（电力电子与电力传动专业论文）一种高性能低压大电流dcdc变换器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t h 【h cd e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i c sa n di n t e g r a t e dc i r c u i t s o m ee l e c t r o n i c s e q u i p m e n tj u s ta sm i c r o p r o c e s s o ra n dp l dn e e dp o 、e rs u p p l y w i t h a i o 、o l t a g e f o ra l o w e rd i s s i p a t i o n o nt h eo t h e rh a n d q u i c kr e s p o n s ei sn e e d e dw h e nt h em i c r o p r o c e s s o r s t a r t st of u l l l o a dw o r kf r o ms t e e p s o m en e ws t u d y f i e l d sa r eg i v e ni nt h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l 、b yb o t ho f t h ea b o v e al o w 一, , o l t a g e h i g h c u r r e n ts e c o n dc o m m u n i c a t i o ns v v i t c h i n gp o w e rs u p p l y i t h4 8 vd c i n p u t 5 v , 5 0 ad co u t p u ti ss t u d i e di nt h i sa r t i c l e f o r l o w - v o l t a g eo u t p u td c d cc o n v e n e r t h ee f f i c i e n c yi st h em o s ti m p o r t a n ti nt h i sa r t i c l e s o m et y p i c a ld c d cc o n v e r t e r t o p o l o g y a r e c o m p a r e da n da n a l y z e d ap h a s e s h i f t e df u l l b r i d g e c o n v e n e rc i r c u i te a s i e rt oa c h i e v e z v sa n dn 、os e c o n d a r y s i d er e c t i f i e rt o p o l o g y 。e n t e r _ t a p p e ds e c o n d a r y s i d et o p o l o g ya n d c l l r r e n t d o u b l e rs e c o n d a r y s i d et o p o l o g y - - s u i t a b l ef o ri o v , 一v o h a g e h i g h c u r r e n t o u t p u ta r e s e l e c t e df o rt h e e x p e r i m e n t f o r r e d u c i n gd i s s i p a t i o n o l t h er e c t i f i e ri n i o v , - 、o l t a g e h i g h - c u r r e n t d c d c c o n v e r t e r ，s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o na r es t u d i e da n d e x p e r i m e n t e d i nt h en or e c t i f i e r t o p o l o g i e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o v t h e h i g h e s t e f f i c i e n c y c a nr e a c h8 6 i nt h i sd c d cc o n v e r t e ra t 1 5 vo u t p u tv o l t a g ea n d0 - 5 0 al o a d c u r r e n tr a n g ei nt h es a m et i m e t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi s s t u d i e di nt h i sa r t