（电工理论与新技术专业论文）基于dsp控制的pwm型开关电源的研究与开发.pdf

基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 s t u d y & d e v e l o p m e n to fp w mm o d es w i t c h i n gp o w e r s u p p l yb a s e d o nd s p a b s t r a c t 1 h e 删i t i 伽l a lt l i g l l v o l t a g ed cp o w e r - s 叩p l y ，砌c hu s u a 王i yc 髓b eg o tb yb o o s t 缸培 2 2 0 v5 0 h za cv o l t a g e 、v i 血仃a 璐f o r m 盯趾d 也醣g o i gt h r o u 曲r e c t i f i e rw i 血f i n e r ，h 勰b i g b 试ka n dw e i g h t ，l l i 业r i p p l ec o e f f i c i 锄to fo i 卸u tv o h a g e ，l a ws t a b i l 时a n de 街c i e n c y s t u d y 托dd c v e l o p n 嘲to fh i 曲- 舶q n c yh i 曲- v o l t 昌喀ed 的c tc i l r r e mp o w 昏s u p p l y ，w h i c hl l s e s s 埘t c l l i n gp o w e r - s u p p l yt e c h n o l o g yt 0d e s i 弘n 0 v e lh i g h 舭q u e n c yl l i g hv o l t a g es w i t c h i n g p o w e rs u p p l y 稍t hs m a l lb u l l 【a n dw e i g m ，h i 曲s 诅b i l 时a n de f i e n c y ，i sd i s c u s s e di n 也e p 印e r p r i m a r ) 7c o i r v e n e ri saf i l i l - 蜥趣ec o n v e r t e rc o n s m i c t e db yz y sp w md c 仍cw h i c h m a k e s 矗mu 驼o ft h et r 观咄腽嘟sl e a ki n d l 】c t a n t oc a r r yo u ts o 矗州t c h i n g 砸sp a p e r a l s o 匝a l y z e s 吐l e 也e o r ya n dt a c t i co f 廿l i sl 【i n do fc i r c u i t ，缸dp r e s e n t st 1 1 ec o r l c r e t ed e s i g n p 删e r ；s 曲m a t i o na i l de x p 渤e n t 啪v e f o m l h i g h v 0 1 锄r e 迅s i l 王a t i o ni si m p l e m e n t e d u s i i 培s e r i e so ft w o 缸a n s f 0 咖e r s ho r d e rt 0a c l l i e v ei d e a lo u t p u tv o l t a g e ，b i d i r e c t i 础 v o l 协g ed o u b l i n gr e c 雠e ri sa p p l i e di nt e 皿so fl l i 曲v o h a g ea n ds y s t e mg 讪i l 虹n l e c o l l _ 昀1 1 i n g c o r eo f 也ep o w 钉s u p p l ys y s t e mi sb a s e do nd i g i t a l s i 鲷a lp r o c e s s o r 1 m s 3 2 0 u 诧4 0 7t of h l f i l lz v sp w m d c d c 伽l b r i d g ec o r l v e r t o 脚u tv 0 1 t a g er e g u l a t i o n ， o v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n 姐do v e r c l l r r e n tp r o t e c t i o nw h i c hp r o t e c tt h es y s t e m 丘o mp o s s i b l e d e s t n 工c t i o n a l s o ，i ti se 船y ，o n eh 趾d ，f o rc u s t o m e r st ol l p d a t e 也ew h 0 1 es y s t e mt l l r o u g ht 1 1 e c o n 臼o la r i 也m e t i c ，吼d ，o nm eo t h e rh a n d 曲ec u s t o m e r sc a nc h o o s ed i f f 醯e n tf i l n c 虹o n si i l 1 i g h to ft 1 1 e i rd i 丘酾l tn e e d s 匕1 1 0i se m p l o ”dhd i i v i n gc i 嗽d tt od r i v em ei g b to f f l l l l - d g ec o n v e r 嘧m o d m ep o w 钉s