（电力电子与电力传动专业论文）基于软开关与磁集成技术的cuk变换器.pdf

ac u kc o n v e r t e ru s i n gs o f ts w i t c h i n ga n di n t e g r a t e d m a g n e t i c st e c h n o l o g i e s a b s t r a c t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s p s t e c h n o l o g y h a s b e e nu s e du n i v e r s a l l ys i n c et h e2 0 u c e n t u r y6 0 s w i t h t h eb a c k g r o u n do fn e wp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s n e w e l e c t r i c m a g n e t i cm a t e r i a l n e wc o n t r o l l i n gp o l i c i e s n e wt r a n s f o r m i n gt e c h n o l o g y a n dn e ws o f t w a r ep r o g r e s s i n gq u i c k l y s p si sd e v e l o p i n gt o w a r d sh i g hf r e q u e n c y h i g he f f i c i e n c y h i g hp o w e rd e n s i t y h i g hp o w e rf a c t o ra n dh i g hr e l i a b i l i t y s o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yu s er e s o n a n c e t om a k et h es w i t c h i n gd e v i c e sv o l t a g e a n dc u r r e n tr e m a i nz e r ow h e ni t st u r n i n go no rt u r n i n go f f t h i st e c h n o l og yc a n s o l v em a n yp r o b l e m sw h i c hm a ye x i s ti nh a r ds w i t c h i n gs i t u a t i o n s o f ts w i t c h i n g t e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e df r o mr e s o n a n tt e c h n o l o g y q u a s i r e s o n a n tt e c h n o l o g y z e r os w i t c h i n gp w mt e c h n o l o g yt oz e r ot r a n s f o r m i n gp w mt e c h n o l o g ya n di t s s t i l lp r o g r e s s i n ga h e a dq u i c k l y m a g n e t i cc o m p o n e n t sp l a y a ni m p o r t a n tp a r to fp o w e re l e c t r o n i cs y s t e m s t h e s ec o m p o n e n t sm o s t l ya c h i e v ee n e r g ys t o r a g e e n e r g yt r a n s f o r m i n g f i l t e r a n d e l e c t r i c m a g n e t i ci s o l a t i n g t h e i rw e i g h ti s3 0 4 0 o ft h ew h o l es y s t e ma n dt h e i r v o l u m ei s2 0 30 o ft h ew h o l es y s t e m i n t e g r a t e dm a g n e t i ct e c h n o l o g yh a v e s e v e r a lm a g n e t i cc o m p o n e n t sc o n n e c ti n t oo n em a g n e t i cc o r e t h e r e f o r e t h e v o l u m ei sd e c r e a s e d t h ep o w e rd e n s i t yi si n c r e a s e da n dt h ef i l t e ri ss i m p l i f i e da s w e l l c o n n e c t i n gt h es