（电气工程专业论文）dma48v75a开关电源模块的研制.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t st h es t r u c t u r e t h ep r i n c i p l ea n dt h e d e s i g no fd m a 4 8 v 7 5 a s w i t c h i n gm o d ec o m m u n i c a t i o np o w e rs y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so ft h ea ci n p u t s t a g e s i n g l ep h a s ep f c m a i ni n v e r t e r o u t p u tl o w p a s sf i l t e r a u x i l i a r yp o w e r s u p p l y a n dl o a dc u r r e n ts h a r i n g c i r c u i t e t c t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dp r a c t i c a l d e s i g nm e t h o do ft h ep f cs t a g ei s i n t r o d u c e d t h i sm e t h o di sb a s e do nt h et h e o r i t i c a l a n a l y s i s b u ti t ss i m p l i e d a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n t h es y s t e mi sb o t hs t a b l ea n dr e l i a b l e al o w p o w e r1 0 s s p a s s i v es n u b b e ri sa d d e dt ot h eb o o s tc o n v e r t e r t h e r e f o r et h es w i t c h i n gl o s s e sa l e r e d l l c e d b yt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h e t y p i c a lc o n t r o l m e t h o d p h a s eo v e r l a p p e d c o n t r o l p o c i sp r o p o s e d l o wc o s t h i g hr e l i a b i l i t ya l ei t sa d v a n t a g e s z c so ft h e l a g g i n gl e gi sr e a l i z e db ya d d i n gas i m p l el c dc i r c u i tt ot h et r a n s f o r m e r ss e c o n d a l y s i d e s y s t e me x c e p t i o n s s u c ha s o v e r v o l t a g e o v e r c u r r e n t o v e r t e m p r a t u r e d c u n d e r v o l t a g e e t c a r cd e a l tw i t hb yc a r e f u l l yd i s i g n e dp r o t e c t i o nc i r c u i t s t h e s e c i r c u i t sp r o v i d ev a r i o u sf u n c t i o n st op r o t e c tt h es y s t e m i n c l u d i n gs o f t s t a r t d r i v e s i g n a l sm a s k a n dp o w e rs u p p l ys h u td o w n b yu s i n gm a s t e r s l a v el o a dc u r r e n ts h a r i n gt e c h n i c h m o d u l e sc a nb ep a r r a l l z e d e a s i l y t h u sc a p a c i t y e x p a n s i o ni sv e r yc o n v e n i e n t b e c a u s eo ft h eh i g hf r e q u e n c yo p e r a t i o n t h i ss w i t c h i n gm o d ep o w e r s u p p l yh a v e m a n ya d v a n t a g e s l i g h tw e i g h l s m a l lp h y s i c a ls i z e h i g