u p p l yi su t i l i z e dt op r o d u c ed i 丘打e n td cv o l 协g e i n d u d i n g3 3 v ，1 8 v ，1 2 v ，1 5 vn e e d e db yd s pa n do t h e fi n t e g r a t i 甜c i r c u i tc h i p s 1 1 l i s p a p e ra l s om a l sa n 蛆a l y s i so nm ee l e c t r o m a g n e t i ci r i t e r f h e n c eo f 也ep o 、v e rs u p p l ya r l d t a _ k e ss o m en l e 褐u r e st or e d u c et l l i sk i n do f e l e c 缸d m a g n e d ci n 妇f e r e n c e t h ep o w e ro f 吐圮p o w 小s u p p l yi s2 0 0 w 1 ks w i t c h i n g 舭q u e n c yi s8 0k h z 0 呻幢o f d c1 1 i 曲一v o l t a g ep o 、w r s u p p l y 谢l i c hc a nb ec o n 的1 l e da i l da d j u s t e db yd s pi s1 0 k v 1 h c r i p p l ec o e 伍c i e n ti sn om o r e l a n0 5 t h ee 衔c i e n c yo f 吐l ep o w ”s u p p l ys y s t e mi sm o r e t l l a n8 5 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 ；d s p ；p h a s es h i f tf u u - b r i d g ec o v e r t e r ；e m c 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：娣汹。 日期：笆丛：i ：至至 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 举碰纽一 至驽坌 诬五年扛月j 重 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 本章首先介绍了高压直流电源的基本原理和应用领域，然后重点概述了高压电源的 发展现状和发展趋势，最后论述了本文的选题思想和主要的研究内容。 1 1 高压直流电源概况 传统的高压直流电源通常用于工频交流电源经升压、直流滤波而获得直流高压的。 直流高压电源的接线方式很多，有半波整流电路，桥式、全波、倍压、多相整流电路及 串级电路等。半波整流电路是最简单的一种，其接法如图1 ll 。图中t i 为调压器，t 2 为 高压变压器。d 为整流硅堆，c 为滤波电容。 r lr 1 ”n _ 。_ - _ - - _ _ _ _ ， 圈1 1 年滚整i 隘路囝 f 地1 1m k 璩啊聃舶棚m 贰i 觚 半波整流电路优点是接线简单，缺点是所用设备、元件的电压较高，体积、重量和 占地面积大，一般只作为实验室内使用。桥式、全波、倍压整流电路等电路较半波整流 纹波小，但在体积、重量的小型化方面，优越性不太明显。容量较大，要求纹波较小的 直流电源还可采用三相或多相交流电源经整流滤波后而获得。高电压、小电流的直流电 源通常用串级直流电路。 u 2 u n j u ! 图1 2 串级直流电路原理图 f j g 1 2t h es c h e m a t i co f t l l ec 船c a 【d ec i r c u i t 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 串级直流电路接线见图1 2 。它采用多个电压较低的电容器( c 。、c 。、c 。、c 。) 和整 流硅堆( v mv 0 2 、v 。v d ) 形成多级的串联电路获得直流高压，变压器t 的电压也较低， 其高压绕组还可一点接地。这种电路可大为减小试验电源的体积、重量，电路简单，过 载能力强，故障率低，但由于是工频倍压，一般无闭环反馈，因而稳定度差。 高压直流电源有着广泛的应用领域，主要的应用领域有：电除尘器、介质阻挡放电； 电力系统中广泛地应用于高压电气设备的直流耐压和泄漏试验，如电力系统避雷器、电 力电缆、变压器绕组及发电机的现场试验；工业中通过放电用于环保的静电除尘、污水 处理、激光器等；医学方面用于x 光机、c t 等大型设备；科研上用于高能物理、等离子 体物理；军事上雷达发射器、脉冲点火技术等。 图1 3 新型电力电子元器件产生高压直流电源原理框图 f i g 1 3t h eb l o c kd i a 鲜吼o f d ct i i g h - v o l t a g eu s i l l gn e wp o w e re l e c 廿m d c sd e v i c e s 随着电力电子技术及开关器件的发展，如新理论、新技术的指导，新器件、新材料 的进步以及控制的智能化等等，开关电源技术已广泛地应用于高压直流电源技术中。利 用开关电源技术产生比工频高上千倍频率的方波或正弦波可以大大减小高压电源的体 积和重量，这是高压直流电源的重要发展趋势。 用电力电子器件产生直流高压的方框图见图1 3 ，交流电源经整流单元1 整流、滤 波后，变成低压直流，再经过逆变单元2 逆变成高频方波电压，然后经高频高压变压器 和串级直流倍压单元3 将电压升高到直流高压，反馈单元6 将输出的高压信号反馈到控 制单元5 ，控制单元5 触发逆变单元2 电路中开关管的导通，只要通过调整控制单元5 的触发预置电压，就可调节直流高压的输出电压。