3kW+LLC谐振式模块化通信电源.pdf

1 2 1 3 3 0 6 洳 j 嘻 硕士学位论文 浙扛人学硕士学位论文 摘要 负载的多样化 特别是负载功率的多变性 以及人们对设备成本投入的最低化和阶段 化 需要适用面更广 稳定性更高 还需要具备冗余性和可扩容性的电源与之相适应 这些 都对传统的集中式电源提出了挑战 随着模块化分布式电源的技术发展 模块电源系统已成 为现在和未来电源的发展趋势 本文以2 2 0 V 交流输入 4 2 v 一5 8 v 直流输出的A C D C 型模块电源单元为研究对象 选 用P F C L L C 谐振回路为主电路拓扑 首先介绍了P F C 主电路和控制芯片 给山主要参数 的设计 并介绍P F C 电路的保护和延时电路 然后分析L L C 谐振变换器的工作原理 讨论 L L C 谐振变换器的主要特性 给出主要参数的设计 并介绍了L L C 谐振变换器的控制方案 和控制芯片 再次介绍了均流控制方法 重点研究分析了最人电流均流法和限流最人电流均 流控制 提出了非选择性哭同控制模式和选择性控制模式两种均流控制方案 最后设计制作 2 2 0 V 交流输入 输山功率3 k W 的模块电源 并进行了不同谐振频率 4 0 k H z 与1 0 0 k H z 以及不同电路布局下的对比试验研究 以谐振频率为1 0 0 k H z 的模块电源为例 进行了并机 均流试验研究 给出了试验波形和结果 通过对试验结果的分析 验证了设计的可行性 最 后分析了不足之处以及今后可能的改进方向 关键词 模块电源 P F C L L C 谐振 限流最大电流均流法 浙江大学硕j j 学位论文 A b s t r a c t T h ep o w e rs u p p l yw i t hr e d u n d a n c y w h i c hh a sl a r g e re a p a c i t yo fo u t p u t m o r es t a b i l i t ya n d m o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s h o u l db es u i t a b l ef o rt h ed i v e r s i f i c a t i o no f v a r i e dl o a d a n dm i n i m u m c o s t I t sac h a l l e n g et oc l a s s i c a lc o n c e n t r a t e dp o w e rS O u r c e i n g e a d t e c h n o l o g i e so fd i s t r i b u t e d p o w e rS O u r c ea p p e a ra n dd e v e l o p w h i c hb e c o m eat r e n do fp o w e rs u p p l yd e v e l o p i n gn O Wa n di n f u t u r e T h i sp a p e rf o c u s e so na2 2 0 Va ci n p u ta n d4 2 V 5 8 Vd co u t p u t m o d u l a r i z ep o w e rs u p p l y c h o o s i n gP F C L L Cr e s o n a n tc i r c u i ta sm a i nt o p o l o g y P F Cm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o l l i n gI Ca r e d i s c u s s e df i r s t l y a l S O g i v i n gm a j o rp a r a m e t e r s d e s i g n P r o t e c t i n gc i r c u i ta n dd e l a yr e c o v e rc i r c u i t a r ed i s c u s s e dt o o T h e n o p e r a t i o np r i n c i p l eo f L L Cr e s o n a n tc i r c u i ti si n t r o d u c e d i n c l u d i n gm a i n c h a r a c t e r i s t i co fL L Cr e s o n a n t m a j o rp a r a m e t e r s d e s i g n c o n t r o l l i n gm e t h o da n dc o n t r o l l i n gI C A f t e r t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e sc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d e s p e c i a l l ym a x i m a lc u r r e n ts h a r i n ga n d o u t