hr e l i a b i l i t y e r e k e yw o r d s s w i t c hp o w e rs u p p l y p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n f u l lb r i 咄e d c d cc o n v e r t e r p h a s eo v e r l a p p e dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得f 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发j 或撰写过的研究成果 也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或 书而使用过的材料 与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文t 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者躲身移签字吼彤年乡月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权叁洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 力 签字哦畛易月d 日 翩躲劝生 签字同期 力秒年6 月 7 天津大学工程硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章概述 通信作为国民经济的重要基础设施 是实现社会信息化的基本条件 伴随着 全球信息化的进程 在国民经济中显示出越来越重要的作用 已成为最有发展前 景 最有生机活力的产业之一 随着电信技术的飞速发展 电信网络结构日益复 杂 作为通信系统的动力组成部分 即通信系统的心脏一通信电源系统的重要性 日益体现出来 长期以来 我国的通信系统供电方式一直是集中供电方式 所谓集中供电方 式是在通信局站内设置公用的电源设备 给全局使用同一种电压的各种通信设备 供电的供电方式 这种供电方式的有很多缺点 当某种直流电源系统发生故障时 将影响所有使用这一种电压的通信设备的正常工作 另外直流供电馈线长 材料 费用高 电能损耗大 而且由于线路电感和耦合电容的存在 容易引入干扰 降 低了供电质量 自上世纪9 0 年代以来 国际上通信局站已普遍采用分散供电这 种新的方式 提高了通信网各枢纽的可靠性 从而提高了全网的可靠性 所谓分 散供电方式 主要是指将直流供电系统进行分散 即将使用同一电压种类的通信 设备采用两个以上的独立供电系统 并靠近通信设备安装进行供电的方式 当某 一个供电系统故障时 不会造成整个通信系统的瘫痪 而且可以使直流供电馈线 距离减少到最短 作为分散供电方式的通信系统 其系统的核心是直流电源 直流电源主要包 括整流器 蓄电池组 监控和配电设备在内的直流供电系统 为产生所需要的各 种直流电压 一般为 4 8 v 也有少量采用 2 4 v 都需要将工频电网的单相2 2 0 v 或三相3 8 0 v 交流电压进行a c d c 和d c d c 变换 因此 变换器性能的好坏直 接关系到整个通信电源系统的供电质量 传统的变换器一般都采用工频变压器加相控整流器来完成电气隔离和电压 变换任务 系统庞大而笨重 效率和功率因数都很低 随着电力电子理论和技术 及功率电子器件的不断发展 以绝缘栅功率晶体管 i g b t 和功率场效应管 m o s f e t 为功率变换器件的高频开关整流器 逐步取代了相控整流器 高频 开关整流器的效率和功率因数都比传统的相控整流器大大提高 体积和重量大大 减小 能耗 材料消耗和噪声也都大大降低 整流器的整体质量和可靠性不断提 第一章概述 高 加上模块化的结构设计和计算机技术的广泛应用 其智能程度大大提高 网 络管理更加容易 另外高频开关电源具有负载容易分担 扩容方便 响应速度快 稳定性好等优点 而这些优点正是通信系统所需要的 图l l 表示了一个采用高 频开关电源整流模块组成的分散供电系统框图 从图中可以看出 通过多个开关 电源整流模块的并联 系统具有更高的可靠性和冗余度 扩容更加便利 图1 1 通信电源系统供电简图 近年来软开关技术的研究 使整流器的效率进一步提高 通信电源本身功耗 变得更小 温度更低 体积和重量都有大幅度下降 也降低了对环境的要求 本 文研究d m a 4 8 v 7 5 a 开关电源模块基于有源p f c 技术和软开关d c d c 变换技 术 使模块的功率因素和效率得以进一步提高 基于本文设计的电源模块已投放 通信电源市场 1 2d m a 4 8 w 7 5 a 开关电源模块整体结构 从图1 1 可知 高频开关电源模块是通信电源系统的核心组成部分 其结构 应考虑到功能 技术指标 成本等多方面因素 一般情况下 典型的高频开关电 源模块都采用两级结构 处于系统前端的是a c d c 变换器 后端为一个d c d c 变换器 a c d c 变换将单相2 2 0 v 或三相3 8 0 v 交流市电转换为直流电 而d c d c 变换将此直流电压转换为4 8 v 或所要求的直流电压 图1 2 为d m a 4 8 v 7 5 a 开 关电源模块的整体结构图 