（电力电子与电力传动专业论文）1v30a输出应用新型同步整流驱动方案的正反激电路的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p i n go fd i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n i q u e v o l t a g er e g u l a t e m o d u l e v r m t h ep o w e rs u p p l yo fd i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i t h a sn e wd e v e l o p i n g t r e n d e n c y g r e a t e ro u t p u tp o w e r l o w e ro u t p u tv o l t a g e g r e a t e ro u t p u tc u r r e n t s o t h e r e s e a r c ho fl o wv o l t a g ea n dh i g hc u r r e n tv r ma n di t sr e l a v a n tt e c h n i q u e sh a v e r e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h er e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r 3 6 v 7 2 vi na n d1 v 3 0 ao u tv r mi st h em a i ns t u d yo b j e c t v r m sm a i nt o p o l o g i e sh a v eb e e nc l a s s i f i e da n dc o m p a r e d a n df o r w a r d f l y b a c k t o p o l o g yi sc h o s e na st h em a i nc i r c u i t an e wd r i v i n gs c h e m eo fs r su s e di n f o r w a r d f l y b a c kt o p o l o g yh a sb e e nd i s c u s s e da n dr e s e a r c h e di nd e t a i l s f i r s t u n d e r t h es o f t s w i t c h i n gc o n d i t i o n t h e d e t a i l o p e r a t i o np r i n c i p l eo fa c t i v e c l a m p f o r w a r d f l y b a c kc o n v e r t e ri sa n a l y z e d n e x t t h ec o n c e p to fs y n c h r o n o u sr e c i t i e r t e c h n i q u ei si n t r o d u c e d a n dm a i nd i r v i n gs c h e m e so fs r sh a v eb e e nc l a s s i f i e d t h e n e wd r i v i n gs c h e m eo fs r su s e di nf o r w a r d f l y b a c kt o p o l o g yi sc h o s e n a n di t s o p e r a t i o np r i n c i p l e i s a n a l y z e d n e x t t h ed e s i g np r i n c i p l e o fa c t i v e c l a m p f o r w a r d f l y b a c k c o n v e r t e r sm a i nc o m p o n e n t si s p r e s e n t e d a n d t h e d e s i g n c o n s i d e r a t i o no ft h en e wd r i v i n gs h c e m ei si n t r o d u c e d t h ed e s i g ne x a m p l e sa l e p r e s e n t e dt o o a tl a s t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so fa3 6 v 7 2 vi na n d 1v 3 0 ao u tp r o t o t y p ea r e p r o v i d e dt ov e r i f yt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dd e s i g n p r i n c i p l e s k e y w o r