（电力电子与电力传动专业论文）双端反激式软开关dcdc变换器.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nd c d cc o n v e n e r a p p l i c a t i o n s ，t h en y b a c kt o p o l o g yh a sb e e na t t r a c t i v eb e c a u s eo fi t s r e l a t i v es i m p l i c i t yw h e n c o m p a r e dw i t ho t h e rt o p o l o g i e su s e di nl o wp o w e r t h ef l y b a c k “t r a n s f o r m e r s e r v e sa sd u a l p u r p o s e o fp r o v i d i n g e n e r g ys t o r a g e a sw e l la sc o n v e r t e r i s o l a t i o n c o n v e n t i o n a lh a r d - s w i s h e d f l y b a c kc o n v e n e r s s u f f e rf r o mt h ep r o b l e m so f h i g hc u r r e n t a n dv o l t a g es t r e s so nt h es w i t c h i n gd e v i c e s h i g hp e a ka n dr m sc u r r e n ts t r e s si sap a r t i c u l a r p r o b l e m f o rf l y b a c k sw h e n o p e r a t i n gi nd i s c o n t i n u o u sm o d e ( d c m ) a n d i si nf a c tad e t r i m e n t t oi n c r e a s i n go u t p u tp o w e r a na d d i t i o n ，h i g ht u r n o f fv o l t a g ei sc a u s e db yt h et r a n s f o r m e r l e a k a g ei n d u c t a r l c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h et r a n s f o r m e ro ff l y b a c kc o n v e n e ri su n i d i r e c t i o n a l m a g n e t i z e d ，s o t h e e f f i c i e n c yo f t r a n s f o r m e r i sl o w i nt h i sp a p e r ，f o u rt y p e s o f s o f t s w i t c h i n gc i r c u i t sf o rf l y b a c kc o n v e n e r a r ed i s c u s s e da n d t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h e nan o v e lt o p o l o g yo f b i d i r e c t i o n a lm a g n e t i z e dn ) , b a c kc o n v e r t e ri sp r e s e n t e d t h ec o n v e r t e rh a st h ea d v a n t a g e so f a l l s w i t c h i n gd e v i c e sa c h i e v e ds o f t - s w i t c h i n ga n db i d i r e c t i o n a lm a g n e t i z e dc u r r e n ti n t h e t r a n s f o r m e r t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so ft h en e wc i r c u i ta r ea n a l y z e d ，t h er e q u i r e m e n t so f r e a l i z i n g z v sa r ed i s c u s s e d t h e nt h ed e s i g np r o c e d u r e so fm a i nc i r c u i ta n dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m b a s e d0 1 1d s pa r ed e v e l o p e d t h e p a r a m e t e r s o fm a i nc i r c u i ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa 托g i v e n s m a l l s i g n a lm o d e lo f t