o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g ya n di n t e g r a t e dm a g n e t i ct e c h n o l o g y i ni s o l a t e dc u kc o n v e r t e r a na d v a n c e ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sg a m e d l h i s 一 rf o p a p e rw i l la n a l y z e t h ec o n v e r t e r ss t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e t h e ni tw i l li n t r o d u c et h e d e s i g n i n gm e t h o do f t h ec o n v e r t e r i nt h ee n d i nt h ee n d i ts h o w st h es i m u l a t i o no f t h ep r o p o s e dc o n v e r t e r a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ea c a d e m i ca n a l y s i s k e yw o r d s s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y i n t e g r a t e d m a g n e t i ct e c h n o l o g y c u kc o n v e r t e r 插图清单 图1 1 开关电源原理图 3 图2 1c u k 变换器拓扑及其等效电路 7 图2 2 隔离型c u k 变换器的由来 8 图2 3 隔离型c u k 变换器的等效电路 9 图2 4 隔离型c u k 交换器各波形 9 图2 5 输出滤波电容器中的电流波形 13 图2 6 带耦合电感的c u k 变换器 1 3 图3 1 硬开关情况下开关过程 15 图3 2 硬开关状态下感性负载的开关轨迹 1 6 图3 3 软开关情况下开关过程 1 6 图3 4a 类z v tc u k 变换器 l8 图3 5b 类z v tc u k 变换器 1 9 图3 6c 类z v tc u k 变换器 l9 图3 7d 类z v tc u k 变换器 2 0 图3 8 一个开关周期各个模态的等效电路 2 1 图3 9z v tc u k 变换器的主要波形 2 l 图31 0 隔离型z v tc u k 变换器 2 2 图3 1 1 源转移法等效变换磁件 2 6 图3 1 2 耦合电感模型 一2 6 图3 1 3 电感与变压器集成的应用 2 7 图3 1 4 两电感解耦集成 2 8 图3 1 5 耦合电感和t 型去耦等效电路 2 8 图3 1 6 电感 变压器集成模型示意图 2 9 图4 1 磁感应曲线 3l 图4 2t l 4 9 4 内部结构等效电路图 3 4 图4 3t l 4 9 4 的脉宽调制控制原理各级工作波形图 3 5 图4 4t l 4 9 4 产生基本p w m 信号 3 6 图4 5t l p 2 5 0 的内部结构简图 3 7 图4 6 开关管的驱动电路 3 8 图5 1 隔离型c u k 变换器电路模型 3 9 图5 2 输出电压u o 4 0 图5 3 三1 2 不耦合时的电路模型 4 0 图5 4 不同条件下 三l 三2 上的电流 4 0 图5 5 不加入z v t 单元时的电路模型 4 1 图5 6 不同条件下s l 开通过程 4 1 表格清单 表4 1t l p 2 5 0 工作时的真值表 3 7 表5 1 仿真模型元件参数 一3 9 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及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金妲王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字 钳星酮 签字同期 2 0 0 年 月形r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些态堂有关保留 使用学位论文的规 定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被 查阅或借阅 本人授权金g 曼王些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内 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 汇 编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者笮名 铆宦嚼 签字同期 矿年争月珈日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 签字闩期 电话 邮编 致谢 在即将完成硕士学业之际 简要叙述一下内心感受 万分感谢所有帮助 关心过我的老师 同学们 祝福你们身体健康 