a sb e e nt h es t u d yf o c u so f t h es w i t c hp o w e rs u p p l ya l o n gw i t ht h ep o w e re l e c t r o n i c sd e v e l o p m e n t e s p e c i a l l yi n t h em e d i u ma n db i gp o w e rs c e n e ，a d o p t i n gt h ep h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g ep w m d e d e s o f t s w i t c h i n g ( 1 i k ez e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g ) c o n v e r t e rr e p r e s e n t st h ew a y i nt h ep o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y p s - z v s - p w mm a yr e d u c e t h es w i t e h d i s s i p a t i o n ，l o w e r e l e t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a l s oo p t i m i z et h ei n v e r t e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，i m p r o v e t h ei n v e r t e re f f i c i e n c y ，s t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y b a s e do nt h ed i s c u s so ft h ep s f b z v s 2 2 k we l e c t r i cs w i t c hs u p p l yp o w e rw a s d e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t ss h o w e d i tc a nr e a l i z et h ez v s r a n g i n gb e t w e e n w h o l e i n p u t v o l t a g ea n dl o a d e f f i c i e n c yh a d e x c e e d e d8 5 t h e p a p e rw a sm a d eu p o ft h r e ep a r t s f i r s t ，t h ep h a s e s h i f t e df u l lb r i d g ep w m z e r ov o l t a g es o f ts w i t c h ( z v s ) t o p o l o g y m o d ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ew a sa n a l y z e d m e a n w h i l e ，o u t p u tf i l t e r , t h ea u x i l i a r y c i r c u i t ，a n dt h ee m i c i r c u i tw e r ed i s c u s s e d s o m ep r o b l e m st h a tm u s tb e p a i da t t e n t i o n t ot h ep s f u l l b r i d g ez v s t e c h n o l o g yw e r ep o i n to u t t h ec o n t r o lc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c s c o m b i n e do fv o l t a g el o o pa n dc u r r e n tl o o pw e r e m e n t i o n e d c o m p a r i n gw i t ht h e3 8 7 5 c h i p ，a tt h es a m et i m e ，t h es l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，c u r r e n tl o o pa d j u s tc i r c u i t ， c h a r g ev o l t a g er e g u l a t es y s