基于軟開關(guān)技術(shù)的開關(guān)電源設(shè)計

1、 摘要 軟開關(guān)PWM技術(shù)集諧振變換器與PWM控制的優(yōu)點(diǎn)于一體，既能實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開關(guān)，又能實(shí)現(xiàn)功率管的恒定頻率控制，是電力電子技術(shù)的發(fā)展方向之一。與傳統(tǒng)PWM硬開關(guān)變換器相比，元器件的電壓、電流應(yīng)力小，僅僅增加了一個諧振電感，成本和電路的復(fù)雜程度沒有增加。移相控制零電壓開關(guān)PWM變換器就是軟開關(guān)PWM技術(shù)中的一種拓?fù)?，它適用于中、大功率直流一直流變換場合。文中詳細(xì)分析了基本的移相控制ZVS PWM DC-DC全橋變換器的工作過程，討論了移相控制ZVS PWM DC-DC全橋變換器的零電壓開關(guān)條件、副邊占空比丟失以及整流二極管的換流情況，指出基本的移相控制ZVS PWM DC-DC全橋變換器

2、的不足：滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)比較困難；副邊占空比丟失嚴(yán)重。為解決這些問題，提出了利用飽和電感來減少副邊占空比丟失的方法并分析了帶飽和電感的移相控制ZVS PWM DC-DC全橋變換器的工作過程。介紹了給滯后橋臂增加輔助電路以改善滯后橋臂開關(guān)管的軟開關(guān)環(huán)境的方法，并詳細(xì)分析了一種帶輔助網(wǎng)絡(luò)的移相控制ZVS PWM DC-DC全橋變換器的工作過程。它具有輔助電路簡單，輔助電路的電感、電容和二極管的電流電壓應(yīng)力小，副邊占空比丟失小等優(yōu)點(diǎn)。研究了橋式變換器的不平衡問題及解決方法。初步設(shè)計了一個通信用48V10A的開關(guān)電源。該電源設(shè)計過程中，主電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)計算方法及電路的控制、保護(hù)功能都得到了

3、體現(xiàn)。電路的控制、保護(hù)功能是由單片機(jī)PIC16F877A完成的,該單片內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換模塊和PWM模塊，簡化了電路的設(shè)計。關(guān)鍵詞: 開關(guān)電源；移相控制；軟開關(guān)；零電壓；占空比 ABSTRACTSoft-switching PWM technique integrates the advantage of resonant converter and constant frequency modulator，which realizes zero-voltage-switching in constant frequency，and is one of the development trend

4、s of power electronicsOnly adding a resonant inductor, stress of voltage and current in devices turns lower than traditional PWM hard-switching, without increasing cost and complication of circuitPhase Shifted zero-voltage-switching PWM converter(PS-ZVS-PWM converter)is one of the topologies using s

5、oft-switching PWM technique，and is suited for middle to high power DC-DC conversion applicationThis dissertation analyzes the operation principle of PS-ZVS-PWM FB converter systemicallyThe classical PS ZVS PWM DC-DC FB converter has some disadvantages such as its lagging leg is difficult to achieve

6、ZVS and its loss duty of secondary is largeTo alleviate these problemsthis paper introduces a PS ZVS PWM DC-DC FB converter using saturable inductor to reduce its loss duty of secondaryThis paper also introduces a PS PWM DC-DC FB converter with an auxiliary network attached to its lagging legThis au

7、xiliary network has the advantages such as its circuit is simplethe current stresses and voltage stresses on its components are smallThe question of unbalance on PS PWM DC-DC FB converter is discussed, and the solution to the problem is proposedBased on the circuit topology, a switch power supply of

8、 48V/10A for communication system is designedThe design of structure and calculation methods of parameter in the DC-DC converter main circuit and the design of the control and protect circuit have been presented Key Words：Switch power supply；Phase-shifted control；Soft-switching；Zero-voltage-switchin

9、g；Duty 目錄摘要第一章 緒論11.1、概述11.2、開關(guān)電源的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢21.3、設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計指標(biāo)4第二章 開關(guān)電源技術(shù)的理論分析52.1、開關(guān)電源的基本原理52.2、開關(guān)電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)52.2.1、單端反激式變換器52.2.2、單端正激式變換器62.2.3、推挽式變換器62.2.4、半橋式變換器72.2.5、全橋式變換器72.3、開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)82.3.1、軟開關(guān)技術(shù)的概念82.3.2、軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展10第三章 全橋變換器及工作原理133.1、傳統(tǒng)的PWM全橋變換器133.2、PWM DC-DC全橋變換器的控制143.3、移相控制ZVS PWM全橋變換器的特點(diǎn)163