永远幸福 本论文在杜少武教授悉心指导下完成 从论文选题 工作开展 方案调整 到论文定稿 一直得到了杜老师的指导和帮助 杜老师知识渊博 治学严谨 工作勤奋 生活朴素 严于律己 宽以待人 为我们这些即将走向工作岗位的 青年树立了优秀的榜样 通过这两年多时间的学习 我在多方面都得到了锻炼 和进步 尤其认识到科学研究所应具备的积极进取 顽强拼博 认真负责 精 益求精的科研精神 使我坚定了终身学习的人生观 在此 我向杜老师表示最 真诚的感谢 祝福您身体健康 工作顺利 感谢所有关心 帮助过我的人 尤其是童诚 陈忠 汤华奇 孟祥志 史 金仙 赵钦 芮骐骅等 祝福他们人生路上顺利 快乐 感谢我亲爱的家人和亲戚 他们给予我的关心和鼓励是我奋斗的动力源泉 是我进行一切学习 工作的最大支持 我的所有成绩都得益于他们的抚养和教 育 祝福他们永远平安 幸福 感谢审阅论文和参加答辩的专家们 作者 钟安明 2 0 1 0 年4 月5 日 第一章绪论 电源犹如人体的心脏 是所有用电设备的动力 但电源却不像心脏那么形 式单一 因为标志电源特性的参数有 功率 频率 噪声 电压 带载时参数 波动等等 在同一参数要求下 又有重量 形态 体积 效率 可靠性等差异 人们一般按照以上指标去设计出电源 兼顾各种指标 获取所需要的电源 一般而言 直接来自电网的电能并不符合用电设备需求 通过专门的变换 装置将市电转换成具有目标参数的电能 这种转换可以用于交流之间 直流之 间 交流与直流之间 可以直接转换 间接转换 这一系列的过程可看作是由 粗电转换成精电的过程 本文讲述直流之间的变换情况 1 1开关电源概况 1 1 1 国内 外开关电源发展历程 1 9 5 5 年 美国科学家罗那利用磁芯饱和进行自激振荡的晶体管 研制出第 一代直流变换器 后来 这一技术的各种形式得到充分发展 各种电路精益求 精 直流变换器拓扑不断涌现 并取代了早期采用的可靠性低 寿命短 转换 效率低的机械旋转式换流装置 由于直流变换器中的功率晶体管工作于开关状态 制成的稳压电源效率高 体积小 重量轻 输出组数多 极性可变 当时被广泛地应用到航空航天 军 事电子设备 那时微电子设备和技术比较落后 无法研制出高耐压 开关速度 快的大功率晶体管 所以这时期的直流变换器只能采用低压输入 而且功率管 开关频率不能太高 上世纪6 0 年代 微电子技术迅速发展 高耐压晶体管的出现 d c d cp w m 功率变换技术快速发展 直流变换器可直接由市电经整流 滤波后输入 不再 需要工频变压器降压 7 0 年代后 与该技术相关的高频 高耐压功率晶体管 高频电容 二极管 变压器铁芯等元器件相继研制生产出来 无工频变压器开 关稳压电源得到突飞猛进的进步 并且被广泛地应用到电子计算机 通信 航 天 家用电器等领域 无工频变压器开关稳压电源从此成为各种电源的佼佼者 上世纪8 0 年代 各种电力电子集成技术 p i c i p m 开始产生 但集成度较 低 9 0 年代开始 发达国家开展电力电子集成技术研究 已取得一定的成果 并相继提出给予p e b b p o w e re l e c t r o n i cb 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 d p o w e re l e c t r o n i cm o n i e s 等概念的电力电子技术 我国的晶体管直流变换器和开关稳压电源研制工作开始于上世纪6 0 年代初 期 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变压器开关稳压电 源 1 9 7 4 年研制出工作频率为l o k h z 输出电压为5 v 的无工频变压器开关稳压 电源 近1 0 多年以来 我国许多研究所 企业及高等院校研制出多种型号的工 作频率在8 0 k h z 左右 输出功率在1 k w 以下的无工频变压器开关稳压电源 并 应用于航空航天 计算机 通信 家用电器等方面 取得了很好的效果 我国当前的技术水平与国外技术水平尚有一些差距 但通过产 学 研多 方面法努力 这种差距正在逐渐缩小 而且 具有自主研发能力的一些厂家开 发 设计出了具有特色的开关电源系列 1 1 2 开关电源分类 在电路拓扑中 使用功率半导体器件 并且按照一定的规律控制其工作于 开关状态 实现变换电能的功能 称为开关电源 变换的类型 a c d c d c d c d c a c 和a c a c 四种方式 即整流 直流变换 逆变 交交变频 从而满足各 种不同的用电场合 一般地 将a c d c 和d c d c 变换归类为开关电源 开关电源技术的发展与进步和电力电子器件 现代控制技术紧密联系 这 两者相互促进 相互影响 开关电源技术的进程遇到严峻困难时 人们转向于 研制新型电力电子器件及其控制技术 一种新的功率半导体器件的崛起 相应 地推动开关电源向轻量化 小型化 薄膜化 低噪声 高可靠性方向进步 开 关电源和常规的线性稳压电源的根本区别是 线性电源工作在低频区 但是开 关电源工作于高频区 一般在几十千赫兹以上 不在人的听觉范围内 而开关 管也不是工作于线性放大区 而是地在饱和状态和截止状态之间不断转换 因 此 开关电源的整体效率较高 基于开关管的工作方式 人们称此类电力电子 变换装置为开关电源 开关电源应用的领域比较广泛 在现代化进程中扮演着 不可替代的重要角色 它的输出功率范围从几瓦到几千瓦 