（电气工程专业论文）开关电源的模块化设计与并联技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在开关电源模块设计中应用单片机控制技术和软开关技术，具有开关损耗小、可 靠性高、易于并联扩展等优点，是直流开关电源系统实现功率扩展和系统冗余的基础。 本文通过分析直流变换器的基本电路结构和工作原理，给出了主电路结构、工作 原理、波形、主要关系式。带隔离变压器的变换器是将隔离变压器插入到基本变换器 的各个不同点上而形成的变换器电路，带有基本变换器的本质特征，同时可以使变换 器的输入电源与负载之间实现电器隔离。通过对几种带隔离变压器的变换器进行分析， 得出各变换器具有各自的特点和适用条件。电力电子功率变换谐振型技术以正弦形式 处理功率开关管，使开关管在零电流下换流或者在零电压下换向，可降低开关转换损 耗。通过对零转换开关变换器的基本原理分析，给出了一个周期内各个阶段的运行模 式。电源系统可由多个电源模块并联构成，对并联电源系统来说，重要的是要保证各 并联的模块的的均流，重点分析了常用的并联均流方法的工作原理和基本特点，对 m i c r o c h i p 公司所生产的p i c l 6 f 系列单片机的r i s c 指令结构和数据总线结构作了简 要分析介绍。 通过直流变换器的基本电路和并联均流方法的分析，采用p i c 系列单片机控制， 设计了一套小型开关电源模块及其并联运行系统样机。样机实验表明，通过变压器隔 离半桥式主回路谐振电路设计，可以较好地实现主回路开关的零流关断和零电压导通， 以p i c l 6 f 系列单片机为控制核心，通过软件设计可以实现脉冲频率调制控制工作模 式，较好的解决了控制复杂的控制电路，通过检测并联系统输出电压并与各电源模块 进行通信，实现并联系统的均流和稳压控制。 关键词：开关电源软开关脉冲频率调制单片机并联均流 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s o f t - s w i t c h i n gt e c h n i q u ea n da p p l i c a t i o no f t h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rf o rt h e d e s i g no f t h es w i t c hp o w e rs u p p l yh a v eg a i n e dm a n ya d v a n t a g e ss u c ha st h el e s ss w i t c h i n g l o s s ，h i g hr e l i a b i l i t ya n de x c e l l e n te x p a n d a b i l i t y t h e s et e c h n o l o g i e sl a yt h ef o u n d a t i o nf o r t h e p o w e re x t e n s i o na n ds y s t e mr e d u n d a n c y b ya n a l y s i so f t h ee l e m e n t a r yc i r c u i ts t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h ed c c o n v e r t e r , t h em a i nc i r c u i t ，w a v e f o r ma n dp r i m a r yr e l a t i o n a le x p r e s s i o n si sd e s c r i b e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h ec o n v e r t e r sw i t hi s o l a t i o nt r a n s f o r m e rh a v et h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h en o r m a lc o n v e r t o r a n di tc a nm a k et h el i n eo f t h ec o n v e r t e ri s o l a t e df r o mt h el o a d t h e a n a l y s i so fs e v e r a lc o n v e r t e r sw i t hi s o l a t i o nt r a n s f o r m e ri n d i c a t e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h e a p p l i c a t i o n c o n d i t i o no f t h o s ec o n v e r t e r sr e s p e c t i v e l y t h ec o n v e r t e rw i t ht e c h n i q u eo f r e s o n a n c ec a na c h i e v ez e r ov o l t a g ea n dz e r oc u r r e n t - s w i t c h i n g ( z v z c s ) ，t h e r e f o r e ，t h el o s s o fs w i t c h i n gi sd e c r e a s e dd r a m a t i c a l l y b ya n a l y s i so f t h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h ez e r o t r a n s i t i o ns w i t c hc o n v e r t e r , t h eo p e r a t i o nm o d eo fe a c hs t a g ei nap e r i o di sp r e s e m e d a p o w e rs u p p l ys y s t e mc o n s i s t so fs e v e r a lp o w e rm o d u l e si np a r a l l e l ，a n di ti si m p o r t a n tt o m a k es u r e t h ec u r r e n e ti ss h a r i n g t h cp r i n c i p l eo f o p e r a f i o na n de s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i co f t h eu s u a lm e a n so f p a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n ga r ee x p o u n d e de m p h a t i c a l l y t h er i s co r d e r s t r u c t u r ea n dd a t ab u ss t r u c t u r eo f p i c l 6 f , as i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o ro f m i c r o c h i p c o r p o r a t i o n , a r ei n t r o d u c e db r i e f l y b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ee l e m e n t a r yc i r c u i ta n dm e a n so f p a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n gi n d cc o n v e r t e r , as u i to f b l o c k i n gd cp o w e rs u p p l yi nm i n i a t u r ea n dt h ep r o t o t y p eo f p a r a l l e l o p e r a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hu s e sp i e l 6 fa st h ec o r eo f c o n t r o ls y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tz e r o - v o l t a g ec o n d u c t i o na n dz e r o c u r r e n ts h u t o f f i s a c h i e v e d | f o u 曲t h ed e s i g no f t h eh a l f b r i d g er e s o n a n tc i r c u i tw i t hi s o l a t i o nt r a n s f o r m e r w i t ht h ec o n t r o lc o r eo f p i c l 6 f ，t h eo p e r a t i o nm o d eo f p u l s e - f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( p f m ) i sg a i n e dt h r o u g ht h es o f tw a r ed e s i g n f u r t h e r m o r e ，p a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n ga n dv o l t a g e c o n t r o lo f t h es y s t e mi sr e a l i z e dt h r o u g hd e t e c t i o no f t h eo u t p u tv o l t a g eo f t h ep a r a l l e l s y s t e ma n dt h ec o m m u n i c a t i o no f e a c hb l o c k i n gp o w e rs u p p l y k e y w o r d s ：s w i t c hp o w e rs u p p l y s o f ts w i t c h p u l s e - f r e q u e n c ym o d u l a t i o n s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r p a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 荔 日期： s 年，。 