（电气工程专业论文）高功率密度dcdc模块电源研制.pdf

摘要 为了满足通信电源业界的标准配置 各个模块电源制造商生产的电源模块 具有兼容性 d c d c 模块通信电源必须进行标准化设计 高功率密度砖块电 源由于其技术和工艺的复杂性 一直被国外少数几个大公司所垄断 在理论研究这一块 特别是各种电源拓扑结构的研究 国内外水平相当 这也为我们研发7 0 0 w 全砖和2 5 0 w 半砖d c d c 电源模块提供了坚实的理论 基础 如正激变换器 反激变换器 正反激组合变换器等等 这也是我们避丌 国外电源产品专利保护 实现现有技术的集成的基础 通过博士后期问的努力 得到了以下技术成果 1 7 0 0 w 砖块电源的开关频率达到了3 5 0 k h z 满载效率为8 9 达到了国际 先进水平 2 变压器和输出滤波电感都采用平面磁芯来进行设计 实现了超薄型和高效率 3 模块间的均流采用开关电源自主均流装置 并且获得了国家实用新型专利 专利号为 2 0 0 5 2 0 1 1 0 4 0 2 3 a b s t r a c t as e f i e so fh i g h e f f i c i er i c yf u l l 一b ri c ki s o l a t e dd c d cc o n v e r t e r s d e s i g n e ds p e cif i c a ll yf o ru s ew it hr a d i0f r e q u e n c yp o w e ra m p li f i e r sa n d s i m il a rt e l e c o me q u i p m e n t t h en e ws e r ie so fc o n v e r t e r sc o m p ris e sf i v e 2 8vo u t p u tm o d e l sf o ro p t i m a la p p li c a t i o n sf l e x i b ilit y t h et o po ft h e p o w e ri sc a p a b l eo fd e liv e r i n g2 5aa t2 8v 7 0 0w y i e l d i n gap o w e r d e n s i t yi ne x c e s so f1 2 7w i n 3 f u l l b r i c kc o n v e r t e r sa r eb a s e do n a na d v a n c e d s i n g lef o r w a r d t o p o i o g y u s i n gu l t r a f a s tr e c o v e r yo u t p u td i o d e sa n dah ig hf i x e d s w i t c h i n gf r e q u e n c yo f3 5 0 k h z t op r o v i d ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c i e so fu p t o8 9 a tf u lll o a d t h ism i n i m iz e sin t e r n a lp o w e rd is sip a ti o n w h ic h s i m p li f i e s t h e r m a l m a n a g e m e n t a n dc o n t r i b u t e st ot h ec o n v e r t e r s e x c e l l e n tr e l i a b i1it y f e e d b a c ki s o l a r j o ni sa c h je v e d w i t ht h eu s eo f o p to c o u p le r s t h e d e s i g no ft h ep l a n n a rc o v e isu s e dt o i m p r o v et h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c i o sa n dm a k et h es i z eo t t h ec o n v e r s i o ns m a o r 第一章绪论 课题的来源 通信用二次电源模块 输入电压3 6 v 7 6 v 输出电压2 8 v 电流2 5 