10、.3.1、移相控制ZVS PWM全橋變換器的優(yōu)點(diǎn)163.3.2、移相控制ZVS PWM全橋變換器的缺點(diǎn)163.4、移相控制ZVS PWM全橋變換器的改進(jìn)173.4.1、加鉗位二極管的移相全橋ZVS PWM變換器173.4.2、副邊加緩沖吸收回路的移相全橋ZVS PWM變換器183.5、移相控制ZVS PWM全橋變換器的分析183.5.1、零電壓開關(guān)條件及實(shí)現(xiàn)183.5.2、副邊占空比丟失19第四章 移相全橋軟開關(guān)PWM變換器設(shè)計204.1、設(shè)計參數(shù)選定204.2、EMI濾波電路設(shè)計204.3、高頻變壓器的設(shè)計214.4、諧振電感設(shè)計234.5、輸出濾波電路設(shè)計244.6、功率開關(guān)器件及二極管的

11、選擇244.7、其他器件選型25第五章 控制電路設(shè)計275.1、系統(tǒng)控制方案275.1.1、控制方案比較275.1.2、方案論證275.1.3、整體控制方案285.2、PIC單片機(jī)簡介285.3、采樣電路設(shè)計295.4、保護(hù)電路設(shè)計315.5、MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計325.6、輔助電源設(shè)計35第六章、軟件設(shè)計386.1、總體編程思想386.2、主程序流程圖386.3、A/D轉(zhuǎn)換流程圖396.4、PI算法子程序396.5、PWM波控制子程序406.6、輸出過流保護(hù)子程序41總結(jié)42參考文獻(xiàn)43英文原文與翻譯45致謝63附錄一 元器件清單64附錄二 程序清單66第一章 緒論1.1、概述隨著電子技

12、術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。電源是對公用電網(wǎng)或某種電能進(jìn)行變換和控制，并向各種用電負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備。電源是一切電子設(shè)備的動力心臟，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)，它可分為線性電源和開關(guān)電源兩種。開關(guān)電源SPS(Switching Power Supply)被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)80-90，比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高近一倍，在通信、計算機(jī)及

13、家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是目前便攜式設(shè)備市場需求巨大，DC-DC開關(guān)電源的需求也越來越大，性能要求也越來越高，而DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計也更具挑戰(zhàn)性。開關(guān)電源是利用體積很小的高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還可采用體積較小的濾波元件和散熱器，這就為研究與開發(fā)高效率、高精度、高可靠性、體積小、重量輕的開關(guān)電源奠定了基礎(chǔ)。近年來，隨著電力電子學(xué)的高速發(fā)展，電力供給系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展。同時，人們對電源的要求也越來越高。在高效率、大容量、小體積之后，對電源系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)和軟開關(guān)技術(shù)也提出了更高的要求。從1997年1月，美國、歐洲、日本相繼禁止沒有進(jìn)行諧

14、波抑制和功率因數(shù)改善的供電系統(tǒng)進(jìn)入市場，并對高次諧波電流和功率因數(shù)制定了詳細(xì)的國際標(biāo)準(zhǔn)，這樣就使世界各國的電源開發(fā)研究機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力來研究這一課題，形成了電源系統(tǒng)研究中的一個新領(lǐng)域。電源是給電子設(shè)備提供所需要的能量的設(shè)備，這就決定了電源在電子設(shè)備中的重要性。電子設(shè)備要獲得好的工作可靠性必須有高質(zhì)量的電源，所以電子設(shè)備對電源的要求日趨增高。相對于線性穩(wěn)壓電源來說，開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)更能滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的要求，從20世紀(jì)中期開關(guān)穩(wěn)壓電源問世以來就倍受關(guān)注，特別是20世紀(jì)80年代以后，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和新型電力電子器件的產(chǎn)生，使其在計算機(jī)、通信、航天、辦公和家用電器等方面得到廣泛應(yīng)

