（电力电子与电力传动专业论文）交错技术在开关电源中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t h eb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r l e a v i n gt e c h n i q u ea r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o ni nl o w - v o l t a g ea n dh i g h c u r r e n ts w i t c h i n g m o d e p o w e r s u p p l y ，f o rt h ep u r p o s eo fp o w e rd e n s i t ya n dd y n a m i cr e s p o n s es p e e d ，o u t p u t c o n n e c t e dm a n n e ra n dm a g n e t i ci n t e g r a t i o na r ef u r t h e ra n a l y z e d c o m p a r i s o n s a n dc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y ， a n dt h e o u t p u tr i p p l e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f i n t e r l e a v i n gt o p o l o g y a r e r e s e a r c h e dt h o r o u g h l yi nc c ma n dd c m r e s p e c t i v e l t h e nm a t h e m a t i cm o d e l a n d d e s i g ns t e p s o f i n t e r l e a v i n gt o p o l o g y a r e f o u n d ，f u r t h e r m o r e ，t h e c u r r e n t - r s h a r i n gc a p a b i l i t i e so fi n t e r l e a v i n gs y n c h r o n o u s - r e c t i f i e rb u c kc o n v e r t e r a p p l i e dv o l t a g e m o d e c o n t r o la n dc u r r e n t m o d ec o n t r o la r e c o m p a r e d ，a n d c o n c l u s i o n sa r er e c e i v e d t h ep e r f o r m a n c ea f f e c t i o n so fo u t p u tc o n n e c t e dm a n n e r si n i n t e r l e a v i n g i s o l a t e dt w o t r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e n e ra r es t u d i e d ，a n dt h ev a r i a b l ep a r a m e t e r s a r es e l e c t e da n dc o m p a r e d ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h eo n e c h o k ec o n v e n e ri s s u p e r i o r t h a nt w o c h o k ec o n v e r t e e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r ya n dp e r f o r m a n c eo f m a g n e t i ci n t e g r a t i o n t e c h n i q u ef i n a l l y , a n dt h ev a r i a b l ei n t e g r a t e dm e t h o d sa r ea n a l y z e d ，t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i c so f i n t e r l e a v i n g b u c kc o n v e r t e r a p p l i e di n t e g r a t e dm a g n e t i c c o m p o n e n t i na d d i t i o n ，t h es t e a d y s t a t e a n dd y n a m i c - s t a t ep e r f o r m a n c e sa r e a n a l y z e d ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e l i sc o n s t r u c t e d p s p i c es i m u l a t i o ns o f t w a r ei se m p l o y e di nt h ep a p e r , t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a c c o r dw i t ht h et h e o r e t i c s t u d y ， k e y w o r d s ：i n t e r l e a v i n gt e c h n i q u er i p p l ec u r r e n tc u r r e n t s h a r i n g b u c kc o n v e 难rt w o t r a n s i s t o rf o r w a r d m a g n e t i ci n t e g r a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力电子技术综述 电力电子技术是近5 0 年发展起来的门涉及电力、电子、控制、材料和计算 机技术的边缘交叉学科，浚技术的主要任务是利用功率半导体器件来完成电能的变 换和传递，贯穿于电能的获取、传输和利用整个环节。经过电力电子装置处理的电 能属于高品质的能量，可以使电能合理、有效的被利用。功率半导体的开发、新颖 功率变换拓扑的研制和控制理论的更新可以解决本世纪全球面临的资源危机、能源 危机和环境污染，因此电力电子技术的研究对国民经济的发展具有重要意义，并成 为衡量一个国家技术发展水平的重要标志。 电力电子技术的理论体系总体包括功率半导体器件、功率变换拓扑和控制方式 三方面( 如图1 1 所示) 。功率半导体器件从s c r 、g t o 、g t r 、电力m o s f e t 、 i g b t 发展到智能功率模块大致经历了4 代，器件性能上体现出高频化、大容量、 集成化和智能化的特征，目前正在研究以s i c 为材料的高性能功率半导体器件。功 率变换拓扑是实现a c d c 、d c d c 、d c a c 和a c a c 的功率主电路结构。从电 路结构上分为隔离性和非隔离拓扑，从转换方式上可以分为硬开关拓扑和软开关拓 扑，从转换能量形式上可以分为双电平和多电平拓扑。不同的电路拓扑有各自的优 点和应用场合。控制方式是电力电子技术研究最为活跃的一个分支，典型控制方式 包括斩波( c h o p p e r ) 控制、移相( p h a s es h i f t ) 控制和脉宽调制( p w m ) 控制方式， 涉及的控制理论包括经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论，同时在不同的 应用场合和控制目标，控制理论被进一步深化和丰富。 r 功率半导体开关技术 l 电力电子技术 功率变换拓扑研究 l l 控制理论研究 图1 - 1 电力电子技术知识体系 经过几十年的不断创新发展，电力电子技术已日趋成熟并且得到广泛应用。电 力电子技术的应用领域包括高频开关电源( s m p s ) 、u p s 、电力传动和电机调速、 高压直流输电( h v d c ) 、灵活交流输电( f a c t s ) 、电力有源滤波( a p f ) 、电子 整流器、电动汽车等。在这些领域都是目前应用电力电子技术的热点研究领域，辛 要研究工作体现在电力电子新材料、新器件、新工艺、新装置等范畴，其研究成果 和实用装置对整个社会发展有着重要的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 高频开关电源技术介绍 开关电源技术是电力电子技术的一一个重要分支，主要研究a c d c 、d c d c 两 种功率变换。对于传统的晶体管串联调整稳压电源晶体管为线性连续控制，它具有 稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但同时由于工频变压器的使用， 存在体积大且笨重的缺点；其次晶体管工作在线性放大状态，需要通过调整晶体管 的导通电阻来保证输出电压的稳定，因此在集电极与发射极之间存在较大的电压， 导致晶体管功率损耗的增加，因此效率较低；再者，过高的功率损耗将引起电源发 热量增加，需要采用体积很大的散热器。这些缺点致使晶体管串联调整稳压电源无 法满足电子设备发展的要求，从而促进了效率高、体积小、重量轻的开关电源迅速 发展。 开关稳压电源原理图如图l 一2 所示，功率半导体管工作在开关状态，通过控制 开关的占空比来调整输出电压。当功率管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降 接近零；当功率管截止时，集电极电流为零。因此功率管的损耗大大降低：其次， 功率管开关频率可达到几十到几百千赫兹，减小了对输出滤波电容和电感的容量要 求；再者，开关稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，不需要电源变压器， 并且对电网电压的适应能力也有较大的提高。与晶体管串联调整稳压电源相比较， 开关稳压电源具有效率高、重量轻，体积小的明显优点。 