BUCK饋電交錯并聯(lián)推挽式諧振變換器研究_圖文

1、華南理工大學碩士學位論文BUCK饋電交錯并聯(lián)推挽式諧振變換器研究姓名：段守圣申請學位級別：碩士專業(yè)：電力電子與電力傳動指導教師：王志強20080508摘要高效率電源是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，諧振軟開關(guān)是提高開關(guān)電源效率的常用設(shè)計手段。為了研制一臺高效（滿載以上）通信電源，論文采用諧振軟開關(guān)變換器來實現(xiàn)功能。傳統(tǒng)的諧振變換器一般均采用頻率調(diào)制方式，從而使變換器應(yīng)用受到一些限制，如允許輸入的電壓范圍寬度較窄，軟開關(guān)實現(xiàn)受負載大小影響等。本論文采用新型諧振推挽變換技術(shù)，結(jié)合恒定脈寬調(diào)制方式，克服了傳統(tǒng)諧振軟開關(guān)的缺點。為了滿足性能要求，電路采用電流饋電的兩級電路，前級和后級諧振推挽電路，從而減小開關(guān)管應(yīng)

2、力，簡化控制，降低成本。后級推挽采用交錯并聯(lián)，提高傳送功率和變換器效率。本文首先介紹了諧振變換器背景與種類、基本推挽電路及各種諧振推挽電路的工作原理及基本關(guān)系。重點分析了傳統(tǒng)電壓饋電、電壓饋電以及電流饋電各種電路的基本原理和優(yōu)缺點。同時介紹了同步整流概念和基本原理，并對新型的諧振推挽電路進行了原理分析，討論了軟開關(guān)實現(xiàn)條件的選擇、兩級電路及交錯并聯(lián)推挽。然后，論文在比較兩種不同拓撲基礎(chǔ)上，采用仿真軟件對電路進行仿真，重點仿真分析了電路的軟開關(guān)特性。通過比較，說明電路軟開關(guān)的實現(xiàn)條件。其次，本文對電路參數(shù)進行了設(shè)計，重點是磁性元件的設(shè)計。在介紹了控制和驅(qū)動芯片基礎(chǔ)上，提出了整個電路的控制思路。對

3、控制電路參數(shù)進行了設(shè)計，并利用試驗驗證了控制電路的可行性。最后，本論文為了驗證所提出的電路拓撲的優(yōu)越性進行了試驗研究，試制了饋電交錯并聯(lián)推挽諧振變換器電源裝置。通過對所采集試驗波形的分析，說明了新拓撲的可行性。利用試驗所得的效率參數(shù)繪制了效率曲線，且對電路進行了簡要的損耗分析。并通過分析相應(yīng)圖特性，進行負載突變實驗，驗證了變換器良好的動態(tài)響應(yīng)性能。關(guān)鍵詞：諧振推挽；交錯并聯(lián)；同步整流；軟開關(guān)；電流饋電曲伍、），呻、所（如）印，嬲嬲，玎，謝，乜讓忙，、，匆，印，徹，、，鉚，丘（，、撕臟，劬“，印鋤，時，耐匆夠，、所印，：；華南理工大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導

4、下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：破餳次日期：沙形年形月乃日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬華南理工大學。學校有權(quán)保存并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許學位論文被查閱（除在保密期內(nèi)的保密論文外）；學校可以公布學位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學

5、位論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。本學位論文屬于：口保密，在年解密后適用本授權(quán)書。叫不保密。學位論文全文電子版提交后：晌意在校園網(wǎng)上發(fā)布，供校內(nèi)師生和與學校有共享協(xié)議的單位瀏覽。（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名：破呀屯指導教師簽名乙乞豈日期：，“。日期：么，第一章緒論第一章緒論弟一早珀匕諧振變換器最早的軟開關(guān)技術(shù)是采用有損緩沖電路來實現(xiàn)。從能量的角度來看，它是將開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，從而改善開關(guān)管的工作條件。這種方法對變換器的效率沒有提高，甚至會使效率降低。目前所研究的軟開關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，這種技術(shù)真正減小了開關(guān)損耗，而不是損耗的轉(zhuǎn)移，這就是諧振技術(shù)。將

6、這種諧振技術(shù)應(yīng)用于各種變換器中，也即為諧振變換器【，】。本設(shè)計選擇諧振變換器為研究拓撲。諧振變換器的分類諧振變換器有以下兩種不同種分類。）全諧振型變換器，一般稱之為諧振變換器（）。該類變換器實際上是負載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器（，）、并聯(lián)諧振變換器（，）兩類。按負載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類：一類是負載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負載諧振變換器（，）；另一類是負載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負載諧振變換器（，）。在（全）諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變化的全過程。該變換器與負載關(guān)系很大，對負載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。）準諧振

7、變換器（，）和多諧振變換器（，）。這是軟開關(guān)技術(shù)的一次飛躍，這類變換器的特點是諧振元件參與能量變換的某一階段，不是全程參與。準諧振變換器分為零電流開關(guān)準諧振變換器（玎，）和零電壓開關(guān)準諧振變換器（、，）。多諧振變換器一般實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，這類變換器需要采用頻率調(diào)制控制方法。各種諧振變換器比較通過前一小節(jié)的諧振變換器分類比較，本設(shè)計選擇全諧振變換器拓撲。故此處所說的諧振變換器指的是全諧振變換器。前面已講述過，諧振變換器分為串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器兩類。兩種變換器的特點比較如下：）串聯(lián)諧振變換器華南理工大學碩士學位論文串聯(lián)諧振變換器的主要優(yōu)點是：（）使用串聯(lián)電容，隔離了直流成分，避免了