15、用，大有取代線性穩(wěn)壓電源之勢。但是，由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率，近年來國內(nèi)外的專家學(xué)者提出了眾多的電路拓?fù)洌沟密涢_關(guān)技術(shù)成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)。1.2、開關(guān)電源的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢上世紀(jì)六十年代初期以前，線性調(diào)整器一直占據(jù)著電源市場的主要份額。線性調(diào)整器由一個工作在線性區(qū)的晶體管與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，整個回路中不存在開關(guān)損耗。但是，線性調(diào)整器效率低，只能降壓，輸出與輸入之間有公共部分，且其初始直流輸入電壓一般由工頻變壓器次級整流獲得

16、，而工頻變壓器的體積和重量限制了它的推廣應(yīng)用。上世紀(jì)六十年代初期，PWM技術(shù)的出現(xiàn)極大地改變了直流變換器的設(shè)計方式，不僅降低了開關(guān)電源的體積和重量，還提高了電源的功率因數(shù)和效率，很快就取代了線性調(diào)整器的位置。上世紀(jì)六七十年代是半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展的時期，新的功率器件不斷涌現(xiàn)，如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)、電力場效應(yīng)管(MOSFET)等全控型器件，以及在八十年代異軍突起的絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)。這些器件不僅可以工作在更大的電壓電流定額下，而且開關(guān)速度得到了極大的提高。同時，非晶、微晶磁芯和高頻鐵氧體等磁性材料的研究也取得了進(jìn)展。因此，開關(guān)電源可以工作在越來越高

17、的頻率，從而使開關(guān)電源向著高頻化、小型化、高功率密度的方向發(fā)展。開關(guān)電源抗干擾技術(shù)及防止電網(wǎng)污染技術(shù)也已經(jīng)引起國內(nèi)外專家的注意。在21世紀(jì)，分布式電源系統(tǒng)的組成將強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)集成”、“電力電子封裝技術(shù)”等。目前，新的器件(能在低壓工作、降壓很小的器件)已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入市場，可以得到1V的低壓輸出和功率小到10毫瓦的開關(guān)電源、功率密度達(dá)5-6Wem)，為便攜裝置微型化提供了條件?，F(xiàn)在可以采用軟開關(guān)PWM技術(shù)、印刷電路、折疊繞組變壓器，可以采用非晶、納米晶合金軟磁材料的鐵芯，小功率開關(guān)電源整機(jī)效率可達(dá)到90，大功率電源可達(dá)到95左右。開關(guān)頻率以20kHz為下限，幾十、幾百倍的提高。設(shè)備體積、重量越來越顯

18、著下降。外形也可以做成輕、薄、短、小?？傊娫丛俨皇谴?、粗、笨的設(shè)備，而足精致、靈巧、可沒計成兼有“智慧”的裝置了。雖然近幾年國內(nèi)的開關(guān)電源技術(shù)取得了長足的進(jìn)展，理論、研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等已有相當(dāng)成果或規(guī)模，但我國開關(guān)電源市場尚未很好開拓，相控電源在我國現(xiàn)有電源中占有較大的市場份額。因此，利用PWM技術(shù)的電源必須取代各類相控電源。對于現(xiàn)代的開關(guān)電源功率交換技術(shù)的發(fā)展趨勢，可以概括為：高頻化、高效率、無污染和模塊化。(1)高頻化。高頻化是縮小電源體積、減輕重量、提高功率密度的重要技術(shù)途徑。高頻化還可使開關(guān)電源的動態(tài)品質(zhì)得到改善。小功率DC-DC變換器的開關(guān)頻率將由200-300kHz，提高到1M

19、Hz。功率密度也將由每立方英寸50瓦提高到100瓦以上。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz(提高400倍)的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的lO。無論是逆變式整流焊機(jī)，還是通訊電源用的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造成為開關(guān)變換類電源，其主要材料可以節(jié)約90或更高，還可節(jié)電30或更多。由于功率電子器件的工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)

20、約材料的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。(2)高效率。作為電源，效率是重要的關(guān)鍵指標(biāo)之一。高頻化的結(jié)果，使開關(guān)損耗顯著增加。因此，80年代后期以來，軟開關(guān)變換技術(shù)始終是電源技術(shù)研究的熱門課題。有無源軟開關(guān)技術(shù)，即應(yīng)用無源器件(L、C、R等)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，對功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)無損緩沖軟開關(guān)的技術(shù)，如諧振、準(zhǔn)諧振、恒頻零開關(guān)以及ZVT-PWM或ZCT-PWM，還有適用于橋式電路的諧振直流環(huán)節(jié)逆變技術(shù)等。軟開關(guān)技術(shù)理論上可使開關(guān)損耗降為零。實(shí)際上可使目前的各種電源模塊的變換效率由80提高到90以上，達(dá)到高頻率、高效率的功率變換。(3)無污染。隨著電力電子裝置和電源的大量廣泛應(yīng)用，使輸入電源的諧波電流顯著增加