a 的 单输出7 0 0 w 全砖d c d c 变换器 且能够直接并联 各项技术指标符合通信 用二次电源模块的要求 同样的 对于2 5 0 w 半砖模块也适用 二 7 0 0 w 全砖电源模块国内 外业界的现状 全砖电源模块从最初的以l u c e n t 公司为代表的2 5 0 w 功率密度在近年 来不断升级 3 0 0 w 5 0 0 w 6 0 0 w 直到现在的7 0 0 w 国际上的l a m b d a c o s e l e m e r s o n 公司都相继推出了7 0 0 w 7 0 0 w 全砖代表着世界级水准 三 常用主电路拓扑结构的比较 对于高功率 高密度 需要电气隔离的通信用二次电源模块 常用到以下 电路拓扑结构 r j 一 l l t 一 r 1 j b 1l i f l c 图1推挽以及推挽 f 激变换器 门 下 1 幸 j 1 k i 图1 的左图为推挽 p u s h p u l l 电路的拓扑结构 右图为推挽i e 彩k r p u s h p u l l f o r w a r d 电路拓扑结构 推挽l f 激电路是在推挽电路拓扑的基础上提出来的 由于变压器漏感的存在使得推挽电路的主开关器件在关断时会产生很高的电压 尖峰 而推挽征激电路由于电容的筘位 开关器件的电压硬力得到降低 另 推挽电路需检测电流来达到对变压器电流的实时控制 以满足变压器原边电流 f 负半周的平衡 而推挽正激电路却不需要 它通过电容来调节 自动实现变 压器电流正 负半周的平衡 但 推挽正激拓扑结构的开关频率很难提高 工 作频率在i o o k h z 左右 随着丌关频率的提高 效率会大幅度下降 图2 的左图为对称半桥主电路拓扑结构 右图为不对称半桥主电路拓扑结构 半桥电路由于其较低的电压开关应力 得到广泛的应用 特别是在高压的场合 但变压器只能得到一半的输入电压 所以匝比较小 增加了原边的损耗 特别 在低输入电压 大电流的工作场合 不对称半桥只是对称半桥的变种 它由于 图2半桥电路和不对称半桥电路 j 1 上一 1t 坠 l u 一 上 下管不对称工作 所以较易实现软开关技术 而对称半桥要想实现软开关 工 一 1 图3单端萨激和反激电路 2 作方式 必须采用不对称的控制方式 图3 的危图为单端诈激电路 右图为单端反激电路 有源箝位单端i f 激变换器 是v i c o r 公司在1 9 8 3 年申请的专利 它突破了占空比不能超过5 0 的限制 使变压器能够双向磁化 提高了变压器的利用率 并且通过降低变压器的磁化 电感 通过漏感来实现主开关的零电压开通 2 0 0 3 年专利保护到期 此电路拓 扑结构将有着大规模的市场前景 现在很多的控制芯片公司都瞄准了这个拓扑 结构 开发出了很多的控制 芷 片 单端反激电路由于其拓扑结构简洁 在小功 率的场合得到广泛的应用 但在大功率的应用中 由于主开关在关断时刻 变 压器漏感的存在 将产生很高的电压尖峰 所以在高功率的应用中 也常常象 正激变换器那样 引入有源箝位 由于单端正激和单端反激简单的主回路 所 以 常常提出一些组合方式 往往会有着意想不到的效果 相应的变换器组合方式 图4 中的左图为有源箝位双正激变换器 右图为有源箝位双反激变换器 这两 种变换器都可以采用交错的控制方式 载波移相 以达到滤波支路倍频的效果 同时可以提高系统的功率 缺点是所用的器件太多 而且每个开关器件的峰值 电压和峰值电流应力和单个的一样 yl j 1 u 十v i i 一 j 上1 zj u 1 t 罨j i j 一 l l 品 tt 一 j v l 出 l i y l 十 3 i 一 锄 l 几 丰匹 i v d c 紧 r 8 i y 丰d l 1 v d c 匕 k 丰j i 一5 冉冉一 图5 正反激组合变换器 图5 左图为采用单个变压器的正反激组合变换器 右图为采用两个变压器 的正反激变换器 采用单个变压器时 常常采用变压器加气隙的办法 降低磁 化电感 增大磁化电流 这样在主丌关被关断时 可以充分利用磁化能量作反 激方式 丁作 采用两个变压器时 它的的原理更为清楚 实际就是把萨激变换 器和反激变换器串连起来使用 在通信电源的砖块研制中 显然采用两个变压 器的正反激组合比单个变压器的正反激组合具有明显的优势 1 由于平面变压 器的超薄特性 所以要求变压器的匝数越少越好 双变压器结构的 f 反激变换 器 把两个变压器分成两个去做 所以很容易实现 2 采用双变压器结构的不 需要输出滤波电感 因为在 f 激工作时 反激变压器在原边充当电感 而单个 变压器的却不具备这种功能 