8、變壓器飽和；（）因為開關(guān)器件的電流隨著負載電流的減小而減小，所以在部分負載時仍可以獲得高效率。串聯(lián)諧振變換器的主要缺點是：（）在輕載或者空載的情況下，輸出電壓不能調(diào)節(jié)；（）輸出直流濾波電容承受很大的紋波電流（在低電壓、大電流輸出時尤為突出）。）并聯(lián)諧振變換器并聯(lián)諧振變換器的主要優(yōu)點是：（）負載可以被短路；（）由于采用電感濾波，濾波電容需要承受的紋波電流很小，所以適用于低電壓、大電流輸出的電源。并聯(lián)諧振變換器的主要缺點是：由于開關(guān)器件的電流提高，導致電路效率下降。并且開關(guān)器件的電流不隨負載的減少而減少，因此效率隨負載的減小而減小。比較二者優(yōu)缺點，本文諧振電路選擇并聯(lián)諧振變換器作為研究對象，其電路

9、的基本概念及基本關(guān)系如下?；静⒙?lián)諧振回路圖是由電流源，供電的無阻尼并聯(lián)諧振電路。假設(shè)在。時刻，諧振電感的初始電流為，（。），圳，諧振電容的初始電壓為（）。則可列出下面的微分方程：。，警“（）魯刮，（）方程的解為：。）：（，。一）。緲，。）：粵緲，一）（），），國，一），（，）彩，）（）式帆為諧振角頻率朋，再，諧振頻率為，去去；，是諧振電感和諧振電容的特征阻抗，三，。第一章緒論餳圖并聯(lián)諧振電路式（）和（）中可以得知，在并聯(lián)諧振電路中，諧振電感電流和諧振電容電壓，均為頻率為國，的正弦交流電，諧振頻率，決定于三，和，的大小。工，和，中有兩個分量：零狀態(tài)分量和零輸入分量。當。，時，厶和的表達式為：屯

10、，（），?！疽徊?，一）】，（），國，）上面兩式表明厶和，僅與和，有關(guān)，諧振電容電壓的最大值為一振電感電流的最大值為，一，【捌。（）（），諧推挽式諧振變換器推挽變換器結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，適合于低電壓輸入的中大功率場合。諧振推挽變換器使其具有軟開關(guān)功能，應(yīng)用更加廣泛。推挽式硬開關(guān)變換器推挽變換器電路拓撲如圖所利，】。電路中的兩個開關(guān)管、接在帶有中心抽頭的變壓器初級線圈兩端，此電路可以看成完全對稱的兩個單端正激變換器組合而成。、，為次級整流二極管，、為輸出濾波電感和濾波電容。在分析之前，作如下假設(shè)：所有功率管、二極管均為理想元件；電容、電感均為理想元件；輸出電容足夠大，。、尺。，可以看成一個電壓源；

11、電路已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)。華南理工大學碩士學位論文粒紛刀一娌鋪豢圖推挽變換器電路拓撲推挽變換器主要波形如圖所示。導通時，輸入電壓加在變壓器初級上端繞組，鮫承受兩倍的輸入電壓，變壓器次級上端繞組電壓為，整流二極管導通，此期間電源向負載提供能量；關(guān)斷、仍未導通，整流管中電流逐漸減小，島中電流逐漸增大，直到兩管中電流相等（忽略變壓器勵磁電流），此時變壓器可以看作被短路，兩開關(guān)管承受電源電壓，輸出功率由輸出電容提供；鯪導通、關(guān)斷時，輸入電壓加在變壓器初級下端繞組上，承受兩倍的輸入電壓，變壓器次級下端繞組電壓為托圪，整流二極管導通，此期間電源向負載提供能量；鯪關(guān)斷、仍未導通，整流管：中電流逐漸減小，中電流逐漸增

12、大，直到兩管中電流相等（忽略變壓器勵磁電流），此時變壓器可以看作被短路，兩開關(guān)管承受電源電壓，輸出功率由輸出電容提供。推挽電路的基本關(guān)系如下：、電壓傳輸比輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為關(guān)：加（）吃、。為單管導通占空比（本文中出現(xiàn)的占空比都是指單管導通占空比），為變壓器匝比，。第一章緒論圖推挽電路的主要波形、開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力當開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)管上的穩(wěn)態(tài)最高電壓是圪。當開關(guān)管導通時流過開關(guān)管的電流是經(jīng)變壓器變換后的負載電流，其有效值為易以。（）、次級整流管的電壓電流應(yīng)力對于次級全波整流結(jié)構(gòu)，次級整流二極管的電壓應(yīng)力是變壓器次級單繞組電壓的兩倍，即甩。流過整流管電流的有效值為，珊一（）推挽式諧振變

