大功率高频开关充电电源的研制_图文

1、武汉理工大学硕士学位论文大功率高频开关充电电源的研制姓名：杨志刚申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：秦娟英;王攀20070401摘要本文所设计的大功率高频开关充电电源来源于某公司的实际产品研发项目，以实际样机的设计及调试过程为依托，从两个方面对主电路和控制电路的设计进行了详细分析，在实际研制过程中，采用理论分析与试验测试相结合的方式，对各电路设计进行调整优化。文章首先介绍了选题背景，开关电源技术发展的概况及功率因数校正技术的发展历程；提出了大功率高频开关充电电源的设计要求，并提出了论文设计的总体方案及文章内容安排。本文第二部分详细介绍了高频开关变换器的基本分类，分析了几种常见

2、变换器的工作原理，着重分析了全桥隔离型变换器的工作过程；对高频开关变换器的控制策略进行了介绍，着重分析了脉宽调制控制方式（）的工作机理。本文第三部分详细论述了本设计中高频开关变换器部分的设计内容。首先介绍变换器主电路的拓扑选择及元件选型；然后，阐述了平板变压器的技术优势，并从变压器的基本工作原理入手，详细论述了矩阵式平板变压器的设计原理。在此基础上，从实际应用的角度，对其进行了优化设计，结合全桥式变换电路及控制电路，设计实现了三相输入的矩阵式高频功率变换器，并完成了各主要电路参数的设计。本文第四部分阐述了单相技术的基本类型和优缺点，并着重介绍了舞压型有源电路的基本工作原理：对三相功率因数校正器

3、的主要电路拓扑结构进行了介绍，并分析了各种结构的优势及存在的问题，在此基础上提出了一种新颖的电路拓扑结构，确立了本选题所采用的三相技术的解决方案，即采用组合式的三相拓扑结构，单相主电路采用升压型电路，。控制电路采用平均电流控制模式。本文最后给出了样机调试的主要试验数据及波形，试验结果证明了本文所作理论分析及实际设计的正确性和可行性。关键词：，开关变换器，矩阵平板变压器，班，（），武汉理工大学硕士学位论文，：，独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得武

4、汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：莓丕杰西！日期：至主：！关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生签名：布留白筇导师堑名：雠日期：二丛武汉理工大学硕士学位论文第章绪论选题背景现代文明的发展进步，为人类社会带来了巨大的社会经济效益。人们在享受着前所未有的精神生活、物质生活的同时，也深

5、切感受到了其在能源、环境等方面所带来的巨大副作用。在人类社会的发展过程中汽车起到了一个重要的作用，汽车工业对于一个国家的经济和各项科技的发展起到了巨大的推动作用。但是，燃油汽车尾气排放污染是现代城市中大气的主要污染源，已经对环境造成了巨大的破坏，尤其严重的是内燃机的广泛使用使极其有限的石油和天然气资源正在以惊人的速度减少，而这些资源同时又是重要的、不可再生的化工原料，作为燃料直接燃烧是对能源的极大浪费。按照现在的消耗速度，石油、天然气资源仅仅能够再维持人类数十年的使用。面对着日益贫乏的自然能源，越来越恶劣的地球环境，“节能环保”已成为未来社会发展的一大主题。它要求人们节省能源，注重环保，以实现

6、可持续发展的目标。正是在这样的背景下，人们更加致力于清洁、环保的电动汽车的研制和开发。以动力蓄电池为能源的电动汽车被认为是世纪的绿色土程。电动汽车的基本特点是能自携电能，像普通汽车一样沿一般道路行驶，动力性、经济性、安全性和可靠性等达到或接近普通内燃机汽车。同时电动汽车具有噪音小、无排气污染、易维修、可利用用电低谷期间充电以及节能等优点，被认为是未来理想的交通运输工具。目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体在理论和技术上已较为成熟，而储能设备中的蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的要求，在理论上和技术上还有待攻关。蓄电池的好坏优劣，直接影响着电动车最主要的性能指标和使用效果。而充电装置