另外 现在针对二次电源模块 提出的各种先进技术 在产品中几乎还没有见 到 如 倍流技术 磁集成技术 这在产品中是一个值得探讨的问题 四 相关产品的解剖 l u c e n t 公司的f w 2 5 0 一3 0 0 r 1 全砖产品 4 输出电压2 8 v 输出功率2 5 0 w 3 0 0 w 输入电压3 6 一7 6 v 丌关频率4 7 5k h z 采用快恢复二极管整流 图6l u c e n t 主电路拓扑 图6 是l u c e n t 公司的全砖主电路拓扑方案 整体上主电路拓扑结构属于有源箝 位两个 f 一反级 f o r w a r d f l y b a c k 变换器交错并联的方案 且输出采用两 个扼流圈 这种交错并联方案可以降低输出滤波电容 和输入滤波参数 变压 器要挚气隙 降低变压器的磁化电感 增大磁化电流 这样在主开关关断时 实现f l y b a c k 丁 作模式 磁芯采用平面磁芯 满载效率9 0 5 基板工作温度为 4 0 0 c 1 0 0 0 c 可直接并联操作 半载到满载时的均流精度控制在1 0 以内 v i c o r 公司的5 0 0 w 全砖产品 v i c o r 公司采用二次集成的电装技术 即直接购置裸芯片进行封装 如图7 所 不o 5 图7v i c o r 全砖解剖图 这一方式 功率密度更高 寄生参数更小 另外 所有的控制电路 保护电路 驰动和检测电路都集成在两个芯片里 这是集成度极高的全砖模块 主变压嚣 和输八 输出滤波电感都聚用u 型磁 t l 束实现超薄化 v i c o r 公司的主电路拓 扑结构整体上属于单端正激变换器 如图8 所示 变压器磁化能量的复位是靠 变压器的漏感b 与极管上电容谐振柬完成 且通过谐振束完成主丌关i 作在 零电流开通 零电 e 关断的软外关状巷 最高教率为8 85 基板工作温度为 一2 0 c 1 0 0 0 c 开关频率3 0 0 k h z i 牢 r r 口 丁 l 士i 宁 图8v i c o r 公司主 b 路拓扑 l a m b d a 公司的7 0 0 w 全砖产品 采用双变压器的有源箝位正 反激组合式变换器 这也是l a m b d a 公司的专 利技术 弧 门 占d ii 1 蒋 l 一 十 厂尹7 一 图9l a m b d a 公司7 0 0 w 拓扑结构 图9 为l a m b d a 公司研制的全砖主电路拓扑结构 当主开关管开通时 电路 为币激方式工作 当主开关管关断时 电路为反激方式工作 且主丌关和箝位 开关都实现z v s 基板工作温度为 4 0 0 c 1 0 0 0 c 效率为9 0 9 1 可串 并联工作 此电路对7 0 0 w 的全砖来说 有以下优点 1 没有使用输出滤波电感 为模块节约了很大一块空间 2 采用两个变压器输出功率 且这两个变压器完全一样 这就为电源的 短 小 轻 薄 提供了技术支持 避免了采用一个变压器输出功率过于集中 因 此 正 反激组合式变换器继承了单端正激变换器输出纹波小 输出特性线性 的优点 但比正激式的磁性元件小 电压应力低 相应的可靠性高 体积 重 量小 这对电源的小型化很有意义 可见这种正反激组合式变换器在全砖应用 领域比单端正激式变换器优越 c o s e l 公司的全砖拓扑方案 c o s e l 公司是全球第一个实现7 0 0 w 全砖模块的 它的主电路拓扑结构如图1 0 所示 它的工作原理与v i c o r 公司的5 0 0 w 全砖相似 它的整流二极管和续流 二极管都并宵阻容支路 主要是通过与变压器漏感的谐振来完成正激变压器在 7 关断时的复位 开关频率3 6 0 k h z 可以直接并联 半载f q j 满载的均流精度控 制在1 0 以内 r r m 唧f u 丁 l j 衫 一 一 j一 夕一 丁 一 r 一白太 图1 0c o s e l 公司的全砖主电路拓扑结构 它的变压器和滤波电感都采用平面磁芯来实现超薄化 这种结构也是当今二次 模块电源的主流结构 五 本课题方案的选择 本课题在大量理论拓扑调研和对国际上一些产品的解剖 最终确定有源箝 位单端正激变换器作为7 0 0 w 全砖的主电路拓扑 主要基于以下几点考虑 1 这一拓扑结构的专利保护去年已经解禁 在未来将有着广泛地使用价值 尤 其是在通信电源的砖块领域 2 该电路结构简单 元器件少 效率高 满载时可达9 0 0 左右 可靠性好 特别适合于高功率密度场合 3 很多的芯片制造公司也都瞄准了这一电路 研发出大量的p w m 控制 落片 因此会有足够的选择余地 4 该电路易于超薄化设计 