开关电源的软开关技术的研究

-开关电源的软开关技术的研究【摘要】：本论文简单介绍了软开关技术，相关的软开关电路及特点，软开关技术在开关电源中的应用，并分析了软开关技术优点及不足之处。简单介绍了PWM控制技术，分析了PWM控制全桥软开关电源工作过程和实现方式，并初步设计了一个基于软开关技术的PWM控制全桥开关电源，其中包括主电路、变压器、控制电路和保护电路等模块的设计。这开关电源通过零电流关断和零电压开通，可降低开关的消耗和噪声，有效的实现软开关技术，可使电路高频化、可靠性高和性价比高等。【关键词】：开关电源；软开关技术；PWM控制-i-Abstract:Thispapersimplyintroducesthesoftswitchtechnology,relatedsoftswitchingcircuitandcharacteristicofsoftswitchtechnologyintheapplicationofswitchingpowersupply,andanalyzesthesoftswitchtechnologyadvantagesanddisadvantagesSimpleintroducedthePWMcontroltechnique,thispaperanalyzestheworkingprocessofthePWMcontrolfullbridgesoftswitchingpowersupplyandthewayofimplementation,andthepreliminarydesignofaPWMcontrolbasedonsoftswitchtechnologybridgeswitchingpowersupply,includingmaincircuit,transformer,thedesignofcontrolcircuitandprotectioncircuitmodulesItshutoffbyzerocurrentandzerovoltageswitchpowersupply,canreducetheconsumptionofswitchandnoise,effectiveimplementationofsoftswitchtechnology,canmakethecircuit,highfrequency,highreliabilityandhighperformance-priceratioKeywords:Switchingpowersupply;Soft-switching;PWMcontrol-ii-目录前言.2第1章软开关技术.3第1.1节软开发技术的简介.3第1.2节软开关电路的种类及特点.3第1.3节软开关技术在开关电源中的应用.7第1.4节软开关技术的优点及不足之处.7第2章全桥软开关电源系统分析.8第2.1节PWM控制技术.8第2.2节全桥软开关电源过程原理.8第2.3节全桥软开关电源PWM控制实现方式.8第3章全桥软开关电源PWM控制电路设计.10第3.1节主电路设计.10第3.2节EMI滤波电路设计.12第3.3节高频变压器的设计.13第3.4节控制电路设计.14第3.5节保护电路设计.17第4章系统测试.18第4.1节变压器的测试.18第4.2节测试记录.18结论.20参考文献.20致谢.21附录.22-0-前言开关电源当前使用非常广泛，在许多电子设备上都有被使用到，它内部的电子元件能处在高频状态下工作，它输出的电压能够稳定或被调制，是目前电源的主要类型，它输出的电流也能够通过改变控制方法达到稳定。它具备电能转变高效、可靠性好、可控精度高和轻小等优点，在小功率电源中替代了线性电源，并快速地转向大功率电源。当前能够说中、小功率电源装置的主导技术就是开关电源技术。电源是全部电子设备不可或缺的能量来源，电子设备中重要的组成部分也不能缺少电源转换设备。各类电子设备都有着各自对电源的要求，它们对电源的要求也存在着多多少少的差异。总之，电源的主旨是使用安全、使用可靠以及可以达到省电的目的。