不对称半桥变换器研究毕业开题报告

不对称半桥变换器研究一课题来源、目的、意义，国内外概况和预测1955年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，在1964年美国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到1969年终于做成了25千赫的开关电源，这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研究成了国际会议的热门课题。自20世纪60年代开始得到发展和应用的DCDC功率变换技术其实是一种硬开关技术。60年代中期，美国已研制成20KHZDCDC变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了50HZ工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅度减小，提高了效率，输出高质量的直流电。到70年代初期已被先进国家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在1977年左右开始进入控制电路集成化阶段。控制电路的集成化标志着开关电源的重大进步。80年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套电源，即目前所谓的开关电源SMPSWITCHMODEPOWER或开关整流器SMRSWITCHMODERECTIFIERO70年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软开关技术。最先在70年代出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器RESONANTCONVERTERS。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器SERIESRESONANTCONVERTERS,SRCS和并联谐振变换器PARALLELRESONANTCONVERTERS,PRCS两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。准谐振变换器QUASIRESONANTCONVERTERS,QRCS和多谐振变换器MULTIRESONANTCONVERTERS,MRCS出现在80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。80年代末出现了零开关PWM变换器ZEROSWITCHINGPWMCONVERTERS。它可以分为零电压开关PWM变换器ZEROVOLTAGESWITCHINGPWMCONVERTERS和零电流开关PWM近年来，随着个人电子计算机笔记本电脑、通信设备、微型电器设备的发展，以及空间技术实际应用的需求，要求DC/DC变换器具有更小的体积、重量和高功率密度，这就要求DC/DC变换器工作在更高的频率上，例如几MHZ或几十MHZ。然而，在硬开关工作下，随着频率的提高，开关管的开关损耗会成正比的上升，使电路的效率大大降低，处理功率的能力大幅度下降，严重时，在开通和关断瞬间产生的电流尖峰和电压尖峰可能使开关器件的状态运行轨迹超出安全工作区，影响开关的可靠性，而且也会产生很强的电磁千扰。增加缓冲电路可以减小功率器件的开关损耗，但缓冲电路的实质是将功率器件所减少的能量转移到缓冲电路中，在强缓冲时，开关电路的总损耗反而增加。无损缓冲电路的发展减少了这一突出矛盾，但要增加较多的额外元件，增加电路的复杂性。与此同时软开关技术也发展起来。所谓“软开关”是指零电压开关ZEROVOLTAGESWITCHING,ZVS或零电流开关ZEROCURRENTSWITCHING,ZCS。它是利用谐振原理，使开关变换器的开关管的电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当电压过零时，使器件开通或电流自然过零时，使器件关断，实现开关损耗为零，从而提高开关频率，减小变压器、电感的体积。