逾越了5 0 占空比的限制 提高了变压器的利用 率 双向磁化 六 本课题的理论和实践意义 本课题 作的意义 主要有以下几个方面 1 7 0 0 w 全砖模块和2 5 0 w 半砖模块基本 基本代表了在这领域内业界的最高 水平 2 有源箝位单端正激变换器在7 0 0 w 全砖电源模块和5 0 w 半砖模块中的应用 是科技成果转化为生产力一次较好的尝试 3 装配技术是近年来电力电子学科一个新的研究热点 特别在模块的超薄化设 计 平面磁芯的设计等方面 出现了大量的科研成果 七 课题进度安排 2 0 0 4 年1 月一 2 0 0 4 年4 月 完成资料调研和相关产品的调研 确定产品开发方 案 同时进行博士后期间的开题 2 0 0 4 年5 月 2 0 0 4 年6 月 进行参数优化 设计 仿真 以及产品的结构优化 设计 2 0 0 4 年6 月 2 0 0 4 年1 2 月 完成7 0 0 w 全砖模块的研制工作 并进行博士后 期间的中期考核 发表相应数量的文章 2 0 0 5 年1 月 2 0 0 5 年6 月 完成半砖模块的参数优化 设计 以及产品的结构 优化 设计 2 0 0 5 年6 月 2 0 0 5 年1 1 月 完成半砖模块的研制 并书写出站沦文报告 9 第二章单端正激变换器的小信号闭环分析 单个模块系统的小信号闭环框图如图1 所示 它包括电流内环和电压外环 双闭环组成 采用双闭环的结构是为了在多模块并联时的均流方便 电流内环 既可以采用峰值电流模式 也可以采用平均电流模式 为了控制上的简化 本 课题采用平均电流模式 在图1 中 f c 构成反馈电流增益 f v 构成反馈电压增 益 g v 是用于电压环的补偿网络 电路如图2 所示 g i 为高增益的平均电流 控制模式的闭环传递函数 v o n v m d 2 为系统p w m 调制部分 v i n 和i 作为 小信号系统的扰动 图1 小信号系统的闭环框图 一 电压外环的补偿网络分析 电压外环的补偿网络原理图如图2 所示 它实际上是在p i d 调节的基础上改进 的一个电路 1 0 它的传递函数如下 图2 补偿网络原理图 v od z z o dg z 伽 z m 口 兰垦堡鱼旦鱼 z o 口 篁垦堡 里1 5 r c l 口s 舄c 1 口15 2 r 2 c 2 c 3 口s q 口s q r n5 2 r c rc 1 口r 3c 1 口5 r c l 口 c 1 口r 2 c 口1 s 3 r c b c rc 1 口5 2 r 3 r q q c 2 口c 3 口r r c c f s r 飞 c 2 口c 令 r 1 2 4 9 k r 2 3 0 1 k c 1 1 0 0 0 p f c 2 3 3 0 0 p f r 3 i k c 3 1 0 0 p f 传递函数 g 的b o d e 图如图3 所示 j j 0 7 f r 明u o n c y h z 图3 传递函数g v 的b o d e 图 1 1 从图3 中可以看出 补偿网络实际上用于增加电压环的带宽 提高系统的动念 响应速度 特别是在开关频率附近 可以有效地抑制开关频率附近的纹波 如果去掉r 3 和c 3 则就为传统的p i d 调节器 它的b o d e 图如下图所示 s 霉暑 善订 萎 芏二j 窖 j 一日 霉 i 苦a t 7 j 0 一0 f r f r u 纠 h 图4简单的p i d 闭环分析 纯粹的p i d 调节会给系统引入高频噪音 导致系统不稳定 双闭环系统的性能分析 在图1 的双刚叫 控制系统中 电流外蚧传递曲数为 h i og i o 玎k v 萨工瓦西s r o 甄c o 3 1 口f c 电压环的开环传递函数为 h y 口g v 口1 口h 铲i 丽a o 口瓦f v 注 传递函数的计算公式1 f 常庞大 都是通过m a t h c a d 软件米实现的 这也为参数的调 试带来方便1 1 2 j i i 弋i 警 蠢 r l e 7 e i i i i i i 二 曩 k i 叠 二三童一二毫 蕊二 曼 i j 一 二五 o l o 寡皇 嚣麓拳若 岛 l1 j 0 图5电流开环传递函数b o d e 图 嚣 麓 豢一一 n 一 囊 求 7 一囊 誊 图6电压丌环传递函数b o d e 图 根据电流环和电压环的传递函数 可以画出它的幅频特性曲线 图5 图6 分 别为电流内环和电压外坏开环传递函数的b o d e 图 从图中可以看出 电流坏 的带宽明显高于电压环的带宽 因此系统在保证稳定的前提 尽量可以通过电 流内环来提高系统的动态响应速度 