i c l e 、 h e na d d i n gl o a d s u d d e n l y ad e r i v a t i v ei s i n d u c t e dt oq u i c k e nt h e r e s p o n s e b e s i d e s a na d d i t i o n a lc i r c u i ti s d e s i g n e dt oc o m p e n s a t et h ed r o pv o l t a g ew h e n a d d i n gl o a d i ta i m st or i s et h eo u t p u tv o l t a g et ot h er a t e dl e v e lp r o m p t l y t h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n ts h o st h i ss c h e m ei se f f e c t i v e w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e t h ec o n d u c tr e s i s t a n to fp o w e r m o s f e tw i l lb es m a l l e ra n ds m a l l e r a n dt h ed i s s i p a t i o no f s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r sw l l lb e p r o v i d e d o t h e r s ，t h er a p i d n e s so ft h ed y n a m i cr e s p o n s ei sf a rf r o mp e r l e c tb e c a u s eo ft h e d e l a y so f t h ec i r c u i t t h e r ea r es o m e t h i n gt or e s e a r c hf u r t h e rm o r e k e y w o r d s ：d c d c c o n v e r t e r d y n a m i cr e s p o n s ec e n t e r - t a p p e dr e c t i f i e r s rc u r r e n t d o u b l e rr e c t i f i e r l o w ，v o l t a g e h i g h - c u r r e n t 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1电力电子技术概述 通常认为，1 9 5 6 年美国贝尔实验窜( b e l ll a b o r a t o r i e s ) 发明第个晶闸瞥( s c r ) 就是电力电子技术诞牛的标志，自此电力电子技术迅速发展成。门新兴的学科。电j 电子技术是电子技术发展的个分支，同时又是多利，学科相可渗透、柏可交叉的结果。 美国电气电子t 程帅讪，会( i e e e ) 对电力电子技术的定义是：“电力电子技术是指有 效地利川电力半导体器件，应川电路理论和设计理论以及分析开发t ：具，交现肘电能 的高效率变换和控制的门技术，它包括电胝、电流、频率和波彤等力面的变换。” 我们可以这样理解：电j 电子技术就是以电j 电子器件为桥梁，借助十微电子技术、 控制坪论、电路坪论等 _ 具米控制电力电子器件的t 作，从而实现对电能的各种转换 和控制的门学科，如剀1 一l 所示。经过4 0 多年的发展，电电子技术已经肜成r 它自己的较为完整的学科体系和理论，成为门相对独立的学科。 令 赢赢 图1 1电力电了技术的削释 1 1 1 现代电力电子器件 电力电子技术的发展住很大程度上决定于电力电子器件的发展，器件是电力电子 技术发展的皋础。传统的电力电子学以大功率半导体器件为代表，8 0 年代以米，微 电子技术与电力电子技术在各自发展的堆础上柏结合而产牛了代高频化、仝控型的 功率集成器件，电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。电力半导体器件可分 为三大类型：单极型、双极型和混合型，幽l 一2 即为电力电子器件的发展“树”示 意幽【2 1 0 1 1 1 1 单极型器件 学赦型器件就是指器件内只有利- 载流子，即只有多数城流子参与的半导体功率 器件，般而言，单极型器件输入阻抗高，开关速度快，但导通旭降较高，耐康较为 华中科技大学硕士学位论文 有限(股不高十1 2 0 0 v ) 。几前市场上的单檄型器件辛要有功率场控晶体管即功率 m o s f e t 、静电感戍晶体管( s i t ) 以及肖特坫势每_ 檄管。 图l 一2电力电子器件发艇“树” 其r i ，功率m o s f e t 近年米发展得j 常快，成为现代电力电子技术t i i 麻川最广泛的 器件之。