输入级电路包括输入熔断器 浪涌电压抑制电路 e m i 滤波电路 浪涌电流 抑制电路 单相全桥整流器等 主要完成交流电网电压的整流功能 同时e m i 滤波电路还可以有效地防止系统产生的高频噪声窜入电网 减少了对电网的污 染 有源功率因数校正电路作为整个电源模块的预调节器 一方面将整流后的脉 动直流电压升压 滤波成为平滑的直流电压 另一方面可以使电网侧的电流波形 跟踪电压波形 从而获得近似为l 的功率因数 2 天津大学工程硕士学位论文 图1 2d m a 4 8 v 7 5 a 开关电源模块整体结构图 全桥逆变电路把有源功率因数校正电路产生的直流电压变换为高频交变的 方波电压 由于变换器的工作频率远远高于工频频率 5 0 h z 或6 0 h z 与传统 的相控整流电路相比 变压器 输出滤波器的体积和重量都大为减小 高频变压器完成电源模块的电压变换和输入与输出的电气隔离两个目的 输出整流滤波电路主要是将高频变压器副边的交变方波经整流 滤波后生成 平滑的直流电压 辅助电源为整流模块的控制电路 各种传感器 微机监控系统等提供彼此隔 离的直流电源 p w m 控制电路用来控制全桥变换器工作时的占空比 使电源模块在不同负 载 不同交流输入时都能维持输出电压的稳定 驱动电路将p w m 控制器产生的驱动波形 经隔离放大后驱动i g b t 开关管 输出电压采样和输入电流采样电路完成模块的电压 电流采样 为模块的稳 压电路 稳流电路 过压保护电路 过流保护电路等提供反馈值 外围 四遥 接口电路主要接受监控系统的遥控指令 并将模块的遥测 遥 信状态送至监控系统 第二章输入级电路设计 第二章输入级电路设计 2 1 模块输入级的组成 从第一章的分析可知 单相或三相市电要经过输入级电路之后 才能送给有 源功率因数校正电路 在d m a 4 8 v 7 5 a 开关电源模块中 输入级电路的结构如 图2 1 所示 从图中可知 此部分主要由输入熔断器 浪涌电压抑制电路 e m i 滤波电路 浪涌电流抑制电路 单相全桥整流电路组成 i 良涌电压 抑制电路 2 2 模块输入级的设计 2 2 1 输入熔断器 勘i 缸 滤波电路 图2 1 系统输入级结构图 浪涌电流 抑制电路 单相全 整流电 在整流模块发生输入过流或输入短路后 输入熔断器自动熔断 从而将交流 电源和整流模块断开 保护整流模块 在交流输入电压最低且输出电压最高 输 出电流为1 1 0 满载电流时 交流输入电流最大 同时考虑到效率因素 最大电 流值约为 生避 婴堕旦 30ai 3 0 a 2 1 二竺磐l 二二二二 二二一 一 们一r u c 血0 9 x2 2 0 1 2 0 选用额定电流为4 0 a 的圆筒型快熔管b s l 0 2 2 2 浪涌电压抑制 浪涌电压抑制电路由氧化锌压敏电阻组成 当该电阻的端电压小于击穿电压 时 其电阻值特别大 接近断路 其端电压超过一定值后阻值将迅速下降 电阻 接近短路 从而短时间允许高达上千安培的电流流过 起到对后级电路的保护作 用 同时在压敏电阻和交流电源之间串接一个熔断器 当压敏电阻失效短路时 防止交流输入母线之间短路 在本例中 压敏电阻和保险管分别选为 4 天津大学工程硕士学位论文 m y g 3 2 0 k 3 9 1 和保险管5 h p 2 5 0 v 1 0 a 2 2 3e m i 滤波电路 e m i 电路的主要作用是 滤除由交流电网串进来的各种干扰信号 同时防止 模块高频开关电路形成的高频干扰窜入电网 e m i 滤波电路如图2 2 所示 u翱u c 2 p 雨 c 5 n 图2 2 e m i 滤波电路图 e m i 滤波电路采用两级复合式滤波器 滤波效果好 主要元器件包括共模 扼流圈 亦称共模电感皿1 如 滤波电容c l g 工l 如对差模干扰不起作用 但出现共模干扰时 由于两个线圈的磁通方向相同 经过耦合后总电感量迅速增 大 因此对共模信号呈现很大的感抗 使之不易通过 故称作共模扼流圈 它 的两个线圈分别绕在低损耗 高导磁率的铁氧体磁环上 当有电流通过时 两 个线圈上的磁场就会互相加强 三l 三2 量与e m i 滤波器的额定电流有关 另外 当额定电流较大时 共模扼流圈的线径也要相应增大 以便能承受较大的电流 此外 适当增加电感量 可改善低频衰减特性 a c 2 g 交流电容器 容量 范围大致是0 0 l 心 o 4 7 心 其耐压值均为2 7 5 v a c 其主要作用为滤除差模干 扰 c 3 和c 4 跨接在交流两条母线之间 并将电容器的中点接地 能有效地抑 制共模干扰 g 和 选用高压陶瓷电容 容量范围是2 2 0 0 p f 4 1 心 为减小 漏电流 电容量不得超过0 1 心 为了保证足够强度的电气绝缘 选用耐压4 k v 的高压瓷片电容 2 2 4 浪涌电流抑制电路 由于在交流输入刚刚接通的一瞬间 输入2 2 0 v 交流电压经全桥整流后直 接给输入整流滤波电容充电 而此时滤波电容的端电压为零 相当于短路状态 这样会造成很大的充电电流 导致输入熔断器烧断 甚至会损坏后级电路 因 此 必须对滤波电容的充电电流进行限制 通常的做法是在交流输入电路中串联一个合适的限流电阻和继电器 上电 第二章输入级电路设计 瞬间继电器触点断开 充电电流全部经过限制电阻 充电电流得到限制 当控 制电路检测到电容充电电压达到一定电压时 与限流电阻并联的接触器触点闭 合 将限流电阻短路 