（电力电子与电力传动专业论文）基于psm技术的高压开关电源研究.pdf

t h e s t u d y o f h i g h - v o l t a g es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y b a s e do np s m t e c h n o l o g y a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ya n dp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h e f i e l do fh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l y t h eh i g h - v o l t a g es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ( h v s p s ) w i t hp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yh a sh i g h e rf r e q u e n c y ，s m a l l e rw e i g h t a n dv o l u m e ，h i g h e re f f i c i e n c y i ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so f h i g hc o n t r o la c c u r a c y ， h i g hs t a b i l i z a t i o n ，l o wr i p p l ea n ds oo n i ti st h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do ft h e h i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l y t h ep u l s es t e pm o d u l a t i o n ( p s m ) t e c h n o l o g yi st h ec o m b i n a t i o no ft h ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) a n dt h es t e pm o d u l a t i o n ( s m ) a n di ti sa ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yw h i c hi su s e di nh i g h - v o l t a g e ，h i g h - p o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s y s t e m s t h eh v s p sb a s e do np s mt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l e t o p o l o g y ，h i g ho u t p u tv o l t a g ea n dp o w e r ，c o n t i n u o u sa d j u s t m e n to f o u t p u tv o l t a g e ， 1 1 i g hs t a b i l i z a t i o n ，h i g he f f i c i e n c ya n ds oo u n o w a d a y s ，t h ep s mt e c h n o l o g yi su s e d m a i n l yi nh i 曲一v o l t a g ed cp o w e rs u p p l y a n di t so u t p u tv o l t a g ei sf r o mt e n so f k i l o v o l t st oh u n d r e d so fk i l o v o l t s ，o u t p u tp o w e ri sf r o mh u n d r e d so fk i l o w a t t st o t h o u s a n d so fk i l o w a t t s t h eh v s p sb a s e do np s mt e c h n o l o g yb a s i t a l l yc o n s i s t so fan u m b e ri ns e r i e s c o n n e c t e ds w i t c h i n gm o d u l e s 1 1 1 ec i r c u i tt o p o l o g ya n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea r e i n t r o d u