从住物理特性上来看功率m o s f e t 由多数故流子导电，尤少子存储效应， 冈而开关时问垃，般为纳秒数量级，t ：作频率可以达到l m h z 左右。功率m o s f e t 的输入阻抗( 栅源檄问阻抗) 很大，大j 4 0 埘q ，为电 控制型兀件，控制较为方便。 而且冈为该器件的电流具有负温度系数，冈而器件具有良好的电流自动调节功能，不 易产牛局部热点，_ 二次。ir 穿的可能性很小。功率m o s f e t 不足的地方是导通胝降高， 并且随着器件电k 和温度的升高导通胝降也增加。f r 是，这点并不妨碍功率m o s f e t 在巾小功率的开关电源领域的麻川，有人说，功率m o s f e t 是开关电源的第川语1 4 i 。 尤其是住现代通信事业r l i ，些电子设备如c p u 、d s p 等为提高t 作频率、减小损耗， 对电源的要求是希望电压尽可能的低f 低于2 n ，在这样的戍川场合下，对功率m o s f e t 的电雕要求并不高冈此可以通过减小器件耐j t 米减小通态阻抗。美国国际整流器( i r ) 公司已经针对十这种廊川场合研制出了系列低振大电流的功率m o s f e t ，如 i r f p 3 7 0 3 等，通态阻抗已经做得非常低( 2 5 m q ) ，这种器件在些低胰输出场合可 以替代肖特皋二极管作为整流管使川，能有效的提高低胜电源设备的效率。 1 1 1 2 双极型器件 双极型器件是指器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的半导体器件，般来 华中科技大学硕士学位论文 件，双擞型器件容量较大，通态胝降低，阻断电艟高，f r 开关速度较低。常见的有s c r ， g t o ，g t r 和s i t h 等，而应川最广泛的还是g t o 和g t r ，而传统的强迫关断的普 通晶闸管( 俗称可控硅s c r ) 已经逐步被可自关断的可关断晶闸管( g t o ) 和大功率 晶体符( g t r ) 所代替，静电感应晶闸管( s i t h ) 是几前开关速度最快的晶闸符，侗 由 r 艺比较复杂，仍未广泛的使川。 1 i 1 3 混合型器件 所谓混合型器件是指由双极型和甲极型器件混合而成的功率半导体器件。它是川 g t r 、g t o 以及s c r 作为事导i 件，川m o s f e t 作为控制儿件混合集成之后产f 的 b i m o s 器件。这种器件既具有g t r 等双极型器件大容量的优点，又具有m o s f e t 等甲板型器件输入阻抗高、响麻速度快等优点，冈此这种新型混合型器件越米越引起 人们的关注。n 前已开发的混合型器件有肖特捧注入门极晶体管( s i n f e t ) 、绝缘门 檄晶体管( i g t 或i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、m o s 控制晶体符( m g t ) 、集 成门檄换流晶闸管( i g c t ) 、集成门板强驱动晶闸管( i e g t ) 、功率集成电路( p i c ) 等。而这些器件，h 廊1 1 最广泛的还是i g b t ，其他些器件在研究和实川l ：都还有待 发展。 现代电力电子器件其实丰要是指各利，高频化全控型的功率器件【“，包括：功率场控 晶体管( m o s f e t ) 、绝缘门极晶体符( i g t 或i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、 m o s 控制晶体管( m g t ) 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 、集成门极强驱动晶闸管 ( i e g t ) i 功率集成电路( p i c ) 以及智能功率模块( i p m ) 等。这些器件都是电j 卡控 制型的，输入阻抗较高，冈此控制电路简甲、驱动功率小、可采川集成驱动电路，从 而大大简化了驱动电路的设计，同时它们都可以t 作在较高的开关频率，从而可以缩 小装置体 i i ，提高功率密度。特别是像智能功率模块( i p m ) 和功率集成电路( p i c ) ， 它们是由功率芯片( 如i o b t ) 、驱动电路、保护电路和检测电路甚至控制电路集成而 成，其保护电路包括：过流保护、短路保护、欠胝保护以及过温保护等，这样的电力 电子器件使川起来就更方使灵活，体私 也更小。总之，现代电力电子器件发展的趋势 就是集成化、高频化、多功能智能化、大容量化。 为了进步满足高频电力电子技术戍j 1 j 的要求，降低开关损耗，提高系统的效率， 出现了系列概念电力电子器件。现在人们研究硅( s i ) 以外材料制成的新型功率变 换器件，如碳化硅( s i c ) 、砷化镓( g a a s ) 、半导体金刚石片、超导功率器件和光能 功率器件等。这些材料将有助于研制和开发出大功率、高频、低通态电k 降、高温和 抗辐射能力强的电力电子器件，这将是电力电子器件将是今后发展的方向。随着新理 论新材料新机理功率变换器件的问世，将会使电力电子器件进入新时代。