d s f o r w a r d f l y b a c ks y n c h r o n o u sr e c t i f i e r a c t i v e c l a m p v r m l l 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章介绍了电压调节模块 v r m 的概念和发展方向 总结了用于电压调节 模块的新技术及其特点 然后简述了应用新型同步整流驱动方案的正反激电路 的优点 最后概述了本论文的结构和课题的研究内容 1 1 电压调节模块的概念和发展方向 最近的十几年 信息技术产业快速发展 计算机 工作站 网络服务器 便携式设备等信息设备也得到迅猛的发展 这些信息产品的核心部件是微处理 器等典型的数据处理电路 数据处理电路工作电压低 电流大 电流变化率高 这就对其供电电源提出了严格的要求 目前国外很多研发机构 公司已经针对 高速微处理器这类特殊负载的供电电源进行了广泛深入的研究 并把这一研究 热点 给以专门的名称v r m v o l t a g er e g u l a t em o d e l 即电压调节器模块 其特点是提供经过严格调整的低压和大电流输出 具有快速的动态响应 1 3 1 电压调节模块的特点是随着相关数字处理产品的要求而变化的 其发展也 是为了适应数字处理产品的需要 从市场来看 计算机通讯设备迅速 持续稳 定的增长及新的网络产品市场的迅速增长 使得未来的开关电源市场的前景非 常乐观 市场对v r m 的需求更是呈现迅速上升趋势 1 5 在今后几年 v r m 的 主要发展趋势是 低输出电压 最低可低到1 v 大输出电流 低成本 高频 化 4 0 0 5 0 0 k h z 高功率密度 高可靠性 m t b f 1 0 5 高效率 l 6 目前 国外对v r m 的研究已取得了较大进展 对很多关键技术进行了切 实有效的研究及技术储备 能够实现3 3 v 以下输出电压 5 0 a 以上输出电流的 模块电源的大规模生产 且体积做得相当小 功率密度超过了5 0 w i n 3 现正向 1 2 0 w i n 3 发展 国内也有单位进行v r m 的研究 但与国际先进水平仍有差距 有待进一步研究 总之 信息技术的发展 给v r m 的发展带来了机遇和挑战 为了满足市 场需要和发展 v r m 必然要采用新技术 因此 对应用于v r m 的新技术的研 究 不仅具有科研价值 也具有重要的现实意义 浙江大学硕士学位论文 1 2 电压调节模块的新技术 在上一节分析了v r m 的发展趋势 为了适应其发展 许多新技术被开发 并应用于v r m 这些技术的研究和应用 使v r m 的性能达到了一个前所未有 的高度 下面简要介绍几种目前正在研究和改进的技术 电路拓扑 1 4 在各种技术中 拓扑的选择和设计无疑是最基础 最重要 的一项 目前 应用于v r m 的拓扑主要分两类 隔离式拓扑和非隔离式拓扑 非隔离式拓扑主要应用于输入电压等级较低 而输入输出变比不高的场合 如 输入电压5 v 或1 2 v 输出电压3 v 或3 3 v 其拓扑大多采用降压型的b u c k 电 路 b u c k 电路具有结构简单 设计容易 成本低廉等优点 然而 随着v r m 的发展 输入电压的提高 输出电压的降低使得非隔离式拓扑渐渐不能满足应 用 隔离式拓扑将是v r m 发展的方向 隔离式拓扑的优势是可实现高变比和 多路输出 能满足高输入电压 低输出电压的需要 隔离式拓扑种类较多 如 正激 反激 正反激 推挽 半桥 全桥等 相对非隔离式拓扑 隔离式拓扑 结构复杂 成本较高 但它适应v r m 的发展趋势 是将来的发展方向 图卜l 列举了常见的非隔离式拓扑 以b u c k 电路为例 和隔离式拓扑 以正激f o r w a r d 电路为例 v i n 严 c o 翻丰j 一图1 1非隔离式拓扑b u c k 电路和隔离式拓扑f o r w a r d 电路 高频化 7 高频化是实现高功率密度的有效措施 高功率密度是v r m 发 展的趋势 要提高功率密度 就需要减小v r m 的体积 而磁性元件和大容量 电容往往占用大量空间 提高频率 能有效减小电路所需电感量和电容量 从 而能相应减小磁性元件和大容量电容的体积 另一方面 在v r m 中往往采用 m o s f e t 作为开关管 目前常见m o s f e t 的开关速度能满足高频化的需要 这也让高频化成为可能 但高频化也会产生很多问题 对于传统p w m 方式工 作的变流器 高频化的同时会伴随着开关损耗及铁芯损耗的增大 加大了散热 要求 电路工作性能和可靠性受到电路寄生参数的限制和影响 因此 在高频 一2 一 浙江大学硕士学位论文 化的同时 必须考虑限制因素 在体积 效率 成本等条件之间进行取舍 最 终达到比较满意的结果 磁集成 8 卜 9 1 磁集成技术有利于实现磁元件体积和重量的减小 磁元件损 耗的降低 滤波电感电流纹波的减小以及电源动态性能的改善 对变流器功率 密度的提高和性能改善有重要意义 为了减小磁元件的体积 重量 改善滤波 性能 提高功率密度 人们通常采用提高频率的办法 但高频化的方法仍有一 定局限性 一方面 频率的提高会受到整机效率的限制 随着频率提高 损耗 也将增大 效率也相应降低 另一方面 为了减小磁芯损耗 磁芯高频工作时 