（电力电子与电力传动专业论文）软开关高频开关电源若干问题的研究.pdf

a b s t r a c t t i t l e ：s t u d y0 ns o m ep r o b l e m so fs o f t - s w l t c h l n g h l g h f r e o u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y m a j o r ：p o w e r e l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e n a m e ：h o n g p e n gz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f s h o u z h il i a b s t r a c t s - g n a t u r e ：出竖巡乡垆 s i g n a t u r e铷砒l t h e r e s e a r c h i n gi ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi n c l u d e sm a n yt e c h n o l o g yf i e l ds u c ha sp o w e r e l e c t r o n i c s ，a u t oc o n t r o la n ds oo n h i g hf r e q u e n c ys o f t s w i t c h i n gc o n v e r s i o ni sa ni m p o r t a n t s u b j e c to fp o w e re l e c t r o n i c sa n ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l y f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e so fp h a s e s h i f t e dz v s p w m f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r , a u x i l i a r yr e s o n a n t c i r c u i ta n ds a t u r a t i o ni n d u c t a n c ea r ed e s c r i b e da n da n a l y z e d ，b a s e do nw h i c h ，t h es t r u c t u r ea n d p a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e di nt h e o r y i na l l u s i o nt ot h e s h o r t a g eo fc u r r e n tc o n t r o ls y s t e m ，t w on o v e ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e m sa r ep r o p o s e da n da l s o a n a l y z e di nd e t a i l i nt h em e a n w h i l e ，p i dc o n t r o l l e ri sp r i m e l yd e s i g n e db a s e do np s o - s a a l g o r i t h mw h i c hc o m b m e ss aa l g o r i t h mt h a th a sg o o dg l o b a lo p t i m i z a t i o ne f f e c ta n dp s o a l g o r i t h mt h a th a sg o o dl o c a lo p t i m i z a t i o ne f f e c t ，t h ec o n t r o le f f e c ti sp e r f e c t t h e nt h et h e s i s r e s e a r c h e so nt h er e l a t i o n s h i po ff r e q u e n c y , p o w e ra n de f f i c i e n c yo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a n dd e e p l yd i s c u s st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ef r e q u e n c yo fp o w e rs u p p l yb a s e do nt h em e t h o d t h a th o wt og e tt h em a x i m a lf r e q u e n c y a tt h es