组合式自激零电压开关电源

1、一开关电源变换一拶，一组合式自激零电压开关电源张纯江顾和荣燕山大学秦皇岛（）高曼秦皇岛市电信局秦皇岛（）摘要本文提出一种自激式零电压变换器，分析了工作原理。该变换器不同于依靠变压器磁化曲线进行状态转换的传统方式，工作频率由外部器件控制，通过设置死区目实现开关功率器件的零电压开通与关断。利用该变换器研制出组合式多路输出电源。叙词睡三密变换器开苯嬉源零电压开关粤和？：（）（）：，：引言目前，开关电源得到了广泛应用，但传统开关电源中功率器（）件处于硬开关状态使输出端产生严重的高频干扰和电磁干扰，（）图不同变换器的开关波形（）（）电压开关（）自激式变换器通过加入死区时间实现控制，通过设置频率网络实现频

2、率控制。由于变压器不工作在饱和状态，故可显著地减少损耗和电磁干扰，提高由于器件是在高电压大电流下开通与关断，因而形成重叠区，引工作额率和效率。软开关技术可以降低开关损耗、电磁干扰以及器件承受的电源结构及工作原理图为组合式多路电源电路原理图。自擞变换器采用芈桥形式，后级由三端集成稳压块构成稳压环节共有三路严重影响了它在通讯等设备中的应用。随着开关频率的提高，功率器件承受的开关应力以及开关损耗进一步增，：，从而限制了开关频率和效率的提高。传统自激功率变换器的工作状态完全依赖于变压器的曲线，且是在曲线饱和段发生状态转换在转换时刻即将关断的开关器件通过很大的电流，它与寄生电感、变压器漏感等引起高频振荡

3、和电压过冲；开通时，已充电的寄生电容被开关器件短路，形成开通浪涌电流如图（）所示。起很大的开关损耗和电磁干扰，高频时尤为突出。开关应力如图（）所示同时可以使开关频率得到进一步提高脚。本文所设计组合式多路输出开关电源采用所提出的零中国国际电源新技术研讨会论文集输出总输出功率为。图中虚框内为自激（变换器其中、为功率开关器件，与（、，。组成谐振回路（上，中包括漏感，。、中包括、矿的输出寄生电容），¨凡和、，控制主开关器件丁、”的死区时间，和；、。形成频率控制阿络，。，、组成启动电路。自激上（一变换器中各点波形如图所讲，一、为、栅源电压虮为了、源极电流伊为变压器初级电流。自激变换器工作过程如

4、：假设已导通，变压器？的原边绕组感应出端为正、端为负的电压经耦合后绕组上端为正下端为负，绕组端为正上端为负，从而维持关断了导通。目。经对充电，己，鲥以指数规律下降，当，：小于栅极开启电压时，关断（图中时刻）舢反向变为负正，经耦台后电压极性变为上下负为上负下正从而保证关断。但此刻了不能导通，因为通过电容绐三极管（）（），（），罔（。极驱动用电源原理图的基极加一微分信号，使导通，从而形成了。的死区时间，为，、，谐振提供了条件，确保、了零电压开通和关断。同理可知下半周工作过程。由上可知，该变换器的工作频率由外部电路参数，。、。如决定。在。，期间，脚随着“的充电以舢。规律下降当小于门极开启电压时了关断

5、。因此，改变。或。（相应地调节忌或，）即可调节变换器的工作频率。只要外电路确定的频率大于所设计变压器曲线自然转换工作频率变压器即仁作于非饱和状态从而解决了普通自激功率变换器损耗大的问题。另外，通过外电路产生的死区时间为零电压开关提供了条件。变换器零电压开关过程分为以儿个阶段：疆。阶段：当，时。：夫于开启电压导通，电流，、逐渐增大电源向负载供电，；阶段：此阶段为死区期间、的栅极电压都低寸：开启电压不导通，¨“，：形成谐振。在。时刻。，。一，；。（电源电压）。此阶段（经，占一旷一且放电至。时刻，州同时，经，一；一从零逐渐充电至屯时刻州一。，？零电压关断图零电畦开关自激变换器作波形。；阶段