7、的好坏不仅直接影响到蓄电池的寿命，更重要的是它会影响到电动车的推广与使用，因此如何发展迅速高效可靠的充电技术己成为电动汽车领域研究的重点方向之一。武汉理工大学硕士学位论文近几年，国外很多大的公司已开始着手研制新一代的电动车充电器，以适应市场对充电器无污染、节能高效、快速便捷的要求，典型代表如美国的公司。该公司目前正着手研发下一代快速充电器，该充电器将保留原来所有充电器（和）的快速充电及智能化的特点，同时具有体积小，重量轻，效率高，独特的功能和扩展的特性。在产品设计的过程中应该考虑设计的独特性和可检验的要求，满足下一代充电器市场的要求。本论文选题正是源于公司下一代快速充电器研发项目，以在国内一家

8、合作公司的研发中心为开发平台，研制下一代充电器用高频功率模块电源。国内外开关电源的发展概况目前，常用的充电电源主要有以下三种：相控电源、线性电源、开关电源“。相控电源是较传统的电源，它将市电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变晶闸管的导通相位角，来控制整流器的输出电压。相控电源所使用的变压器是工频电源变压器，它的体积庞大，由此造成相控电源本身体积庞大、效率低下。而且该类电源动态响应差、可靠性能低。目前相控电源己经有逐步被淘汰的趋势。线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管可以连续控制的线性稳压电源。线性电源的功率调整管总是工作在放大区，通过的电流是连续的。由于调整管上的损耗功率较大，所以

9、需要采用大功率调整管并且需要装配体积很大的散热器。开关电源的研究发展历史比较短，二十世纪五十年代，（，美国宇航局）以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关型稳压电源（简称开关电源，）。经过近半个世纪的发展，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统的线性稳压电源，并广泛应用于电子设备中。二十世纪八十年代，计算机全面实现了开关电源化。二十世纪九十年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入了快速发展期。开关电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关管的占空比来调整输出电压。以功率晶体管为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极

10、两端的武汉理工大学硕士学位论文压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。所以其功耗很小，效率可高达。开关电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关管进行稳压，不需要工频变压器。此外，开关管的工作频率为几十千赫兹以上，滤波电容器、电感器的容量值较小。因此，开关电源具有重量轻、体积小等优点。又由于效率高，损耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且，其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网的波动范围为士，而一般开关电源在电网电压在范围内变化时，都可以获得稳定的直流输出电压。开关电源技术在二十世纪八十年代引入我国，由于在体积、重量、效率和可靠性等多方面的优势，目

11、前在计算机、通信、雷达、家用电器、自动化设备等众多领域中己完全取代了传统的晶体管串联调整稳压电源。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换后的电能可以满足各种用电要求，由于其高效、节能可带来巨大的经济效益，因此己引起社会各方面的重视。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家大约有家，形成规模的约有家，如爱默生电源、朝阳电源、汇众电源等【】。近几年，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断地出现并应用到开关电源上，国内外开关电源技术己经有了长足的进展。综合起来，开关电源的技术追求和技术发展可以概括为以下几个方面：高频化：开关电源的体积、重量主要

12、是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。软开关技术：为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应运而生，具有代表性的是无源开关技术和有源开关技术，主要包括（零电压开关零电流开关）谐振、准谐振、（零电压零电流脉冲脉宽调制技术）以及无源无损软开关技术、有源软开关技术等【】。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，而效率的提高降低了整机的温升，增加了开关电源的可靠

13、性。功率因数校正技术（）：目前技术主要分为有源技术和无源技术两大类。采用技术可以提高变换的输入功率因数，减武汉理工大学硕士学位论文少开关电源对电网的谐波污染。计算机辅助设计（）和智能化：采用计算机辅助设计和仿真技术设计最新变换拓朴和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检侧、记录并自动报警等。另外，新的磁性材料及变压器技术的研究也是开关电源技术发展的重要方向之一。面对开关电源效率更高、体积更小、重量更轻的发展趋势，传统的隔离交压器在效率、体积、重量等方面严重制约了开关电源的进一步发展。同时由于变压器涉及到的主要参数有电压、电流、频