主要包括以下几个方面I串联或并联谐振技术串联或并联谐振是利用谐振原理，使电路工作于谐振状态，开关管零电压开通或零电流关断，以减小开关损耗，且降低了EMI噪声。由于有LC谐振，所以开关管的电流和电压应力较高，使得开关管的通态损耗增加由于LC谐振频率固定，只有调节开关频率，使占空比变化，从而调节输出电流或输出电压。因此，谐振变换电路的开关频率是变化的，这对输入输出滤波器的设计不利。2准谐振或多谐振技术利用正向回路和反向回路的LC值不一样，使电路振荡不对称，称为准谐振。当谐振回路元件多于两个时，称为多谐振。在高频情况下如开关频率大于5OOKHZ时，通常利用功率元件的寄生电感和电容或外加电感和电容，实现准谐振或多谐振，以达到零电压或零电流的目的。准谐振和多谐振变换器同谐振一样，也要调节开关频率来实现输出稳定。开关频率的变化，增加了控制、驱动、输出滤波器的设计难度。3ZCSPWM或ZVSPWM技术在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电路，使变换器恒频工作。在开关周期内，主功率元件按脉宽调制PULSEWIDTHMODULATION,PWM方式工作，通过控制辅助开关，使主功率元件在开关变换时，按准谐振变换器方式工作，实现ZCS或ZVS，前者称为ZCSPWM变换器，后者称为ZVSPWM变换器。这样，变换器既有零电压或零电流的软开关特点，又有PWM恒频调宽的特点，电路的效率较高。4ZCTPWM或ZVTPWM技术ZCSPWM或ZVSPWM变换器的谐振电感是串联在主电路中，使得零开关条件与电源电压和负载变化范围有关，在轻载时不易实现零开关。如果将谐振网络与主开关并联，就可改善零开关条件，这种变换器称为零电流转换ZEROCURRENTTRANSITIONPWM,ZCTPWM或零电压转换一PWM（ZEROVOLTAGETRANSITIONPWM,ZVTPWM变换器，统称为零转换变换器。它的导通损耗和开关损耗最小，能实现零开关特性而不增加主开关的电压、电流应力，适用于较高压和大功率变换器。每一种基本DCIDC变换电路，都有其适用场合，如适宜中功率的变换器有双管正激、有源钳位、移相全桥和半桥，采用得最多的是双管正激和移相全桥两种拓扑。双管正激是一种典型的硬开关PWM变换电路，其优点是线路简单，控制方便，成本较低其缺点是硬开关工作，开关损耗较大，在D小于05下工作，输出纹波较大，总体效率不高，EMI大，如果实现ZCS,ZVS等，必须外加一些元器件，控制复杂，成本攀升。移相全桥PHASESHIFTINGCONTROLFULLBRIDGE是一种典型的软开关变换电路，其优点有开关管在ZVS条件下进行，开关损耗小，控制简单，有现成的控制芯片UC3875,UC3895，恒频工作，电压、电流应力小，可以用两倍开关频率的滤波器，EMI小其缺点有轻载时，滞后臂开关管的ZVS实现困难，原边有较大的环流，增加导通损耗，输出二极管无法实现零电压开关，其开关损耗较大，频率过高，谐振电感过大会造成占空比丢失，四个开关管和四个驱动，电路比较复杂。移相全桥DC/DC变换结构己被国外的各大电源公司采用，很多改善移相全桥特性的研究正在进行之中。该变换器己广泛用于通信AC/DC一次电源，分布式军用电源系统中。不对称半桥就是综合了双管正激原边简单和移相全桥副边有利于输出的变换器拓扑，如果利用开关管的输出电容和变压器的漏感发生串联谐振，使得开关管两端电压降到零，实现ZVS，就可以大大提高工作频率和输出功率。在高频化和大容量化方面，国内外对DCIDC变换器的研究都取得了长足的进展，其发展速度是相当快的。在高频化方面，国外已研制出了开关频率几十千赫兹甚至几百千赫兹的DC/DC变换器，国内对几十千赫兹的DC/DC变换器的研究也正日趋成熟。在大容量化方面，国内DC/DC变换器单机输出功率己达到了几千至十几千伏安。DCIDC变换器中软开关技术的使用越来越普遍，逐渐取代了硬开关技术，已成为趋势。二预计需达到的要求、技术指标，预计的技术关键、技术方案和主要试验研究情况对不对称半桥变换器的要求1输入48V，输出15V，功率500W。