6、：，仍为正，正偏导通，初级电流，在的作用？绛，一一一向电源反馈能量在；时刻）。尽管此阶段川大于升寤电，佴由于导通丁的漏源电压被箝他到零而不能导坷。“：阶段：；时刻电流，过零，始导通，一反向，由于阶段（）的作用了、为零电压开通。阶段：与阶段（）类似、（，形成谐振，（从零充电到电源电压幻，而：从一放电到零为零电压关断。山以上分析可知丁和均为零电压开通与关断，所承受的最大电压应力仪为直流电压，（虬图）因此，开关损耗大大减小，尤其在较高频率时更为显著，衙且由于川、均为缓慢上升与缓慢下降，故电磁干扰也明显嫂薛。此外，变压器漏感和开关器件的漏源结电容均被吸收到谐振槽路中其能量以无功功率的形式反馈给直流侧，

7、做到了无损吸收。电源设计与实验根据上述工作原理研制了一台组台式多路输出电源，其机关参数如下：输入电压，输出为路一，输出功率，工作频率一），死区时矧。电源殳计的关键是变换器叶一变姬器的设计。变珏器的设汁频率必须低于实际工作频率（）取设计频率，考虑到教率设输入功率】，按式汁算磁芯截面积。和窗口面积，的乘积“：式中，为最大磁通密度，取为，沩电流密度，取，：一器乃圆毫英寸安，为填充系数取，蛏箅得：。，一开美电源变换所以选，一铁氧体磁芯。初绒绕组匝数院式计算：矿弼：）取。图（日）利旧（）分别为。芒戴和满载时各点波形。带载时，由于绕组、的感应电压诺低，所姒死区时间有所减小。山图可知无论空载还是满载，主功率

8、营均以零电压开通和关断变压器发热明显降低电磁干扰减小（）羁（）空载时渡形（纵轴瓣州渡恪形理惜格；横轱：格）（）满载时波形（纵轴格；、：格；：恪；横轴：格）结语提出的自激半桥零电压开关变换器，改变俦绕自激变换器完全依赖于曲线进行状态转换的工作方式通过刮置频率控制网络，使变压器不工作在饱和区，从而降低损耗。在换相期间加入死区时间，使功率器件亡作在零电压开是状态，进一步提高了效率，减小了电磁干扰。寄生电容和佩感均被吸收到谐振回路内，功率器件承受的最大电压应力为电源电压。所、设计的电源具有多路输出，体积小、重量轻特点，纹波电压小于。参考文献杜中卫开关电源输出纹波抑制措施的研究电力电子技术。（）：毕强正

9、激式零电压软开关及电源电力电子技术。（）：“÷。叶慧贞开关稳压电源北京；国防工业出版社§作者简介张纯江，男年月出生副教授。暮年毕业于末北重型机械学院，年于熙山大学获硕士学位。主要从事高频功丰变换和软开关技术以厦大功率电力电子器件应甩挂睐。组合式自激零电压开关电源作者：作者单位：张纯江， 顾和荣大学为了确切地描述DC/DC变换器的系统特性,指导变换器的控制策略设计,文中利用状态转移矩阵,建立了基于电感电流连续和不连续两种运行模式的Boost变换器统一离散模型.给出了根据系统当前状态及控制策略,计算每个开关周期中功率开关关断后电感电流持续时间的方法,给出了变换器运行模式的判断条

10、件,确定了模型的系数矩阵.与实验结果进行比较,验证了统一离散模型的有效性.2.学位论文 秦岭 新型ZCS-PWM开关单元研究 2007本文对一种新型的ZCS-PWM开关单元进行了深入研究。与传统的ZCS-PWM开关单元电路相比，该新型ZCS-PWM开关单元不仅能在规定的电压范围和整个负载范围内实现所有开关管的零电流开关和所有二极管的零电压开关，而且主开关管的电流应力较低。本文详细分析了基于该新型ZCS-PWM开关单元的Buck变换器的工作原理和特性，给出了设计和控制方法，仿真和实验研究表明该新型ZCS-PWM开关单元具有优良的性能。基于对上述新型ZCS-PWM开关单元的研究，提出了一种改进型的