t e m ，u n i f o r mc u r r e n tc o n t r o lc i r c u i lp r o t e c t i n gc i r c u i t ，a n d d r i v e m a g n i f y i n g c i r c u i to f t h ec o n t r o lc i r c u i tw e f ea n a l y z e di nd e t a i l f o l l o w i n gt h et h e o r e t i c a l l ya n a l y t i cr e s u l t s ，2 2 k wp o w e rs u p p l yw a sd e v e l o p e d p a r a m e t e r st h a tc o m p o s eo fc i r c u i tw e r ed e s i g n e da n ds e l e c t e d t h e n ，o nt h eb a s i co f t h es u p p l yb e i n gi n s t a l l e da n da d j u s t e d ，t h ev o l t a g e c u r r e n tw a v e sw e r et e s t e da n d a n a l y z e dt h a t v a l i d a t e dt h em o s f e t sw e r ez e r o - v o l t a g es w i t c h ，a n dr e d u c e dt h e p o w e rs u p p l yl o s s w h a tm e a s u r i n g t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i ca n d e f f i c i e n c yp r o v e dt h e p o w e rs u p p l yp e r f o r m a n c eh a v i n g o b t a i n e db a s i c a l l yd e s i g n e d r e q u e s t s a s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w i n g ，t h ec o m b i n i n g o ft h ep s z v s t e c h n o l o g y a n dt h e i i 华南理1 ：人学硕士学位论文 c u r r e n tl o o p & t h ev o l t a g el o o pc o n t r o lt e c h n o l o g yh a db e e np r o v e dt h ed e s i g no f c i r c n i tr e s o n a b l e f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h er e q u e s t sf o rr e a l i z i n ga u t o m a t i z a t i o na n dn o b o a yn u r s i n g , c o n c e n n a t i n g c o n t r o l & s u p e r v i s i o ns y s t e mc i r c u rw a sd e v e l o p e d t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mw a sb a s e do n 8 9 c 5 1 ，a n dt h es o f t w a r eo fi tw a sb a s e d0 1 1c 5 1 w i t ht h ed i g i t a lk e y b o a r di n p u tt e c h n o l o g y , t h e f a r - a w a yc o n t r o l ，t h ef a r - a w a yl n e a s u r e ，t h ef a r a w a yc o m m u n i c a t i o n ，t h ef a r - a w a yd e b u g c a m et r u e k e yw o r d ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；z v s ；t w ol o o p sc o n t r o l ；c u r r e n ts h a r i n g ； c o n t r o l & s u p e r v i s i o n l i i 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：碍宝支一日期：冽年石月f 7 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，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 斗雹l 了乞逸 曰期：绯月，7 日 日期：2 一乍年 p i 2 。