p u tl i m i t e dm a x i m a lc u r r e n ts h a r i n g F i n a l l y am o d u l a r i z ep o w e rs u p p l yw i t h2 2 0 Va ci n p u t a n d3 k Wo a t p u tp o w e ri sc o m p l e t e d t w oc o m p a r e de x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tr e s o n a n tf r e q u e n c y a n dd i f f e r e n tl a y o u td e s i g nh a v eb e e nd o n e M o r e t w om o d u l a r i z ep o w e rs u p p l i e sw i t hs a m e p a r a m e t e r sa n dl a y o u td e s i g na r ec o m p l e t e df o rp a r a l l e lo p e r a t i o ne x p e r i m e n t T h er e s u l to f e x p e r i m e n ts h o w e df e a s i b i l i t ya n dd e f i c i e n c yo fm o d u l a r i z ep o w e rs u p p l yd e s i g n a n dp o s s i b l e i m p r o v i n gd i r e c t i o n K e yw o r d s m o d u l a r i z ep o w e rs u p p l y P F C L L Cr e s o n a n t L i m i t e dm a x i m a lc u r r e n ts h a r i n g 浙江人学硕 学位论文 第一章绪论 从2 0 世纪6 0 年代开始 开关电源技术产生并不断的发展变化 经历了功率半导体器件 高频化和软开关技术 开关电源系统的集成技术三个发展阶段 目前己深入到国民生产的各 个领域 电源系统也从原来的集中式电源系统发展到现在的分布式电源系统 即模块电源 所谓模块电源是指大功率的开关电源 由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考 虑 一般采用多个独立的模块单元并联工作 采用均流技术 所有模块共同分担负载电流 具有扩容性和系统可靠性较高等优点 按照输出不同 模块电源有直流模块电源和交流模 块电源之分 本文主要讨论直流模块电源 以下简称模块化电源 在通信领域中 这种模块 化电源已被越来越广泛地应用于交换 传输 接入 无线 数据等通信以及监控设备 并且 随着技术的发展和市场竞争的日趋激烈 模块化电源还正向高质鼍 高可靠性 低成本的方 向发展 1 1 模块化电源的发展 1 1 1 模块化电源的发展趋势 在电源的性能要求方面 随着通信产品的小型化 用电器电压的下降使得模块化电源开 始向高效率 高功率密度 低压大电流 低噪音 良好的动态特性以及宽输入范同等方向发 展 在电源的结构方面 薄型化 模块化 标准化并以积木的方式进行组合的拓扑结构得到 日益广泛的应用 1 1 2 模块化电源的热点问题 1 为了适应市场的需求 模块化电源有几个热点问题 1 散热 热性能是影响模块电源 寿命的重要因素 因此对电源的散热处理很重要 2 电磁兼容 目前国际上已建立了完善 的电磁兼容标准与认证体系 C I S P R 2 2 信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法 规定 了信息技术设备在0 1 5 到1 0 0 0 M H z 频段内的电磁干扰限值 我国信息产业部根据国际标准 制定了Y D T 9 8 3 1 9 9 8 通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法 3 电源可靠性 可靠 性现已成为电源设计的关键课题 直接影响到系统制造的最低成本 模块电源在不同温度 气流 湿度 振动条什下的性能都是设计电源时必须考虑的 4 标准化 标准对电源产业 的作用越来越被重视 标准化可以缩短产品推向市场的周期并降低成本 但目前多数国内企 浙江大学碗l 学位论文 业采用自己的企业标准生产 按照自己的测试规范测试 各个行业标准也存在着技术指标落 后 测试方法可操作性差等问题 导致业界没有统一 完善的设计 生产与检测标准 为了 推动模块电源的技术进步 提供国内企业生产质量控制的依据 制定科学的国家标准迫在眉 睫 1 2 模块化电源系统 模块化通信电源产品按照输入输山电压有A c D c D C D C D c A c 三种产品 本文主要研 究A c D c 模块化电源 下文出现的模块化电源都特指 C I C 模块化电源 1 2 1 多模块电源供电系统 相对于传统的集中式供电 分布式电源系统 多模块电源系统 利 j 多个中小功率的电 源模块并联来组建积木式的人功率电源系统 在空间上各模块接近负载 供电质昔高 通过 