（电机与电器专业论文）宽输入多输出控制电源的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a sm a d eg r e a t p r o g r e s s a s an e wv e h i c l e ，m a g l e vh a sg a i n e dw i d ea t t r a c t i o n w i t hi t s g r e a t a d v a n t a g e s o f h i g h - s p e e d ，c o m f o r t ，s e c u r i t y , s u r r o u n d i n g - p r o t e c t i o n a n ds oo n g e r m a ne m s ( e l e c t r om a g n e t i cs u s p e n s i o n ) h i g h s p e e dm a g l e vi m p o r t e d i n s h a n g h a i ，h a ss u c c e s s f u l l yp a s s e di t sp i l o tr u n n i n g ，w h i c hg e t sw o r l d - w i d e n o t i c e d a st h ef i r s to n ei n t r o d u c i n gm a g l e vt e c h n o l o g yi ic o m m e r c i a lt r a n s p o r t a t i o n ，o u r c o u n t r y i sl e a d i n gt h ew o r l di nt h ea p p l i c a t i o n ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nm a g l e v v e h i d e v e h i c l e - c a r r y i n gc o n t r o lp o w e rs u p p l ys y s t e m o nm a g l e vi ss t u d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t s ，t h es e l e c t i n gp l e f e r e n c et o p o l o g yo ft h ep o w e rs u p p l y ， r e d u n d a n c yd e s i g n ，p a r a l l e lc o n n e c t i o na n dc u r r e n ts h a r i n g ，e t c a r ea l s oi n t r o d u c e d t h ep a p e ri sp r e s e n t e di nf i v ep a r t s ： i nc h a p t e ri ，s o m ea d v a n t a g e so fs w i t c hm o d ep o w e r s u p p l ya n d i t sa p p l i c a t i o n a r eh i g h l i g h t e d t h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n so ft h ed c - d cc o n v e r t e ra n dt h e t o p o l o g ya r es u m m a r i z e d i nc h a p t e ri i ，t h ep r i n c i p l e so ff o u rt y p e sm a g n e t i cc o r er e s e tt e c h n i q u e si no n e t r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e da n ds i m u l a t e d s e p a r a t e l y i n c h a p t e ri i i ，c o m p l e t ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n o ft h eo p e r a t i o ns t a g e s o f t w o - s w i t c hf o r w a r dc o n v e r t e ri sp r e s e n t e d i n c h a p t e ri v , a c c o r d i n g t ot h e v e h i d e c a r r y i n g c o n t r o l p o w e rs u p p l y s r e q u i r e m e n t s ，t h e m a i n c i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，a n d t r a n s f o r m e ro ft w o s t a g e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e d f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e d k e y w o r d ：s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ；d c t o d cc o n v e r t e r ；m a g n e t i c c o r er e s e t ； f o r w a r dc o n v e r t e i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 开关电源概述 1 1 1 开关电源的优点及其应用 开关电源电路为电力电子电路的一种。