而电费节省百分比为：旦也= 3 0 5 ，对于一个用户来说，这是 只1 一个不小的数字。倘若用全国一年的用电量来算，那节省的电量是很惊人的。除 了这些，高频开关电源还具有稳压、稳流精度高，输出纹波及谐波失真小、自动 化程度高等优点。如表1 - 1 所示，是高频开关电源与传统的相控电源主要性能技 术指标对比。 表1 1 高频开关电源和传统相控电源主要性能技术指标对比 t a b l e i 1c o m p a r eb e t w e e nh i g hf r e q u e n c ys w i t c hp o w e r s u p p l ya n dt r a d i t i o n a lp o w e rs u p p l y 技术指标高频开关电源相控电源 1 体积小大 2重量轻重 3效率大于9 0 6 0 8 0 4功率因数大于0 9 50 6 _ o 7 5 稳压、稳流精度小于0 2 1 6纹波系数小于0 2 1 7组合结构 n + i 备份主从备份 8维护 方便、容易难 9自动化程度高低 1 0谐波失真小 大 1 l噪音小 大 从表中可看出，高频开关电源相对于相控电源拥有巨大的优势。由于高频开 关电源以上优点，它有可能和设备的主机相协调，使电能得到进一步提高，从而 带来巨大的经济效益，所以引起社会各方面的重视而得到迅速推广。据 f r o s t & s a u l l i v a n 公司的资料显示，由于作为开关电源最主要用户的计算机 及其外围设备市场的不断发展，通信业的异军突起，1 9 9 9 年全球开关电源的规模 从1 9 9 2 年的8 4 亿增长到1 6 6 亿，平均年增长率为1 0 。近年来，更是随着亚洲 通信业的高速发展，以不低于1 5 的速度增长。_ i ：f 因如此，1 9 9 4 年，我国原邮屯 第一章绪论 部作出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源，几年来的实 践证明，这一决策是完全正确的。 1 1 2 本课题研究的实际意义 开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提 高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境，我国邮电 通信部门广泛采用开关电源极大的推动了它在其它领域的广泛应用，如：家电、 通信、工业、军事、航空航天等都能看到它的影子。值得指出的是近两年来出现 的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4 0 0 0 亿元用于城网、农网的供电工程 改造，提高输配电供电质量而推出的，它已经开始采用开关电源以取代传统的相 控电源。而本课题的研究j 下是响应国家电力系统部门要求的体现，对于减少功耗、 减少电网高频干扰、减少电网污染、改善电源控制性能进而提高输配电质量有重 要的意义和经济应用价值。 1 2 开关电源的研究现状 1 2 1 国内开关电源发展 我国于1 9 6 3 年开始研制可控整流器，1 9 6 5 年开始研制逆变器和晶体器d c d c 变换器，当时与发达国家相比落后五、六年，由于此后的研究工作停滞不前，使 我国的开关电源技术日趋落后。2 0 k h z 直流一直流变换器到8 0 年代才开始生产应 用，但质量很不稳定。8 0 年代后期，为了能尽快缩短与外国的差距，我国电源的 研制采用了先引进，然后合资生产，最后自主研制的方法。8 0 年代后期，首次从 澳大利亚引进了4 8 v 5 0 a ( 4 0 k h z ) 和4 8 v 1 0 0 a ( 2 0 k h z ) 的高频开关电源。之 后，广州的珠江电信设备制造公司和挪威的易达( e l t e k ) 集团公司合营，引进 易达公司的技术，开发出4 8 v 成套高频开关电源，从此，我国一方面积极参加各 种有关的国际学术会议，一方面从国外引进技术，加以自行研制。目前，武汉洲 际通信电源有限公司、华为、中兴等厂家已经开发出自己的高频电源，其产品功 能基本接近国际先进水平。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 2 国外开关电源发展 美国在2 0 世纪5 0 年代相继出现单端式和推挽式开关电源之后，在6 0 年代就 提出了要逐步取消工频整流式电源的要求。