改变并联模块的数餐来满足不同功率的负载 设计灵活 每个模块承受较小电应力 开天频 率比较高 从而系统的功率密度也比较高 图1 1 多模块电源供电系统结构图 图1 1 是多模块电源供电系统结构 一般各个模块电源都是可热插拔式 并且为了保证 整个电源系统的稳定性 会备有N n 个模块电源 n 个模块电源作为后备模块 在一些模块 中如果有出故5 亭退出L 作的模块电源时 后备模块就相应的自动代替故障模块 从而增加了 电源系统的冗余性利可靠性 2 浙江人学硕I 学位论文 1 2 2 单元模块电源的整机电路结构 单元模块化电源的结构和普通的直流电源类似 主要有单级和两级两种结构方式 单级 结构的模块化电源 由电网接入交流电 经不控整流送D e D e 功率级转换后 输出设定的稳 定直流电压或稳定直流电流 如图1 2 交 输 交 输 整流 P F C 滤波 a 单级P F C 结构 整流D C 滤波 D C 直流 输出 直流 输出 b 整流滤波D C D C 单级结构 图1 2 模块化电源单级结构 两级结构的模块化电源一般用丁 大功率电源系统 电网接入交流电 整流滤波经P F C 级进行功率冈数校止后再送D C D C 功率级转换最后输出稳定直流电压或稳定直流电流 如陶 1 3 交 输 直流 输出 图1 3 模块化电源两级结构 以上两种结构相比而言 在模块化电源中由于要适应扩容后的大功率要求以及小电压人 电流的发展趋势 两级结构应用得更频繁 另一方面考虑要满足信息产业部发布的 中华人 民共和国通信行业标准 对功率因数的要求 两级方案也是模块化电源更合适的选择 1 2 3 模块化通信电源的D C D c 变换器拓扑结构 1 在确定 卜两级方案后 P F C 级的电路拓扑一般采刚比较通埘的B o o s t 拓扑结构 交流输 入后 4 0 0 V 左右直流电厍稳压输出 而模块化通信电源的D C D C 功率级 比较常用的电路 3 浙江大学琐上学位论文 拓扑结构有以F 几类 在低功率电源中 主要是单管正激和单管反激拓扑结构等 在中高功 率电源中 主要是推挽 半桥 全桥 双管止激以及半桥或全桥的谐振拓扑结构 r 文将针 对这儿种电路拓扑结构进行讨论和I 比较 A 正激式变换电路结构 L P F c l 到 卜 fJ d V o u t 图1 4 单管止激式变换器原理图 止激D C D C 变换电路有多种磁复位方法如R C D 复位 L C D 复位 舣开关管复伉 有源 箝位等复位方法 按照不同的复位方法能衍生山多种不同的止激交换器电路 l 篁 1 4 中是基 本单管正激变换器 它所应用的元什比较少 电路结构比较简单 有比较好的转换效率 但 这种结构存在以下一些缺点 1 正激变换电路中的功率管是硬开关 在高频和小型化方面有局限性 同时由丁 输 出功率的增加 会加人功率管的电流应力 硬开关的缺点也更加突出 因此对丁 这种硬开关 的单管正激变换电路只适合工作于低功率范围 2 单管正激变换器的开关管上的电压应力比较高 一般是两倍的输入电压 有源箝位止激变换器能够实现Z V S 但电路比较复杂 成本提高 而且也不容易在输出 大负载的时候保证Z V S 双管正激变换器是现时比较常用的正激式变换器拓扑中的一种 图1 5 其开关管上 电压应力为一倍的输入电压 而且不需磁复位绕组 同时 与桥式变换器相比 双管正激变 换器不存在桥臂直通的危险 双管正激变换器有以下的缺点 1 它最大占空比为0 5 因此变压器副边输出的是半波信号 与半桥变换器输出是 全波信号相比 磁芯的利埘率低 所需的输出电感和输出电容值较大 体积也较大 2 由于舣管正激变换器的开关器件为硬开关 二极管的反向恢复效麻 会给原边带 来一个较高的电流尖峰 因为线路漏感的存在会对电路其他信号产生干扰 4 浙江大学母I i 学位论文 V B 反激式变换电路结构 图1 5 双管正激式变换器原理图 P F c 广 卜 J 蛩 V o u t V o u t 圈1 6 反激式变换器原理图 反激式电路相对于止激式电路 其所用元什更少 结构比较简单 成本也比较低 冈此 反激变换器能适合在多路输出场合中使用 图1 6 中为撮基本的反激变换器拓扑 它通过副 边R C D 复位 元件利埘率较高 变换效率比较高 反激电路结构的缺点在于 1 由于能晕均需经过变压器储能再传输给副边 这使得反激变换器也只能适 H j 于小 功率场合 2 由于副边二极管上电流是断续的 因此输出电容上会有较大的电流纹波 电容E S R 上的损耗由此增加 C 推挽式变换电路结构 推挽式变换器的工作频率可以比较高 因此变压器和输出滤波器的体积可以比较小 相 对桥式变换器 推挽式变换器也不存在直通的危险 这种变换器的缺点主要在于 1 存在直流偏磁 由丁 上下管交替开关 使变压器磁芯交替磁化与去磁 而电路的 不完全对称会导致变压器原边的高频交流电压上叠加一个比较小的直流电压 如果作川时问 浙江大学琐1 学位论文 长 容易使变压器单方向饱和 导致器件损坏 2 开关管上最大电压鹿力为两倍的输出电压 使得开关管的选择和输入电压范围受 到限制 JL l j P F C l 一 JL J k 图1 7 推挽变换器原理图 D 对称半桥式变换电路结构 lJ J r一日 叫 L J jj 图1 8 小桥变换器原理图 与推挽式变换器的开关管上承受电压是两倍的输入电压相比 对称 r 桥变换器的开关管 上承受的电压是输入电压 