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2电力电子技术的发展及应用 众所周知，电力电子技术的发展是建立住电力电子器件发展的皋础上的，根据电 j 电子器件的发展历程及其府川，电j 电子技术的发展大体可以分为四个阶段： 1 9 5 6 年刮7 0 年代初为电j 电子技术的第阶段( 通常也称为传统电j 电子技术阶 段) 。这阶段的电j 电r 技术的发展辛芟体现在晶闸管( s c r ) 及其麻川上，住此期 问，j ，婪针对晶闸符加负j 级信号小能关断的弱点，设汁出斧式眷样的换向电路，虽 然这止匕电j i ! 的结构平r 作模式都 l 常复杂，f r 是圭 ：直流电机训速、电焊机、电加热、 t 岛爪直流输电( h v d c ) 、感应加热等领域得到广泛膨川，晶闸管技术及乓膨川已经柏 “1 成熟。 7 0 年代i l ，期，大功率g t r 、功率m o s f e t 以及高肚大功率g t o 等器件的相继研 制成功，以及这些器件与微处理嚣的结合使川，撇大地促进了电j 电子技术的发展， 使电j 电f 技术进入发展的第j 阶段，住这+ 阶段交流渊速技术得到很大发展，为 1 7 能和机电体化引fj 毕的技术罐础。 从8 0 年代初开始，箨种全控掣电j 电子器件大量涌现，特别是m o s 型绝缘栅双 檄晶体管( i g b t ) 、m o s 控制品闸管( m c t ) 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 、功率 集成电路( p i c ) 和智能功率模块( i p m ) 的相继研制成功以及性能的不断提高，使电 j 电子技术进入发展的第i 阶段，住这个时期，这些新器件卜j 专川集成电路( a s i c ) 、 汁算机技术、计算机辅助设计柑结合，使电力电了：技术得到飞快的发展。 进入9 0 年代以后，。方面电电子器件继续向大功率、高频化力向发展，另方 面各种新的变换器拓扑电路和控制力+ 案层出不穷，特别是对d c d c 变换器、d c a c 变换器、功率冈数校正技术( p f c ) 、软开关技术( s o 孵s w i t c h i n g ) 的研究使得电力电 子技术的戍川范同更加广泛和深入。这阶段可以认为是电力电子技术发展的第四阶 段。在此阶段，电力电子技术综合了现代电子技术、自动控制技术、计算机( 微处卿 器) 技术、电磁技术等，使其真正成为。门多学科边缘交叉技术。 住“前及今后的段时问坐，电力电子技术的研究力向丰要可归纳为如下几力面： l软开关技术的发展 众所周知，要减小袈置的体j ! l ，提高功率密度，最有效的方法就是提高装置的丁 作频率。1 前而言，些开关器件的 一作频率都已经有了很大的提高，如功率m o s f e t 可达数百k h z ，i g b t 也可达到1 5 0 k h z ，而s i t 则可达1 0 m h z 以上。而在实际戍川f h 提高开关频率的同时，开关损耗也随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大。 为解决这些问题，使开关器件在实际装置1 i ，能够有效可靠的实现高频t 作，出现了软 开关技术。所谓软开关技术文际上就是在装置一i - 实现开关器件的零电胝开关( z v s ) 华中科技大学硕士学位论文 或零电流开关( z c s ) ，即在开关器件开通和关断的过程 t 使其承受的电胝或流过的电 流为零，这样就可以使其开关损耗为零( 坪想情i 兑) 。 2 功率挑置模块化 仟何门技术发展的最终n 的就是可以与便简易的为人们所i j ，电j 电子技术“1 然也不例外。功率装置的模块化是使电力电子技术力使简易的为9 l f f j p ) tj ij 自q个途铎， 2 0 0 0 年秋荚国电j 电子研究l ir 心( a p e c ) 的牟哲儿教授企华i r 科技大学的电力电子 号题讲座上就说模块化( p ( w k a g e ) 是电j 电子技术术米发展的 个力向。这样将电j 电f 装置个个打包成模块，人们住使川时呵以缘堆平j ：木样，方使的进 _ j ：并联、串 联和级联：而这利，模块化的发展也可显著提高电电子设备的可靠性、可维护性以及 使川的灵活性。 3 控制技术数字化 随着电力电子姨置高频化、智能化以及控制方案复杂化的发展要求，传统的模拟 控制电路存在很多问题，如电磁干扰( e m i ) 、控制电路体穆! 庞大等，从而使得系统的 可靠性大为降低。为危牟决这些i 口j 题，在电儿电子裟置t 引入了微处理器控制技术。最 近几年，针对十电力电子技术应川的数字信号处砰器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) t m s 3 2 0 c 2 4 x 投入麻川，该处理器芯片具有很强的运算能力，且内含埂件乘法器，运 行速度很快( 大郭分指令的执行时问为5 0 n s ) ，可以完成以前。些冈复杂且运算量太大 所无法实现的控制方案，如自适应控制、模糊控制、最优控制、智能控制等等。