11、ZCS-PWM开关单元。与原ZCS-PWM开关单元相比，改进型的ZCS-PWM开关单元减少了一个谐振电感和一个串联二极管，增加了一个箝位二极管。改进型的ZCS-PWM开关单元不仅有效地解决了原ZCS-PWM开关单元所存在的辅助开关管电流峰值较大且承受反压以及开关管的电压尖峰较大等缺陷，而且保留了原ZCS-PWM开关单元的所有优点。本文详细分析了基于改进型的ZCS-PWM开关单元的Buck变换器的工作原理，仿真和实验研究表明该ZCS-PWM开关单元具有更优良的性能。最后得到了一族基于该ZCS-PWM开关单元的非隔离变换器。最后本文提出了一种新颖的Boost型单相PFC变换器。它不仅能有效地实现网

12、侧功率因数校正，而且由于它采用了改进型ZCS-PWM开关单元，从而能在整个工频周期和整个负载范围内实现所有开关管的零电流开关以及所有二极管的零电压开关，通过箝位二极管消除了由二极管反向恢复引起的所有开关管的电压尖峰，并且主开关管和辅助开关管的电流应力很小。文中详细分析了该变换器的工作原理和系统特性，给出了设计方法和控制电路，最后通过一台功率为1kW，开关频率为50kHz的原理样机进行了仿真和实验验证。从开关电感三端网络旋转得到基本DC-DC变换器出发,提出了双频开关电感三端网络,通过双频开关电感三端网络的旋转得到了基本双频DC-DC变换器拓扑结构,提出了一类基本双频DC-DC变换器拓扑结构。该

13、双频DC-DC变换器中包含高频开关单元和低频开关单元,其中低频开关单元主要承担处理功率的功能,高频开关单元主要用于提高系统性能。低频开关单元可以为高频开关分流,使高频部分可以工作在很高的频率用于提高动态响应速度。并以双频Buck变换器为例,对其稳态和动态特性进行了分析,提出了改进措施来提高动态响应速度。理论分析和实验结果均验证了双频Buck变换器的输出性能与单个高频Buck变换器一致.提出了一种新型的开关DC/DC变换器控制方法-多级脉冲调节(MPA)控制方法.MPA控制器在每个开关周期起始时刻根据变换器的输出电压误差,在强弱等级不同的多级脉冲中选取一个作为该周期的有效控制信号.文中分析和讨论

14、了MPA控制原理,研究了工作于电流断续模式的MPA控制Buck变换器的工作过程和小信号模型.分析结果表明,MPA控制具有优异的鲁棒性、瞬态特性和稳态特性.仿真和实验结果验证了理论分析的正确性.5.学位论文 马运东 直流变换器的三电平拓扑及其控制 20036.会议论文 陈权.郑常宝 用于计算变换器开关损耗的开关模型构建 2007在优化变换器系统性能时必须建立变换器开关损耗模型.文章通过一些开关过程的特征参数来表征器件的开关波形,并根据开关波形产生的内在机理分别拟合逼近变换器中快恢复二极管和IGBT的真实开关波形,此波形可以用来计算开关过程的损耗.通过实验和仿真验证了所建立的器件开关模型的正确性和

15、有效性。本文以Buck开关变换器为例,在高频条件下对其软硬开关电路进行了比较分析,寻求在高电路效率情况下,减小无源元件尺寸的最优设计方法.对硬开关变换器和软开关准谐振变换器零电流开关准谐振变换器(ZCS-QRCs)、零电压开关准谐振变换器(ZVS-QRCs)进行了分析比较,考察了不同频率下软硬开关的优缺点,发现当开关频率高于50MHz后,可以用软开关技术来提高电路效率,减小电路元件尺寸,从而便于高效单片集成开关DC-DC变换器的实现.8.学位论文 唐栋材 组合式多电平AC-AC变换器研究 2009通过分析Buck、Boost和Buck-Boost三个基本变换器，定义了直流开关单元。将直流开关单

16、元进行组合，得到交流多电平开关单元，并将这种多电平交流开关单元运用到基本变换器中，得到基本多电平AC-AC变换器，然后将基本多电平AC-AC变换器进行组合，提出了一族组合式多电平AC-AC变换器，(包括Buck TL(三电平three level的缩写)-Boost组合式三电平AC-AC变换器；Buck-Boost TL组合式三电平AC-AC变换器；Buck TL-Boost TL组合式三电平AC-AC变换器)，研究了Buck TL-Boost组合式三电平AC-AC变换器的工作原理和控制方案，实现了分压电容的均压策略，并通过PSPICE软件仿真，验证了组合式多电平AC-AC变换器拓扑方法的可行