学位论文版权使用授权书 日 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，即：学校有权保留 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 权华中科技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 本论文属于不保密西 学位论文作者签名： 年解密后适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 日期：卯j 年，。月9 日 指导教师签名：侈多新 日期：即f 年尸月甲日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 概述 1 绪论 电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的转变，并且 极大地改变了人们利用电能的观念，用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例 已经成为衡量一个国家用电水平的重要指标，发达国家已经达到4 0 以上 1 3 2 0 1 0 年将达到8 0 e 2 然而，电力电子装置的复杂性与其应用的广泛性之间的矛盾越来越 尖锐，采用模块化设计的开关电源系统在某些应用中已取代集中式电源供电系统。随 着微电子技术的发展和广泛应用以及新型半导体电力开关器件的不断涌现，开关电源 的小型化、智能化、模块化设计成为可能。在传统的开关电源系统中，一般由单个电 源组件为一个或多个电子设各提供电源，当电源发生故障或失效时，会影响整个设备 或系统的正常工作。采用多个电源模块并联供电，使供电系统具有一定的冗余度，当 供电系统中的一个或几个模块出现故障时，不会影响整个系统的正常工作，在系统工 作的同时，可以维修、更换出现故障的电源模块，使系统的可靠性大大提高。因此， 多个电源模块并联供电方式，可以增加电源的容量，提高供电的质量和供电系统的可 靠眭。 1 2 开关电源的发展 1 9 5 5 年美国的科学家罗那( g h r o y e r ) 首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自 激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器 不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的 旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态， 所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因 而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后， 不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器 只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。6 0 年代，由于微电子技术的快速 发展，高反压的晶体管出现了，d c d cp w m 功率变换技术出现了很大的发展口 4 1 ， 直流变换器可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而 华中科技大学硕士学位论文 极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省 掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真f 做 到了效率高、体积小、重量轻。 7 0 年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二 极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压 电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机 等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者c 5 1 。 从上世纪8 0 年代中期开始，各种电力电子集成技术，如p i c 技术和i p m 技术等 丌始发展，但集成度较低。9 0 年代中期开始，发达国家已经开展电力电子集成技术的 研究和应用，并已取得了一定的成果”1 ，并相继提出给予p e b b ( p o w e re l e c t r o n i c b u i l d i n gb l o c k ) 与i p e m ( i n t e g r a t e dp o w e re l e c t r o n i cm o n i e s ) 概念的电力电子技术”1 噶3 9 3 。