14、率、变比、温度、磁芯值、漏抗、损耗、外形尺寸等，所以一直无法像其它电子元器件那样有现成的变压器可供选用，常常要经过繁琐的计算来选用磁芯和绕组导线，而且绕组绕制对变压器的性能也有较大影响，加之变压器的许多重要参数不易测量，给使用带来一定的盲目性，很难在频率响应、漏抗、体积和散热等方面达到满意效果。平板变压器（）技术则在隔离变压器的许多方面实现了重要的突破。平板变压器采用低高度的磁芯配合特殊的绕组绕制方式，变压器的应用设计灵活，让电路的结构的选择更具有弹性，效能更高，给开关电源技术带来了新的进步。目前，国外的许多电源产品中都开始采用平板变压器技术，如蓄电池充电电源、通信设备分布式电源、等。而国内的

15、隔离开关变压器在材料、工艺等方面与国外先进国家有一定差距，阻碍了开关电源开关高频的提升和效率提高，使开关电源产品停留在一个较低的水平。平板变压器技术将会为高频开关电源的设计和产品化提供有益的帮助。功率因数校正技术的发展历程及现状随着电力电子技术的发展，大量电子设备，如计算机、打印机、电视机、电子整流器、灯光调节器等投入使用，使得谐波电流迅速加大，大大降低了电网的供电质量，给用电设备的安全稳定运行带来了威胁。过多的谐波电流电流成分将会产生一下几个方面的危害：使在电网传输线上流过大量无功电流，产生过多的电能传输损耗。使三相四线供电系统中的零线电流增大，容易导致零线过载。武汉理工大学硕士学位论文引起

16、电压失真，使接在同一电网的电机过热，降低其有效输出功率。对接在同一电网中的电子设备，尤其是通讯设备，产生电磁干扰。可能在供电系统中引起其它危害，如使电网电压产生波动，进而对接在同一网络的照明设备的亮度产生变化，这种灯光的闪烁对人的健康特别有害。这种低功率因数用电设备对电网产生的不利影响引起了国际社会的普遍重视，促使国际标准化组织开始制订新的电气和电子产品的标准，对电力电子装置进行了严格的谐波限制，规范和净化交流电网。这些标准中最著名的就是老版本的系列标准，近几年，系列标准又经过修订作为系列标准出版【。率先实施电磁兼容性强制性认证的欧盟已将其纳入必须符合的标准范围。我国也在年由国家技术监督局颁布

17、了电能质量公用电网谐波标准（）【。电力电子产品的广泛使用，对电网造成了严重的谐波污染。这使得功率因数校正（）技术成为电力电子研究的一个热点。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为。如何消除和抑制对公共电网的污染，提高功率因数，己成为当今世界的重要研究课题。从技术的发展历程来看，人们最早是采用电感器和电容器构成的无源网络进行功率因数校正。采用这种技术所需的滤波电容器和滤波电感器的体积和重量较大，因此电路往往较笨重，并且对于输入电流波形中的谐波电流的抑制效果并不理想。早期的有源功率因数校正电路是晶闸管电路。七十年代以后，随着功率半导体器件的发展，开

18、关变换技术突飞猛进。到八十年代，现代有源技术应运而生。由于变换器工作在高频开关状态，这种有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近等优点。这一时期是有源功率因数校正技术发展的初级阶段，其间提出的一些基本技术是有源功率因数校正技术的基础。可以说，年代是基于变换器的功率因数校正的年代。当时的研究工作主要集中在工作于连续导电模式（）下的变换器上，其控制方式一般是基于乘法器（）原理，这种模式下可以获得很大的功率转换能量，但这种方式的控制电路复杂，对于以下的中、小功率容量场合并不适合。八十年代末提出了工作在不连续导电模式（）嘲下的功率因数校正技术，其输入电流自动跟随输入电压，输入功率

19、因数可按近武汉理工大学硕士学位论文。这种变换器也叫电压跟随器（）】，其控制简单，在小功率场合倍受青睐。九十年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展，有关论文不断出现，特别是年以前的（电力电子专家会议论文集）上有关功率因数校正技术的报道很少，自年起，设立了单相功率因数校正技术专题，这被看作是单相有源功率因数校正技术发展的里程碑，从此，不断有新颖的功率因数校正原理、拓扑结构及控制方法的出现，特别是提出了一些功率因数校正的软开关技术（主要有零电流开关（）和零电压开关（）两种软开关技术们）、三电平（）技术、磁放大技术等新颖的功率因数校正技术田】。经过这一发展历程，有源功率因数校正技术已经具备了高