通常把电力分为交流和直流两大类， 故基本的电力电子电路就可分为：a c a c 电路、a c d c 电路、d c a c 电路、 d c d c 电路。对于a c - a c 电路，可以变换的对象有频率、相数、电压和电流 等。对于d c o d c 电路，可以变换的主要是电压和电流。开关电源电路的核心元 器件是电力电子器件，这些器件一般工作在开关状态，这样可以使损耗很小【l j 。 开关电源和线性稳压电源不同，开关电源将电力电子器件作为开关使用，即完 全导通或完全关断，由此实现电力变换。由于开关器件不需要在放大区工作， 开关电源的功率损耗比线性稳压器要小得多。开关电源和线性稳压器相比，其 优点和缺点如下一j j ： ( 1 ) 开关电源的效率要高得多，可达7 0 9 6 9 5 ，而线性稳压器的效率仅为 2 0 - 6 0 ： ( 2 ) 开关电源可以升压和降压，而线性稳压器仅可以降压； ( 3 ) 开关电源采用体积小的高频变压器，而线性稳压器需要笨重的工频变压器： ( 4 ) 开关电源可以应用于大功率，而线性稳压器仅适合应用于2 0 w 以下功率； ( 5 ) 线性稳压器在输出上产生很少的电气噪声，开关电源设计不合理，可能产 生相当多的噪声，这是开关电源的缺点。 从以上可以看出，开关电源在绝大多数指标上都具有很大的优势，随着新 的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论不断的出现，开关电源 的应用越来越广泛，目前已应用在现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、 电力工程、国防及某些高新技术等领域。 1 1 2 开关电源的发展总趋势 根据市场上对开关电源的要求来看，开关电源有一定的发展趋势【7 1 ( 1 ) 高频化技术：随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功 率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率d c d c 变换器的开关频率 将上升到m h z 。但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、 高频寄生参数以及高频e m i 等新的问题也将随之产生。 ( 2 ) 软开关技术：为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具 有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关零电流 开关( z v s z c s ) 谐振、准谐振、零电压零电流脉宽调制技术( z v s z c s p w m ) 以 及零电压过渡零电流过渡脉宽黼 ( z v t z c t p w m ) 技术等。采用软开关技术 可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 f 3 1 功率因数校正技术( p f c ) 。目前p f c 技术主要分为有源p f c 技术和无源 p f c 技术两大类，采用p f c 技术可以提高a c d c 变化器输入端功率因数，减少 对电网的谐波污染。 ( 4 ) 模块化技术。采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系 统的可靠性。 ( 5 ) 低输出电压技术。随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式 电子设备的工作电压越来越低，这就要求未来的d c d c 变换器能够提供低输出 电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。 ( 6 ) 电源系统的管理和控制。应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及 时反映开关电源的环境的各种变化。中央处理单元实现智能控制，可自动诊断 故障，减少维护工作量，确保电源的正常运行。 ( 7 ) 计算机辅助设计。利用计算机对开关电源进行辅助设计和仿真实验，十 分有效，是最为快速经济的设计方法。 1 2 d c d c 变换器拓扑 将一种直流电压变换成另一种或多种( 固定或可调的) 直流电压称为d c d c 变换( 亦称直流变换器) ，这种技术被广泛地应用于无轨电车、地铁列车、蓄电 池供电的机动车辆的无级变速中，从而获得平稳地加速、减速、快速响应的性 能。 