图1 - 2 开关稳压电源原理图 高频开关电源的性能取决于功率半导体器件的选用、功率变换主电路的形式和 控制方式，以获取良好的动静态特性，保证电能高质有效的变换2 1 。其理论研究体 系如图1 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 i 三喜凳雾薹秦 高频开关电源技术 电磁兼容技术 l 并联交错均流技术 ( s i n g l es t a g es i n g l es w i t c h ，即4 s 技术) 方面，近年有大量研究单级功率因数校正 是在电压调整模块v r m ( v o l t a g er e g u l a t e dm o d u l e ) 具有重要的意义，通常是采 中变压器的设计是整个开关电源技术中的难点，并且磁性元件对整个开关电源的性 的磁性元件是研究的重点，目f i o - 出现了对平面磁芯和平面变压器、磁集成技术的研 电磁兼容技术( e m c ) 是适应“绿色”电能变换的形势，满足国际和国家对 设备电磁兼容性能指标的要求，电磁兼容性能已成为开关电源研究和设计人员必须 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 考虑的指标。电磁兼容指电子电气设备在同一电磁环境中正常工作的能力，包括电 磁干扰( e m i ) 和电磁敏感度( e m s ) ，所以研究的重点是从功率变换方式、屏蔽 接地滤波、印刷电路( p c b ) 布局布线等方而的合理设计，以降低或消除丌芙电源 产生的电磁干扰和提高抗干扰能力。 缓冲吸收技术主要是针对功率变换器中开关动作引起的漏感尖峰或其它原因 产生的过电压、过电流，采用c 、r c 、r c d 、有源吸收电路限制或钳位功率开关 管和二极管两端的电压，以及旁路过电流来保护功率器件，相当于软化功率器件的 通断过程，以提高开关电源的工作可靠性。 并联交错均流技术是适应模块化分布式电源系统的特点提出的研究课题，要求 投入并联运行的电源模块均分负载电流，同时具有冗余性和支持热替换的性能，以 提高开关电源系统的功率容量和工作可靠性。为改善并联供电系统的输出特性，对 投入并联运行的各个模块在控制信号上交错一个相位角，形成交错控制方式( 多重 化技术) 以降低输出纹波和改善瞬态响应。 低压大电流输出的v r m 设计是目前电源设计面临的一个严峻挑战，y r m 是 给微处理器和集成电路供电的电源，要求电源的体积小、瞬态响应速度快、稳压精 度高和效率高，涉及的理论和技术难题已引起电源研究人员的极大热情和关注。 开关电源建模与仿真是电源设计中一个重要的理论分析和验证手段，针对丌关 电源的强非线性特性，学者们相继提出了状态空间平均法、等效受控源法等建模方 式，结合经典控制理论来选取电路参数和分析性能。电源仿真技术发展非常迅速， 通用的仿真方式包括基于m a t l a b 的功能级仿真和基于p s p i c e 、s a b e r 、p s i m 的电路 级仿真，利用仿真技术可以大大提高电源设计的快速性和有效性，是电源研究和技 术人员必须掌握的软件技术。 结合开关电源的发展轨迹，高频化、高效率、高可靠、高功率密度是其主要的 发展方向。 1 3 交错并联技术概述 近年来，采用并联供电技术的分布式电源系统受到广泛重视( 如图1 ，4 所示) 。 多个功率变换器模块可以灵活地组成分布式电源系统，各个功率模块既可以单独控 制也可以集中控制。并联的各个功率模块分担负载功率和功率损耗，可以降低功率 半导体器件的电流应力和热应力，易于实现冗余，大大提高了系统可靠性和功率密 度。交错并联技术是并联供电技术的一种特殊形式，并联的所有变换器按照时序方 式工作，各个功率开关交替通断。交错并联拓扑具有抑制输出电流纹波、降低输 滤波器的容量和扩大系统功率输出的显著优点。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 图1 - 4 分布式电源系统图 1 4 磁集成技术概述 磁性器件是开关电源变换器中的重要组成部分，它是完成能量储存、转换、滤 波和电气隔离的主要器件。磁性器件的体积、重量、损耗和成本等在开关变换器中 占有很大的比重，所以开关电源的“轻、小、薄”离不开磁性器件的“轻、小、薄”。 为了既能保证变换器的性能良好，又能尽量减小它的体积、重量和成本，近年来， 电源技术研究人员对变换器的磁路做了大量的研究工作，最典型的代表就是集成磁 件的出现。所谓集成磁件，就是把开关变换器中的所有磁性器件( 包括变压器和电 感) 从结构上集成在一起，用一个磁性器件实现( 如图1 5 ) 。这样不但能够减少变 换器的体积和重量，还可以提高变换器的动静态性能。 幽1 - 5 集成磁路示恿图 1 5 本文的主要工作 本文在电压调节模块研究的现状基础上，重点对交错并联技术、交错控制方式、 并联均流技术、磁集成技术等关键环节进行研究，旨在提高丌关电源的变换效率和 功率密度，同时改善稳态特性和动态响应速度。