h en e w t o p o l o g yw h e no p e r a i i n gi nc o n t i n u o u sm o d e i so b t a i n e d b yu s i n gs t a t e s p a c ea v e r a g i n g t h i sm o d e li su s e dt oa n a l y z es t a b i l i t yo f t h en e wc o n v e r t e r t h e np ir e g u l a t o ri sd e s i g n e d o nt h eb a s i so f t h e o r ya n a l y s i s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e t h e ng i v e nf o rap r o t o t y p ec i r c u i ti l l u s t r a t i n gt h es o f t - s w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di m p r o v e d e f f i c i e n c y o f t h ec o n v e n e r k e y w o r d s ： d c d cc o n v e r t e r s o f t - s w i t c h i n gn y b a c ks m a l l s i g n a lm o d e l l l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 电力电子技术的概况1 】 2 ) 电力电子技术是电工技术的分支之一。应用电力电子器件和以计算机为代表的控 制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和变换，是电力电子技术的主要内容。可 以认为，电力电子包括下面三大部分： 元器件( 电力电子器件，磁元件及电容器) 。 电力电子变流技术，包括改变频率、电压、电流及变换相数。 控制技术、微电子与电力电子两种技术结合，实现智能控制。 现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机( 微处理器) 技术 和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键 作用，是现代电力电子技术的具体应用。 当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着 应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力 电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。 现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子 学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五 十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变 频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初 期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 为代表的、集高频、高压和大电流于一身的 功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 1 1 电力电子器件的发展概况口1 电力电子学诞生以后，人们常把相对应的半导体学科分为两个分支：一个是以集 成电路为核心的微电子学；另一个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前 者单元器件的功率越来越小；后者单元器件的功率越来越大。 电力电子器件，既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。 近年来，随着应用领域的不断扩大，要求集成电路功率化，功率器件集成化，这又把 半导体学科的两个分支有机地结合起来，于是就出现了功率集成电路( p o w e ri c ) 简 称p i c ，它使微电子技术和电力电子技术相辅相成，把“信息”与“功率”合为一 体。可以说电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的。下面概略介绍 国内外先进的电力电子器件的发展动向和目前水平。 ( 1 ) 双极功率晶体管 最近几年来，双极功率晶体管的发展主要集中在高速开关反相应用器件方面。由 于双扩散工艺的成熟。使器件的电压、电流、功率等额定值达到很高水平并已经出现 华中科技大学硕士学位论文 了许多具有较快开关速度和较低开关损耗的新器件。随着模块化技术的进步，巨型晶 体管( g i a n tt r a n s i s t o r ) 简称g t r ，已经向高耐压、大容量方向发展。 双极功率晶体管应用的主要局限性是随着阻断电压的增加，器件增益降低。由于 双极功率晶体管是电流控制器件，增益减小导致了控制信号的增加，这就需要分立电 路来实现，从而增加了成本。