d c d c 变换器按输入与输出是否有电气隔离可分为两类；无电气隔离的称 为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。基本的不隔 离的直流变换器有降压( b u c k ) 变换器、升压( b o o s t ) 变换器、升降压( b u c k b o o s t ) 变换器、c u k 变换器、s e p i c 变换器和z e t a 变换器等六种，有隔离的直流变换器 有正激( f o r w a r d ) 、反激( f l y b a c k ) 、双管正激( d o u b l e t r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e n e r ) 、 推挽( p u s h p u l lc o n v e r t e r ) 、半桥( h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r ) 、全桥( f u l l b r i d g ec o n v e n e r ) 等。 一 1 2 1 基本d c d c 变换器拓扑 基本d c d c 变换器拓扑主要有b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k b o o s t 变换器、c u k 变换器、s e p i c 变换器和z e t a 变换器等六种，其中最常见的是b u c k 变换器和b o o s t 变换器叽上述六种d c d c 变换器拓扑如图1 - 1 所示。 至王三 “ 8 士d丰c u 。 (叫)一 + ”。“丁汁一+ u i 8 兰= c u o 。l 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 i 理：曼监 c ) b u c k b o o a t 变换器( d ) c u k 变换器 三盛芏 ：，曲蔓 图i - i基本d c d c 变换器拓扑 b u c k 变换器如图1 - 1 ( a ) 所示，此种变换器只能降压，不能升压，输出与 输入同极性，输出电流脉动小，结构简单，但输入电流脉动大，适用于各种降 压型开关稳压器。 b o o s t 变换器如图1 - 1 ( b ) 所示，此种变换器只能升压，而不能降压，输出 与输入同极性，输入电流脉动小，但输出电流脉动大，不能空载工作，结构简 单，适用于升压型开关稳压器和需要对输入电流波形进行控制的场合( 如功率 因数校正电路) 。 b u c k b o o s t 变换器如图1 - 1 ( c ) 所示，此种变换器既能升压又能降压，输 出与输入极性相反，输入输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单，适用于 反相型开关稳压器。 c u k 变换器如图1 - 1 ( d ) 所示，此种变换器既能升压又能降压，输出与输 入极性相反，输入输出电流脉动小，不能空载工作，结构复杂，适用于对输入 输出纹波要求高的反相型开关稳压器。 s e p i c 变换器如图1 - 1 ( e ) 所示，此种变换器既能升压又能降压，输出与输 入极性相同，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构复杂， 适用于升降压型功率因数校正电路。 z e t a 变换器如图1 - 1 ( f ) 所示，此种变换器既能升压又能降压，输出与输 入极性相同，输入电流脉动大，输出电流脉动小，不能空载工作，结构复杂， 适用于对输出纹波要求高的升降压型开关稳压器。 1 。2 2 正激变换器( f o r w a r d c o n v e r t e r ) 正激变换器拓扑如图1 1 2 所示，实际 上该变换器是由b u c k 变换器变化而来 的，是在b u c k 变换器中插入隔离变压器 而成。 篓吐匕 图1 - 2正激变换器 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 正激变换器具有电路简单、输入输出隔离、容易实现多输出等优点，广泛 应用于数百瓦一数千瓦的开关电源中，但是有一个固有的缺陷，就是变压器必须 复位，否则变压器的励磁电流就会不断的增加，最后导致磁芯饱和，损坏电路 中的丌关器件。磁复位的基本要求是隔离变压器的原边励磁和去磁过程中所加 的伏秒积相等，极性相反。正激变换器有多种磁复位方式。 1 2 3 反激变换器( f i y b a o kc o n v e r t e r ) 反激变换器拓扑如图1 - 3 所示，该电路可以看成是将b o o s t 变换器中的电 感换成变压器绕组w 1 和w 2 相互耦合的电感而得到的。故反激变换器中的变 压器工作总是经历着储能放电的过程，其变压器起着输入输出隔离和储存能量 的作用，这一点与正激变换器不同，正激变换器的隔离变压器不起电感的作用， 只是起到隔离升降压的作用。反激型变换器通常工作在电流断续模式，这样变 壁e c n 口 t l l 。 图1 3反激变换器 压器磁芯的利用率较高、较合理，若工作在电 流连续模式时，其变压器磁芯的利用率会显著 下降。反激变换器的结构晟为简单，元器件少， 成本较低，广泛应用于数瓦。数十瓦的小功率 开关电源中，诸如各种家电、计算机设各、工 业设备等设备中的开关电源。