20、性能、低成本的特征，获得了广泛应用。经过几十年的发展，目前，单相功率因数校正技术被研究得比较多，在电路拓扑和控制方面都相当成熟，在今后的研究过程中，寻求更加简单的控制策略、降低的成本、减小和、降低器件开关应力、提高整机效率是今后功率因数校正变换器的发展趋势旧。而适合中高功率等级的三相功率因数校正电路在由于应用极为广泛，工作机理比较复杂而成为近年来研究的热点。单相技术的成熟对三相的研究有很大的借鉴意义。随着技术的研究的不断深入，近年来提出了很多三相拓扑及控制策略。与单相功率因数校正整流装置相比，三相整流装置具有许多优点：输入功率高，功率额定值可达几千瓦以上；虽然每相输入功率包含工频的交变分量，但

21、在三相平衡装置中，三相输入功率脉动部分的总和为零，输入功率是一恒定值；这样，输出电容上无工频纹波，可以使用容量较小的输出电容，可以实现更快的输出电压动态响应调节。不过，三相整流电路遇到的一个很大的难题就是三相之间的藕合。在单相不控整流电路中，如果负载等效为一个电阻，则输入功率因数为，但在三相不控整流电路中，即使负载等效为一个电阻，也不能获得满意的功率因数，原因在于三相不控整流电路中三相电压通过的不控整流桥互相耦合，不可能同时兼顾三相输入电流，使任何相输入电流都不能独立控制为正弦波形。为使三相输入电流都为正弦波形，必须对三相输入电压进行解耦。近年来三相技术的研究主要集中在以下几个方面【】：新颖的

22、三相电路拓扑结构的研究。三电平、交错并联等技术以减小输入谐波和滤波器的研究。软开关技术在三相电路中的应用研究。三相单级电路的研究。控制策略。目前，国内外在三相技术上，特别是有源三相方面做了大量的工作，提出了一系列的控制策略和拓扑结构，如文献、中提出的谐波注入法；文献、中提出的新颖的拓扑结构及滞后控制技术；以及文献、中提出的采用数字控制等。可以说国外在这一领域的研究活动相当活跃，相比而言，国内三相技术的研究稍晚，起步于年代中期，但发展迅速，已取得了不小的研究成果。论文的研究内容要完成的设计任务本论文选题源于珠海某公司的实际合作项目，为该公司研发一款主要应用于电动车蓄电池充电的高频大功率充电电源，

23、本课题设计的实际技术指标如下：三相四线制交流输入，单相输入电压，输入频率，且要求采用三相有源功率因数校正器，减少谐波污染；满负载输出额定功率限定在；输入功率因数高于；在满载和额定输入电压的条件下，测得的谐波失真应小于；在正常的输入电压和负载条件下，当输出电压大于负载大于额定值时，效率大于或；输出电压一对应外控基准一，且连续可调，以便给，蓄电池充电使用；输出电流对应外控电流基准一，且连续可调。论文研究的基本思路采用的技术解决方案关键点如下所述：分两级设计，前级三相有源采用组合式拓扑结构；后级变换器采用全桥拓扑结构，控制技术；变压器采用新型的矩阵式平板变压器，通过矩阵式磁耦合原理实现三个单相的单一

24、直流输出。整体设计框图如图所示。图论文选题的整体设计方案框图论文章节安排具体章节安排如下：第一章：介绍论文选题的背景及来源，高频开关电源技术的发展过程，以后的发展方向；介绍功率因数校正技术的发展历程：三相功率因数校正技术的发展现状及研究热点；本文设计所要完成的任务及论文内容安排。第二章：介绍常用的高频开关直流变换器的拓扑结构和优缺点；分析全桥式变换器的工作原理；介绍开关变换器的控制方式及控制器的基本工作原理。第三章：选择主电路拓扑结构；介绍矩阵平板变压器的技术优势；分析矩阵平板变压器的设计原理及实际应用中的优化设计；设计分析三相输入的矩阵式高频开关变换器的电路原理；进行矩阵变压器的参数设计及控