i g b t 等新型开关器件得到广泛应用，由于i g b t 既具有m o s f e t 管开关速度 快，又具有双极晶体管导通压降小、电流电压容量大的优点，因而得到广泛应用。但 i g b t 关断时存在电流拖尾，导致关断损耗增加，影响频率提高1 0 70 为了克服该缺点， 越来越多的电路采用了软开关技术，软开关技术作为高频化的有效手段，受到各国研 究者的极大关注，电路分析和实用化的研究和开发取得一定的成果1e 1 2 3 具有正弦 输入电流和单位功率因数的变换器的研究也取得了较大的发展1 1 4 卯c 1 6 3 。 我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于6 0 年代初期，到6 0 年 代中期进入实用阶段，7 0 年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1 9 7 4 年研制成功了工作频率为1 0 k h z 、输出电压为5 v 的无工频降压变压器开关稳压电源。 近1 0 多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在 2 0 k h z 左右，输出功率在1 0 0 0 w 以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电 子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为1 0 0 k h z - - 2 0 0 k h z 的 高频开关稳压电源于8 0 年代初期就已开始试制，9 0 年代初期就已试制成功。目前正 在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频降压开关稳 压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源 技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。此外，这些年来，我国虽然把无工频变 压器开关稳压电源的工作频率从数十k h z 提高到了数百k h z ，把输出功率由数十瓦提 高到了数百瓦甚至数千瓦。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 单片机的发展与应用 自从1 9 4 6 年世界出现了第一台数字电子计算机，至今电子计算机技术的发展大致 经历了4 代。以超乎寻常的速度在突飞猛进的现代电子计算机技术，不仅自身形成的 产业规模不断膨胀，而且带动了其它各行各业的发展。在电子世界的领域中，从2 0 世纪中的无线电时代也进入到2 1 世纪以计算机技术为中心的智能化现代化电子系统 时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机应用系统( 简称嵌入式系统，e m b e d d e d s y s t e m ) ，而单片机就是最典型、最广泛、最普及的嵌入式计算机应用系统。 在2 0 世纪7 0 年代以后，大规模集成电路的出现，促进了常规的电子电路单元的 专用电子系统发展。在许多专用电子系统单元变成了集成化器件，如收音机、电子钟、 计算器、电视机、电子手表等。在这些领域的电子工程师，从电路、系统的精心设计 和调试转变为器件选择及外围器件适配工作。半导体集成电路的发展使经典电子系统 日趋完善，留在大规模集成电路以外的电子技术日益减少。 在2 0 世纪8 0 年代后，微型个人计算机p c 机出现并迅速普及，以计算机为核心 的嵌入式应用在控制领域迅速推广。早期嵌入式系统是将通用计算机改装后嵌入到被 测控对象系统中的各种电子系统，嵌入式系统首先是一个计算机系统；其次它被嵌入 到对象系统中，在对象系统中实现被控对象要求的数据采集、分析处理、状态显示、 输出控制等功能。由于嵌入在对象系统中，嵌入式系统的计算机没有计算机的独立形 态和功能。单片机完全是按照嵌入式系统要求设计的，因此，单片机是最典型的嵌入 式系统。早期的单片机是按嵌入式应用技术系统要求设计的单芯片化集成电路器件， 也就是将电子计算机的全部特性器件系统集成到一片芯片上，故形象的将其俗称为单 片机。随后，单片机为满足嵌入式系统应用的要求不断增强其控制功能与外围接口功 能，尤其是控制功能，因此国际上又将单片机正名为微控制器【 】( m c u ，m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ) 。 单片机是芯片级的计算机系统，它可以嵌入到任何对象系统中去，实现智能化控 制。小到微型机械，如手表、助听器。单片机革新了原有的电子电路系统，如微波炉 采用单片机控制后，可方便的进行时钟设置、程序记忆、功率控制；空调机采用单片 机后，不但遥控参数设置方便，还可以实现变频控制等。电子系统的智能化程度是无 止境的，常常不需硬件资源的增添就能实现各种功能翻新和增添，如果把单片机系统 的硬件结构比喻成电子系统的“身躯”，那么单片机的应用程序赋予该系统“灵魂”。 使的产品不断的智能化、人性化。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 开关电源并联均流技术概述 新型功率器件如i g b t 等的兴起，使得开关电源的性能大大提高，但受功率器件 容量的限制，一般适用于中小容量场合。目前电源系统的发展趋势是采用新型功率器 件实现高性能电源模块化，通过并联进行扩容。