c e da n da n a l y z e di nd e t a i li nt h ep a p e r i t so u t p u tv o l t a g ei st h ec o m b i n a t i o n o f s mv o l t a g ea n dp w mv o l t a g e i th a ss m a l l e ro u t p u tf i l t e ri n d u c t a n c ei nt h es a m e c o n d i t i o n a n di ti si m p o r t a n tf o rt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h e c o n t r o ls 订a t e g yo ft h es y s t e mi ss t u d i e db a s e do nh 附l a b s d u l i n k t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi sa n a l y z e di nd i f f e r e n tc o n t r o l l e r s a tl a s t ，t h e p r i n c i p l eo f t h ep s mt e c h n o l o g yi sv e r i f i e do na ne x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e k e y w o r d s ：p u l s es t e pm o d u l a t i o n ( p s m ) ；s t e pm o d u l a t i o n ( s m ) ： p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ：h i g h - v o l t a g es w i t c h i n gp o w e r s u p p l y 插图清单 图1 1 传统高压直流电源组成框图2 图1 2 半波整流模式2 图1 - 3 全波整流模式2 图】一4 桥式整流模式3 图1 5 六倍压整流模式3 图1 6 电力电子技术产生直流高压原理框图3 图1 7 高压、大功率半导体器件发展变迁图5 图1 8 高频高压变压器等效电路简化模型6 图2 一l 全桥串联谐振变换器( s r c ) 主电路拓扑l o 图2 - 2 半桥串联谐振变换器主电路拓扑1 1 图2 3l c c 串并联混合谐振电路主电路拓扑】2 图2 - 4b u c k 电路与半桥l c c 串并联混合谐振电路结合电路拓扑1 2 图2 5 桥式级联直流变换器电路拓扑1 3 图2 - 6 高难变压器高压铡绕组接线方式1 4 图2 7 半桥三电平l c c 混合谐振电路拓扑1 4 图2 - 8 单相级联型五电平变换器主电路1 6 图2 - 91 2 0 k v 7 0 a 的t o k a r n a k - n b i 高压开关电源1 7 图2 1 0e c r h 高压电源电路拓扑之一1 7 图2 1 le c r h 高压电源电路拓扑之二1 8 图2 1 2 基于p s m 技术的高压开关电源主电路拓扑1 8 图3 1 开关模块单元2 0 图3 2 基予s m p s m 技术的高压开关电源主电路拓扑2 l 图3 3 基于s m 技术开关电源的输出电压波形图2 l 图3 - 4 基于p s m 技术的开关电源输出电压波形2 2 图3 5 ( a ) p w m 交换器输出电压波形( b ) p s m 变换器输出电压波形2 3 图3 - 6 反馈调节控制原理框图2 5 图3 7 系统控制方法仿真模型2 5 图3 _ 8 带惯性比例积分调节器系统阶跃信号输入下的输出波形2 6 图3 - 9 带惯性比例积分调节器系统斜坡信号输入下的输出波形，2 7 图3 1 0 阶跃信号输入下系统输出电流波形比较图2 7 图3 1 l 标准比例积分调节器系统阶跃信号输入下的输出波形2 8 图3 1 2 标准比例积分调节器系统斜坡信号输入下的输出波形2 8 图3 1 3 标准p i 调节器系统阶跃信号输入下电感电流波形比较图2 9 图4 一l 实验电路图3 2 图4 2t l p 2 5 0 的内部结构和功能引脚圈3 8 图4 - 3i g b t 驱动电路 图4 - 4p i c l 6 f 8 7 3 a 内部结构简化图 图4 5 高频晶振接线方式一 图4 - 6p i c l 6 f 8 7 3 a 的复位电路 图4 7r c 端口外围电路接线圈 图4 8 软启动控制流程图 图4 9 电压隔离反馈电路 图4 1 0 过流保护电路 图5 1 启动时的输出电压和电流波形。 图5 2 稳态时的输出电压和电流波形， 弛柏钙们“钙拍铝铝 表格清单 表1 - 1 高压、大功率半导体器件电压、电流额定值水平4 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1 作及取得的研 究成果。