一般要降额使用 磁芯的利用率不高 限制了磁元件体积的减小 为进一步减 小磁元件的体积 损耗 同时保证变流器的性能良好 研发人员对变流器中的 磁元件作了大量的研究工作 其中磁集成技术的应用就是一个很好的例子 磁 集成技术是将变流器中的两个或多个分立磁件 d i s c r e t em a g n e t i c s d m 如电 感 变压器等 绕制在一副磁芯上 从结构上集中在一起 d m 集中后的磁元 件被称为集成磁件 i n t e g r a t e dm a g n e t i c s i m 而相应的集成技术就成为磁集成 技术 采用磁集成技术能够减小磁元件的体积 重量 有时还能减小电流纹波 降低磁元件损耗 改善电源动态性能 对提高电源的性能及功率密度有重要意 义 一 图1 2 采用自驱式同步整流的正激电路 同步整流 l l o 1 4 随着输 出电压的降低 采用同步整流 技术减小损耗 提高效率是必 然的趋势 对于一般的低压 大电流d c d c 变流器 整流 部分普遍使用肖特基二极管 肖特基二极管具有快速的反向 恢复时间 而且它的导通压降很小 只有0 3 v 左右 这样它的导通损耗将很小 但是现在的低压 大电流d c d c 变流器输出电压只有1 3 v 且此时肖特基二极 管的导通压降保持不变 这样导通损耗就很可观 可占整个电压调节模块功率 的2 0 5 0 左右 从而极大的影响了他的效率 因此 在设计低压大电流d c d c 变流器时 经常采用同步整流技术 即使用低导通电阻的m o s f e t 来代替肖特 一3 一 浙江大学硕士学位论文 基二极管 由于作为整流器的m o s f e t 的开关和主电路的开关m o s f e t 的控 制时间一致 故而成为同步整流器 作为同步整流器的m o s f e t 的导通电阻很 小 一般只有7 3 0 mq 在导通时 它的导通压降只有0 2 0 3v 可以极大的 减小导通损耗 从而极大的提高整个电压调节模块的效率 图l 一2 是采用自驱 式同步整流的正激电路 同步整流技术也带来一些问题 由于功率m o s f e t 是单极性场控器件 同 步整流需要专门的控制驱动信号 其总损耗由导通损耗 驱动损耗 开关损耗 体二极管损耗多个部分组成 功率m o s f e t 一般采用 质量因子 定义为导 通电阻和栅极电荷的乘积 r o n 幸q 6 来表征其器件性能 限于现今的器件技术 市场上通用的器件 其典型值只能在3 0 0 4 0 0 mq 謇n c 左右 因而在选择 m o s f e t 时 必须在导通电阻和栅极电荷之间取折衷 也即在导通损耗和容性 相关损耗之间折衷 为了降低导通损耗 对于传统的器件技术来说 必须增大 器件的尺寸 但同时这会增大栅极和漏极电荷 因此也就产生了更大的容性相 关损耗 特别是在高开关频率下 同步整流管的容性相关损耗将成为低压 大电 流输出d c d c 变流器最主要的损耗之一 功率m o s f e t 器件质量因子值较高 限制了变流器的效率和高频工作的能力 也就间接限制了变流器的小型化 现 今很多国际知名的器件公司纷纷研制推出最新的功率器件 显著减小了功率器 件的质量因子值 可望大大提高电路效率 降低整机体积和重量 满足高功率 密度指标要求 软开关f 1 4 1 4 1 7 软开关技术是2 0 世纪8 0 年代发展的一项技术 它的基本原 理是用串联谐振或并联谐振的方法 使开关管在零电压或零电流条件下开通或 关断 这样就减少了开关过程中的损耗 软开关技术首先减少了开关损耗 提 高了效率 其次它优化了开关管的工作条件 提高了变流器的可靠性 再次它 为开关频率的进一步提高创造了有利条件 从而有利于减小电感 电容容量 提高变流器的功率密度 另一方面 软开关技术带来了一些成本上的增加 不 管采用哪种软开关技术 元件数量的增加必然会带来成本上的提高 但相比其 带来的好处 软开关技术是利大于弊的 并且软开关的应用将会越来越普遍 以上简要介绍了v r m 的几种新技术 事实上 随着v r m 不断发展 跟 v r m 设计所涉及的技术越来越多了 如图1 3 这些技术包括 电路拓扑 一4 一 新江大学顿士学位论文 t o p o l o g i e s 高开关频率 h i g hf i e q u e n e y 磁设计 m a g n e t i c s 软开关 技术 s o f ts w i t c h i n g 同步整流技术 s y n c h r o a o u sr e c t i f i c a t i o n 并联技术 p a r a l l e l i n gt e c h n i q u e 热处理及封装技术 t h e r m a lm a n a g e m e n t p a c k a g i n g 电磁兼容技术 e m im i n i m i z a t i o n 等 因此v r m 的设计 是一 项综合性技术 要在考虑具体的输入输出要求上 综合考虑成本 效率 制造 工艺等多方面因素 选定适用的技术方案 同步整流 电路拓扑磁集成 并联技术 高效率 高功串密度 低成本 热驾 技 高频化软开关 电磁兼容 图1 3 应用于v r m 的各种技术 1 3 新型v r m 的设计要求和设计方案 通过对v r m 的概念和发展趋势以及应用于v r m 的各种新技术的介绍 可以看到 