电源并联运行是电源产品模块化，大 容量化的一个有效方法，是电源技术的发展方向之一，是实现组合大功率电源系统的 关键“”。目前由于半导体功率器件、磁性材料等原因，单个开关电源模块的最大输出 功率只有几千瓦，但实际应用中往往需用几百千瓦以上的开关电源为系统供电，需要 通过电源模块的并联运行实现。 目前使用较多的并联均流技术是主从控制法，而美国u n i t r o d e 公司以最大电流法 为基础开发出的u c 3 9 0 7 系列芯片，由于其简单的结构，强大的功能，而获得了广泛 的应用。 由于单片机及d s p 技术的迅速发展，有人用它们来控制并联的电源模块均流，效 果很好，并且实现了智能化，是应用技术的发展方向。 1 5 本文研究内容 利用单片机控制技术和软开关技术进行电源系统的模块化设计和并联均流运行控 制，可以实现开关电源的小型化、智能化、模块化设计，满足开关电源大功率、标准 化和提高系统的可靠性的要求。本文通过对开关电源的主回路结构和基本特征及并联 运行模式进行分析，设计出一种小型模块化开关电源及并联系统，主要内容如下： 介绍了基本的p w m 变换器的主回路结构和基本特征，包括电路结构、工作原理、 波形、主要关系式等。带隔离变压器的变换器是将隔离变压器插入到基本变换器的各 个不同点上而形成的变换器电路，带有基本变换器的本质特征，同时可以使变换器的 输入电源与负载之间实现电器隔离。介绍了零电流开关一脉宽调制变换器( z c s p w m 变换器) 和零电压开关一脉宽调制变换器( z v s - - p w m 变换器) 的基本原理和 等效拓扑电路，z c s - - p w m 变换器可实现主开关的零电流关断，z v s - - p w m 变换器 可实现主开关的零电压导通。通过对基本的开关电源变换器的分析，为开关电源的模 块化设计提供了依据。 分别介绍了几种常用的并联均流方法的工作原理和基本特点，分析了各并联均流 方法的优缺点及适用范围，并给出了并联运行系统的基本电路和控制方法。 华中科技大学硕士学位论文 介绍了m i c r o c h i p 公司所生产的p i c 系列p i c l 6 f 8 7 7 和p i c l 6 f 8 1 8 单片机的r i s c 指令结构和数据总线结构。 采用p i c 系列单片机控制，设计了一种小型开关电源模块及其并联系统样机，给 出了硬件电路及控制方法，并给出了单个电源模块样机的实验结果。 华中科技大学硕士学位论文 2d c d c 变换器主回路的基本结构 采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空 比来调整输出电压，将一种直流电压变换为另一种直流电压，称为开关型d c d c 变 换器。 一个周期t 。内，电子开关接通时间t 0 。所占整个周期t s 的比例，称为接通占空比d ， a = 舞；断开时间t 旃所占t 。比例，称为断开占空比d ，d = 案。接通占空比越大， 负载上的电压越高；去= 称为开关频率，越高，负载上的电压也越高。d c d c 变 换器中的开关在某一频率下工作，保持开关频率恒定而改变接通时间的长短( 即脉冲 的宽度) ，使负载变化时，负载上的电压变化不大的方法，称为脉冲宽度调制法( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 。脉冲宽度调制方式控制电子开关的开关变换器，称为p w m 开关 变换器。保持脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比而调整负载上的电 压的方法，称为脉冲频率调制法( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) ，脉冲频率调制方式控 制电子开关的开关变换器，称为p f m 开关变换器h 9 1c 2 0 。 开关器件在其端电压不为零时开通电路称为硬开通，开关器件在其承载负载电流 不为零时关断电路称为硬关断，硬开通、硬关断统称硬开关。p w m 开关变换器主要 以硬开关方式工作，通态时开关器件承载负载电流但其通态压降小故通态功耗不大， 断态时开关器件两端阻断的电压高但其漏电流小故断态功耗很小。但在硬开关过程中， 开关器件在较高电压下承载有较大电流，因此产生很大的开关损耗。电力电子变换器 开关频率的高频化能使其体积更小、重量更轻、输入输出波形更易于滤波，但硬开关 却使提高开关频率面临一系列难题：开关损耗随开关频率的提高成比例增加，不仅降 低了变换器的效率，而且严重的发热温升可能使开关器件的寿命急居缩短，此外还会 产生严重的电磁干扰噪声，难以与其他敏感电子设备电磁兼容。 在电力电子变换电路中采取一些措施，如改变电路的结构和控制策略，使开关器 件被旌加控制信号、其等效电阻r t 从一降为零的开关过程中其端电压为零，这种开通 称为零电压开通；使开关器件撤除其驱动信号、其等效电阻从零增大到。的关断过程 之前其承载的电流已降为零，这种关断称为零电流关断。零电压开通、零电流关断是 最理想的软开关，其开关过程中无开关损耗。开关器件在开通过程中其端电压很小， 在关断过程中其电压也很小，这种开关过程的功耗也不大，称为软开关e 2 1 3 。 华中科技大学硕士学位论文 为了满足电子开关上电压或电流为零的条件，可用谐振的方法。谐振按照电路理 论的原理，是指正弦电压加在理想的( 无寄生电阻) 电感和电容串联电路上。