25、制电路的实际电路设计。第四章：介绍功率因数校正技术的基本分类、拓扑结构和控制方法；分析单相升压型功率因数校正器的工作原理；介绍三相功率因数校正器的主要拓扑结构，提出本文所设计的新颖电路拓扑结构；进行主电路和控制电路的实际应用电路及主要参数设计。第五章：样机测试结果及结论分析。第章高频开关变换器的原理分析高频开关变换器的基本原理硬开关变换器的基本手段把直流电压转换成另一种直流电压最简单的办法是串一个电阻，这样不涉及变频的问题，显的很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器（或和）的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就是的基本手段，类似于“斩

26、波（）”作用【。一个周期内，电子开关接通时间乙所占整个周期的比例，称作接通占空比，乙，很明显，接通占空比越大，负载上电压越高；正称作开关频率，则疋高，负载上电压也越高。这中变换器中的开关都在某一固定的频率下工作，这种保持开关频率恒定但改变接通时间长短（即脉冲的宽度），使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称脉宽调制法（）。由于电子开关按外加控制脉冲而通断，控制与本身流过的电流、两端所加的电压无关，因此，电子开关称为硬开关。很明显，由于硬开关开断和接通时，开关上同时存在电压、电流，损耗是比较大的，但无论如何比串电阻变换方法小得多。硬开关变换器，从输入与输出之间是否由变压器隔离，可分为两类，即基

27、本变换器和带变压器的隔离型变换器，变换器的主要功能是变压，至于隔离与否，则要看实际应用的需要。基本变换器的拓扑结构主要有，和这六种。带隔离变压器的交换器的拓扑结构是从基本变换器的拓扑结构演变而来的，按工作方式可分为：单端反激、单端正激、推挽式、半桥式和全桥式【】。带隔离变压器的变换器基本的变换器虽然可以完成直流电压的转换，但是它们实际上存在着转换功能上的局限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等。但是通过采用隔离变压器可以很好的解决这些功能上不足的问题，在实际应用中这种带隔离变压器的变换器的应用范围比基本变换器更加广泛。由于带隔离变压器的变换器是从基本变

28、换器派生、组合、演变而来的，它们从哪个基本变换器变来，就带有哪个基本变换器的本质特征（如电压增益等）。在本次设计中由于要求的输出电压最高只有，所以采用带隔离变压器的变换器，其相对应的基本变换器采用型。带有隔离变压器的变换器的基本结构可以分为：单端式、推挽式、半桥式和全桥式。其电路原理图如图到所示。单端式隔离型变换器如图（）（）所示，单端隔离型变换器有两种电路形式，即反激型和正激型。其工作原理如下：单端反激型变换器图（）所示为单端反激型变换器的主回路，当功率晶体管导通时，高频变压器的原边电压等于输入电源电压，其极性为上正下负。与之对应的高频变压器副边电压为上负下正，此时整流二极管承受的是反向偏置

29、电压，故不导通。负载上的电流是靠输出电容。的放电电流来提供，此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来，而在晶体管受控截止时，高频变压器原、副边电压极性改变。整流二极管（和反相型开关电源中的续流二极管相对应）由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容充电。此电路的整流二极管是在功率晶体管截止时才导通的，故称此电路为反激型电路。二哑（）单端反激变换电路武汉理工大学硕士学位论文（）单端正激变换电路图单端式变换器电路单端正激型变换器图（）所示为单端正激型变换器的主回路。当功率晶体管导通时，整流二极管也同时导通。输入电能通过整流二极管传递给负载，同时将部

30、分能量储存在输出回路（即高频变压器副边回路）中的储能电感中，故这种开关电源称为单端正激型开关电源。当功率晶体管截止时，电感中的储能流经负载并通过二极管续流释放。单端式隔离变换器其线路简单这一优点突出，所以被广泛应用于输出为低、中级功率的变换器电路中。但它也有一些缺点，例如它的输入电流是脉动的，幅度由的占空比和的平均值决定的，所以，常需要用一种低通滤波输入装置来平滑这些电流脉动。当开关不导通时，其上的电压等于源电压加上从变压器副边折算到原边的电压。在许多场合，开关的开路电压比倍源电压还要高。同时，它的闭路峰值电流可大于倍的平均输入电流。而且，这种单端变压隔离电路存在一个磁复位的问题。基于这些原因