因此用于较高的输入电压 对称半桥变换器的缺点主要在丁I 原 边存在的漏感会带米复位电压和占空比丢失两个问题 复位电压的存在 使得在设计电路时 要对最人占空比进行限制 以留出复位电压的时间 占空比的丢失则使得有效占空比减小 为了得到所要求的电压 必须提高变压器的原副边匝比 从而导致原边的电流增加 开关管 的电流应力增加 通态损耗加大 以及副边整流桥的耐压值耍增加 在半桥拓扑结构中 还有不对称 F 桥拓扑 不对称 桥变换器可以利用变压器旃l 感和 M O S 管结电容之间的谐振实现Z V S 但由于Z V S 的条件和负载有关 在轻载下不容易实现Z V S E 全桥式变换电路结构 6 浙江人学觏士学位论文 P F C 一 J 叠 J a l厂一 J 刍2 扣 b V o 一 L j 图1 9 全桥变换器原理图 全桥变换器根据控制方式主要有3 种 双极性控制 有限双极性控制和移相控制 这3 种控制方式都是P w M 控制 与对称半桥式变换器类似 其开关管上的电压应力为输入电压 并且可以实现Z V S Z C S Z V Z C S 的P W M 控制 但是在低乐输入时峰值电流较高 F 谐振电路结构 全桥和半桥谐振变换器在 作原理上类似 区别在丁 谐振同路的输入端电压 全桥的谐 振回路输入端平均电压为D C D C 变换器的输入电压 而半桥的谐振同路输入端平均电乐为其 一半 因此在开犬管的电流应力上全桥谐振变换器要比学桥谐振变换器小 但全桥拓扑在开 关管数量上要多一倍 成本较高 考虑剑功率等级和设计成本 根据不同廊川选择合适的拓 扑 比较各种方案后及设计的参数范围 本文选择的是不对称 F 桥谐振拓扑 关于各种不对 称半桥谐振回路的讨论将在第三章给出 1 3 本文的主要研究内容 本文所要研究的单元模块电源是中功率 可热插拔式模块电源 其性能参数主要如下 满载功率 3 0 0 0 W 输入电压 交流1 6 5 V 2 6 5 V 输出电压 直流4 3 V 5 8 V 功率因数 0 9 9 转换效率 9 0 电路拓扑结构采用两级式 P F C 级电路为B o o s t 结构 由U C 3 8 5 4 控制芯片P W M 控制 7 浙江大学硕L 学位论文 D c D c 级电路为不对称 F 桥L L C 谐振拓扑 采埘C 1 4 0 4 6 控制芯片调频控制 本文将对模块化电源的设计进行研究 介绍C C M 模式的B o o s t 型P F C 的控制电路设计和 主电路设计 及其保护电路设计等 对于L L C 谐振式D c D c 变换器中的L L C 谐振同路的电压 增益特性 空载特性和短路特性进行研究 f 给出主要参数的设计步骤 及其仿真研究结果 对具有输出限流功能的最大电流均流控制环方案进行研究分析 提出非选择性共同控制模式 和选择性控制模式两种均流控制方案 设计制作3 k W 样机 并进行实验研究 8 浙江大学硕士学位论文 第二章P F C 电路及实例设计 直接从电网通过不控整流电路进来的交流电流会发生严重的畸变 如图2 1 所示 它所 造成的后果是 对电网有危害作用的谐波电流和输入端的低功率冈数 在 中华人民共和国 通信行业标准 中 对1 5 0 0 W 以上的电源单机满载时整机功率因数要大于0 9 2 对1 5 0 0 W 以下的电源单机满载时整机功率因数要大于0 9 5 因此 就需要有P F C 电路来提高电源的 输入功率因数 I f 才能实现M O S 管的Z V S 开通 而L L C 串联谐振变换器 只要工作频率大丁励磁电感参与谐振时的本征谐振频率 即f f 就可实 现M O S 管的Z V S 开通 3 2 1f f f 时L L C 谐振变换器工作原理 当L L C 谐振变换器的T 作频率处丁 这个频率段时 一个周期内可以分为8 个 J 作模式 2 l 浙江大学硕 1 学位论文 考虑到上卜 管 L 作模式的对称 所以只对上管的4 个 作模式进行分析 如图3 5 所示 图 中电流电压方向为参考方向 模式1 t o t t 模式2 t l t t 2 模式3 t t t 浙江大学顾十学位论文 模式4 t a t t 4 l v a j J 丁l 一 小 s 1 s l r t 磅 飞 公 氏l 乡 i 涝 r t V w V坍 L r t 弋 弋 弋 弋 L r t ullD I Ju 主要电流和电压波形 图3 5f f f 时的电路工作过程 M I t o K t t 时 s z 关闭 并且谐振电流i 对s 的结电容放电也结束 V m 降到零伏 S 的体二极管导通 副边二极管D 也开始导通 励磁电感L 两端的电压为n v 0 n 为变乐器匝 比 i 线性增加 I d 2 t l t t z 时 t 时刻s 零电压开通 谐振电流i 从s 上流过并且和励磁电感电流i 继续增人 直到i i 的时候 副边二极管D 零电流关断 M 3 t 2 t K t 时 随着副边二极管D 的关断 励磁电感开始参与谐振 由丁 励磁电感L 要比L f 人很多 冈此这个时候的谐振周期相比之前会长很多 这个时候的谐振电流可近似 认为不变 M 4 t 3 f 时L L C 谐振变换器工作原理 当工作频率f f 时 谐振电路在一个周期的工作过程也可以分为8 个模式 同样的 由于上下管的1 作情况对称 下面只对上管工作过程中的4 个模式进行分析 如图3 6 所示 图中电流和电压方向为参考方向 