当正弦 频率为某一值时，容抗和感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大，称为串 联谐振；如果正弦电压加在电感和电容并联电路上，当正弦电压为某一频率时，电路 的总导纳为零，电感、电容元件上电压为无穷大，称为并联谐振。在开关电源电路中 加的不是正弦电压，而是直流电压。直流电压加在串联的l c 电路时，电路中电流按 正弦规律无阻尼震荡，其频率即电路的谐振频率。利用谐振现象，电子开关器件两端 电压按正弦规律震荡，当震荡到零时，使电子开关导通流过电流，称为零电压开通 ( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ) ，简称z v s 。同理当流过电子开关器件的电流震荡到零时， 使电子开关断开，称为零电流关断，简称z c s 。零电压开关z v sp w m 变换器和零电 流开关z c sp w m 变换器统称零开关p w m 变换器o “。 本章主要介绍基本的p w m 变换器、带隔离变压器的变换器及零开关p w m 变换 器的主回路结构和基本特征，包括电路结构、工作原理、波形、主要关系式等。 2 1 基本的p w m 变换器 基本的p w m 变换器主要包括降压变换器( b u c k 变换器) 、升压变换器( b o o s t 变 换器) 、降压一升压交换器( b u c k - - b o o s t 变换器) 、升压一降压变换器( c u k 变换器) 等。本节主要介绍最常见的两种基本形式m ”：b u c k 变换器和b o o s t 变换器，同时 对带隔离变压器的d c d c 变换器也作了简要介绍。 2 1 1b u c k 变换器 b u c k 变换器是一种输出电压平均值v o 小于或等于输入电压v i 的单开关管非隔离 型直流变换器，该变换器主要由全控型开关管t 、电感元件l 、电容器c 和续流二极 管d 构成，图2 1 给出了它的电路拓扑图，图2 2 给出了它的电压电流波形。 “ ￥ 卟“扣号 t j 图2 1b u c k 变换器电路拓扑 华中科技大学硕士学位论文 i 一hl 。l j 、1 三；：一i 一一：、i i ；：；：； n 多一 一、二= = 二二 一、三一 “ 、。 1，一7，。+1j 。 ， i ，+ ，+ ， 1 “。1 、】，。i 。、7 j 一 ? 刈- - t c 广、j 。 一一一l 一一一 ! 一 、 _ i o l 一_ j 二 7 卜、 一一一一1 、一一，。 、o 一一7 一一 0 ，一一一 图2 2b u c k 变换器电压电流波形 如图2 1 所示，当开关管t 导通时，输入电压u i 。施加在电感上，电能储存在电感 l 和电容c 中，同时也反馈给负载。当开关管t 截止时，储存在电感、电容中的能量 释放，继续向负载供电，二极管d 构成电流回路。当开关管t 导通时，电源电压u i 。 等于电感电压u l 与输出电压u o 之和，i l 在t o n 时间内线性上升；当开关管t 截止时， 电感电压u l 等于负的输出电压u o ，i l 在t o f f 时间内线性下降。在一个周期t 。内，电 感电流i l 呈锯齿状，当锯齿的谷点刚好与横轴时间座标相交时，为电流连续与不连续 的临界点。电感电流的平均值就是输出电流的平均值。为便于计算，将一个周期的开 始时刻定为0 点。设 o ，t 1 期间开关管t 导通，导通时间为t 0 。； t l ，t 2 期间开关 管t 截止，截止时间为t m ，则开关管t 的开关周期为t = t o n + t 0 舯开关频率为f s = 去， 华中科技大学硕士学位论文 占空比a = 舞。改变驱动信号的占空比即改变开关管的导通时间，即可电路的输出电 压。 ( i ) 在开关管t 导通e 0 ，t 1 期间，电感l 两端所加电压为u 。一u o ，电感电流线 性上升，电感储存能量。电感中的电流： d i l l l 苫f = u 洒- - u o i l l = i 盟学d t 当t - - - - 0 时，i l l = i l m i n ，由此可得在开关管t 导通期间，电感l 中的电流表达式为： i l l = 盟产t + l l m i 。( 2 - 1 ) 当t = t o n 时，电感电流达到最大值i l 。，即 i l 。= 选手盟t o 。+ i l m i 。 ( 2 。2 ) ( 2 ) 在开关管t 截止 t l ，t 2 期间，电感释放能量，此时电感的感应电势刚好转向， 其值等于输出电容两端电压u o ，此时电感电流： d 让2 l 1 r = - - u o i l 2 = j 乎d t 当t = t 0 。时，i l 2 = i l m 。，得到 一f ，0 i l 2 = j ( t t o 。) + i l 。“ ( 2 3 ) 当t = t s 时，上式可得： i u ( t 。) = 二挚( t 。一t o n ) + i l 。( 2 4 ) 即 i l 2 ( t 。) = 半t o 一堂亍也t 0 。+ i l m 。 ( 2 5 ) 分析( 2 - 3 ) 式，可见b u c k 变换器有三种工作状态。 工作状态：当t = t s 时，若i l 2 = o ，则有： 工 h 2 丽i l m “ 即当开关管t 截止末了( t 2 时刻) 时，电感电流刚好降到零，而开关管再导通时 电感电流又从零开始上升，因此在一个工作周期内，开关管t 导通期间电感储存的能 量，在开关管截止期间刚好释放完，电路工作在临界连续工作状态。 