均有系列化的成熟 产品 本节介绍几种开关电源 1 a c d c 电源 a c d c 电源被称作一次电源 它获取电网能量 经过整流和滤波 得到一 个直流高电压 为下级的d c d c 变换器提供电能 输出稳定的直流电压 从w k w 的功率范围里都有系列化的产品 应用在不同的领域 这类产品的型号较 多 一般跟据用户的需要而定 2 d c d c 电源 d c d c 电源在电源系统中常常被称为二次电源 借助于一次电源 直流电 池组等供电 作为直流输入 通过d c d c 变换装置 获取一个或多个稳定的直 流输出 3 模块电源 当今世界 科学技术高速发展 用电设备对电源体积 可靠性等指标提出 越来越高的要求 模块电源越发显示出其优越性 模块电源开关管工作频率高 体积减小 可靠性高 便于安装调试和功率扩容 所以被广大用户欢迎 目前 国内已经有一些厂家在生产模块电源 只是因为生产工艺等问题 故障率较高 跟国外电源模块相比较还有一定的差距 模块电源价格一般比较高 从产品的 2 使用周期 生产成本看 一些因电源系统故障而导致巨大损失的部门 首要选 择模块电源作为其供电系统 4 通信电源 实际上 通信电源是一个d c d c 变换器 只是它一般输出为4 8 v 直流或2 4 v 直流 而且使用后备电池作为供电的备份 将直流供电电压变换成各种所需要 的工作电压 它分为 中央供电 分层供电以及单板供电三种模式 后者的可 靠性最高 上世纪末以来 我国通讯业 信息业快速发展 大大的推进了通信 电源和不间断电源的研发和生产 例如移动电话 2 0 0 4 年用户上升到8 0 0 0 万台 在2 0 0 3 年的用户的基础上翻了一番 与移动电话相配套的开关电源 随着成倍 增长 5 特种电源 小电流高电压电源 大电流高电压电源 5 0 0 赫兹输入的a c d c d c d c 电源等 全部归于此类 特种电源的设计合生产 一般需要提前定制 目前在 电气化铁路 大型生产线 钢铁 航空等场合 对特种电源的需求非常严格 我国高电压直流电源的企业较少 技术方面多为模拟电路和单片机共同监控 质量不齐 存在控制精度不高 反应速度慢 人机接口不灵活 调试困难等问 题 小型开关电源设计 开发 虽然引入了计算机技术 但没有发挥出运行速 度快 精度高的特点 计算机发展日新月异 特种电源与计算机结合之势已是 必然 特种开关电源一定会成为开关电源发展的一个重要分支 1 1 3 开关电源的原理 图1 1 开关电源原理图 开关稳压电源的电路原理图如图1 1 所示 包括主电路和控制电路两部分 市电经整流 滤波电路后 得到含一定脉动分量的直流电压 该电压通过功率 转换电路 进入高频变换器 被转换成所需电压值的方波 再将这个方波电压 整流滤波 变为所需要的直流电压 3 反馈控制电路为脉冲宽度调制器 p w m 主要由取样器 比较器 脉宽调 制 振荡器和基准电压电路构成 这些电路目前己集成化 制成了各种开关电 源专用芯片 控制电路用来调整高频开关元件的开关时间 实现稳定输出电压 的目的 开关电源的功率器件一直处于开关工作状态 对功率器件而言 导通时 压降很小 几乎不消耗能量 关断时漏电流很小 也几乎不消耗能量 所以开 关电源的功率转换效率可达8 0 以上 开关电源的滤波电感体积和重量也因为 工作频率提高而减小 所需的滤波电容也减小 1 1 4 开关电源发展趋势 2 0 世纪末 美国白宫科学技术委员会指出 能源 通讯 信息 环保 交 通 材料 生命科学七大领域构成了一个国家的关键性科技 上述的七大领域 都和电力电子技术密切相关 开关电源是电力电子技术的的一个重要方向 作 用重大 影响深远 前景美好 开关电源技术表现为以下几方向进步和突破 1 高频化 理论研究和科学实践均表明 变压器 电感等元部件的体积 重量 反比 于工作频率的平方根 如果从工频5 0 赫兹提升至l j 2 0 千赫兹 升高4 0 0 倍 则设备 的体积 重量可以降低为工频设计时的5 1 0 功率开关器件工作频率提高 促使采用电子管的传统高频设备固态化 带来非常显著的节能经济效益 大大 体现了技术进步的潜在价值 2 模块化 开关电源模块化有两方面的含义 一 将功率器件集成而模块化 二 将 电源单元集成而模块化 比较常见的器件模块 有一个单元 两个单元 六个 单元 七个单元等 这些称为功率模块 s p m 有一些企业将开关器件的控制 驱动 保护电路也加入到功率模块中 构成智能功率模块 i p m 这样不仅降低 了装置的体积 提升了抗干扰能力 而且便于系统的设计 制造 不断提高功率开关器件的工作频率 寄生电感 寄生电容产生的影响相应 地更加严重 为了提升电力电子系统的可靠性 有的制造商开发了 用户专用集 成功率模块 它把整机的所有硬件均以芯片的形式集成到模块中 该模块经过 适当的的散热 电能 机械等指标的设计 试验 最终达到满意的效果 开关电源的模块化 不仅为了使用方便 缩小体积 更为关键的是消除传 统连线 使寄生参数降低到最低程度 从而提升系统的整体电磁兼容能力 提 高开关电源的整体可靠性 3 数字化 以往传统的电力电子装置 控制电路一般由模拟信号实现 2 0 世纪6 0 7 0 年代 电力电子技术建立在模拟电路基础上 上世纪末 数字信号 数字电路 4 迅猛进步 数字信号处理技术日益成熟 数字控制的优势异常显著 计算机控 制 信号失真小 高抗干扰能力 软件调试方便 远程控制 自诊断和容错技 术等 