本文内容组织如下： 分析交错并联技术的原理、特性和设计规则，对比交错拓扑不同实现 方式的性能，研究交错拓扑的控制实现方式； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 利用双管正激变换器建立交错变换器模型，采用p s p ic e 软件对设计结 果进行仿真，验证交错拓扑的工作特性； 介绍磁集成技术的原理和实现方式，对比采用集成方式的磁件性能， 归纳采用磁集成技术交错开关变换器的特征： 建立采用集成磁件的交错开关变换器仿真模型，对理论分析结果进行 仿真验证； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第2 章开关电源交错技术原理研究 本章在目前v r m 中对交错技术原理研究的基础上，系统总结交错技术的特点， 对其输出纹波特性进行理论分析，并重点研究和比较不同控制模式时交错均流特 性。 2 1 并联供电技术介绍 当今，由于电路集成度越来越高，供电电压不断降低，通讯系统的规模越来越 大。传统的晶闸管整流型电源由于效率低、可靠性差已经退出了历史舞台，取而代 之的是高频开关电源。然而受功率开关器件的限制，单台电源的功率很难满足要求， 需要多台电源并联工作以得到所需的功率。同时模块电源技术的成熟也为电源并联 供电提供了可能条件。采用多台丌关电源模块组合使用的供电系统称为并联供f u 系 统【3 j ，如图2 - 1 所示。 电。压反馈 输 反馈 图2 1 采用冗余技术的分布式供电系统 并联供电系统的主要特征如下： 热量管理：在并联结构中，每个模块只处理总功率的一部分，所以每个单元的 功率损耗小，简化了热量设计。 可靠性：并联减小了半导体器件的电应力和热应力，虽然在并联系统中器件的 数目增加，但整个系统的可靠性也随之增加。 冗余技术：并联技术的一个最重要的特征就是可以使用多于负载所需要的最少 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 模块的个数，来实现冗余系统。例如至少需要个模块刁能满足负载所需要的功 率，而通常采用十1 个模块。冗余技术适用于高可靠性的应用，如：大型计算机、 航空航天和军事等应用。 模块化：并联结构非常适用于模块化系统的设计，模块化便于系统的改变和结 构调整，可以通过增加模块的数目来提高输出的功率，因此只需设计标准模块，从 而既可以减小制造的费用又可以节约系统升级的时间。 可维护性：并联系统经过恰当的设计可以允许在线更换故障模块，支持热插拔 功能，实现不中断维护和维修，这在连续运行的高可靠系统中是相当重要的。 减小体积：模块化设计可以提高系统的功率密度，因为低功率模块可以实现商 开关频率，从而减小滤波器件的体积。 2 2 交错并联技术的基本原理 并联供电系统中，合理设计各个模块的工作时钟，可以获取更加优良的纹波特 性和响应性能。下面以两个模块并联为例进行分析，如果所有的模块的时钟都同步， 则整个系统特性类似于单个模块，如图2 - 2 ( a ) ；如果模块的时钟是相互独立的，并 且认为时钟频率不完全相同，则模块之间输入和输出电流纹波随机相消，如图 2 - 2 ( b ) ：为了最大限度的消除纹波，可以让所有的模块工作在相同的频率下，让各 个模块的开关控制信号彼此交错，如图2 - 2 ( c ) ，这样输出纹波的幅值有很大的降低， 同时输出纹波频率也提高为单模块的n 倍n 电流 纹波 模块1 时钟 模块2 时钟 今过t 、 t - t ( a ) 时钟同步波形图 电流 敛波 模块1 时钟 模块2 时钟 公始l t o ti 卜十 i h广 t ( b ) 时钟独立波形图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 电流 纹波 模块1 时钟 模块2 时钟 l 入l 一，? _ 、 l 二 -_ 、 r 二 b 广 _ 1厂 ： t ； h t ( c ) 时钟交错波形 图2 - 2 交错并联的基本原理 由以上分析可知，交错并联电源系统是指并联运行的各电源模块的控制信弓频 率相同，相角互相错开的并联运行模式。交错并联电源系统不但具有并联电源系统 的所有优点，还具有如下特征： 交错并联拓扑输出电流i 。的纹波频率为蚬，可以极大地降低滤波器和磁性 元件的要求，从而提高了整个交错并联电源系统的功率密度，同时滤波器容量的减 小可毗提高系统的瞬态响应特性。 交错并联拓扑的电压增益和单个模块相同，通过对单个模块占空比的控制实 现交错拓扑输出电压的精确调节。 输出电流纹波幅值0 a i 。，。m 。通过合理的设计可以使输出电流纹波幅 值接近于零，甚至为零，实现零纹波输出。 综上所述，交错并联电源系统适合高可靠、高功率密度和快速瞬态响应的电源 技术要求。 2 3 交错并联拓扑输出电流纹波数学分析 上节定性分析交错并联技术的优点和特性，本节根据交错拓扑的移相控制特 性，运用线形函数和组合波形的原理，推导了c c m ( 单模块电感电流连续) 和d c m ( 单模块电感电流断续) 两种情况下任意通道交错拓扑输出电流纹波幅值的数学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表达式，即在根据输入和输出电压增益确定占空比d 的情况下，如何选择交错通道 数以获取最优的输出电流纹波抑制效果，推导任意确定时输出电流纹波幅值 i 。，与d 的数学关系表达式。其方法简单主观、易于理解忙j 。 2 3 1c c m 模式下交错拓扑数学纹波特性 图2 3 为单个d c d c 变换器工作在c c m 模式时的电感电流i ，) 波形，并联运 行的模块控制信号移相交错为2 z n 。