開(kāi)關(guān)電容變換器研究

1、開(kāi)關(guān)電容變換器的研究開(kāi)關(guān)電容變換器的研究 指導(dǎo)老師： 學(xué)生：課題的提出 隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、體積更小、重量更輕的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，使之能滿(mǎn)足電子設(shè)備的日益微小型化的需要。 影響開(kāi)關(guān)電源體積和重量的關(guān)鍵是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源中含有笨重的電感和變壓器等磁性元件，于是近年來(lái)人們提出了一種新的思路:就是去掉笨重的電感和變壓器等磁性元件，僅由電容器和開(kāi)關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換，基于這種理念的開(kāi)關(guān)變換器稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)電容變換器”。由于不含電感和變壓器，因此可以大大縮小開(kāi)關(guān)電源的體積和重量，并易于在芯片中實(shí)現(xiàn)集成

2、。本課題研究的意義 采用開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)DC-DC變換有很多顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn): 能夠進(jìn)一步地縮小電源的體積，由于沒(méi)有笨重的磁性元件，很易于在芯片中實(shí)現(xiàn)集成。 由于不含有磁性元件，因而能夠大大降低電磁干擾問(wèn)題。 重量輕，尺寸小，因而功率密度高。 因此基于這種變換技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源非常適用于一些小型化設(shè)備，隨著用電設(shè)備的小型化，開(kāi)關(guān)電容DC-DC變換器將具有廣闊的應(yīng)用前景。開(kāi)關(guān)電容變換器的研究現(xiàn)狀 自從開(kāi)關(guān)電容變換器的概念被提出以來(lái)，開(kāi)關(guān)電容DC-DC變換技術(shù)己經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層出不窮。 最近幾年開(kāi)關(guān)電容DC/DC變換器的研究又出現(xiàn)了許多新的亮點(diǎn)，出現(xiàn)了調(diào)節(jié)特性得到改進(jìn)的變換器，在充電階

3、段出現(xiàn)了電容和開(kāi)關(guān)新的組合形式，以及得到雙向能量流動(dòng)變換器(其能量流動(dòng)的一個(gè)方向是升壓，一個(gè)方向是降壓)和輸入電流連續(xù)的開(kāi)關(guān)電容變換器，將小電感引入開(kāi)關(guān)電容DC/DC變換器，從而使得軟開(kāi)關(guān)技術(shù)得以應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電容變換器更是一種全新的嘗試。 開(kāi)關(guān)電容變換器的展望 總體而言，DC/DC開(kāi)關(guān)電容變換器拓?fù)溥€不成熟，大部分變換器工作特性對(duì)拓?fù)溆幸欢ǖ囊蕾?lài)性，因而在原理上發(fā)展DC/DC開(kāi)關(guān)電容變換器將是今后值得探索的一個(gè)方向。此外，DC/DC開(kāi)關(guān)電容變換器的控制技術(shù)也有待發(fā)展，以取得更加理想的電路特性。本課題研究的主要內(nèi)容和技術(shù)方案本課題研究的主要內(nèi)容和技術(shù)方案 本課題準(zhǔn)備研究一個(gè)開(kāi)關(guān)電容DC/DC升壓變

4、換器，其技術(shù)指標(biāo)如下： 輸入電壓范圍:17V-19V 額定輸出電壓:Vo48V 額定輸出電流:Io1A 額定輸出功率:48W 輸出電壓紋波:小于2%主電路圖設(shè)計(jì)主電路圖的優(yōu)點(diǎn) 可以提高開(kāi)關(guān)電容變換器的功率。對(duì)于開(kāi)關(guān)電容變換器， 功率傳輸能力主要體現(xiàn)在傳輸電量的能力，很顯然，采用這種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可以提高開(kāi)關(guān)電容變換器的電量傳輸能力 可以保證輸入電流連續(xù)，這樣就能夠有效抑制輸入電流畸變和降低電磁干擾。 可以改善占空比調(diào)節(jié)的性能。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一 PWM控制技術(shù)廣泛的應(yīng)用于電力電子變換器中，自然，在開(kāi)關(guān)電容變換器中最先引入的就是PWM控制方法，并且取得了一定的成功。雖然開(kāi)關(guān)電容變換器的輸入直流脈動(dòng)和

5、輸出電壓紋波的問(wèn)題在PWM控制中得到一定的解決，可是由于PWM控制中電容的充電電流是指數(shù)型的，很快就接近零，因此能夠調(diào)節(jié)的有效時(shí)間都比較短，而且當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率比較高時(shí)，占空比調(diào)節(jié)很難精確實(shí)現(xiàn)，這樣實(shí)際上限制了它的調(diào)節(jié)范圍，并且開(kāi)關(guān)承受的電流應(yīng)力較大；另外，PWM控制方法是以輸出電壓或者開(kāi)關(guān)管的電流作為反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)占空比，然而占空比信號(hào)的變化不能即時(shí)跟隨輸入電壓或負(fù)載的變化，因而PWM控制方法的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)較慢?？偟膩?lái)說(shuō)，PWM控制得到的特性還不夠理想。 基于上述原因，對(duì)于本次研究打算采用一種新的控制策略，即準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制技術(shù)結(jié)合電壓跟隨控制技術(shù)。準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制技術(shù) 可以看出，自然充電波形為零電流關(guān)斷，但