a m et i m e ，t h ee l e m e n tm o d e lo ft h ep o w e r s u p p l ys y s t e mi ss e tu pu s i n gp s p i c ea n dt h ef u n c t i o nm o d e li s s e tu pu s i n gm a t l a b ，t h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o n sb a s e do nt h et w om o d e l sa r cm i n u t e l ya n a l y z e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o n sa n dt h et h e o r ya n a l y s i s ，t h ee x p e r i m e n t so fp o w e rs u p p l yi sd o n ei no r d e rt o v e r i f yt h er e l a t e dr e s e a r c h e s n e wp r o b l e m sa p p e a ri nt r i a la r e a l s oa n a l y z e di nd e t a i l k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；s o f t s w i t c h i n g ；h i g hf r e q u e n c y ；p s cf bz v s p w m d c d cc o n v e r t e r ；d s p 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：庭渔艘鱼2 妒产伊月牛日 学位论文使用授权声明 本人莲i 垂照在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文储虢越幽导师躲槛力年蝴弓日 f 一 绪论 1 绪论 1 1 开关电源概述“1 电源是所有用电设备的心脏，为设备提供动力。开关电源处于电源技术的核心地位， 近十年有了突飞猛进的发展。按目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关 状态下的直流电源。 目前，应用最为广泛的直流电源又三类：线性电源、开关电源、相控电源。线性电源 是开关电源的前身。各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。在开关 电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性电源。由于和线性稳压电源相比，开关电 源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势，因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求 极高的场合以外，开关电源已全面取代了线性稳压电源。另外一种常用的直流电源是相控 电源。它的主要优点是电路简单控制方便，主要的缺点是体积大，重量重，输出滤波电感 大，另外，由于其频率低，控制的响应速度很慢。因此，只有在很大功率的应用场合才会 采用。 近年来，开关电源已广泛应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济 效益。随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大， 开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水 平大大提高。 1 2 开关电源的发展现状 2 0 世纪，开关电源的主要技术有以下几个方面： 1 功率半导体器件 2 0 实际9 0 年代，用在电力电子变换的功率半导体器件有许多新进展，如 ( 1 ) 功率m o s f e t 和i g b t 已完全可代替功率晶体管( g t r ) 和中小电流的 晶闸管，使实现开关电源的高频有了可能。 ( 2 ) 功率半导体器件的容量超过预测，发展迅速。 ( 3 ) 功率半导体器件材料发展迅速。 ( 4 ) 2 0 世纪8 0 年代，将功率期间与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成 封装的智能功率模块的水平已经很高。 2 软开关技术 2 0 世纪9 0 年代中期，3 0 a 4 8 v 开关变换器采用移相全桥z v s p w m 变换器之后， 重7 k g , l - 匕用p w m 技术的同类产品重量下降4 0 ，软开关技术的开发和利用提高 了开关电源的效率，据说，最近国外小功率d c d c 开关电源模块( 4 8 a 1 2 v ) 总 效率可达9 6 ；4 8 a 5 vd c - d c 开关电源模块的效率可达9 2 一9 3 。2 0 世纪末， 国内生产的通信用5 0 a 一1 0 0 a 输出、全桥移相z v z c s p w m 开关电源的效率超过 9 3 。 