据我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些盍堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材抖。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。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒毽王些太兰有关保留、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，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名 扬锰耨 签字日期：土“年月3 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 年乙月1 日 电话： 邮编： 致谢 本文是在我的导师杜少武副教授的精心指导下完成的。在本人攻读硕士学 位二年多的时问里，自始至终得到了杜老师的悉心指导和无微不至的关怀照顾， 无论从课程学习、查阅资料，还是论文选题和最终的论文成稿，都倾注了杜老 师大量的劳动和心血。 学术上，杜老师渊博的知识，严谨的治学态度求实的科学精神和精益求 精的工作作风值得我认真学习；生活中，杜老师开阔的胸怀，豁达的人生态度， 平易近人、诲人不倦的良师风范向我展示了他独特的人格魅力。尤其在课题研 究中，杜老师不时的在科研方面给我导向，他独到的见解，开阔、敏捷的思维， 使我深受启发，并在理论和动手实践等方面都取得了长足的进步，使我受益匪 浅。在此，我谨向杜老师表示我最诚挚的敬意，并表示衷心的感谢! 在学习、科研中，我还得到了葛锁良副教授的悉心指导和言传身教，同对 得到了我的师兄杜凤付，同学蒋劲松、方如举、邹希、邵玉泽、张家友、徐剑 飞以及师弟师妹们等的大力帮助。在此，向那些在硕士研究生阶段曾经帮助过 我的老师和同学们表示衷心的感谢。 同时，我要感谢我的父母，他们对我的关心和鼓励是对我最大的支持，我 的任何成绩都应该归功于他们的教育和支持。 此外，感谢我的女友一直以来在学习和生活上对我的关心、照顾和支持。 最后，在此向各位在百忙之中评阅论文并参加论文答辩的专家和老师们表 示衷心的感谢! 作者：杨钰辉 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 电力电予技术是使用电力半导体器件及电子技术对电能进行变换和控制的 技术。经过近4 0 多年的发展，已经成为相对独立的学科门类。本领域的权威教 授b k b o s e 认为：“电力电子技术在世界范围的工业文明发展中所起的关键作 用可能仅次于计算机”，同时，各国专家学者也将电力电子学的发展视为人类 社会的第二次电子革命。 近年来，随着新型电力电子器件、新型电路拓扑和新型控制技术的发展， 开关电源技术也获得了突飞猛进的发展，并进一步朝着小型化、高频化、高效 率、高可靠性、低e m i 、低噪声、模块化、智能化、数字化等方向发展。同时， 开关电源的应用，提高了电能利用率，通过软开关技术可以有效的减少电磁污 染( e m i ) 和环境污染( 噪声等) ，其早以深入到工业生产和社会生活的各方面， 成为不可或缺的关键技术。 随着科学技术的进步和现代化社会生产的发展，各种大型用电设各，如高 功率广播发射机、大型通讯基站、高能物理研究、雷达电源等，对高电压、大 功率、高可靠性的开关电源提出了迫切的要求。因此，目前国内外有很多的科 研人员致力于高压开关电源的研究，也取得了大量的科研成果。 1 1 国内外高压开关电源的发展概况。“州“” 2 0 世纪7 0 年代，日本的一些公司开始采用电力电子技术，将市电整流以后 逆变为3 k h z 左右的中频，然后升压。进入8 0 年代，高压开关电源技术迅速发 展。德国西门予公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到 2 0 k h z 以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变 压器油箱，使变换器系统的体积进一步减小。脉冲阶梯调制技术开始应用在高 功率广播发射机电源和高能物理设备电源中，其电压等级达到了几十千伏。9 0 年代以来，随着电力电子技术的发展，以及功率半导体器件电压等级的飞速提 高，高压开关电源技术也取得了快速的发展。p h i l i p s 公司生产的3 0 k w 以下 移动式x 光机的x 线发生装置频率达3 0 k h z 以上，德国的霍夫曼公司高压发 生器频率达4 0 k h z 以上。9 8 年以后通用电气公司和瓦里安公司先后都研究成功 1 0 0 k h z 的x 线机发生器。1 0 3 0 k w 的大功率高压开关电源在产品上已经比 较成熟，同时，近些年来，上百千瓦的高压开关电源也得到了一定程度的发展， 如俄罗斯原子能电站中某空间目标测量雷达发射机的1 4 0 k w 高压开关电源 ( 4 0 k v ，3 5 a ) ，美国e e v 公司的用于脉冲功率技术中的3 0 0 k w 大功率恒流 充电电源，等等。 