另外由于受安全工作区的限制，双极功率晶体管的应用 需要缓冲电路，这也会提高应用中的系统成本。 总之，目前双极功率晶体管器件发展的主要目标仍是高速晶体管、达林顿晶体 管、功率模块以及混合集成器件的制造。 ( 2 ) 晶闸管与可关断晶闸管( g t o ) 自从1 9 5 7 年晶闸管问世以来，其功率容量大约增加了3 0 0 0 倍。今后的发展方向 仍是高压、大电流。目前最高科研水平为1 0 0 0 a ，1 2 0 0 0 v 。光触发晶闸管的稳定生产 水平已经是4 0 0 0 a ，8 0 0 0 v ，丽且具有过压自保护功能。它在直流输电、无功补偿、大 功率直流电源、超大功率和高压变频调速等方面仍有广阔的应用领域。 g t o 近年来在牵引、高压、大容量调速、无功补偿等方面获得广泛使用。1 9 9 5 年 日本三菱公司已经研制出8 0 0 0 v ，8 0 0 0 a 的g t 0 。 g t o 因为利用了电导调制效应，在关断后有拖尾电流流过。这样，关断损耗将成 为限制其高压下应用的一个主要原因。与晶闸管相比，g t o 具有快的关断速度，高的 关断电流容量和大的关断安全工作区。它代表了晶闸管的发展方向。 ( 3 ) 功率m o s f e t 功率场效应晶体管集中了电子管、双极功率晶体管和晶闸管等优点，它具有开关 速度快、驱动功率小和极好的安全工作区( s o a ) 等特性，因此，在高性能的丌关电 源、斩波器和电机控制的逆变电源中得到越来越广泛的应用。它的特点如下： m o s f e t 是多数载流子器件。不存在少数载流子的存贮效应，开关速度极快，目 前i c 直接驱动的功率m o s f e t 的开关频率均高于1 0 0 k h z 。在l m h z 左右高频工作下 的d c d c 转换器已经问世。 m o s f e t 的输入阻抗极高，约在1 0 9 q 以上，是一种理想的电压控制器件，其驱 动电路也比双极晶体管的简单。 m o s f e t 的导通电阻具有正的温度系数，即漏极电流具有负温度系数，无二次击 穿现象。安全工作区很宽。正因为其导通电阻具有正温度系数，因此可以将它并联工 作。 ( 4 ) 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) i g b t 的主要特点是能集m o s f e t 的电压激励和达林顿管的大电流低导通电阻特 性于一体，还保存了高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流，对温度不敏感等 m o s f e t 所拥有的一切优点。用相同面积芯片制作的i g b t ，其最大输出电流可比同类 华中科技大学硕士学位论文 m o s f e t 的输出电流增加两倍以上。 i g b t 有一个固有的特点，即其开关输出脉冲后沿有约l 埘长的拖尾电流。此电流 会产生一定的开关损耗。 ( 5 ) 静电感应晶体管( s i t ) 与静电感应晶闸管( s i t h ) 静电感应晶体管( s i t ) 与静电感应晶闸管( s i t h ) 分别于7 0 年代初期及中期在 日本研制成功，现已应用于许多领域。 功率s i t 是具有非饱和输出特性的多子器件，可实现极高速工作：由于它具有正 温度特性，能实现多个s i t 并联工作，容易实现大电流化。 s i t h 与普通晶闸管和g t o 相比，有低正向压降、高开关速度、高阻断增益、高 导通和高关断电流增益，以及高幽出和驯讲容量等优良特性。与s i t 相比，导通电压 较低，但开关速度也低于s i t 。它在大容量应用方面很有前途。 总之，今后电力电子器件将沿着一下几个方向发展：大容量化，即高压、大电 流：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，使装簧更为简化。 1 1 2 电力电子变换的基本原理【2 1 用电设备将电能转变为光能、热能、化学能和机械能。光、热、化学反应和机械 能的调节和控制，可以通过改变通用设备电源电压的大小或频率方便地实现。 电源可分为两类：一是直流电，其频率，= 0 ；二是交流电，其频率，0 。电力 变换包括电压( 电流) 地大小、波形及频率地变换。因此电力变换可划分为五类基本 变换，相应地有五种电力变换电路或电力变换器。 ( 1 ) 整流：实现a c d c 变换； a c d c 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负 载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。a c d c 变换按电路的 接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按 电路工作象限又可分为象限、二象限、三象限、四象限。 ( 2 ) 逆变；实现d c a c 变换； 逆变就是实现直流一交流的功率变换，如不闯断电源( u p s ) 系统，平时利用充 电式电池储存电能，一但交流电源中断，便可以把储存在电池中的直流电力转换成交 流电，来来维持正常供电。 ( 3 ) 变频 实现a c a c ( a c d c a c ) 变换； 变频器电源主要用于交流电机的变频调速。其在电气传动系统中占据的地位日趋 重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流直流交流方案。