3 控制技术 西安理工大学硕士学位论文 一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网络控制，以及各种调制技 术在开关电源中的应用，已引起人们的注意。 4 有源功率因数校正技术 由于输入端有整流元件和滤波电容，许多整流电源供电的电子设备，使电网侧( 输 入端) 功率因数仅为0 6 5 。用有源功率因数校正技术( 简称p f c ) 可提高到 0 9 5 0 9 9 。 国内通信电源专业厂家已将有源功率因数校正技术应用于输出6 k w 、1 0 0 h 的 一次电源中，输入功率因数可达0 9 2 - 0 9 3 。 5 高频磁元件 ( 1 ) 平面磁集成技术 ( 2 ) 集成磁元件 ( 3 ) 用微加工技术研制兆赫级高频变换器磁元件 ( 4 ) 压电变压器 6 饱和电感的应用 7 分布电源 分布电源的应用提高了系统的可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好； 减少电解电容数量；可实现d c d c 变换器组件模块化；易于使用插件连接；可再 线更换失效模块等。 8 电源智能化技术 9 开关电源的e m i 与e m c 技术 其中，高频变换技术、软开关技术、功率因数校正技术、控制技术是开关电源的主要 研究方向。 开关频率的提高，不仅可以有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可以抑 制干扰、改善电源系统的动态性能。但是，高频化也会带来很多问题，比如电磁干扰严重， 效率降低等。软开关技术既可以提高频率又可以降低噪声，而且能使电源系统比较好的动 态性能。 目前，开关电源的控制基本以模拟控制为主要的控制模式，然而，模拟控制有很多的 缺点，如工作电漂移，不易升级，控制不精确等。随着数字信号处理器d s p 的出现，为 开关电源的控制开辟了数字化的平台，随着它的性价比的不断提高，开关电源的数字化已 成为一个主要的发展趋势“。 随着频率的升高，电源的损耗变大，效率降低，因此，当开关频率上升到一定值 ( 3 0 0 k i - i z ) 时，电源的输出功率都不会很大。这就需要在开关频率和电源效率以及输出 功率之间做相应协调，目前关于这方面的研究还比较少。 软开关、高频化、数字化、高效率是开关电源发展的重要方向。当然，相关器件 和材料，电磁兼容等各项技术的发展也是推动开关电源向更高层次迈进的强大动力”。 2 绪论 1 3 课题的主要研究内容及任务 1 对移相全桥z v s p w m 直流变换器、辅助谐振网络、饱和电感的应用等进行分析研 究。 2 设计以d s p 为核心的数字控制系统。 3 对开关电源的功率、频率和效率进行分析研究。 4 分别在m a t l a b 和p s p i c e 环境下建立电源系统传递函数模型和器件模型，进行仿 真分析，确定电路参数，在此基础上搭建电源系统实验平台，进行实验，开关频率 2 5 0 k h z ，拟输出功率为4 k w ，输出电压2 0 0 v ，输出电流2 0 a 。 3 西安理工大学硕士学住论文 2 开关电源的基本原理、拓扑结构及软开关技术 2 1 开关电源的基本原理 开关电源是将单相或三相交流电压变换成所需的直流电压的装置。开关电源的系统框 图如图2 - 1 所示，它主要有输入e m i 滤波器、输入整流滤波电路、高频逆变器、输出整 流滤波电路组成，辅助电路有控制电路、保护电路、辅助电源等 t j 。其基本原理是：交 流输入电压经过电网滤波和整流滤波后得到一直流电压，通过高频逆变器变换为高频交流 电压，再经过变压器隔离和输出整流滤波电路输出满足要求的直流电压。 输出 辅助电 源电路 控制电 路 检测电 路 图2 - l 开关电源基本原理框图 f i g 2 - 1t 五cb l o c kd i a g r a mo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yt h e o r y 下面对电源系统各主要部分的作用做简单介绍： 1 输入e m i 滤波器：用来消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与 关断，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源的高频噪声向电网扩散而污染电网。 2 输入整流滤波器：将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供纹波较小的直流电 压。而且，当电网停电时，滤波电容存储的能量能使开关电源输出维持一段时间。 3 高频逆变器：将脉动的支流电压转换成高频交流电压。 4 输出整流滤波：将经过变压器隔离的高频交流电压整流滤波后，得到满足要求的输出直 流电压1 4 。 2 2 开关电源的拓扑结构 直流变换器按输入和输出之间是否有电气隔离可分为两类：有电气隔离的称为隔离直 流变换器、没有电气隔离的称为非隔离直流变换器。