伴随着电子技术与计算机技术的快速发展以及在电子设备中的遍及使用，各种高效电子设备对于电源装配的要求也变得越来越高，开关器件的损耗及噪声也加大了，软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显，使开关电源的高频化成为可能，各类软开关技术在开关电源中也必将得到广泛应用。PWM控制方式是软开关开关电源中应用最广泛的控制方式，它控制过程中不需要数模转换，且抗噪能力强。PWM控制技术向消除噪音问题提供了处理的办法，所以提高工作频率现已不是消除噪音的最好办法。-1-第1章软开关技术第1.1节软开发技术的简介1.1.1.软开关技术的基本概念软开关技术是能够实现开关电源高频化的重要技术，它是使电路中的电压与电流进行有规律的变化，这是利用了谐振原理。通过零电流关断或零电压开通，可减少开关的消耗。它能够处理硬开关的损耗、开通、关断和二极管反向恢复等问题，还能处理硬开关引发的电磁干扰等问题。1.1.2.软开关技术的工作过程软开关电路是为了降低或消除开关消耗和噪声，将谐振元件电感、电容引入到开关电路中，在开关过程中增加谐振过程，为了消除开关过程中的电压与电流重叠，可以通过零电压开通或零电流关断实现，减小电压与电流变化率。软开关电路典型开关过程见图1-1。第1.2节软开关电路的种类及特点软开关技术在不断地发展中也得到了不断地完善，其中也设计出了多种类型的软开关电路，当前，新式软开关电路仍逐渐出现。各类软开关电路都有着自己的特性和使用场所。按照开关电路中开关的零电流关断和零电压开通，能够将软开关电路分成零电流电路和零电压电路。通常，一种软开关电路要么是零电流电路，要么是零电压电路；按照基本开关单元可分成开关器件、电容、电感和二极管等构成的电路；按照软开技术的发展能够将软开关电路分成下列三种：准谐振电路：这是最先设计出的软开关电路，如今这类电路还在大批应用中。由于谐振电压的峰值较高，因此器件需要升高耐压性能；由于谐振电流有着较大的有效值和电路中有着很多无效功率转换，这就增大了电路的导通消耗；谐振周期会受到输入电压uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图11软开关的开关过程-2-与负载的影响，随着它们的变化而变化，所以电路的控制方式只可以是脉冲频率控制方式。准谐振电路能够分成零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路和零电压开关多谐振电路。零开关PWM电路：为了让谐振只在开关过程的前后产生，利用了辅助开关调控谐振的产生时间。零开关PWM电路能够分成零电压开关PWM电路和零电流开关PWM电路。零转换PWM电路：利用了辅助开关调控了谐振的产生时间，这类软开关电路中的谐振电路与主开关并联。在开关切换过程中，获取零开关条件的途径是产生谐振。在开关切换后，电路恢复正常的PWM模式。降低了电路中无效功率的交换，使电路的效率得到进一步提高。零转换PWM电路能够分成零电压转换PWM电路、零电流转换PWM电路。1.2.1.简单的开关电路软开关电路中的准谐振零电压开关电路结构简单。其电路原理图与理想波形图分别如图1-2、1-3所示。缺点：对开关器件的耐压要求较高。RVDCrSsUi图1-2准谐振开关电路原理图图1-3准谐振开关电路理想波形SuS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO-3-准谐振零电压开关电路的工作过程：t0t1：在t0之前，开关S是闭合的，二极管VD是断开的，。t0时S关断了，电容Cr让S关断后电压上升缓慢进行，0CruLri所以S开关损耗降低。S关断后，VD还没通。电感Lr与L向电容Cr充电，升高，Cru降低，到了t1时，降为0，VD导通。t1t2：VD导通对L续流，电容、电感形VDuVD成谐振回路。t2时，Cr上电压达到谐振峰值。t2t3：先是Cr放电，到了t3时，Lr上电流达到反向谐振峰值。t3t4：先是Cr充电，继续放电，到t4时刻为0。t4t5：Cru导通，保持为零。这一过程中开关两边电压为零，因此应让S闭合，就不会产生SCru损耗了。t5t6：上升，到了t6时，VD断开。t6t0：S是闭合的，VD断开。