我国从8 0 年代开始对大功率高压开关电源技术进行研究，列入了国家重点 攻关项目，并取得了一定的成绩。如9 0 年代中科院流体物理研究所为1 m j 电 容器储能系统研制成功的输出电压2 5 k v ，输出电流2 a 的恒流充电电源；西北 核技术研究所研制成功的5 0 k v 4 a 高压恒流充电电源；国家“八五”攻关项目， 中科院等离子体物理研究所研制成功2 0 0 k v 高压直流开关电源，输出功率 2 0 k w a 目前。国内研制的静电除尘高压直流电源，在电阻负载条件下，输出直 流电压达到5 5 k v ，电流达到1 5 m a ，工作频率为2 5 6 k h z 。虽然我国的高压开 关电源的研究取得了一定的进步和成绩，但同国外同行比起来，仍然有不小的 差距，需要做出更多的努力。 从以上高压开关电源的发展历程看，其主要的发展趋势是： ( 1 ) 电源的电压等级不断提高。电压等级从最初的几千伏到几十千伏，再发 展到当前几百千伏，基本满足了科研和经济发展的需要； ( 2 ) 电源主开关管的工作频率不断提高，主开关管的频率由几k h z 达到了 数十上百 z ，减小了电源的体积和重量； ( 3 ) 电源的功率不断增加。几十k w 的高压电源技术比较成熟，目前1 0 0 k w 以上的大功率开关电源技术仍有待近一步发展。 1 2 高压直流电源技术发展概况“”脚1 高压直流电源广泛的应用领域，促使人们不断的改进和提高相关技术来满 足各个领域的需求。 传统的高压直流电源通常是通过将工频交流电源升压、整流、滤波而得。 其组成框图如图卜1 所示。 图卜1 传统高压直流电源组成框图 图中k 为输入交流电压，屹为输出直流高压。升压部分由升压变压器构成， 由于是工频变压器，因此体积、重量较大，效率较低。整流电路中的接线方式 很多有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流等。其接线方式分别如图 卜2 ，3 ，4 ，5 所示，滤波电路可以采用电容滤波等方式。 其中半波整流方式接线简单，但利用率低( 只有半个周期) 。全波整流比半 波整流效率高，功率大，但变压器需要中心抽头，增加了匝数。半波和全波整 流所用的设备和元件体积重量都较大，在实际中桥式整流电路应用的较多一些。 蔓驾r 习酽 图卜2 半波整流模式 图卜3 全波整流模式 2 淘隧。童l 鎏 圈卜4 桥式整流模式图卜5 六倍压整流模式 在高电压、小电流的应用场合中，般应用倍压整流电路。其电路由二极管和 电容组成，利用二极管的整流和导引作用，将较低的直流电压分别存储在多个 电容器上，然后将它们按照相同的极性串联起来，因电容的充放电，从而得到 较高的输出直流电压。图卜5 所示为六倍压整流电路。同理推得，将更多的电 容串联起来，并且增加相应的二极管，就可以组成多倍压整流电路。 随着电力电子技术的发展，各种新材料、新器件不断产生，各种新理论和 新技术不断的提出和完善，电力电子技术开始广泛的应用于高压直流电源中。 利用电力电子技术产生比工频高几百倍频率的方波或者正弦波，可以大大减小 高压直流电源的重量和体积，提高电源的效率，这是高压直流电源的重要的发 展趋势。 ，i 电网滤i i 整流滤il 高压开关ii 升压滤l 蚓波器九1 鼢广1 功率变换蝴广| 波蝴n 靠直流 f一一l 输出 1 1 辅助|1 脉宽控制ll 取样l 1 电源ii 及保护电路l 电路l 图卜6 电力电子技术产生直流高压原理框图 应用电力电子技术产生直流高压的方框图如图1 - 6 所示。交流电源经电网 滤波器、整流滤波器整流、滤波以后，变为低压直流，高压开关功率变换电路 由脉宽控制及保护电路实现开关管占空比的控制及保护，获得的高频方波电压， 经升压后，滤波，输出直流高压。取样电路将输出的直流高压信号取样反馈到 脉宽控制及保护电路，只要对脉宽控制电路进行适当的调整，就可以调节输出 直流高压的大小。辅助电源是提供给脉宽控制电路的低压直流电源。 在应用电力电子技术的高压直流电源中，其主功率开关管可以工作在硬开 关和软开关两种模式下。硬开关模式中，电路结构现对简单，磁性元件相对较 少，但在开通和关断瞬间产生的电压和电流尖峰可能使开关器件的状态运行轨 迹超出安全工作区，影响开关的可靠运行，同时，过高的d v d t ，d i d t 将产生 严重的电磁干扰( e m i ) ，使高压电源本身成为强大的电磁干扰源，并且开关损 耗将随开关频率成正比上升，降低了电源的效率。为了克服硬开关状态下的诸 多问题，8 0 年代以来软开关技术得到了深入广泛的研究，并开始应用于高压电 源。软开关模式中，通过电感上和电容c 的谐振，使开关管在零电压或零电流 条件下导通和关断，提高了开关频率，减小了开关损耗，降低了开关噪声，提 高了电源效率，减小了电源的体积和重量，但同时使得电路中的磁性元件增加， 电路结构和工作过程相对复杂。 采用电力电子技术的高压直流电源，具有效率高、体积小、控制精度高、 稳定度高、纹波低等优点，得到了广泛的应用。 1 3 高压开关电源功率器件o ”“” 新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头，在高压开关电源领域 也不例外。 