到了1 9 6 9 年，由于大功率硅晶体管的 耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了2 5 千赫的开关 电源，这一电源的问世，在世界各国引起了强烈的反响，而开关电源的研究成了 困际会议的热门课题。7 0 年代，s g 公司首先制造了单片集成脉宽( p w m ) 控制 芯片，使开关电源更加小型化，可靠性得到了进一步的提高。8 0 年代初，英国较 早的研制出了4 8 v 成套的高频开关式通信基础电源系统。这是当时利用高频直流 变换技术为主开发的新成果。从那时起到现在的几十年中，美、目、德等发达国 家都先后研制出了高频开关通信基础电源系统，并得到了推广应用。 目前国外开关电源都采用更先进新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减 少开关电源的体积和重量，改善了性能，也就是向着高频化、模块化、数字化发 展。具体表现在： 1 ) 较大功率常效应管( v m o s f e t ) 模块、高速低压降第三代i g b t 模块一 智能型i g b t 功率模块，开关频率可达1 5 0 k h z 的高速i g b t 相继出现并 得到推广，开关电源容量也得到了相应提高。 2 ) 负载谐振、双零开关( z v s 、z c s ) 、双零转换( z v t 、z c t ) 等软开关 技术的发展，它可取代硬开关p w m 控制技术。 3 ) 采用电流模式控制技术。 4 ) 采用高频有源功率因数校正技术。 5 ) 采用并联均流技术，实现多模块( n + 1 ) 并联运行，均分负载，提高供电 可靠性。 6 ) 采用微机对开关电源实行集中监控，无人值守，提高了智能化程度。 1 3 本课题主要研究内容 开关电源由于相对于传统相控电源的巨大优势，因而其发展速度非常快。目前 我国电力的部门很多已不满足于再引进国外的开关电源，转而开始自己研制开发。 这也就必须解决开关电源的几个关键问题： a 高频开关技术 4 第一章绪论 b 软开关技术 c 功率因数校f 技术 d 智能化技术 针对以上开关电源特点，结合实际，本文受广州电力局科立公司委托研制了 电力系统用直流操作电源，主要研究内容如下： 第二章和第三章：对现有的软开关电路拓扑及控制方式进行分析，在此基础 上提出适合于电力操作电源的移相全桥p w m 控制零电压软开关电路拓扑。 第四章：在开关电源电路分析的基础上，设计电源主电路和控制电路参数， 研制出2 2 k w 、实现软开关技术自动均流的2 2 0 v 1 0 a 的高频电力操作电源。 第五章：调试研制的开关电源，通过对输入、输出、外特性进行测试，考察 电源实现z v s 效果，进一步优化电路。 第六章：讨论微机对电源过热、过流等参数的采集原理，设计集中监控单元 电路。 华南理工大学硕士学位论文 第二章z v s 开关电源主电路工作原理及分析 2 1 开关电源模块原理框图 h z hm ql 制蓑 全变 桥换 谐振电感 直输 流出 原边 检测控制 辅助电源 p w m 脉宽控制 信号调节 输出测量 故障保护 微机管理 通讯接口( r s 2 3 2 ) il 集中控制及均流接口 面 板 图2 1 开关电源模块原理框图 f i g 2 ip r l n c i p l e d i a g r a m o f s w i t c h p o w e r 所研制的电源模块的原理框图如图2 - 1 所示，原边检测控制电路监视交流输 入电网的电压，实现输入过压、欠压、缺相保护功能及软启动的控制；辅助电源 为整个模块的控制电路及监控电路提供工作电源；e m i 输入滤波电路实现对输入 电源做净化处理，滤除高频干扰及吸收瞬态冲击；软启动部分用作消除开机浪涌 电流；三相交流输入电源经输入三相整流、滤波变换成直流，全桥变换电路再将 直流电变换成高频交流电，然后经主变压器变压隔离、经整流器整流、滤波器滤 波转换成稳定的直流输出；信号调节、p w m 控制电路实现输出电压、电流的控 制及调节，确保输出电源的稳定及可调节性；输出测量、故障保护及微机管理部 分负责监测输出电压、电流及系统的工作状况，并将电源的输出电压、电流显示 到前面板，实现故障判断及保护，协调管理模块的各项操作，并跟系统通信，实 现电源的高度智能化。 第二章z v s 开关电源主电路工作原理及分析 2 2 开关电源主电路工作原理 2 2 1 开关电源主电路拓扑结构分析 目前，软开关技术已广泛应用于开关电源电路。所谓的软开关技术就是在主 电路上增加储能组件l 、c 或者辅助谐振网络产生谐振，当功率器件电压过零时， 使其开通( 零电压开通) ，当功率器件电流过零时，使其关断( 零电流关断) ，从 而解决了硬开关电路固有的开关损耗、开关应力和e m i 问题，同时改善了电源的 工作特性。对于中大功率高频开关电源中应用较多的是移相p w m 控制的全桥软 开关变换电路。本课题研制的电源主电路采用移相z v s ( 零压) p w m 控制全桥 软开关电路，每一支桥臂采用两只功率管并联，方面能保证管子不被烧坏，另 一方面为以后提高功率做准备，其拓扑结构如图2 2 所示。 