列表如下： 表2 - 1 直流变换器的分类 4 非隔离型变换器隔离型变换器 降压变换器( b u c k )单管正激( f o r w a r d ) 升压变换器( b o o s t ) 单管反激( f l y b a c k ) 升降压变换器( b u c k b o o s t ) 双管正激( d o u b l et r a n s i s t o rf o r w a r d ) c u k 变换器双管反激( d o u b l et r a n s i s t o rf l y b a c k ) z e m 变换器推挽( p u s h p u l lc o n v e n e r ) s e p i c 变换器半桥( h a l f - b r i d g e ) 全桥( f u l l - b r i d g e ) 开关电源的基本原理，拓扑结构及软开关技术 各种不同的电路有各自不同的特点和应用场合，他们之间的对比如下表所示： 表2 - 2 非隔离型直流变换器的比较 电路特点 电压比公式应用领域 只能降压，输入输出同极性输入电流脉 d ；鱼 各种开关型开关 b u c k 动大，输出电流脉动小，结构简单 【， 温压器 1 只能升压，输入输出同极性，输入电流 升压型开关温压 b o o s t 脉动小，输出电流脉动大，不能空载工1 。鱼 器，降压型功率 1 一du 作，结构简单 1 因数校正电路 ( p f c ) 能降压能升压，输入与输出极性相反， 旦。生 反相型开关温压 b u c k - b o o s t 输入输出电流脉动大，不能空载工作，1 一d u 器 1 结构简单 能升压能降压，输出与输入同极性，输对输入输出纹波 c u k 入与输出电流脉动小，不能空载工作， 一d 。逸 要求较高的反相 1 一du 结构复杂 1 型开关温压器 能升压能降压，输出与输入同极性，输 升降压型功率因 s e p i c出电流脉动小，输出电流脉动大，不能 一d 。生 数校正电路 1 一du 空载工作，结构复杂 1 ( p f c ) 能升压能降压。输出与输入同极性，输 对输出纹波要求 z e t a 入电流脉动大，输出电流脉动小，不能 一d ；缝 高的升降压型开 1 一du 空载工作，结构复杂 1 关温压器 5 西安理工大学硕士学位论文 表2 - 3 隔离型直流变换器的比较 电路优点缺点功率范围应用领域 电路简单，成本低变压器单向励磁，各种中、小功率开 正激型 可靠性高，驱动电 利用率低几百瓦矶千瓦关电源 路简单 电路非常简单，成难以达到较大功小功率和消费电 反激型本低可靠性高，驱率，变压器单向励 几百瓦一几千瓦 子设备、计算机设 动电路简单 磁。利用率低备开关电源 变压器双向励磁，结构复杂成本高。大功率工业开关 易达较大功率可靠性低，需复杂电源、焊接电源、 全桥型的多组隔离驱动几百瓦一几百千瓦电解电源等。 电路，有直通和偏 磁问题 变压器双向励磁，有直通问题，可靠各种工业用开关 半桥型无变压器偏磁问性低，需复杂的隔几百瓦一几千瓦电源，计算机设备 题，开关较少，成离驱动电路 用开关电源 本低 变压器双向励磁，低输入电压的开 变压器一次电流关电源 推挽型回路中只有一个有偏磁问题几百瓦一几千瓦 开关，通态损耗较 小，驱动简单 隔离型直流变换器通常采用的是变压器隔离，变压器即有变压功能，又有利于扩大变 换器的应用范围和便于实现多路不同电压和多路输出的目的。 在开关管电压和电流额定相同时，变换器的输出功率通常与所用的开关管的数量成正 比，故全桥变换器的输出功率最大。全桥变换器由四个功率开关管构成，主变压器只需要 一个原绕组，通过正、反向的电压得到正反磁通，变压器铁芯和绕组得到最佳利用，使效 率和功率密度得到提高。全桥变换器具有功率开关器件电压、电流额定值小、功率变换效 率高等优点，所以在实际中得到了广泛的应用。 全桥变换器主电路如图2 2 所示，v t l ，v t 4 与v r 2 ，v i 3 由基极激励驱动，轮流通 断，从而将直流电压v i n 变换成高频矩形交流电压，然后通过d 5 ，d 6 整流，l 、c 2 滤波 后给负载提供稳定的直流电压。四个功率开关管组成桥的四臂，桥的一对交点输入直流电 压，另一对交点接高频变压器原边绕组。v t l 和v t 4 由一组开关信号驱动，v t l 和v t 4 导通时电流方向对原边绕组是由上而下。过半个周期，v t l 和v t 4 截止，v 1 3 和v r 2 在 另一组驱动信号下导通，导通电流由电源v i n 正端经y r 3 ，原边绕组由下而上，经y r 2 6 开关电源的基本原理拓扑结构及软开关技术 流向电源负端。两对开关管是轮流导通，导通时绕组电压近似等于v i n 。每只开关管均并 联一只高速功率二极管，其钳位作用可以减小开关管由导通转换为截止时的变压器电压尖 峰，以保护开关管不被损坏。 r 图2 - 2 全桥直流变换器 f i g 2 - 2t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y o ff u l l - b r i d g em o d e 在图2 - 2 所示的电路中，直流电压v i n 加在v t l ，v r 2 ，v t 3 ，v t 4 四只开关管组成 的两个桥臂上，通过控制开关管的通断顺序以及通断时间，在变压器t 的原边得到按某一 占空比的正负半周对称的交流方波电压。