开关电源数字化已是大势所趋 4 绿色化 开关电源绿色化有两方面的含义 一 节能 发电容量相应减少 而发电 是环境污染的一个重要因素 因此 节能同样减轻了环境污染 二 开关电源 不污染电网 国际电工委 i e c 制定了一系列的标准 例j t l l i e c 5 5 5 i e c 9 1 7 i e c l 0 0 0 等 通常情况下 电子设备会给电网注入大量的谐波电流 变成电网的污染源 电网功率因数下降 电网电压也产生了大量畸变现象 二十世纪末 电力滤波 技术和无功补偿技术发展较快 融合了单位功率因数技术的开关电源必将成为 未来的发展方向 1 2 课题背景与研究内容 1 2 1 课题背景 c u k 电路是1 9 7 7 年由美国加州理工学院s l o b o d a nc u k 根据b o o s t 电路和 b u c k 电路组合 进行变换后得到的 它由一个中间电容c l 传输功率 在开关 管开通 关断期间 变换器能够持续传输功率 输入 输出端各有一电感 l 上2 假如能实现输入 输出电感的电流零纹波 便可以大大减小射频干扰 r f i 与电磁干扰 e m i 上世纪8 0 年代初 美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元 f c l e e 教授等人提 出软开关 s o f ts w i t c h i n g 的概念 软开关技术 就是利用谐振原理 在功率开关 器件的开通或关断过程中 使开关管的电压或电流等于零 实现功率开关器件 的零电压开通或零电流关断 从而解决硬开关方式工作带来的诸多问题 磁性元件 主要为电感和变压器 是电力电子设备的重要组成部分 在系统 中主要实现能量储存 转换 滤波和电气隔离等功能 其体积 重量在总装置 中也占有相当比重 据统计 磁性元件的重量一般占变换装置总重量的 3 0 一4 0 体积占变换装置总体积的2 0 3 0 功率开关高频化发展有助于减 小磁元件的重量与体积 但效果不明显 磁集成技术 i n t e g r a t e dm a g n e t i c s 是将 分立磁性元件通过一定的耦合 集成到一个磁芯上 既减小了电力电子装置的 体积 提高系统的功率密度 又减小了纹波 简化各种滤波器 增强了装置的 电磁兼容能力 1 2 2 课题研究内容 功率开关高频化是开关电源提升功率密度最直接的途径 但是硬开关环境 下高频工作的开关器件会带来许多不利影响 如射频干扰 电磁干扰 开关损 耗大等 从而降低变换装置的整体效率 制约了高频化发展 也不利于电力电 5 子系统的集成 小型化发展 选择c u k 变换器作为开关电源的拓扑 使输出电压可以升 降压 输入 输出电流均连续 再融入软开关技术和磁集成技术 从而解决了硬开关带来的 一系列问题 也大大缩减了磁性元件的体积 整体而言 该变换器的功率密度 得到显著地提升 本课题研究内容如下 1 概括 分析国内外开关电源的发展状况 并且指出开关电源的未来发展 方向 2 介绍开关电源的电路拓扑 分析本课题选择c u k 电路的原因 3 讲述软开关技术的概念 原理 分类 应用 针对本课题 选择适合的 软开关方案 4 讲述磁集成技术的概念 原理 应用 针对本课题 选择合适的磁集成 方案 5 为了匹配主电路 选择适当的控制电路 6 对主电路 控制电路进行理论分析 参数计算 进行仿真 分析仿真结 果 考虑进一步改进本课题的途径 1 3 文章结构安捧 本论文一共包括五章 主要内容如下 第一章介绍开关电源的发展历程 原理和发展趋势 讲述本课题的背景与 研究内容 第二章分析c u k 变换器工作原理 电路元件的参数设计 第三章介绍软开关 磁集成技术 进一步确定本课题中基于软开关和磁集 成技术的c u k 变换器 第四章介绍高频变压器 控制电路的设计 第五章应用s a b e r 软件 对设计的c u k 变换器进行建模 仿真 分析仿真 结果 并提出下一步进行的工作 第二章c u k 电路分析与设计 d c d c 电路中 最基本的变换拓扑有b u c k b o o s t 电路 这两种电路通过组 合 变形 加入变压器等方式 可以得到b u c k b o o s t c u k 正激 反激 推挽 半桥 全桥等电路拓扑 而这些电路通过改造 又可以派生出许多种其他的电 路 这些电路的选取 如何改造重要取决于电源的设计指标 图2 1 所示为c u k 斩波电路的原理图及其等效电路 在c u k 变换器中 输出 电压砜可以高于或低于输入电压u 开关管s 开通与关断期间 输入一直保持 功率传输的进行 而且流过输入电感三l 输出电感三2 的电流丸l f l 2 均连续 本 文选择c u k 电路作为d c d c 变换器的电路原型 再此基础上加以改造 卜r s7 匕c l 砷 fi j ti a c i l l 燹换器拓扑c o c u k 变抉器等效电路 图2 1c u k 变换器拓扑及其等效电路 2 1c u k 电路工作原理 当s 处于通态时 m 三1 s 回路和c 1 s j l c 三2 回路分别流过电流 当s 处于断 态时 阢 三1 c 1 d 回路和三2 d r 回路分别流过电流 输出电压极性与电源电压 极性相反 在该电路的等效电路中 相当于开关s 在a b 之间交替切换 c u k 电路中 稳态电容c l 的电流在一周期内的平均值为零 它对时间的积 分为零 即 t 出 0 2 1 