整个电源模块的电流经继电器的触点流过 在本设计中 整流滤波电容采用为3 只4 7 0 p f 电容并联 考虑限流电阻不 能长时间工作 设计充电限流时间为0 1 s 即一个时间常数时间 由时间常数 f r c 得 r 二 二 一 7 0 9 1 q 2 2 c3 宰4 7 0 1 0 6 1 0 本设计中采用r x 2 7 5 7 w 2 2 0 q 1 0 的水泥电阻3 只并联 由上述第1 条计算交流输入开关的电流可知 流过继电器触点的稳态最大电 流为3 0 a 本设计中并联继电器选择为 n t 9 0 r n b e l l 0 c b 线圈工作电压为1 2 v d c 线圈功耗为i w 触点最大容量为 2 5 0 v a c 4 0 a 6 天津大学 t 程硕士论文 第三章有源功率因数校正电路设计 3 1 有源功率因数校正电路简介 功率因素校正电路 p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r 简称p f c 分无源功率因素校正 电路 简称无源p f c 和有源传功率因素校正电路 简称有源p f c 或a p f c 两 种 无源p f c 电路利用电感和电容组成滤波器 对输入电流进行移相与整形 这种电路体积大而笨重 且功率因素不高 自上个世纪9 0 年代以来 有源p f c 技术得到迅速推广 它是在桥式整流和滤波电容之间加一个功率变换电路 将输 入电流校正成与输入电压相同相位且不失真的正弦波 使功率因素接近1 有源p f c 电路按电路结构可分为以下几种 1 降压式 噪声大 滤波困难 功率开关管上的电压应力大 控制电路驱 动电平浮动 2 升压 降压式 需要两个功率开关管 其中一个功率开关管控制信号浮动 电路复杂 3 反激式 输入与输出隔离 输出电压可以任意选择 采用简单电压型控 制方法 适用与1 5 0 w 以下功率的应用场合 4 升压式 b o o s t 采用简单的电流型控制方式 功率因素值较高 总谐 波失真 t h d 小 效率较高 输出电压比输入电压高 由于升压型a p f c 电路的预调整作用 在输出电容器上保持高电压 所以电容的容量可选 择较小点 在整个交流输入电压范围内都能保持很高的功率因素 输入 电流连续 开关瞬间电流小 易于e m i 滤波 电感l 能够阻止电压 电 流的瞬变 提高了电路的工作稳定性 有源p f c 电路按输入电流控制原理 可以分为以下几种 l 平均电流型 工作频率固定 输入电流连续 开关管的电流有效值较小 输入电流波形失真小 易于e m i 滤波 但控制电路复杂 需要乘法器和 除法器 需要电流控制环路 2 滞后电流型 工作频率可变 电流进入滞后带内时功率开关进行通断 使输入电流上升或下降 3 峰值电流型 工作频率可变 电流不连续 电路简单 易于实现 但功 率因素和输入电压与输出电压的比值有关 开关管功耗增大 第三章有源功率因数校正电路设计 由于b o s s t 型有源p f c 电路具有众多优点 本设计采用b o o s t 型有源p f c 电路 控制电路采用平均电流控制方式 图3 1 为平均电流控制的b o o s t 型有源 p f c 电路简图 lv d 一 k l r 1 ik o 伶c 兰 r u i y t 一k l 鬲磊 幻一 i 甲沙升 图3 1b o o s t 型有源p f c 电路的结构简图 3 2 有源p f c 主电路的设计 本文讨论的d m a 4 8 v 7 5 a 开关电源模块的有源p f c 主电路采用的是单相 整流桥加b o o s t 升压斩波器构成 其结构图如3 2 所示 i c s d3i 门 一l一 l u i r li 2 2 0 v d l d 2 i i 门 i 三 托 i 一l 一k弋 t l c r l l l 图3 2d m a 4 8 v 7 5 a 开关电源模块的有源p f c 主电路 从上图可以看出 电感厶 开关管q l 主二极管玩 输出滤波电容g 负载 构成了一个典型的b o o s t 升压斩波器 而方框内为一低损耗的无源吸收 电路 用来限制开关q 1 和二极管队的电压电流上升率 由于升压斩波器属于一类基本的直 直变换器 其工作原理在此不在赘述 这里主要讨论主电路的参数选择 8 天津大学工程硕士论文 3 2 1 升压斩波器的元件参数选择 3 2 1 1 斩波电路的工作频率 随着工作频率的提高 储能电感 滤波电容c d 的尺寸均会显著减小 但 同时开关q l 和二极管d 肘的开关损耗也会增加 对二者进行折衷考虑 选用适合 i g b t 主开关工作的频率 3 0 k h z 3 212 整流桥的计算和选择 整流桥所承受的最大电压为输入电压最大时的峰值 大小为 4 2 x 2 2 0 1 2 0 3 7 3 3 v 3 1 输入电压最低时流过整流桥的电流最大 如果考虑到效率为0 9 则有效值 的最大值为 j 生一墅业一 3 0 a 3 0 a 3 2 二型 l 一 二二二二二 二二 二二一 圪m i nx r 2 2 0 x 1 2 0 x 0 9 考虑到足够的余量 选择耐压值为6 0 0 v 以上 额定电流为5 0 a 以上的整流 桥 设计中选取为k b p c 5 0 0 6 单相整流桥 3 2 1 3 储能电感的计算和选择 当开关频率一定时 适当加大储能电感可以减小电流脉动 但是电感的体积 和重量增加 损耗也加大 