且它们都满足相应的幅值和相角裕度 1 3 t0 一 000 0 一 牛囊 曩装彬 一 一 一 毫一 鼍 誓 一 霄誓一 夏鬟强i妊 管誓x h 一 0 号 i土5毫苫z笛等 器量 n 善霉1l蓉z 三 开关电源系统主要的性能指标 开关电源系统的性能指标主要反映在以下几个方面 1 稳定性 主要反映在开环传递函数的相角裕量和幅值裕量上 从图6 的电压环b o d e 图 就可以清楚的看出 2 动态响应特性 体现系统开环的截至频率 也就是带宽 原则上带宽越宽 它的动态响应速度 就快 但 太宽了 系统就会不稳定 同样可以在图6 的b o d e 图中可以看出 3 抗负载扰动能力 体现在闭环输出阻抗上 闭环输出阻抗越小 抗负载扰动能力越强 开环输出阻抗 z 口五五s li 口z 相面z o 5 2 l c 口5 土r o 叽 上 用v 闭环输出阻龇z 0 h 口盎 4 抗输入扰动能力 体现在闭环音频衰减函数上 闭环衰减函数越弱 抗输入扰动能力越强 开环音频衰减函数 ae口面v面inl口den p h 口志n s s2 l c o 口5 叽 川 v 四 多模块并联技术 a 口面a e 1 4 均 流 母 线 图7自主均流法原理图 本课题采用自主均流法来实现多模块的并联技术 所谓自主均流法 实质上也 是主从模块均流法 即在n 个并联的模块中 输出电流最大的模块为主模块 而其余的模块为从模块 由于n 个并联的模块中 事先没有人为设定哪个模块 为主模块 而是通过电流的大小排序 电流大的自动成为主模块 自主均流法 因而得名 图7 表示自主均流法的原理框图 均流母线上的电压 反映的是并 联各模块中电流最大的值 由于二极管的单向导电性 只有对电流最大的模块 二极管才导通 正常情况下 各模块分配的电流是均衡的 如果某个模块电流 突然增大 成为并联模块中电流最大的一个 该模块自动成为主模块 其它各 模块为从模块 从模块以均流母线上的电流信号作为本模块的电流基准 跟踪 基准信号 达到跟主模块均流的目的 采用主从控制模式的多模块并联均流模 式 由于在实际使用中经常会出现系统存在 争主 现象 从而导致系统的不 稳定 为此提出了如图8 所示的优化的平均电流均流模式 输出电流i o 与均流 母线上的信号通过比较器进行比较 进而对二极管d 5 进行开通和关断的控制 以实现对参考电压v r 的调节 最终实现模块问均流的目的 1 5 c 图8优化的平均电流均流模式 图9 三个闭环系统的小信号框图 图9 给出了电流内环 电压外环 均流环三个闭环系统的小信号系统框图 与 图1 的双闭环系统相比 多了一个均流坏 g 为均流环的传递函数 则任一个并联模块的方框图如图1 0 所示 图中每个函数的含义如下 1 6 图1 0 系统小信号方框图 f v 电压反馈传递函数 h 检测电流到电压信号的传递函数 f m 脉宽调制传递函数 g v 占空比到输出电压的传递函数 g i 占空比到电感电流的传递函数 g s 均流放大器的传递函数 g c c 电流坏的电流放大器传递函数 g c s 均流环电流放大器传递函数 g c v 电压环的电流放大器传递函数 a v o 工c d 分别是输出电压 电感电流和占空比的扰动 在图3 中 如果第n 个模块发生均流扰动 则 v s 口g s v 1 8 u s 口h j h a 把v 舢5 口hfl k 代入上式得 y 5 口g 5 h il k 口t 因为其他模块电感电流的扰动不会对本模块形成本地反馈 因此 y 5 口口g s h i l 电压环的丌环增益 t v f m g c v f v g v 电流环的丌环增益 t i f m g c c h g i 1 7 均流环的开环增益 t s f m g c s g s h g i 根据三个坏的控制方法 可以用来设计控 制器 设计时注意以下几点 关于平均电流模式的控制 误差放大器的非零极点应在半开关频率之后 误 差放大器的零点至少放在半开关频率的十分之一之前 外部的斜坡设置应该 与电压模式相似 选择误差放大器增益在半丁 关频率处 对谐振峰值有适当 的阻尼 同时又具有一定的带宽和闭环调节速度 为了判别稳定性 应考虑外部环增益t t 口 垦 加l 口丁s t 实际上是图3 a 点测量的结果 在总环增益中为了避免下沉效应 即提前出现单次穿越现象 当两个环相交时 不要把两环的相位放在相反的方向上 如l g 9 0 0 s f n t v e 2 7 0 0 不能发生在同一 频率处 两环相减则产生倾斜从而引起系统的不稳定 通过m a t l a b 对系统进行仿真 t v t i t s 