21、，功率因數(shù)大為降低，供電網(wǎng)受到明顯污染。開關(guān)電源的輸入端常常是二極管整流和電流濾波的組合電路，其輸入電流呈脈沖狀，交流側(cè)功率因數(shù)只有0.60.7。提高AC-DC開關(guān)電源的輸入端功率因數(shù)，可用無源或有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)。無源校正技術(shù)較為簡單，即應(yīng)用LC濾波網(wǎng)絡(luò)，只不過濾波網(wǎng)絡(luò)體積、重量較大。有源校正技術(shù)是在輸入整流和DC-DC變換器，利用控制電路(有專用的集成控制芯片)，使輸入端電流波形接近正弦并保持與電壓同相，從而使輸入端功率因數(shù)接近1，電路成本約增加20，效率達(dá)到9798。電源系統(tǒng)的無污染還有兩層含義：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約。而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)

22、電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，許多功率電子節(jié)電設(shè)備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源，向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰。甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)木，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。(4)模塊化。模塊化是為了適應(yīng)分布式電源供電系統(tǒng)的需求。過去，電源功率不大時，均是采用單一集中的供電方式。近年來有明顯地向分布式供電發(fā)展的趨勢。這是由于：分布式供電具有節(jié)能、高效經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；適用于低損耗、超高速型集成電路低電壓電源的供電要求；當(dāng)需

23、要大功率輸出時，可用小功率電源模塊、大規(guī)模控制集成電路做基本部件，組成積木式智能化大功率供電電源。這樣的好處是：減輕了對大功率元器件的研制壓力；減輕了對大功率裝置的研制壓力。但開關(guān)電源也存在本身固有缺點(diǎn)：(1)存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。開關(guān)電源中主要功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流會通過電路中其它元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會嚴(yán)重影響整機(jī)工作。此外由于開關(guān)電源與電網(wǎng)問沒有工頻降壓變壓器的隔離，這些干擾會串入工頻電網(wǎng)，污染電網(wǎng)并影響其它電子儀器、設(shè)備的工作。(2)輸出紋波較大。由于開關(guān)電源體積的限制，電解電容的容量不可能無限制增加

24、，所以導(dǎo)致低頻紋波存在。而隨著開關(guān)電源頻率的提高，在每次主殲關(guān)管的開關(guān)過程中都要產(chǎn)生相應(yīng)尖峰電壓過沖，使得開關(guān)電源輸出電壓中包含兩倍于主開關(guān)管工作頻率的共模紋波。(3)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修麻煩。1.3、設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計指標(biāo)1、主要內(nèi)容：研究全橋PWM變換器及其控制方式，并進(jìn)一步研究移相控制方式及移相控制ZVS PWM全橋變換器的優(yōu)缺點(diǎn)，ZVS PWM DC-DC全橋變換器的電路拓?fù)?、工作原理，掌握系統(tǒng)調(diào)試方法，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求。2、設(shè)計出大功率移相控制全橋軟開關(guān)PWM DC-DC變換器，研究實(shí)現(xiàn)ZVS的條件實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)工作。3、該電源的主要設(shè)計指標(biāo)如下：（1）輸入電壓：單相AC2

25、20V，有效值波動在15%以內(nèi)；4555Hz；（2）輸出電壓：DC48V；（3）輸出電流：10A；（4）輸出最大功率600W； 第二章 關(guān)電源技術(shù)的理論分析2.1 、開關(guān)電源的基本原理現(xiàn)在，人們簡稱ACDC開關(guān)穩(wěn)壓(整流)電源為開關(guān)電源。它必須同時具備三個條件：開關(guān)(電路中的電力電子器件必須工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài))，高頻(電路中的電力電子器件必須工作在高頻狀態(tài)而不是接近工頻的低頻)以及直流(電源的輸出是直流而不是交流)。其開關(guān)電源基本穩(wěn)壓原理如下圖21所示。圖2.1 開關(guān)電源基本穩(wěn)壓原理框圖從上圖分析可知開關(guān)電源基本工作原理為開關(guān)K以一定的時間間隔重復(fù)的接通和斷開，在開關(guān)K接通時，輸入電