电感值的选择原则是电流波动的最大值 不超过峰 值电流的1 0 一2 0 本设计中电感电流的纹波大小选择为峰值电流的2 0 那 么在最低网压和1 1 0 满载功率时 电感电流在一个开关周期内的最大值为 k 压蒉 压 笔署瑞 3 8 2 a 3 3 o m 缸 7 则 7 6 4 a 此时变换器的工作占空比d 为 d y 圪一 2 r a i n4 0 0 1 4 1 4 2 2 0 x 1 2 0 一 一 圪400 0 3 7 8 3 4 则此时的电感值三 为 工 4 2 v mm i n xd y x t 1 4 14 x 2 2 0 1 2 0 r x 0 3 7 8 0 41 m h 3 5 4 i j 一 一碍 j j7 6 4 3 0 l o 电感采用铁粉芯材料制作 保证在较大电感电流下磁芯不饱和 受机箱内高 度的限制 选用两只高饱和磁通铁粉芯环串联 外形尺寸为 5 6 x 3 2 x 2 0 单匝电 感量a 1 1 2 2 n h n 2 匝数n 三 a i 5 8 有效磁路l e 1 3 8 e r a 绕制电感 的漆包线采用m 1 3 的线3 根 电流密度5 7 4 a m m 2 第三章有源功率因数校正电路设计 3 214 输出直流支撑电容的选择 输出电压低频纹波频率为l o o h z 低频纹波电压 叭f 一瓦1 0 咖2 舭一蒙莪豳2 纠 3 6 7 p 输出低频纹波峰 峰值 u 肿2 矿c o u 实验初始 用了三只p h i l i p 电解电容4 5 0 v 3 3 0 0 f 在8 5 c 1 2 0 h z 下 每 只允许通过的纹波电流为1 2 a 对应的输出低频纹波峰值u p p 1 2 4 v 根据电 路参数 可以计算出每只电容器通过的实际纹波电流为 k c 害 3 3 0 1 0 巧 蒜 0 8 2 a 3 7 在上述纹波电流作用下 电解电容的温升将达到5 一 1 0 对电容寿命不利 改用四只n i c h c o n 公司4 5 0 v 4 7 0 9 f 电解电容并联 在1 0 5 1 2 0 h z 条件下 每只电容允许通过的纹波电流为1 8 5 0 m a 对应的输出低频纹波峰值 u p p 6 5 v 每只电容器通过的纹波电流为 k c 害 4 7 0 1 0 巧 等 o 6 1 1 a 3 8 3 2 1 5 主开关管的选择 常用的开关管器件包括g t r m o s f e t i g b t 等 m o s 管的特点是驱动 功率小 线路简单 开关频率可以很高 但通态压降较大 功率晶体管导通压降 小 但是属于电流驱动 工作频率也较低 i g b t 兼顾这两种器件的优点 缺点 是开关频率也不是很高 且存在电流拖尾现象 关断损耗很大 在本设计中由于 处理的功率非常大 比较适宜用i g b t 作为主开关管器件 设计中主开关管选用 两只m 公司的w a r p 系列i g b t 管瓜g 4 p c 5 0 w 并联 i r g 4 p c 5 0 w 耐压6 0 0 v 结温1 0 0 c 时最大集电级连续电流2 7 a 计算的电感平均电流为3 0 a 所以必须 采用两只i r g 4 p c 5 0 w 并联 两只并联i g b t 管要考虑到 a 紧密的热耦合 实质是使两管子的结温一致 功率半导体对温度的敏感 大于对电流 所以两管子间的热阻要小 b 开关速度尽量快 以减小开关损耗的不对称 c 印制板对称布线 每只管子分别拥有各自的栅极电阻 3 2 1 6 主二极管的选择 与主开关管类似 但要求用反向恢复时间尽量短的管子 以降低损耗 同 1 0 天津大学工程硕十论文 时考虑二极管的耐压值和额定电流值 3 2 2 低损耗无源吸收电路的工作原理 和其他高频功率变换器一样 功率因数校正电路也需要接入吸收电路用来限 制过高的电压电流上升速度 从而减小开关管和主二极管的电流电压应力 有源 吸收电路结构和控制都比较复杂 而一般的r c d 无源吸收电路由于含有耗能元 件 电阻 会降低系统的效率 并产生大量的热 本设计中采用了一种新型的 低损耗无源吸收电路 在获得近似为l 的功率因数的同时 开关及主二极管可以 承受较小的电流电压应力 其结构图如3 2 中的虚线框内所示 由图可知 该电路包含有三个二极管d l d 3 一个谐振电容c 一个缓冲电 容g 和一个谐振电感厶 各主要波形见图3 3 电路的工作原理介绍如下 i f f y 一 弋 t 4 与t 6 t 7 图3 3 低损耗无源吸收电路工作波形图 1 t o 时刻以前 电感厶中的电流自厶 现向负载传送 电容g 端压为直 流输出电压圪 而电容g 的端压为零 2 t o 时刻 开关q l 导通 由于电感厶的存在 主二极管玩的电流不能立 即减小为零 从而防止了在主二极管反向恢复期负载侧电压直接加在开关 管上 与此同时 谐振电容c 通过d 2 g 与厶谐振 其端电压逐渐减小 3 f l 时刻 既中电流过零 主二极管反偏截止 电感厶中的电流完全转移 到开关q l 所在的支路 g 伤 g 厶形成的谐振回路继续谐振 4 t 2 时刻 c 端电压过零 由于二极管d l 的钳位作用 c 不能反向充电 第三章有源功率因数校正电路设计 而厶 d l 仍 g 形成新的谐振回路 电感厶中的能量逐渐转移到缓冲 电容g 中 f 3 时刻厶电流过零 谐振过程结束 而电感三册中的电流继续 流过开关q l 5 t 