单元4 是触发单元5 的辅助电源。 采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小、重量轻、控制精度、稳定度高、纹 波系数低、保护速度快等优点，因此它必然在高压直流电源中有更广泛的应用。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 高压开关电源的发展趋势 在国外，从7 0 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后 逆变为3 k h z 左右的中频，然后升压，美国g e 公司生产的a m x _ 2 移动式x 线机把蓄电池 供给的直流电逆变成5 0 0 h z 的中频方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。进入8 0 年代，高压开关电源技术迅速发展，德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将 电源的开关频率提高副2 0 k h z 以上。并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源， 取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。近十年来，随着电力电子技 术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提 高：如p h i l i p s 公司3 0 k w 以下移动式x 光机的x 线发生装置频率达3 0 z 以上，德国 的霍夫曼公司高压发生器频率高达4 0 l ( h z 。9 8 年以后通用电气公司和瓦里安公司都研制 成功1 0 0 k z x 线机发生器。另外，高压开关电源的功率也在不断地提高，1 0 3 0 k w 的大 功率高压开关电源在产品上已很成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展，如： 用于雷达发射机的1 4 0 k w 高压开关电源( 俄罗斯) ；用于脉冲功率技术中的3 0 0 k w 大功 率僵流充电电源( 美国e e v 公司) 等等。电力电子器件和控制技术的发展使得更高频成 为可能，出现了各种软开关电源。微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新 的思路，由最初的分立元件发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出 现，都为高频电源的控制技术带来了极大的便利。近年来，t i 、m o r r o r o l a 、a d i 等公司 相继推出了适用于开关电源使用的d s p 芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越。 从以上的介绍我们不难看出，高压开关电源的发展的主要趋势是： 1 ) 频率不断提高； 2 ) 功率不断提高； 综上所述，6 0 年代开关电源出现开始，8 0 年代开始软开关技术，9 0 年代开始用d s p 进行控制开关电源出现。开关电源经历了由高频到更高频，由模拟控制到数字控制的过 程。 我国自8 0 年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分别列入了 “七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目( 8 5 8 0 5 一0 1 ) ， 2 0 0 k v 高压直流开关电源的研制，输出功率达2 0 k w ；国家自然基金资助项目( 6 9 8 7 l 0 0 2 ) 产生高浓度臭氧用2 0 k h z 高压逆变电源的研制，电源的转换效率 8 0 9 6 ，输出功率最高达 2 0 k w ，电源体积降至原体积1 5 ，臭氧发生器体积降为原来1 6 ，0 。体积质量最高可达 2 5 0 9 m 3 ，还减少了原材料消耗：静电除尘高压直流电源也实现了高频化，采用全桥零电 流开关串联谐振逆变电路将直流高压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 流为直流高压，在电阻负载条件下，输出直流电压达到5 5 k v ，电流达到1 5 l i l a ，工作频 率为2 5 6 k h z 。在我国开关电源的控制领域，人们广泛采用t l 4 9 4 、u c 3 8 7 5 d 等专用电源 集成芯片来产生p 删驱动逆变电路的开关管，但是，随着d s p 芯片的问世，尤其d s p 算法的快速发展，使得开关电源的控制技术朝着全数字化、智能化和网络化的方向发展， 对电力电子技术的发展起到了巨大的推动作用。 总之，我国高压开关电源技术已取得了很大的进步，但同国外相比还有很大的差距， 特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。 1 3 论文的选题思想及主要研究工作 1 3 1 论文的选题思想 电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整 管工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是交换效率低，一般只有3 5 6 0 ；开 关稳压电源的调整管工作在开关状态，开关频率可以大幅度地提高，主要的优越性就是 变换效率高，可达7 0 9 5 。综合前面的分析，我们知道传统的大中功率电源大多是线 性稳压电源，采用工频变压器直接升压，虽然电路比较简单，但是频率低，体积、重量大， 且纹波、稳定性均难以令人满意。