无论是输入电压出现波动还是负载发生变化，都要达到一定的电压稳态精度，静态时一般为2。2正常工作条件下能实现软开关运行。3具有短路、过载、过电压、欠电压等保护功能。本课题的中心内容是研究不对称半桥变换器的拓扑以及控制相关技术。与普通半桥开关不同，两个互补的主开关管上加的不是对称的驱动信号，而是互补驱动信号，即一个占空比为D和一个占空比为1D的驱动信号，以实现两个驱动信号的衔接，以便实现软开关。在不对称驱动下由于电容的隔直作用，原边不会象一般全桥中不对称驱动造成直流成分比较大，但是副边由于导通时间不等会出现直流成分。此时电容上电压不再是输入直流的二分之一，而是根据占空比的变化而变化。DCINVAV1S2S1D2D1C2CB3VKL1N21N2PISD2SDFLFCROV对于不对称半桥DC/DC变换器，主开关为两个互补控制的功率MOSFET（和）,和的占空比分别为D和1D,1S212S,分别为和的体二极管，谐振电容和是和S1D21C2S的寄生电容，隔直电容作为开关管导通时的电压源，没2SBC2S有用一般半桥结构的两个电容结构是因为不对称半桥上下两个电容受压不相等，用一个可以取直流电压二分之一，带中间抽头变压器T原边匝数为，副边匝数为和，采用全波整流，1N21N用超快恢复二极管和，输出滤波电感,滤波电容和负载D2FLFCR。先假设开关器件为理想器件，不考虑死区时间，主电容当作足够大，当上桥臂开关开通时，输入电压和电容的电压1SINVB之差通过加在原边绕组上，此时二极管导通；下桥臂开1SN1D关导通时，加在原边绕组上的电压即为电容的电压，此21BC时二极管导通。由于变压器原边没有够大，不考虑其电压降，2D电容不考虑软开关过程的基本工作原理直流分量，电容上的电B压，由于在连续导通模式下工作，输出滤波电感上平3INV均电压为零，故12OINDN（，）21N1由上试可见当时，取最大值，此时的工作过程与普05OV通半桥电路相同，变压器原边绕组上的电压为。当时，12INV05D是关于D的减函数，减小占空比就能减少输出电压。OV软开关过程分析波形图如下，（为了便于分析过程，放大了过度过程时间）阶段一（）01T时间时，开关管关断，由于电容上电压不能突变，S1SC2电容上的电压为零，开关是软关断的。开关管关断后，1SC11S由于变压器原边电压仍然为正，故副边绕组上的电压为正，2N二极管导通，输出电感上的电流可以看作不变，原边的电流也1D可以看作不变，电容上电压线性上升，电容上电压线性下1SC2SC降。该阶段的方程为2APDVTI开始时，结束时，0AINVT13VT312IINPOPOTCDII阶段二（）12T在时间时，变压器原边绕组上电压为零，在时13AVT1T间后变为负值，这是副边电压反向，二极管导通。由于副边漏2D感的作用，二极管上的电流不可能马上达到滤波电感上电流值2D大小，故此时二极管同时导通，变压器副边短路，原边1电压全部加在漏感上面，电容，和漏感处在谐振状态。SC2S2APDVTCI3PKAITLV根据初始状态可得311SINAPKVTIZTCOPI3211ARSINKPVTIZ3211CORIPPPNITI分别为谐振角频率和特征阻抗KN阶段三（）23T时间时，下桥臂开关管反并联二极管开通，保AVOAVO持不变，变压器原边电流线形下降。在时间时，变压器原边3T电流过零，并由于电容电压的作用反相增大。下桥臂开关管应3在这一时间段导通才能实现软开通3PKDITLV3223KPTIV阶段四（）4T变压器原边电压不边，电流反相增大，假设变压器所有绕组匝数同，不考虑激磁电流，当原边电流增大到和输出电流相等时，二极管继续导通，二极管关断，（副边电流为两者电流之2D1D差）实际电路考虑匝比，142PONI434KPINLTIV阶段死后电容上电压给变压器原边供电，电路进入稳态，后续状态与前面相似，不作分析。预计技术关键开关管实现软开关运行的条件在时间到开关应该导通，2T3否则失去零电压条件，因此开关管的死区时间有2030ATT在阶段二，要实现下桥臂二极管导通，必须使时间时，漏1T感能量大于能实现下桥臂二极管开通所需要的能量，由于副边相当与短路不参与能量传递，这时需31PNVIZ（）1IPNDI2KNLC同里在上桥臂实现软开通时，要求3INPVIZ1INPDI通过分析可以知道当输入电压低，负载电流大有助于实现软开关条件。