31、，目前这种单端变压隔离电路的使用受开关器件的容量限制，一般输出功率在瓦以下，不适合本次所设计的高频大功率的技术要求。推挽式隔离型变换器一！；瓿多；、图推挽式变换器电路武汉理工大学硕士学位论文对于图所示的推挽式变换器，和采用两个幅值相等、脉宽可调、相位相差。的驱动脉冲来驱动，和交替导通，通过变压器把能量传输到负载端，由于其输出回路和输入回路不共地，所以可以利用变压器的多个次级绕组实现多路输出，主输出可调节适应输入和负载的变化，且只要输出电感工作在连续状态，从输出也同样可以调节适应输入电压的变化，对输出可保持在约的稳定范围内。正因为推挽变换器具备这些优点，其广泛应用于开关电源领域，至今仍在应用。但

32、是这种变换器在一般情况下运行良好，当输出功率大幅增加时，会出现变压器磁通不平衡，导致开关功率管烧坏的问题。虽然电源领域的技术工作者采取了一系列措施来解决这一问题，如在磁心加气隙、增加初级绕组电阻、匹配功率开关管、使用电流模式拓扑等，但是从成本和元件数量的角度来看，这些方法或多或少的存在一些缺点。另外，除了磁通不平衡的问题外，推挽变换器的输出功率也会受到一些限制。由于变压器漏感的缘故，在任一开关管关断的瞬间，其两端承受的电压应力至少有两倍的直流电源电压，因此在选择开关功率管时，考虑一定程度的安全裕量的前提下，一般应选择能够承受约倍的直流电源电压的开关管，再加上相应的初级电流有效值的限制，使得开关

33、管的选择很难同时满足幅值电流和电压应力的要求，而且具有足够高电压和电流定额且具有足够低导通压降的高速开关管成本太高，因此，受到上述等等条件的限制，推挽变换器的最大功率约为，不适合本次所设计的高频大功率的技术要求。半桥式隔离型变换器”图半桥式变换器电路对于图所示的半桥式变换电路中，和交替地导通，当导通时，关断，然后反之，其工作过程和推挽式变换器相似。在半桥变换器中，任何一个断开的开关管其两端的电压等于源电压一。而流过任何一个导通的开关的峰值电流是平均源电流（与图和图同等功率输出相比）的两倍。因为开关管的稳态关断电压比图的减少一半，所以这种拓扑结构较广泛应用于直接电网的离线式变换器。在半桥式的电路

34、中，对开关器件的耐压等级要求不是很高，但对开关器件的电流等级要求较高，也有磁复位问题”。因此，对于小功率（以下）使用比较多。全桥式隔离型变换器”图全桥式变换器电路图所示的全桥式电路中，斜对角的两个开关管（和或者和）同时导通，两组开关管交替导通半个周期，若忽略开关管的导通压降，则施加在变压器的初级电压幅值为的方波电压，而非半桥变换器中的，但其开关管承受的关断电压却与半桥变换器相同，都等于最大直流输入电压，且流过开关管的峰值电流均等于平均源电流。因为全桥式隔离变换器开关管承受最小的开关电压和最小的电流强度，开关器件的安全工作区最大，所以这种方案常用在大功率的变换器中。在本文所设计的系统中就采用全桥

35、变换器，下面将着重介绍。全桥隔离型变换器的稳态分析一般情况下，变换器都需要变压器进行隔离，即所谓的离线开关变换器。如上一节所述，变压隔离器有单端式、推挽式、半桥式和全桥式四种。在高输出电压又要提高输出功率时，就适合使用全桥式电路。当开关在关断状态时，功率管所承受的电压将减少，而且，内在电路寄生元件引起的附加峰值电压经合理布线设计也可以忽略。全桥直流变换器由全桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成，也属于直流一交流一直流变换器。基本的全桥变换电路根据供电方式的不同（输入端所连接的储能元件可以是电容或电感），又分为电压型和电流型两大类。其中电压型全桥变换器应用更为广泛。简单的实际应用电路图如图