的b o d e 图如下 图1 0 1t v 在满载时的b o d e 图1 0 2t i 在满载时的b o d e 1 8 图1 0 3t s 在满载时的b o d e 通过对t v t i t s 三个开环传递函数的b o d e 图分析可知 电流内环的动态 响应最快 电压外环次之 均流外环的速度最慢 以上三个开环参数的b o d e 图是稳定的 但真正说明系统稳定的是参数t 它的b o d e 图如下 由图可知 t 无论在轻载或重载都满足一定的幅值和相角裕度 f r e q t m r o y r a d a e c 图1 0 4t 轻载时的b o d e 图1 0 5t 满载时的b o d e 1 9 图1 1三个闭环系统的纠环传递函数幅频曲线 图1 1 给出了三环系统的 三个开环传递函数的幅频曲线 蓝色曲线为电流环 绿 色曲线为电压环 红色曲线为均流环 从三个环系统的幅相曲线 可以清楚地 发现它们的设计规则 其中电流环的带宽最宽 动态响应速度最陕 其次是电 压环 均流环的动惫响应速度最惺 它的带宽也最窄 第三章有源箝位单端正激变换器的仿真分析 由于有源箝位单端正激变换器的工作模态在各种文献中已经分析的比较完善 了 在此就不作分析了 它无非是包括了图1 中的两种工作模态 即主管丌 图1 开通和关断时的等值电路 通模态 以及主管关断模态 其中的滤波电感和滤波电容以及负载都是映射到 变压器原边的等效值 l m 为变压器的磁化电感 i i n 为磁化电流 m a t l a b 仿真参数如下 开关频率3 6 0 k h z 变压器的匝比为5 7 输出滤波电感l o 1 0 u h 输 出滤波电容c o 4 0 0 u f 磁化电感2 l u l l 漏感1 5 u h 没有作说明的 都是以 4 8 v 作为输入电压 相应的最大占空比为0 5 系统采用双闭环进行控制 由于 系统的静态特性仿真 可以通过动态特性直接看出 因此 给出的仿真波形都 是通过一些动态特点给出 且动态特性是衡量电源 个非常重要的指标 一 负载的动态响应 2 1 图1 负载从0 定变到1 0 0 时的仿真波形 图1 给出了负载从0 突变到1 0 0 时的输出波形 七图为输出r l r k 波形 下图 为滤波电感上的电流波形 从上图口j 以看出 输出电压在2 m s 左右达到稳态 电感j 的电流达到稳态却只要2 0 0 u s 生 m 口l 啪 h j l s m 日 1 惜 上 j j 0 一 c0 11 m3754蝎 图2 负载从0 到1 0 0 突 韭时磁化电流波形 图2 给山了负载电流从0 突变到1 0 0 时 变压器磁化电流的仿真波形 它超 过丁峰值电流的两倍多 所以在实际应刚中 要泣意磁心的饱和 图3 给出了负载从0 到1 0 0 突变时 筘位电容上电压的波形 人仿真中可以 看h 它的峰值控制在1 2 0 v 以内 埘选择1 5 0 v 削压的 幅丌共管 是完牟 满足要求的 同样选择耐 2 0 0 v 的 恢复二极管和箝位电容也是合适的 子奁 感的输出电流波形 u n l 看山 芒们的动态州应速度在2 0 0 u s 图5负载从5 0 剑1 0 0 突变时箝位电容上的输出电垭波形 与图3 相比 突变时 电容上电压的变化量很小 也反映出系统自若较好的稳 定性 图7 原边电流放大波形 图6 和图7 是负载从5 0 到1 0 0 突变时原边电流波形和相应的放达波形 电 流的反相t 要是漏感引起的 这为实m 主丌芙管的零电压丌通提供了町能 剀 此 在实阿应朋中 我们常常给变 i 器定的气隙 就是为了提鬲变压器的漏 感 既可以史现主管的零电压川逦 疋n j 以防止变压器在动态过程中的饱和 国8 是丰w 关实现软丌通的波形 上图为它的驱动 f 罔为它t 作电压波形 从图中u j 以看出 它实际l j 是部分软开通 如果要实现全弁 5 软丌通 它的漏 感就耍增犬 漏譬增大会增加占空比的丢失 因此漏感选择要适度 图8 主开关实现软开关开通被形 二 关于最大占空比的解释 为了 l 止变压器的饱和 工作时 往往要设定最大z 彳窀比 但只是确定一个塌 大占空比是不全面的 比如刊于输入3 6 v 7 6 v 的二次通信电源模块来蜕 3 6 v 输入时 会上作在最大占空比状态2 3 由此限定模块的最大工作占空l 匕为2 3 图94 8 v 输入 负载突变时的波形 9 所示 上闰为滤波电感上的l 乜流从0 突变到鹾犬值的波形 下目为对应 f 勺筘 位电容上的电压波形 可以看f f 箝能r 乜容r 的电压波形存暂念过程中 超过 了1 5 0 v 这对耐压为1 