26、源E通過接通的開關(guān)以及輸出濾波電路給負(fù)載供電，在整個開關(guān)接通的過程中，電源E給負(fù)載提供能量；當(dāng)開關(guān)K斷開時，輸入電源E便中斷了能量的供應(yīng)。由此可見，輸入電源E向負(fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量供應(yīng)，開關(guān)電源必須要有一套儲能裝置，在開關(guān)K接通的過程中儲存能量，并在開關(guān)斷開的過程中為負(fù)載提供能量。在上圖中，電感L、電容C以及二極管D所組成的電路就具有這種功效。電感L用以儲存能量，在開關(guān)斷開時，儲存在電感L上的能量通過二極管D釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。2.2 、開關(guān)電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換電路中，目前應(yīng)用最多的就是脈沖寬度調(diào)制型(PWM)穩(wěn)壓電源功率轉(zhuǎn)換電路，常見的開關(guān)

27、電源功率變換電路拓?fù)溆袉味朔醇?、單端正激、推挽式、半橋式、全橋式電路等?.2.1、單端反激式變換器在單端反激式變換器中，開關(guān)管Q在一定占空比的脈沖驅(qū)動下導(dǎo)通或關(guān)斷，輸入直流電壓V被變換成高頻交流方波電壓，經(jīng)變壓器給輸出電容和負(fù)載提供能量。其中電路中的變壓器是電感儲能式變壓器，它不僅有傳輸能量的作用還有儲存能量的作用。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器儲存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時消耗的能量，因此該拓?fù)渲胁恍枰敵鰹V波電感，使反激變換器成本降低，體積減少。單端反激式變換器在輸出功率為5-150W電源中應(yīng)用非常廣

28、泛，對多路輸出具有較好的自動平衡能力，所以它最適合于多路輸出的DC-DC變換。此外，反激變換器不需要高壓續(xù)流二極管，它廣泛應(yīng)用于高電壓、小功率場合。圖2.2 單端反激變換器2.2.2、單端正激式變換器單端正激式變換器與反激式變換器不同之處是在開關(guān)管導(dǎo)通期間輸入端電源經(jīng)變壓器向輸出濾波電容和負(fù)載提供能量。在圖2.3所示結(jié)構(gòu)中，正激變換器結(jié)構(gòu)中變壓器增加了一個去磁線圈Nf， Nf的匝數(shù)與Np相同，其作用是在開關(guān)管關(guān)斷期間使變壓器磁芯復(fù)位。單端正激式變換器的工作可靠性很高，因而其應(yīng)用非常廣泛，是通信開關(guān)電源整流模塊逆變開關(guān)電路的優(yōu)選方案之一在最大直流輸入電壓為60-200V，輸出功率 150-200

29、W的場合，正激變換器可能是應(yīng)用最廣泛應(yīng)用的場合。圖2.3 單端正激變換器2.2.3、推挽式變換器高壓開關(guān)管Q1、Q2由驅(qū)動電路控制基極，以PWM方式激勵而交替通斷，輸入直流電壓被變換成高頻方波交流電壓。推挽變換器的實(shí)質(zhì)是兩個正激變換器輪流交替工作。當(dāng)Q1導(dǎo)通時，輸入電源V通過Q1施加到高頻變壓器的原邊繞組Np。由于變壓器具有兩個匝數(shù)相等的主繞組Np,所以在Q1導(dǎo)通時，截止開關(guān)管Q2必須承受兩倍的輸入直流電壓。當(dāng)基極激勵消失時，一對高壓開關(guān)管均截止，它們的集電極施加電壓均為V。下半個周期，Q2將被激勵而導(dǎo)通，相對應(yīng)的截止開關(guān)管Q1也將承受兩倍的輸入直流電壓，接著又是兩個開關(guān)管都截止。再下一個周期

30、重復(fù)上述過程。該電路的主要缺點(diǎn)是：電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本較高，變壓器繞組利用率低，對功率管的耐壓要求比較高。圖2.4 推挽式變換器2.2.4 、半橋式變換器半橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.5所示，它的主要優(yōu)點(diǎn)是，開關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓為直流輸入電壓，而不是像推挽拓?fù)浠騿味苏ぷ儞Q器那樣為兩倍的輸入直流電壓。它的工作過程與全橋變換器一樣，只是將全橋變換器拓?fù)渲星氨鄣拈_關(guān)管由電容取代。半橋式電路有一個極其重要的特點(diǎn)是具有抗不平衡能力，這也是它獲得廣泛應(yīng)用的一個重要原因。半橋式變換器適用于直流輸入電壓為50-1000V,輸出功率為100-500W的場合。圖2.5 半橋式變換器2.2.5、 全橋式變換器由圖