36、所示。制骅图全桥变换器主电路简图如图所示全桥变换电路，当其采用工作方式时，输入直流电压分别施加在四个开关管（、和）和四个二极管（、，、，和）构成的两个桥臂上，只有当对角线上的两只开关管同时导通时，即和幺或则和同时导通时，功率才能通过变压器传送到负载侧。若考虑所有元器件为理想情况下，通过控制四只开关管的通断顺序及通断时间，在变压器的原边将得到按某一占空比变化的正负半周对称的交流方波电压。（如图所示）。如果变压器的变比为，则变压器次边将产生幅值为。的交流方波电压，经过二极管、组成的全波整流电路和电感三。、电容组成的低通滤波电路最终就可得到所要求的平滑直流输出电压，其电压值为（），通过调节占空比来调

37、整输出电压圪。开频率，基橛驱动，掣臻锄动韧霸电压图全桥变换器的工作波形相对半桥变换器而言，在开关管承受相同的峰值电流和电压的条件下，全桥变换器输出功率是半桥变换器的两倍，当然，由于全桥变换器的变压器初级承受相当于半桥变换器的变压器初级两倍的输入电压，所以其初级绕组的匝数只有半桥的一半。但当输出功率和输入直流电压相同时，全桥变换器的初级电流峰值和有效值只有半桥变换器的一半。全桥变换电路拓扑是目前国内外多管变换电路中最常用的电路拓扑之一，在中大功率应用场合更是首选拓扑，这主要是考虑它具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。高频开关变换器的控制策略开关电源的控制方式基本

38、上都采用时间比率控制（汜）方式，即给开关管提供时间、比率可调的驱动脉冲，以达到稳定的输出电压的目的。这种方式又大致分为三大类：脉冲宽度调制、脉冲频率调制、脉冲宽度频率调制【”。、脉冲宽度调制（简称）方式。其基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号（即输出电压反馈信号）与基准信号的差值进行比较，形成闭环反馈来调节主电路开关管的导通时间，即导通脉冲的宽度，进而达到输出稳定的预期电压的目的。反馈控制模式主要有五种：电压模式控制；峰值电流模式控制；平均电流模式控制；滞环电流模式控制；相加模式控制武汉理工大学硕士学位论文。、脉冲频率调（即）方式，相对控制而言，控制

39、方式下开关管的导通时间乙一定，通过改变其截至时间，改变脉冲的频率从而改变脉冲占空比来控制输出电压稳定的。、混合调制方式，即前二者兼而有之的方式，既控制脉冲宽度，又改变脉冲频率，用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。兼有和的优点，但目前市场上没有具有功能的单片集成芯片出售从而限制它的应用。目前，以脉冲调制应用最多，在本设计中就是采用控制方式。常用的脉宽调制（）器原理如图所示。基准电压（）和采样反馈信号通过误差放大器比较放大后，输出的差值信号和锯齿波（或三角波）比较，从而改变输出脉冲的宽度，以实现稳压。有些控制器仅有一个输出端，而多数控制器都设有用触发器和“与”门电路组成的相位

40、分离器，用它来将单一脉冲变换为交替变化的二路脉冲输出，用于供驱动推挽和桥式变换器中的功率开关管，此时变换器的工作频率等于控制器内部锯齿波振荡器振荡频率的一半。当然也可将控制器的两路输出并联起来去驱动单端变换器或串联调整型开关稳压电源中的功率开关管，此时开关稳压电源的工作频率就等于控制器内部锯齿波振荡器的频率。厂一厂图脉宽调制器的基本原理图乱一武汉理工大学硕士学位论文第章矩阵式高频变换器的设计。变换器拓扑结构通过上一章的介绍，我们知道隔离型的变换器主要有单端反激变换器、单端正激变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器，其中全桥式隔离变换器开关管承受最小的开关电压和最小的开关电流，根据产品