13、換器為使電路真正實現(xiàn)零電壓導通和零電流關(guān)斷（），來達到變換器的高效率，就要采用新的電路拓撲和控制方法。有文獻【提出了一種新型的推挽諧振電路拓撲，電路拓撲如圖所示。該電路由初級（、），串聯(lián)諧振電路，輸出整流器（一只），輸出電容（口）和負載（吃）組成。諧振電感為變壓器的次級漏感，。、：為包括漏源極結(jié)電容在內(nèi)的并聯(lián)電容華南理工大學碩士學位論文圖推挽諧振變換器電路拓撲推挽諧振變換器采用次級串聯(lián)諧振電路，在固定電路工作頻率，固定占空比的情況下，能很好地實現(xiàn)零電壓開通和零電流關(guān)斷（），具有不需要分立諧振電感，變換器體積小，設(shè)計制造簡單，變換器成本低，效率高的優(yōu)點，可以用作中、小功率的直流變壓器。為了穩(wěn)定推

14、挽諧振變換器的輸出電壓，推挽諧振變換器應(yīng)采用變頻控制。文獻中的仿真和實驗表明，若采用下變頻工作方式（工作頻率小于諧振頻率），在輸入電壓范圍較寬的情況下，要穩(wěn)定輸出電壓開關(guān)頻率必須要在較大的范圍內(nèi)變化，而開關(guān)周期和諧振周期的差值變大后，該變換器將失去軟開關(guān)特征，因而推挽諧振變換器難以同時實現(xiàn)和輸出電壓穩(wěn)定。；，一一一，”“一、吃；“一、；綏?！啊??！币灰?、，一，一一纛、。、，。一。圖諧振推挽主要波形推挽式諧振變換器由上文分析可知，由于推挽諧振電路的工作特點，在輸入電壓變化時，變頻工作方式的推挽諧振變換器無法同時實現(xiàn)和輸出電壓穩(wěn)定。為保證推挽諧振電路輸出電壓的穩(wěn)定和電路的高效率，可采用或。由于推挽

15、諧振電路的并聯(lián)了較大的電容，所以電路可以實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。同時由于方法導致電路工作頻率下氣厶第一章緒論降，不利于減小變換器體積，故在此介紹另一種諧振工作方式一一諧振推挽變換器，其電路拓撲如圖所示。：口，：；麓嚕一噬鈾匕，：。綾：；：，互釩一一崔麓墜圖諧振推挽電路拓撲為實現(xiàn)電路的工作方式，同時保證變壓器工作時不會飽和，故使電路工作在國織（即電路工作頻率大于諧振回路的固有頻率）。由于電路工作頻率高于諧振頻率，故由電感和電容組成的諧振回路呈感性。其主要波形如圖。所示。圖諧振推挽主要波形兩種諧振推挽的特點比較：、推挽諧振變換器和推挽諧振變換器的共同點是具有相同的主功率拓撲結(jié)構(gòu)，都具有電路結(jié)構(gòu)簡單，變壓器

16、雙向磁化，利用率高的特點，而且制作簡單，成本低。、推挽諧振變換器電路效率高，但無法實現(xiàn)輸入電壓變化較大時仍保持穩(wěn)定的輸出電壓，故適合做直流變壓器，而推挽諧振變換器雖效率低于推挽諧振變換器，但可實現(xiàn)輸入電壓變化較大時仍保持穩(wěn)定的輸出電壓，具有較高的電壓調(diào)整能力。珞么華南理工大學碩士學位論文、推挽諧振變換器電路在開環(huán)狀態(tài)下工作，控制比較簡單，而推挽諧振變換器則工作在高于固有諧振頻率狀態(tài)，采用閉環(huán)的變頻調(diào)制，控制比較復雜。、推挽諧振變換器由于實現(xiàn)了零電壓導通和零電流關(guān)斷，所以開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力較小，而推挽諧振變換器工作在高于固有諧振頻率狀態(tài)，開關(guān)管非零電流關(guān)斷，電流應(yīng)力比較大，而且電路工作頻率比較

17、高，整流二極管需選用恢復速度快的超快恢復二極管【。電壓饋電與電流饋電拓撲簡介與定義所謂電壓饋電是指使用內(nèi)阻很小的電壓源向拓撲供電，在開關(guān)管不正?；蚱渌骷徽５那闆r下，該類輸入電源是無法限制電流的。當然有多種通過增加輔助電路實現(xiàn)限流的方法，如通過檢測過流使脈沖寬度縮窄或使脈沖立即終止等。但這些方法不是即時的，總會有幾個周期的延時，這會導致晶體管或者整流管的過度損耗和過大的電流電壓尖峰。且這種限流方法對晶體管導通和關(guān)斷的瞬間過流無法起保護作用。電壓饋電拓撲的輸入阻抗可能是離線變換器濾波電容的輸出阻抗或是電池供電變換器的電池輸出阻抗，或是網(wǎng)電整流器后端的前置調(diào)整器的輸出阻抗，它們的輸出阻抗都是很

18、低的。在電流饋電拓撲中，具有很高瞬間阻抗的電感被加在輸入電源和拓撲之間。這會帶來很多好處，特別是在大功率（大于）、高輸出電壓（大于）及從輸出電壓也像主輸出那樣要求嚴格穩(wěn)壓的場合，其優(yōu)點更為突出。為了解電流饋電拓撲的這此優(yōu)點，先解釋一下用于大功率、高輸出電壓、多輸出的電壓饋電拓撲的缺點【，】。電壓饋電拓撲缺點以傳統(tǒng)的電壓饋電全橋電路為例，其電路如圖所示。此種拓撲通常用于功率為左右的輸出場合，在功率為以上的高壓輸出及多輸出場合，該電路有以下顯著缺點【。第一章緒論。上主皇圣蘭斟至翟圣譬匱去卜、一丁。圖傳統(tǒng)電壓饋電全橋電路電壓饋電全橋電路輸出電感問題在高壓輸出情況下，輸出電感的體積和價格都是很難接受的