工作状态二：当t = t s 时，若i l 2 芈t 。 即当开关管t 截止末了( t 2 时刻) 之前，电感电流已经等于零，电感上出现了电 流断续工作状态。在电感断续期间，完全由电容c 放电来维持向负载供电，此时电压 的波纹较大。作为开关稳压电源，这种工作状态是不期望的。 工作状态- - ：当t = t ；时，若i l a 0 ，则： t o f f u i 。，因此开关管t 截止时的电感电流是下降 的，因此有： u i n = u l + u o d i2 = l 可r i 也= 士i ( u i - u o ) d t 当t = t o n 时，i l 2 ( t o 。) = i l l ( t o 。) = i l m a x ，由此可得开关管t 截止的h 时间内， 电感电流为： i l 2 = e f m l - - _ u o ( t - - t o n ) + i l m “ ( 2 1 9 ) 2 1 一 nj 十l l m “( - 1 ) 由式( 2 1 9 ) 也可得到b o o s t 变换器的三种工作状态。 当t = t s 时，电感电流刚好等于零，即： 华中科技大学硕士学位论文 i=地ton+ilmax=01l2 t o f fl , l m a x - - j一 说明开关管t 导通期t 0 。内电感储存的能量，在开关管t 截止期t o f f 内刚好释放完， 这种临界工况下电感的最小电流i l m n = o 。 在t = t s 之前，若电感电流已经降到零，这时电感电流出现断续，因此电容c 上电压纹波较大，作为开关稳压电源，这种工作状态是不期望的。 在t = t s 时，电感电流i l 2 0 ，即电感电流在开关管t 截止期问内降到最小值 i l m 。且大于零。在一个开关周期内，在t o 。中电感的储能等于在t o f f 中电感释放的能量， 这样连续不断地供给负载电流，即：i l m i n o ，输出电压波纹小，电源工作稳定。因此， 在电感电流连续和临界连续的条件下，由式( 2 1 1 8 ) 可得： i l 2 ( t s ) = 竿( t s - - t o 。) + i l 。 = 土4 堕芝业t o f f 十号 t o 。+ i l m i 。= i l m i 。 即半t 0 仃+ 半t 0 。= o t o n = u i n - - u o t o f fu i n 占空比q ：塑= 紫(220)ts 2 0 ) 占空比q = 一= 葫产 ( 2 一 输出电压u o = f u i i n ( 2 2 1 ) 由式( 2 2 0 ) 和( 2 - 2 1 ) 可知输出电压u o 总是大于输入电压u i 。，所以，b o o s t 变换器也称升压变换器。 ( 3 ) 负载平均电流 电感电流的平均值是电源电流的平均值，它不等于负载电流的平均值。因为只有 在开关截止时电感才向负载传输电流，因此二极管上的电流i d 在一个周期内的平均值 就是负载的平均电流： i o = 击n d t = 击r 塑宁生( t - - t o 。) + i l 一 d ( t t o 。) = 堂e n 2 - - l u o t s l- t o f f - 。- i l m a x 2 2 l 。 j 利用式( 2 2 1 ) 代入整理得； i o = 丽t o f f i l 。i 。j r - i l m “ ( 2 - 2 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 当电感电流临界连续时，i k m i n = o ，负载的临界电流平均值为： i = 哮豢 由此可知临界连续条件下，电感电流的峰峰值为： i p k = 半= 2 i o i t s (223)pkl ok、z 一 由此也可得到电感的最小临界值为： 一! ! k t o f f 丛塑 l m i n 22 lt s 5 2 i p k 业u o - - u i n 一 。面u 0 2 i s = 蔷( 踟一u i n ) ( 2 2 4 ) ( 5 ) 输出电压u o 的纹波 输出电压u o 的纹波就是电容电压u c 的纹波，因为当开关管t 导通、二极管d 截止时，负载电流完全由电容c 放电提供。在稳态运行条件下，电容电流的平均值为 零，即开关管t 截止时对电容的充电电荷等于开关管t 导通时电容的放电电荷，因此 电容c 的放电电荷为：c a u c = i o t o 。 式中l l c 为电容电压峰峰波纹值，即输出电压u o 的波纹值，所以： a u o = a l l c ：争；百i o 学t s ( 2 - 2 5 ) 由式( 2 2 5 ) 可知：输出电压u o 的纹波值与输入电压、输出电压和电流有关。输 入电压u i 。越低，纹波越大：当输入输出电压一定时，增大电容c 可减小纹波：提高 开关频率也可降低输出电压纹波。 ( 6 ) 输出滤波电容 根据所需的交流电压输出分量u o 和其他给定的设计参数，滤波电容c 的容量 可由下式求出： c = 忐( 1 一等) ( 2 2 6 ) 2 1 3 带隔离变压器的直流变换器 带隔离变压器的变换器是将隔离变压器插入到基本变换器的各个不同点上而形成 的变换器电路，因此带有基本变换器的本质特征，同时可以使变换器的输入电源与负 载之间实现电器隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。