4 时刻 关断开关q l 电感 m 中的电流通过d l 为c 充电 开关q l 的 端电压上升速度被c 所限制 从而防止了电压尖峰的出现 6 t 5 时刻 电容c 电压达到直流输出电压时 电感电流经d t 也流入负载 与此同时 g 与厶再次开始谐振 厶中的电流逐渐增大 7 t 6 时刻 厶中的电流增大至厶中的电流值时 d 1 和d 2 断开 厶中的电 流完全转移到厶 g 仍所在支路 g 通过d 3 放电 8 幻时刻 g 放电完毕 此时电压为零 d 3 断开 厶开中的电流转移到厶 现支路 一个工作循环结束 3 3 有源p f c 控制电路的原理及设计 3 3 1 平均控制方式的工作原理 本文研制的有源p f c 电路采用平均电流控制方式 使用的控制芯片为 u c 3 8 5 4 b n 图3 4 为控制系统的结构简图 2 2 0 v 工频交流电压经过整流桥整流后输出1 0 0 h z 的半周期正弦波 电感厶 和开关管q l 主二极管d m 构成升压斩波器将电压升至4 0 0 v 并经电容c d 滤波 后供给负载魁控制电路的核心是一个乘法器以及电压误差放大器局 电流误差 放大器娲 平均电流控制方式的基本思想是控制开关管q l 的工作占空比 使网 侧电流的平均值能够完全跟随电压波形的变化 从而获得单位功率因数 与此同 时 保持b o o s t 变换器的直流输出端电压稳定 为了实现这两个目的 可以在整 流桥的输出端接入分压电阻r l 尺2 采集电网侧电压波形并作为一路输入送入 乘法器 而b o o s t 直流输出端接入分压电阻尺3 凰 分压值与参考电压 经运 算放大器局比较放大后作为乘法器的另一路输入 乘法器将两个值相乘得到输 出电流的指令值 并通过电流误差放大器娲与电流的实际采样值进行比例积分 运算 如果二者相等 则电流误差放大器的输出维持原值不变 从而占空比也保 持不变 否则将引起占空比变化 实际电流的大小也随之改变 并最终与电流的 指令值相等 1 2 天津大学工程硕士论文 l m d m 图3 4 平均电流控制电路简图 3 3 2u c 3 8 5 4 b n 的工作原理 v r e f u c 3 8 5 4 e i n 是u n i 的d e 公司生产的平均电流控制芯片 主要特点 1 线路电流畸变率可小于3 2 实用于较宽的电网输入电压范围 3 内置的电流 电压运算放大器箝位功能 4 3 0 0 9 a 软启动电流 5 高达1 a 的图腾柱驱动电流输出 6 宽带低偏置电流放大器 u c 3 8 5 4 b n 的内部结构框图如图3 5 所示 包括电压放大器 电流放大器 模拟乘法器 一个固定频率p w m 的控制器 此外还有一个与功率m o s f e t 兼 容的门极驱动器 7 5 v 的电压基准 使能比较器 过电流比较器欠压比较器和 软启动电路 该芯片的基准电压和振荡器产生的三角波幅值都比较高 减少了对 噪声的敏感度 芯片最高的工作频率可达到2 0 0 k h z 适用的交流输入电压范围 为7 5 v 2 7 5 v 频率为4 5 h z 到4 0 0 h z 框图的左上角包括一个欠压锁定比较器和 使能比较器 都带有滞环 这两个比较器输出均为高时芯片才处于工作状态 电 压和电流误差放大器的反向端分别通过1l 脚和4 脚引出 分别接经过分压的输 出直流电压 电流传感器的输出电压 电压误差放大器的输出端为7 脚 它和输 入交流电压波形取样端 脚6 输入交流电压有效值取样端 脚8 共同作为模 拟乘法器的三个输入端子 模拟乘法器的输出通过脚5 引出 同时作为电流误差 第三章有源功率因数校正电路设计 v s l 囊吲 l t i k k s s i b i ti i 飞 域r i t l l r v i n d l k f k fc ii l n e t 图3 5u c 3 8 5 4 b n 的内部结构框图 放大器的电流指令信号送给同相端 电流误差放大器的输出一方面通过3 脚引 出 另一方面送给产生电路用来调节输出脉冲宽度 3 3 3 控制电路的参数选择 从上面的分析可知 单位功率因数是通过不断调整开关的占空比来实现的 而占空比最终由电压电流环和乘法器进行调节 因此这三个环节的参数选择是整 个控制电路设计的关键 下面就以本设计的d m a 4 8 v 7 5 a 开关电源模块的p f c 控制电路设计为例 给出参数选择的具体过程 3 3 0 1 电压环的设计 为了有效的抑制输出二次谐波对控制电路的影响 通常都将电压环的带宽设 计的十分窄 电路结构采用一阶低通滤波器 如图3 6 所示 图3 6 电压环结构图 1 4 天津大学工程硕士论文 1 首先计算电压环的增益 按照u c 3 8 5 4 b n 的技术参数要求 从4 0 0 v 直流输出侧通过分压器得到的电 压值应为3 v 考虑到功耗因素 分压电阻r 5 2 0 k q 则电阻r 3 9 k o 经 实际测量 4 0 0 v 直流电压上迭加的二次谐波电压峰峰值最大为3 5 v 经过分压 后减小为 气o 圪庙2 3 5 5 2 生0 3 9 26 1mv 3 9 按照u c 3 8 5 4 b n 所提供的参数 电压误差放大器输出摆幅为5 2 v 如果要 求其中的二次谐波分量不超过1 换算后为5 2 m v 则对放大器的增益限制是 g 乙 一r f z c 一 r f 二二 一 b p b 2 n f c r 1 5 l 2 