该电路变压器的 工作点仅处于磁化曲线平面的第一象限，利用 率低，且开关器件承受的电流峰值很大，不适 合应用于较大功率的开关电源， 1 2 4 双管正激变换器( t w o - t r a n s is t o rf o r w a r dc o n v e r t e r ) 图1 4双管正激变换器 双管正激变换器拓扑 如图1 4 所示，该电路的工作 原理与单开关正激电路基本 相同，但其有自己的特点， 双管正激变换器中，每个开 关承受的断态电压均为输入 电压的大小，比相同条件下 的单开关正激电路低，而且 不需要采用特殊的复位电路 就可以保证变压器的可靠磁 复位，适合用于高压输入电源中。该电路与全桥变换器或半桥变换器相比，它 的每个桥臂都是由一个二极管和一个开关管串联组成，故在结构上不存在桥臂 直通的问题，可靠性高，这是双管正激变换器的一个显著特点。 1 2 5 推挽变换器( p u s h p u i ic o n v e r t e r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 推挽变换器拓扑如图1 5 所示，该电路中，两只开关管轮流导通，输出脉动 豁d2 s 2 图1 - 5 推挽变换器 频率提高一倍，脉动电压小，滤波 容易，输出电压易高。变压器能够 双向励磁，磁芯利用率高，开关管 的电压应力高，达到输入电压的两 倍，所以推挽变换器适合用在低输 入电压的中、大功率的开关电源中。 该电路的二次侧可以接成全波整 流、全桥整流或倍流整流形式。 另外，由于开关的导通压降和 开关时间不可能一致，容易引起变 压器偏磁，甚至饱和，须采取特别的方法来解决。过去常用的方法是选用特性 较一致的开关管，并适当增加变压器磁路中的气隙，使之在电路不平衡状态下， 磁通不至于饱和。现在主要采用电流控制，使电流峰值自动平衡。 1 2 6 半桥变换器( h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r ) 半桥变换器拓扑如图1 - 6 所示，电路中只有一个桥臂采用了两个开关管串 9 鸳 e 图1 _ 6半桥变换器 联，另外一个桥臂是两个电容串联， 这两个电容用来分压，流通高频开 关工作的交流电流成份，也起到输 入电压的滤波作用。与推挽变换器 一样，电路的二次侧可以接成全波 整流、全桥整流或倍流整流形式。 半桥交换器电路的开关电压应 力为输入电源电压，变换器开通时， 变压器原边所加的电压只有输入电 压的一半，故该电路适用于较高的直流输入电压。限制了变换器的输出功率， 要增加输出功率，必须提高开关的电流应力。 半桥变换器电路利用输入电容的充放电特性自动调整两个输入电容上的电 压，使变压器在工作周期的正负半周伏秒平衡，故该电路不容易发生变压器偏 磁和直流饱和的问题。半桥变换器的桥臂为两开关管串联。故存在桥臂直通的 问题，需要设适当死区时问。 1 2 7 全桥变换器( f u i i - b ri d g ec o n v e r t e r ) 全桥变换器拓扑如图1 - 7 所示，全桥变换器电路结构复杂，成本高，该电路的 逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下 两开关交替导通，这样存在桥臂直通问题，需要设置适当的死区时问。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 4 粒 图1 7 全桥变换器 全桥变换器的变压器双向励磁，并且与推挽变换器相比较，在输入电压相 同的条件下，开关管的电压应力为输入电压的1 2 ，因此全桥变换器适用于输入 电压高的数百瓦。数十千瓦的各种工业用开关电源中。 另外，若互为导通的开关导通时间不对称，会在变压器一次电流中产生很 大的直流分量，并可能造成磁路饱和，故全桥变换器应避免电压直流分量的产 生，也可在次回路中串联一个隔直电容。 1 3 本文所做的主要工作及其研究意义 本文的主要目的是：根据磁悬浮列车控制电源的要求设计出了两级开关电 源，对d c d c 变换器工作方式和拓扑归纳总结的基础上确定了两级电路的主电 路拓扑均采用正激拓扑，第一级电路采用双管正激变换拓扑，第二级电路采用 r c d 钳位的正激拓扑。本文总结了实际常用的四种单管正激变换器磁芯复位技 术的工作原理和特点以及双管正激变换器的工作原理和特点。论文对各级电路 的主电路、控制电路及其辅助电源进行了分析与设计，并通过实验进行了部分 验证。本文结构上的安排如下： 第一章，介绍了开关电源的优点和应用，以及直直变换器拓扑的特点和适 用范围。 第二章，总结了实际常用的四种单管正激变换器磁芯复位技术，分析了各 种磁复位技术的工作原理，并对各种磁复位技术进行了仿真。 第三章，总结了双管正激变换器的优点，分析了其工作原理，并对该电路 拓扑进行了仿真。 第四章，根据磁悬浮列车控制电源的要求，设计和计算了各级主电路、控 制电路、输出电路、变压器及其辅助电源等参数。 第五章，所设计控制电源的测试结果及其实验总结。 开关电源的很多优点决定了开关电源的应用越来越广泛，即社会需求量越 来越大，目前，开关电源的主要市场还是中小功率领域，但在较大功率领域， 开关电源的优势己十分明显，故研究开关电源设计有十分重要的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章单管正激变换器 2 1 概述 单管正激变换器应用了变压器，输入与输出隔离，容易多种电压输出，该 电路一次侧输入功率与二次侧输出功率是同时进行的，内阻抗低，过载功率大， 容易制成较大功率，常用于百瓦到数千瓦的变换器m 。 