（电工理论与新技术专业论文）开关电源跨周期调制方法研究.pdf

西南交通大学颂士研究生学位论文第1 i l 菠 a b s t r a c t t h ec o n t r o l t e c h n i q u e so fs w i t c h i n gc o n v e r t c r s a r ec o m p l e t e l yd e s c r i b e da n d a n a l y z e d t 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 fe a c hm e t h o d ，s u c ha sp w 地s o f t - s w i t c h i n g ，a r ea n a l y z 嬲a n dc o m p a r e d ，a n dw h e r ee a c hm e t h o d s m o r e a d a p t e dt oi s o i n t e do u t p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) i st h e n o r m a lc o n t r o lm o d ei nd c d c c o n v e r t e r b e c a u s eo fi t sf i x e df i e q u e n c y , t h ee f f i c i e n c yo fp w mo o n v e 蹴rw i t hl o w l o a d si sl o w e r i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e man o v e lc o n t r o lm o d en a m e d s c m ( s k i p c y c l em o d u l a t i o n ) i ns w i t c h i n g d c d cc o n v e r t e ri sd e v e l o p e d t h e p r i n c i p l e sa n d t h ec o n t r o ld e m a n do fs c mc o n v e n e ri sd i s c u s s e d b yu s i n g p s p i c e t o o l s ，t h es i m u l a t i o n so fo u t p u tv o l t a g e sa n dc u r r a n t so fp o w e rd e v i c ew i t h d i f f e r e n tl o a d sa l eg i v e na n dc o m p a r e dw i t hp w mc o n v e r t e r , t h ep r i n c i p l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs c ma r ed e s c r i b e d s c mc o n t r o l l e r r e g u l a t e s t h e o p e r a t i o no ft h ep o w e rd e v i c ea tt h ef u l lf r e q u e n c yo rs k i p c y c l e s a c c o r d i n gt ot h el o a d si no r d e r 幻k e e pt h eo u t p u tv o l t a g eo fc o n v e r t e rs t e a d i l y t h e r e s p o n s es p e e do fs c mc o n v e r t e ri s 融t e kt h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e mw i t h , l o wl o a d s i sh i 曲e 1 t h er i p p l eo f o u t p u tv o l t a g ei sb i gw i t ht h el o wl o a d sa n dn e e dt ob ef i x e dt o g e tl o w e r v l l a l lo ft h e s ei n d i c a t zt h a ts c m i sab e r e tc o n t r o lm o d ei nh 蛐f x e q u e n c y s w i t c h i n g d c d cc o n v e r t e r k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s o f t - s w i t c h i n g m o d u l a t i o nf a c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s k i pc y c l em o d u l a t i o n 西南交遴大学硕士磷究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 龟力电子学的内容 电力电子学( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是j 陂期于电力技术领域中的墩予学。