在等效电路中 开关s 合向b 点的时间即s 处于通态的时间f o n 电容电流和 时间的乘积为如 开关s 合向b 点的时间即s 处于断态的时间f o f f 电容电流与 时间的乘积为 0 f f 所以有如下等式 如t o n l lt o f f 2 2 从而可得 量 建 盐 坐 2 3 厶kt o a 7 当电容c l 很大时 电容电压脉动足够小 输出电压砜和输入电压u 的关 系可用以下方法求出 当开关s 合在b 点时 电压 等于零 a 点电压u a u c l 当开关s 合在a 点时 u b u c l u a 等于零 因此 u b 平均值为 等 巩平均值 一争 电感三2 电压平均值为零 有虬 等 可得输出电 压和输入电压的关系为 玑2 寿u2 丧u2 尚u 2 4 上式中 a 为开关管s l 的导通占空比 当a 0 5 时 u o u 当a 0 5 时 u o o 5 时 u o 阢 c u k 电路与其他斩波电路相比 它有一个明显的优点 即输入电流 输出 电流都是连续的 而且脉动分量小 大大简化了输入 输出滤波装置的设计 2 2 隔离型c u k 电路 2 2 1 隔离型c u k 电路结构 图2 1 的c u k 变换器 只能提供一个反极性 不隔离的输出电压 假如要 求输出电压为不同极性的多路输出 特别是要求输入 输出电气隔离的情形 需要加入高频变压器 实现输入 输出的电气隔离功能 提升c u k 变换器的抗 干扰能力 将c u k 电路 如图2 1 所示 按照以下步骤修改 1 电容c 1 替换成电容c l 和c 2 的串联 如图2 2 a 所示 2 在电容c i 和c 2 的连接处 输入电源的地之间接入一个大电感 如图2 2 b 所示 如果所加入的电感足够大 从c l 和c 2 的连接处流入的电感电流非常小 可以忽略不计 因此该电路的工作状态不发生变化 3 将这个大电感用一个高频变压器来取代 联结方式如图2 2 c 从而得 到隔离型c u k 变换器 实现输入电源和输出负载间的电气隔离功能 r 1 阵 i r t1 一 c 2 山j s fi r j 心翊 t 1 r 带 j 凸羽 t 1 a b c 图2 2 隔离型c u k 变换器的由来 采用隔离型c u k 电路的开关电源具有以下优点 1 实现输入电源和输出负载间电气隔离 提高电源装置的安全性和系统的 抗干扰能力 2 在输入 输出电压比较大的应用场合 可以通过调节隔离变压器的变比 而实现大范围的电压变换 增强了变换器的通用性 3 输入电流与输出电流均连续 脉动较小 在所有d c d c 变换拓扑中 8 具有最小电磁干扰 e m i 和射频干扰 r f i 利于滤波 降低了滤波器制作成本 4 变换器功率开关管的源极接地 驱动电路相对其他变换器更为简单 比 较容易实现 也不需要另外加脉冲变压器 光耦 独立电源等隔离型驱动元件 5 不论是功率开关管导通还是截止期间 电能均通过电感 电容由输入端 传输到输出端 而且系统的效率很高 2 2 2 隔离型c u k 电路工作过程 图2 3 a 为隔离型c u k 变换器开关管s 导通时的等效电路 箭头表示的电 流方向 加在电感三l 上的电压为输入电压职 三l 充电 电压魄l 直接加在变压 器丁的原边 c l 处于放电状态 变压器副边感应出的电流给负载供电 与此同 时 c 2 也处于放电状态 变压器的副边电流给负载供电 电感 2 充电 续流 二极管d 处于反偏截止状态 厂 厶一 带也羽 l r u i a r 谛 哔1 图2 3 隔离型c u k 变换器的等效电路 图2 3 b 为隔离型c u k 变换器开关管s 截止时的等效电路 电感三l 处于放 电状态 电容c l 处于充电状态 变压器r 的原边电流感应到副边给c 2 进行充 电 负载电流经过续流二极管d 流过 电感 2 放出的电能给负载供电 假设隔离型c u k 变换器的开关器件和其他元件为理想条件下 变换器各个 主要波形如图2 4 所示 l 1 1 1 一 卜 1 1 一 t 一 厶 i t t t 电路主要渡形 b 变压器两端电压波形 图2 4 隔离型c u k 变换器各波形 9 2 2 3 隔离型c u k 电路关系 参数 l u n 2 分别表示为变压器原 副方的电压 n 1 2 分别为变压器原 副方匝数 刀 殆 a 分别为变压器的原副边变比 开关管工作周期以及导通占 空比 为了便于分析 设立几个假设条件 1 隔离变压器丁是理想变压器 不产生功率损耗 电流 电压无延迟 2 电容c i c 2 c 足够大 电容电压基本保持恒定值 由变压器变比刀 等 可得 i c l 二如 2 5 由于 石1i f c 出和 石1i f c 2 破 则有 l 二 2 6 开关管s 导通期间 隔离型c u k 变换器如图2 3 所示 电感三l 两端电压叽l u i 电感三2 两端电压 一砜 2 7 l 刀 且 l l 由式 2 5 2 6 2 7 可得 2 l 二 1 一 开关管s 截止期间 隔离型c u k 变换器如图2 4 所示 电感三l 两端电压 巩l u c l l u u n l 拧 且 由式 2 5 2 8 2 9 得 叽l l 刀2 l 一配 电感三2 两端电压 v o c u k 变换器稳定工作时 根据电感三l 三2 伏秒平衡原理 fh i 畋 刀2 一u o k 玎 去 一砜 k 1 0 2 8 2 9 2 1 0 得出以下关系式 2 1 1 消去t