单管j 下激变换器有多种磁复位方式，有辅助磁通绕组复位、r c d 钳位复位、 l c d 缓冲网络复位和有源钳位复位等。 2 2 辅助磁通绕组复位正激变换器 2 2 1 工作原理 图2 - 1正激变换器 辅助磁通绕组复位正激 变换器如图2 1 所示，为了分 析其工作原理，作以下假设： ( 1 ) 变换器已经处于稳念； ( 2 ) 所有开关器件均为理想 器件；( 3 ) 电感、电容为理想 器件【5 l 。 该电路有电感电流连续 和电感电流断续两种工作模 式。当单端正激变换器工作在电感电流连续模式时，一个开关周期会经历两个 开关状态，每个状态的等效电路图如图2 2 所示。单端正激变换器电感电流在 连续状态的波形如图2 - 3 所示。 l f 舀盈 目开关状吝1 ( 逝)彻联# ；2 ( s 自) 图2 2正激变换器在开关过程中的等效电路( 电流连续状态) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 图2 - 3正激电路电流连续状态的波形 开关状态1 ( t o t 1 ) ：t o 时刻，开关s 导通，变压器绕组w 1 两端的电压为 上正下负，与其耦台的绕组w 2 两端的电压也是上正下负，故d 1 正向偏置导通， d 2 反偏关断，电感l 的电流线性增长，直到t 1 时刻，s 关断： 在这段时间内，电感l 的电压为： ；詈u i 一玑 ( 2 - 1 ) i v l 开关管的最大电流为： 一删+ 詈l 。 ( 2 2 ) 开关状态2 ( t 1 t 2 ) ：t l 时刻，开关s 关断，电感l 通过d 2 续流，d 1 关断， l 的电流线性下降。s 关断后变压器的励磁电流经绕组w 3 和d 3 流回电源，此 时w 3 的电压为u i , w 1 的电压为一筹矾，开关管的电压玑t ( 1 + 丽n 1 z ， u l u ； 时刻，绕组 中的电流减小到零，变压器复位结束，此时开关o t lw 3 管的电压为输入电压。 根据电感电流在一个周期的变化量为零，电感两端电压在一个开关周期内 的平均值为零，可以得到： ( 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 堡丝d u ：n 1 ( 2 4 ) 开关管关断后，变压器励磁电流经绕组w 3 和d 3 流回电源，在开关管关断 期间，变压器磁芯必需复位，否则会引起变压器饱和，从开关管关断到变压器 磁芯复位这段时间( 。一) 为复位时间，要使变压器可靠的复位必须使 f l 。一f ls 锄，因变压器原边电压在一个开关周期内的平均值为零，故有： ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 要使变压器在下一周期开始前完全去磁，f l 一f 1 的最大值为。，鱼亍尘的 最大值为1 - 。，则此时占空比最大，给定等1 时，最大占空比为 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 当3 很小时，最大占空比接近1 ，但这时开关管关断后的电压很高，通常 3 = l ，占空比限制在5 0 9 6 。 _ 晰 ) 仆缸舻 “ 卜 ，一 乜 1 r 吼虬 n 虹 q e m 丝以 上v噜南 q e 。 卜 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 l t i ：企弋： 。l：一 输出滤波电容c 起平滑滤波的作用，近似认为电感电流的交流成分全部向 输出滤波电容充放电，根据图2 - 4 可以算出电容的充电电荷q ： 珈三等三一i 1 半掣l 三一毪竽乙丁( 2 - 1 0 ) 则输出脉动电压峰峰值为： u0。塑熹。型掣(2-11)c8c 。 ，c8 式中，q 为输出滤波电容的充电电荷，n 为变压器原边和副边的匝数比， t 为开关周期。 当单端正激变换器工作在电感电流断续模式时，一个开关周期会经历三个 开关状态，每个状态的等效电路图如图2 5 所示。单端正激变换器电感电流在 断续状态的波形如图2 - 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 【c ) 开关状卷3 ( 电感电潍为霉) 图2 - 5正激变换器在开关过程中的等效电路( 电流断续状态) 开关状态1 ( t o t 1 ) ：t o 时刻，开关s 导通，变压器绕组w 1 两端的电压为 上正下负，与其耦合的绕组w 2 两端的电压也是上正下负，故d 1 正向偏置导通， d 2 反偏关断，电感l 的电流线性增长，直到t 1 时刻，s 关断； 图2 - 6正激电路电流断续状态的波形 开关状态2 ( t l t 2 ) ：t l 时刻，开关s 关断，电感l 通过d 2 续流，d 1 关断，l 的电流线性下降，直到t 2 时刻，电感电流降为零； 开关状态2 ( t 2 t 3 ) ： 电感电流降为零后，d 2 关 断，电容c 向负载提供能 量，直到下一周期开始。 这种磁复位方法电路 简单，但是为了减小开关关 断时的电压尖峰，要求原边 绕组和复位绕组具有良好 的耦合，增加了变压器制作 的难度和成本，在成本要求 严格，而对变换效率要求不 高的场合，一般采用r c d 钳位技术。 2 2 2 磁复位正激变换器的仿真 o r c a d 是很强大的仿真软件，里面有庞大的电力电子元件库，这里采用 o r c a d 进行仿真，仿真参数为：输入电压1 0 0 v ，输出电压3 5 v ，电感电流为 连续模式。 