工频电 源通过接流器变成固定的直流电压，然后山大功率晶体管或i g b t 组成的p w m 高频变 华中科技大学硕士学位论文 换器，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波， 用于驱动交流异步电动机实现无级调速。 ( 4 ) 靳波：实现d c d c ( a c d c d c ) 变换： d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压。当今软开关技术使得 d c d c 发生了质的飞跃，美国v i c o r 公司设计制造的多种e c i 软开关d c d c 变换器，其 最大输出功率有3 0 0 w 、6 0 0 w 、8 0 0 w 等，相应的功率密度为( 6 、2 、1 0 、1 7 ) w c m 3 ，效率为( 8 0 - 9 0 ) 。日本n e m i c l a m b d a 公司最新推出的一种采用软开关技术 的高频开关电源模块脚系列，其开关频率为( 2 0 0 3 0 0 ) k h z ，功率密度已达到2 7 w c m 3 ，采用同步整流器( m o s f e t 代替肖特基二极管) ，使整个电路效率提高到 9 0 。 ( 5 ) 静止式固态断路器：实现无触点的开关、断路器的功能，控制电能的通断。 t 1 3 电力电子控制技术的发展c l 】 以往电力电子变流装置采用p i d 模拟控制，其主要缺点式温漂大，调整不方便。 目前，电流型控制及多环控镱1 ( m u i t i 1 0 0 pc o n t r 0 1 ) 已得到较普遍应用 电荷控制 ( c h a r g ec o n t r 0 1 ) ，一周期控制( o n e - c y c l ec o n t r 0 1 ) ，数字信号处理器( d s p ) 控制等技术的 开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅 度简化。 自适应控制、多变量控制和分布控制是变流系统发展的方向，其优点是可将多种 控制功能集成在一个系统中或者把系统简化。智能控制和模糊控制也是变流装置控制 发展的趋势。 1 2 电力电子技术的发展趋势【5 】5 6 】 7 儿3 0 】 从技术上看，几十年来推动电力电子技术水平不断提高的主要标志是： ( 1 ) 高频化 新型高频功率半导体器件如功率m o s f e t 和i g b t 的开发使实现开关电源高频化 有了可能。从而使中小型开关电源工作频率可达到4 0 0 k h z ( a c d c ) 和1 m h z ( d c d c ) 的水平。超快恢复功率二极管、m o s f e t 同步整流技术的开发也为高效、 低电压输出( 3 v 以下) 开关电源的研制有了可能。现正在探索研制耐高温的高性能碳 化硅功率半导体器件。 ( 2 ) 软开关 软开关技术使高效率、高频开关变换器的实现有了可能。p w m 开关电源按硬开关 模式工作( 开关过程中电压下降上升和电流上升下降波形有交叠) ，因而开关损耗 大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了( 功耗与频率成正 比) 。为此必须研究开关电压电流波形不交叠的技术，即所谓零电压( z v s ) 零电 4 华中科技大学硕士学位论文 流( z c s ) 开关技术，或称软开关技术( 相对于硬开关技术而言) ，小功率软开关电 源效率可提高到8 0 8 5 。7 0 年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。以后新 的软开关技术不断涌现，如准谐振( 8 0 年代中) ；全桥移相z v s - - p w m ，恒频 z v s - - p w m z c s - - p w m ( 8 0 年代末) ；z v s - - p w m 有源钳位：z v t - - p w m z c t _ 一 p w m ( 9 0 年代初) ；全桥移相z v z c s p w m ( 9 0 年代中) 等。我国已将最新软开 关技术应用于6 k w 通信电源中，效率达9 3 。 ( 3 ) 功率因数校正技术( p f c ) 目前p f c 技术主要分为有源p f c 技术和无源p f c 技术两大类，采用p f c 技术可 以提高a c - d c 变换器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。 有源功率因数校正技术( a p f c ) 的开发，提高了a c d c 开关电源功率因数。由 于输入端有整流一电容元件，a c d c 开关电源及一大类整流电源供电的电子设备( 如 逆变器，u p s ) 等的电网侧功率因数仅为0 6 5 ，8 0 年代用a p f c 技术后可提高到 0 9 5 0 9 9 ，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。单相 a p f c 是d c d c 开关变换器拓扑和功率因数控铝4 技术的具体应用，而三相a p f c 则是 三相p w m 整流开关拓扑和控制技术的结合。 ( 4 ) 磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。如集成磁路，平面型磁心，超薄型 ( l o wp r o f i l e ) 变压器；以及新型变压器如压电式，无磁芯印制电路( p c b ) 变压器 等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。 ( 5 ) 电磁兼容( e m c ) 在电力电子装置中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关方式工作，开关 电压及开关电流均为方波，从频谱分析可知，方波信号舍有丰富的高次谐波，该高次 谐波的频谱可达方波频率的1 0 0 0 次以上。同时，由于电源变压器的漏电感及分相电 容，以及主功率开关器件的工作状态非理想，在高频开或关时，常常产生高频高压的 尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐波，通过开关管与散热器间的分布电容传入 内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。用于艳流及续流的开关二极管，也是产 生高频干扰的一个重要原因。因整流及续流二极管工作在高频开关状态，由于二极管 的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及 电流变化率下，且产生高频振荡。因为整流及续流二极管一般离电源输出线较近，其 产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出。这些都是产生电磁干扰的来源。 新型电容器和e m i 滤波器技术的进步，使电力电子装置小型化并提高了e m c 的 性能 ( 6 ) 模块化技术。 采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。 ( 7 ) 低压大电流赢流电源 华中科技大学硕士学位论文 随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越 低，这就要求未来的d c d c 变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子 设备的供电要求。输出i v ，5 0 a 的低电压大电流d c d c 变换器，又称电压调节模块 v r m ，以适应下一代超快速微处理器供电的需求。 ( 8 ) 数字化 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年 代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字信号、数字电路 显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完普成熟，显示出越来越多的优点：便于计 算机处理控制、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 于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。 i 3 软开关技术 5 】【8 1 传统硬开关有以下缺点：( i ) 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，变换器效率越低，开关损耗的存在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器 的小型化和轻量化。 ( 2 ) 开关管工作在硬开关时还会产生高别西和d v d t ，从而产生 大的电磁干扰( 跏i ) 。 为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提高变 换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开 关，因此软开关技术应运而生。 1 3 1 d 0 a 0 逆变器中的软开关技术 在d c a c 逆变器( 尤其是多相逆变器) 中，软开关技术的应用有很大困难。通常 逆变器中存在着多个开关，若每个开关都采用类似于d c d c 变换器中的软开关工作方 式，则构成软开关的谐振单元相互影响，使电路难以正常工作。1 9 8 6 年美国威斯康星 大学的d m d i v a n 提出了谐振直流环逆变器( r e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r r d c l i ) 和谐振极逆变器( r e s o n a n tp o l ei n v e r t e r ，r p i ) ，才较好地解决了这个问题，并立刻 引起了广泛地重视，随后提出了许多改进电路和拓扑结构。 直流谐振环节逆变器是在原先的p w m 电压型逆变器与寅流电源之间加入一个辅助 谐振电路，令d c 谐振环节产生谐振，且使逆变桥直流母线上的电压周期回零，为逆变 器中的开关创造零压开关的条件。谐振直流环节的最大进步，在于用高频脉冲序列为 逆变器供电，代替原来的恒压供电方式。 谐振极逆变器是把辅助谐振回路移到桥臂的上下开关联接点，利用谐振为逆变器 创造零压开关的条件。 1 3 2d 0 d 0 直流变换器的软开关技术 6 华中科技大学硕士学位论文 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 冲电路中消耗掉，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，而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一下几类： ( 1 ) 全谐振型变换器，一般称之谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 。