模式1 t o t t 模式2 t l t t 2 模式3 t 2 t t 3 n 1 R o v o 2 4 n n 浙江大学硕十学位论文 模式4 t 3 t t d n 1 L s 1 鸵 s l I 鸵 i r t i 厂淤心 崧卜 L 一厶一 弋身 二一 r 夕 t lN I L t r r 烈 烈 疋 X 厂j r t R o V o 主要电流和电压波形 图3 6f f 时的电路工作过程 M I t o t t 时 励磁电流和谐振电流相同 i i 由于此时m 刚好处于导通状态 励 磁电感两端的电压为n v o 励磁电感上的电流呈线性增加 这阶段L 和c 参与谐振 谐振电 流以频率正2 五i i l 亏正弦变化 直到t 时刻 s 关断 M 2 t t f s 谐振电流此时仍然大于励磁电流 副边二极管D 依旧处于导通状态 因此励磁电感 两端的电压还是n V 同路电压方向平 谐振电流方向相反 谐振电流减小 浙江大学硕l 学位论文 M 4 时 t 时刻S 开通 这个阶段副边二极管D 仍然导通 直到b 时刻 励磁电流等 于谐振电流此阶段结束 谐振网路开始相反方向的对称工作过稃 在f f 时 由丁 励磁电感一直没有参与谐振 因此这个上作频率下的L L C 谐振电路等 效于传统的L c 串联谐振电路 3 2 3L L C 谐振回路特性分析 L L C 谐振回路是整个L L C 谐振变换器的主要部分 变换器的设计也主要就是L L C 谐振同 路参数的设计 冈此下面将对L L C 谐振回路的特性重点分析 3 2 3 1L L c 谐振回路的等效电路 为了更清楚简洁的分析谐振回路的各个特性 把原电路等效成图3 7 的结构 其中 为副边等效负载 胄 8 2 R 3 1 L r 图3 7L L C 谐振同路等效电路 由图3 7 在简单分析前提下只考虑输入的基波分量 那么该电路的交流电压增益为 以 以 计算后可化为下面的等式 竺 刍 生 J C O L R 丽1 一等琶去d 配 3 2 3 3 上 浙江大学硕士学位论文 设定以下归一化量 谐振点谐振电感阻抗归一化量 谐振频率归一化量 励磁电感关于谐振电感的归一化量 那么式 3 3 可以简化为 蚴删 鲁 D 竺丛 R Q 旦 J 益 三 肥i 瓣 考虑V o V J n V 近似为V 2 L L C 谐振直流电压增益可表示为 3 5 3 7 G 垤 Q 加告 去M 垤 Q 3 8 从式 3 7 可以看出当o l 即工作频率在谐振频率点的时候M 恒为1 与负载无关 设定励磁电感与谐振电感的归一化量h 为4 可由式 3 7 根据不同的品质因数Q 得到图 3 8 f j j i f 斗 q f 叫受 融j 蔓 j j 一1 l j t j 图3 8L L C 谐振回路的交流电压增益特性 2 7 浙江大学硕十学位论文 3 2 3 2L I C 谐振回路的空载特性和短路特性 1 空载特性 当变换器输出空载的时候 R o 接近为无穷大 Q 近似为0 因此式 3 7 简化为 肚盱1 翮 为了比较方便比较 h 也取为4 那么可以得到以下的交流增益图 3 2 5 2 蓄鎏 l 0 5 j j 3 9 浙江大学硕士学位论文 一I o 丝 垒 婴 K2 n R 胛j w 善一 w k I f 玉 j 于 鑫翻三 1 卜k 搿 矗 卜 释隧 3 一 归一化频率 图3 1 0L L C 谐振变换器输出直流电流增益 h 4 Q 1 n 4 5 图3 1 0 R 为输出负载阻抗单位欧姆 表明输出短路的时候 工作频率在谐振点附近 情况下 由于谐振回路阻抗很小 输出电流会比较大 但稍微增加工作频率 电流就下降得 很快 因此在输出短路时 要提高工作频率来限制输出电流 3 3 电路参数设计 3 3 1 实例设计 如上所述 L L C 谐振的主要参数是谐振电感L r 谐振电容C 变压器励磁电感k 其中 变压器原边漏感可以作为谐振电感的L r 一部分 因此对电路的参数设计主要就是设计这几 个参数 L L C 谐振变换器主要性能参数 输入额定直流电压 4 0 0 V 输出额定直流屯压 4 2 5 8 V 输出额定直流电流 4 8 5 6 A 输出满载功率 3 0 0 0 W 激激盏 输直电增 浙江大学硕七学位论文 昙 ti 1 4 0 0 丢万石 虿i 泛i 五舌万孑 丽 8 7 取N p 为9 匝 由n 4 5 两个 首先选择负载归一化量Q 由图3 7 可知 选择Q 的标准首要在于能不能使得变换器满 足全输入和输出范围内的可调节 冈此对于图3 7 而言 选择Q 要先知道最大电压增益k 肘 2 等 2 x 4 5 x4 5 8 t 加s M m m 2 n F r m i m 2 x 4 5 x4 4 0 0 2 9 4 5 矿 2 志 1 3 3 Q 扣警以4 朋 c 寿L o s 4 旷 一 浙江大学硕t 学位论文 L 藩 i i 7 鞲 一 l l Il 差 j f I 一j I i j 一 i 遗 一 J 玑 跨4 X 上一i 一 I 一 一 一 l 露醚鬟慕 疆 i L i 嚣炙譬嫠谐挚蘸 V E l a 谐振同路输入电压和谐振电流仿真波形 八 八 n 淤 n li j 1 r J 1 WJf y I l l I f J l JI 一 1 l 髫 r7可 I 汐f i二l k i i 一r 5 0 2 4o 岫 L 2 b 副边整流二极管电流仿真波形 图3 1 1 