41、实际，本文所设计的技术要求：输出功率，输出电压达，输出电流达。我们选用全桥隔离式变换器。全桥隔离式变换器的主要优点：、主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边绕组采用全桥全波整流输出。因此，变压器铁芯和绕组最佳利用，使效率、功率密度得到提高。、功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压，四个能量恢复（再生）二极管能消除一部分由漏感产生的瞬时电压。这样，无需设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。缺点有：、需要功率元件较多，在导通回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器大一倍。但是在高压离线开关系统中，这些损耗

42、还是可以接受的。另外，能量恢复（再生）方式，由于四个二极管，因此，损耗略有增加。、值得注意的是，全桥变换器易发生桥臂直流短路及变压器原边偏磁饱和，其可靠性难以保证。但是，这种缺点我们将采取一定的措施进行避免。矩阵式高频变压器的设计矩阵平板变压器的概述在开关电源领域内，变压器技术的研究一直是科学工作者追逐的热点、难武汉理工大学硕士学位论文点。虽然在电源领域引入了高频变换技术以后，可以甩掉体积庞大的工频变压器，但还是需要使用铁氧体磁芯的高频变压器，这种变压器虽然体积相对工频变压器小了很多，但仍然很大，离所理想的效果相差甚远。另外，高频化的结果，功率转换的效率差，电磁干扰的问题也随之而来；在大电流输

43、出的情况下，输出整流二极管的体积经常太大而必须采用多个小定额的二极管并联使用，其可靠度大大降低，等等这些问题是我们在设计中必须面对的。针对设计要求，本论文提出了一种结构性改变的变压器矩阵平板变压器【姗，这种变压器完全改变了传统变压器的结构，外形方正，方便安装而且可以节省模块机箱内的空间。之所以称之为矩阵平板变压器，是因为在实际设计及应用中，采用磁环作为磁芯元件，每个磁环为一个变压器单元，当然，一个小磁环所能储存的能量是有限的，要实现本设计所需要的功率容量，必须采用多个磁环，即由个变压器单元组合在一起，形成一个矩阵式排列的变压器，把它进行工艺加工就可以做成扁平状的矩阵平板变压器。除了结构上的改变

44、外，矩阵平板变压器和传统的变压器比较，有很多优点：（）矩阵平板变压器原边绕组一般只有一匝或者几匝，副边绕组则只有一匝，原、副边绕组耦合紧密，因此漏感很小，应用在高频开关电源模块中不仅损耗小，而且能够降低电路中其它元器件的承受的应力。（）由于矩阵平板变压器一般副边绕组有多个并联的绕组线圈，每一个并联的绕组都和同一个原边绕组耦合，所以，在忽略励磁电流的条件下，副边绕组电流产生的安匝数和原边绕组产生的安匝数相等，绕组电流分配均等，在并联整流电路中不需要外加均流电阻或其它元件。实现自动分流，让二极管的负担降低，适合于大电流输出。（）矩阵平板变压器可以采用金属外壳封装，这样就能直接紧贴固定在底板上，而且

45、它有相对小的体积但是较大的表面积，所以散热性能好。这种变压器由很多个小的单元组成，所以也不存在变压器局部过热的问题。（）因为矩阵平板变压器能够改善散热问题，采用的磁元件比较小，能够和其它元件紧密连接在一起，因此能够实现高功率密度。（）矩阵平板变压器原边绕组和副边绕组的匝间传导损耗很小，由于其漏感小，功率器件的损耗也减小，使它能够达到很高的效率。（）整个矩阵平板变压器采用比较常见的廉价器件组成，组装方便，和其它部件武汉理工大学硕士学位论文的连接紧密，连接应力减少。加上漏感比较小，其它功率器件的应力降低，可以选用低定额的器件，因此成本降低。除此之外，矩阵平板变压器还有绝缘强度高，结构简单等优点。由上述特点可以看出，矩阵平板变压器正好适合在本设计要求的大功率、高效率、低压大电流高频开关充电电源中应用。矩阵平板变压器的组成和工作原理变压器是变换交流电压、电流以及传递能量的器件，一般由磁芯和两个或两个以上的线圈组成。如图所示，为一个简单的变压器单元，其初级和次级侧都只有一圈绕组，分别红线和蓝