随着现代电力电子技术和和新型电力电子器件如 m o s f e t 、i g b t 的迅速发展，使高压电源高频化得以顺利实现，从而大大降低了电源的体 积和重量。本文根据设计的要求，电源的开关频率达到8 0 k h z ，电源效率达到8 5 以上。 按照d c d c 变换器中开关管的开关方式分类，d c d c 变换器可分为硬开关和软开关 两种。硬开关方式是指d c d c 变换器的开关管在承受电压、流过电流的情况下接通或断 开，因此在开通或关段过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗。在硬开关方式下， 当d c d c 变换器工作状态一定时，开关管的开通和关断损耗也是一定的，因此开关频率 越高，开关损耗越大，这是制约着开关电源进一步高频化的关键因素。8 0 年代迅速发展 起来的谐振开关( 又称“软开关”) 技术为解决降低器件的开关损耗和提高开关频率找 到了有效的方法，引起了电力电子技术领域和工业界同行的极大兴趣和普遍的重视。它 采用软开关直流变换器，开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零 电压开关( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，z v s ) ，或是通过器件的电流为零，即零电流开 关( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ，z c s ) 。这种谐振开关技术可以使器件的开关损耗和开 关过程中激起的振荡大为减小，原理上讲，它可以使器件的开关损耗降低到零，因而频 率的提高不受限制。先后有人提出了谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 、准谐振变 换器( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 和多谐振变换器( m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 、 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 零电压开关p w m 变换器( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n gp 嘲c o n v e r t e r s ) 和零电流开关p w m 变换器( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n gp 1 】mc o n v e r t e r s ) ，零电压转换p 删变换器 ( z e r o v o l t a g e t r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r s ) 和零电流转换p w m 交换器 ( z e r o c u r r e n t t r a n s iti o np w mc o n v e r t e r s )。 现有的电源广泛采用t l 4 9 4 、u c 3 8 7 5 等专用电源芯片来驱动开关管，特定的电源芯 片本身不可编程，可控性较差，难以扩展，不易升级和维修，同时电源芯片为模拟型芯 片，具有模拟电路难以克服的由温漂和老化所引起的误差，无法保证系统始终具有的高 精度和可靠性。本文采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片设计了一种新的智能型高 频高压开关电源，对电源主电路实现了全数字控制，输出电压设置定点可调，提高了输 出电压的精度和稳定度。控制算法通过软件编程实现使得系统升级方便，也便于用户根 据各自的需要灵活地选择不同的控制功能。使用d s p 为核心对整个电源系统进行控制， 使得高压直流电源具有较好的可控性，并且易升级，易维修。 综上所述，本课题的理论意义有： 1 ) d s p 技术及其在开关电源的应用； 2 ) 电源的高频化，使得整个电源的体积和重量大大减少； 3 ) 使用了p 删技术和软开关技术，实现了z v sd c d cp 1 v m 移相全桥控制，提高了 波形的精度、稳定性和电源效率，并且可以使纹波系数很小； 4 ) 使用了d s p 对整个电源系统进行了控制，使电源具有较好的可控性，且易升级，易 维修： 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 1 3 2 论文的主要研究工作 本文预期设计出一台高压高频直流开关电源，电源的具体指标为 1 ) 输入电压：2 2 0 v a c 2 0 ； 2 ) 输入频率：5 0 h z 士1 0 9 6 ； 3 ) 输出电压：额定赢流电压1 0 k v ； 4 ) 输出电流：额定电流1 0 i n a ； 5 ) 转换效率：8 5 ； 6 ) 开关频率：8 0 k h z ； 7 ) 纹波系数：s 0 5 ： 8 ) 输出电压精度：茎o 1 ； 9 ) 输出电流精度：s 土0 1 ； 论文的主要研究工作包括： 1 ) 以单个d s p 为控制核心，集中实现z v sp 州移相全桥逆变； 2 ) 高频软开关技术及主电路结构的参数优化问题； 3 ) 高压电源的调压及稳压问题； 4 ) 装置内部以及装置同外界的电磁兼容( e m c ) 问题及高压绝缘问题 5 ) 对电源电路电压、电流的检测，使电源具有过压、过流保护功能； 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 开关电源的原理、拓扑结构及控制方案设计 2 1 开关电源的原理 高频开关电源是将交流输入( 单相或三相) 电压变成所需的直流电压的装置。