LiLri1.2.2.变频器软开关电路直流环是一种适用于变频器的软开关电路。缺点：对开关器件的耐压要求较高。图1-4及1-5分别为谐振直流环等效电路图和谐振直流环电路理想波形。RsU图1-4谐振直流环等效电路图图1-5谐振直流环电路理想波形工作过程：t0t1：在t0前，开关S是闭合的，t0时，S断开，电路产生谐振，Lr向电容Cr充电。t1t2：Lr电压差为零，t1后，Lr继续对Cr充电。t2t3：，t2后，Cr向Lr与L放电，Lr上电流继续降低，直到t3达到反向谐振峰值。t3t4：Cr继续放电，t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO-4-直到t4时为0，二极管导通。t4t0，S闭合，Lr上电流上升，直到t0时，S断开。VD1.2.3.最广泛软开关电路目前，全桥移相软开关电路使用较为广泛。全桥移相电路能让四个开关都为零电压开通，相对硬开关全桥电路来说，加了个谐振电感。图1-6及1-7分别为全桥移相零电压开关PWM电路和全桥移相电路理想化波形。R2LC1r3TUi图1-6全桥移相零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO-5-图1-7全桥移相电路理想化波形工作过程：t0t1：S1和S4先是闭合的，到了t1时S1断开。t1t2：S1断开后Lr、L和C1、C2形成谐振回路。t2t3：t2时S2开关闭合，零电压开通，不会出现开关损耗。t3t4：在t3时S4断开后，变压器两边整流二极管导通，变压器一次侧、二次侧电压为零，等于短路。t4t5：S3闭合后，Lr的电流继续降低。下降为零后反向增大，Lri变压器的二次侧VD1的电流下降为零后断开，L上电流转到VD2中。第1.3节软开关技术在开关电源中的应用相对于开关晶体管，我们可以将开关电源说成硬开关与软开关电源。软关断过程中先是电流降为零，电压再慢慢升高到断态值，这过程与硬开关的工作过程不同，因此开关的关断损耗趋近于零。因为开关断开之前电流已降为零，感性关断的问题就处理了。对于软开通过程则是电压先降为零,电流再慢慢升高通态值,因此开通损耗趋近于零。由于开关开通之前电压已降为零，容性开通的问题就处理了。同时，当开通时，二极管反向恢复过程已结束，所以二极管反向恢复问题不存在。软开关技术可以降低电磁的干扰，是因为开关晶体管可以零电压导通和零电流的关断，这可以显著降低功率器件的di/dt和du/dt，从而降低电磁的干扰。通常软开关的效率和操作频率比较高，可使变压器体积变小，因此开关电源可以小型化。但所需成本较高，设计也比较复杂。第1.4节软开关技术的优点及不足之处软开关技术的优点：（1）大大提高开关频率，使输出谐波分量减少，降噪。尤其是当开关频率高于18KHz，噪音会超出人耳的听觉范围。（2）不需要缓冲电路（3）让散热器小型化（4）降低了滤波器尺寸（5）提高开关器件的可靠性，更大的发挥设备的特点（6）提高了总体效率软开关技术的不足之处：（1）缩小了在开关工作期间对占空比的调节范围。（2）电路中应有辅助的换相电路，这就提高了对控制和设备成本的要求。-6-（3）软开关转换过程是利用分布电感和电容的谐振，工艺不一样容易发生变化且变化会非常大，影响工作稳定性。（4）由于负载的变化，要定时调整开关装置，发出控制命令，高频率下怎样检测负载变化，怎样完成时序和其它控制策略在短时间内的计算，这都是有待解决的问题。-7-第2章全桥软开关电源系统分析第2.1节PWM控制技术控制原理：通过控制逆变电路开关器件的通断，让输出端产生幅值相等的脉冲，用这些脉冲来替代正弦波或者需要的波形。按照一定规律调制脉冲的宽度，即可改变逆变电路输出电压的大小，也能使输出频率改变。PWM经济、可以节省空间、有很强的抗噪性能，PWM控制方式是软开关开关电源中应用最广泛的控制方式。PWM技术被使用最多的是在逆变电路中，并且深刻影响着逆变电路，PWM控制技术在逆变电路应用中发展成熟，最终成为电子技术中重要的控制技术。第2.2节全桥软开关电源过程原理图2-1为全桥软开关电源过程框图。