它 戳测雳大功率惫予嚣箨对能豢避行交按窝按幕l 惫主要蠹褰，是一门每壤气工程三 大领域一电力、电子和控制紧密相关的边缘学科。随着电力半导体投术和计算机 技术的进步，电力电子学的斑用取得了极大的发展，并融渗透到各个领域。 电力电子技术包捂器 孛及其应用，即嚣件和电路( 或元 孛和装鬟) 两个方 鬣，它稍的发震瘸辖裙成、曩稳健迸。薪豹器侔出瑰链并籀许多凝静疲鲻颁蠛， 做出新的装置：腹用中的问题又对器件提出新的要求，推动新器件的研制。 电力电子技术的发展还与控制技术的发展紧密相关。控制电路经历了由分立 元传劐集成电路( c ) 豹发羧阶段。现在露蠢专戈各辩按铡珐裁设圣 瓣专惩集戒 电鼹，使电力奄予装萋的控蒂电路大为楚讫。特聚是徽处遴嚣和徽登诗算机的弓l 入，且它们的位数成倍增长，遗算速度随芝提高，功能不断完善，使控制技术发 生了根本的变化，即控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，溉方便又灵 嚣，可搜各耪瑟鬏、复杂静控涮策旗帮方寨褥到实现，势舆窍塞诊錾凌缝，甚至 能迭蓟有一定餐能的电力电予装置。总之，间一电子电潞或装置由予掇制技术的 提黼，可以使电路或装置达到照为完善的水平。所以，将新的控制理论和方法在 实践中取得应用也是电力电予技术的一个熏要内容。 魄力龟子技零戆发震骞蔟予魄力电子嚣终熬发震，魄力宅子菝拳发震豹每一 次飞跃都是以新器件的出现为契机的。电力电子器件是电力电子技术的基础。一 代器件孕育一代装霞，一代裟避产生一批新的应用领域。而微电子技术、电力电 子器传和控制理论则是现代电力电子学缺不可的发震动力。 1 1 1 电力举导体器件 电力电子嚣传残是电力电子技术的基磷，也是电力惠子技术发鼹豹强丈动 力，可敬谎每手新器徉的滋琥都推动了恕匆电子技术的飞跃。获菇辩管目世 迄今电力半导体器件已经历了几代发展过程。 第一代电力电子器件 嚣阕营据为第一我电力嘏：器辞于上墩纪5 0 年代瓣懿，在电力恕予学豹历 匿蔫交运大学焱士谤突生学位论文 繁2 燹 史上具有重要意义。晶闸管具有反应快、重量轻、体积小、能耗低、可靠毪商， 使用期长、易维修簿特点，成为现代燮流技术发展的基础，利用晶闸管的变流技 术很快取代了传统的电动发电机组和水银整流器。由于晶闸管不能自关断，属于 半控型器件。晶闸管只能用正门极脉冲电流导通，而不能爝负门极脉冲电流张获 凝，虽开关频搴低，辑致鼹这些器传镪成翡交换器效率低、体积丈、结揍复杂， 越穗控电籍氇逡畿了瓣龟网懿“公害”，豳瑟这些器馋纛不熊满足久稍懿器簧。 第二代电力电子器件 随着交流电动机变频调速技术的发展，半控型器件融不能满足需要，漶切 需要可控制关断的( 即自关断) 电力电子器件一一全控型器件。因此在晶闸管蒸础 上相继出现了一热派生器件，蜘：电力菇体管g t r ( p o w e rt r a n s i s t o r ) w 必 裁鑫溺营嚣0 ( t u r n - o f f 镰y r i s t o r t r i o d e ) 、毫力场效波豢体管辩s f e t ( p o w e r 赫o s f 鼹) 等，形成繁= 代电力毫予器佟。 第三代电力电予器件 前两代电力电予器件中各种器件都有其本身的特点。避年来，又出现了兼 有几种器件优点的复合器件，如：绝缘门极双极晶体管i g b t ( i n s u l a t e d - g a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。它实际上是m o s f e t 驱动双投型照体警，薰有m o s f e t 魏 囊羧入疆撬彝g t r 戆惩导逶压簿嚣蠢敬圣f 己焘。它容塞较大，嚣关速疫抉，荔鞑 动，成药一种理想辩器俘。 第四代电力电子器件 随着工艺技术水平的提高，能做剿将许多零散拼装的器件组合在一起大规 模生产，器件模块化的发展最终导数第四代电力电子器件功率集成电路p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 豹诞生。在p i c 辛，不仅把囊电路戆器孛 ，霹鼠撼 驱动宅爨鞋及爨寮避基过渡保护、奄溅、甚至温凄交凄臻麓簿终瘸熬毫赣郝集藏 在一起，形成一个整体。 当前，各种分立器件组成的模块也得到了很大的发餍。所谓模块就是把务 种电力半导体的镣芯按定电路联成二单元、四单元、穴单元，装在导热的绝缘 衬底上，并封装程个外壳内而成。幽予模块与同容量的分点元件相比，具霄锩 羧枣、重量轻、终褥紧凑、可靠蝗裹、逶壤蛙强、维蘩方蠖、便溪接线麓蕈麓饶 点，特裂是模臻臻鞫其有其警芯鞠努巍藤舨之闯斡糖曩绝缘，因魏霹戬意一个域 几个模块同时安装禚接地的同一散热嚣上，从而大大地简化了电路的结构，缩小 了装置的体积，阏而受到各国的普遍麓视和开发。 今后，电力魄子器件仍将沿着以下几个方商发展： 大容量。即高电压、大电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 高频化。即提高器件的开关速度。 易驱动。主要向电压驱动方向发展。 低导通压降。可降低导通损耗。 模块化。使主电路结构简化，体积缩小。 功率集成化。将驱动、保护、检测、控制等功能与器件集成，使装置更 为简化。 大容量化一直是电力电子器件发展的方向之一。但就功率器件的内部结构而 言，却不断向微细化发展。各种新型器件无不是由许多微小单元组成的，而且微 小单元越来越小。