19、。文獻【中根據(jù)計算公式得出的單組輸出的電源電感不算太大，但如果多路輸出，而且輸出功率更大，輸出電壓更高，則多個這樣的大電感的體積和價格就會成為一個很嚴重的問題。在高壓輸出（大于）時，即使輸出電流很小，為承受高電壓使用的較多的電感繞組匝數(shù)也會帶來很大問題。特別是上圖中兩個整流管在死區(qū)時間內(nèi)均為低電壓，這樣加在電感兩端的高電壓就會導致電暈和飛弧。需接輸出電感的這類拓撲的另一缺點是多路輸出的交叉調(diào)整率很差。在主輸出電流變化時，從輸出電壓也會變化。另外，主輸出和從輸出的電感都必須足夠大，以防止在負載電流最小時電感電流不連續(xù)而引起輸出電壓更大的變化。開關(guān)管導通瞬間存在的問題上圖中電路的開關(guān)管之間的死區(qū)時

20、間是必須的，因為若兩對開關(guān)管有重疊導通，即使時間很短也會造成濾波電容短路放電。這在沒有電流限制的情況下會立即損壞晶體管。另外，輸出二極管快速恢復時陰極會產(chǎn)生衰減的正弦振蕩電壓，其首半個周期產(chǎn)行的振幅可能超過二極管穩(wěn)定反壓的兩倍以上，而使二極管損壞。即使是小功率電源，也需在二極管兩端加網(wǎng)絡(luò)來衰減振蕩。開關(guān)管關(guān)斷瞬間存在的問題晶體管關(guān)斷時刻下降的電流和上升的電壓有重疊時間，所以會有較大的關(guān)斷損耗。雖然可以通過緩沖器將晶體管的重疊損耗部分消除，但緩沖器只是將損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電阻，并不能提高效率。磁通不平衡問題磁通不平衡問題由于變壓器初級的伏秒數(shù)在兩個半周期內(nèi)不平衡造成的。當磁心的磁通逐步遠離磁化曲線原

21、點時，變壓器會進入飽和狀態(tài)，使之無法承受電壓，造成晶體華南理工大學碩士學位論文管損壞。傳統(tǒng)全橋變壓器會因交替半周期內(nèi)伏秒數(shù)不平衡造成磁通不平衡。而對于全橋電路，可以通過初級串聯(lián)隔直電容來解決這個問題，防止變壓器直流偏磁。電壓饋電拓撲電路拓撲如圖所示。電路在全橋前接了個變換器，而輸出整流器只接濾波電容，這種拓撲可避免傳統(tǒng)電壓饋電用于高壓大功率多輸出場合的眾多缺點【，】。上糾皇詈基寶王琺童一一，一一圖電壓饋電全橋電路輸出電感這種拓撲在多輸出場合的首要優(yōu)點，就是可以用一個輸入電感取代多個輸出電感，這樣即降低成本又節(jié)省空間。因為輸出級無輸出電感，所以不會出現(xiàn)由于電感電流不連續(xù)而造成電壓劇烈變化的情況。

22、從輸出電壓會緊緊跟隨主輸出電壓，在輸出電流大范圍變化的情況下，電壓變化也很小。此外，由于從輸出電壓是根據(jù)匝比關(guān)系跟隨主輸出電壓的，所以輸出電壓在輸入網(wǎng)壓和負載變化較大時仍保持恒定。晶體管導通瞬間應(yīng)力在此拓撲中，一對晶體管關(guān)斷和另一對晶體管導通之間雖有一定死區(qū)時間，但死區(qū)時間內(nèi)既無晶體管導通，次級整流器也沒有電路流過，輸出負載電流完全由濾波電容提供。所以在下半周期開始時，導通的二極管不會由于續(xù)流二極管導通而造成負擔過重的情況。由于另一個二極管早已關(guān)斷，晶體管也不會有電流過沖，同時由于沒有反向恢復時間而不會造成二極管電壓應(yīng)力過大。晶體管關(guān)斷損耗根據(jù)文獻【的原理計算，每個晶體管的關(guān)斷損耗均小于傳統(tǒng)電

23、壓饋電拓撲。磁通不平衡問題這個問題與傳統(tǒng)拓撲出現(xiàn)的問題一樣，皆因晶體管的存儲時間不一致和開關(guān)管的導第一章緒論通壓降不等而導致伏秒數(shù)不平衡，也可采用變壓器初級串接隔直電容來解決。電壓饋電有優(yōu)點，但也有不少缺點。因為前級加了變換器，拓撲成本增加了，體積增大了，晶體管也產(chǎn)生了損耗。但由于輸出不需電感，可以補償一定的成本和空間。晶體管的開關(guān)損耗要比直流導通損耗大得多，而且當故障情況下，在一對晶體管尚未關(guān)斷前，另一對晶體管己開始導通，使電路輸出母線短路，濾波電容放電，從而燒毀一個甚至所有晶體管。電流饋電拓撲電流饋電拓撲如下圖所示。與電壓饋電電路相比，同樣沒有輸出電感，而且無輸出濾波電容，所以此電路擁有電