3 1 0 2 6 1 2 根据转折频率和上述算得的电压环增益确定勘9 的值 如果电压环的带宽限定为1 0 h z 则有 吩c 而1 0 1 s 3 1 1 若取船 2 1 c t 2 由公式 3 1 0 3 1 1 算得 母 2 5 5 2 k q 驴o 3 9 1 a f 实际取髟 2 4 0 k q 驴o 3 9 1 a f 3 3 3 2 电流环的设计 电流环的参数直接影响系统的稳定性和响应速度 由平均电流控制方式的特 点可知 电流环在结构上可采用比例 积分控制器 如图3 7 所示 因此设计的 关键在于选择合适的放大倍数与积分常数 1 放大倍数的确定 如果电流采用无感电阻加中间放大器的形式构成 无感电阻的电阻值为鼢 中间放大器的增益为瓯 而电流环的放大倍数为k 则电流环输出电压的变化 速率竺最大值将发生在网侧交流电压过零时刻 因为此时电感厶两端承受的电71 d t 压差最大 为直流输出电压 电感电流的变化率也最大 容易得出 西k 出 譬r l g k 其中k 譬 3 1 2 l m 舶 而锯齿波发生器生成的锯齿波电压上升速率为 机 d r 厂 3 1 3 其中 为锯齿波幅值 为锯齿波的频率 由平均电流方式控制的特点可知 保证系统稳定的条件是 d t 九 a t 3 1 4 根据公式 3 1 3 3 1 4 并代入实际值 蝌0 0 v l m 0 4 1 m h 第三章有源功率因数校正电路设计 r l 1 7 7 m q 舒3 9 v r 5 2 v 户3 0 k h z r 2 1 0 k q 可算得 r 6 0 l q 实际取r 5 6 k q c p v o u t 图3 7 电流环结构图 2 时间常数的确定 电流环的转折频率 f 以及比例一积分调节器的时间常数r 可由下式给出 五 学群 3 功 f r 6 c b 3 1 6 为获得足够大的相角裕量 通常将比例积分调节器的零点配置在系统转折频 率处 此时五f l 结合公式 3 1 5 3 1 6 并代入实际值可有 c b o 0 2 2 3 心 实际取c o 0 0 2 2 1 a f 另外 为了滤除高频干扰 还可以为电流环配置一个极点以衰减高频分量 通常可以加接一个小电容 如图3 7 中的g 其电容值一般取为几十到几百皮法 本例中选用c p 1 0 0 p f 至此电流环设计完毕 3 3 3 3 模拟乘法器的设计 模拟乘法器的输出为一电流信号 根据器件手册的规定 该电流的典型值最 大为2 0 0 u a 且与乘法器的三个输入信号大小直接相关 用公式表示为 趟亳2 塑 3 1 7 i m ot tr j i a 在网压最低时该电流最大 由上述公式可算得乘法器的最大输出电流为 1 3 7 4 衅 按照器件应用的技术规定 乘法器输出电流在电阻上产生的压降应小 于等于1 2 5 v 因此可计算出该电阻的大小为9 2 1 q 实际选用阻值为1 0 k q 1 6 天津大学工程硕士学位论文 第四章全桥d c d c 变换器的设计 4 1 全桥d c d c 变换器的工作原理及控制方法 全桥变换器拓扑是目前国内外d c d c 变换器中被广泛使用的最常见拓扑之 一 尤其是在中大功率场合更为适合 和单端变换器及半桥变换器相比较 这种 结构的变换器有一系列明显的优点 如开关器件电压电流应力较低 变压器利用 率高等 基本的全桥变换电路根据供电方式的不同 输入端所连接的储能元件可 以是电容或电感 又分为电压型和电流型两大类 其中的电压型全桥d c d c 变换器应用更为广泛 这种变换器的结构简图如图年1 所示 1 7 q 毒j j i1 d 6 lu 图4 一l 全桥d c d c 变换器结构简图 4 1 1 全桥d c d c 变换器的基本工作原理 以上图为例 当采用p w m 控制方式时 直流电压v i n 施加在q 1 q 4 四只开 关管构成的两个桥臂上 当两只成对角的开关管q l q 4 或q 2 q 4 同时导通时 功率从电源侧通过变压器 向负载传送 当所有开关管均关断时 负载电流将 通过整流二极管历 风续流 同时滤波电容c 厂为负载继续提供能量 通过控制 四只开关管的通断顺序及通断时间 在变压器的原边将得到按某一占空比矾变 化的正负半周对称的交变方波电压 如果变压器的变比为n 则变压器次边将产 t 生幅值为卫的交变方波电压 经过二极管d 5 d 6 组成的整流电路和电感三厂 电 行 容c 组成的低通滤波电路最终就可得到所要求的平滑直流输出电压 第四章全桥d c d c 变换器的设计 由于全桥变换器本质上属于b u c k 变换器 如果不考虑效率等因素 则输出 电压的值与占空比b 成正比 通过调节占空比b 即可方便地调节输出电压 4 1 2 全桥d c d c 变换器的控制策略 在上述的控制方式中 互为对角的开关管的导通和关断都是同时进行的 其 门极信号的时序波形如图4 2 所示 图4 2 全桥变换器的传统p w m 控制方式 实际上 互为对角的开关管的开通或关断不一定要在同一时刻完成 通过改 变管子的通断时刻 可以得到一族不同的控制策略 全桥变换器的控制方式一般 分为双极性控制 有限双极性控制和移相控制方式 本文通过对上述三种方式的 介绍 并推演出另一种新型的控制方式 j 相位延迟控制方式 1 两只对角开关管开通 关断同时进行 开通时间长度为0 5 d y t d v 为 占空比 丁为开关周期 这就是上面介绍的传统控制方式 