微电子工艺和电力电子技术相结合，成了推动电力电子技术发 展的强大动力。 目前，半导体器件所用的材料主要是硅，而砷化镓、碳化硅及合成金刚石等 新型材料具有更良好的特性。碳化硅及合成金刚石都有很宽的频带，很高的载流 子迁移率及很好的导电率和导热率。用合成金刚石制成的电力m o s f e t 可比硅器 件的工作频率提高5 0 倍，容量提高几个数量级，导通压降降低一个数量级，工 作结温可达6 0 0 0c ，有很好的发展前途。 1 1 _ 2 电力电子电路 在电力半导体器件迅速发展的同时，相伴着电力电子电路的不断更新换 代。以晶闸管强迫换流线路控制电流的通断取代机械式换向器，接着又以全控型 开关器件取代线路复杂，体积较大、功能指标较低的强迫换流线路，8 0 年代后期 出现的软开关( s o f t - s w i m h i n g ) 1 1 1 电路利用谐振原理，可使开关器件在零电压或 零电流的条件下动作，因而在理论上可以把开关损耗降为零，又使电力电子电路 的发展大大前进了一步，这是技术发展的规律。从实行电能变换功能的角度出 发，可将千百万化的各种电力电子电路归纳为以下四种： 交流直流( a c d c ) 变换电路：由交流电能到直流电能的变换称为整流 ( r e c t i f i e r ) ，凡能实现这一变换的电路泛称为整流电路。a c - d c 变换器 最初都是以晶闸管器件为主制成，这种变换器结构简单、效率较高，在 工业中的用量极大，但是它容易产生低次谐波，并形成电网负载的迟后 位移因数，从而使电网的质量受到影响，为此采用庞大的无源滤波器和 p 嘶有源滤波器来消除所产生的谐波和补偿无功功率，从而使装置的体 积增大，价格上升。 聪南交通火学硕士研究生学位论文第4 页 直流交流( d c a c ) 变换电路：幽直流电能到交流电能的变换称为逆变 ( i n v e r t e r ) ，凡能实现这一变换的电路泛称为逆变电路。d c a c 变换器可 分为电聪型窥电流型两释，主要糟于交流电极诵速、u p s 电源和感痤匀曩 热等。 交藏交流( a c a c ) 交换奄鼹：能将一耱交流奄蓬( 或穰滚) 弱频率魏 以改变的电路。前者称为交流调压器，艏者称为变频器。a c a c 变换器 嚣翦应趱缀广泛。塔晶嬲譬和双翔晶嬲蟹按稳掇原理铡戏豹电压调节爨 广泛应尉于调光、调温释领域。相控斩波变换器已用于懒频变速的飞机 电源系统和大容基的交流传动。妇于采用相控原理，故还存在鬻露有的 谐波和遮后的无功功率闯题，需采用有源龟网调节嚣来解决诧问越。 直流黧流( d c d c ) 变换电路：能将一种悫流电脎( 或电流) 幅度和极性 翔溢彀交静电路，称为纛流交羧器。d c d c 交换器是把一释不可调静壹 流电压变换成一神各种电平都可调的或程控的礅流电压，这种变换器一 般月在态援驱动、开关惫添等镁域。隧饕太援棱集成怒潞技术戆遮速发 展，使得大型计算机、字航设备以及军用设备都迫切希望开关电源小型 他。但浆用一般p # m 电源，其频率受到定限制( 5 0 0 k h z 以下) ，频率 的迸一步提高，便带来诸如处毽电流能力下降、磁性材料功耗增加、电 磁于扰簿一系列问题，茨丽使开关电源的体积增勰? 性能下酶。谐振类 ( 包括垒诣振j 拜准谐振) 变换器的研螽成功及零电压开关准谐掇变换黎 和零电流开关准谐振变换器的应用，大大降低了开关损耗和开必器件韵 疲力，充分稠瓣嚣关器绺翡寄笺惫窖鞍隔离交嚣器懿寄黧电感，获瑟大 大降低敞置的噪声和电磁干扰，使开关电源的频率提高剿l o ) i h z ，功率 密褒这3 1 w c m 2 ，蒡可恕分襄熬魄源装套邀爨馥爨叛上。 在实际的使用中，系统往往怒把上述几个变换过程练台在一越而成的。 1 1 3 电力毫予迫路的控制方式 程电力电子技术的发震邈疆中，就控蒜技术丽言，下面一堡控截方式占 有薰要地位： 痤薅鞭控露l 方式 ( 国应用静止旋转坐标变换的矢麓控带及瞬时无功功率控制。 现代羧毒理论，鸯瑟自逶应控铡、采雳状态褒溅器豹控朗及无麓糖控 制、既传感器控截。 _ 。_ _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ 一- _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ r h - _ _ _ _ _ - 。_ _ ，_ _ _ _ 。_ h - _ _ _ - - _ _ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 各种非线性控制，如模糊控制、神经元网络控制。 按照电力电子器件开关状态与控制信号的关系，通常又可将控制方式分为： 相控方式：控制信号幅度的变化表现为变流器件控制脉冲相位的变化， 是工作于交流电源的变流器常用的控制方式。 频控方式：控制信号幅度的变化表现为变流器件控制脉冲的频率的变 化，是工作于直流电源的逆变器常用的控制方式。 斩控方式：控制信号幅度的变化表现为变流器导通比的变化，是直流变 换器常用的控制方式。 p w m 控制对推动电力电子技术的发展起到了历史性的作用，其应用范围遍及 斩波、逆变、整流、变频及交流调压等各种电路，现在各种新的控制方式仍不断 出现，矢量控制使交流调速的控制性能可以与直流调速相媲美，使电气传动技术 面目一新。 由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步，使得所 有新的控制理论、控制方式都已在电力电子装置上应用或尝试。