5 0 v 的开关管柬说是危险的 所以有这么高的电压是 由于在4 8 v 输入时 占空比超过5 0 引起的 如图1 0 所示 上图为箝位电容 电压在峰值电压处的放犬波形 下图为主功率管驱动波形 从f 图司以看出 此时它的占空比达到了2 3 因此电容上会出现较高的峰值电压 图1 0 箝化电容上电压放大波形 从吼上的分析中 不难看出 仅仅限制一个最大占空比是不蟛的 而是要对最 大 伏 秒 数进行限制 这里的 伏 代表输入电压 秒 代表主管开通时 问 这样即使在动卷工作中 也不会出现箝位电容有过 b 压现象 立 前面所分 析的一些动态现象 这也要求存选择控制芯片时也安注意这个问题 有的芯片 具有最大 伏x 秒 数限制功能 而有的芯片印只有最大占空比限制功能 另外 在箝位电容的选择j 要注意适当 人量文献都醣为了稳压 辅何电容越 人越蚶 其实不然 这也是在动态过程q 会出现的问题 例如当负载从满载突 变到空载时 t 管就会长时间处于关断状卷 i b 于辅管和主管是互 补导墟的 那么此时辅管就会一直开通 如果电容上储存的能量过多 就会导致变压器反 相饱和 从而毁坏辅管 从这个意义上说箝位电容值越小越好 第四章实验分析 在原理犁样机的实验过稗中 磁性兀件的设计和刀 l 费了很人的力气 变 压器结构正经j 力三次更新换代 1 第一次是平面变压器 体积和蕈量比立体变眶措 普通变爪器 减少8 0 己 形成从5 w 覃2 0 k w 2 0 k h z 至2 m h z 的产品 效率典型值为9 8 2 第一次是片式变压器 对低f f l 电流特别适用 高度 厚度 更进一步降低 电流可达1 0 0 安以上 采用一个次数绕组多个磁芯组成 代替以前的一个磁芯 多个绕组 多个磁芯的初级绕组串联 从而达到降压隔离的要求 内部温升比 平面变压器低 只有1 0 左右 呵以装在额定温升更高的基板上工作 3 第三次是薄膜变压器 采用薄膜后高度低于1 m m t 作步率超过1 m h z 达到1 0 1 0 0 m h z 由于采用集成电路工艺制造 成本并不增加 是直流丌关 电源变压器的展新发展方司 图1 平板变压器结构 就目前的平板变压器结构而i 与普通变压器相比 之所以能够降低体积 是 因为在相同体积下 变压器越薄 与外界的接触面税越犬 因而它的热附就越 小 代表当今业界最高水平的是图1 所式的变压器线圈立 绕结构 它把磁心和 线圈的温度耦台在一起去考虑 而变压器的磁心又直接粘结在散热器上 这样 就为线圈提供了很好的散热途径 实验证明 磁心的最高温度可以烤机到1 2 0 度 这侄通信的一次电源中是达不到的 装结构 图2 铝基扳三维封装结构 图2 是7 0 0 w 全砖电源的锚基板三维封装结构 顶层是f r 4 结构的p c b 板 一般放控制部分的元器件 底层是铝基板 一般放主回路j g 器件 这种二维封 装结构也是把所有的元嚣件通过各种途径把热量耦合在一起 以便于整体散热 7 0 0 w 全砖电源实验的主要技术指标如下 1 输出电压2 8 v 输出最大电流2 5 a 满功率输出7 0 0 w 且输出电压在9 0 1 1 0 可调 并满足限功率能力 2 严格按照全砖的标准尺寸 即 1 1 6 8 6 10 x 1 27 m m 模块之问可以直接 并联 日满载时 均流精度控制在1 0 以内 3 输入电压从3 6 v 7 5 v 模块能够f 常工作 且4 8 v 媳型输入 满功率输出 7 0 0 w 时 效率可达8 9 以上 4 4 8 v 典型输入 满功率输出时 输出电压的纹波应控制存1 以内 5 有完备的保护功能 过流保护 过压保护 过温保护 基板温度t 作范田 一2 0 口c 一一1 0 0 0 图3 是屯丌关管的工作波形 叮以看出它有很好的谐振复位能 t e k r l矗t f i g d m 黝i o 嘞 o h l5 鳓诵蝣 器宙 蘑豳 带宽限制 图2 0 l v l t b 7 跌 捂 圈衄 据头 皿 反相 嘲 m 5 咻c h l 3 6 0 v 4 0 2 2 3 娩h t d s1 0 0 2 1 3 3 3 0 00 5 11 8 图3 主开关管工作波形 1 蠢k r l矗t d g d mp 瓢 0 0 0 0 s c h l 5 9 0 窜 擒宙 塑豳 带宽限制 嗣2 0 n l l f z 坟 格 园圈 棒头 澄 厦榴 嬲 1 45 嘲孵 c f l l 2 0 0 v 4 0 1 3 5 8 t d s1 0 0 2 1 4 2 1 5 70 5 11 8 图4整流管工作波形 图4 是输出整流管的工作波形 