基本的 隔离式高频开关电源的原理框图如图2 1 频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流 滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。 其基本原理是：交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压，过高频变换器将 直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压， 最后经过输出整流滤波电路，将交换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质 量、高品质的直流电压。 i 一一- - 一i 图21 开关电源基本原理框图 f i g 2 1t h eb l o c kd i a g 姗o fs w i t c h i l l gp o w e rs u p p l y 也e o r y 下面就图2 1 的每一部分的作用、原理分别筒述如下： 1 ) 输入电网滤波器：消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与 关断，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染 电网。 2 ) 输入整流滤波器：将电网输入的交流电进行整流滤波为变换器提供波纹 较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量尚能使开关电源输 出维持一定的时间。 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 3 ) 高频开关变换器( d c a c ) ：它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高 频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。 4 ) 输出整流滤波：将交换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还 防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。 5 ) 控制电路：检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输 出的脉冲宽度，从而控制交换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁 止电路。 6 ) 保护电路：在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止 工作以保护负载和开关电源本身，有的还有发出报警信号的功能。 7 ) 辅助电源：整个电源电路设计要用到一些芯片，而这些芯片都需要单独供电，也 既是为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源以保证它们工作稳定可 靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。 输入整流滤波 a c d c a c 变羧 高频变压 枞洲 输出整流滤波 - + d c 图2 2 高频开关电源波形变化 f 培2 2t h ew g v e f 0 衄c h a n g e so f h j 曲缸q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 以全桥式变换器高频开关电源为例，图2 2 表示了交流输入电压到最后输出所需直 流电压的各环节电压波形交换流程。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 直流开关电源的拓扑结构 在高频开关电源中，高频开关变换器是核心部分，围绕开关变换器将会有很多的控 制和保护电路，变换器的种类的选取将会影响整个功率器件耐压程度等很多参数，也会 对系统的其它各部分产生相应的影响，所以，高频开关变换器的设计是很重要的一个环 节，我们在后面的章节将会对它进行详细地分析和介绍。 按电力电子技术的习惯称谓，a c d c 称为整流，包括整流及离线式变换，输出质量 较高的直流电。d c a c 称为逆变，a c a c 称为交交变频( 包括变压) ，d c d c 称为直 流直流变换。所以，广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变 成另一种形态的主电路叫作开关变换器电路。转交时用自动控制闭环稳定输出并有保护 环节则称开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 。开关电源的主要部分是d c d c 变换器， 它是转换的核心，涉及频率变换。值得指出，常见到离线式开关变换器( o f f l i n e s w i t c h i n gc o n v e r t e r ) 名称，是a c d c 变换，也常称开关整流器，它不单是整流的意义， 而巨整流后又作了d c d c 变换，离线是指交换器中有高频变压器隔离。 无论是直流开关电源还是交流开关电源，电源拓扑结构的合理选择非常关键。由于 本课题属于直流变换器的范畴，因此，有必要清楚直流变换器的分类，也就是d c d c 变换器的分类。 直流变换器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离的称为不隔 离的直流变换器；有电气隔离的称为隔离的直流变换器。 