全桥软丌关变换器在一个变换周期内，共有1 2 种工作状态。为了更好的分析电 路工作状态，每支桥臂的两只功率管简化为单只功率管，并且假设m o s f e t 、二 极管、电感、电容、变压器均为理想部件( 其中功率开关管内有寄生电容和反向 二极管，且c a = c b = c 。= c d = c ) ，忽略其它寄生参数的影响，变压器漏感为l 1 k ，忽 略线圈间电容，忽略布线电感和电容；假设谐振电容l r l 和l r 2 均为理想饱和电 感，且l r l 山2 = k 。则其简化拓扑电路如图2 - 3 所示，其拓扑电路工作波形如图 2 4 所示。 图2 - 2 全桥软开关主电路拓扑结构 f i g 2 2 m a i n c i r c u i t t o p o l o g y o f f u l l b r i d g es o f t s w i t c h i n g 华南理工大学硕士学位论文 图2 - 3 简化的仝桥软开关主电路拓扑 图2 - 4 软开关主电龉主要波彤 f i g ，2 - 3 c o m p a c t e d m a i n c i r c u i t t o p o l o g y o f f u l l - b r i d g eh g 2 - 4 m a i n c i r c u i t w a v e f o r m o f s o f t - s w i t c h i n gs o f t - s w i t c h i n g 其中图2 - 4 中u 2 为次级整流后的输出电压，阴影部分为次级导通比丢失部分。 各工作状态的等效电路图见图2 5 所示。为简化分析过程，根据开关管工作的不 同状态，对变换器的工作原理与过程进行时域分析。 ( 1 ) 开关模态o t o t l 】 设初始时刻为t o 时刻。在t o 时刻，开关管s 。、s d 导通，原边电流线形上升， 变换器输出功率。初级电流流向：u 。一s 。一l 一k 1 一t l 一l r 2 一s d u i i i 。二次 电路的电流流向为：t lt 一v d l l r 。一l v d 4 一t lf 。到t l 时刻，关断开关 管s 。，此时原边电流升高到最大值i p ，该模态结束。如图2 5 ( b ) 所示。 ( 2 ) 开关模态l t l t 2 s 。关断后，原边电流从s 。转移到其寄生电容s 。中的c 。和c b 支路中，电路中 的电感与谐振电容c 。和c b 产生谐振，c 。充电，同时c b 放电，如图2 - 5 ( c ) 所示。 由于寄生电容两端的电压不能突变，在c 。、c b 作用下，s 。是零电压关断，由于二 次电路中电感参与谐振，其折算到初级的串联等效电感非常大，可以近似的认为 原边电流不变，谐振电感处于饱和导通状态，根据电容两端的电压与电流关系， 得电容电压： u c b - u i n - 云 ( 2 。1 ) 第二章z v s 开关电源主电路工作原理及分析 式中i 。为初级电流峰值。 在t z 时刻，c be 的电压下降到零，即u c b = 0 ，s b 的寄生反并联二极管d b 自然 导通，从而该模态结束。此时变换器输出功率不足以维持负载电流，二级回路电 感起续流作用，将u c d = 0 代入公式( 2 - 1 ) ，得该模态持续时间为： t 1 2 ：2 c r u f , , ( 2 - 2 ) t 1 2 2 = _ 一 ( 3 ) 开关模态2 t 2 - t 3 d b 导通后，原边电流通过开关管二极管d b ，开关管s a 组成的回路，在次级 折算电压的作用下线形下降，电路处于续流状态，由于d 。的嵌位作用，此时开通 s b 为零电压开通，但s b 无电流流过，如图2 5 ( d ) 所示。 t 3 时刻，关断开关管s d ，该模态结束，设此时初级电流为1 2 ，由电感两端的 电压电流关系，可得出该模态的持续时问为： t 2 ，：堡二型生( 2 - 3 ) b 2 赢一 式中：l 。为电路谐振电感，包括变压器漏感和次级电感折算到初级的等效电 感，此时饱和电感仍然饱和导通；n 为初次级变压器变比；u 。为次级变压器输出 电压。 ( 4 ) 开关模态3 t 3 t 4 】 由于谐振电容c 。、c d 的作用，s d 为零电压关断。变压器原边电流进一步减小， 造成变压器副边电流i l s l 下降，不足以维持负载电流，从而整流二极管v d 2 、v d 3 导通续流，如图2 - 5 ( e ) 所示。由于次级四只二极管同时导通续流，变压器副边短 路，变压器漏感很小，所以原边电流迅速下降，下降斜率约为u t 以m 。到t 4 时刻， 原边电流下降到临界饱和电流值1 。，饱和电感脱离饱和。该模态的持续时间为： 如= 气警 c z 。