设并联系统中个d c d c 变换器均流良好， 1 单个d c d c 变换器的开关周期t ，开关频率 = = 1 ，开关占空比为d ，输出电流 t 平均值为l j ，输出电流纹波幅值为，。 d r t f 图2 - 3 单模块c c m 输出电流波形 设任意i 通道交错拓扑各个模块控制信号在时间上交错r = 生n 。对于图2 _ 3 所示单模块的输出电流波形，在时间上分成个以f 为间隔的等分区间，如图2 4 所示。 0 转折点，n 一1n 分段线 食 f 、 图2 - 4 单模块输出电流波形分区示意图 图2 - 4 中定义电流上升和下降的交点为转折点，将一个周期电流波形划分为n 个等分区间的n 一1 条直线为分段线( 不包括0 和n 两条) 。由于交错拓扑各模块的 控制信号交错时间为斋，输出电流，是以f 为周期的波形，所以只对。，州t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 问内的输出电流波形进行分析。由图2 - 4 可知，单模块电流波形分为个区【、白j ，每 个区间时移r ，个单模块彼此问的电流波形也是时移f ，交错拓扑输出电流是 个单模块输出电流叠加，所以0 f 曼r 时间内交错拓扑输出电流波形相当于个 ： 间内波形叠加。下面给出两个命题： 对于任意通道交错并联拓扑，在0 茎，f 时间内输出电流是个模块输出 电流之叠加，且个模块的电流波形恰好可以拼凑成一个完整周期单模块输出电 流波形。 由数学理论知，任意数目的单调线性函数相加，其结果仍为单调线性函数。 ( 1 ) 转折点位于分段线上的输出电流波形 图2 5 所示为转折点f 位于分断线上的示意图，可知个区间内的波形为个 线性段，那么0 f f 时间内输出电流的波形个线段相加。由命题l 知，上升线 段正好可以拼凑为单模块输出电流一个周期上升段波形，同理下降线段丁f 好拼凑为 单模块输出电流一个周期下降波形。根据稳态工作时单模块电感电流上升幅值等于 下降幅值的特性，可得区间电流波形叠加后为一条水平线，即输出电流纹波为零， 此时存在如下关系式 ( = l ，2 ，n 一1 )( 2 1 ) d _ 专 ( 一扣_ 1 ) ( 2 - 2 ) 定义此时的d 为零纹波占空比，d n = _ ，为正整数时，可以实现输出电流纹波 幅值为零，即a i 。= 0 。 j j “一1 z r 图2 - 5 转折点位于分段线上分区示意图 ( 2 ) 转折点位于分段线之内的输出电流纹波 图2 - 6 为转折点不在分断线上的示意图，在0 f sr 时间内输出电流波形是由 一个分段线性段( 转折点所在区间电流波形) 和n 一1 个线性段叠加而成。由命题2 瓦万 ， = r = t d 得 ) j q式 由 堕壹壅望查兰塑竺窒竺兰垡笙塞兰! ! 里 知，n 一1 个线性段叠加之和仍为一个线性段( 称为合成线性段) ，那么输出电流波 形就为转折点所在区问的分段线性段和合成线性段叠加，同理根据线性函数理论， 输出电流波形为一个分段线性段，并且上升的幅值等于下降的幅值，所以输出电流 的纹波幅值不为零。其原理如图2 7 所示。 1 ) j 。 + 1 n 一- l 个 ： z ； x ； ! l f卜 0 d 巧t 图2 - 6 转折点位于分段线内分区示意图 转折点所萌一区阐电流波形 1 模块叠加电流波形 块合成输屯流波形 图2 70 蔓f f 波形合成示意幽 结合上述分析，可推知如下关系 占空比d 上 d 等( 一，2 ，- 1 ) t vn(2-3) ，d ” 转折点到左侧分段线的距离 三= d 瓦一f( ，2 1 ，2 ，n 一1 ) ( 2 - 4 ) 可知输出电流纹波上升段波形等于个区间波形距离左端l 长度的波形叠加。 转折点左侧个区间电流是上升的，斜率为镱；转折点右侧于1 区间电流 是下降的，斜率为一可诹i r l p p e 。 输出电流纹波幅值表达式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ：2 u j 叫- 面lr t p p l e 一( 十1 ) 橇上 整理得 岔。z 吐愀 d _ 孙篙沪u ，肛， 通过上述分析，可知在任意确定的交错通道数n 的情况下 电流纹波幅值表达式 r 。，= ，唰。 。一焉 ! 寺舌j j 筹 式中t n 趴等 一，2 ，_ 1 进一步得出输出电流归一化纹波幅值k 表达式 趾等= d - 书nd 描0 d k 。【 j一) ( 2 5 ) ( 2 6 ) o d 1 时输出 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 式中羔n 。 百j + l ，= 1 ，2 ，一1 采用m a t l a b 软件分别绘制n = 2 、3 、4 、5 时，k 随占空比d 变化的关系，如 图2 - g 所示。 图2 - 8 输出电流归一化纹波幅值与占空比关系幽 2 3 2 d 例模式下交错拓扑纹波特性 图2 - 9 为单个d c d c 变换器工作在d c m 模式时的电感电流i “) 波形，其交错 工作和参数设定和c c m 相同。设电流下降到零时的点为过零点，为电流断续的标 记。