为适应v r m 的发展趋势 必须综台考虑各种因素 有选择地应用 新技术 使各种技术优势互补 满足应用需要 要设计v r m 就要明确其设计要求 因为各种技术都有适用的范围 也 只有在明确设计要求的基础上 才能对各种新技术进行评价 从而选择恰当的 方案 v r m 的发展趋势是更高的输入电压 更低的输出电压和更大的输出电 流 因此 课题将输入电压取3 6 7 2 v 输出电压取l v 输出电流取3 0 a 这 样一方面顺应了v r m 的发展趋势 另一方面也针对许多此类应用的场合 在此设计要求下 来选择设计方案 第一步要选定电路拓扑 1 1 旧 2 3 1 应用于v r m 的拓扑主要分两类 隔离式 拓扑和非隔离式拓扑 非隔离式拓扑主要应用于变比不高的场合 如输入电压 5 v 或1 2 v 输出电压3 v 或33 v 并不适合设计要求 隔离式拓扑可实现高变 比 能满足高输入电压 低输出电压的需要 因此 将拓扑范围确定为隔离式 隔离式拓扑种类较多 如正激 反激 正反激 半桥 全桥等 其中 正反激 5 一 浙江大学硕士学位论文 拓扑相比其他拓扑 如常见的正激拓扑 更有优势 它的输入输出特性同正激 变流器类似 具有线性的输入输出关系 可用于输入电压变化范围较宽的场合 它的主变压器除了传递能量 同时也作为储能元件 利用率高 且输出电流脉 动小 有利于减小输出滤波电感 提高 变流器的输出动态性能 它的变压器副 边电压波形无死区 适于采用自驱动同 步整流技术 也有利于设计和采用其他 同步整流驱动方式 因此 电路拓扑图l 4正反激电路原理图 选为正反激拓扑 表1 1 是相同条件下有源箝位正反激拓扑同有源箝位正激拓 扑的各参数比较 电路类变压器原变压器副 输入输出关系变压器直流分量输出电流脉动 型边匝数边匝数 正激电 匕即小等 n p n 0 圪木 1 一d 路 lo 卑f 正反激 i d o 毒瓷 圪宰 1 2 d 电路 圪即加孝 n p n s n s 2 io 聿f 表1 1 正反激电路与正激电路对比 第二步要选择同步整流驱动方案 2 4 3 3 由于设计要求的输出电压只有1 v 同步整流技术也是必不可少的 而同步整流技术的关键在于同步整流管的驱动 方案 且不同的同步整流驱动方法对变流器的效率也会有一定的影响 在过去 v d ly d 3y d 4 的几年中 许多驱动方法如外驱动 电 流型驱动以及混合型驱动方法被提出 但这些驱动方法都存在着不足 例如外 驱动方法会导致轻载下的损耗较大 混 合型驱动在断续工作模式下会出现异常 图1 5同步整流驱动方案原理图现象 甚至导致电路失效 而一些电流 型驱动由于采用的电流互感器 c t 结构复杂 因此体积也会有所增加 在多 种驱动方案中 本文筛选出一种成功应用于反激电路的电流型同步整流驱动方 案 这种驱动方案具有结构简单 空载下损耗较低 利于实现低待机损耗 和 一6 一 凹 浙江大学硕士学位论文 低驱动损耗等特点 将之适当改造 可以应用于正反激电路 第三步 其他技术的选择 为了满足设计要求 提高效率和功率密度 在 正反激电路和同步整流方案的基础上 考虑应用了软开关技术 高频化和平面 变压器技术 软开关技术通过有源筘位来实现 通过有源箝位 使变压器原边 主开关管和副管都实现了零电压开关 z v s 这样减少了开关损耗 提高效 率 也为高频化创造条件 高频化是v r m 的发展趋势 也是减小电容 电感 容量 提高功率密度的有效方式 平面变压器是磁集成技术的一个方向 采用 平面变压器可以有效减小漏感 提高变流器的可靠性 并且由于平面变压器体 积小 能有效提高功率密度 通过上面的介绍可以看到 新型v r m 的设计及要求是输入3 6 v 7 2 v 输出 1 w 3 0 a 在此设计要求下 选定的方案是采用新型同步整流驱动方案的正反激 电路 并且在此基础上 综合考虑和应用了软开关 高频化 平面变压器等新 技术 1 4 课题特色与论文内容 本课题的特色是在总结v r m 发展趋势和新技术特点的基础上 选定了新 型v r m 的设计要求 根据要求筛选出了正反激拓扑和新型同步整流驱动方案 并在此基础上综合应用软开关 高频化 平面变压器等新技术来实现设计要求 论文内容包括 第一章介绍了课题背景和选定方案 第二章对常用v r m 拓扑进行分类 介绍了正反激电路的优势和特点 并详细分析了正反激有源箝 位电路的详细工作过程 第三章介绍了同步整流技术的概念和特点 对同步整 流驱动方案进行了分类 并详细分析了混合同步整流驱动方案的工作原理 第 四章对正反激变流器的设计和实现进行了研究 介绍了正反激变流器主电路各 元件的设计和选择 同步整流驱动电路的设计以及主开关管和箝位管驱动电路 设计 并对主电路进行了仿真 给出了样机原理图及实物图 并对实验样机的 实验结果进行了介绍和分析 第五章是结论和展望 一7 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章正反激有源箝位电路工作原理分析 为适应v r m 的发展趋势 满足新型v r m 的设计要求 我们需要选择合 适的主电路结构 本章介绍了选择拓扑的标准和适用于v r m 的主要拓扑 然 后通过分析和比较说明了正反激电路的优势和特点 最后详细分析了有源箝位 正反激电路的工作原理 2 1 选择拓扑的标准和适用于v r m 的主要拓扑 在设计v r m 