该类变换 器实际上是负载谐振型变换器，按照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：串联负 载谐振变换器和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。 ( 2 ) 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 ，q r c 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 ，m r c s ) 。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的 特点是谐振元件参与能量的某一个阶段，不是参与全过程。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。多谐振变换器一般实现开关管的零电 压开关。这类变换器通常需要采用调频控制的方法。 ( 3 ) 零开关p 删变换器( z e r os w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r ) 。它可分为零电压开 关p 榭变换器和零电流开关p 嘲变换器。该类变换器是在q r c s 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 w g 控制。这与 q r c s 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 l 1 0 1 5 。 ( 4 ) 零转换p 删变换器( z e r o st r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 。它可分为零电压转 换p 嘲变换器和零电流转换p w m 交换器。这类变换器是软开关技术的又一个飞跃。它 的特点是变换器工作在p 嗍方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时 间，实现开关管的软开关，在其他时间则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。 在直流开关电源的软开关技术中，还有无源无损软开关技术，即不附加有源器 件，只是采用电感电容和二极管来构成无损缓冲网络。 尽管软开关技术的采用提高了变换器的工作频率，降低了开关损耗，减& - 功率 元件的电压、电流应力，但其中仍有许多问题有待解决，如进一步扩大功率使用范 围，完善控制技术，提高工作可靠性等，但软开关技术的应用已经给功率变换器的发 展带来了深刻的变革。而且随着软_ 丌关的技术的进一步完善和实用化，必将为实现更 高品质的功率变换系统提供有力的技术保障。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容 软开关技术是当前电力电子技术的热点之，本文在分析单端反激d c d c 软开关 变换电路结构的基础上，提出一种新型的双端反激式软开关d c d c 电源。本文的主要 内容如下： 1 单端反激电源的直流软开关技术 在本文的第二章，介绍了单端反激变换器的工作原理，然后提出单端反激软开关 的几种技术，并分析其优缺点。最后给出一种新型的双端反激式软开关d c d c 变换电 路。 2 双端反激式软开关d c d c 变换器 在第三章中，本文对提出的一种新型的双端反激式软开关d c d c 变换器进行原理 分析，定量给出输入与输出的关系，并且分析其实现软开关的条件。 3 实验装置的设计 第四章主要内容是设计实验装置，分为主电路部分和数字控制电路的软硬件的设 计过程，并对主电路进行仿真。 4 系统稳定性分析 第五章主要对电路工作在连续模式下稳定性的分析，本文采用小信号分析，写出 系统在连续工作模式下的传递函数，并用m a t l a b 软件对其稳定性进行仿真，并给出p i 调节参数的设计过程。 5 实验结果和全文总结 第六章给出实验的波形和实验数据，并对实验数据进行分析。得出结论，以验证 理论分析的正确性 在全文的最后，总结了全文的研究内容，并对该电路优缺点进行分析和总结，最 后提出电路的改进措施。 华中科技大学硕士学位论文 2 磁复位技术和反激直流软开关 带变压器隔离的直流d c d c 变换器是从几种器基本的变换器派生、组合、演变丽 来。常见的由变压器和开关组成的直流变换器有四种型式：推挽式、半桥式、全桥式 和单端式。 单端式直流变换电路简单，广泛应用于输出中、小功率的交换器中。但是它也有 一些缺点：它的输入电流电流是脉动的，其电流幅值由其平均值和开关的导通比决 定。因此，这种电路常需要接入输入低通滤波器。当开关关断时，其上的电压等于 电源电压加上从变压器副边折算到原边的电压。在许多场合，开关管的开路电压比2 倍电源电压还高。开关闭合时通过的电流峰值也可能大于输入平均电流的两倍。因 此，目前这种单端变压器隔离电路的使用受开关器件的容量限制，一般输出功率较 低。下面以单端反激为例分析变压器工作状态 2 1 单端反激式变换器变压器工作状态分析【1 0 】 1 2 】【3 5 】 3 6 】 3 7 】 单极性开关电源变换器即激励是一个单向方波脉冲电压，单端正激式和单端反激 式变换器即属此类。开关变压器工作时磁心中磁通沿着交流磁滞回线的第一象限部分 上下移动，变压器磁芯受单方向励磁，磁感应强度从最大值玑到剩磁口，之间变化，如 图2 1 所示。 