不隔离的直流变换器按所用的有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四管三类。 单管的直流变换器有六种，即降压式( b u c k ) 变换器、升压式( b o o s t ) 变换器、升降 压式( b u c k b o o s t ) 变换器、c u k 变换器、z e t a 变换器和s e p i c 变换器等。这六种单管 变换器中降压式和升压式是最基础的，另外四种是派生的。双管直流变换器有双管串接 的升降压式( b u c k b o o s t ) 。全桥直流变换器( f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r ) 是最常用的 四管直流变换器。 有隔离的直流变换器也可按所用的开关器件的数量分类。单管的有正激式 ( f o r w a r d ) 和反激式( f 1 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 rf o r w a r d c o n v e r t e r ) 、双管反激( d o u b l et r a n s i s t o rf l y b a c kc o n v e r t e r ) 、推挽式( p u s h p u l l c o n v e r t e r ) 和半桥( h a l f - b r i d g e ) 四种。四管直流变换器就是全桥直流变换器 ( f u l 卜b r i d g e ) 。有隔离的直流变换器通常采用变压器实现输入和输出之间的电气隔 离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围和便于实现多路不同电 压或多路输出的目的。因为本电源主电路就是采用的有隔离的直流变换器拓扑结构，所 阻下面就详细介绍一下以上几种直流变换器。 9 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 1 ) 反激型开关电源变换器：如图2 3 所示为反激型开关电源变换器的主回路，当功 率晶体管t 导通时，高频变压器的原边电压等于输入电源电压u ，其极性为上正 下负与之对应的高频变压器副边电压为上负下正，此时整流二极管d 承受的是反 向偏置电压，故不导通。负载r l 上的电流是靠输出电容c 。的放电电流来提供， 此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来，而在晶体管受控截止时，高频变压 器原、副边电压极性改变。整流二极管d ( 和反相型开关电源中的续流二极管相对 应) 由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能变为电能，通过整流二 极管向负载供电和向输出电容c 。充电。此电路的整流二极管d 是在功率晶体管截 止时才导通的。故称此电路为反激型电路。 d 3 单端反激型开关电源回路 p o w e rs 叩p l y1 0 0 po f s i l l 出e 订锄s i s t o rn y b k d 1 l v o 图2 4 单端正激型开关电源回路 f i 9 2 41 1 1 e 刚t c i l i n gp o w 盯s u p p l yl o 叩o f s i n g l e 拉弛s i s t o rf b r w a r d 大连理工大学硕士学位论文 2 ) 正激型开关电源变换器：图2 4 所示为正激型开关电源的主回路。当功率晶体管 t 导通时，整流二极管d 1 也同时导通。输入电能通过整流二极管d l 传递给负载， 同时将部分能量储存在输出回路( 即高频变压器副边回路) 中的储能电感l 中，故 这种开关电源称为单端正激型开关电源。当功率晶体管t 截止时，电感l 中的储 能流经负载并通过二极管d 2 续流释放。 3 ) 多管型开关电源变换器：多管型开关电源变换器主要有：推挽、半桥和全桥三种。 如图2 5 。2 6 和2 7 所示： t | v t 2 j 图2 5 推挽式开关电源回路 f i g 2 5t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y1 0 0 po f p u s h _ p u l lm o d e 图2 6 半桥式开关电源回路 f i g _ 2 6n es w i l c l l i n gp o w e rs u p p l y1 0 0 po f h a l f _ 蜥d g em o d e 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 图2 7 全桥式开关电源回路 f i g 2 7t h es w j t c h i i l gp o 聃r e rs u p p l yl o o po f f i l l l - b r i d g en 1 0 d e 因为本电源所采用的就是全桥变换器的拓扑结构，所以下面将详细介绍全桥变换器 的基本电路和工作原理。 在中大功率场合下，众多d c d c 变换器拓扑中，首选全桥变换器，。因为在功率开 关管电压和电流额定相同时，变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故全 桥变换器的输出功率大。全桥变换器由匹个功率开关管构成，主变压器只需要一个原边 绕组，通过正、反向的电压得到正反向磁通，变压器铁芯和绕组得到最佳利用，使效率 和功率密度得到提高。全桥变换器具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压 器效率高等优点，所以在实际中获得了广泛的应用。 