从图2-1所示，先是由输入的交流电通过整流电路后变为直流电，再通过PWM控制开关器件，在开关变压器初级加上整流滤波后的直流电压，在开关变压器的次级上获得高频的电压，再通过整流滤波后传给负载，输出通过辅助电路反馈给控制电路，最后输出电压。PWM控制全桥软开关电源调节输出电压的原理是改变两臂对角线上下驱动电压相位角。在控制端通过对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，并利用变压器漏感和功率管的结电容和寄生电容来达到谐振，实现零电压开通。PWM控制全桥软开关电源可以解决感性关断与容性开通导致的开关管温度太热的缺点，降低了开关损耗和干扰。图2-1全桥软开关电源过程框图输出整流滤波变压器开关器件整流电路EMI电路驱动电路辅助电源保护电路PWM软开关采样电路-8-第2.3节全桥软开关电源PWM控制实现方式1零电流开关(ZCS)：开关断开前电流降为零，开关就不会产生损耗和噪声，这就是所谓的零电流关断，也被称为零电流开关。这方式能处理硬开关变换器中的感性关断、硬开关损耗和抑制可产生的电压尖峰等问题。因为开关器件本身原因，仍产生噪声。2零电压开关(ZVS)：开关闭合前电压降为零，开关就不会产生损耗和噪声，这就是所谓的零电压开通，也被称为零电压开关。这方式能处理硬开关变换器中的容性开通、硬开关损耗和抑制可能产生的电流尖峰等问题。3零电压零电流开关(ZVZCS)：零电流关断与零电压开通配合应用，可形成零电压零电流开关。这类方式，可抑制过电压，减小电路总损耗。这类方式虽比上两种好，但电路较复杂。-9-第3章全桥软开关电源PWM控制电路设计第3.1节主电路设计1图3-1是主电路原理图：从图3-1中可知直流电压V施加在Q1、Q4与Q2、Q3开关管组成的两一个桥臂上，控制Q1Q4的导通时间，在变压器T1原边得到交流方波电压，若变压器变比为k，高频变压器将交流方波电压进行隔离与变换电压后，变压器的副边上将产生一个V/k的交流方波电压，然后经过输出整流桥将其变为直流方波电压，最终经过滤波电感L1与滤波电容C5组成的滤波器，滤去直流方波电压中的高频量，输出端C5上获得一个直流电压，它的电压值V0=DV/k，D是占空比。通过调节占空比来调节输出电压V0。它的输出通过高频变压器使电压互感到次级端，然后经后级整流变为直流。C24T5786QL图3-1主电路原理图2主电路参数设定输入电压：220VU输出电压：48V0输出电流：10AI额定输出功率P：480W最大输出功率Pm：600W开关频率f：50kHz效率：%80-10-变压器匝比：（3-1）45.9020UDkin由公式3-1可得k取4。D为占空比，U为输出滤波电感上直流压降和整流输出二极管上正向压降的总和。3主功率开关管Q1Q4的设定（3-2）AkIIcm5.241021开关管损耗：Cs=440pF，Rs=0.27导通损耗：（3-3）WRIPSon84.027.56.021开通时间：Ton=18ns关断损耗：（3-4）fTUIPonS248.0150185.20.21394滤波电感L1的选择设负载电流的变化为:；0L%Ii（3-5）sfTS21（3-6）sfDon631095.0Tof5.若关断时电流下降了满载电流的20%，即2A。因此有：（3-7）HTIULof2705滤波电容C5的选择电容器在单位时间内的能量释放为：-11-（3-8）NUCPCLH)(212N为每秒电容器充放电的次数，即为输出整流的频率。因此：（3-9）fPfOCCLH)(2要求，则C=220pFVUOP5.06缓冲电容C1C4的选择（3-10）cbpSdUkTDIC40其中取15V，则根据公式3-10可得：cbpV（3-11）Fd75.01429.06第3.2节EMI滤波电路设计1EMI滤波器通常，差模的干扰幅度较小且频率较低，所造成的干扰也较小；共模的干扰幅度较大且频率高，还会产生辐射，所造成的干扰较大，因此应在输入端应加个滤波器，EMI滤波器具有抵制电磁干扰和双向抵制性的作用且可靠性和性价比较高。开关电源中的EMI滤波器的结构如图3-2所示。