选择适当的变压 华中科技大学硕士学位论文 器变比还可匹配电源电压v i 与负载所需输出电压u o ，使变换器的占空比接近1 ，同时 可以实现多路电源的输出。因此带隔离变压器的直流变换器得到广泛的应用。由于隔 离变压器有单端式、并联式、半桥式和全桥式等多种形式，因此可演变出多种电路。 常见的带隔离变压器的开关变换器有单端隔离变换器、并联的隔离变换器、半桥 式隔离变换器和全桥隔离变换器。 h _ + d l 图2 5 单端隔离变换器电路原理图 h f ! ， 吨 一5 黔一 ： 图2 6 并联的隔离变换器电路原理图 图2 5 为单端隔离变换器电路原理图，该电路由开关和高频变压器组成。导通周 期几乎可以是整个工作周期，输出电压、b 与输入电压v s 由匝数比决定。 图2 6 为并联的隔离变换器电路原理图，由两个单端隔离变换器电路并联时构成。 当原边的两个开关t 1 和t 2 交替导通时，直流电压v s 通过副边绕组n s 及二极管d l 、 d 2 就可以得到直流输出电压v 0 。开关t 1 和t 2 交替导通，每次导通周期是整个开关 周期的5 0 ，开关交替的作用在变压器的原边n p 产生一个对称的交流电压，即通过 控制开关t 1 和t 2 的动作速率使变压器成为通常的高频交流变压器。在隔离变压器工 作中，不导通的原边开关两端承受的电压为2 v s ，当原边的两个开关各自导通时，两 个开关中的峰值电流相等，等于输入平均电流i s 。输出电压与输入电压关系为： v o = v s 嚣 副边绕组的交流电压经d 1 、d 2 整流后得到直流电压，从而实现直流到直流的转 华中科技大学硕士学位论文 换功能。 t 矾 j l l 图2 7 半桥式隔离变换器电路原理图 f _ 丁 i“! e 珂f _ 卜_ - u i篁二：雪“ ，r i 1 _ j l i 图2 8 全桥式隔离变换器电路原理图 图2 7 为半桥式隔离变换器电路原理图，该电路由开关t l 、t 2 、电容c 1 、c 2 及 变压器组成。电路工作时，开关t 1 、t 2 交替地导通，任何一个断开的开关其两端的 电压等于源电压v s 。而流过任何一个导通开关的峰值电流都等于平均源电流i s 的两 倍。变压器原边电压为输入电源电压的一半。因此，对于给定v s 、v o 时，绕组n d 、 n s 只需较少的匝数。 图2 8 为全桥式隔离变换器电路原理图，电路工作时，在变换过程的第一个半周 内，开关t 1 、t 4 同时闭合，开关t 2 、t 3 同时断开：在第二个半周内，开关t l 、t 4 同时断开，开关t 2 、t 3 同时闭合断开。任何一个断开的开关两端电压均等于源电压， 流过任何一个导通开关的峰值电流均等于平均源电流。因为全桥式隔离变换器开关承 受最小的开关电压和最小的电流强度，所以该电路方式常用在大功率的变换器上。 2 2 零开关p w m 变换器 电力电子功率变换技术有两种基本类型，即脉宽调制型和谐振型眩钉。脉宽调制型 1 9 华中科技大学硕士学位论文 采用控制脉冲占空比、间断工作来产生所需的脉冲电压和电流，而谐振型技术以正弦 形式处理功率开关管，使开关管在零电流下换流或者在零电压下换向，这样降低了开 关转换损耗。但是正弦电流有着较高得到峰值，导通损耗比较大，因此在中低功率应 用领域，p w m 技术仍占有一定的优势。随着频率增高，开关损耗增加，由于在开关 变压器中存在漏感，半导体器件存在结电容，使得开关管需承受电感性关断和电容性 导通的恶劣条件。关断时由l d i d t 引起的感应电势导致电压尖刺和噪声的增加，同时 关断时结电容中储存的c v 2 z 的能量，当开关导通时，该能量损耗在期间内部，造成 了严重的开关噪声，并提供开关米勒电容耦合到驱动电路，使驱动电路产生噪声和不 稳定因素。这些寄生参数对电路工作的影响随着开关频率的增高而日益严重” 2 7 3 。 为了改善开关管的工作状态，引入谐振技术，在准谐振型变换器( q r c ) 的基础上加 入一个辅助开关来控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态改变时才启动谐振电 路，造成零压或零流条件，开通或关断开关器件。 2 2 1z c s - - p w m 变换器 z c s p w m 变换器是z c s q r c 准谐振变换器和p w m 开关变换器的综合 2 8 1 a 其特点是在一个周期内，有一段时间变换器在z c s 准谐振状态下运行，而另一段时间 在p w m 状态下运行。图2 9 为b u c k 降压型z c s - - p w m 变换器的电路原理图，图中 t r 、l r 、l f 、d 、及c f 和r 构成z c s - q r c 准谐振变换器，加入一个辅助开关t r l 图2 9b u c k 型z c s - - p w m 变换器电路图 华中科技大学硕士学位论文 l 二墨一_ i _ 箭蓄掌i 、爆 厂| | 。 愕誉 黼l ， 广 、 图2 1 0b u c k 型z c s - - p w m 变换器主要波形图 与谐振电容c r 串联，即构成了z c s - - p w m 变换器。图2 1 0 为该电路各电流、电压波 形图。图中为输入电压，v 0 为输出电压。设输出电感k 很大，故输出端可用恒流 源1 0 = 代替。从t = t o 开始，一个周期可分为六个阶段的运行模式，图2 1 1 给出 一个周期内六个阶段的等效电路拓扑图。 2 l 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 1b