31、2.6可見，Q1和Q3、Q2和Q4組成全橋變換器的兩臂。高頻變壓器的初級連接在兩橋臂的中間，相對的開關(guān)管Q1和Q4、Q2和Q3由驅(qū)動電路以PWM方式激勵而交替通斷，(Q1和Q4同時通斷、Q2和Q3同時通斷)將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成高頻方波交流電壓。其工作過程與推挽式變換器一樣。全橋式功率變換電路適用于各種輸出功率容量等級的直流電源變換器，輸出功率從數(shù)KW到數(shù)百KW。與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半，橋式變換電路的逆變變壓器也比較簡單，容易制作。圖2.6 全橋式變換器2.3、開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)2.3.1、 軟開關(guān)技術(shù)的概念開關(guān)電源是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，在一個電路拓?fù)渲羞\(yùn)行于“

32、開關(guān)狀態(tài)”，按一定規(guī)律控制開關(guān)，對電能進(jìn)行處理變換而構(gòu)成的電源結(jié)構(gòu)。開關(guān)電源工作原理不同于傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源，它是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。它直接將電網(wǎng)工頻電壓經(jīng)整流濾波為直流電壓，再經(jīng)主變換電路處理后經(jīng)輸出整流濾波，反饋電路對輸出電壓進(jìn)行采樣，并把所采樣信號送到控制電路進(jìn)行比較放大處理，以此調(diào)節(jié)輸出的PWM脈沖占空比，最終輸出一個紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。但傳統(tǒng)的開關(guān)電源在開通和關(guān)斷時，功率管兩端的電壓和電流均不為零，因此會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，這使得電源的效率很低，當(dāng)開關(guān)頻率升高時，開關(guān)損耗也相應(yīng)增大，這種開關(guān)方式稱為

33、“硬開關(guān)”。在電力開關(guān)變換器的發(fā)展過程中，硬開關(guān)器件PWM變換器的研究最早，相關(guān)理論也基本成熟，它是軟開關(guān)變換器的基礎(chǔ)。由于該技術(shù)比較成熟，控制簡單，功率拓?fù)浜啙崳壳八趯?shí)際工程應(yīng)用中依然占據(jù)主導(dǎo)地位。一般來說，所謂PWM技術(shù)是指在開關(guān)變換過程中保持開關(guān)頻率恒定但通過改變開關(guān)的接通時間的長短(即脈沖寬度)，使得當(dāng)負(fù)載變化時，負(fù)載上的電壓輸出變化不大的方法。脈寬調(diào)制硬開關(guān)技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)50年代，經(jīng)過60年代的成長期、70年代的發(fā)展期和80年代的成熟期，迄今為止已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，由于電子開關(guān)是一種“硬開關(guān)”，即功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷是在器件上的電壓或電流不等于零的狀態(tài)下強(qiáng)迫進(jìn)行的，電

34、路的開關(guān)損耗很大。這使得PWM開關(guān)技術(shù)的高頻化受到了許多的限制，主要表現(xiàn)在以下四個方面：(1)開通和關(guān)斷損耗大：在開通時，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時進(jìn)行，在關(guān)斷時，電壓上升和電流下降同時進(jìn)行。電壓電流波形的交疊致使器件的開通損耗和關(guān)斷損耗隨開關(guān)頻率的提高而增加。(2)感性關(guān)斷問題：電路中難免存在感性元件，如變壓器的漏感、連線電感等寄生電感或?qū)嶓w電感，在高頻狀態(tài)下，開關(guān)器件關(guān)斷，當(dāng)通過該感性元件的電流較大時，感應(yīng)出的高尖峰電壓加在開關(guān)器件的兩端，易造成電壓擊穿。(3)容性開通問題：當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時，儲藏在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將全部耗散在該開關(guān)器件內(nèi)，引起開關(guān)器件過熱損壞。(