， 华南理t 大学硕七学位论文 瞪湖瞠翔 ( a ) t o 时刻( b ) t o t l 】 蝴瞪翔 ( c ) t t ，t 2 】( d ) 【t 2 ，t 3 】 蝴瞳翔 ( e ) 【t 3 ，t 4 】( d 【t a ，t 5 】 图2 - 5 主电路各种开关状态的等效电路 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i to fm a i nc i r c u i ts w i t c hs t a t e 0 第二章z v s 开关电源主电路工作原理及分析 ( g ) n 5 t 6 】 斟2 5 ( 续) f i g2 5 ( c o n t i n u e ) ( 5 ) 丌关模态4 t 4 t s 】 饱和电感退出饱和状态并与谐振电容c 。、c d 谐振，使c c 放电，c d 充电，原 边电流i 。为： i p = i c c o s ( ( ) t ) ( 2 5 ) 式中：( 1 】= l x 2 ( l , + k ) c ，为谐振角频率。 从t 4 时刻开始，经过1 4 的谐振周期，c c 的电压降为零，二极管d 。自然导通。 由于二极管的嵌位作用，此时丌通s 。为零电压开通。变压器副边的四个整流二极 管仍处于导通状态，变压器副边及原边电压嵌位为零。原边电流i 。逐渐减小，过 零点后反方向线形增长，斜率为u i i i ，( l s + l l k ) ，此时s b 、s 。共同导通，如图2 - 5 ( f ) 所示。到t 5 时刻，原边电流上升到- i c ，模态结束。该模态的持续时间包括谐振电 容充放电时间及电流增长到反方向临界电流值的时间，可粗略估计为： t 4 ，。丝盟型( 2 - 6 ) 4 云一 ( 6 ) 开关模态5 t 5 t d 之后，饱和电感进入饱和状态，电感量为零，输入电压u i i l 直接加在变压器漏 感两端，出于变压器漏感很小，从而原边电流快速上升，上升斜率为u i n 几l k ，如 图2 - 5 ( g ) 所示。t 6 时刻，原边电流上升到维持负载电流值1 1 ，副边整流二极管完成 换流过程，v d l 、7 d 4 关断，v d 2 、v d 3 完全导通，变换器开始输出功率。该模态 持续时间为： 华南理工大学硕士学位论文 4 警 倍， t 0 一t 6 时刻为半个工作周期，t 6 时刻之后开始另半个周期的工作，其工作过程与 上半个周期的工作过程完全相同。 2 2 2 移相全桥z v s 软开关的关键问题 2 2 2 1 全桥软开关变换器中直流分量的抑制 在实际电路中，具有隔离变压器的全桥变换器s 。和s a 的导通时间不可能与 s b 和s 。的导通时间完全相同，即使两者相同，其通态压降也可能有差异。两桥臂 之间的电压u “a 是一个含有直流分量的交流电压，由于变压器原边绕组电阻很小， 此直流分量长时问作用，会导致铁心直流磁化甚至饱和，从而使变压器不能正常 工作，因此抑制直流分量是d c d c 全桥变换器的一个重要任务。抑制直流分量 的方法很多，一种是采用在变压器原边电路中串接隔直电容，另一种较常用的是 采用电流瞬时控制技术，第三种是直接检测u a b 的直流分量，当出现直流分量时 就通过减少管子导通时间方法。本研究采用第一种方法，使电容上的交流电压降 大大降低，这是因为该电容承受了直流分量而只有交流分量的原因。如图2 - 2 和 图2 3 中的c t 所示。 2 2 2 2 软开关实现条件 由上述的主电路拓扑结构工作状态分析可知，谐振电容充放电结束后，要开 通开关管的反并联二极管导通，此时给出开关管的驱动信号，可实现零电压开通。 也就是说必须有足够的能量来抽走将要开通的开关管结电容上的电荷，并给同一 桥臂将要关断的开关管结电容充电。同时，考虑到变压器的原边绕组电容，还要 一部分能量用来抽走变压器原边绕组寄生电容c 上的电荷。这是实现z v s 的能 量条件。也就是说，对m o s f e t 来说，须满足下式： e 冬茔+ 委c 阮( 2 - 8 ) 同时，开关管的驱动信号必须在其并联谐振电容完全放电之后给出，即同一 桥臂驱动信号之间的死区时间必须大于谐振电容的充电时间。这是实现z v s 的时 第二章z v s 开关电源主电路1 ：作原理及分析 问条件。 对超前桥臂来说，实现z v s 是比较容易的，因为超前桥臂工作时，输出滤波 电感l 与谐振电感l r 是串联的，总电感很大，其能量足可以满足式( 2 _ 8 ) 。但对 滞后桥臂要实现z v s 就比较困难，因为在滞后桥臂工作时，变压器副边是短路的， 次级处于换流状态，滤波电感l 不参与滞后桥臂z v s 的实现，这样，谐振电感比 较小，提供的能量不能满足( 2 - 8 ) 式。所以要让滞后桥臂也实现z v s ，需增大附加 电感量k ，为电容充放电提供足够的磁能： 1 亡4 x 1 2 c u ( 2 - 9 ) 二 同时，根据开关工作状态分析可知道，要满足滞后桥臂的时间条件，滞后桥 臂的开关管的两个驱动信号之间的死区时间须满足： t d 芸2 ( + 气) e ( 2 1 0 ) 二 当然开关管驱动信号的死区时间不能太长，否则当原边环流电流降为零时， 开关管反并联二极管不再导通，失去嵌位作用，开关管寄生的谐振电容重新充电， 开关管失去零电压开通条件。