这些 数字处理器在电力电子装置一i t 的廊川使控制电路大为简化，降低了系统的造价，缩小 体积，降低功耗，同时还有效的提高了系统的可靠性，而且数字控制没有温度漂移问 题，运算精度高，可力- f 更地改变设定值，便于数据双向传输、易十构成集一散控制系 统，可以方便地附加显示、报警、数据采集和自诊断功能。 二卜世纪的到来，全世界范嗣内的信息技术及其相关技术将会得到更为迅猛的 发展，这无疑会进步扩大电力电子技术的廊川领域。可以预见，作为电子信息技术 的皋础性技术，电力电子技术在2 i 世纪，f ，将会起着f 分重要的作川，其戍川前景将会 比现在更加光彩夺几。 1 2 d c d c 变换技术 电力电子变换器根据电能转换的剃类，丰要可分为如下四利r 类型：f ：】 1 直流一直流变换器( d c d c 变换器) ：将- 币p 直流电能转换成另种或多种直流 电能的变换器。 2 直流一交流变换器( d c a c 变换器) ：将直流电能转换成交流电能的变换器，又 称逆变器。 华中科技大学硕士学位论文 3 交流一直流变换器( 爿c 1 d c 变换器) ：将交流电能转换成直流电能的变换器，又 称槎流器e 4 交流一交流变换器( f 4 c 变换嚣) ：将种频率的交流电能直接转换成另利， 噎定频率或可变频率的交流电能，或是将变频交流电直接转换成恒频交流电的变换器， 叉称交交变煳器。 以：阴种电力电_ ，变换器柑可：之问转换彤式如幽l 一3 所_ 。 圈l 电能转换的v u 种旺式 所有的电j 电了装置都i r 以归纳为以上几利t 电能变换彤式t i ；的羊l i i 或几种，向每 、种电能变换形式都有种或多 t 川米实现它的事电路拓朴。本文研究的辛要埘象是 d c d c 变换器，d c d c 变换器按输入输出是否隔离可分为j l 隔离型和隔离型两种： 1 2 1 非隔离型d c d c 变换器 常见的f l 隔离型d c d c 变换器有降报式( b u c k ) 变换器、升屑式( b o o s t ) 变换 器和升降j k 式( b u c k b o o s t ) 变换器，它们的拓扑结构幽分别如幽1 - - 4 、i 一5 和l 一6 所示。这利叫i 隔离型的d c d c 变换器丰电路股由开关管q 、二极管d 、电感r 和输 出滤波电容。构成，开关管9 的控制信号为p w m 信号，稳定t 作时其控制信号的占 空比川d 、表示，通过改变占空比即改变个开关周期r t 开关管的导通时问瓦。米渊节 输出得到想要的输出电胝幅值，它们的输入输出电胝的荩本关系分别为： 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 ，= d 、 p ：，= d 、 ，= ：。d 、( 1 一d 。) 1 2 2 隔离型d o d o 变换器 隔离型d c d c 变换器是指输入与输出通过隔离兀件耦合的直流变换器，隔离冗件 般采川变胝器，丰要可包括正激式( f o r w a r d ) 变换器、反激式( f l y b a c k ) 变换器、 推挽( p u s h p u l l ) 变换器以及带隔离变压器的半桥( h a l f - b r i d g e ) 变换器和全桥 6 华中科技大学硕士学位论文 ( f u l l b r i d g e ) 变换器等。它们的拓扑电路如图l 一7 至图l 1 1 所示，其i t 图l 1 0 和幽i 一1l i i t 变胝器副边整流电路同幽1 9 变水器副边电路。这利隔离型d c d c 变 换器一h 开关管般也按p w m 方式t 作，变换器稳定t 作时开关管控制信号的占空 比为及，与非隔离型d c d c 变换器相比，它加入了隔离变胝器进行输入输出隔离和 电压升降的调节，冈此具有更宽的电旭调节范用，隔离变k 器的原副边匝比为k = w l ，通过改变k 的大小，可以有效地对输入电胝进行变换。 正激式变换器h 其输入输出关系为：，= d 、一，k 。反激式变换器一h 变j 1 i 器 图l 一4 降j i ；式( b u c k ) 变换器拓扑 一一7 _ 一一 p 。d i 。峰i 盯半；场 ：- - - - - - u u - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - l - - - - - - - j 。l 圈1 - - 6 升降j i i 式( b u c k b o o s t ) 变换器拓扑 + | | 乒r + 娠盯士场 h 峰 ) j 一 一口 图1 5 川m 式fb o o s t ) 变换器拓扑 丽厕弓广一：；j 丁_ ；! !彤i ( 1 ，末窆瞄 w b j ： d 3 0 一 图i 一7 正激式( f o r w a r d ) 变换器拓扑 卯z d 盯1 。聊； _ 一【_ j ，韶! 脚# 7 2 ； 图l 一8 反激式( f l y b a c k ) ，叟换器捕扑图i 一9 推挽式( p u s h p u l l ) 变换器拓扑 十 h 图i 一1 0 、卜桥( h a l f - b r i d g e ) 变抉器拓扑圈1 1 1 个桥( f u l 卜b r i d g e ) 变换器拓扑 相? 1 十对耦合电感丁作，变换器_ t 作在电流连续方式时，输入输出电压的摹本关系 为：= d 。