单端反激式开关电源一般有两种工作方式： ( 1 ) “完全能量转换( 电感电流不连续) 方式”：在储能周期，棚中变压器储存的所 有能量在反激周期。中都转换到输出端。 ( 2 ) “不完全能量转换( 电感电流连续) 方式”：储存在变压器中的一部分能量在f 。 末保留到下一个k 周期的开始。 2 1 1 能量的转换过程 + v s j d 一 b w + 夕 b ，一 0 h 0 t 厶 k i 一 图2 2 ( a ) 能量储存阶段的等效电路( b ) 能最储存阶段原边电流波形与磁化情况 9 华中科技大学硕士学位论文 t 导通期间，进行电能的储存，由等效电路可知d 处于截止状态，此时可以把变 压器看作一个电感，如图2 2 所示。 在此期间l = 厶，原边电流的变化由啡西= k 4 决定，线性增加，磁感 应强度将从耳增加到工作峰值。 在图2 3 中当t 关断，初级电流必定为零，d 导通，感应电流将出现在副边，通过 负载续流，进行能量释放工作于完全能量转换方式时，o 总是大于f 。，因此在反激 期间，磁感应强度将从下降到b ，副边电流将以一定速率衰减，此速率由副边电压 和副边电感决定，即：讲。出= t 采用不完全能量传递方式，由于出现了直流分量，为避免磁芯饱和需加气隙，见 图2 4 。气隙的加入，使磁化曲线向h 轴倾斜，磁滞回线与b 轴包围的面积增加，从而 使变压器传递的能量增加。在传递定能量的要求下，可以把b 的取值设计的小一 些，以减少磁滞损耗，利于提高工作频率，进一步减小原副边中的纹波电流。 n d il d b 。 邬。 夕 b 0 h t x 1 。 o r 一 上 图2 3 ( a ) 能量传送期副边等效电路 ( b ) 在反激期间副边电流与磁化情况 圈2 4 ( a ) 当磁芯气隙很小时磁化曲线 及传递的能量 2 1 2 磁芯参数与气隙的作用 h ( b ) 当磁芯气隙较大时磁化曲线 及传递能量 i o 。拯r 錾。嘴 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 气隙的加入可使磁滞回线向h 轴倾斜，其斜率随着气隙的大小而变化，但有无气 隙并不影响饱和磁感应强度的大小。在有气隙时，磁场强度h 明显增大，剩余磁感应 强度耳明显减小，这些变化，对反激变换器来说都是非常有利的。如图2 5 所示。 b s 萨 b r 无气麒一 hb r 有气隙一 、，彳 1 7 、 7 一r 图2 5 有气隙和无气隙时铁氧体 变压器磁滞回环 由于反激变换器的磁芯只工作在第一象 限，磁芯在交流或直流作用下的磁滞回线与气 隙关系如图2 6 所示 ( 1 ) 在交流电流下气隙的作用 在开关t 导通期间所外加的电压比例于b h 平面，垂直于艮的振幅，对应于横轴有 埘。的变化。在有气隙时，b h 特性曲线斜率 减小，曲线向横轴靠拢，在艮不变的情况 下，衄。将大大增加，这相当于有效地减小磁 芯的有效磁导率和减少原边绕组的匝数，但不 能改变交变磁通量或改变磁芯的交流性能。 ( 2 ) 在直流电流下气隙的作用 在变压器绕组中的直流成分可在b h 回环的水平轴上产生一直流磁力h 。( ，彳。与 直流安匝数成正比) ，对于一个确定的副边电流负载，z ，出的值是不确定的。在没有饱 和的条件下，带有气隙磁芯可加上更大的h 值( 直流电流) ，由图2 6 可知，h 的更大值 已足以使没有气隙的磁芯达到饱和。因此，有大直流电流时，气隙对防止磁芯饱和是 有效的。 总之，外加的伏秒值、匝数和磁芯面积决定了b 轴上的瓦；直流的平均电流 值、匝数和磁路的长度决定了h 轴上的h 。值的位置。艮对应了比的范围。气隙 大，a 日。就大必须有足够的线圈匝数和磁芯面积来平衡外加的伏秒值；必须有足够 的磁芯气隙来防止饱和状态并平衡直流分量。 崔 露 厂历尹= - 有气裱碓 2 。8 。 矽萨 沸曰环 i i 7 夕 么 1 ，t ：， 0 + 爸 r 圈2 6 有大小气隙时单端反激变换器磁芯第一象限磁滞回环 2 2 磁复位技术 一一 i l 华中科技大学硕士学位论文 磁芯材料按其磁滞回线的宽窄分为两类：软磁材料和硬磁材料。磁滞回线较窄， 即磁导率较大，矫顽力较小的磁芯，称为软磁材料；磁滞回线较宽，即矫顽力较大， 剩磁也大的磁芯称为硬磁材料。硬磁材料主要用来作永久磁体，而软磁材料一般用来 作电机、变压器等中的导磁体。 j。+ h + b r 、 l 、 一b f ， - b + b r 、。 l 7 。 ，厂丁 一 j j 1 k b r ( a )f b l 图2 7 低b ，和高b ，的磁滞同线曲线 使用单端变压器隔离后，变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能回复到起 始值，这是就是磁复位问题。因为变压器磁芯被单向脉动电流激磁，可能使磁芯饱 和，致使开关导通时产生很大的电流；关断时，产生过大电压，导致开关器件的损 坏。为了解决这个问题，在单端直流变换器中常需要采取磁通复位技术，以使在开关 关断后磁芯中的磁通能安全的恢复到希望的状态。 下面介绍磁芯的两种磁通复位方法： 图2 8 ( a ) 所示的转移损耗法磁芯复位电路。它把残存能量引到稳压管d z ，处。d z ， 反向击穿、瞬时导通，既可以限制开关管反压，又可以使磁芯去磁。由于储存在铁芯 里的能量消耗在稳压管d z 回路里，所以此电路只适用于小功率变换器方案中。 大功率的去磁电路，如图2 8 ( b ) 所示。在这个方式中，变压器铁芯的储存能量可 以反馈到输入电源端。