时 选择电路拓扑是十分重要的环节 好的电路拓扑 必须 具备效率高 输入输出特性好 结构简单 便于控制等特点 然而 在实际电 路中 没有哪个电路是完美的 大多数电路都具有特异性 即在某些特定功率 应用场合具有优势 我们只能针对不同的功率等级和应用场合 经过系统的分 析和比较 归纳拓扑的特性 从中筛选出合适的电路结构 因此 本节先介绍 选择v r m 拓扑的标准 在此基础上介绍适用于v r m 的主要拓扑 2 1 1 选择拓扑的标准 对拓扑的选择和比较 首先要明确应用的场合 确定基本的电气指标 如 输入电压 输出电压 功率等级等 不同的应用场合 对拓扑的要求是不一样 的 就v r m 来说 其输出电压大多1 3 3 v 输出功率小于5 0 w 我们可按照 其输入电压等级划分应用范围 低输入电压 如1 2 w 5 v 3 3 v 高输入电压 4 8 v 在确定了应用范围 我们还要定义用来衡量拓扑性能的指标 才能评价拓 扑的优劣 这些指标主要包括以下几点 1 5 输入特性 输入电压适应范围 输出特性 输出电压适应范围 交换效率 拓扑损耗 器件应力 拓扑及控制的复杂性 成本 拓扑的频率适应性 拓扑的可集成性 包括有源和无源 一8 一 浙江大学硕士学位论文 拓扑适用的功率等级 与器件有关 拓扑的可靠性 包括短路 限流 恒功率等运行状态下拓扑的可靠性 这些指标之间相互联系 在不同的应用场合 评价拓扑优劣的侧重点也不 同 如扩宽输入范围会损失变换率 提高效率会增加电路复杂程度并提高成本 而频率适应性和功率等级跟效率也关系密切 但最终 这些指标都会反映到效 率 电路复杂程度和成本的关系上来 因此 选择拓扑 就是要在一定应用场 合下 优选出效率高 结构简单 成本低廉的电路拓扑 2 1 2v r b l 拓扑的分类 v r m 的发展是随着输入电压的等级不同而发展的 根据输入电压不同 可将v r m 的主要拓扑分为两类 应用于低输入电压场合的拓扑和应用于高输 入电压场合的拓扑 1 低输入电压 1 2 v 5 v 3 3 v 场合 1 6 1 8 3 4 对于v r m 输出电压比输入电压低 在变比要求不高的低输入电压场合 往往选用非隔离式的b u c k 电路 其优点是结构简单 空载损耗小 使用与输 出功率小的应用场合 图2 1 是传统的b u c k 电路结构图 在输出电流较大时 往往会采用同步整流b u c k 电路 如图2 2 所示 用m o s 管取代续流二极管 续流时 由于同步m o s 管的导通电阻小 管上的压降很低 减少了损耗 l o i l c o 丰r j d s l i1l 图2 1b u c k 电路图2 2 同步整流b u c k图2 3 交错并联b u c k 瞬态响应差是b u c k 电路的主要缺点 在v r m 中 往往采用交错并联 i n t e r l e a v i n g 技术提高电路瞬态响应性能 如图2 3 是一个两相交错并联的 b u c k 电路 随着技术的发展 并联的相数越来越多 目前已有四相并联电路 2 高输入电压场合 1 6 1 8 1 3 5 3 6 l 对于高输入电压场合 如4 8 v 输入 由于变比高 往往采用隔离式拓扑 其主要结构有正激 反激 半桥 全桥等 而每种拓扑又有许多结构 如正激 电路根据变压器复位方式不同 就可分为谐振复位正激 附加绕组复位正激 r c d 复位正激 有源箝位正激等 以应用最为广泛的正激电路为例 简要介绍 一9 一 浙江大学硕士学位论文 此类电路特点 如图2 4 所示有源筘位正激电路 与非隔离式最大的区别就是 有变压器 这样的好处是能够实现大变比 多路输出 满足v r m 发展的需要 缺点是增加了电路的复杂程度和成本 目前 对正激电路的研究已经非常成熟 许多软开关技术 如有源筘位 同步整流技术等多种技术都已应用到正激电路 以提高效率 图2 4 两种传统有源箝位正激电路 本课题研究对象的要求是输入电压为3 6 v 7 2 v 输出电压1 v 输出电流 3 0 a 属于高输入电压 大变比的应用场合 比较两类拓扑特点可知 设计方 案的主电路应在隔离式拓扑中选择 由于变压器的存在 隔离型拓扑都可分为 原边和副边两部分 因此 将隔离型拓扑分原边结构和副边结构分别介绍 2 1 3隔离型拓扑的原边结构 根据变压器原边结构不同 可将隔离式拓扑分为正激 反激 半桥 全桥等 下面分别介绍 半桥电路 l 如图2 5 所示传统的两种半桥电路 可以看到两种结构的变压器 原边都有两个开关管 元件数量较多 成本较高 因此半桥结构主要应用于中低 输出功率场合 j t h 3 0 5 0 0 w 而全桥电路原边需要四个开关管 般用于输出功 率较高场合 不适用于设计要求小功率的场合 反激拓扑 1 2 2 4 1 2 5 如图2 6 所示 反激电路 元器件少 原边只有一个开 关管 结构简单 适合6 0 w 以内的场合 但反激电路是原边电流型电路 当原边 开关管关断时 变压器励磁电感中储存能量给负载供电 输出端不需要滤波电感 这造成了反激电路输出电流纹波相对较大 需要大容量的输出电容来保证较小的 输出纹波 因此 反激电路不适合输出大电流场合 也与设计要求不符 正激拓扑 1 6 如图2 7 所示 适用于小功率场合 电路结构简单 原边也只 有一个开关管 且电路输出电流纹波较反激电路小 符合设计要求 因此 课题 选择正激拓扑为电路的原边结构 