- ( i d y ) ka 推挽变换器、半桥直流变换器和全桥直流变换器都属十 d c a c d c 变换器，它们都是先将直流输入电压变换成交流电压通过变乐器进行隔离 降压然后冉通过整流电路变换成直流输出，通过改变开关管控制信号的占空比巩改变 l 严 = o 一 峰慕 万 盯 丁 ， 华中科技大学硕士学位论文 交流电h 的有效值，从而改变输出直流电胝幅值，它们的输入输出电j k 关系都为： = d 、k 。推挽变换器一i ，变j t 器绕组w l l = i ：= ，i = 二= d = 2 7 e ， l 。为g i 、9 稳定t 作时的导通时问。半桥变换器和推挽式变换器最大的区别在十推 挽式变换器开关符关断时曲端电j t 为电源电胝的两倍，变j t 器原边电h 幅值为电源电 j 士向半桥变换器开关管关断时曲端电胜为电源电j k ，变托器原边电胝幅值为电源电 球的半。 全桥变换器的书电路由四个开关管构成，闻此庄控制力。式上可以较为灵活，常川 的控制方式宵舣微一r l 摔制、有限以檄r 土控制和移相控制。其一l 一双撇性控制最为璀础， 笄开父箭郜丁作住p w m 力式，只是在个开关周期t s 的前半周，让q 1 和9 同时导 通7 k ，后半周让q 和9 同时导通7 ，占空比p ，= 2 t o , t , ：有限双极性控制是指让 个桥臂的歼关管9 l 和9 ：t 作住p w m 方式，任 个开关周期t 内各导通7 ，而让 另桥臂的q 3 和。4 轮流导迎半个剧期：移剌控制方式是指住个开关周期内，让q t 和9 ：轮流导通1 8 0 。，向让9 和9 分别j9z 和9 二错开个角度a 后冉轮流导通，即 q 。先吁姬，过，个角度口后9 冉导通，根据输出电胝的要求，利川p w m 力式米决定 口角度的大小，占空比d 、一2 ( 1 - 甜) 3 6 0 0 。 13 本文研究的主要内容 在通信领域- ( r ，通常将单相或三相交流电网变换成标称值为4 8 v 直流的a c d c 变换器( 整流器) 称为次电源，而称将4 8 v 直流电j t 变换成更低电胝( 1 2 v 、5 7 、 3 3 v 、2 v 以f 等) 输出的d c d c 变换器称为二次电源。由十通信事业的发展，对通 信电源的要求越来越高，特别是对给些处理器供电的二次电源住低电j t 、高性能方 面的要求越来越高。 本课题辛芟针埘低卡大电流的d c d c 变换器，住其变换效率、动态响应快速性等 方面作了些研究，_ 丰要分为如下几个力面。 1 3 1全桥移相零电压开关变换器的研究 仝桥移档变换器是指在个开关周期内，让个桥臂的两个开关管轮流导通1 8 0 。， 而让另外个桥臂的两个开关管分别错开个角度d 后冉轮流导通1 8 0 。，根据输出电 胝的要求，n i l jp w m 力式米决定a 角度的大小，从而涮节输出电h 的幅值。根据移 相控制的原理，仝桥变换器t fr 有个桥臂始终超前于另。个桥臂由于变压器原边的 激磁电感和变j 器副边滤波电感的作川，使得超前桥臂开关管很容易实现零电乐开关， 然而滞后桥臂却较难实现零电慷开关，为了实现滞后桥臂开关管的零电脏开关，就得 相应的庶川些辅助电路。本文的第二章埘d c d c 变换器t i - r 全桥移相变换器的皋本 r 华中科技大学硕士学位论文 丁作原理作了详细的分析和介绍，并给出了在全桥移柏变换器f - 对开关管实现的软开 关的几种技术。 i 3 2 同步整流技术的研究 同步整流技术就是将整流电路t l 一的整流二擞管由导通电阻较小的功率器件如功率 m o s f e t 代替，利川功率m o s f e t 可反向导通的原坪，给它适”1 的驱动信吼f 本来 流过二微管的电流通过功率m o s f e t 流过，使得整流管两端的导通j k 降减小，从向减 小整流损耗，提高变换器系统效率。住第三章、h 首先给出了几利隔离型d c d e l 变 换器i i i 变h 器副边的输出整流电路拓扑，分折了它们的优缺点，详细介绍- r 同步整流 的”r 作原弹及其优 。 1 3 3 系统动态响应快速性的研究 住常川的比例移 分( p i ) 调节器的罐础上加入微分( d ) 环节可以改善系统动态响 戍的快速性，们对十些时动态响应快速性要求较高的系统而言，还是不够的，冈此 可以考虑“1 系统开始动态调节时独立十系统外给输出加上个补偿使之快速进入稳态 t 作范同。本文第三章辛要针对r i 前些设备村变换器系统动态响戍快速性的要求提 高，分析了影响系统动态响应速度的些冈素，提出了剃叻n 快系统动态响戍的力案， 并进行了详细的分析。 1 3 4 电路设计及其仿真与实验结果 第五章丰要内容是结合前面几章的分析，采川了移柏全桥零电爪开关和同步整流 技术自行设计了奁4 8 矿直流电压输入1 5 v 5 0 a 输出的低烁大电流d c d c 变换器， 并埘变换器突加负载时的动态响戍速度进行了研究。给出了实验电路的设汁，以及电 路的实验结果。 1 3 5 全文总结 住第六章r h 首先对本文研究低压大电流d c d c 变换器的优缺点进行了分析和总 结，然后对低压大电流d c d c 变换器技术的研究领域和发展趋势进行了展望。