24、壓饋電電路的所有優(yōu)點【】?；?。窶呂譬玨一”丁圖電流饋電電路緩解了開關(guān)管開關(guān)瞬間存在的問題在以前的敘述中的所有電路，晶體管導通瞬間會出現(xiàn)晶體管電流過沖和過損耗及整流管電壓應(yīng)力過大的問題。但這些問題在圖所示的電流饋電電路中卻不會發(fā)生，這是通過設(shè)置兩對晶體管之間的重疊導通時間和去掉電路輸出電容來實現(xiàn)的。所有晶體管因為與變壓器漏感串聯(lián)且零電壓導通，所以導通損耗也很小。無共同導通問題電壓饋電拓撲中，必須避免垂直橋臂開關(guān)管的共同導通問題。共通會使輸出電容短路，產(chǎn)生很大的短路電流，還會使橋臂晶體管同時承受高電壓和大電流而立即損壞。但是電流饋電電路中，因為不存在輸出電容，故無共同導通問題。綜上所述，電流饋電

25、有著比傳統(tǒng)電壓饋電和電壓饋電更優(yōu)越的性能，故本設(shè)計選擇電流饋電作為電路基本拓撲【。華南理工大學碩士學位論文同步整流技術(shù)的雙向?qū)щ娫硎请妷嚎刂菩推骷?，它采用電場的控制來實現(xiàn)對電能的控制，故稱為場效應(yīng)晶體管。其電壓控制機理是利用柵極電壓的大小來改變感應(yīng)電場生成的導電溝道的厚度（感應(yīng)電荷的數(shù)量）來控制漏極電流厶。當柵極電壓小于門限電壓時，無論漏源極電壓的極性如何，兩個結(jié)中，總有一個結(jié)是反向偏置的，因此漏極電流，幾乎為，這種情況下形成耗盡層，不能導通；當柵極電壓大于門檻電壓時，漏源之間形成溝道，由于溝道的電阻很小，故在漏源正電壓的作用下，電子由源極流向漏極，形成電流。這就是其正向?qū)щ娞匦粤硗膺€具備反

26、向?qū)щ娞匦?，由于型導電溝道相當于無極性的等效電阻，當?shù)臇旁礃O電壓極性變負時，電子會從漏極流向源級，形成反向電流。因此是一種雙向?qū)щ娖骷?，相關(guān)論述可參考文獻【，。同步整流原理所有快速整流二極管都存在正向?qū)▔航?，該壓降值通常在，在低壓輸出或大電流輸出場合，該壓降所帶來的損耗非常大，人們根據(jù)的雙向?qū)ㄌ匦?，用低導通電阻的代替常用的整流二極管，以提高整流效率。一些性能較好的同步整流的導通電阻僅為幾毫歐，故采用同步整流，能大大提高電路效率。以半波整流電路為例，如圖所示，其工作原理為：古圪吲一十圪，一艘（）（）（）圖卜半波同步整流電路（）及其工作等效電路（）（）當變壓器次級電壓為正時，控制信號開通同步整

27、流管，等效電路如圖（）所示；當變壓器次級電壓為負時，控制信號關(guān)斷整流管，同時開通同步整流管也，等效電路如圖（）。若采用作為同步整流管代替整流二極管，其通態(tài)電阻為毫歐，設(shè)第一章緒論原整流二極管正向壓降為，則采用同步整流前后，在負載時，整流損耗由屹幸減小至屹（彳）幸：效率大大提高。同步整流的驅(qū)動方式同步整流的驅(qū)動信號類型可分為電流型驅(qū)動和電壓型驅(qū)動，電流型驅(qū)動是通過檢測整流管自身電流來獲得驅(qū)動信號的，但是電流型信號不可避免地要轉(zhuǎn)換為電壓信號進行控制，因此電路比較復雜，故應(yīng)用的不多。電壓型信號是人們比較常用的同步整流驅(qū)動信號，它可以分為種驅(qū)動方式：自驅(qū)動，控制驅(qū)動，混合驅(qū)動，可參考文獻【彤】。自驅(qū)動

28、所謂自驅(qū)動電壓型驅(qū)動方式，是由變換器中功率變壓器次級直接取得電壓信號來驅(qū)動同步整流管。用于驅(qū)動同步整流管的電壓信號通?？梢詮囊韵氯N途徑獲得：變壓器次級繞組的輸出端電壓；變壓器附加耦合繞組上的電壓；輸出濾波電感的耦合電壓。圖（）所示的是自驅(qū)動半波同步整流電路，同步整流驅(qū)動信號直接取自變壓器次級，其中的驅(qū)動信號與次級電壓所示正方向一致，信號與相反，當圪為幣，（）（）圖卜自驅(qū)動半波同步整流電路（）及驅(qū)動電壓波形（）時，導通，關(guān)斷，電流經(jīng)過濾波電感、負載、同步整流管以及次級繞組形成回路，當形為負時，關(guān)斷，導通，電流經(jīng)過負載和形成續(xù)流回路。驅(qū)動電壓波形如圖（）所示。自驅(qū)動同步整流電路優(yōu)點是不需要附加驅(qū)