增加特征阻抗，即增加漏感，减小电容，有助于实现软开关条件。当时，开关管下桥臂开关管容易实现软开关，05D时，上桥臂容易实现软开关，当占空比接近05时，容易实现软开关。由于输入电压不能人为设定，电容一般是开关管的寄生电容也不能改变，为了实现软开关运行，只能靠增加电感。电感增加到一定程度时，很方便实现软开关，但是带来的问题是占空比损失，效率降低，解决的办法为1原边加饱和电感饱和电感是指能工作在饱和状态的电感。当电流大时电感饱和，表现为一个很小的电感当电流小时电感脱离饱和，又表现为一个很大的电感，阻止电流变化。利用饱和电感的这种特性，可以用来改善变换器的性能，在上桥臂开关管开通时，饱和电抗通过正向电流并处在饱和状态，在上开关管关断且电压小于电AV压时，电流降到很小时，饱和电感退出饱和，相当于一个普通3V电感的作用使得电流继续原方向以保证下开关管实现软开关，这种电路拓扑具有软开关范围宽、占空比损失小、减小了主回路中的通态损耗等优点，但这种电路也存在如下几个缺点饱和电感的设计和磁性材料的选择是比较困难的，饱和电感因为磁心工作在饱和到不饱和的交替中，高频工作时损耗很大，必须选择初始磁导率高、矫顽力小、磁化曲线窗口小且_接近矩形的磁性材料。如果材料不合适，会引起饱和电感严重发热，限制了效率和输出功率的提高。副边占空比丢失。一般来说，当输入电压波动较大时，饱和电感必须由最高输入电压来决定，那么，在低输入电压时，副边的占空比损失较多，输入电压越低，占空比损失越多。1D21N2NFLFCROVCCQCD2副边加辅助开关由于在原边直接增加了比较大的电感，阶段二中比较容易使下桥臂开关管实现软开通，此时为了减小占空比损失，就应阻止电流继续流动，使的电流反向，使的电路正常输出。如上图，只需要在下桥臂开关管软开通的同时开通副边开关，由于电容上电压的作用和上电流很快归零，同时由C1D2于副边电流为零，原边电流也很快到零，此时关断开关，CQ即可正常输出电压。上桥臂软开通后是同样的过程。此电路的优点是能够在大范围内实现软开关，占空比损失小，但是此电路加入了有源器件，控制变的复杂，成本增加，辅助开关管在硬开关状态下运行，其损耗不可忽略。综合考虑，选用副边加辅助开关管的办法。直流偏磁原边由于有隔直电容的作用不会产生直流偏磁的问题，但是副边由于是不上下桥臂不对称导通，可以产生直流分量，消除影响，必须合理设计铁心的气隙。三课题研究进展计划20059200512查阅文献资料2006120063计算机仿真20064200610实验、调试200611200612完成论文、答辩参考文献1陈坚，电力电子学（第3版），高等教育出版社，2002年，北京2张占松蔡宣三，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，2002年，北京3阮新波严仰光，直流开关电源的软开关技术，科学出版社，2000年，北京4杨建宁谢少军，不对称半桥变换器开通条件的分析，电力电子技术，2005年6月5HOSOTANI,T,HARADA,K,ISHIHARA,Y,TODAKA,ANOVELZVSMULTIRESONANTCONVERTERWITHRECTIFIERSDEADTIMECONTROLOPERATEDIN20MHZRANGE,TELECOMMUNICATIONSENERGYCONFERENCE,1994,INTELEC94,16THINTERNATIONAL,30OCT3NOV1994,PP115一1226WEIDONG,DENGMINGPENG,HUIJIEYU,LEE,FC,LAI,J,ASIMPLIFIEDCONTROLSCHEMEFORZEROVOLTAGETRANSITIONZVTINVERTERUSINGCOUPLEDINDUCTORS,POWERELECTRONICSSPECIALISTSCONFERENCE,2000,PESC00,2000IEEE