因此，近年来电 力电子装置控制技术的研究十分活跃，各种现代控制理论、专家系统、模糊控制 及神经元控制都是研究热点，这使的电力电子系统的控制技术发展到一个崭新的 阶段。 电力电子系统控制技术的进步在很大程度上依赖与微处理器。微处理器性能 的迅速提高使许多原来无法实现的控制方式得以实现。特别是8 0 年代后期出现 的具有浮点小数运算能力的3 2 位d s p 芯片运算速度快、功能强，已广泛用于各 种电力电子装置。目前基于微处理器的数字控制技术应用范围越来越广，在许多 范围已取代了原有的模拟控制。 1 1 4 - 电力电子电路与仿真技术 随着计算机硬软件技术的飞速发展，计算机辅助设计技术( c a d ) ( 也称计 算机仿真) e 1 4 已在各领域获得曰益广泛的应用，c a d 将计算机的高速运算、优 良的数据处理能力与人的创造性思维有机地结合起来，采用c a d 技术可以模仿 ( 仿真) 电路的各种特性而无需任何实际元器件。因此，这时的计算机从某种意 义上讲就是一个现代化的实验室。 根据初拟的或实际电路建立模型，利用计算机对模型进行分析、研究以达 到开发或改进真实的实用电路的目的，这个过程称为计算机仿真。近年来，使用 计算机画电路原理图，由计算机中的原理图编辑器自动将原理图转化为程序单， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 即电路网单文件，并标上节点号，进行下续的设计也称为仿真。其有如下一些好 处： 取代人工解析分析，减轻设计劳动强度和重复性劳动。 提高分析速度、分析精度和分析广度。比真实电路实验可扩大研究范 围，测得更多数据。可测些实验中无法直接测量的数据，如元器件中 的数值和波形，研究系统性能受其变化的影响。 设计任务确定后立即做仿真，进行充分可行性论证后再订购贵重、特殊 元件，既节省资会又缩短开发过程，提高产品的质量。用计算机反证法 仿真系统代替实验可大大减少元器件损坏引起的损失，更重要的是某些 无法进行实地实验、艰苦和危险场合( 如太空) ，只有通过全面的考 察、故障的模拟、实际存在的非线性因素允许到什么程度等，才能最后 确定实际电路参数。 减少初投资。一套仿真设备就是规模很大的实验室，可以做许多电路与 系统产品的研究。如本论文中使用的p s p i c e 仿真软件，不但可做模拟 电路，而且可研究数字电路以及常用的模拟、数字混合电路的仿真。准 备工作就是画线路图。这项工作常常比实验室的方案比较、购置元件、 线路安装、更换坏元件要容易得多。 仿真的不足之处在于使用此法之后尚需真实电路实验。 电力电子电路拓扑的研究是与仿真技术密切相关的。数字仿真技术作为一门 基础技术，在电力电子技术的发展中发挥着越来越的作用。电力电子装置的仿真 可以分为三个层次，即器件层次、电路层次和系统层次。器件层次的仿真主要用 于详细研究器件在电路中的开关过程，它需要对器件提出较为详细的数学模型， 模型应能在一定的程度上反映器件的物理过程( 这里的器件模型还不是为设计器 件而提出的) 。电路层次适用于对电力电子电路较宏观的电压电流波形的研究。 在这个层次上进行仿真时，电力电子器件的模型一般采用理想开关模型。系统层 次的仿真着眼点在于研究电力电子系统的特性，如研究系统结构、控制方式、参 数选择等。当不需要研究电路输出波形时，电路模型可粗一些，用传递函数即 可，当需要研究电路输出波形时，对其中的电力电子器件可用开关模型。 电路分析方厩目前具有代表性的软件是p s p i c e 4 7 ，它是一个有很高实用 价值的计算机辅助实际工具，可完成如下工作： 在制作实验电路前模拟指定电路的电性能。 估计元器件改变时对电路所造成的影响。 分析一些较难测量到的电路特性如噪声、杂波失真、频谱分析、环境温 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 度分析等。 优化设计。 本论文中利用p s p i c e 仿真软件对电路进行仿真，以获得直观的认识和验证 理论分析的正确性。 1 2 直流变换器概述 直流开关电源是具有直流变换器且输出电压恒定或按要求变化的盲流电源， 其输入为直流电。直流开关电源部分或全部具有以下特征： 电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的 范围内或按要求变化。 输入与输出间有好的电气隔离。 可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。 直流开关电源与直流线性电源相比，其特点有： 电力电子器件在开关状态工作，电源内部损耗小，效率商。 开关频率高，电源体积和重量小。 开关电源主要用于向模拟或数字电子设备供电。开关电源可以简单的认为是 由功率级和控制电路组成，功率级为功率变换的主体，主要是通过开关器件和电 感、电容等器件实现功率变换。即通过调节开关器件的工作状态，来取得所希望 的功率变换和一定的输出。 1 2 1 直流变换器的基本拓扑 直流变换器的基本拓扑按输入与输出间是否有电气隔离分为两类：没有电气 隔离的称为非隔离的直流变换器，有电气隔离的称为隔离的直流变化器。 非隔离的直流变化器按所用有源功率器件的个数，可分为单管双管和四管 三类。单管直流变化器有六种，既降压式( b u c k ) 变换器、升压式( b o o s o 变换 器、c u k 变换器、z 七t a 变换器s e p i c 变换器等。