29、動電路，結(jié)構(gòu)簡單。成本低，但是它同時也有較多缺點，如兩個的驅(qū)動電壓時序不夠精確，驅(qū)動波形質(zhì)量較差，該驅(qū)珞一華南理工大學碩士學位論文動方式與適合輸出電壓范圍有限，在有死區(qū)的變換器中，不能在整個周期內(nèi)代替二極管整流造成了較大的損耗，限制了效率的提高。對于正激式變換器等非對稱拓撲，使用有源鉗位技術(shù)和諧振技術(shù)來完善自驅(qū)動同步整流技術(shù)，可以有效地提高其效率。對于推挽式和橋式等對稱電路，最近提出的柵極電荷轉(zhuǎn)換（砌）電壓驅(qū)動方法解決續(xù)流問題控制驅(qū)動所謂控制驅(qū)動，又稱外驅(qū)動，其同步整流管驅(qū)動信號來自附加的控制驅(qū)動電路。為了實現(xiàn)驅(qū)動同步，附加驅(qū)動電路須由變換器主開關(guān)管的驅(qū)動信號控制?？刂乞?qū)動能較好地避免死區(qū)時間

30、內(nèi)的寄生二極管整流損耗問題，一般控制電路采用兩種信號：半周期互補同步整流信號和反相同步整流信號，前者使兩個同步整流管在一周期內(nèi)均衡地輪流導通，即兩個的驅(qū)動信號的占空比為的互補的驅(qū)動波形；后者驅(qū)動信號與其漏源極信號反相，這樣在死區(qū)內(nèi)兩個同步整流管則同時導通?？刂乞?qū)動電路具有波形好，效率及可靠性高的特點，不過控制信號發(fā)生電路略顯復雜?；旌向?qū)動方法混合驅(qū)動方法是一種新的方法，它綜合了自驅(qū)動和控制驅(qū)動兩種方法，對同步整流管柵極進行電壓信號的控制。該方法對自驅(qū)動和控制驅(qū)動的特點取長補短，既能按較精確的時序給出驅(qū)動電壓信號，同時其附加的驅(qū)動電路也比控制驅(qū)動簡單。這是目前在同步整流技術(shù)中研究和應(yīng)用得較多的驅(qū)

31、動方法之一。最近提出的柵極電荷保持（雄）電壓驅(qū)動技術(shù)就是其中典型的方法，如圖所示。圖卜柵極電荷保持驅(qū)動電路及其波形當控制信號圪給一個脈沖時，電流經(jīng)過二極管對同步整流管的柵源極電容充電，開通，由于電容中的電荷能一直保持，所以一直開通，直到輔助開關(guān)的驅(qū)動信號為正電壓時，導通，中的電荷經(jīng)過形成釋放回路，的柵源極電壓迅速下降，當?shù)陀诘臇艠O門限電壓時，關(guān)斷。第一章緒論根據(jù)以上分析及背景介紹，本文結(jié)合電流饋電，推挽式諧振變換器及同步整流等各種電路優(yōu)點，采用一種新型的推挽式諧振電路，與電流饋電構(gòu)成兩級電路拓撲，從而展開對這種新型電路進行的研究。本文主要研究內(nèi)容論文內(nèi)容具體安排如下：第一章，介紹了諧振變換器的

32、背景知識和種類，并對推挽電路及各種諧振推挽電路的工作原理及基本關(guān)系進行了討論。重點對傳統(tǒng)電壓饋電、電壓饋電與電流饋電各種電路的基本原理及優(yōu)缺點進行分析，同時介紹了同步整流的概念和基本關(guān)系為后面的分析做準備。第二章，提出了新型的饋電諧振推挽變換器拓撲，并重點對其進行了研究與分析，以及對諧振推挽電路軟開關(guān)的具體實現(xiàn)原理和同步整流電路進行了討論。最后對交錯并聯(lián)與兩級電路原理進行了簡單介紹與分析，從而提出整個饋電的交錯并聯(lián)推挽諧振變換器電路。第三章，利用仿真軟件對電路進行了仿真驗證，討論了電路的主要波形，通過對各種電路情況的波形對比，明確了軟開關(guān)特性實現(xiàn)條件，同時文章對次級整流部分也進行了仿真，為同步

33、整流實現(xiàn)做好準備。第四章，對變換器電路參數(shù)進行了設(shè)計，重點介紹了磁性元件的設(shè)計過程。在介紹控制芯片，資料基本上，提出了電路控制電路，尤其是交錯并聯(lián)推挽的恒定頻率控制電路。最后為同步整流電路設(shè)計。第五章，對電路試驗波形進行了分析，重點為變換器的軟開關(guān)實現(xiàn)情況和同步整流驗證了電路拓撲的可行性。根據(jù)試驗測得的效率數(shù)據(jù)繪制了效率曲線，且對電路進行了損耗分析。最后詳細研究了電路動態(tài)響應(yīng)性能與變換器各部分的波特圖特性。最后，文章總結(jié)了本次課題的工作內(nèi)容，并針對該拓撲在仿真和實驗中存在的問題，提出了進一步研究的設(shè)想華南理工大學碩士學位論文第二章饋電交錯并聯(lián)推挽諧振式變換器分析推挽變換器結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，適