由于d c m 工作时组合波形比c c m 时复杂，在此主要分析纹波的频率和幅值 特性，同样对设计具有指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 9 单模块d c m 输出电流波形 ( 1 ) 转折点和过零点同时位于分段线 图2 1 0 中，转折点和过零点上，、k 同时位于分段线示意图，满足0 k 三：时的原理波形，此时第二路模块的输出电流峰峰值人，并几电流 平均值小于第一路模块，这是有时峰值电流模式控制存在峰值和平均值的误差原因 造成的，如果负载越轻不均流现象越突出。图2 1 9 给出了存在电感差值时的均流 效果，所以这种方式的关键是保证电感值相等峰值。存在的不足之处在于电流控制 模式需要检测开关管电流，需要电流传感器或精密电流检测电阻，在大电流应用场 合会引起变换效率降低，也就限制了这种方式的应用【1 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 024 681 0 1 21 4 ( b ) 负载电流 图2 1 9 峰值电流模式不同电感的均流效果 本章小结：介绍并联开关电源供电系统的性能，阐述交错并联电源系统的原理，深 入研究交错变换器输出电流的纹波特性，并给出交错拓扑的最优设计原则，最后分 析在电压控制模式和电流控制模式_ f 交错变换器的均流性能。 每路电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章交错变换器分析与仿真 根据第2 章对交错并联电源技术的综合分析，本章以双管正激变换器为例对不 同交错形式的并联变换器进行仿真分析，结合相关器件的电流和电压特性，验证理 论分析结果。 3 。1 双管正激变换器工作原理介绍 图3 1 为双管正激变换器的原理图，该变换器由于电路简洁、工作可靠和性能 优良，是中大功率开关电源设计的优选变换器拓扑。 图3 - 1 双管正激变换器拓扑图 图3 - 1 中变压器t l 起隔离和变压作用，在输出端要加一个电感器l l 起能量的 储存及传递作用，变压器初级无需再有复位绕组，因为d 1 1 、d 1 2 的导通限制了曲 个调整管关断时所承受的电压。输出回路需有一个整流二极管d 1 5 和一个续流二 极管d 1 7 ( 其中d 1 5 、d 1 7 均最好选用恢复时间快的整流管) 。输出滤波电容c 应 选择低e s r ( 等效串联电阻) 大容量，有利于降低纹波电压( 当然这对于其它拓扑 结构的也是这样要求) 1 9 1 1 20 1 。 双管正激变换器工作特点： ( 1 ) 在任何工作条件下，为使两个调整管所承受的电压不会超过v i l + v d ( v i l ： 输入电压；v d ：d l l 、d 1 2 的正向压降) ，d 1 l 、d 1 2 必须是快恢复管( 当然用恢复 时间越短越好) 。 ( 2 ) 在与单端正激变换器相比，无需复位电路，有利于简化f _ 乜路和变压器i 殳 计；功率器件可选择较低的耐压值；功率等级也会很大，据了解，现在很多大功率 等级的通信电源及电力操作电源都选用了这种电路。 ( 3 ) 两个调整管工作状态一致，同时处通态或断态。 3 2 两路交错双管正激变换器工作原理介绍 两路双管正激变换器进行交错连接有两种方法，一种是双扼流圈结构，即两 个双管正激变换器并联在输出电容两端，两个双管正激变换器有各自的滤波电感， 堕宣壅塑查兰塑主塑壅竺兰焦笙壅 蔓丝里 ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一一一一 这种交错形式简称为p o c 电路，如图3 - 2 所示。另一种是单扼流圈结构即两个双 管正激变换器并联在续流二极管两端，两个双管正激变换器有公共的滤波电感，这 种交错形式简称为p f d 电路，如图3 - 3 所示。p o c 电路的工作情况与双管f 激电 路的工作情况一样，只是输出存在交错叠加情况。本节主要分析p f d 电路的工作 原理【2 ”。 图3 2 烈扼流圈交错变换器( p o c ) 拓扑图图3 - 3 单扼流圈交错变换器( p f d ) 拓扑剀 图3 3 所示的p f d 电路中，由于单滤波电感双管正激变换器的两个双管难激 变换器共用一个续流二极管和滤波电感，所以两个双管正激模块的工作是互相关联 的，因此p f d 电路与p o c 电路工作原理完全不同。为便于分析电路的工作过程 假设所有半导体器件是理想的，且有c 1 l 、c 1 2 、c 1 3 、c 1 4 分别是m 1 1 ，m 1 2 ， m 1 3 ，m 1 4 的寄生电容。电路稳态工作时，一个j 1 ：关周期有6 个j 作阶段，齐阶段 的电路等效拓扑如图3 4 ( a 卜( f ) 所示，各个工作阶段的电路工作原理如下 2 2 l 2 3 】： 1 ) 阶段a t 。一，】：如图3 - 4 ( a ) 所示，“时刻，m 1 l 和m 1 2 同时闭合，m 1 1 和 m 1 2 中的电流0 1 l ( = 0 。2 ) 并迅速增加，负载电流从d 1 7 转移到d 1 5 ，当到，时刻 d 1 7 中的电流减少到零。这个阶段变压器t 2 被复位； 2 ) 阶段b t l ，2 】：如图3 - 4 ( b ) 所示，在f l 时刻，d 1 7 和d 1 5i _ 白_ l 的换向己完成， 这个阶段m 1 1 和m 1 2 的电流线性增加，变压器丁2 仍然被复位，直到f ，时刻变压器 r 2 完成复位，这个阶段结束： 3 ) 阶段c t ：屯】：如图3 - 4 ( c ) 所示，岛时刻，变压器r 2 完全复位，箝位二极 管d 1 3 和d 1 4 停止导通，f ，之后，c 1 3 和c 1 4 通过直流源与t 2 的漏感和励磁电感 产生谐振，结果m 1 3 和m 1 4 的电压余弦方式变化，应该注意韵是这里的谐振与p o c 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 电路不同； 4 ) 阶段d t ，。 ：如图3 - 4 ( d ) 所示，f 3 时刻m 1 l 和m 1 2 关断，屯后，m 1 1 和m 1 2 上的电压线性增加，负载电流从d 1 5 转到d 1 7 。在这个阶段m 1 3 和m 1 4 上的电压继续谐振，直到f 4 时刻d 1 5 和d 1 7 换向完成，m 1 1 和m 1 2 的电压达到u 。： 5 ) 阶段e t 。f ，】：如图3 - 4 ( e ) 所示，这个阶段筘位二极管d 1 1 和d 1 2 f 偏对 变压器z 复位，m 1 1 和m 1 2 的电压筘位到u 。同时续流二极管d 1 7 开通，m 1 3 和m 1 4 上的电压很快谐振回妻u 工 6 ) 阶段f t ，f 。 ：如图3 4 ( f ) 所示，这个阶段变压器z 被复位，m 1 3 和m 1 4 上的电压保持在寺，负载电流经过续流二极管d 1 7 。这个模态在r 。时刻结束， 当m 1 3 和m 1 4 同时开通开始下一半个周期时即是f 。时刻，下半周两个变换器“角 色”互换后与以上6 个阶段工作情况一样； u 五n n _ 型i 。品 措篓仟u u 删：担亟l 王! 三一|i m 3 1x 1 4 婢蔷 ( c ) o u u 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 o u ( e )( f ) 图3 - 4 一个周期p f d 电路等效电路拓扑图 3 3 p o c 和p f d 两种电路性能分析和比较 3 3 1 稳态性能分析和比较 设定u o 是输出电压，d 是占空比，t 并联工作周期，l 。为p o c 电路的滤波电 感( 两个) ，l ：为p f d 电路的滤波电感。下面对重要的电路性能参数进行分析和比 较【2 4 1 。 ( 1 ) 电感电流纹波分析 p o c 电路： 假定在输入电压、输出电压和负载都相同的情况下，p o c 电路l 的电感纹波 为： 蛾：掣 ( 3 - 1 ) 两个变换器交错时，则输出电容c 上的电流纹波为： 牛半 ( 3 2 ) p f d 电路 对于p f d 电路，滤波电感上：上的纹波电流等于输出电容c 的纹波电流，这个 纹波电流，为： ，2 ：a i 屯：u o ( 1 了2 - d ) t ( 3 - 3 ) 1 r。， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 比较式( 3 2 ) 和( 3 - 3 ) ，如果要使a 。= ，：( 即纹波电流相等) ，则p o c 电路的 滤波电感上i 应该是p f d 电路中电感l ：的两倍。 即：l l = 2 l 2( 3 - 4 ) ( 2 ) 功率器件电流电压应力分析 p o c 电路 在p o c 电路中即如图3 - 2 ，整流二极管( d 1 5 、d 1 6 ) 和续流二极管( d 1 7 、d 1 8 ) 的电流应力是一样的，给出的方程如下： x - 7 彳+ 竺冬 塑( ，6 ，7 ，8 ) ( 3 _ 5 ) 式中：厶是输出平均电感电流。 主开关m 1 1 ，m 1 2 ，m 1 3 和m 1 4 的电流应力为： 矿( n f f o ) 2 2 + 掣( h ，6 ，7 ，8 ) p 6 ) 式中：强是p o c 电路中变压器的匝比。 箝位二极管d 1 1 ，d 1 2 ，d 1 3 和d 1 4 的电流应力与( 3 6 ) 式一样。主开关和箝伉 二极管电压应力等于电源电压，即为： u m 。2 u d ，。= u 。 整流二极管d 1 5 ，d 1 6 和续流二极管d 1 7 ，d 1 8 的电压应力为 u d j = 押1 u ，。 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ) p f d 电路 如图3 - 3 ，整流二极管d 1 5 ，d 1 6 和续流二极管d 1 7 的电流应力是一样的，如下 甜警 ( 3 4 ) 式和( 3 - 9 a ) 式结合，又可以得到 ，q ，。= l + 学c ，= s ，a ， 主开关和筘位二极管的电流应力如下 ( 3 9 a ) ( 3 - 9 b ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 6 页 。= i d l i m a x 毡。掣 1 1 2 ，3 4 ) ( 3 _ l o ) 式中：m 是p f d 电路中变压器的匝比。 在p f d 电路旱，主开关和籍位二极管的电压应力被箝位到u 。，即 u m ，= u u 。= u 。( f = 1 ，2 ，3 ，4 ) ( 3 - 1 1 ) 而续流二极管d 1 7 的电压应力是： u 。= 一t 7 2 u 。 ( 3 - 1 2 ) p f d 电路里，整流二极管d 1 5 和d 1 6 上的电压是 u q ，。= u q 。= 一2 n 2 u 。 ( 3 - 1 3 ) ( 3 ) p o c 和p f d 电路功率器件应力比较 为了比较p o c 电路和p f d 电路中器件的电流和电压应力，首先我们需要考虑 变压器的匝比，从输出电压和输入电压之间的关系，p f d 和p o c 电路的匝比可以 表示为： n 1 = 2 n 2( 3 一1 4 ) 在p f d 电路中，主开关m 和箝位二极管的电流应力比p o c 电路中相应的 器件的电流应力低。 从( 3 6 ) 、( 3 - 1 0 ) 和( 3 - 1 4 ) 式可知： ，。：掣( 3 - 1 5 ) 式中：甜。一即是两种电路中主开关的电流应力差。 p o c 电路中续流二极管的电流应力比p f d 电路中续流二极管的应力低，这 是很明显的，因为p o c 电路有两个续流二极管而p f d 电路仅用个二极管。 两种电路中，主开关、箝位二极管和整流二极管的电压应力是相等的。 p f d 电路中续流二极管的电压应力是p o c 电路中续流二极管电压应力的一 半。 从以上的比较可知，p f d 电路中有更多的优点，尤其是在大电压和大功率的应 用场合，p f d 电路更显优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 3 3 2 动态性能分析和比较乜” 为了分析p o c 和p f d 电路中的动态性能，用状态空间平均法建立各自的小信 号等效电路模型，在这些模型中，输出电容上的电压( 输出电压) 和通过滤波器电感 的电流被作为状态变量，输入电压和占空比的变化作为输入变量，输出电压的变化 作为输出变量。 ( 1 ) 电流连续的模式下( c c m ) p o c 和p f d 电路的小信号模型 p o c 电路 电路小信号模型如( 3 1 6 ) 式： 2 丽i 等蕊h 魄( s ) + n t u 。d o ) ) ( 3 - 1 6 ) 式中：, t o g ) ，“。g ) 和d o ) 分别是输出电压扰动，输入电压扰动和扰动占空比 它们都是频域变量，d 是稳态占空比，r 是电阻负载。 p f d 电路 电路小信号模型t t l ( 3 1 7 ) 式： o ) 2 丽2 + r l ：，+ “( d n z “。g ) + n 2 u j 。d ( s ) ) ( 3 1 7 ) 应该注意，在c c m 下，为了使输出电压相等，两种电路的稳态占空比应陔相 等。 ( 2 ) 在电流断续模式下( d c m ) 下p o c 和p f d 电路的小信号模型 p o c 电路 小信号模型与( 3 1 6 ) 相差很远，如( 3 1 8 ) 式： ( s ) 2 币矿百r 五d t 瓯_ 两( 曰u 。d 。+ 2 n 1 1 2 i ( 3 _ 1 8 ) 式中：a = 乩耻而丽8 丽l i r 加? 1 + 8 l i d j r r l 己，。是稳态输出电压，d 1 是d c m 下p o c 电路的稳态占空比。 p f d 电路 电路小信号模型如( 3 1 9 ) 式： “。g ) = r d 2 上2 c r s 2 + 工2 s + r ( 2 d 2 + 4 2d 2 ) 忙：u 。d ( s ) + 2 n ：o ) )( 3 1 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 8 页 式中：a = 乩耻而葡i 4 l 2 丽 r ；、1 + 4 上，i d j r 7 j d ，是p f d 电路在d c m 下的稳态占空比。 从( 3 1 8 ) 和( 3 1 9 ) 式可知，在d c m 下，p o c 和p f d 电路的小信号模型都与稳 态输出电压u ，有关，这是c c m 与d c m 下小信号模型的主要区别。 另外，两种小信号模型都与稳态占空比有关，但是值得注意的是，在d c m 下 两种电路的稳态占空比不再相同，它们之间的关系如下表示在( 3 - 2 0 ) ，( 3 - 2 1 ) _ j u ( 3 2 2 ) 式。 q = 老j 褊 p ： d ，：l 2 n 2 u 。 ( 3 - 2 1 ) 卟豪2 nj 鬻2 4 n 黪 t 2 u 剥u 马 仔z ：， 2 ：【。一。) 一1 。7 从( 3 2 2 ) 式可以看出在d c m 下，两个稳态占空比的比例保持不变。 ( 3 ) 动态性能比较 如( 3 4 ) 和( 3 - 1 4 ) 式成立，很明显在c c m 下，p o c 和p f d 电路的小信号模型是 一样的，如式( 3 2 3 ) 所示： 虬o ) = z 五己o d u i n ( s ) + n u 。d o ) ) ( 3 - 2 3 ) 式中：l = l 2 = 0 5 l 1 ，n = n 2 = 0 5 n 1 所以在c c m 下，p f d 电路和p o c 电路有相同的动态性能。但是在d c m 下， 尽管( 3 4 ) 和( 3 1 4 ) 式存在，两种电路的动态性能却很不样。 从( 3 - 1 8 ) 式可以得到p o c 电路的稳态增益、内部频率和阻尼系数分别表示如 ( 3 - 2 4 ) 、( 3 - 2 5 ) 和( 3 2 6 ) 式。 g 矿骂“) ( 3 - 2 4 ) 。t = 4 ( 2 0 1 + a l d l ) z 1 c( 3 , - 2 5 ) = 腼嘲删 ( 3 - 2 6 ) 磊r，iv 西南交通大学硕士研究生学