它的寄生参数得到了很好的控制 总体波形比 较干净 3 1 1 e k 日t r i g d 士 c 1 1 15 卿髑酶 o 1 2 褐台 旦圃 带竞限制 厢2 0 n h z 优 擦 园圃 棒头 蟹 反相 锄 m5 0 8 咻c h l 2 0 8 v 4 1 8 2 1 d 轾h z t d s10 0 2 1 4 0 3 4 80 5 11 8 图5 续流管工作波形 图5 是续流管工作波形 它的反向复位能力很强 基本控制在2 倍输出电压以 内 这是控制输出纹波的基本要求 1 b k几 s t o p t 4p 0 4 一2 8 0 0 啪c h l 昌台 西固 带竞限制 图2 0 m l i z 伏 搐 圆圆 挎头 田 夏榻 围 m2 5 0 io h l 8 m v t d s1 0 0 2 1 0 0 4 4 20 5 11 1o 图6输出纹波 图6 是输出纹波波形 从波形中可以看出 它基本被控制在1 以内 达到通 信二次电源的要求 3 2 9 0 8 0 如7 0 o r 毫6 0 u 5 0 4 0 3 0 1 邑 一i n p u v o t 3 6 v 臼 n p u tv ol t 4 8 v o i n p u tv o t 7 6 v 彩一 衷 一 孳 二铲遗 瑚 0 一 一 7 o1 0z o3 0 a j 图7 效率曲线 图7 画出了7 0 0 w 全砖电源在各个工作点上的效率曲线 可以看出 它的最高 效率发生在6 0 的负载处 且效率达到了9 1 满载效率基本控制在8 9 左 右 本系统采用两个模块进行并联实验 其中两台模块在突加负载时的变化曲线 如图8 所示 山u j l 儿j l j 州 t 7 丌7 川洲 1 燃 2 图8 突加负载时模块均流趋势 3 3 由图8 可知 模块2 的调节速度比模块1 要稍微慢一点 但很快又达到了 平衡 实现了模块间的均流 验证了均流环调节速度较慢有利于系统稳定性这 一特点 参考文献 1 单相p f c 输入电力操作电源模块d c d c 级研制 程荣仓 南京航空航天 大学硕士论文 2 u c 3 9 0 2l o a ds h a r ei cs i m p l i f i e sp a r a l l e lp o w e rs u p p l yd e s i g n u 一 1 6 3 f a p p l i c a t i o nn o t e u c 3 i b a t a r s e h k s i r i a n dh l e e i n v e s t i g a t i o no ft h e o u t p u td r o o p c h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e l c o n n e c t e dd c d cc o n v e r t e r s i e e ea p e c f 9 4 p p 1 3 4 2 1 3 5 1 4 j r a j a g o p l a n k x i n g y g u o f l e e b m a n n e r s m o d e l i n g a n d d y n a m i c a n a l y s i so fp a r a l l e ld c d cc o n v e r t e r sw i t hm a s t e r s l a v ec u r r e n t s h a r i n g c o n t r o l i e e e a p e c 1 9 9 6l p p 6 7 8 6 8 4 5 m j o r d a n u c 3 9 0 7l o a ds h a r ei cs i m p l i f i e s p a r a l l e lp o w e rs u p p l y d e s i g n u n i t r o d ea p p l i c a t i o nn o t eu 一1 2 9 6 v v l a t k o v i c j a s a b a t e r b r i d l e y f c l e e a n d b h c h o s m a l l s i g n a l a n a l y s i so ft h ep h a s e d s h i f t e dp w mc o n v e r t e r i e e et r a n s p e 1 9 9 2 p p l 2 8 1 3 5 b c a r