如果变压器的变比为n ，则交流方波电压经过高 频变压器( 升压或降压) 后，在变压器的副边对应得到一个幅值为所形的交流方波电压， 交流方波电压在通过输出整流桥转化为直流脉动方波电压，最后通过输出滤波电感l 和 电容c 2 将这个直流方波电压的高频分量滤除，在输出端c 2 两端得到一个平直的直流电 压，其电压值为u o d + p 形，其中d 副为占空比，通过调节占空比就可以方便地 ，i 调节输出电压 t o j 。 全桥变换器的优点是：主变压器原边绕组比推挽式少一半，变压器利用率提高，开关 管耐压降低，输出功率大。 2 3 开关电源软开关技术的发展及分类 2 0 世纪6 0 年代开始得到发展和应用的d c - d cp w m 功率变技术是一种硬开关技术。 所谓“硬开关”是指功率开关管的开通或关断时，器件上的电压或者电流不等于零，即强 迫器件在其电压不为零时或电流不为零时关断。 这样，开关管在开关过程当中有较大的损耗( 包括开通损耗和关断损耗) 。显然，开 关频率越高，开关损耗越大，使电源效率降低。因此，开关损耗严重制约了开关频率的提 高。而开关频率的提高，能有效减小电源的体积，提高电源的功率密度。此外，提高开关 电源频率对减低开关电源的音频噪声和改善动态响应大有好处。为使开关电源高频高效运 行，国内外电力电子和电源技术界自2 0 世纪7 0 年代以来，不断研究开发高频软开关技术。 所谓“软开关”指的是：零电压开关( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) ，简称z v s ；或零电流开 关( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) ，简称z c s 。它是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件 中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关管关断；或 开关管电压为零时，使开关开通，从而开关损耗为零”。 在开关器件上并联有源或无源吸收网络，利用吸收网络以减小开关损耗，也是一种实 7 西安理工大学硕士学位论文 现高效率高频开关电源的简单而有效的方法。利用吸收电路技术，使p w m 变换器的开关 过程软化，虽不能实现零电压或零电流开关，但也可以减小开关损耗，提高电路的效率， 可称其为广义软开关p w m 技术。 高频软开关技术大致分为三类： ( 1 ) 谐振变换器( 包括串联谐振、并联谐振、准谐振和多谐振) ； ( 2 ) 有源钳位z v s 单端变换器； ( 3 ) 零开关脉宽调制变换器( 包括z v s z c sp w m 、z v t z c tp w m 和移相全桥 z v s p w m 变换器) 其中，移相全桥z v s p w m 变换器是移相技术和软开关技术完美的结合，是中大功 率开关变换器的首选，因此，本开关电源的主电路拓扑采用移相全桥z v s p w m 变换器。 2 4 移相全桥z v s p w m 变换器 2 4 1 移相全桥z v s p w m 变换器的工作原理 r i 图2 - 3 移相全桥z v s - p w m 直流变换器 f i g 2 - 3p s c f bz v s - p w md c - d cc o n v e r t e r 图2 3 为移相全桥z v s p w m 变换器的原理图，e c 为输入壹流电压，s 1 、s 2 、s 3 、 s 4 为四个功率开关管，相应的体二极管为d 1 、d 2 、d 3 、d 4 ( 也可另外并联性能更好的 二极管) ，电容c 1 、c 2 、c 3 、c a 为功率开关管的输出电容或并联电容，h 为输出变压器 的漏电感，变压器的副边电压经过全波或桥式整流加l c 滤波器给负载供电，利用漏感 h 和输出电容c 谐振，漏感储能向c 释放过程中，使c 的电压逐步下降到零，二极管d 开通，创造了开关管的z v s 条件。 8 ( a ) 超前臂上管栅压 u o t c a ) 超前臂下管栅压 u g 3 ( c ) 滞后臂上管栅压 u 0 2 ( d ) 滞后臂下管栅压 u g 4 a t ， 死区莳闭 图2 4 移相全桥z v s p w m 变换器的驱动信号 f i g 2 4d r i v i n gs i n g a lw a v e f o r m s o fp s cf bz v s p w mc o n v e r t e r 图2 - 4 给出了移相全桥z v s p w m 变换器四个开关管栅极的驱动信号( 【名1 、u g 2 、 开关电源的基本原理，拓扑结构及软开关技术 图2 - 6 模态l f i 昏2 - 6 m o d e l 如图2 - 6 所示，f 0 f 1 ，s 1 、s 4 同时导通。原边电流为i l ，大小基本不变，原边绕组， 电网的能量不断转化为磁能存储于电感线圈并送到负载，交换器处于功率输出阶段。 以) 。4 ，1 + j 善掣( 气一) ( 2 j ) 9 西安理工大学硕士学位论文 式中，h 是变压器原边漏感与外加谐振电感量之和，开2 0 是副边输出滤波电感折算到原 边的电感量，n 为变压器原副边匝数比，砜为输出电压。 