一l o 浙江大学硕士学位 沦文 圈 扣吲 l 眢 i 一图 图2 5 两种传统的半桥电路原理图 图2 6 有源箝位反激电路原理图2 7 有源箝位正激电路原理图 2 1 4 隔离型拓扑的副边结构 根据变压器副边结构不同 隔离型拓扑可分为电流型和电压型两种结构 电流型整流结构 如图2 8 所示 包括峰值检波整流电路 全波整流电路 和全桥整流电路 其共同的特点是变压器相当于一个电流源 变压器副边没有 输出滤波电感 但这些拓扑带来了输出电流纹波大的缺点 为了保证纹波 需 要大容量的输出电容 不适合大电流输出场合 因此 我们要选择电压型整流 结构 dv o v o 2 8 a 半波整流电路 2 8 b 全波整流电路 d 12 d 2 i 车 i c o 卡r i z d 3z d 4 l l 2 8 c 全桥整流电路 蘑斗i 浙江大学硕上学位论文 适用于正激电路的电压型拓扑结构 如图2 9 所示 包括半波整流电路 全波整流电路 全桥整流电路和倍流整流电路 其中 半波整流电路元件少 常用于单端正激电路 缺点是需要较大的滤波电感 全波整流电路用于变压器 双象限工作的双端电路 包括半桥 全桥 推挽 正反激等 采用全波整流电 路 对输出电路而言等效频率增加了一倍 有利于滤波器的设计 缺点是需要 两个变压器副边绕组 在低压大电流场合下应用时 增加了变压器的设计难度 而变压器副边输出的触点也增加了损耗 这些问题可以通过平面变压器和磁集 成方式解决 全桥电路也用于变压器双想象工作的双端电路 虽然它只有一个 副边绕组 但需要4 个整流管 成本高而且也增大了整流损耗 倍流整流电路 同全波整流和全桥电路一样 用于变压器双象限工作的拓扑 它可以从通过全 波整流电路演化 同全波整流电路相比 它的优点是变压器副边只有一个绕组 变压器简单 且变压器副边流过的电流有效值小 但缺点是两个输出电感 使 体积和成本都会增加 2 9 a 电压型半波整流电路 2 9 b 电压型全波整流电路 d 1z d 2 c o i i r j d 3z d 4 2 9 c 电压型全桥整流电路 2 9 d 电压型倍流整流电路 一1 2 浙江大学硕士学位论文 2 2 正反激电路的特点及工作原理 正反激电路原理图如图2 1 0 所示 由于采用了变压器副边有抽头的结构 副 边存在两个绕组 原边采用了有源箝位的方式 这样电路不但保留了有源箝位正 激电路的优点 能实现零电压开关 自驱式同步整流 也使变压器具备储能功能 提高了变压器的利用率 且输出电流波动小 同等条件下可采用较小的输出电感 有利于节约空间和成本并提高变流器动态性能 本节将介绍正反激电路特点 并 详细分析正反激电路工作原理 计算电路主要电量 2 2 1 正反激电路的拓扑结构 通过对v r m 拓扑的分类可以看到 满足设计要求的原边结构是正激拓扑 而副边四种结构中 电压型全波整流和电压型倍流整流结构优于电压型半波整 流结构 将原边和副边结合 得到了两种正反激电路 一种是变压器副边有抽 头的结构 另一种是副边倍流整流结构1 3 5 3 8 1 图2 1 0抽头式正反激电路 图2 1l倍流式正反激电路 图2 1 0 和图2 1 1 分别是抽头结构正反激电路和倍流结构的正反激电路 两种结构的共同点是 相对于正激电路 更好的利用了变压器磁芯 变压器不 但传递能量也存储能量 不同的是由于结构不同 两种结构在体积 元件数量 损耗上各有所长 在体积方面 抽头结构的变压器体积大于倍流结构 输出滤 波电感的体积两者相同 即抽头结构一个电感的体积等同于倍流结构两个输出 电感体积之和 但倍流结构是两个电感 占用空间要大 在元件数量方面 倍 流结构大于抽头结构 它有两个输出滤波电感 在损耗方面 二次侧绕组上的 损耗和输出滤波电感上的损耗是抽头结构大于倍流结构 但倍流结构输出滤波 电感磁芯的损耗大 而且箝位开关和箝位电容上流过的电流大 上面的损耗也 较大 总的来说 中间抽头结构的正反激电路在效率和成本上略优于倍流结构 的正反激电路 因此 如图2 1 0 所示 在本课题中 选择了中间抽头结构的正 一13 浙江人学硕士学位论文 反激电路为主电路拓扑 2 2 2 正反激电路工作原理分析 图2 1 2 为考虑了变压器的漏感和励磁电感 开关管的寄生参数以及采用了自 驱同步整流方式后的等效电路原理图 图中 v p l 是变压器原边主开关管 v p 2 是 变压器原边箝位管 c 是箝位电容 l 是变压器漏感 l m 是变压器励磁电感 s r l 和s r 2 是副边同步整流管 d s r l 和d s r 2 分别是s r l 和s r 2 的体二极管 l o 是输出滤 波电感 c q 是原边主开关管 筘位管和变压器寄生电容之和 v i n 图2 1 2考虑寄生参数的自驱式同步整流正反激电路 假设筘位电容c 输出滤波电感l o 足够大 输出电压大小满足自驱同步 整流的驱动要求 箝位电容c 电压初值为v t o 忽略波动箝位电容c 电压 v v i w 1 d 这里仅先指出箝位电压值 后面将介绍计算过程 输出滤波电感 可等效为恒流源 且i l o i o 在此条件下 可以将电路工作的一个周期分成1 2 个部分 下面分别介绍各个阶段工作原理 各阶段波形见图2 2 8 阶段l t o 一t 见图2 1 3 图中 流过电流的线路用实线表示 没有电流 的线路用虚线表示 下面各个阶段的电路工作原理图都如此设置 