34、合于低電壓輸入中大功率場合。根據(jù)上一章節(jié)對推挽變換器及諧振軟開關(guān)推挽變換器的工作原理及特點分析，本章將提出一種新型的諧振軟開關(guān)推挽電路。進而對整個饋電的交錯并聯(lián)推挽諧振式變換器的原理與應(yīng)用優(yōu)點進行討論。饋電諧振推挽變換器饋電諧振推挽變換器（美國專利號高效變換器）一般習慣稱為“考拉變換器。此電路能實現(xiàn)開關(guān)管的，從而達到高效率。其電路拓撲如圖所示。圖中的兩個主開關(guān)管、幺以相差互補導通，兩者導通不重疊，留有死區(qū)時間，用來調(diào)節(jié)開關(guān)管的軟開關(guān)實現(xiàn)情況。三電感用來隔離變換器與低阻的電壓源加，從而達到饋電模式。隔離變壓器丁，與般推挽變換器相同，但其初級漏感厶與諧振電容形成串聯(lián)諧振，從而達到使開關(guān)管有軟開關(guān)效

35、果。次級輸出采用全波整流電路，為了降低損耗，提高效率，應(yīng)用同步整流。此變換器特點如下：！。竹。上】一圖饋電諧振推挽變換器拓撲開關(guān)管零電壓近似零電流開通，近似零電流近似零電壓關(guān)斷；輸出輸入較低的差模噪聲；零電壓開關(guān)狀態(tài)與輸入負載無關(guān)，與其它拓撲不同；高效率，較少的元件個數(shù)；開關(guān)管電壓應(yīng)力只稍高與倍的輸入電壓；第二章饋電交錯并聯(lián)推挽諧振式變換器分析輸出整流管電壓應(yīng)力為至倍的輸出電壓；門極驅(qū)動共地，驅(qū)動電路設(shè)計容易；較好的負載調(diào)整率；無需輸出電感，可減少體積；輸出電壓隨輸入正比變化（開環(huán)）；變壓器無磁通不平衡問題。饋電諧振推挽工作原理分析推挽諧振電路的兩個橋臂電路交替導通，相差，工作原理相同。在分析

36、之前，作如下假設(shè)：所有功率管、二極管均為理想元件；電容、電感均為理想元件；輸出電容足夠大，、吃可以看成一個電壓源；開關(guān)管的等效輸出電容與體二極管參與完成諧振；電路已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)。初始工作模態(tài)時，電路可看作由開關(guān)管、隔離變壓器丁、次級整流管：、輸出電容。和負載尺組成的工作電路。此時開關(guān)管已經(jīng)導通，理想化成一個微小阻值的電阻，而：則處于關(guān)斷狀態(tài)，其自身的輸出電容參與電路工作。：制一：圖開關(guān)管導通時的等效電路圖的等效電路還可以進行簡化，如圖所示。電壓源與隔離電感三組合可以看作高阻抗的電流源，開關(guān)管的輸出電容與整流管。的反向恢復二極管電容，折算到輸出電容上，可忽略不計。假定輸出電容無窮大，且阻抗忽略，于

37、是可將其華南理工大學碩士學位論文等效成一個常值電壓源。通過變壓器繞組，折算到初級繞組勵磁電感三上，值為。變壓器繞組到中端的漏感用表示。工圖開關(guān)管導通時簡化的等效電路圖電流，是正弦半波的一部分圖形，為勵磁電流成分，所以經(jīng)過整流管：流到負載的電流為，皿，一。其中的幅值大小和上升斜率是、三。與開關(guān)管的導通時間的函數(shù)。圖關(guān)斷后、導通前等效電路諧振電流的后半波階段，勵磁電流幅值會大于漸漸減小的諧振電流，從而導致傳送到負載的凈電流停止。門極觸發(fā)信號的時序選擇，關(guān)斷應(yīng)在整流管：停止之后。此種控制條件稱為低于諧振頻率的控制，即是電路的開關(guān)頻率低于漏感三與諧振電容，組成的諧振頻率。當關(guān)斷時，勵磁電流給的輸出電容

38、鯽充電，加在開關(guān)管上的電壓吃以一定的斜率上升，此斜率值由勵磁電流與開關(guān)管的輸出電容髑同時決定。與此同時，開路的開關(guān)管電壓吃會以相對的斜率對稱地減小，從而實現(xiàn)變壓器功能。勵磁電流在給輸出電容充電的時候也為：輸出電容放電。一旦開關(guān)管：的電壓達到零電平，它的體二極管將會導通。勵磁電流給開關(guān)管換流，使其能夠在低電流關(guān)斷，而且較平緩的琢上升時間使得整個開關(guān)過程近似零電壓和零電流關(guān)斷。電路工作的主第二章饋電交錯并聯(lián)推挽諧振式變換器分析要波形如圖所示模態(tài)一【一】；時刻之前此時電路已經(jīng)穩(wěn)定運行，電壓源與隔離電感形成電流源，形成高阻抗的電流源，可提供變換器不變的輸入電流。時刻，開關(guān)管蜴開通，處于關(guān)斷狀態(tài)。電流從