17、性和工作原理的正确性。并把这类组合式多电平AC-AC变换器改进成输入输出共地的组合式多电平AC-AC变换器(包括改进的Buck TL-Boost组合式三电平AC-AC变换器；改进的Buck-Boost TL组合式三电平AC-AC变换器；改进的Buck TL-Boost TL组合式三电平AC-AC变换器)。以改进的Buck TL-Boost组合式三电平AC-AC变换器为例，重点研究了该类变换器的四种工作模态和控制策略，提出了输出电压和浮动电容电压联合控制方案。在多电平AC-AC变换器中，实现了浮动电容电压的控制，分析了开关管电压应力，设计了主要元件参数等，通过软件仿真实验，对改进的Buck TL

18、-Boost组合式三电平AC-AC变换器进行原理验证，最后制作原理实验样机，通过实验验证样机工作原理和控制方案的正确性。给出主要的实验结果，对样机网侧功率因数、总谐波失真和效率进行测试分析。从开关电感三端网络旋转得到基本DC-DC变换器出发,提出了双频开关电感三端网络和一类基本双频DC-DC变换器拓扑结构.该双频DC-DC变换器中包含高频开关单元和低频开关单元,其中低频单元主要承担处理功率的功能,高频单元主要用于提高系统性能.低频单元为高频开关分流,使高频部分可工作在很高的频率用于提高动态响应速度.并以双频Buck变换器为例,对其稳态和动态特性进行了分析,提出了改进措施来提高动态响应速度.理论

19、分析和实验结果均验证了双频Buck变换器的输出性能与单个高频Buck变换器一致.10.学位论文 张杰 基于双向开关型的电力电子变换器研究 2008电力电子装置在工业和生活中得到越来越广泛的应用，随之给人们也带来了一系列的新问题：无功和谐波问题日益严重，变换器效率仍然较低，电磁干扰依然严重，环境继续恶化等。在提倡节能降耗的背景下，电力电子双向开关在AC/AC和AC/DC单级变换器中的应用成为了近年来的研究热点之一。这种单级变换器具有高功率因数、能量可双向流动、变换效率高、节能效果明显、控制简单、性能优良以及对电网污染小等优点，具有广泛的应用前景。本文紧紧围绕着电力电子双向开关在单级变换器中的应用

20、及其控制系统展开研究，主要对交流直接变换器和三相Buck 型高频隔离双向开关整流器的拓扑结构、数学模型、主电路设计、控制策略及系统性能改善等方面进行研究。本文的主要工作和取得的研究成果如下：（1）将电力电子双向开关应用于传统的直流基本变换电路拓扑族，并以电力电子双向开关的多种电路形式为基础，将单管电力电子双向开关和双管电力电子双向开关结合进行电路拓扑改进，提出交流基本变换电路拓扑族。根据上述拓扑族的电路结构的差异，将现有的交流基本变换电路拓扑族分为电压源型交流基本变换电路拓扑族和电流源型交流基本变换电路拓扑族（2）以上述的交流基本变换电路拓扑族为基础，对矩阵变换器的基于电压或电流方向的四步换流

21、法进行分析，通过检测输入电压的极性方向预测续流电流的极性方向，提出基于电流预测方向和互补PWM 合成的两步换流法。当实际续流电流的极性方向与电流预测的极性方向相同时，主控开关管和续流开关管将实现非互补的续流PWM控制，当实际续流电流的极性方向与电流预测的极性方向不同时，主控开关管和续流开关管将实现互补PWM 控制。仿真分析验证了该电路拓扑和上述PWM 换流方案的可行性。（3）以Buck 型交流斩波的正弦波调光模块为基础，为了减小交流双向开关的二极管反向恢复电流，对交流双向开关在电路中的应用进行了缓冲设计，减小了换流过渡过程中di/dt和dv/dt 冲击问题。在双向开关器件之间提供低阻分流之路限制器件的浪涌电压，有效的保障了电路的工作安全，降低了开关损耗，提高系统效率。为了改善系统在轻载或空载情况下的振荡问题，对输出滤波器进行改进，在系统状态空间模型的基础上实现占空比前馈的双闭环控制，在实现稳态精度的前提下改善了系统的动态性能。对系统的磁性元