v i n c e q 图2 1 3工作阶段1 t o t 一1 4 一 浙江大学硕上学位论文 在此之前 电路处于阶段1 2 状态 v p l 的体二极管d p l 导通 v p l 漏源极电压 为o 副边二极管d s r l d s r 2 换流 变压器原副边都箝位在o 电压 t o 时刻触发开 通v p l 此时副边二极管d s r i d s r 2 换流结束 电流通过d s r 2 由于d p l 的筘位作 用 原边主开关管v p l 零电压开通 变压器原边电压为漏感l 和励磁电感l m 分压 后励磁电感l m 上的电压 副边同步整流管s r 2 门极电压建立 且零电压开通 能 量通过变压器 同步整流管s r 2 输出滤波电感l o 传送到输出端 原边漏感l 和 励磁电感l m 在输入电压v i 作用下线性上升 设此阶段漏感l 上电压为v 和励磁 电感l m 上电压为v m 则有v i n v r v m 且漏感l 和励磁电感l m 上电流可用下式表 示 f 2 t f o i v m f f o 2 1 f 删却瓮吨 f 却等吨 o 每嘶 o 2 2 直到俺l 原边主开关管v p l 驱动电压消失 v p l 关断 该工作阶段结束 该 工作阶段的时间长度由电路的占空比决定 阶段2 t l t 2 见图2 1 4 v i n t c c 窆 鹳 n 2 b 丑 d p l k i 1d s r 2 e q 上 图2 1 4工作阶段2lt l t 2 如图所示 在t t l 时刻 主开关管v p l 的驱动脉冲消失 主开关管v p l 关断 由于寄生电容c q 的存在 主开关管v p l 漏源两端的电压是缓慢上升的 因此主开 关管v p l 是软关断 副边由于名掌瓮 曲 输出电流仍然流过同步整流管s r 2 在此阶段漏感l 和励磁电感l m 和等效电容c q 一起处于谐振状态 有 一1s 一 角一i 1 墨i 1 一 y 窖 p v 卜 浙江大学硕士学位论文 奉d v 衍c e q 抛 乙幸等 木鲁 飞 2 3 2 4 考虑到初始条件 屯 f 屯 f 叼 f 0 将初始条件代入式子 2 3 t 壬1 1 2 4 联立方程组可得 其中 z l 2 5 为l m l c q 组成的谐振电路的特征阻抗 为l m l c q 组成的谐振电路的谐振角频率 由于等效电容c e q 非常小 因此谐振电路的特征阻抗z l 非常大 谐振电容c q 的充电速度非常快 可将式子 2 5 改写为 2 6 忽略漏感l r 上的压降 变压器原边电压可表示为输入电压v i n 与等效电容c q 上电压之差 即 啊m 飞m 圪一掣卜 在此阶段 副边整流管s r 2 门极电压为 木筹 2 7 随着变压器原边电压v p 不断 减小 副边整流管s r 2 门极电压最终会小于最低门极驱动电压 即 奉丝n l 曲 则副边整流管s r 2 关断 第二阶段结束 将0 f 圪飞 f 圪一掣 们 入 瓮 吃 m 可计算该工作阶段的时间长度缸 1 6 妇 妇卜 l 吖 q q 一 i 宰 口 五 s i 怕 卜 丘互以 一 q o i l 科h 牛 o p 一 r 0 巾 叫 事 眇 沪 又 吒 d 套 q 凯 p f 引 西 卜 吃 浙江大学硕士学位论文 卜w 针南 阶段3 t 2 t 3 见图2 1 5 v i n 2 8 图2 1 5工作阶段3l t 2 一 t a j 在t t 2 时 1 变压器副边整流管s p 2 f i 极电压小于最低门极驱动电压 即 巧 瓮 曲 整流管s r 2 关断 电流从整流管s r 2 的体二极管d s r 2 中流过 原 边的漏感l 和励磁电感l m 和等效电容c q 一起处于谐振状态 有 c q 宰等吒 2 9 厶木鲁 木d 西 l z r 圪一v c e q 2 1 0 考虑到初始条件 屯 f t 乞 v c e q t v c q t 2 将初始条件代入式子 2 9 和 2 1 0 联立方程组可得 f 2 屯r t 2 c o s 哆 一 2 笔木s i n 鸭 一如 2 1 i v c e q f 圪幸1 c o s e d 2 f f 2 t 屯 幸z 2 宰s i n 哆 一 2 j 其中 z 瓯 为l m l c e q 组成的谐振电路的特征阻抗 f c 奶 1 竺 一 为l m l c q 组成的谐振电路的谐振角频率 2 厶 木 1 由于等效电容c q 非常小 因此谐振电路的特征阻抗z 2 非常大 谐振电容c q 的充电谏摩非常快 可将式子 2 1 1 改写为 一1 7 一 浙江大学硕上学位论文 雠黧愁裟蔼i l t 2 训卜2 卜 f 飞 f 2 m 鹏m 吲 小 咖百嘶训j 一 圪一 圪一 2 一号磐 一 2 2 1 3 址 2 川 飞 讣赫 2 j 4 阶段4 t 3 t 4 见图2 1 6 v i n 图2 1 6 工作阶段4 t 3 t 4 在t t 3 时n 等效电容c q 两端电压达到v i n 变压器原边电压降为o 此时变 压器励磁电感电流i h i l t 3 保持不变 漏感l 和c q 一起处于谐振状态 对变压 器进行复位 变压器副边同步整流管的体二极管d s r i 和d s r 2 进行换流 并把变压 器原副边电压箝位在0 在此阶段 有 一1 8 浙江大学硕士学位论文 宰d 出i l r 一v c q f 2 1 5 