有文献也称之为 双 极性控制 2 两只对角开关管同时开通 但不同时关断 这种情形下 其中一个管子 的导通时间长度仍由0 5 d y 幸丁决定 但另一只管子却推迟关断时间 最多可以到 0 5 饥掌r 处关断 这就是所谓的 有限双极性控制 的其中一类情况 可能的实现 方式有两种 如图4 3 所示 3 两只对角开关管同时关断 但不同时开通 这种情形下 其中一个管子 的导通时间长度仍由0 5 d t 决定 但另一只管子却将开通时间提前 使得导通 时间延长 最多可以到0 5 t 这就是所谓的 有限双极性控制 的另外一种情况 可能的实现方式也有两种 如图 所示 1 8 天津大学工程硕士学位论文 厂 厂 厂 f 1 广 1 广 图4 3 有限双极性控制方式 一 卜 i lil ii i ll j 厂 l i l i l l i 0 ii i 厂 i ii 几 n 一 广 广 l 1i 门i 图 有限双极性控制方 二 4 两只对角开关管开通 关断都不同时进行 其中一个先开 先关 而另 一只则后开 后关 如果每个管子的导通时间都达到0 5 t 就是常见的 移相控 制方式 如图4 5 il ll r i i li 二 图4 5 移相控制方式 5 与上述情况类似 两只对角开关管开通 关断都不同时进行 其中一个 先开 先关 而另一只则后开 后关 但每个管子的导通时间都小于0 s t 大于 0 5 岛 乃这就是本文要采用的一种新型的控制策略 称之为 相位延迟控制方式 p h a s eo v e r l a p p e dc o n t r o l 如图4 6 第四章全桥d c d c 变换器的设计 h l ii 广 lll 4 2 全桥变换器的软开关 图4 6 相位延迟控制方式 4 2 1 全桥变换器的软开关技术简介 p w m 技术自从上世纪6 0 年代出现以来至今仍被广泛应用着 但是随着工 作频率的进一步提高 半导体开关器件的开关损失和电磁干扰均随之增加 成为 限制变换器进一步向高频化发展的主要原因之一 开关损耗的起因主要包括如下 几个方面 1 开关管的容性开通 使得寄生节电容中储存的能量转化为热能耗散在开 关器件中 同时大的 引起较大的电磁干扰 讲 2 开关管的感性关断 引线电感中储存的磁能在器件两端激起很高的电 j 压 同时大的 t i l 也带来很大的电磁干扰 优 3 开关管在开通和关断的瞬态过程中 电压和电流波形的交迭引起的功率 损失 4 二极管的反向恢复现象 使得在反向恢复期管子处于近似直通状态 造 成大的损耗 甚至引起器件损坏 为减小甚至避免开关损失和随之引起的电磁干扰 人们提出了软开关的概 念 如准谐振q r c 多谐振m r c 伪谐振p r c 零电压开关z v s 零电流开关 z c s 零电压转移z v t 零电流转移z c t 等 对于全桥变换器拓扑而言 采用 移相技术的z v s 变换器在上世纪9 0 年代初得到迅速发展 通过引入超前臂和 滞后臂的概念 人们提出了多种实现零电压开关的新方法 并且广泛应用于实际 应用中 同时z v z c s 技术也受到了人们的关注 目前最新的针对全桥变换器的 软开关技术是零电压转移技术 通过采用两个辅管 也工作于软开关状态 实 天津大学工程硕士学位论文 现了主开关器件的零电压转移 4 2 2 全桥变换器的超前臂 滞后臂及其软开关实现条件 由文献 8 的结论可知 互为对角的开关的关断时间错开是实现软开关的必 要条件 在前述讨论中我们可以看出 第一类有限双极性控制 移相控制 相位 延迟控制都可以满足这个要求 按照一般的定义 如果某一桥臂的开关首先关断 则称此桥臂为超前臂 另一臂则称之为滞后臂 由于分析超前臂和滞后臂的软开 关条件需要考虑开关管的寄生结电容和变压器漏感 这里将图4 1 重画 如图4 7 所示 其中c l c 4 为寄生电容 厶为变压器的漏感 c f 三当 r d 6 u 图4 7 考虑寄生参数影响的全桥变换器结构图 为分析方便 我们定义全桥变换器的三种工作状态如下 a 对角管q l q 4 同时开通 定义为 1 工作状态 b 对角管q q 3 同时开通 定义为 1 工作状态 c q l q 3 或q 2 q 4 同时导通 定义为0 状态 则变换器无论在任何时刻所发生的主电路拓扑的改变均可看成这三种状态 之间的互相的切换 1 超前臂的情形 在图4 7 中 若某一时刻 假定为幻 开关q l q 4 同时导通 电路工作于 l 状态 原边电流 激磁电流和负载电流的反射值 流过q l q 4 t o 时刻首先 关断q l 则原边电流转移到电容a c 2 所在的支路 a 充电 而q 放电 由 于电容c l c 2 的存在 因此q t 的端电压上升速率得到限制 从而实现了零电压 关断的条件 在这段时间内可认为漏感厶和滤波电感上 是串联在一起的 且滤 波电感较大 因此原边电流近似不变 呈现恒流源的特性 在t l 时刻电容a 的 端电压上升到 而岛的端电压下降到零 开关管q 2 的反并联二极管伤导通 原边电流通过d 2 q 4 续流 电路进入0 状态 与此类似 电路从 1 到0 状态的 切换也可以保证开关管q 2 的零电压关断的实现 第四章全桥d c d c 变换器的设计 结论l 超前臂的开关管关断时 原边电流近似为恒流特性 不能实现z c s 但由于此恒定不变的电流的存在 使得电路有充足的能量为即将开通的开关的结 电容放电 从而