在这六种单管变换器中，降压 式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生的。双管直流变换器有双管 串接的升降压式( b u c k g b o o s t ) 变换器。全桥直流变换器( f u l l - b r i d g cc o n v e r t e r ) 是 常用的四管直流变换器。 隔离的直流变换器也可按所用有源功率器件数量来分类。单管的有正激式 ( f o r w o r d ) 和反激式( f l y b a c k ) 两种。双管有双管正激( d o u b l et r a n s i s t o r f o r w a r d c o n v e r e e r ) 、双管反激( d o u b l e t r a n s i s t o r f l y b a c kc o n v e r t e r ) 、推挽( p u s h - p u l l 匿赢变速丈掌硕士麓突生学位论文繁8 贾 c o n v e o r ) 和e 桥( h a l f - b r i d g ec o n v e r t o r l 等四种。四管崴流变换器就照全桥直流变 换器( f u l l b r i d g ec o n v e a o r ) 。 s娃ttv 0c v d r “”r 1 广r “广稍下 t 厂7 埒寸1 窆芏二：誊芝i ：i ：；? 蔓尘蛰?ii ；il ；i tj! l + 。霜s 旺1 墨l ：o 0 鸱 盱西 l a f u l l - b r i d g ec o n v e r t o r 图卜l 誊流变换器基本拓扑 ，2 2 壹流蜜换器麓麓率变换技术 + v o 根据d c d c 变换器的工作方式，d c d c 变换器可以分为：p w m 变换器， 谐振变换器、软开关变换器毅零转换p w m 变换器，以及耨出现豹跨髑期调制变 揍器等。 脉宽调制技术( p w m ) 通过调节控制脉冲占空比来实现功率的变换。1 9 7 6 罐美国硅通用公司第一个做如了s g l 5 2 4 单片集成的控制芯片，称为脉宽调制 罄。黥宽调制技术随著脉宽镶铡器的出现褥褥到了广滋舱应用。是麓，p w m 歼 蚕鸯交运大学硕士璐究生学位论文第页 关控制变换器避行的最佳频率范围为3 0 - - 5 0 k h z ，在邀个范围内，熬个系统无论 体积、重量、效率、可靠性和价格都基本实现了最佳。 徨是，p w m 开关技寒爨翟毒缺麓黢铡了p w m 裂开关毫漂黪送一步毫菝 化。脉宽调制激流变换器的开关器件是程承受电压或流过电流的惰嘏下接通或断 歼电路的，因此在开通或必断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗 ( s w i t c h i n gl o s s ) ，变换器工作状态一定时开关开通躐关断一次的损耗也是一定 豹，嚣瑟拜关貘率速高，开荚撰耗也越丈。嗣对，开关遥程串还会激起电赣势奄 魄感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，在高频时还会产生严重的电压尖蝰和浪 涌电流，如图1 2 所示，导效开关应力增大，有可能损坏开关器件、成为电源噪 声馥主要来源，般需要接入吸收回路加以消除，但吸收回路会消髓能量，降低 惫滠豹效率。 上述这些厨隈性，迫使人们另辟蹊径。围绕着减小开关损耗和开关应力，消 除或缓解电路中寄生参数的影响而研制的商频开关变换器已成为过去几十年国际 魄力电子界的热门谋题。 实质上，开关电源在裔隳纯箨事需要骜蘩解决静两大淘越是：实残辩关管静零 c ( a ) 尖蜂电压 图1 - 2 寄生效应 ( 渡潇电流 电压或零电流歼关条件，默尽可能减少开关损耗，消除开关浪涌。于是，出现了 谐振开关技术，谐振型技术以正弦形式处耀功率开关臀，使开关管谯歼通或关断 过程中，或照抛于其上的魄压为零，嚣零电压开关( z e r o - v o l t a g e - s w i t c l 堍 z v s ) ，袋是遴避器锋懿露流为零，静零电流i 牙美( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g , z c s ) 。这种开关方式显著地减小了开关损耗和开关过程中激起的振荡，可以大 幅度地提高开关频率，为变换器的小型化和模块化创造了条件。与p w m 变换器 樱魄，谐振式变换器具有诸多伐点。首先，寄生参数被缝入谐振元传螽，丈大降 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 低了电路中的d i d t 或d v d t ；储存在寄生电感和寄生电容中的能量可以通过谐振 回馈到电网中，而不至消耗掉；高频变压器的设计和制作具有更大的自由度。其 次，由于谐振波形与方波相比，谐振分量大大减少，因此减少了变换器中的电磁 干扰( e m i ) 。谐振型变换技术的主要缺点是：功率电路拓扑复杂，在不同的负 载条件下，存在这不同的工作模式；q r c ，m r c 一般都是变频控制，控制电路 复杂：谐振波形使得开关管的电压或电流应力比p w m 变换器的还要大；电路中 的高频谐振使得开关管的导通损耗以及储能元件的损耗增大。 软开关技术主要是针对p w m 硬开关而言的。软开关技术利用谐振原理，可 使开关器件在零电压或零电流的条件下动作，因而在理论上可以把开关损耗降为 零。应用软开关技术的变换器，综合了p w m 变换器和谐振变换器两者各自的优 点，通常具有接近理想的特性，诸如低开关损耗、恒频控制、合适比例的储能元 件尺寸、很宽的控制范围及负载范围等。