全桥式开关电源变换器的原理图如图2 7 所示，v t l ，v t 4 与v t 2 ，v t 3 由基极激励驱 动而轮流通断，从而将直流电压v i 变换成高频矩形波交流电压，然后通过d l ，d 2 整流， l ，c 2 滤波后给负载提供稳定的直流电压。四个功率开关管组成桥的四臂，桥的一对交 点输入直流电压，另一对交点接高频变压器原边绕组。v t l 和v t 4 由一组开关信号驱动， v t l 和v t 4 导通时电流方向对原边绕组是由上向下。过半个周期，v t l 和v t 4 截止，v t 2 和v t 3 在另一组驱动信号下导通，导通电流由电源v i 正端经v t 3 ，原边绕组由下向上， v t 2 流向电源负端。两对开关管是轮流导通，导通时绕组电压近似等于v i 。每只开关管 均为并联一只高速功率二极管，其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器 产生的电压尖峰，以保护开关管不被击穿。 在图2 7 所示的电路中，直流电压v i 施加在v t l ，v t 2 ，v t 3 ，v t 4 四只开关管组成 的两个桥臂上，通过控制开关管的通断顺序以及通断时间，在变压器t 的原边得到按某 大连理工大学硕士学位论文 一占空比d 变化的正负半周对称的交流方波电压。如果变压器的变比为n ，则交流方波 电压经过高频变压器( 升压或降压) 后，在变压器的副边对应得到一个幅值为u i n 的 交流方波电压，交流方波电压u i n 再通过输出整流桥变化为直流脉动方波电压，最后 通过输出滤波电感l 和电容c 2 将这个直流方波电压中的高频分量滤去，在输出端c 2 两端得到一个平直的直流电压，其电压值为u o = d u i n ，其中d = 攀为占空比。通过调 o 节占空比就可以方便地调节输出电压。 全桥式变换器的优点是：主变压器原边绕组比推挽式少了一半，变压器利用率提高、 开关管可用低耐压( 如4 0 0 v ) 、大电流的功率管输出功率大。 2 3 开关电源软开关技术的发展及分类 目前开关电源普遍采用脉宽调制技术，在这种变换方式中，开关器件在高电压、大 电流下导通关断，如图2 8 是开关管开关时的电压和电流波形。由于开关管不是理想器 件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也 不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠 区产生损耗，我们称之为开通损耗( t u r n o nl o s s ) 。当开关管关断时，开关管的电压 不是立即从军上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到 零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，我们 称之为关断损耗( t u r n o f fl o s s ) 。因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断 损耗，统称为开关损耗( s 们t c h i n gl o s s ) 。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的 开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关 损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而 限制了变换器的小型化和轻量化。同时由于受到开关器件寄生电容和变压器漏感的影 响，开关器件承受了较大的d u d t 和d i d t ，工作中产生较强的电磁干扰。为解决此问 题，国际上开始研究软开关技术，即开关器件的导通与关断都在零电流或零电压下进行， 减小了开关器件的损耗及电磁干扰，提高了开关电源的频率及功率水平。 另外，只要传统p i y m 变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作有开通和关 断损耗大、感性关断问题、容性开通问题及= 极管反向- 陕复等四大缺陷，妨碍了开关器 件工作频率的提高。克服以上缺陷的有效办法就是采用软开关技术。最理想的软开通过 程：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。另外，因器件 开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问题，这意味着 二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题亦不复存在。最理想的 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 软关断过程：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于 器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。 0 p 妇 o 图2 8 开关管硬开关时的电压电流波形 f i g 2 8w a v e f b n n so f v o l t a g e 姐dc u 蜘ti i lh 甜ds w i t c h i n gm o d e f 由此可见，软开关技术可以解决硬开关p 删变换器的开关损耗问题、容性开通问题、 感性关断问题、= 极管反向恢复问题，大大提高了开关器件的工作频率。同时也能解决 由硬开关引起的e m i 问题。 