在“一期间原边绕组两端为正电压，使副边两绕组上感应电压极性为上正下负，整 流二极管d r l 正向导通，输出电流i d g l 不断增大；d r 2 截止，其上将承受两倍副边绕组 的感应电压。 ( 2 ) 一：超前臂谐振过程( m o d e 2 ，见图2 7 ) 图2 - 7 模态2 f i g 2 - 7m o d e2 如图2 - 7 所示，t l 时刻，s l 栅极的驱动脉冲变为低电平，s l 由导通变为截止。切断 了电源供电通路。原边电感线圈中的电流不会突变，仍维持i p 原来方向流动，超前臂并 联电容c 1 、c 3 与等效电感t + 糟k 串联谐振，使左臂中点电压乩( 即u c ，) 快速降低 到零，副边电压，、：也按同样的规律迅速减低到零，二极管d 3 导通续流，为s 3 零压零流开通创造了条件。若把i p 看成是恒流源，则并联电容c 1 和c 3 的谐振电压： u c i m 刍r 旺2 ， u c ，一e c 一杀 ( 2 3 ) 式中：c 1 一c 3 一c l e a d ，( f 1 ) 一 为了保证电容电压v c ，在死区时间内降到零，为s 3 顺利实现z v s 零电压开通，完成 由s 1 向s 3 的换流，超前臂死区时间她的选择应满足以下条件： a t , 2 c u “e c ( 2 4 ) j p ( 3 ) t n b ：原边电流i p 正半周钳位续流过程( m o d e 3 ，见图2 - 8 ) 图2 - 8 模态3 f i g 2 - 8m o d e3 如图2 - 8 所示，在d 3 导通续流期间，t ：时加到开关管s 3 栅极的驱动脉冲电压变为 高电平使之实现零电压开通。一屯时刻，原边电流i p 仍按原方向继续流动，不断衰减， 1 0 开关电源的基本原理、拓扑结构及软开关技术 其值等于折算到原边的输出滤波电感电流值： 御一半，= l ( 4 ) t 3 - t , ：s 4 关断后滞后臂谐振过程( m o d e 4 ，见图2 - 9 ) 固翔 ( 2 5 ) 图2 - 9 模态4 f i g 2 - 9m o d e4 如图2 - 9 所示，在时，加到s 4 栅极的驱动电压变为低电平，开关管s 4 又导通变为 截止。i p 在f 3 仍按原方向流动对c a 充电，同时抽走c 2 中的电荷。【k 变为负极性，副 边下端整流二极管d r 2 受正向偏置电压开始导通。上端绕组虽感应到反向电压，但其中 较大正向电流不会突变为零，它仍维持原方向流过d r l 。在f ，一f 4 期间，原边电流和滞后 臂振电容电压变化如下： 1 吐瞄哦扣赢 q 石 u c 2 - e c z p ，2 s i n w t ，c 2 一c 4 - i c k ( 2 7 ) 斤一 u c 。z ，l 咖耐，z ，。、丢 q 8 t 3 - , - - 1s i n l 兰生 ( 2 9 )一 i _ 【9 ) 一2 在f 4 时刻谐振电压【，c 升到电源电压，原边反向电压增至较大负值，使副边感应电压 也增至较大值，则d r 2 完全导通，使副边绕组上下两端被同时导通的两只二极管d r l 、 d r 2 正向电压钳位在低电平0 t v x 2 1 4 v ，这对于感应了高压的副边绕组，可近似认为 它被短路。因此( t 4 一岛) 期间从副边反射到原边的电感一z 。被切断，使原边滞后臂参加 与c 2 、c 4 充放电的串联电感量急剧减小，只剩下1 i ( 包括原边漏感和外加谐振电感1 。 ( 5 ) f 4 f 5 ：谐振结束时d 2 导通续流，原边电感储能返回电网( m o d e 5 ，见图2 - 1 0 ) 刚 图2 - 1 0 模态5 f i g 2 1 0m o d e5 如前所述，f 4 时刻因c 3 、c 4 与1 x 串联谐振，u c = u 8 迅速上升到电源电压e c ，使 1 1 西安理工大学硕士学位论文 d 2 导通续流，把s 2 两端电压钳位在零电平，为开关管s 2 实现零电压开通准备了必要条 件，此时电路如图2 1 0 所示。如设计合理，谐振结束d 2 导通，就可以结束滞后臂死区 时间，即a t 2 土纯- t 4 ) 。滞后臂死区时间应在( t 4 - t 5 ) 结束，即s 2 也应在此期间内导通。 ( 6 ) - t , ：原边电流下冲过零后开始负向增大( m o d e 6 ，见图2 - 1 1 ) 剐 图2 - 1 1 模态6 f i g 2 1 1m o d e 6 原边电流i p 按最大变化率在厶时刻下降到零值，导通续流的二极管d 3 和d 2 自然关 断，形成新的供点通路e c - s 2 l r - s 3 地，为下一步即将开始的负半周功率输出阶段创造了 条件。之后原边电流仍按该变化率从零值自右臂经s 2 向左臂s 3 开始反方向急增，i p 负向增大到峰值一为止。此时电路如图2 - 1 1 所示。这与f 0 一t l ，功率输出之前s 1 、s 4 同 时导通同理对称。但( 气一t 6 ) 正是副边两整流二极管同时导通和急剧换流过程；k 急 剧减小，：急剧增大，仍将副边绕组两端钳位在低电平，阻碍了功率输出s 2 应该在t s 之前零电压零电流开通。 2 4 3 占空比丢失与软开关实现条件 a 超前桥臂和滞后桥臂z v $ 实现条件 ( 1 ) 超前桥臂开关管s 1 、s 3 的z v s 条件 s l 、s 3 相互转换时，变压器处于能量传送阶段。