o a 得 t 匮 吣是 羔 当 l l 时 u c l t u 0 u 将 2 惫 羔代入式 2 1 2 可得 t o u 墨 l a 2 1 2 2 1 3 2 3c u k 变换器参数设计 不带隔离变压器的c u k 变换器和带隔离变压器的c u k 变换器参数设计大体 相同 只是隔离型c u k 变换器需要额外设计高频变压器 本节讲述c u k 变换器 电路设计 隔离变压器设计放在以后的章节中讲述 2 3 1 开关管s 不隔离c u k 变换器中 开关管s 电压应力为 虮 眠 虬 电流应力为 i s i l 七 隔离型c u k 变换器中 开关管s 电压应力为 虮 畋l 电流应力为 毛 瓴 k 以上所得计算结果 电压参数值乘以2 3 电流参 数乘以1 5 2 使半导体器件留有安全裕量 2 3 2 二极管d 不隔离c u k 变换器中 二极管d 电压应力为 氓 虬 电流应力为 毛 t 七 隔离型c u k 变换器中 二极管电压应力为 虮 玩 电 流应力为 厶 瓴 i c 以上所得计算结果 电压参数值乘以2 3 电流参数 乘以1 5 2 使半导体器件留有安全裕量 2 3 3 输入 输出电感三l 三2 输入电感三l 的设计 输入电感 l 电流包括两部分 直流平均值五和纹波分量 凡l 忽略掉c u k 电路损耗 可得到 u i i i 乩厶 其中厶是电源的直流平均电流 也就是流入电 感三l 的平均电流凡 可得 i 等 2 1 4 输入电感三l 的电流纹波 凡l 必须使峰值电流 i i a i l l 2 小于最大平均直流 电流的百分之二十 这是为了防止电感三1 进入饱和状态 降低开关管的电流尖 峰 电压尖峰以及开关损耗 开关管s 导通期i 司 电感两端的电压为 m 电感三l 为 厶 酱 监0 4 i i 2 1 5 1 虬l 由式 2 1 3 求得 希r 2 1 6 将式 2 1 6 代入式 2 1 5 可得 厶2 u 4 i t o 厶n 2 i二 季u丽ivor 2 石二巧i 云u i 面 2 17 输出电感l 2 的设计 三2 的电流凡2 包括两部分 直流平均电流厶和纹波电流 屯2 其中 凡2 必须使峰值电流 i o a i l 2 2 小于最大平均电流的百分之二十 这是为了防止电 感 2 进入饱和状态 同时降低了开关管的电流峰值 电压应力以及开关损耗 在本课题中 选取a l 2 0 4 1 0 在开关管s 关断期间 输出电感三2 两端的电压为砜 则得出下式 厶 等 监 竖型 2 0 4 118 00 4 1 0 吨 将式 2 1 6 代入式 2 18 得 厶 u o t t m 竺 堡 2 1 9 0 4 1 00 4 i f u i u 2 3 4c t c 2 的选取 c l c 2 应使魄l 魄2 两端电压在允许范围内波动 在开关管关断期间 c i 两端电压波动为 云 o 2 2 0 c 掣 2 2 1 将式 2 1 4 2 1 6 代入式 2 2 1 得 c 酉面i o u o 面 2 2 2 q 砜 弘u 2 3 5 输出电容 当变换器处于稳态工作时 滤波电容c 口的电流为 i l 2 i o 如图2 5 所示 在时间f l 2 期间 电流i r 疗为正 滤波电容c d 处于充电状态 时间 2 f 3 期间 1 2 电流f c o 为负 电容c o 处于放电状态 u g o l 2 0 惩 k o f 图2 5 输出滤波电容的电流波形 l 2 为输出电感l 2 电流纹波 a v o 为输出电容c o 的电压纹波 虬 百1 王2 b a 百1 1 2 三 半 等 本课题取虬 0 4 七 0 4 i o 于是 c o 面t a j l 2 2 0 面lu o 2 2 3 2 2 4 2 4 电感耦合的c u k 变换器 如果将图2 1 中c u k 变换器的输入 输出电感三l 2 绕在同一铁心上 得 到图2 6 电路 两个电感相互耦合 除了自感外 还有互感m 用耦合系数k 表示耦合的程度 k m 止忑 2 2 5 l c or d 7 i 图2 6 带耦合电感的c u k 变换器 1 开关管s 导通期间 对于三l 有 u l 盟 m 粤 d td t 对于三2 有 u c u o l 2 警 m 訾 u 2 2 6 2 2 7 i d i l l 丙l l m 万 i d i l l 2 2 8 d tl 一md t 7 怪 d r 一l u r l 2 2 9 i 韭 旦 e 羹 弘删 上式中k m 厄 r i 了i 睾 m l h m l u c i u l 一l 1 百d i l l m d d t i t 2 u 2 3 1 d ta i u 0 一l 等一m 百d i l 2 2 3 2 一dil2 ill jm 一dilldtlmd t 2 3 3 一 删 立 口3 4 的下降率与u o 成正比 i l l i l 2 变化率分别与等效电感l e l 三e 2 成正比 1 4 第三章软开关技术与磁集成技术 本章将讲述软开关 磁集成两种先进技术 并把这两种技术融入到c u k 变 换电路中去 得到具有更为优良性能的变换电路 3 1 软开关技术简介 电力电子开关不是理想功率器件 由图3 1 可知 在开关管开通过程中 端 电压并不会立刻下降为零 而要下降一段时间 开关管中流过的电流也不是立 即由零变为负载电流 也需要上升一段时间 这段时间里 电压和电流产生了 重叠 即开关管开通过程有功率损耗 