随着半导体制造工艺的进步和对电力电子设备容量增大的需求，对功率半 导体器件的耐压和功率要求也越来越高，由此产生了耐高压、大功率的功率半 导体器件。这些功率半导体器件包括：二极管、晶闸管( s c r ) 、门极可关断晶 闸管( g t o ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、门极换流晶闸管( g c t ) 和集成门极换 流晶闸管( i g c t ) 等等。大功率晶闸管( s c r ) 在过去相当一段时间里，几乎是能 够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。针对s c r 的不足，人们研制开发出 了门极关断晶闸管( g t o ) ，但g t o 的关断控制比较复杂，较易失败，同时它的 工作频率也不够高。绝缘栅双极晶体管i g b t 是m o s f e t 和g t r 结合的产物。 驱动控制相对简单容易，能够工作在比较高的频率，但相对于s c r 和g t o ，其 电压等级相对较低。门极换流晶闸管g c t 是基于g t o 结构的一种新型电力半 导体器件。它不仅与g t o 有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与i g b t 相同的开关性能，兼有g t o 和i g b t 之所长。集成门极换流晶闸管i g c t 是将 门极驱动电路与门极换流晶闸管g c t 集成于一个整体形成的器件。i g c t 和 g t o 相比，关断时间降低了3 0 ，功耗降低了4 0 ，触发功率小，开关过程 一致性好，可以方便的实现串、并联，进而提高电源系统的电压等级，扩大电 源系统的功率范围，可望取代g t o 。各高压、大功率半导体器件当前电压、电 流所达到额定值水平如表卜1 所示。 表1 - 1 高压、大功率半导体器件电压、电流额定值水平 功率器件种类电压电流 二极管 5 0 0 0 v4 0 0 0 a 晶闸管 1 2 0 0 0 v1 5 0 0 a g t o6 0 0 0 v6 0 0 0 a i g b t3 3 0 0 v1 2 0 0 a g c t4 5 0 0 v 4 0 0 0 a i g c t4 5 0 0 v 4 0 0 0 a 图1 - 7 所示为高压、大功率半导体器件发展变迁图。从2 0 世纪6 0 年代开 发初期的1 英寸硅片，发展到至今直径为6 英寸的硅片，高压、大功率半导体 4 l 钧1 jl y n ，l 剐2 卅o 年代 图卜7 高压、大功率半导体器件发展变迁图 器件的容量和当初相比，提高了1 0 0 多倍，而且在使用上减少了串并联元件的 数量，提高了可靠性，减小了电源的体积。图中实线为晶闸管的变迁曲线，点1 至6 的晶闸管容量分别为1 2 k v ，0 2 5 k a ；2 5 k v ，1 k a ；4 k v ，1 k a ；4 k v ， 1 5 k a ；1 2 k v ，1 k a ：1 2 k v ，1 5 k a 。虚线为g t o 的变迁曲线，点7 至9 的 g t o 容量分别为4 5 k v ，2 k a ；4 5 k v ，3 k a ；6 k v ，6 k a 。点划线为g c t 的变迁曲线，点l o 至1 1 的g c t 容量均为4 5 k v 。4 k a 。 作为半导体器件材料的硅统治半导体器件已有5 0 余年，在此期间制造的各 种高压、大功率半导体器件都以硅为材料。可以说，硅性能潜力的进一步挖掘 是比较困难的，以硅为材料的高压、大功率半导体器件性能的进一步提升也是 相当困难的。 有关半导体器件材料的研究从2 0 世纪7 0 年代开始，特别是2 0 世纪8 0 9 0 年代以来，砷化钾( g a a s ) 、半导体金刚石、碳化硅( s i c ) 的研究始终在进行着。 一段时间曾认为砷化钾很有希望取代硅半导体材料，现在实验表明，碳化硅材 料性能更优越。特别是进入9 0 年代以后，对碳化硅的研究成为半导体材料研究 的热点。碳化硅的优点是：禁带宽，工作温度高( 可达6 0 0 c ) ，通态电阻小，导 热性能好，漏电流极小，p n 结耐压高，等等。实验表明，应用碳化硅的半导体 器件的导通电阻仅为硅器件的1 2 0 0 ，若电压较高的硅功率m o s f e t 导通压降 达3 4 v ，而碳化硅功率m o s f e t 导通压降小于1 v ，关断时间小于1 0 n s 。可 以说，碳化硅是制造功率半导体器件的晶片理想材料。 1 4 高压开关电源研究面临的问题与困难 国内外高压开关电源的研究取得了很大的成果，现阶段，基本满足了科学 研究和社会生产的需求。但科技的进步，社会的发展，对高压开关电源的电压 等级、功率及电源性能等也提出了更高的要求，在目前的科技水平下，高压开 关电源的发展面临着众多的问题与困难。在这些问题与困难中，高压、大功率 半导体器件和变压器将是高压开关电源发展面临的主要难题。 l 隘i i i 工， ；之l 孓i | ：o i l：1 、i ， ， ，l 、，、：、j - 一 6 ( 2 ) 电压输出高则变压器的变比较高，而大变比必然使变压器的非线性严 重，使其漏感和分布电容大大增加。