不同的负载电流，使原边电流也大范围变化，故开 关管寄生电容的充放电速度也不相同：负载重，电流大时充放电时间明显缩短， 死区时间可相应减小，易实现z v s ，提高效率：反之，当负载轻、电流小时，充 放电时间明显延长，若不相应延长死区时间，在寄生电容电荷尚未放完之前就开 通功率管，则较难实现z v s ，开关损耗也增大。 2 2 2 3 副边占空比丢失 副边占空比丢失是p s z v s p w m 变换器中一个特有的现象。所谓副边占空比 丢失就是说副边的占空比d 。小于原边的占空比d 。，其差值就是副边占空比丢失 d i s 。 d i o s s = d p - d s ( 2 11 ) 副边占空比丢失的原因是：在t 3 一t 6 时间段，虽然原边有正电压方波，但原边 不足以提供负载电流，副边整流桥的所有二极管导通，负载处于续流状态，其两 端电压为零，这样就出现了占空比丢失现象。见图2 - 4 阴影部分。其大小可估算 为： 3 华南理工大学硕士学位论文 。t 。= 三( 。+ + 。) 一兰i i 二：笔 ；笋l ：皇 ( z - ：) 忽略电感电流的纹波。在一个开关周期中将输出滤波电感等效为值i o 的恒流 源，则上式变为： 吣铲 p 四 由上式可看出，当输入电压最小，负载电流最大时候，占空比丢失最厉害。 解决占空比丢失问题一般是采用增加谐振电感的方法，最好是将谐振电感改成饱 和电感，占空比丢失能大大的减少。 2 2 2 a 整流二极管的换流问题 在z v s p w m 变换器中，当变压器工作在t 3 一t 6 时间段时，此时所有整流管同 时导通，变压器处于短路状态，这样原边电流与副边无关，仅仅决定于电源电压 和谐振电感的大小。图2 - 6 和图2 7 分别是次级全桥整流电路结构和波形。 图2 - 6 次级全桥整流电路结构 f i g2 - 6s e c o n d a r yf u l l b r i d g e l w lh t 3t 4t 5 图2 7 次级全桥整流电路主要波形 f i g 2 7m a i nw a v e f o r m o fs e c o n d f u l l - b r i d g e r e c t i f i e rc i r c u i tr e c t i f i e rc z r c m t 在t 2 时刻，负载电流流经v d l 和v d 4 ，在t 2 t 5 时间段里，变压器原边电流减 小，副边电流i 。也减小，小于输出滤波电感电流，即i 。 o ，v d l 和v d 4 中流过的电流大于v d 2 和v d 3 中流过的电流。 t 4 时刻，i p = o ，四个整流管流过的电流相等，均为负载电流的一半，即： i v o = i l 以( 2 1 9 ) t 4 - - t 5 时段，i p 0 ，v d t 和v d 4 中流过的电流小于v d 2 和v d 3 中流过的电流， i v m = i v 0 4 i v d 2 = i v d 3( 2 - 2 0 ) t 5 时刻，i r - - 一i l d k ，v d 2 和v d 3 流过全部负载电流，v d i 和v d 4 中电流为零， i v d 2 - - - - i v d 3 - - - - i i f i v d i = i v d 4 = 0 r 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 此时，v d l 和v d 4 关断，v d 2 和v d 3 承担全部负载电流，从而完成了整流二 极管的换流过程。 2 3 输出滤波电路 输出滤波电路的作用是将高频变压器副边方波电压整流成单向脉动直流，并 将其平滑成设计要的低纹波直流电压。它通常是接在整流器与负载之间，在高频 开关电源内滤波器元件的主要特点是体积可大大缩小。在全波整流电路中，桥式 整流器电路变压器利用率是比中心抽头式整流电路变压器利用率高的，所以桥式 更适合于中大功率的场合。 图2 - 8 是本电源设计的输出滤波电路。v d l 、v d 4 和v d 2 、v d 3 四只二极管构 成桥式整流器，一起和电流补偿式电感l f 以及高频电容c o ，、c 0 2 组成滤波电路， 实际是一个低通滤波器。当输入电压信号的频率低于f c 时，呈现出低阻抗。当频 率高于f c 时，呈现为高阻抗。低通滤波器的截止频率f c 由电感、电容来确定。 华南理工大学硕士学位论文 倒2 8 次绂输出撼顿电龉圈 f i g2 - 8o u t p u tf i l t e r sc i r c u i to fs e c o n d 考虑到桥式整流电路多用一对二极管，所以也就多了一个二极管的正向压降， 同时，因为开关电源频率比较高，二极管在开通、关断和反向恢复时都有较大的 尖峰，造成对管子和其他元件的较大损耗，再加上全桥变换器次级变压器的输出 电压由于变压器内部存在着漏感储能的作用，也常常有较大的尖峰，所以电路中 增加由r 。