6、它是不可調(diào)的；PWM控制的電流波形是脈動(dòng)的會(huì)造成一定的EMI問(wèn)題，而且開(kāi)關(guān)應(yīng)力比較大；準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制的電流波形最好，沒(méi)有脈動(dòng)，開(kāi)關(guān)應(yīng)力相應(yīng)也小一些。 和PWM方式比較，準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制的輸入電流為充電放電電流之和，脈動(dòng)不大，因此沒(méi)有大的EMI問(wèn)題；雖然也是硬開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)應(yīng)力不算大?？偟目磥?lái)，它和PWM控制僅在充電階段的電流波形有所不同，由電容能量損失的公式： 可以看出，由于電容能量損失只取決于初始和最終的電壓，和開(kāi)關(guān)的控制策略無(wú)關(guān)，因此其轉(zhuǎn)換效率和傳統(tǒng)PWM方式是一樣的?？偟目磥?lái)，準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制對(duì)開(kāi)關(guān)電容變換器中的三個(gè)問(wèn)題都做了比較好的解決，明顯優(yōu)于PWM控制。221()() 2losssCisCfEC VV

7、VV 通過(guò)前面的分析可知，采用準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制技術(shù)能夠很好的控制輸入端電流波形的脈動(dòng)，可是該方法對(duì)于變換器輸出直流電壓波形的脈動(dòng)問(wèn)題無(wú)能為力。若采用增大輸出電容來(lái)減小輸出電壓的紋波，勢(shì)必違背了開(kāi)關(guān)電容變換器的初衷。這里我們可以采用電壓跟隨控制技術(shù)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。電壓跟隨控制技術(shù) 電壓跟隨控制的思想很簡(jiǎn)單，以右圖的電路為例，若ul為額定的穩(wěn)壓輸出,ue為設(shè)定的輸出電壓最大偏移量，其控制原理是：當(dāng)輸出電壓uo低于允許下限(ulue)時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)一：us串聯(lián)c1對(duì)c0和R充電，uo逐漸上升。當(dāng)uo高于允許上限(ul+ue)時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)二：us對(duì)c1充電，c0維持R上的輸出電壓，從而uo逐漸下降，當(dāng)輸出電壓

8、uo低于允許下限(uLue)時(shí)，又進(jìn)入狀態(tài)一，這樣輸出電壓就被控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。即ulueuoul+ue。該控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：輸出電壓變比可以很大，輸出紋波理論上可以精確控制，對(duì)電路的件參數(shù)不敏感。 結(jié)論：將準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制技術(shù)和電壓跟隨控制技術(shù)結(jié)合使用，可以同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)電容變換器的輸入電流波形的脈動(dòng)和輸出電壓波形的脈動(dòng)進(jìn)行很好的控制。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題之二 前面所討論的控制方法均屬于能耗控制，電路的效率并不高。由于電路的損耗與開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻、二極管的正向?qū)▔航?、各電容的等效串?lián)阻抗等有關(guān)，因此，為了減小損耗，提高電路的效率，我們可以將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)引入開(kāi)關(guān)電容變換器，來(lái)減小開(kāi)關(guān)管的損耗。 開(kāi)關(guān)電容變

9、換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的基本思想是：在主電路中引入小電感（為了便于集成），使之與電容串聯(lián)諧振。由于電感電流不能突變，因此，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)關(guān)。諧振型開(kāi)關(guān)電容變換器主電圖 可以看出：將小電感引入開(kāi)關(guān)電容變換器，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)關(guān)，從而大大減小開(kāi)關(guān)管的損耗，提高電路的變換效率，因而這種電路更適合高頻工作。 由于電感和電容串聯(lián)諧振，從而抑止了電容充放電電流的脈動(dòng)問(wèn)題，因此該電路的EMI問(wèn)題大大減少，可適用于大功率場(chǎng)合?？偨Y(jié)與展望 硬開(kāi)關(guān)型開(kāi)關(guān)電容變換器采用準(zhǔn)電流控制技術(shù)和電壓跟隨控制技術(shù)結(jié)合的方法可以減少輸入電流和輸出電壓的脈動(dòng)，而且輸出電壓的大小可以在比較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損耗大，電路效率不高。因此，它適用于對(duì)輸出電壓要求高，對(duì)效率要求不太高的場(chǎng)合。 諧振型開(kāi)關(guān)電容變換器可以使開(kāi)關(guān)管零電流開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗大大