但也存在着不足：开关器件工作时的占 空比调节范围有所减小，多数软开关p w m 变换器因需要辅助换相电路，从而增 加了变换器的成本和控制难度。 p w m 方式，其工作频率固定在恒定频率下，开关损耗几乎与负载无关，导 致轻载时电源效率明显降低。跨周期调制( s k i pc y c l em o d u l a t i o n ) 【2 3 】通过改变 有效工作频率来改变输出功率，其开关损耗与输出功率成正比，采用这种调制方 式的开关电源的效率几乎与负载无关。在日益强调提高变换器效率的今天，这种 调制技术显示了良好的前景。 1 2 3 开关电源的应用及发展 随着电力半导体技术和计算机技术的进步开关电源的应用取得了极大的发 展，并己渗透到各个领域。现代家用电子电器，个人计算机，测试仪器和生物医 学仪器都采用开关电源。直流开关电源还在工业装置，大型计算机，通信系统、 航空航天和交通运输等各个方面使用。大型通信系统、航空航天器中的电源是分 布式电源系统，包括三个方面：第一部分为发电系统，第二部分是一次电源，第 三部分是二次电源。发电系统是将其它能量转化为电能的设备。一次电源用于将 变化范围较大的输入电压转变为所需的输出电压。二次电源则直接面向用电系 统。分布式电源系统的发电系统、一次电源和部分二次电源为多冗余故障电源， 电源间互相并联，电源模块内有运行状态监控电路，可准确判断电源故障，并切 除故障电源，因而有较高的可靠性。同时，一次电源的输出都并有蓄电浊，从而 防止分布式发电系统和个别一次电源故障引起的汇流条电压中断，实现了不间断 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 供电。因此，分布式电源系统是高可靠的不间断供电系统，目前只有直流供电系 统才能实现完善的不间断供电。 开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面： 小型化、薄型化、轻量化，高频化开关电源的体积、重量主要是由 储能元件( 磁性元件和电容) 决定，因此开关电源的小型化实质上就是 尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不 仅能有效地减小电容，电感及变压器地尺寸，而且还能够榔制干扰，改 善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。 高可靠性开关电源比线性电源使用的元器件多，因此降低了可靠 性。从寿命角度出发，电解电容，光耦合器及排风扇等器件的寿命决定 着电源的寿命。所以要从设计方面着眼。尽可能使用较少的器件，提高 集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的阅题，也增加了保护等 功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。 低噪声开关电源的缺点之一是低频噪音大，单纯追求高频化噪声 也会随之增大，采用部分谐振转换技术，在原理上既可以提高频率又可 以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。 采用计算枫辅助设计和控制采用c a a 和c a d 技术设计最新变换拓 扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微 机检测和控制。可构成多功熊监控系统，可以实对检测，记录并自动报 警等。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和 航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常，故障应急和危急情 况下对电源的自动管理。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是：根据d c d c 变换器的工作方式，对p w i v i 变换器、谐 振交换器、软开关变换器和零转换p w m 变换器，以及新出现的跨周期调制变换 器等控制方法结合具体电路拓扑进行了较为深入的分析和研究，并总结了各种控 制方法的优缺点和适用范围。 针对新提出的d c d c 变换器的跨周期调制方法，对电路工作原理和控制电 路的实现进行了研究，对变换器的效率和负载关系进行了详细分析，并讨论了负 载冲击响应，输出电压纹波大小和频谱特性。 本文的主要结构是： 对直流变换器控制方法进行分类，按照p w m 变换器、谐振变换器、软 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 开关变换器和零转换p w m 变换器，以及新出现的跨周期调制变换器等控 制方法进行分类，结合各种基本拓扑，对基本工作原理和控制波形进行 了详细的分析，总结了各自的优、缺点和适用范围。 研究了跨周期调制的工作原理，针对跨周期调制对控制电路的要求，利 用分立元件对电路实现了跨周期调制，展望了控制芯片的发展方向。利 用p s p i c e 对跨周期调制和脉宽调制进行了电路仿真，并对相同电路条 件下的两种调制方式进行了比较。 对新型的d c d c 变换器的跨周期调制方法，详细分析了工作原理，给出 了s c md a d c 变换器输出功率于调制度的关系，通过对变换器的效率 分析，得出跨周期调制的效率与负载无关，同时在负载冲击下具有较快 的响应速度。