称开通损耗 在开关管关断过程中 流 过开关管的电流并不会立刻下降为零 而要下降一段时间 开关管的端电压也 不是立即由零变为电源电压 也需要上升一段时间 这段时间里 电压和电流 产生了重叠 即开关管关断过程有功率损耗 称关断损耗 电力电子开关工作 时产生的开通损耗和关断损耗之和 称为开关损耗 图3 1 硬开关情况下开关过程 一般情况下 功率开关每个开关周期的开关损耗是相同的 功率变换装置 总开关损耗与变换器工作频率成正比 开关损耗随着频率上升而增大 电力电 子变换系统效率随之降低 开关损耗限制了功率变换器高频化发展 从而限制 了变换器小型化 轻量化等方向的进步 工作于硬开关状态的开关管还会产生 较大的d i d t 和d u d t 对功率开关的安全性产生威胁 同时带来大量的电磁干扰 和射频干扰 成为电磁污染源 在感性负载情况下 工作于硬开关状态的功率开关管的开关轨迹如图3 2 所示 图中虚线和数轴的范围是开关管的安全工作区 s o a 如果不改变开关 管的工作条件 工作过程中可能会越过安全工作区 使开关管发生损坏 通过以上分析可得 功率开关管处于开关过程中 电流和电压的重叠会带 来开关损耗 利用谐振原理的软开关技术 s o f ts w i t c h i n g 可以有效地减小电流 和电压的重叠 大大降低开关损耗 图3 2 硬开关状态下感性负载的开关轨迹 一般情况而言 降低开通损耗从以下两种途径着手 1 功率开关开通过程中 限制电流上升的速度 这样就会缩小电流和电压 的重叠区 人们称之为零电流开通 2 功率开关开通以前 使电压变为零 称之为零电压开通 如图3 3 a 所 示 开通过程的损耗降低到几乎为零 降低关断损耗从以下两种途径着手 1 功率开关管关断以前 使流过它的电流降为零 称之为零电流关断 如 图3 3 b 所示 关断过程的损耗降低为几乎为零 2 功率开关管关断过程中 限制电压度的度速度 这样就可以缩小电流和 电压的重叠区 人们称之为零电压关断 u d s i够l勘1 厂 硝 一 p i o s s 蛳 p 嘲呻t 舯 v 图3 3 软开关情况下开关过程 零电压开通以及零电流关断情况下 开关损耗几乎为零 零电流开通以及 零电压关断情况下 开关损耗取决于电流上升率和电压上升率 而电流上升率 越小或者电压上升率越小 开关管的软开关效果也随之提升 在现实的电路中 一般要考虑其他的一些因素 最后得出一个折衷的方案 按照软开关技术的发展历程和原理 大致分为以下几类 1 谐振变换器 r e s o n a n tc o n v e r t e r s 这类软开关变换器 在整个开关周期内一直谐振 由于谐振频率会发生变 化 所以谐振变换器一般采用脉冲频率调制方式 p f m 按照谐振元件的联结 1 6 方式 谐振变换器可以分成串联谐振变换器 s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r s 以及并联 谐振变换器 p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r s 2 准谐振变换器 q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s 准谐振变换器不是整个开关周期内一直谐振 而仅仅在一起周期的一部分 时间类谐振 这是软开关技术发展的一个飞跃 串联准谐振变换器和并联准谐 振变换器都利用谐振 使功率开关管的电压 电流正弦规律变化 产生零电压 开通或者零电流关断的机会 准谐振变换器一般也采用p f m 调制方式 按照开 通 关断的方式不同 准谐振变流器又可以分成以下两部分 零电流开关准谐 振变换器 z c sq u a s ir e s o n a n tc o n v e r t e r s 及其零电压开关准谐振变换器 z v s q u a s ir e s o n a n tc o n v e r t e r s 3 多谐振变换器 m u l t ir e s o n a n tc o n v e r t e r s 与准谐振变流器相同 多谐振变换器也是软开关技术发展过程中的一次技 术飞跃 它的特点是 在开关周期的某个阶段 谐振元件发生谐振 一般情况 下 多谐振变流器的谐振元件大于两个 而且主要用于零电压开关场合 多谐 振变换器采用p f m 调制方式 4 零开关p w m 变换器 z e r os w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s 这类变换器可以为零电压开关p w m 变换器 z v sp w mc o n v e r t e r s 以及零电 流开关p w m 变换器 z c sp w mc o n v e r t e r s 两种 在一个准谐振变换器中 加入 一个辅助开关 并以恰当的时序信号控制辅助开关的开关时间 从而在一个工 作周期中灵活地控制谐振过程 零开关p w m 变换器可以采用脉冲宽度调制方式 p w m 它集合了软开关和p w m 控制技术的优点 谐振电感是与主开关串联 谐振时间一般是1 1 0 1 5 个开关周期 不影响变换器的恒频控制 5 零转换p w m 变换器 z e r ot r a n s i t i o nc o n v e r t e r s 与零开关p w m 变换器向比较 零转换p w m 变换器没有本质意义的