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 移相全桥z v sp w md c d c 变换器 2 1 引言 如1 ：节所述，d c d c 变换器百多种甲管或双管打f 扑结构，。般住小功率场合 倾向十川这此开关箭较少拓扑较为简学的电路，向往i f ；大功率场合，随着开关管的电 胝和电流府j 增加，仝侨变换器成为较为理想的选择。另外，冈为全桥变换器有四个 开关管分为伪个侨臀，在控制方式上更加灵活多样，可以方使的实现开关管的软开通 和软关断，使变换器的开关坝率提高体和 缩小，如移市h 控制的仝桥变换器就可以比 较力使的实现开关箭的软开关i ，鉴f 此t f l | 考虑，本课题i ，虽然变换器的功率很小， 仍然采川仝桥变换结构。本首将弹细分析移柏控制零电t 开关p w md c d c 仝桥变 换器( p h a s e s h f t e dz e r o v o l t a g e s t t ，i t c h i n gp w md c d c f u l l b r i d g ec o n v e r t e r , p sz v s f b c o n v e r t e r ) 它叮以利川变j i 器漏感、削边滤波电感和功率管的寄牛电容较容易的实 现开关管的零电j t 丌火( z v s ) 。幽2 1 ( a ) 为移柑全桥z v sp w m 变换器的摹本拓 扑电路，其一l d i d 。分别是g l g ，的内鄞奇牛二檄箭，f i g 分别是q 1 a 的奇 m 二_ ! ：c 1 峨二- 3 d 1 h d ： l 工 v i n r 、7 i 三二o 一监 处。“一毒 q d q d 1 p v a b o = _ 丽一。 一r + ； v re c t 。，丰争。 墼二，。；盥 一 r 1 p a ) 主电路打t 扑 0 l f 0 2 f 0 1 q 4 q 3 l q 4 一 ： l l 一 一， 八厂 i i 。 l t i n? | - - - - _ ： ， 1 l i 。 ? v i nk j ， h l 、。 ， ， ? ! i 、- 一一 f、li l，t 1 j ； h l ( b )土业波形 图2 一l移相控剖z v sp w md c d c 伞桥变换器的主电路及土婴波形 0 华中科技大学硕士学位论文 电容或外接电容，是谐振电感，如果不在变抵器原边串联外接电感，o 即为变胝器 原边漏感。每个桥臂的两个功率管成1 8 0 。瓦补导通，曲t 个桥臂开关符的导通角相差 个相位，这个相角称为移柏角，通过涮节移相角的大小可调节输出电胝。如幽2 一l ( b ) 所示q 。和q 分别超前p 3 和9个柏位a ，冈此q l 和q 2 组成的桥臂称为超前桥臂t q 3 和d 4 组成的桥臂称为滞后桥臂。 2 2 移相全桥变换器的工作原理 住个开关周期小，移柏仝桥变换嚣有1 2 利r 开关模态，如幽2 一l ( b ) 所示，其 t i t 前半开关周期的6 个模态与后半开关周期的类似，幽2 2 给出了变换器住6 种不同 开关模态下的等效电路。下面将对变换器的各个开关模态进行详细的分析，且分析是 住如下假设的皋础上进行的：f ”l j ) 所有开关管、二极管均为瑚想器件： 2 ) 所有电感、电容和变胝器均为理想器件，不考虑其奇牛电容、电感等； 3 ) c j 2 c 3 = c f m ，c 3 2 c 4 。c h ； 4 ) l ，) ) ，k2 是变压器原副边匝比。 1 开关模态0 t o 时刻 幽2 - - 2 ( a ) 所示 在t o 时刻，q t 和q 4 导通，原边电流流经q t 、谐振电感厶、变压器原边绕组以 及q 4 。整流器d 5 导通，d 6 截止，原边给负载供电。图2 2 ( a ) - l t 的黑粗线为该时刻 电路巾各电流的走向。 2 开关模态l t o f ，时刻 幽2 2 ( b ) 所示 在t o 时刻关断9 ，原边电流岛从q l f 一转移到c i 和q 支路t h 给c 1 允电，同时 给q 放电。住这个时段坐，谐振电感0 和副边电感，串联，而且较大，可以认为该 时段t 近似不变，类似于个恒流源。电容c 1 上的电胝从零开始线性上升，电容g 上的电服从零开始线性下降，闵此开关管q l 为零电压关断。电流拓和c 。、g 上的电 羝表达式分别为： ( ，) = ，p ( ，o ) 羞，l ( 2 f ) ， v ( 1 ( f ) = 百 o t o ) ，( f os f f i ) ( 2 2 ) l l e a d ， 心2 ( ，) = 一若l ( ，一f o ) ，s f 2 c h , u d 1 l ( 2 5 ) 在这段时间世原边电流等十折算到原边的滤波电感电流，即： ，“) = i ，f f ) j _ k ( “t 屯) ( 2 6 ) 住t ，i i , l 划，原边电流下降刮，- 。 4 开关筷念2 ：，二，3 时刻j ：蚓2 2 ( d ) 所示j 住，二叫到开关管d 4 关断，原边电流0 从9 l i ，转移到g 和c 4 支路1 h 给c 4 允 电，同时给放电。