谐振频率为1 0 0 k H z 时谐振同路的仿真波形 3 I I O S F E T 开关管和副边整流二极管的选择 根据电路电压应力和电流应力的值 M O S F E T 开关管的v 上的电压应力为4 0 0 V 根据仿 真的结果 谐振电流峰值不到2 0 h 选择I X F K 4 4 N 5 0 V m 5 0 0 V I u 4 4 h 0 1 2Q 并 采用两只并联方式 副边二极管采用D S E l 6 0 0 2 I A 6 9 h V 一 2 0 0 V T 3 5 n s 同样采用 两只亓联方式 3 3 24 0 k H z 谐振频率和1 0 0 k H z 谐振频率下L L C 谐振变换器的电路性能比较 按照上面的设计步骤 其中保持变压器匝数比和电感归一化量h 不变 得到4 0 k H z 谐振 频率时谐振回路的参数如表3 1 3 浙江大学硕士学位论文 表3 14 0 k H z 和l O O l d l z 谐振频率下的谐振回路参数 谐振频率f s k H z 4 0 1 0 0 变压器原副边匝数比n 4 54 5 励磁电感归一化量h 44 谐振电感归一化q O 2 5O 3 5 谐振电感L r u H 1 1 4 8 4 谐振电容C r uF 1 40 3 3 A 输出电压的调节 由上述设计的参数 可以得到两种频率当前参数下的电压增益 轻E 簟 叫 f i f f r o J I 1 J i l厂遗 火 h 每 o 鲁毛 0 1 52 l O O k H z 秘 图3 1 2 实例参数的电压增益 对于相同输入电压和输出电压 以及相同输出功率的L L C 谐振变换器而言 不同的谐振 频率等级都有一样的电压增益关于归一化频率的曲线 但曲线会随着Q 的变化而变化 0 越 大 曲线就越平 相应的最大增益点也就越低 如图3 1 2 中所示 相同输出负载下4 0 k H z 谐振频率时的最大增益点要比1 0 0 k H z 谐振频率时来的高 因此在对输出电压进行调节时会 更加容易 B 谐振回路中的电流 分析谐振回路可以得到谐振电流有效值的计算公式 k 去 筹协2 叫 浙江人学硕j 二学位论文 按照式 3 1 3 4 3 6 谐振回路的Q 值一定的时候 谐振电流有效值只与 输出电压利输出负载及输出电压 原副边匝数比有关 因此对丁 相同输山电压利输出负载 固定变压器的谐振变换器而言 不同的谐振频率下都有相同的谐振电流 如果Q 值不同的话 就有如图3 1 3 的关系曲线 J Q O 2 5 么 l 一 一 一 7 一 j 十 一 j p 一 一 一 1 一 一 彩耋 一一 r 图3 1 3 谐振电流有效值关丁频率关系曲线 图3 1 2 表明在相同输出电斥和负载情况下 Q 值越人谐振电流有效值就会越小 l O O k H z 时的Q 选择是0 3 5 而4 0 1 d l z 时的Q 选择时0 2 5 此外从圈3 1 1 中可以看出在输出电压相 同时 二者的归一化频率虽然有差异但很接近 因此前者开关管和变压器上的电流应力要小 很多 谐振电感和变压器的体积可以比低谐振频率的时候要小 同时由于l O O k H z 谐振频率 时谐振电流有效值比较低 因此开关管上的导通损耗 以及变压器和谐振电感上的铜损也相 对要小些 同样的 变压器副边流经整流 二极管上的电流有效值为 蕊V 1 5 z r l 2 2 丌 4 8 上4 z z 2 断2 一t z 它与谐振电流有类似的特性 璺 3 1 4 和图3 1 1 可以看到4 0 k H z 谐振频率变换器的谐振电流 和副边二极管电流都要较l O O k H z 谐振频率变换器的大一点 3 3 浙江大学硕十学位论文 厂 j j i 卜 一f I 舞釜蚕I 1 一 良H 三 丁一1二 1 J 7 l 一f k fH k k l h k 簿辚 一7 缬i 撵 鬟琏 艮 孥 鹾皴i 二 l i 门 U o i l i 革 f V l i i l X 乏 i 一 k Z 0 k I 1 菱 W b 0 0 碍 0 钙 L J j f 厂一 J j J 黼 z 啪 3 0 0 h 0 D m 图3 1 44 0 k H z 谐振电流和副边二极管电流仿真波形 3 4D C D C 功率级的控制方案 输堂坐堕墨堂 厂石i i 而 输面湎蕊t 旦 稿堂皇生墨壁 厂I 五i i 西 输丽面磊t 卫 输 里堕墨堑 隔河i i i i 五 输入电压丛准I启动 一欠判新及软 控制 芯片 J r 关管门极 靳动信号 图3 1 5D C D C 功率级的控制结构图 D c D c 控制采用3 路选择性控制如图3 1 5 所示 哪路所脓控的信号需要受控 哪路的 输出电压就较高 由二极管的单向导通特性就会选择该路作为目前激活的控制同路对该路所 控信号进行调节 3 路控制回路分别是副边电流控制 输出电压控制 输入电压判断和软启 动 1 输出电流控制 对副边流经整流 二极管的电流进行采样整流后作为一个电流控制信号 通过P I D 调节器 与基准比较 如果过高就会调低输出电压米使电流减小 由于只有过高需要保护 因此该路 对电流过低没有调 霄作用 其作 H J 相当于输出总电流的限流 2 输出电压控制 与副边电流控制类似 但输出电压对过压和欠压都有调 协作用 目的在丁I 使输出电压稳 浙江人学硕L 学位论文 定在设定值 是输出电压的调节环 3 输入电压判断和软启动 