变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整形，最早 的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电 路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至 会使效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开 关损耗，不是开关损耗的转移。 直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类： 全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器。谐振变换器利用谐振现象，开关器件中的 电流可以减小到零以后而实现开关器件的关断，这种变换器电路克服了脉宽调制型功率开 关管开关损耗随开关频率成正比提高的缺点，能使开关损耗减小，工作频率提高，为高压 大功率开关电源的高频化实现提供了可能。该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照 大连理工大学硕士学位论文 谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。按负载与谐振电路的 连接关系，谐振变换器可分为两类：一类是负载与谐振回路相串连，称为串联负载谐振变 换器；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐 振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器与负载关系很大，对负载的变化 很敏感，一般采用频率调制方法。 准谐振变换器( q u a s i 啪s o n a mc 伽v e r t 懿，q r c s ) 和多谐振变换器o 江u m 啪s o n 距c c o n v 盯t e r s ，m r c s ) 。这是软开关技术的一次飞跃，这类交换器的特点是谐振元件参与能量变 换的某一阶段，不是全程参与。在变换器的开关管中加入一个谐振电感k 和个谐振电容 c r 构成谐振开关( r e s o n a mg w i 纰) ，根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同组合，谐振开 关可分为零电流谐振开关( z 嘲闲盯e m 陀s a mg 丽曲) 和零电压谐振开关( z e r 洲旧n a g e r e s o n a ms w i c c h ) 。根据谐振开关的用途，准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器和零 电压开关准谐振变换器。多谐振变换器是为了同时实现功率开关管和二极管的软开关而发 展起来的一种新型软开关技术，可以降低二极管的开关损耗和开关管的电压应力，进一步 提高效率。一般应用零电压多谐振变换器，因为它可以直接利用开关管和二极管的结电容， 形成零电压谐振开关。q r c s 和m r c s 由于实现了开关管的软开关，可以将开关频率提高到 几m 甚至几十m 。但是由于它们的开关频率是变化的，很难优化设计滤波器，而且电 压和电流应力很大，因此一般应用在小功率、低电压、而且对体积和重量要求十分严格的 场合，比如宇航电源和程控交换机的d c 电源模块。 零开关p w m 变换器。它可分为零电压开关p 1 i y m 变换器和零电流开关p w m 变换器。该 类变换器是在准谐振变换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过 程，实现恒定频率控制，即实现p 删控制。与准谐振变换器不同的是，谐振元件的谐振 工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1 1 0 至1 5 。 零转换p 雕变换器。谐振变换器( 包括准谐振和多谐振变换器) 的谐振电感和谐振 电容一直参与能量传递，而且它们的电压和电流应力很大。而零开关p 删交换器中，虽 然谐振元件不是一直谐振工作，但谐振电感却串联在主功率回路中，它的损耗较大，同 时，开关管和谐振元件的电压应力和电流应力与准谐振变换器的完全相同，为此提出了 零转换p 删变换器。它可分为零电压转换p 1 v m 变换器和零电流转换p 1 i y m 变换器。这类变 换器是软开关技术的又飞跃。他的特点是变换器工作在p w m 方式下，辅助谐振电路只 是在主开关管开关时工作一段间实现开关管的软开关，其他时候不工作，从而减小了辅 助电路的损耗，而且辅助电路并联在主功率回路中，辅助电路的工作不会增加主开关管 的电压和电流应力，主开关管的电压和电流应力很小。 基于d s p 控制的p w m 型开关电源的研究与开发 直流开关电源的软开关技术中，还有无源无损软开关技术，即不附加有器件，只是 采用电感、电容和二极管来构成无损缓冲网络。 2 4 移相控制z v sp w md c d c 全桥变换器 2 4 1 变换器的控制方式 控制电路是高频开关电源的很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证。开关电源 的控制方式基本上都采用时间比率控制( t r c ) 方式。这种方式又大致分为三大类： 1 ) 宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 简称p 删) 方式。它用调整脉冲宽度和控制占 空比的方法来达到输出电压的稳定。 2 ) 脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n 即p f m ) 方式，它采用脉冲频率来改 变脉冲占空比来控制输出电压的稳定。 3 ) 混合调制方式，即