图3-2EMI滤波器图3-2中共模电感T1和差模抑制电容C1组成的低通滤波电路构成了滤波器，滤波器应对干扰信号的差模与共模这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理为：电容通高频隔低频的特性可将电源正极高频干扰导入电源负极；通过电感线圈的阻抗特性可将高频干扰电流反射回干扰源。设计时，要让共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率低于开关电源的工作频率，一般低于10kHz。-12-2前级整流滤波电路开关电源的前级整流滤波电路采用的是单相桥式不可控整流电容滤波电路。EMI滤波及前级整流滤波电路如图3-3所示：T1680FC547KR3D.UV图3-3交流EMI滤波和前级整流滤波电路输出平均电压，输出平均电流。二极管上的平均电流为：208.ULLRUI208.，二极管上的最高反向电压：05.IID2D3开关电源的滤波采用的是电容滤波。对于电容滤波，在电流小的时候滤波效果较好。但负载能力较差，电源接通瞬间电流很大，因此整流管要承受很大的正向电流。它对负载电流较小的场合较实用。第3.3节高频变压器的设计高频变压器是开关电源中的核心元件，变压器的参数影响到其它元器件的参数设计。高频变压器的作用主要是传输功率，将电源能量瞬时的传给负载。此外，变压器还提供其它重要的功能：通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压；增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压；变压器方便提供安全隔离。变压器的设计不仅影响变压器本身的热效率，而且影响开关电源技术的性能和可靠性。设计变压器的步骤为：(1)变压器匝比；(2)磁芯的选择；(3)绕组匝数；1匝比：之前已算出变压器的匝比k为4。2磁芯的选择：在高频领域一般选铁氧体磁芯。高频时，由于铁氧体的电阻率高，交流磁化时的涡流损耗小。它的导磁率在20002500之间，价格便宜，成型容易，高频发热较小，高频性能好。3绕组匝数：磁芯已选好，绕组匝数便可计算。-13-根据式3-4可以计算出变压器的原边绕组匝数：（3-12）ABfnVk810n为波形系数（有效值与平均值之比，方波为4），f为开关工作频率。B工作磁通密度。A磁芯有效截面积。根据公式3-12待人数据可得原边绕组匝数，则k1取35351k副边匝数为，则k2取9。75.8412k第3.4节控制电路设计随着开关电源技术不断发展，开关电源的控制技术也开始多样化。常见的控制方法有单片机控制，DSP控制和专用芯片控制。UCC3895在UC3875(79)系列原有功能的基础上增加了自适应死区设置和PWM软关断能力，是一种高性能PWM移相控制器，采用了BCDMOS工艺，能让功耗更小，工作频率更高。通过定频PWM技术与零电压开关技术的结合，大大提高了变换器在高频下的转换效率。其主要功能如下：可控编程输出导通延迟时间；自适应延迟时间设置；双向振荡器同步；电压模式控制或电流模式控制；编程可控软启动/软关断和控制器片选，单引脚控制；占空比控制范围0100；内置7MHz误差放大器；最高工作频率可达1MHz；工作电流低。有关UCC3895的介绍：1UCC3895引脚见图3-4，它有20个引脚。各个引脚的介绍：脚1（EAN）是误差放大器反相输入端。脚2（EAOUT）是误差放大器输出端。脚3（RAMP）是PWM比较器反相输入端。脚4（REF）是5V基准电压。脚5（GND）是除输出级外，芯片内所有电路接地端。脚6（SYNC）是振荡器同步端。脚7(CT)是振荡器定时电容。脚8(RT)是振荡器定时电阻。脚9、10（DELAB、DELCD）是各互补输出端之间的延时调整。脚11(ADS)是自适应延时设定。脚12(CS)是电流取样。脚13、14、17、18（OUTD、OUTC、OUTB、OUTA）是芯片内四个互补MOS驱动器输出端。脚15（VDD）是电源电压端。脚16（PGND）为输出级接地端。脚19（SS/DISB）是软启动/关断端。脚20（EAP）是误差放大器同相输入端。