该支路的作川在于判断输入电压是否在D c D c 功率级的 作范闱 如果没有 过高或者 过低 则不动作 D C D C 功率级处于不工作状态 如果输入电压在其工作范围内 则启动软 启动电路 软启动电路是为了在开始启动的时候由于输出电容没有电压相当于短路 因此不 让开关管完全开通 使控制芯片以高频启动 输出电压慢慢升上来 4 三条控制回路的关系和相互作用 软启动作为开始的启动保护控制电路必然要最先起作用 它由一个电容来控制其输出电 压 D C D C 变换器刚上电工作的时候 该电容处于较高压状态 由于没有输出电压和输出电 流 软启动电路输出电压最高首先起作用 让控制芯片高频输出 同时该电容放电 软启动 控制同路的输出随之慢慢降低 而电压控制同路由丁输出电压的慢慢升高 电乐控制回路的 输山电压也渐渐抬高 直到超过软启动控制同路的输出电压 软启动回路就退出l 作 由电 压控制同路顶替其T 作 工作原理如图3 1 6 t 为D C D C 交换器开始启动点 t 为两路控制 的切换点 V 0 K 一 一 0t o t l t 压 图3 1 6 软启动控制同路和输出电压控制回路t 作切换原理 电流控制回路一般在电路正常工作过程中出现限流后才起作用 冈此主要讨论它与电压 控制同路的切换关系 正常丁作状态下 电路没有在限流状态 则电流控制回路的输出电压 默认要比电压控制回路的输出电压低 如果输出电流增人情况 电流控制同路的电压就开始 上升 直到到达限流点 电流控制同路的输出电压开始超过电压控制 亓I 路的输出电压 控制 环就切换到电流控制回路上一l 作 输出电压减小 输山电流也随之减少 但此时电流控制同 路的输出电压仍然要比电压控制同路的输出高 所以依然是电流控制同路起作用 只有当输 3 5 浙江大学硕十学位论文 出电流继续减少 电流控制同路的输出电压降低 变换器输出电压升高 电压控制同路的输 出电压也随之升高 同时电流控制同路的输出电压降低 当然两路电压曲线相交的时候 又 会切换剑电压控制 工作原理如图3 1 7 如果在电流控制回路起作用区间里 变换器就稳 定工作 则一直由电流控制回路起作用 直到输出电流减少或者输出电压升高 J V 电压控制回路输出电压 l E 电流控铷回路输出电压 0 F r 0 t t 图3 1 7 电流控制环和电压控制环切换工作原理 3 5 控制芯片酬 C D 4 0 4 6 是通用的c M o S 锁相环 其特点是电源电压范同宽 3 V 一1 8 V 输入阻抗高 约 1 0 0 M Q 动态功耗小 在中心频率l O k H z 下功耗仅为6 0 0 1 t w 属微功耗器件 在本文电路 中主要应用了C D 4 0 4 6 的压控振荡器功能 见图3 1 4 图3 1 4C D 4 0 4 6 功能幽 I 浙江大学硕 i 学位论文 4 脚为压控振荡器输出端 5 脚为禁i E 端 高电平时禁止 低电平时允许压控振荡器j 二 作 这里接地允许压控振荡器 1 作 6 7 脚外接振荡电容 8 1 6 脚为电源的负端和上E 端 9 脚为压控振荡器的控制端 输入控制信号从上述的3 路控制同路输出引进 1 1 1 2 脚外接 振荡电阻 可以设置芯片最高输出频率和最低输出频率 4 脚输出信号 由D 触发器分为互 补的两路输出分别作为L L C 谐振电路的上M O S 管和下M O S 管 浙江人学顾十学位论文 第四章负载均流控制技术 为了满足大功率的负载 必须加人电源的输山功率设计 但集中式的电源对大功率的输 出存在设计和制造上难度 而且成本方面也不合算 于是多模块分布式电源并联来代替单个 电源给负载提高能量成为大功率电源系统的趋势 这种分布式电源系统有扩容性和冗余性的 优点 既能满足不断增加的负载需要 又能在部分模块故障失效时保证系统稳定 同时还能 实现模块热插拔提高了电源系统的可维护性 这种模块化电源系统存在一个主要的问题 就是负载均流问题 如果有不均流的现象 比如由于不同模块之间存在外特性的不同 可能导致其中某些输出能力差点的电源模块只分 担很少甚至零电流 而输出能力强的电源模块分担很大甚至超出其本身满载的电流的情况发 生 这个时候电源模块很可能由丁过载而缩短寿命或者山现故障 要解决这个问题 必须引 入负载均流技术 所谓负载均流技术 就对各个模块的电流反馈进行采样 再通过均流控制 电路米平均各个j 二作模块上的电流 1 4 1 负载均流控制技术的分类 1 输出阻抗法 输出阻抗法也称电压调整率法 I 占 定差值法和下垂法 它利用开环的方法调节模块电源 的输山阻抗 从而实现均流目的 如图4 1 a 这种均流方法的人电流特性比小电流特性 要好 因此在负载较小的时候 均流效果不时很理想 此外由于这种方法在进行均流调整的 时候 每个模块都要各自进行小调整 从而对于不同额定负载的模块电源并联系统 难以实 现均流 所以输出阻抗法不能麻 l J 在对均流度要求比较高 不均流度小于3 的电源系统 中 2 主从式均流法 主从式均流法 是一种电流控制型方法 如图4 1 b 它通过设置主模块 由主模块 给各个分模块提供统一的电压给定值 再由各个分模块对各自的电流进行反馈采样控制 实 现模块间的均流 这种均流方法均流效果比较好 但缺乏冗余功能 如果主模块出现故障就 会导致整个系统的瘫痪 而且由丁使用宽带电压环 f 由总线连在一起 电压给定信号容易 受到噪声的干扰 3 外部控制器法 浙江大学硕I 