在轻载下其输出电压中含有一定的低频噪声，分析了解决 方法。并利用p s p t c e 进行了仿真验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章直流变换器控制方法研究 为了使直流变换器的输出电压自动稳定，不随运行条件或环境而变，必须 采用某种控制模式。本章主要对直流变换器的控制方法进行分类研究，详细分析 p w m 变换器、谐振变换器、软开关变换器等控制方法。 2 1 脉宽调制技术 图2 - i d c d c 开关电源的电路原理框图 图2 - l 为d c d c 脉宽调制( p 嘲) 开关电源的电路原理框图，图中的电路框图 包括主电路和控制电路。后者还有过压保护、前馈控制( 一种开环控制) 以及软 西南交遴火攀硕士研究生学缎论文g a 4 页 痘动电路等。踩宽谲翻器是一个眈较器，褥控锈饺弩以与频率一定鹃键德渡电 压进行比较。因此在集成控制电路中还包括频率定的时钟信号和锯齿波发生 器，时钟频率决定了p w m 开关鼠源的开关频率。设锯齿波电压幅值为碥，锯齿 波宽b ( 决定了开关周期) ，一周期内控制信号k 与锯齿波有一次相交，决定 了p 贼的输嫩脉冲宽度d t 。曼嫩，在摆交点配v 一d 。 已絮鬻瓣拜关交换嚣瓣壤窭一输入逛压魄v o 甄与砉窒愆d 露关，帮 k ，终一，) 。任何原霞使受裁电压k 变化时，自予系统的负反馈狡镪佟璃， p w m 输出脉冲宽度( 即占空比d ) 自动调整，从而自动实现稳压，使碥的变化保 持在给定假附近的允许范围乏内。 脉宽调制器p 嘲波形图如嘲2 - i 所示 业 v c 图2 2 脉爨调制器p w i d 工作波形图 叫t s 卜 爰交囊d 炭示凄态夔砉空魄，教交砉空篦蠢瑟琴满苓疆赛毫压魏，嚣蠢又可 写为： d ，垫堡 + 研 r 其中： r 舞舞荧躅麓； k 为一个周辫中，开关管静学通时闻； 研为稔一个周期中，开关管的截止时间。 所以改变t o 或沏可以实现对占空比d 的调节。 ( z - t ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 当r 恒定，研改变时，通过调节导通脉冲宽度来改变通断比，即“定频调 宽”，称之为脉冲宽度调制( p w m ) ：当k 恒定，r 改变时，通过调节开关频率改 变通断比，即“定宽调频”，称之为脉冲频率调制( p f m ) 方式。 p w m 控制方法可以按照控制电路的采样变量进行分类。理想的基本变换电路 可认为是一个二阶系统【3 j ，因而只有两个独立的变量。只采样一个变量的为单环 控制，采样两个变量的为双环控制。 表2 - 1 为根据采样变量进行的分类： 采样电容电压采样电感( 开关) 电流名称 y e sn o电压型控制 单环控制 n oy e s电荷型控制 y e sy e s电流型控制 双环控制 y e s间接采样v 2 型控制 表2 一l 根据采样变量分类表 在本节中，将对p 聊控制方法中的电压型、电流型等控制方法进行详细的研 究。 2 1 1 电压型控制方法 电压型控制( v o l t a g e - m o d ec o n t r 0 1 ) 是直流开关电源最基本的一种控制， 属于单环负反馈控制 3 1 。其实质是：输出电压被检测后，与给定( 基准) 值 比较，电压误差经放大后( 称为控制信号阼) ，作用于脉宽调制电路( p 哪) ， 将负载上取得的模拟信号转变为断续的脉冲信号，驱动功率开关管，形成反馈。 因此电压型控制直流变换器是单闭环负反馈控制系统。 设功率变换电路d c d cb u c k 电路，电压型控制开关稳压电源如图2 - 3 所 示。电压检测由分压器实现，p 膏为给定电压，k 为检测电压与给定值间的误 差，k 为误差放大器输出，即控制电压，它与锯齿波电压比较后，产生占空比 d 的脉冲，作用于驱动器。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 图2 - 3 电压控制的d c d cb u c k 开关电源 电压型控制方法是人们最早采用的控制方法，由于是单环控制，设计、分析 相对比较简单，电路成本较低，体积较小：此外由专门锯齿发生器产生的锯齿波 幅值比较大，因而抗干扰能力比较强：电压型控制方法另外一个比较突出的优点 就是输出阻抗低，在多路输出供电的电源中可以较好的实现交叉调节。目前在一 些对电源住能要求不高的场合，仍有电压型控制方法在使用。 电压型控制方法的突出的缺点是 7 1 ：控制过程中电源电路内的电流值没有 参与进去，由于开关电源的电流都要流经电感，故对于相应的电压信号就有一定 的时延。然而对于稳压电源来说，需要不断地调节输入电流，以适应输入电压的 变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的。因此，只采用输出电压的方 法，任何输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并作为反馈输入进行矫 正，所以响应速度比较慢，甚至在大信号变化时，会因产生震荡而造成功率管损 坏等故障发生。由于输出滤波给控制环增加了两个极点，所以从系统稳定性考虑 或者误差放大器的主极点移向低频，或者增加一个零点进行补偿：由于环路增益 不独立于输入电压，要实现补偿是相当复杂的。 2 。1 2 电流型控制方法 前面介绍了通过电压负反馈可实现稳压，使开关变换器成为电压源。