原边电流，- 1 形，输出滤波电感0 很大，可看做是恒流负载。原边等效电感丘- l r + 形，根据z v s 条件，这时参与谐振的 电感包括变压器原边等效电感和励磁电感，应有： 掣+ p ( + 此： ( 2 1 0 ) 式中q l 么是考虑开关管输出电容非线性的等效电容值，g 为变压器绕组分布电容，互为 励磁能量。由上式可见，实现超前臂的z v s 主要靠变压器漏感的储能和副边等效到原边 的励磁能量e ，能量相当充足，因此，即使在轻载下，超前桥臂也较容易满足z v s 条件。 ( 2 ) 滞后桥臂开关管s 2 、s 4 的z v s 条件 s 2 、s 4 相互转换时，变压器副边处于续流阶段。变压器漏感释放能量，使谐振电容 电压下降到零，这时由于两个整流二极管均导通，切断了副边反射电感，使参与滞后臂谐 振的电感量剧减到只剩下h ，而滞后臂实现z v s 的条件是： 墨笙 ( + 譬盯 ( 2 1 1 ) 1 2 开关电源的基本原理拓扑结构及软开关技术 l r e b 峙 可见，实现z v s 主要靠变压器漏感的储能，轻载时竺二_ 不够大，因此滞后桥臂 z 不易满足z v s 条件。 b 占空比丢失 占空比丢失是移相全桥z v sp w m 变换器一个特有的现象。所谓占空比丢失是指变 压器副边的占空比d s 小于原边的占空比d p ，它们之间的差值就是副边占空比丢失a d ； 虽然副边两整流管同时导通，把副边钳位在1 4 v 低电平，是副边占空比丢失的直接原因， 也是整流电路必然要经过的过度过程，但从全桥变换器总体来看，原边电流从正峰值变到 负峰值，己从正到负或从负到正，必然会有一个过度时间，原边电感的电流不可能突变。 和这个时间相比，副边整流桥的换流时间是微乎其微的，因此，原边电流的换流才是占空 比丢失的决定性因素。副边占空比丢失a d 的近似计算公式为： r ， a d 一= ：二卫( 2 1 2 ) n e c t s 可见负载电流越大，或附加电感越大，或电网电压越低，占空比丢失越多。由于副边 的占空比丢失导致了副边实际占空比的减小，为了在负载上得到要求的输出电压，就要减 小原边的匝数比。由此产生的问题是： ( 1 ) 原边电流增加，开关管的电流峰值要增加，其通态损耗加大，导致了变换器效率降 低； ( 2 ) 变压器副边输出电压增高，副边整流管的耐压要增加，整流管损耗增大，成本增加； ( 3 ) 实际最大占空比减少制约着变换器频率的提高，对d c d c 变换器的小型化不利。 为了提高最大占空比，一方面要选用开通和关断时间都小的开关管，以减小死区时间； 另一方面，要减小变压器漏感，来减小变压器副边占空比丢失。 2 5 辅助谐振网络的工作原理 由上述分析可知，谐振电感的大小选择存在矛盾之处，电感量太小，能量不足，当滞 后桥臂开关时，难以实现z v s 。电感量太大，电流变化缓慢，导致副边占空比丢失变大。 为了解决这一矛盾，即要在宽负载条件下实现滞后桥臂的z v s ，又不增大副边的占空比 丢失，这里采用增加辅助谐振网络的方法。下面就辅助谐振网络的工作原理及其如何解决 了上述矛盾的问题进行讨论。 8 制c 2 | d a l j【j s 嘲0 3 2 ：| ( a ) 模态1 ( a ) m o d e l 8 虹 d8 塥“眦 ( b ) 模态2 ( b ) m o d e 2 西安理工大擘硕士学位论文 8 虹一 嚅呲： ( c ) 模态3 8 凯 l嚅“毗 3 世j 二一 帮 ( d ) 模态4 ( d ) m o d e 4 0 ) 模态5 ( e ) m o d e 5 图2 - 1 2 辅助谐振瞬络工作过程 f i g 2 - 1 2 w o r k i n g p r o c e s s o f t h ea u x i l i a r yr e s o n a n t c i r c u i t 首先，设电路的初态为s 2 关断，s 4 导通，此时，网络处于续流状态，如图a 所示， 电感中存储一定的能量，由l a 、d a 2 、s 4 续流。 在t o 时刻，s 4 关断，电流对c 2 放电，对c a 充电，与谐振电感工作同步，因此使得 实现滞后桥臂z v s 的能量大大增加。然而，这个电感不在主电路中，对主电路的工作状 态没有任何影响，不会延缓电流的变化速度，因此不会使得副边换流时间增大，不会增大 副边的占空比丢失。 在t l 时刻，c 2 、c a 充放电完毕，二极管d 2 续流，开关管s 2 应在此时开通，实现开 通的z v s 。 在t 2 时刻，l a 与网络电容c a l 和c a 2 谐振，c a l 放电，c a 2 充电，电感进入储存能 量阶段。 在t 3 时刻，谐振完毕，电感完成储能过程，通过d a l 续流。 谐振网络进入另半个周期的初态，即s 2 、l a 、d a l 续流状态，为下一步s 4 开通实现 z v s 储存能量，作好准备1 6 1 盯。 下半个周期的工作过程和上半个周期类似，这里就不在赘述。 从以上分析可以看出，在谐振网络的工作过程中，只与s 2 和s 4 的开关状态有关， 而与s 1 和s 3 的开关状态以及主电路其他元件的工作过程没有关系，因此不影响主电路 的工作过程。