由十g 和g 的存住，。4 上的电t 不可能下就上升到输入电压， 而是从零逐渐上外的，冈此9 是零电h i 关断。此时v 。= 一v 。，v 。的极r 土由零变为负t 变爪嚣的副边绕组电势上正下负，整流二檄管d s 导通，副边绕组下半绕组开始流过电 v v i 鳗 a )t o 时刻 v i r l d t 1 1 - 一 r l d r l d ( c )h t 2 时刻 ( d )t 2 t 3 时刻 鬯! 二! 墨壁旦茎堡查塑篓墼皇堕一一一一 1 2 华中科技大学硕士学位论叉 v i r l d r 1 d r i d g )t j 、i 8 时剿 图2 - 2 续， 开始漉过毫流，如幽2 2 ( d ) 掰示。幽于整流管职和d 6 离辩导通，将变纸器副边 绕缀短接变援嚣剁边绕终电援为零，原边绕组电援也为零，盔接拥在谴掇电感 ，上，因武在这段时闸塑实酥二是0 与c 3 、g 在谐振下搏。蹶边电流毛晕跬c ，、c 2 上 鹩电羝表达式分霸l 为： 式z 。f 土， 9 v2 c f a g i p ( t ) # 1 2c o s c o ( t ：) ， ( 。2s t ( t 3 ) v a t ) = z p l 2s i n o o ( t t 2 ) ， 2s f 立s i n - l 篓k k i 8 蒴 ( 2 1 1 ) 铲 华中科技大学硕士学位论文 虽然此时q ，己开通，但g 没有电流流过，电流0 由其反并联二极管d ，流通 经d ! 、，和d ，将谐振电感，r i z 的能量回馈给输入电源a 由于副边两个整流管同时导 通，冈此变雕器副边绕组电胝为零，原边电j t 也为零，这样电源电kl 。反向加住谐 振电感，曲端，原边电流线性下降： 到时刻，原边电流从l ( r ；) 下降到零，二檄管d 2 和d 3 自然关断，9 1 和q t 将流过电流。开关模态4 持续的时问为： 6 开关模态5 ，；时刻 蚓2 - - 2 ( f ) 所示 庄时刻，原边电流f 。由正方向过零，并且向负力向增加，流经q ! 和g 。由十 隧边电流仍不足以提供负城电流贸绒电流仍由两个整流管提供回路，加在谐振电感 茴嘛的电j t 为电源电tr ，原边电流反向线r 上增加： f ，、( ，) = 一( ，一，4 ) ( “， ，5 ) 【2 1 4 ) l ， 到“时刻，原边电流达到折算到原边的负钱电流值一，( ，) k ，该开关模态结束。 此时，整流管d ；关断，d 。流过全部负哉电流。开关模态5 的持续时州为： h ：! ：生堕竺 ( 2 15 ) 7 开关模态6 i t 5 k 时刻 幽2 - - 2 ( g ) 所示 在这段时间里电源给负载供电，原边电流为 ) - - 篙等，5 ) ， ( 2 1 6 ) 冈为， c ，p ? 。二+ c ，p j 。：+ c _ 。：= c ，“，：+ c ，w 2 ( f = l e a d ，蛔) ( 2 i8 ) 刈f 超前桥臂而言，比较容易实现开关管的零电胝开通。在超前桥臂开关管开通 时，输出滤波电感，是与谐振电感，串联的，此时川米实现开关管零电胍开通的能 量是l ，和，i ，的能量。般饰言，很大，在超前桥臂开关过程r h 其电流近似不变， 类似于个恒流源，这个能量很容易满足式( 2 18 ) 。 对十滞后桥臂而言，要实现开关管的零电j t 开通就比较刖雉了。在滞后桥臂开通 时，变压器副边是短路的，此时整个变换器分为两个部分，部分是原边电流逐渐 改变流通_ 方向( 由正方向过零) ，其流通路径由逆变桥提供；另部分是负绒电流由 整流桥提供续流回路，负载铡与变胝器原边没有关系，可以看作是曲个柏可：独立的部 分。此时川米实现开关符零电h 开通的能量只有谐振电感r i l 的能量，如果不能满足式 ( 2 1 9 ) 就尤法实现零电肤开通： 扣小c t 。v , 。：+ ；盯 ( 2 1 9 ) 2 3 。2 买现开关管z v s 的几种方法 前面已经分析过，超前桥臂实现z v s 是非常容易的，不需要什么外加辅助电路， 这里要讨论的实现开关管z v s 的方法是针对滞后桥臂而言的。总体说来，实现滞后 桥臂的z v s 大致有如下几种方法：2 】 2 3 2 1 增加励磁电流 对于定的谐振电感l ，必须有一个最小的厶值厶。来保证谐振电感l ir 的能量 三，；。2 能实现z v s 。文献 9 提出了用增加励磁电流l 的办法来实现z v s ，实质上 就是提高l 。但由于增加了励磁电流，使得原边电流在负载电流的基础上多了个 励磁电流，因而傅得最大电流值增大，也使通态损耗增大，同时励磁电流的增大还增 华中科技大学硕士学位论文 大了变胝器的损耗。并且由于励磁电流与负载无关，冈而这种方法使得变换器在轻载 时效率效率很低。 2 3 2 2 增大谐振电感 为交现开关管的z v s 迁可以增加谐振电感庄定的负载范用内文现z v s 。 已知个最小的负载电流，根据这个电流值，忽略励磁电流，可得到岛的最小值厶。， 冉利川式( 2 1 9 ) 就可汁算出所需的最小谐振电感。 们增加谐振电感会值副边占空比丢失的情况更严重。占