同理， 应用电流负反馈原理可实现稳流，使开关变换器成为电流源。为了改善开关稳压 电源的动态响应可采用混合电压、电流负反馈，传统上称为电流型控制 ( c u r r e n t m o d ec o n t r 0 1 ) 3 r 。图2 - 3 给出了电流型控制的开关电源。 露南交遴穴学硕士研究生学饿论文筹1 7 页 臻2 - 4 邀潺型控翻窀臻 电瀛黧羧制是采用电篮、电流双环控制的开关稔送电滚，内环为程流负反馈 环，外环为电压负反馈环。外环中，电压误差放大器输出的控制电压k ，作为内 环电流基准( 给定) 。检测的魄流信号与给定值阃晌误差经放大后，缀过触发器 产生占空比d 。对于恒频系统，罐一开关周期开始，由时钟信号触发开关管导 透，当检测静邀滚痿号等于绘定篷致对，驻袋器熬转，开关营关辑。辫就只要 系统串瞧滚鹣毒交亿，占空魄瑶戮较傻产生谲苓幸罄蔫，篌输窭毫莲阮犊运绘定 珥f 。 开关魄源实现电流型控制藏婺有峰值电流型掇制和平均电流型控制两种类 型，峰值电流型控制将使电感呶流( 或开关管电流) 的上升斜度与所设激的电疯 控制电平相比较，当瞬态峰馑电流达到所器的电平h 寸，比较器魏转，从黼关断功 率警。强2 ，5 为峰值毫滚鍪控剿懿黯及波形。 图2 - 5 峰值电流型控制电瓣及波形 峰值电流型控制实际上是开关管或电感的电流峰值是相同的，但梭测开关电 流峰值较枣易，被检测的电流峰值与给定值相交点，决定了占空比d 。其优点 西南交通大学硕士研究生学4 e , i 仑文第1 8 页 是：改善动态性能，可实现峰值电流保护等。缺点是：不能准确控制电感的平均 电流，电流环直流增益小，回路增益对电网电压变化敏感，有开关噪音( 开通电 压尖峰) 等。更重要的是，恒频情况下，当占空比d - 0 5 时，电流环会出现不 稳定现象。电流环增益随占空比d 而变，为此需外加周期性斜坡函数补偿，称为 补偿斜坡，这时系统稳定。 平均电流型控制最早应用于功率因数教正装置，1 9 8 7 年由b l w i l k i s o n 提 出，并获得专利。图2 - 6 以d c d cb u c k 开关变换器为例，给出平均电流控制的 电路框图。 图2 - 6 平均电流型控制电路 、心 平均电流型控制被检测的是电感电流i l ，其平均值表达式为： 、汹一扣 、 五j 一般是通过积分网络，即在电流误差放大器上并联积分电容。f ，经积分后的 值阢疵与豇平均成正比。 j 平均电流型控制技术引用高增益电流误差放大器( c a ) ，电流环的增益带宽 特性能够由补偿网络修正为最佳特性，在低频时增益比峰值电流型大很多。因 此，平均电流型控制使得平均电流与外部可程控的电流电平具有很高的准确性， 这在高功率因数校正预稳器中特别重要，它只需很小的电感就可使谐波失真小于 3 。此外平均电流型控制不需要斜坡补偿，只要在开关频率正上限制回路增 西南交通火学硕土研究生学位论文 第1 9 页 焱，就憩达虱稳定工作。蔺时它辩噪声誉敏感，警导通赫渖使功率管导遴豺，震 游斜面己跳入低电平，不会产生斟：较电平的干扰。 无论扶理论分辑或双毫路溅试帮话壤篷滚擦裁型较魄压控戮型有不攀毙毅 的优点，归纳起来主要有如下几点： 瓣输入敷医变讫瓣旗应快。这可爱瘸熬从电路鲍工作原溅中分恚匿蹬来。 电源输入电压的变化必然引起电感电流斜率的交化。当电压升高时，电 濂增长变快，反之亦然。但只要电流脉冲达到了预定的幅值，电流控制 蘩就动佟，这就僳证了输出电压的稳定。然而程电压控制登中，检测电 路对输入电压的变化没有直接的反映，直要等到输出电压发生一定的 交仡嚣孬去谲节踩摔宽发，一般婺等5 - 1 0 个工壤属麓方耗臻瘦猿入毫 聪的变化。电压控制型开关电源经常会因输入电压的浪涌产生很大的尖 峰电滚嚣捷珐辜繁损嚣。然嚣龟浚控案l 型则可避免这类赦藩熬发生。 逐个检测电流脉冲的幅膦，自动平衡变服器中的磁通量。而电压型就很 鼹徽翌；这一点。 网路稳怒性好，负载响j 陂快。这蹩因为电感中嗽流脉冲的幅值与输出电 流的平均值成正比，所以电感的延迟作用就没有了。 肖鲁动隈流作用。篙豫了过流保护，电路的可靠健高。 对模块式冗余结构并联工作系统具有自动电流分褥己和均流功能。 当然，瞧滚燕餐鍪毽骞它夔歙点，魏睡惑蝰镶亳滚专输窭乎缝电滚蠢误差、 因电流上升率不够大而有可能导致抗干扰性能差簿。但这些缺点都可以通过采用 逡当熬掺鬟予以鼷决，瓣苓影璃其援势骢发挥。 p w md c 仍c 变换器通过调整占空比来稳意输出电聪，并改变输出功率， 假其开芙营的开美频率楚固定的。当变换器工作在缀高频率时，汗关管的王住损 耗成为变换器的童要损耗。在负载变轻，输出功率减小前情况下，由于歼关频率 阈定，开关损耗圈定，所以开关损耗在变换器的功率传输中所占的比_ 例升尚，导 致交换嚣静功率传输效率降低。 ， 。 为了解决这个问题，可以从两个方面入手。是降低开关管的开关损耗，一 楚簿低嚣关管懿蠢效工掺频率。 降低开关管的开关损耗，可以采用下节介绍的软开荒技术，降低开关管的有 效工穆频率可以纂薅频攀渭毒i 技寒( p f m ) 。 频率调制技术通过调整开关管的工中譬频率来控制输蹴电压，健由于蕊控制脉 冲的频率不固定，所以控制电路比较复杂，谐波蝤：较大旦不易实现抑制，所以没 裔得到广泛使爝。 覆南交运夫学蔽士磅究生学僚涂文第2 0 樊 跨周期调制技术以“溆宽定频”的拣制脉冲为纂础，通过改髓有效工作频举 米改变输出功率，而且其控制电路简单，是一种较好的调制方法。本论文将在下 一牵对萁王露骧建帮控裁魄露进行势褥凝窥。 2 2 软开关技术 藩凌p 躐交换篓率懿开关器释工手筝程嫒开关装态，硬并