仿真电路模型如图2 7 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 7磁复位正激变换器仿真模型 口v ( q i ：g l a i i ) dv f 廿；1 ；： i l j _ l l | f ! ll i l j | i lll 。 i l i i r 卜 i i iill il j 【i ，一 l j i i ， j ! | | lf i ；i l 1 il i 日i i d c l 7 1 4 u s7 1 0 o 7 1 2 d 7 1 4 0 0 u7 1 5 o o 口l7 1 6 o o u7 0 0 l l i 7 2 2 o o u s 2 i 0 她 av i v l ：+ 址：1 i 图2 8 主要工作波形图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 根据仿真电路模型( 图2 7 ) 可得到仿真波形：开关管的驱动脉冲、变压器 原边电流、开关管的电压、去磁绕组电流、变压器原边绕组电压的波形如图2 - 8 所示，可以看出该仿真波形与理论波形相一致。 2 3 r c d 钳位复位正激电路 2 3 1 工作原理 s 图2 - 9r c d 钳位复位正激电路 r f 一 r f ：，一， i ： _ 一 f i l it 图2 1 0主要波形 r c d 钳位复位正激电路拓扑如图2 - 9 ，其磁复位的原理为：钳位电容c c 的 容量相对较大，相当于一个电压源，当开关电压高于输入电压与钳位电容电压 之和时，钳位二极管d c 导通，将开关电压钳位在输入电压与钳位电压之和，不 会出现尖峰电压，钳位电容电压作为负电压加在变压器的原边，复位变压器的 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 磁芯【5 1 。 在一个开关周期t 中，该变换器有六种开关状态，其等效电路图如图2 - 1 1 所示，主要波形如图2 1 0 所示。在分析之前，作如下假设，( 1 ) 所有开关器件 均为理想器件；( 2 ) 电感、电容为理想器件：( 3 ) 钳位电容c 。足够大，其电压 基本保持不变，相当于一个电压源。 ( e ) 开关状态5 hr 坷 ( f ) 开关状态6 陷q 图2 - 1 1 r c d 钳位复位正激电路各开关状态的等效电路 开关状态1 t o ，t 1 ：t o 时刻，开关管导通，续流二极管d 2 关断，整流二 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 极管d 1 导通，励磁电流i 。线性增加。 开关状态2 t l ，t 2 ：t l 时刻，开关管关断，整流二极管d 1 继续导通，此时 折算到原边的负载电流和励磁电流同时给开关管的结电容充电，由于励磁电流 很小，所以开关管的结电容的电压从零开始线性增加直到输入电压。 开关状态3 t 2 ，t 3 ：这段时间里，开关管的结电容的电压继续增加，加在 变压器原边绕组的电压为负向电压，副边绕组的电压也为负，整流二极管d 1 关断，负载电流经过续流二极管d 2 续流。原边电流为励磁电流i 。，励磁电感 与开关管的结电容谐振工作，励磁电流减小，结电容电压增加，最终增加到 + u 。 开关状态4 t 3 ，t 4 】：这段时间里，励磁电流i 。流经钳位二极管d 。，结电容 电压被钳位在+ l k ，负载电流经续流二极管d 2 续流。此时加在变压器原边 绕组上的电压为一【，。，励磁电流线性减小直到零。 开关状态5 i t 4 ，t 5 】：t 4 时刻，钳位二极管d 。自然截止，结电容开始放电， 励磁电流i 。从零开始反向增加，t 5 时刻结电容电压下降到输入电压( 。 开关状态6 t 5 ，t 6 】：结电容电压继续下降，原边绕组的电压变为正向，整 流二极管d 1 导通，由于原边电流很小，不足以提供负载电流，故续流二极管 d 2 继续导通。 根据变压器原边绕组所加正负电压伏秒积相等，其它开关状态相对于开关 状态1 和4 来说很短，为了简化分析，将其忽略，则有： 钳位电容电压为： u ，。堕。坐 2-12)1d1d l 一一 若给定变压器的变比和输出电压，则： 玑一；詈 ( 2 - 1 3 ) 。一1 一d 黼 7 开关管关断电压为： 玑。+ u c o * 石而n v o ( 2 - 1 4 ) 二极管d 1 、d 2 关断时所承受的电压分别为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 贝 【，d l = 而u o ( 2 - 1 5 ) u。：*百go(2-16) 这里。堕，n 1 、 分别为变压器原边和副边的匝数，d 为占空比。 在开关管导通期间变压器原边存储的磁能量要全部在上以热能的形式消 耗掉，则： 哇，。咝( 2 - 1 7 ) k e扎p 所以： u q ； f 2 - 1 8 ) 式中l 。为变压器原边的电感，丁为开关周期。 若u ，过低，则磁复位时间比开关关断时间还长，也就是变压器磁通不能复 位，变压器达到饱和，根据u 。等式，增大电阻r 即可。电阻r 越大，u 。也越 大，能加快磁芯复位，但这时开关管的关断电压也同时升高，通常选择合适的足 使u 。z 乩。；时间常数r e 比周期t 要大得多，一般取1 0 倍左右，即 r e - l o t 。 