-14-图3-4UCC3895引脚图2UCC3895的功能框图如图3-5所示：由UCC3895功能框图可知，芯片内部有信号产生电路、延时电路、驱动电路、自适应延时电路、脉冲产生电路、比较电路和保护电路等。图3-5UCC3895功能框图-15-3控制电路如图3-6所示：电源电压VCC向芯片内部的逻辑和模拟电路提供电源，基准电压REF提供一个5V12%的基准电压，它与地之间连接一个10F分别为除输出级外所有电路接地端和IC输出端接地端。Q52KR7609.FCnpEANOUTMPGDSYLBV48IX图3-6控制电路4UCC3895内部振荡器如图3-7所示：图3-7UCC3895内部振荡器电路图是振荡器的定时电容，内部振荡器可对充电，是振荡器的定时电阻。外接TCTCTR-16-的定时电阻可以确定外接定时电容的充电电流，然后决定振荡器的工作频率。TRTC一般在100pF880pF之间，一般在40120K之间，软启动电容的充放电电流TCR也由该电阻控制。取220pF，根据3-13可求。振荡器由固定电流通过电容器的充电TCTR电阻编程工作。由调节的充电电流固定不变，流过RT的电流为：。软启动TRI/3充放电电流也由上电流决定。在电容上的波形为锯齿波，它的峰值电压是2.35V，TRTC振荡器电路如图3-7所示：振荡器周期计算公式为：（3-13）)(1024859sRtT第3.5节保护电路设计设备能够安全可靠的工作，离不开各种保护电路，电子设备的保护有很多，最常用保护电路的有过电压保护、过电流保护、欠电压保护，前两种保护是最主要的。本次开关电源设计了输出过压保护、过流保护。保护电路如图3-8所示：VULEDS76+_图3-8保护电路电路正常工作时，光电隔离器一般不工作。运放U2过来的电流流过D4流向D3时，由于D3反向不导通，则电流流向CS和R29，从R29再流向D3，最后流向CS，使电流截止，起到了过电流保护的作用。从R25流向运放U1同向输入的电压若比反向输入的3V小，则输出端为负，LED2及LS1不工作，当同相输入的电压大于3V，则LED2和LS1工作，并且电压经过D13到CS，使电压截止，起到了过电压保护。-17-第4章系统测试第4.1节变压器的测试变压器各参数计算好后，按照参数对变压器进行绕制，绕好后对变压器进行测试，发现测试的数值与计算的数值有所不同，这是存在误差，因此就要多次对变压器绕组，增加或者减少来修改，直到调整到与计算好的数值差不多。第4.2节测试记录1纹波电压测试纹波电压指的是叠在输出电压上的交流量。可以放大纹波电压用示波器观察它的峰峰值，也能用电压表测它的有效值。因为纹波电压不是正弦波，只能用有效值衡量，所以有一定误差。2过电压保护测试过电压保护指的是当电源输出电压超过最大极限，使输出关闭来避免损坏负载电路组件。过电压保护测试是用来检验电源供应器发生异常状况时，看能不能准确做出反应。电源供应器内部的控制电路或器件损坏时，会发生异常使之输出的电压变高。过电压保护对那些对电压敏感的负载是非常重要的，若这类贵重器件由于太高的工作电压（超过它的额定值），结果将会产生严重损坏，难以修复。3过电流保护测试若电源的输出电流超过了额定，电源当限制或者关闭输出来避免损坏。若电源内部器件损坏导致负载电流过大，电源应当限制或关闭输出来避免损坏，可能会发生危险。过电流保护测试就是检验以上情况发生时，电源能不能准确做出反应。4过功率保护测试若电源的输出功率超过了额定，电源应当限制输出或者关闭输出功率来避免负载功率过大损坏，可能会发生危险。若电源内部器件损坏导致负载功率过大，电源应当关闭或限制输出来避免损坏。过功率保护测试是检验以上情况发生时，电源能不能准确做出反应。5短路保护测试短路可能是因为连线错误或电源器件和其它器件出现故障。若电源供应器输出短路，电源供应器应当限制或者关闭输出来避免损坏。短路保护测试是用来检验输出短路时，电源供应器能不能准确做出反应。6安全规格测试-18-(1)应注意输入的电流以及漏电电流等。(2)电源输入应对地，电源输出应对地；电路板线路要有一定距离。(3)器件必须满足抗燃的安全规格，工作温度要在安全规格之内。(4）机壳应当接地，小于01欧姆，避免漏电触电的危险。变压输出的特性：开路、短路和最大伏安的输出。7异常测试