线路中漏感的存在将引起关断时的浪涌电 压- 此电压会造成丌关管的过电压损坏。分布电容引起的空载电流为 ，= u 2 矿c n 2 ，其中，u 为电压，为开关频率，c 为分布电容，为变 比。该式表明，空载电流的大小与，、c 和2 成正比，随着变比的升高。分布 电容也会相应增加，从而使空载电流迅速增大。因此高压变压器的变比不宜太 高。 ( 3 ) 磁芯材料的选择。高频情况下，选择合适的磁芯材料，对变压器的性能 乃至电源系统的性能将产生巨大的影响。铁氧体磁性材料较常应用在高频开关 电源中，而高压开关电源用铁氧体磁性材料应满足如下的要求： 具有较高的饱和磁通密度b 。从理论上讲，b 。高，变压器的绕组匝数可 以减少，铜损也随之减小； 高频下具有较低的功率损耗。铁氧体的功率损耗，不仅影响电源的输出 效率，同时会导致磁芯发热，波形畸变等不良后果。选择铁氧体材料时，要求 功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。以免功率损耗随变压器温度的上升 进一步增大，从而形成恶性循环，最终使功率开关管和变压器及其他一些元器 件烧毁。日本t d k 公司的p c 4 0 及国产的r 2 k b 等材料均能满足这一要求： 较高的居里温度。居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材 料的居里温度在2 0 0 c 以上，但变压器的实际工作温度不应高于8 0 c ，这是因为 过高的工作温度会使磁芯的饱和磁通密度严重跌落，再者，当温度高于1 0 0 。c 时， 功耗将呈现为正温度系数，会导致恶性循环。 高频高压变压器的设计是研制高压开关电源最困难的问题之一。不论驱动 和斩波线路设计得多么完美，大部分高压开关电源最后一级须用高频高压变压 器进行升压，因此高频高压变压器的设计是研制高压、大功率开关电源的关键。 1 5 课题研究的背景“儿” 线性电源和开关模式电源是获得高压大功率电源的两种主要方式。线性电 源中使用了高压电子管( 四极管) ，在早期获得了广泛的应用。随着高压电子管 的缺陷不断显露，以及对电源输出功率要求的不断提高，线性电源已经很难满 足现代应用场合的要求。应用半导体器件的开关模式电源与线性电源相比，具 有众多的优点，如高效率，高可靠性，空气冷却等，但它的缺点是输出滤波器 中的储能限制了系统的动态性能。 瑞士的w s c h m i n k e 于1 9 8 5 年在b r o w nb o v e r ir e v 7 2 上首次提出了脉冲 阶梯调制( p s m ) 技术，其最初目的是在高功率a m 广播发射机中代替传统的乙类 四极管调制器。脉冲阶梯调制( p s m ) 技术一经提出，便使得广播发射机的生产 和设计产生了革命性的变化，各种各样的5 0 k w 至1 0 0 0 k w 的广播发射机均相继 采用了此种技术，成为当今广播发射机的主要调制技术。 随着世界经济的发展和科学技术的进步，对高压、大功率开关电源的需求 越来越高。尤其在众多的大型科学试验装置中，对其供电电源均有特殊的要求， 如高电压，大电流，大功率，低纹波，低储能等等。在某些特殊的试验装置中， 若其中含有真空电子系统，如速调管，磁电管和陀螺振子等，要求其电源输出 电压具有良好的调节特性，并且系统出现故障时，要求输出端没有储能。鉴于 应用脉冲阶梯调制( p s m ) 技术高压电源的优越性，脉冲阶梯调制( p s m ) 技术被 科学家们迅速的应用于各种大型科学试验装置中，如加速电源、t o k a m a k - - n b i ( n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n ) 和t o k a m a k - - e c r h ( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e h e a t i n g ) 等系统中，成为高电压、大功率系统中一种重要的调制技术，获得了广 泛的应用。 基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源最初使用g t o 作为其开关器 件，输出电压和输出电流只有几千伏和几个安培。随着科学技术的发展，最新 的基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源均采用i g b t 作为开关器件，应 用d s p 作为控制芯片，控制开关管的开断，大大提高了开关频率，减小了输出 端滤波器的尺寸，大大的改善了系统的动态性能。例如瑞士洛桑的等离子体物 理研究所( c 砌，p ) 给回旋管供电的基于p s m 技术的高压电源，该电源输出电压、 电流分别为8 5 k v 、8 0 a ；德国的w 7 一x 托卡马克的e c r h 装置上基于p s m 技术 的高压电源，其输出电压为1 3 0 k v ，在脉冲模式下能输出1 0 0 a 的脉冲电流( 每3 分钟持续1 5 秒) ；德国和法国的负离子n b i 电源，要求输出电压为3 5 0 k v ，输出 电流为3 0 a ，工作在脉冲时长大于1 0 0 s 的长脉冲模式下。 