35、4)二極管反向恢復(fù)問題：二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂習(xí)r存在反向恢復(fù)期，在此期間內(nèi)，二極管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，若立即開通與其串聯(lián)的開關(guān)管，容易造成直流電源瞬間短路，產(chǎn)生很大的沖擊電流，輕則引起該開關(guān)管和二極管的損耗急劇加大，重則致其損壞。由于現(xiàn)代電力電子裝置愈來愈趨向于小型化和輕量化發(fā)展, 必然要求開關(guān)頻率越來越高。當(dāng)開關(guān)頻率很高時, 往往造成開關(guān)過程中di/dt和du/dt 很大, 給電路造成嚴(yán)重的噪聲污染和開關(guān)損耗, 且產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾, 軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一系列問題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，要求開關(guān)電源有較高的開關(guān)頻率和較低的開關(guān)損耗，在這樣的市場需求下，軟開關(guān)技術(shù)出現(xiàn)了。所謂“軟開關(guān)”是與“硬開

36、關(guān)”相對應(yīng)的。硬開關(guān)是在控制電路的開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流的變化劇烈，產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和噪聲，開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降；開關(guān)噪聲給電路帶來嚴(yán)重的電磁干擾, 影響周邊電子設(shè)備的工作。軟開關(guān)是在硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)上，增加了小電感、電容等諧振器件, 構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò), 在開關(guān)過程前后引入諧振過程，開關(guān)在其兩端的電壓為零時導(dǎo)通；或使流過開關(guān)的電流為零時關(guān)斷, 使開關(guān)條件得以改善, 降低傳統(tǒng)硬開關(guān)的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲, 從而提高了電路的效率。軟開關(guān)包括軟開通和軟關(guān)斷。理想的軟開通過程是：電壓先下降到零后, 電流再緩慢上升到通態(tài)值, 所以開通時不會產(chǎn)生損耗和噪聲，軟開通的開關(guān)稱

37、之為零電壓開關(guān)。理想的軟關(guān)斷過程是：電流先下降到零后,電壓再緩慢上升到通態(tài)值，所以關(guān)斷時不會產(chǎn)生損耗和噪聲，軟關(guān)斷的開關(guān)稱之為零電流開關(guān)。軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一, 它應(yīng)用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流(或電壓) 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時, 使器件關(guān)斷(或電壓為零時, 使器件開通) , 從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題, 而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI等問題。當(dāng)開關(guān)頻率增大到兆赫茲級范圍, 被抑制的或低頻時可忽視的開關(guān)應(yīng)力和噪聲, 將變得難以接受。諧振變換器雖能為開關(guān)提供零

38、電壓開關(guān)和零電流開關(guān)狀態(tài), 但工作中會產(chǎn)生較大的循環(huán)能量, 使導(dǎo)電損耗增大。為了在不增大循環(huán)能量的同時, 建立開關(guān)的軟開關(guān)條件, 發(fā)展了許多軟開關(guān)PWM 技術(shù)。它們使用某種形式的諧振軟化開關(guān)轉(zhuǎn)換過程,開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后又恢復(fù)到常規(guī)的PWM 工作方式,但它的諧振電感串聯(lián)在主電路內(nèi), 因此零開關(guān)條件與電源電壓、負(fù)載電流的變化范圍有關(guān), 在輕載下有可能失去零開關(guān)條件。為了改善零開關(guān)條件, 人們將諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)在主開關(guān)管上, 從而發(fā)展成零轉(zhuǎn)換PWM 軟開關(guān)變換器, 它既克服了硬開關(guān)PWM技術(shù)和諧振軟開關(guān)技術(shù)的缺點(diǎn), 又綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)。目前無源無損緩沖電路將成為實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的重要技術(shù)之一, 在直流開關(guān)電源中也

39、得到了廣泛的應(yīng)用。如今軟開關(guān)變換器都應(yīng)用了諧振原理, 在電路中并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò), 勢必產(chǎn)生諧振損耗, 并使電路受到固有問題的影響。為此, 人們在諧振技術(shù)和無損耗緩沖電路的基礎(chǔ)上提出了組合軟開關(guān)功率變換器的理論。組合軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合了無損耗吸收技術(shù)與諧振式零電壓技術(shù)、零電流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn), 其基本原理是通過輔助管實(shí)現(xiàn)部分主管的零電流關(guān)斷或零電壓開通, 主管的其余軟開關(guān)則是由無損耗吸收網(wǎng)絡(luò)來加以實(shí)現(xiàn), 吸收能量恢復(fù)電路被ZCT、ZVT諧振電路所取代, 輔助管的軟開關(guān)則是由無損耗吸收網(wǎng)絡(luò)或管電壓、電流自然過零來加以實(shí)現(xiàn)。換言之, 即電路中既可以存在零電壓開通, 也可以存在零電流關(guān)斷, 同時既可以包含零電