这时储存在铁芯的能量仅有- - d 部分损失，输入一输出的能量 转换效率是较高的。 t s i 图2 8 ( a ) 消耗式磁芯磁复位电路 r v 。 s 1 n p 一 j l 。o ，一 v 叫 t ( b ) 再生式磁芯磁复位电路 单螭反激电路利用反激过程达到自动磁复位，不需要像单端正激电路需要附加的 复位电路。但是反激电路的只在关断期间向负载提供电能，铁芯工作在磁化曲线的第 一象限，磁芯的利用率较小。 2 m 盛 华中科技大学硕士学位论文 2 3 单端反激直流软开关技术【5 】【6 】【1 3 】【2 1 】【2 4 】【2 5 】【2 6 】【2 1 】【2 8 】【2 9 】 反激式开关电源以电路简单、电磁干扰相对小而得到广泛应用。随着电源功率越 来越大，电磁干扰( e m i ) 也越来越大，通常减小e m i 的方法主要是采用自激型反激式 开关电源，用开关速度相对慢的双极晶体管作为主开关；加大缓冲电路电容量来降低 关断过程的咖毋、d j f d t 产生的e m i 。用减缓导通过程来减小开通e m i ，付出的代价是 电源效率下降、发热量大、可靠性下降，因而需要一种低e m i 、高效反激式开关电源。 软开关反激式开关电源便是比较理想的解决方案。 反激变换器在关断期间由于变压器的漏感引起开关管集电极电压突然升高，导致 开关管的损坏。抑制开关应力有两种办法。一是减小漏感，二是耗散过电压的能量， 或是使能量反馈回电源中。减小漏感主要靠工艺；耗散过电压的能量依靠与电感线圈 并联的r 、c 缓冲器，或与开关管并联的r 、c 缓冲器：能量反馈回电源中依靠附加的 线圈和定向二极管。 因此，减小关断应力和关断过程产生的e m i 是反激式开关电源的软开关技术首先 要解决的问题。另外，开通过程软开关化还可进步减小e m i ，提高电源效率。下面介 绍几种反激式软开关的电路。 2 3 1r d c 箝位电路 涮 图2 9r d c 箝位的反激变换器 图中l ，是变压器的漏感，在导通时，圪电压加在原边电感上，出于d ，反偏阻止 c ：的充电。巴通过电阻足放电。当t 关断时，由于反激作用，原边激磁电流对r 的结 电容充电k 逐渐上升，当屹上升到k + ：时。箝位电路中的二极管取正偏导通，电 流被c 2 、r 1 分流，c ：充电，此时屹被籍位在+ 2 。由于c 2 远远大于r 的寄生电 容，激磁电流几乎全部通过c ，进行充电，变压器原边电压也反向增加，在变压器原边 绕组上的反压耦合到副边绕组达到k 时，原边绕组中的电流迅速转移到副边绕组中， 华中科技大学硕士学位论文 且原边绕上的电压被箝位在一打。此时由于漏感，中的电流不能突变，这个电流将继 续给箝位电容g 充电，直到原边的电流变为零，缓冲电路停止工作。 需要注意的是不能把箝位电压设计的太低，因为反激过充电压也有有用的一面。 在反激作用时，它提供一个附加强制电压值来驱动电能进入副边电感。使变压器副 边，反激电流迅速增加。提高了变压器的传输效率，同时减小了冠的损耗。这对低压 大电流输出很是有意义的。 从上面的分析可以看出，采用r d c 筘位技术的反激变换器的优点是：开关应力 减小了；电路结构简单，成本低廉。它的缺点是：部分励磁能量消耗在箝位网络 中，效率不高，同时开关管开通时不是零电压开通，将造成开通损耗和开通e m i 。 2 3 2l c d 箝位电路 l rd 1 图2 1 0l c d 箝位的反激变换器 由于r d c 筘位技术存在损耗，为了消除箝位网络的损耗，我们介绍一种l c d 箝位 技术。该箝位网络只有嵌位二极管b 和d ，、一个箝位电感厶和一个箝位电容c ：组 成。由于箝位网络中不存在电阻因此该网络是无损的。它是通过l c 谐振方式将缓冲 能量转化为复位能量，使缓冲电容电压复位，以提高电源效率。下面简要的分析该电 路的工作原理。 在t 导通时，箝位电容上的电压为。左负右正，一方面电源电压圪通过原边电 感储存电能，另一方面箝位电容c ：通过开关管c 和筘位二极管b 与箝位电感t 谐振 工作。直到电容上的电压反向达到最大值一屹：。，b 自然关断，谐振电路停止工作。 当i 关断时，原边电流给t 的结电容充电，圪电压迅速上升，当以上升到k 一以，。 时，筘位二极管d 2 导通，这时原边电流继续给t 的缩电容充电，同时箝位电容c ，被 放电。当箝位电容上的电压降为零后，c ，将再次被反向充电，加在变压器原边绕组的 电压为负向电压，同时c ，上的电压正向增加。在变压器原边绕组上的反压耦合到副边 t i 华中科技大学硕士学位论文 绕组达到时，原边绕组中的电流迅速转移n s , j 边绕组中，且原边绕上的电压被箝位 在一v o 。此时由于漏感中的电流不能突变，它和筘位电容c ：谐振给c ：充电，当， 中的电流减小到零时，c ：上的电压达到最大值。，因此开关管上的承受最大反压 为+ k 2 ，。由于岛此时承受反压截止，谐振电路停止工作。 从上面的分析可以看出采用l c d 箝位的反激变换器的优点是：开关管的电压应 力减小了；箝位网络是无损的。它的缺点是：开关管是硬开通；箝位元件在谐 振时峰值电流较大。 2 3 3 有源箝位电路 l rd l ( a ) l rd l ( b ) 图2 il 有源箝位的反激变换器 l c d 箝位技术增加了开关管的电流定额和通态损耗，有源箝位技术则不存在这个 问题。有源箝位掰络由箝位开关管疋和箝位电容c 2 组成，d 2 是瓦的反并联二极管， 为了实现t 的零压开通，通常需要加一个小的谐振电感如图2 1 l 中的l 。根据箝位电 容的位置不同，有源箝位反激变换器有两种拓扑方式，如图2 “所示。它们的工