然而，它在s 2 和s 4 实现z v s 储存了足够的能量，从而很好的解决了上述 的谐振电感的矛盾。 2 6 饱和电感的应用及其局限性 如前所述，谐振电感的大小选择存在矛盾之处，电感量太小，能量不足，当滞后桥臂 开关时，难以实现z v s 。电感量太大，电流变化缓慢，导致副边占空比丢失变大。饱和 1 4 开关电源的基本原理，拓扑结构及软开关技术 电感的应用可以在一定程度上缓解上述的矛盾1 1 1 2 1 。 饱和电感和线性电感的的特性曲线如图2 1 3 所示：k 电感 i l s 图2 1 3 理想饱和电感与线性电感的特性曲线 f i g 2 - 1 3t h eb c h a v i o u rc u r v eo fi d e a ls a t u r a t i o ni n d u c t a n c ea n dl i n e a ri n d u c t a n c e 如图所示，当饱和电感电流上升到饱和值时，电感则失去对电流的阻碍作用，下降为 零。电感的储能不再随电流的增长而增大，维持恒定。 将饱和电感应用于移相全桥z v s p w m 变换器中，线性电感和饱和电感情况下的原 边电流变化曲线如图2 1 4 所示： 图2 - 1 4 普通电感和饱和电感情况下主功率变压器原边绕组电流i 口 f i g 2 - 1 4t h ep r i m a r yc u r r e n t so l ll i n e a ri n d u c t a n c ec a s ea n do ns a t u r a t i o ni n d u c t a n c ec a s e 其中，实线为谐振电感为线性电感情况下，原边电流的变化曲线，虚线为谐振电感为 饱和电感情况下的原边电流的变化情况。 从图中可以看出，当电感量选择合适的情况下，饱和电感电流的下降时间t b 要比线 性电感电流的下降时间t p 短。在滞后臂谐振过程中，变压器被短路之后，原边参与谐振 的电感迅速减小，使得原边电流迅速减小，当电流减小到饱和电感的裕值时，饱和电感变 恢复了原来的的电感值，使得参与谐振的电感量增加，如设计合理，则有足够的磁能来实 现滞后桥臂的z v s 。 但是，如图2 1 4 所示，当饱和电感的值逐渐增大时，a 点会向b 点移动，则t p 会逐 渐增大，甚至超过t b ，此时，饱和电感的应用已失去了原有的意义。而且，饱和电感运 行在主电路的回路中，流过的电流很大，因此，它的损耗是比较大的。 因此，饱和电感有的应用有一定的局限性，在实际的电源系统中应根据具体的情况权 衡考虑它的优点和不足而进行使用。 西安理工大学硕士学位论文 3 开关电源主电路设计 开关电源的主电路的功能是功率变换。主电路主要包括输入整流滤波电路、逆变电路、 高频变压器、输出整流滤波电路等部分。 3 1 高频变压器的设计 高频变压器的设计是变换器设计中的一个难点也是重点，因为高频变压器需要设计的 参数较多，而且还有高频工作时的高频特性，许多其他元件的参数设计都依赖于变压器的 参数，因此首先进行变压器的设计。需要设计的参数是铁心的形式和尺寸、绕组匝数、导 体截面积和绕组结构等，所依据的参数是工作电压、工作电流和工作频率等6 1 。 3 1 1 磁芯材料和形状的选择 a 磁芯材料的选择 目前，用于开关电源高频功率变压器的材料主要有f e - n i 基非晶、坡莫合金、m n z n 铁氧体三种。其中铁氧体性能介于非晶和坡莫之间，主要特点是电阻率远大于金属磁性材 料，这抑制了涡流的产生，使铁氧体磁性材料能适用于高频领域，其成本低于非金合金， 且其制作工艺相对稳定，故选择铁氧体做为高频变压器的磁芯。 b 磁芯形状的选择 铁氧体磁芯有罐形( 国产g u 型，国际p 型) 、p m r m 、e e 、e c 等等，以及新近发 展的平面磁芯。i k w 以上的大功率开关电源，一般选择e e 或e c 型磁芯，其具有较大的 窗口面积，同时窗口宽而高度低的结构，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。因此，本 实验选择e e 型磁芯。 3 1 2 变压器的参数设计 。( 1 ) 容量的估算 4 k w ，2 5 0 k h z 开关电源的设计功率值为： 4 - 4 x 4 - 丽p r x l 0 6i 丽赢丽而4 0 0 0 瓦x 1 0 丽s蕊一7 1 1 ( 3 1 ) 铁氧体磁芯e e 6 5 的中心柱截面积4 一s c m 2 ，窗口面积以- 4 8 3 c m 2 。因此e e 6 5 的功 率容量乘积4x 以一4 8 3 x 5 - 2 4 1 5 7 1 1 ，故采用e e 6 5 制作4 0 0 0 w 开关电源的功率容 量是足够大的。 ( 2 ) 确定原边绕组匝数 p ，型j 氅i - 7 6 8 ( 3 2 ) 4 皿。4 4 x2 5 0 x 1 0 jx 1 2 5 0 x 5 ( 3 ) 确定变压器匝数比 厅；匕鲤e ! 坠唑。型兰旦：堕1 2 8( 3 3 ) k 。+ + p 0 2 1 0 + 1 5 + 0 5 ( 4 ) 确定副边绕组匝数 。生。7 6 8 6( 3 4 ) 开关电源主电路设计 ( 5 ) 确定绕组线径 考虑高频时导线的集肤效应，