宰等吃 2 1 6 考虑到初始条件 t t f 3 t 3 l 幸鲁 f 将初始条件 代入式子 2 15 和 2 16 联立方程组可得 巢裂麓鬯s i n 蒜r 3 亿聊 2 圪 0 岛 母乙宰i 鸭 r r 3 i r 7 其中 z 3 2 侄 为l f e q 组成帆冁电路的特征阻抗 鸭2 赢 为 吓 c e q 组成的谐振电路的谐振角频率 由于假设中漏感l 储能足够 在t t 4 时刻 v c q v c t o i l 还没有下降到 c 岛 一易水 惫掌 是 c 一 此阶段结束 将v 一 m 代入式 2 7 可以计算出此段时间的长度 k f 3 4 f 4 一f 3 1 q 牛s i n 叫精 2 1 8 在该阶段 变压器副边电流流过相对高导通电阻的同步整流管的体二极管 因此从提高效率的角度 应尽量减小i 出毋时间的长府 阶段5l t 4 t b 见图2 1 7 在仁也时刻 v c c q v c t o 此时箝位管v p 2 的体二极管d p 2 导通 在此阶段 漏 感l r 同c c 一起谐振 对变压器进行复位 同时变压器励磁电感电流i l m i l m t 3 仍保 持不变 幸警2 吆一 2 1 9 c 乙 e 宰 d y 矿c e q f 2 2 0 一1 9 浙江大学硕上学位论文 i c c t v i nt 昂 j 二 c e q 图2 1 7工作阶段5 t 4 t 5 考虑到初始条件 i l r f t f 4 v c t 气 将初始条件代入式子 2 1 9 和 2 2 0 联立方程组可得 其中 z 4 为l r c c c q 组成的谐振电路的特征阻抗 咄2 万露1 面 为l r c c c e q 组成的谐振电路的谐振角频率 在代时轧v c c 一4 吵n 下降到k 如 一易辜 惫幸 是 一 此 阶段结束 将i l 严龇 一易奎 是一是 d 卜入式协2 叭可以计算 出此段时间的长度她 k 岛一 瓦1 2 2 2 在该阶段 变压器原边副边电流都流过相对高导通电阻的体二极管 因此 从提高效率的角度 应尽量减小此段时间的长度 阶段6i t 5 t d 见图2 1 8 在t t 5 时刻 变压器副边整流管的体二极管d s r l d s r 2 换流结束 变压器原 一2 0 一 2 q 刈 月卜 以 0 红 n 吐 q 嘶 l 三j 书 乙 以 桃 吃妇d 一 吒 卜 4叭h 广l s毗 l 一 聊 i 逖乙咿 吃一 一 一 吖 o 浙江人学硕上学位论文 一一一 边电压反柏 变压器蔷i j 边 藿 应电压 车务 同步整流管s r l 导通 原边箝 位管v p 2 的导通由触发脉冲控制 跟死区设置有关 假设此时触发脉冲已经到来 v p 2 导通 此阶段 变压器原边漏感l 和励磁电感l m 同电容c 谐振 有 c e v i nf 今 三 d p l c e q 厶 枣鲁 圪一 2 2 3 e 木i d v c e q 锄 2 2 4 考虑到初始条件 t f f 5 f f 5 将初始条件代入式子 2 2 3 枞垆半嘲蝴训吃 f 5 恸s 嘶训 r e t 圪 5 事c o s 鸭 一 5 t 5 书z 5 幸s i n 哆 一如 j 其中 乙 三丛 为l r l m c c c e q 组成的谐振电路的特征阻抗 7 c 口 c c 缈 1 一 为l r l m c c c e q 组成的谐振电路的谐振角频率 三崩 奉 c 口 c c 在此阶段 漏感l 和励磁电感l m 将其存储的能量传输给电容c c 电感电流呈 减小趋势 在户t 6 时刻 漏感l 上的电流减小到o 此阶段结束 将i l 舭 0 代入式 2 2 5 可计算此段时间的长度 f 5 6 5 s t t t s2i 1 t a n 叫糌 2 躺 浙江大学硕上学位论文 在t t 6 时玄t l 漏感电流i l r t 6 o 箝位电容上的电压达到最大值 v c c t 6 v c m a x 在此阶段 变压器原边漏感l 和励磁电感l m 同电容c 谐振 继续对变 压器进行复位 电容c 将其能量回馈给输入端 漏感l 的电流i l r 曲 整流管s r l 导通 此阶段有 v i n 一 l 一 d s r 2 e q 图2 1 9工作彤r 段7l t 6 t t j 厶 木盟d t 2 一 2 2 7 c 钾 c c 木警 f l f 2 2 8 考虑到初始条件 0 f 0 v a t v c 6 将初始条件代入式子 2 2 7 y f l 2 2 8 联立方程组可得 卜 f 掣蝴蝴 f 6 i 2 2 9 1 f 瓦 一 c o s c a 6 t 一气 j 其中 z 6 为l f l c c c q 组成的谐振电路的特征阻抗 魄2 了霞亏乏了1 夏丽 为l f l m c c c e q 组成的谐振电路的谐振角频率 直到t t 7 时刻 原边箝位管v p 2 的脉冲驱动消失 v p 2 关断 此阶段结束 此阶段时间的长度 f 6 由触发脉冲控制a 阶段8 t t 一t s 见图2 2 0 一2 2 浙江大学硕上学位论文 i n 图2 2 0 工作阶段8 t t t s 在t t 7 时刻 原边箝位管v p 2 的脉冲驱动消失 v p 2 关断 c c q 上电压不能突 变 且v c q v c 因此 此阶段是漏感l r 和励磁电感l m 同电容c q 谐振 c q 将能量经过漏感l