学位论文 这种方法是采用外控器的办法来达到负载均流 通过比较各个模块的输山电流信号 调 节相庶的反馈信号来实现均流 此方法均流特性比较好 但需要附加一个控制器 并需在控 制器和各个模块电源之间增加许多连接线 容易被噪声信号干扰 4 平均均流法 平均均流法 它主要由一条低带宽的均流母线 连结各个模块电源 如图4 1 c 每个模块电源的电流反馈信号通过一个电阻与均流母线相连 均流母线上的电压为各个模块 电源电流反馈信号电压的平均值 v 丘 4 v 上 R 式中V 是第i 个模块电源电流反馈信号电压 R i 是第i 个模块电源与均流母线相连的电阻阻 值 v 一 为母线电压 平均均流法的均流精度比较高 但它也存在一些缺点 一 电源系统中的任何一个模 块电源出现故障没有电流输出 其余模块电源的电流都会被限制到下限 结果造成整个电源 系统故障 二 当某一模块的电流上升到上限时 该模块的输出电压会被自动调节到下限 a 输出阻抗法 b 主从式 线 珥书放大器 差分放大嚣 c 平均均流法 d 最人电流均流法 图4 1 各种均流法电路结构图 浙江大学硕士学位论文 5 最大电流均流法 最大电流均流法 和平均均流法类似 也由一个低带宽的均流母线连结各个模块电源 如图4 1 d 与平均均流法不同的是 各个模块电源的电流反馈信号是通过一个二极管与 均流母线相连 这种均流方法是自动主从控制法 模块间能够自动按电流大小排序 电流最 大的模块自动作为主模块 其余为从模块 按照主模块的电流大小来调节各自的输出电流 所以也被称为 民主均流法 最大电流均流法能够克服平均均流法的缺点 同时保留了均流精度高的优点 为了获得 更好的均流效果 通常采用一个单向的缓冲器来代替二极管 如图4 2 洱节蕴丈器 图4 2 改进的最大电流均流电路结构图 由于最大电流均流法的存在控制方便 均流精度高 适用面广等优点 下面将主要介绍 分析最大电流均流法 4 2 最大电流均流法 4 2 1 最大电流均流法的电路特性 最大电流均流法 总的来说是一种电压型控制方法 它主要通过调整输出电压的大小来 调整输出电流 控制结构如图4 2 所示 根据电路结构分析可得控制图4 3 图4 3 最大电流均流控制结构图 浙江人学硕十学位论文 图中k 是电压反馈系数 R 是输出电压比输出电流的系数 R 是电流采样系数 V 为 均流母线基准 k 和K 分别为均流控制信号和电压基准加成时的系数 G 为反馈电压P I 调 节函数 G 为驱动信号和功率级综合函数 主要和电源输入电压U t 输山负载和驱动电路 相关 从图4 3 中 可以得到下面的关系式 一 垡 竺 竖 堡 堕 亟 K c K G G 4 1 4 2 式 4 1 和式 4 2 表明 对于非最大输出电流模块电源而言 与均流母线电 压和基准电压甲止比关系 提高基准电压可以提高输出电压 均流母线电压的提高也会提高 各个模块的输出电压和输出电流 而对于最人输出电流的模块电源 由丁I 母线电压和电流采样信号一样 均流控制输出信 号为0 输出电压由电压基准V r 来决定 篱 I 1 K v G G 4 2 2 有限流控制的最大电流均流 l 蜀 4 3 4 4 这种带有限流控制功能的最人电流均流控制方法 主要是为了限制总输出电流 一般用 在充电器给电池充电时不让充电电流过大而造成电池损坏的情况下 要同时实现两种控制目 的 控制结构有两种方案 1 非选择性共同控制模式 这种方案的意思就在让均流控制 输出电压调节 输出电流限制电路同时都在工作状态 但是由于都是对输出电压进行调节 并且输出电流限制是通过降低输山电压来达到 这个和 前两者刚好矛盾 冈此必须通过参数的优化设计来协调三者之间的矛盾之处 让各个功能都 尽可能完善的实现 几种可能控制框图如下 4 1 等誉 浙江大学砀 十学位论文 取缱给 融澶最H 蚜藏母线 电藏采样 限蠹晗定 限流量扦 均瘴母线 电流采样 图4 4 限流最大均流方案一的两种控制框图 还有几种也是类似的控制模式 但由于二者功能要同时仵州 又存在矛盾 冈此在对输 出电厝和电流共同调1 时不能达到理想的控制目的 输出电流和输出电压不能同时达到期望 的值 2 选择性控制模式 这种方案的设计 就是为了避免二种调节功能同时作用时的矛盾 电路结构图如下 图4 5 选择性限流最 人电流均流电路结构 由于选择电路的存在 使得任何时刻都只有一条控制支路起作用 如图4 5 所示 两条 控制支路分别是 a 均流和电压调节支路 b 均流和限流控制支路 虽然这种方案还是存 在均流和限流控制在对输出电压调节上的矛盾 由于是最大电流均流控制 因此除了最大电 流主模块外 其他模块电源都要提高自己的输出电压来提高输出电流 但相比之前三者同 时作用时弱了很多 调节后的效果也会好很多 事实上 这种输出电流限制可以不是输出总电流 如果输出有负载和蓄电池充电两条支 4 2 浙江大学颧十学位论文 路 那么只要在蓄电池的支路上对电流采样 就可以起剑限制蓄电池充电电流的作 j 下面 根据蓄电池的特性不妨做这样的假设 蓄电池在一定时间段内电压基本稳定为u 而充电 电流I 近似为g v 删 一U 某时间段内g 为一常系数 若均流和电压调节支路起作用那么 弘毪嚣K 鬻a g 挚 汁5 l 国 局 等 K q 啄 五 陵型唑掣塑啦g g U 4 6 1 P 1 斗Q 玛唁 局 g 鬈 G g 式 4 5 表明限流环上作时 输出电压不仅和均流控制母线电乐以及