39、電源，經(jīng)過變壓器初級繞組中端與開關(guān)管之間的繞組，最后流過。的壓降為加在其輸出電容上的電壓，即倍的電源電壓，次級整流管：流過電流。此模態(tài)次級電路與普通推挽電路工作相似，但初級電流因含有變壓器漏感三與諧振電容，串聯(lián)諧振產(chǎn)生的諧振電流，而與普通推挽不同。耐：、廣、：一一一爿之（“（一卜廠模態(tài)二【】；時刻，當諧振電流小于勵磁電流時，初級繞組傳送到次級的能量將會停止，即次級繞組此時已無電流流過。此時流過開關(guān)管的勵磁電流將會繼續(xù)增加，其上升速率由電源電壓與勵磁電感決定。此時電流均為較小值，若此時刻將開關(guān)管關(guān)斷，便可實現(xiàn)開關(guān)管的近似零電流關(guān)斷。之山：、，卜、一，卜一之三弓（卜、卜模態(tài)三一】；時刻，關(guān)斷開關(guān)管

40、，實現(xiàn)近似零電流關(guān)斷。故在時刻以后，勵磁電流將會按原來的方向，經(jīng)過變壓器的兩個初級繞組，分別給開關(guān)管、的輸出電容充、放電。此時輸出電容的電壓將逐漸減小，而相對應(yīng)的，輸出電容電壓將會增大。時刻，：輸出電容電壓降到零時，其體二極管導通，勵磁電流繼續(xù)給輸出電容充電。若此時將開通，就可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。華南理【大學碩士學位論文蹦？，一“，協(xié)一協(xié)一圖饋電型推挽諧振電路主要波形圖模態(tài)四【一；時刻開關(guān)省開通，電路進入到與模態(tài)一相似的工作狀忐其狀態(tài)圖血下所示。此后電路工作與前半個周期相似，故不多做分析。第二章饋電交錯并聯(lián)推挽諧振式變換器分析軟開關(guān)分析為了實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，開關(guān)頻率必須高于諧振頻率，則

41、整個諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性。這是諧振電容與變壓器漏感大小選擇的原則。首先是開關(guān)管的關(guān)斷時間選擇，必須在諧振電流幅值小于勵磁電流后，相應(yīng)導通的整流管關(guān)斷之后。過早關(guān)斷則諧振并沒有完成，會導致在高電流值時關(guān)斷。過晚則會減小死區(qū)時間，從而影響下管的零電壓開通。從模態(tài)三的電路圖可知，開關(guān)管的輸出電容放電電壓表達式為一一魯卜蓋產(chǎn)其中，為推挽變換器的輸入電壓，厶為勵磁電流最大值厶爭，為勵磁電感臚，開關(guān)管輸出電容為（見參數(shù)資料）。所以根據(jù)以上各參數(shù)，死區(qū)時間選擇為，確保下管開通時，體二極管導通，實現(xiàn)軟開通。其中開關(guān)頻率為，單管導通占空比為，見第四章參數(shù)設(shè)計部分。死區(qū)時間直接決定下管開通狀況，死區(qū)時間選擇須使欲開通的

42、開關(guān)管體二極管已經(jīng)處于導通狀態(tài)，從而實現(xiàn)零電壓開通。若過早或過晚，都不能實現(xiàn)軟開關(guān)陋。近似零電流軟關(guān)斷的實現(xiàn)由諧振電感，諧振電容決定，具體分析見第三章。同步整流設(shè)計在前面的論述中，為了簡化分析，將輸出側(cè)的兩個同步整流管、翻用二極管代替，但在實際電路中，由于輸出為大電流輸出，所以必須采用同步整流，這樣就存在著同步整流管的驅(qū)動問題。同步整流的電壓驅(qū)動又分為自驅(qū)動，外驅(qū)動（控制驅(qū)動）和混合驅(qū)動三種，類似分析可參考文獻。（）自驅(qū)動（）外驅(qū)動（）混合驅(qū)動從圖的主要波形可以看出，次級整流管的電流波形不同于初級開關(guān)管的電流波形，次級整流管的驅(qū)動信號比初級信號窄。故初級開關(guān)管信號不能用來驅(qū)動同步整流管。從圖還

43、可以看出，初級繞組的電壓信號與整流開關(guān)管的驅(qū)動信號也不一樣，故也不能作為同步整流管的驅(qū)動信號。特別是若采用初級繞組電壓信號作為驅(qū)動時，需注意電流反灌問題。華南理工大學碩士學位論文圖同步整流電路經(jīng)過以上分析，欲選擇利用智能整流芯片來進行控制。其通過檢測整流管的漏源電壓獲得驅(qū)動信號，目前市場上有很多廠家制造出這種類型的檢測芯片，方便實用。故本設(shè)計選擇智能同步整流芯片（智能整流）實行同步整流控制。其連接電路圖如下圖所示【】。圖所示為典型諧振橋式電路次級線路。用分立元件實現(xiàn)同步整流需要兩個電流傳感器，兩個高速比較器和兩個大電流、低延時的驅(qū)動器?，F(xiàn)有的單芯片同步整流是基于鎖相環(huán)技術(shù)的，從初級取信號同步控制次級整流開關(guān)管。這種方法的缺點是不能保證在間隔模式（輕載或空載時發(fā)生）下可靠操作。智能整流（）技術(shù)相對這兩種方法有明顯的優(yōu)勢，它檢測的是次級開關(guān)管電壓，完全不依賴初級信號，并且沒有類似分立方法（變壓器傳感）響應(yīng)過慢的缺點，非常適合橋式諧振電路。波形示意如圖。一一毛塒坩圖諧振橋式線路中使用控制整流所產(chǎn)生的波形通過對各種控制方式的對比，最后選擇采用智能整流（）進行控制。運用芯片進行整流控制，有如下幾個特點。第