2 3 2 r c d 钳位复位正激电路仿真 仿真参数为：输入电压l o o v ，输出电压3 5 v ，电感电流为连续模式。仿真 电路模型如图2 1 2 所示： 厣 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 - 1 2 r c d 钳位复位正激电路仿真模型 口v ( l 1 ：1 | ； j ；jj ；j - l jj ! f | i iif 岫 l l l ii l il l ll 门 l l 1 口训轧：1 l l t 2 1 图2 1 3 主要仿真波形 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 根据仿真电路模型2 1 2 可得到仿真波形，：开关管的驱动脉冲、开关管的 电压、变压器原边电流、钳位电容电压、钳位二极管电流的波形如图2 1 3 所示， 可以看出该仿真波形与理论波形相一致。 2 3 3r o d 钳位复位正激电路的优缺点 这种磁复位方法的开关管关断电压比采用复位绕组时低，电路结构简单； 主开关管的结电容能使变换器双向励磁，但由于结电容一般很小，故反向励磁 也很小；占空比可以大于0 5 ，输入电压范围可以比较宽，由于大部分磁化能量 消耗在钳位电阻r 中，故效率较低，因此适用于价廉、效率要求不高的功率变 换场合。 2 4 l c d 缓冲网络复位正激变换器 2 4 1 工作原理 图2 1 4l c d 缓冲网络复位正激变换器 l c d 缓冲网络复位正激变换器拓扑如图2 1 4 所示，其磁复位的原理为：当 丌关开通时，谐振电容与谐振电感通过谐振二极管谐振，谐振电容上的电压改 变极性。当开关关断后，现有负载电流将谐振电容上的电荷放完，使谐振电容 电压为零，然后通过励磁电感与谐振电容及开关的结电容谐振，谐振电容电压 反向增加，励磁电流逐渐减小直到零，变压器复位。 在一个开关周期t 中，该变换器有七种开关状态，其等效电路图如图2 - 1 6 所示，主要波形如图2 1 5 所示。在分析之前，作如下假设，( 1 ) 所有开关器件 均为理想器件：( 2 ) l 足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不型“。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 t 一 。、 文 厂t 八 7 ：； _ ii i i l f 卜r ； 一，、t f j 、 ? t 一 n 厂 图2 1 5主要波形 ( a ) 开关状态1 t o ，t l l ( b ) 开关状态2 【1 1 ，埘 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 c ) 开关状态3 ，q e ) 开关状态5 m ，瑚 ( d ) 开关状态4 c b ，u 【f ) 开关状态6 呜瑚 ( g ) 扑关状悉7 tt 7 】 图2 - 1 6l c d 缓冲网络复位正激电路各开关状态的等效电路 开关状态l t 0 ，t h ：t o 时刻，开关管导通，续流二极管d 2 关断，整流二极 管d 1 导通，励磁电流线性增加。 在这段时间里，钳位电容c c 通过开关管和钳位二极管d c 2 与钳位电感k 谐 振工作。到t 1 时刻，钳位电感电流降为零，钳位电容电压从一u c ，m 变成+ u c ，m 。 开关状态2 t l ，t 2 ：在此开关状态中，钳位网络停止工作，其他的工作情 况与开关状态1 相同。在t 2 时刻，开关管关断。 开关状态3 t 2 ，t 3 】：在t 2 时刻，开关管关断。整流二极管d 1 继续导通， 此时折算到原边的负载电流和励磁电流给开关管的结电容充电，c s 上的电压从 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 零开始现行上升。在t 3 时刻，c s 上的电压上升到输入电压u ；一u c 。，l ，该状态 结束。 开关状态4 t 3 ，t 4 1 ：在t 3 时刻，钳位二极管d 。l 导通，折算到原边的负载 电流和励磁电流继续给开关管的结电容c s 充电，同时钳位电容c 。放电。在开 关状态3 和4 中，c s 和c c 限制了开关管的电压上升率，因此开关管为零电压关 断。 开关状态5 t 4 ，t 5 】：在这段时间里，c s 上的电压继续上升，同时c 。继续放 电，加在变压器原边绕组的电压为负向电压，因此副边绕组的电压也为负，整 流二极管d 1 关断，负载电流经过续流二极管d 2 续流。这时励磁电感与c s 和 c c 谐振工作，励磁电流开始减小，开关管的结电容电压从输入电压开始上升。 在t 5 时刻，励磁电流减4 , n 零，钳位电容电压达到负向最大值一v c ，钳位二cm 极管d 。1 自然关断，结电容电压上升到u ，+ u c 。m 。 开关状态6 1 1 5 ，t 6 1 ：在此开关状态中，钳位网络停止工作，结电容开始放 电，励磁电流开始从零反向增加。当结电容电压下降到输入电压时，该状态结 束。 开关状态7 t 6 ，t 7 1 ：在此开关状态中，结电容的电压有继续下降的趋势， 那么原边绕组的电压将会为正，同样副边绕组的电压也为正，使整流二极管d 1 导通。由于原边电流很小，不足以提供负载电流，因此续流二极管d 2 继续导通。 在这段时间里，d 1 和d 2 同时导通，将副边绕组钳位到零，因此原边绕组电压 也为零。在t 7 时刻，开关管开通，下一周期开始。 