l r 。4 和c 。i 、c 。2 组成的r c 缓冲网络电路。丌始当v d 4 和v d l 导通时， 存储在电容器上的能量开始释放。当v d 4 、v d l 突然关断时，变压器中的漏感就 向电容丌始充电，磁场能量转换为电场能量，在反复的转换过程中，能量在电阻 r 。l r 。4 上消耗，漏感有了释放的回路，电压尖峰也受到抑制。同时，二极管开通、 关断以及反向恢复时引起的尖峰压降也就被抑制，减少了功耗。 图中d l 是防倒灌二极管，为了防止均流时过大的电流反向灌入。r s l 8 2 是采 样电阻。为了减少共模噪声，在电源次级与大地间接共模抑制电容c 。和c 。，起 到了短接噪声的作用。 2 4 辅助电源电路工作原理及分析 p w m 开关电源控制电路、驱动电路等因为要常常用到一些芯片，需要一个辅 助电源。对于中大功率的开关电源而言，为了电路工作的稳定，通常用直流稳压 电源来提供，功率一般为数瓦，输出电压大多数为5 v 至1 5 v ，以便和各种类型 的组成单元电路匹配。 目前，辅助电源提供的方式很多，大致可归纳为以下三种类型： 第二章z v s 开关电源主电路工作原理及分析 1 串联线形调整型稳压电源 电路简单、可靠，技术成熟，而且辅助电源需要的功率也不大，功率变压器 以及滤波电容体积也不大，使用较广泛，但大多应用在中小功率电源中。 2 自激式降压变换器 应用于要求辅助电源有较小体积的场合，因为造价高，在我国应用不多。 3 反馈式辅助电源 这种辅助电源是目前开关电源采用较多的一种辅助电源，它尽管电路比较复 杂，但作为p w m 型开关电源本身的一组负载，可取代死负载从而可望提高效率， 同时它体积也不大。 本课题采用的就是反馈式辅助电源，如图2 - 9 所示。它由电流型p w m 芯片 u c 3 8 4 5 和多路输出变压器、开关管等元件组成反激式变换器。经过滤波后的平 滑直流电压u i 。作为辅助电源的输入，输出1 2 5 v 和5 v 两种不同的直流电压。 图2 - 9 主电路辅助电源电路幽 f i g 2 - 9a a x a i a r ys u p p l yc i r c u i t 当三相开关合上时，辅助电源立即有电，经整流后的电压u i n 产生，c s 开始充 电。此时由于3 8 4 5 没有工作电源，f e t l 不通，变压器t 4 上端电压慢慢增大， 而次级两路由于二极管的作用将无电压输出。当c s 充到一定的电压后( 设计时让 其充满) ，3 8 4 5 的7 角开始建立起工作电压，其6 角也就有电压输出，并加在f e t l 的基极上，做为f e t l 的基极的电压，则f e t l 开始导通，电流将线性的加在变 l7 华南理工人学硕士学位论文 压器的初级线圈上。变压器的下端电压也就慢慢的增大，同时，两个次级输出电 压也将慢慢的建立。t 4 c 的输出电压在建立的一瞬间作用于3 8 4 5 的7 角，代替由 于c 5 上电压的降低通过较大电阻r 8 、r 9 后更不足以提供3 8 4 5 工作的电源电压。 当t 的初级上端电压又开始慢慢增大时，直至到大于下端电压，则次级的两 个咧路由于有电感、大电容的存在，处于续流状态，仍可维持有电压输出。 d 4 在这里起保护作用，z - 有稳压和维持频率恒定的作用。变压器尽管有隔离 作用，但仍有可能存在主、次级相互干扰的现象，所以在这里加上一个压敏电阻 c 3 0 ，横跨在主次级上，进一步消除噪声，消除电压尖峰，防止主、次级信号互相 窜入干扰。 2 5 开关电源电磁兼容分析 开关电源实际是连接市电电网与通信或电力设备之间的电源转换设备。丌关 电源设备本身与市电电网和通信、电力设备间有双向电磁干扰影响，而市电电网 则是暴露在大自然的环境中，这些情况可能会引起以下问题的发生。 外来噪声使开关电源设备本身的控制电路出现误动作。 通信、电力设备由于开关电源设备的噪声而出现误动作。 开关电源设备对电网产生噪声。 开关电源设备向空间传播噪声。 同时，开关电源在其工作时，其内部的电压和电流波形都是以非常短的时间 上升和下降的，所以，开关电源本身就是一个射频干扰发射源。比如二极管的反 向恢复时间引起的干扰、开关管工作时产生的谐波干扰、交流输入回路产生的干 扰等。 综上所述，一方面开关电源设备内部有驱动电路、保护电路、程序电路及信 号检测电路等，这些电路主要由各种集成电路构成，必须采取有效的方法来防止 外来噪声对电路的干扰；另一方面从开关电源设备输入端进入的噪声可能出现在 其输入端，也必须采取有效的办法来防止噪声的传递，这就要求开关电源设备考 虑电磁兼容性的设计。 在数字设备应用的时代，电磁兼容( e m c ) 要求是强制性的，其目的是要在复 杂的电磁环境中，保证各电子电气设备相互兼容，正常工作。e m c 的内容分为： 第二章z v s 开关电源主电路工作原理及分析 干扰( e m i ) 一电子设备对外界的影响；抗扰一电子设备对外柬扰动的耐受力。 e m i 的对策主要是噪声滤波