目前，脉冲阶梯调制( p s m ) 技术主要应用于高压直流电源系统中，其输出 电压可以达到几十千伏至几百千伏，功率输出可以达到几百甚至几千千瓦。 1 6 本论文研究的主要内容 跟踪国内外电源技术的发展现状，结合本文中所述的基于p s m 技术的高压 开关电源在各国的发展情况，本文将对如下的几个问题展开讨论和研究： 1 、回顾国内外高压开关电源的发展概况毗及高压直流电源技术的发展概 况，介绍在高压开关电源中应用的各种半导体器件的发展历程，说明在高压开 关电源的发展过程中面临的问题和困难，主要体现在高压、大功率开关器件和 高频变压器上。然后简要介绍基于p s m 技术的高压开关电源的产生和发展过程， 说明了本课题的研究背景。 2 、对在各领域中应用的不同电压等级的高压开关电源主电路拓扑进行研究 和探讨。这些主电路拓扑包括基于桥式电路的串联谐振变换器、l c c 串并联混 合谐振变换器、桥式级联直流变换器；基于三电平技术的高压开关电源；基于 多电平技术的高压开关电源：应用于大型实验装置中的高压电源等。同时对这 些电路拓扑分别进行简要的特性分析。 3 、对基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源电路拓扑和控制方法进 8 行详细的分析。文中将详细介绍脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的基本原理，对系统 中的主功率变压器和控制方法进行说明，并基于m a t l a b ，s i m u l r n k 的仿真环 境，对不同调制器形式下系统的控制方法进行了仿真研究。在此基础上，将基 于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源与第二章中所述的各种高压开关电 源拓扑进行比较，详细分析基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源的优 缺点。 4 、为了验证脉冲阶梯调制( e s m ) 技术的基本原理，设计了一台实验样机。 实验电路设计的主要技术指标为：输入电压：交流工频2 2 0 v 、5 0 h z ；输出电压： 0 6 0 0 v 连续可调；输出电流：2 a ：其中开关管v 。工作在p w m 模式，工作频率 为f = 2 0 k h z ，开关管v ：、v 。、v 作为普通电子开关使用。文中对主电路、控制 电路、驱动电路、反馈和保护电路进行了分析和设计，给出了详细的电路设计 过程。 5 、给出了实验样机的实验波形。实验结果表明，系统中v 。开关管的p w m 信号的占空比和v ：、v 。、v 。开关管的开关状态得到了有效的调节和控制，能够 实现电源的软启动。同时，实现了输出电压在0 6 0 0 v 之间的连续可调。最后， 对基于脉冲阶梯调制( p s m ) 技术的高压开关电源进行了总结和展望。 第二章高压开关电源主电路应用拓扑研究 伴随着功率半导体技术的发展和电力电子技术的进步，高压开关电源技术 也取得了长足的进步，电压等级和频率大大的提高，体积和重量明显的减小。 近年来，伴随着各种新型工业设备、民用设施和大型或超大型科学实验装置等 的不断涌现，以及在传统的高压电源领域，对高压开关电源的需求越来越多， 也对高压开关电源的性能提出了越来越高的要求。 由于高压开关电源在众多领域的广泛应用，因此吸引了大量的科研人员对 其进行不断的研究，并且取得了大量的科研成果。本章将对在各领域中应用的 不同电压等级的高压开关电源主电路拓扑进行研究和探讨。 2 1 桥式电路在高压开关电源中的应用咖 1 5 】【3 i “州”瑚“” 由于桥式电路自身所具有的众多优点，因此成为应用在中大功率变换器中 的首选拓扑，并且在高压开关电源中也获得了广泛的应用。 2 1 1 串联谐振变换器 全桥电路中普遍采用p w m 调制技术。在此基础上引入谐振电感和谐振电 容，利用谐振现象，实现软开关，克服了脉宽调制型功率开关管开关损耗随频 率成正比增加的缺点，减小了开关损耗，提高了开关频率，为高压大功率开关 电源的实现提供了可能。 ( 1 ) 主电路拓扑 串联谐振变换器( s r c ) 是最早出现的一种软开关变换器。其谐振电感l 和电 容c 与输出变压器原边绕组串联，接在全桥开关的输出端。其主电路拓扑如图 2 一l 所示。 码| =酗铂弘 一 _ 。 _ j z l 2 三 _ j l n 1 1 、一j ” r 厂r c rl r i 澧_ l 码p毡p l 。一 图2 - 1 全桥串联谐振变换器( s r c ) 主电路拓扑 图2 1 中圪为输入直流电压，由工频整流得到，q l q 4 为功率开关管，d l d 4 为功率开关管的寄生二极管，为谐振电感，c ，为谐振电容，l 为高压交压 o 器的漏感，c 为高压变压器的分布电容，c o 为输出滤波电容，月为负载电阻， 变压器为理想高压变压器。 由图中可以看出，串联谐振变换器中高压变压器的漏感在谐振回路中， 若工满足要求，可以省去，简化了电路的设计。此外。分布电容c 没有在谐 振回路中，在高压边会引起一定的电压降和空载损耗。 ( 2 ) 电路特性 在主电路拓扑中，当工作在谐振频率附近时，电压输出较高，当负载有微 小的变化时，电压会有较大的变化，当负载为0 时，电路失去了电压调节能力， 因此，电路的电压调节能力很差。当开关颓率在谐振频率附近时，回路有很高 的电流值，开关频率偏离谐振频率一定值以后，随负载变化电流值变化值不大， 可见，电路有很好的电流调节能力，并且在负载短路时，一定频率下仍有很好 的电流特性，因此，电路表现出电流源特性，使得变换器呈现出固有的过载保 护能力。但是这种电路的一个明显的缺点是输出整流滤波电路中电流纹波会很 大，这个缺点在低压大电流的情况下尤为突出。因此，串联谐振变换器电路拓 扑更适合在高压小电流的应用场合。此外，这种电路拓扑还具有一个优点是， 串联谐振电容可以作为隔直电容，从而避免了磁路的不平衡。 在图2 一l 所示全桥串联谐振变换器( s r c ) 主电路拓扑中，其全桥变换器也可 以用半桥变换器代替，如图2 2 所示。这种电路拓扑减少了开关管的数量，结 构相对简单，效率高，电压调节范围大，负载过载能力强，输出无尖峰。有利 于减小输出电压的纹波。 卜 ： 码 j l 厂r r y 、_ 一 c ，l ， 卜 ： k 图2 - 2 半桥串联谐振变换器主电路拓扑 2 1 2l c c 串并联混合谐振电路 串联谐振电路拓扑主要应用在高电压小电流场合，具有很好的短路保护能 力，但其负载电路不能开路。 并联谐振变换器( p r c ) q b ，谐振电容和变压器绕组并联。同串联谐振变换器 相比，在一定的频率范围内，随着负载的变化，电压变化不大，具有很好的电 压调节特性，表现为电压源的特性。同时在空载的情况下，电路也可以进行电 压调节。这利- 电路的主要缺点是，相对于串联谐振变换器电流随负载变化比较 大，当负载变轻时通过提高频率来调节电压，但此时电流并未减小，反而有所 增大，使电源损耗增加，降低了效率。并联谐振变换器适合于固定负载电路或 者负载变化不大的低压大电流的场合。 l c c 串并联混合谐振电路主电路拓扑如图2 3 所示。图中负载与谐振电容 c 以串联形式输出，与谐振电容c 。以并联形式输出。 q = p 码 =弘 三 一l 一一r r ”、 箍 e ， 一 码k =1 皿 j j 图2 - 3l c c 串并联混合谐振电路主电路拓扑 l c c 串并联混合谐振电路兼顾了串联和并联谐振电路的优点，同时一定程 度上也克服了他们的缺点，其负载变化范围宽，近年来也获得了广泛的应用。 2 1 3 前级为b u c k 电路的l c c 混合谐振电路 图2 4 为l c c 串并联混台谐振电路另外一种拓扑结构。图中用半桥电路代 替了图2 3 中的全桥电路，同时在电路的输入端加入了b u c k 降压电路，用来实 现稳压的目的。这种电路拓扑对于增加稳定度，提高工作频率具有明显的效果。 q 。 ：c l 岛i j l r r r 、，l 。 e i上， ：g 码k 图2 4b u c k 电路与半桥l c c 串并联混合谐振电路结合电路拓扑 2 1 4 桥式级联直流变换器 在某些高压大功率的应用场合，单个功率变换器电路已不能满足要求，此 时常常将功率变换器进行级联。桥式级联直流变换器电路如图2 - 5 ( a ) 、( b ) 所示。 其中，( a ) 为半桥级联变换器，( b ) 为全桥级联变换器，分别为半桥或全桥电路的 串联叠加。由于串联电路的输出电流相同，只要做到两个变换器的输出电压相 等，就可以使得变换器的功率均分，保证变换器的输入电压相等。每个功率器 件的电压应力相同，为直流侧输入电压的一半。级联式变换器的特性由基本变 换器拓扑和控制规律确定，若基本变换器采用零电压零电流方案，则级联变换 器也可以实现零电压零电流软开关。 级联式赢流变换器可以有两种控制方式，一种是每个变换器采用独立的 p w m 控制，电压给定采用同一个给定值，另外一种是共用闶一个控制电路，控 制电路的输出信号分别送到不同交换器的两个对应的开关管，这种控制方式下， 只要变换器的参数基本一致，即可保证输出电压基本相等。 ( a )( b ) 图2 - 5 桥式级联直流变换器电路拓扑 2 1 5 输出端高压变压器的接线形式 基于桥式电路( 全桥或半桥) 的高压开关电源，变换器一般工作在串联谐振模 式或者l c c 串并联混合谐振模式。在其输出端均采用高压变压器进行升压，全 桥整流，电容滤波，然后获得高电压。 在高压变压器中，若只具有一个高压绕组。则变压器变比太高。高变比的 变压器，在高压侧绕组的绝缘问题非常突出。同时，大变比必然使变压器的非 线性严重，使其漏感和分布电容大大增加。漏感的存在将引起关断时的浪涌电 压，此电压会造成开关管的过电压损坏，而分布电容的增加，会使空载电流迅 速增大，因此，变压器的变比不宜太高。 为了减小变压器的变比，同时又能够得到高电压，通常在升压变压器中采 用高压侧多绕组的形式，然后将每个绕组的输出电压整流滤波后串联输出。其 接线方式主要有两种，分别如图2 - 6 中( a ) 、( b ) 所示。 图中所示的高压变压器高压侧绕组接线方式，如果设计合理，则能有效 的减小分布电容，其另一个优点是体积重量相对较小，但它一般适用于功率为 1 k w 左右的应用场合。图中所示的接线方式，降低了高压绝缘的温度梯度， 其输出功率能够达到几十千瓦，由于这种接线方式一般都进