2 4 2l c d 缓冲网络复位正激变换器仿真 图2 1 7l c d 缓冲网络复位正激变换器仿真电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 7 7 0 h t 7 2h _7 7 4 -7 7 6 7 7 60 u7 8 0o u a 1 8 2o t e d “07 8 5 5 u s - i ( k l 图2 1 8主要仿真波形 仿真参数为：输入电压1 0 0 v ，输出电压3 5 v ，电感电流为连续模式。仿真 电路模型如图2 1 7 所示： 开关管的驱动脉冲、变压器原边电流、开关管的电压、钳位电容电压、钳 位电感电流波形如图2 1 8 所示，可以看出该仿真波形与理论波形基本一致。 2 4 3l c d 缓冲网络复位正激变换器的优缺点 这种磁复位方法的开关管关断电压比采用复位绕组时低，钳位网络为无损 网络，励磁能量和漏感能量均返回到电源端，主开关管的结电容能使变换器双 向励磁，但反向励磁也很小。由于该电路在开关开通时存在谐振，谐振电流流 过开关管，这样增加了开关管的电流应力和通态损耗。该电路可靠性高，通过 选取适当的钳位电路元件值，可以保证电路工作在较宽负载的范围内，且钳位 电容的电压值、电感的电流峰值不改变，占空比最大为0 5 ，该电路适合用于高 效率变换的场合。 2 5 有源钳位正激变换器 2 5 1 工作原理 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 图2 1 9有源钳位正激变换器拓扑 ， 、 一一 t 二一一 - l i 、 ： o i 卜、l 图2 - 2 0主要波形 有源钳位正激变换器拓扑有两种电路拓扑，如图2 1 9 ( a ) 和( b ) ，他们的 工作原理基本是一样的。有源钳位技术能够减小开关管的电流应力和通态损耗。 有源钳位网络由钳位开关和钳位电容e 及钳位开关墨的反并联二极管组成。 其工作原理为：由于钳位电容容量相对较大，相当于一个电压源，当主开关开 通时，变换器向负载提供能量；当主开关关断后，负载电流向主开关的结电容 充电，当主开关电压达到输入电压时，变压器原边电压为零，励磁电感与开关 结电容谐振，当主开关电压达到输入电压与钳位电容电压之和时，钳位开关的 反并联二极管导通，这时钳位电容电压加在变压器原边，则变压器原边的电压 为负电压，变压器励磁电流线性下降，变压器复位，在钳位电容的作用下反向 励磁【5 1 。 在一个周期中，该变换器有七种开关状态，其等效电路图如图2 2 1 所示， 主要波形如图2 2 0 所示。在分析之前，作以下假设：( 1 ) 所有开关器件均为理 想器件；( 2 ) l 足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变。( 3 ) 钳位 电容足够大，其电压基本保持不变。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 4 页 ( a ) 开关状态1 舶，t 1 】 ( c ) 开关状态3 切 ( e ) 开关状态5 阻，t 6 ( b ) 开关状态球1 ，u ( d ) 开关状态4 【b ，t 4 】 ( f ) 开关状态6 【c 5 ，t 6 + r t o ( g ) 开关状态7 ，1 7 】 图2 - 2 l 有源钳位正激变换器各状态等效电路图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 开关状态l t 0 ，t 1 ：t o 时刻，开关管导通，续流二极管d 2 关断，整流二 极管d 1 导通，励磁电流线性增加。 开关状态2 t l ，t 2 ：t l 时刻，开关管关断，整流二极管d 1 继续导通，此 时折算到原边的负载电流和励磁电流同时给开关管的结电容充电，由于励磁电 流很小，所以开关管的结电容的电压从零开始线性增加直到输入电压。 开关状态3 t 2 ，t 3 ：这段时问里，开关管的结电容的电压继续增加，加在 变压器原边绕组的电压为负向电压，副边绕组的电压也为负，整流二极管d 1 关断，负载电流经过续流二极管d 2 续流。原边电流为励磁电流，励磁电感与开 关管的结电容谐振工作，励磁电流减小，结电容电压增加，最终增加到u f 。+ “。 丌关状态4 t 3 ，t 4 ：在t 3 时刻，结电容电压增加到【+ ( ，c c 时，钳位二极 管d 。导通，励磁电流流经钳位二极管d 。，结电容电压被钳位在l + 【，。，负载 电流继续流经续流二极管d 2 ，此时加在变压器原边绕组上的电压为一l 么，励磁 电流线性减小，直到t 4 时刻下降到零。 开关状态5 t 4 ，t 5 ：在此开关状态中，钳位二极管d c 自然截止，励磁电流 开始经过钳位开关管s 。反向流动。 开关状态6 t 5 ，t 6 ：当钳位开关管墨关断后，结电容开始放电，励磁电流 继续反向增加。当结电容电压下降到输入电压时，该状态结束。 开关状态7 t 6 ，t 7 ：在此开关状态中，结电容的电压有继续下降的趋势， 这时原边绕组的电压将会为正，同样副边绕组的电压也为正，使整流二极管d 1 导通。由于原边电流很小，不足以提供负载电流，因此续流二极管d 2 继续导通。 在这段时间里，d 1 和d 2 同时导通，将副边绕组钳位到零，因此原边绕组电压 也为零。在t 7 时刻，主开关管开通，下一周期开始。 钳位电容电压为： 玑，；盟。坐 (219)1d1d “ 一一 、 ， 若给定