40、流開通, 也可以包含零電壓關(guān)斷, 是這四種狀態(tài)的任意組合。由此可見, 由無損耗緩沖技術(shù)和諧振技術(shù)組合而成的新型軟開關(guān)技術(shù)將成為新的發(fā)展趨勢。2.3.2、 軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展可分為：準(zhǔn)諧振變換器， 零開關(guān)PWM 變換器，零轉(zhuǎn)換PWM變換器及無源無損緩沖電路等多種軟開關(guān)技術(shù)。 （1）、準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振。為最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，可以分為：零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（ZVS QRC）；零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路（ZCS QRC）；零電壓開關(guān)多諧振電路（ZVS MRC）。準(zhǔn)諧振開關(guān)實(shí)現(xiàn)了軟開通或關(guān)斷, 減少了開關(guān)損耗, 但其開關(guān)器件的通態(tài)電流或斷態(tài)電壓

41、應(yīng)力大，諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓必須提高。諧振電流有效值很大，電路中存在大量無功功率的交換，電路導(dǎo)通損耗加大。因開關(guān)器件工作頻率不恒定, 為保持輸出電壓在各種條件下基本不變, 必須采用變頻控制方法, 然而該控制方式比PWM變換器復(fù)雜, 而且變壓器、電感等磁性元件要按最低頻率設(shè)計, 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計困難。因此, 諧振開關(guān)一般應(yīng)用在小功率低電壓而且對體積和重量要求十分嚴(yán)格的場合, 比如宇航電源和程控交換機(jī)的DC-DC電源模塊。準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元如圖2.7所示。 圖2.7 準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元a）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 b）零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 c）零電壓開關(guān)多

42、諧振電路的基本開關(guān)單元（2）、零開關(guān)PWM變換器 零開關(guān)PWM變換器包括零電壓PWM變換器和零電流PWM變換器, 它們是在準(zhǔn)諧振軟開關(guān)的基礎(chǔ)上, 加入一個輔助開關(guān)管, 來控制諧振元件的諧振過程, 實(shí)現(xiàn)PWM控制。它只利用諧振實(shí)現(xiàn)換相, 換相完畢后仍采用PWM工作方式, 從而既能克服硬開關(guān)PWM在開關(guān)過程中的三大缺陷, 又能保留硬開關(guān)PWM變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)。電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低；電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。與傳統(tǒng)PWM硬開關(guān)變換器相比，僅僅增加了一個諧振電感，成本和電路的復(fù)雜程度沒有增加。零開關(guān)PWM電路的基本開

43、關(guān)單元如圖2.8所示。圖2.8 零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元a）零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元b）零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元（3）、零轉(zhuǎn)換PWM變換器 零轉(zhuǎn)換PWM變換器包括ZVT-PWM變換器和ZCT-PWM變換器, 其諧振網(wǎng)絡(luò)是與主開關(guān)并聯(lián)的。 在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間, 并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諧振獲得零開關(guān)條件。開關(guān)轉(zhuǎn)換結(jié)束后, 電路又恢復(fù)到正常的PWM工作方式。零轉(zhuǎn)換PWM變換器既克服了硬開關(guān)PWM和諧振技術(shù)的缺點(diǎn),又綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)。為此, 該類變換器在中大功率場合得到廣泛應(yīng)用, 并具有如下優(yōu)點(diǎn): 采用PWM控制方式, 實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制。輔助電路只是在開關(guān)管開關(guān)時工作,其他時候不工作

44、, 而且是與主功率回路相并聯(lián), 不需要處理很大的環(huán)流能量,從而減小了輔助電路的損耗。輔助電路的工作不會增加主開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力。零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元如圖2.9所示。圖2.9 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元第三章 全橋變換器及工作原理3.1、 傳統(tǒng)的PWM全橋變換器PWM脈沖寬度調(diào)制是指在開關(guān)電源工作過程中，開關(guān)頻率不變，通過改變開關(guān)接通時間的長短即脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和輸出電流的調(diào)整，開關(guān)管的通斷控制與開關(guān)管上流過的電流和兩端所加的電壓無關(guān)。PWM開關(guān)技術(shù)以其電路簡單，控制方便而獲得了廣泛的應(yīng)用，許多

45、國家爭先致力于功率電子器件、磁性材料，控制集成芯片和電路拓?fù)涞确矫娴难芯?。PWM在DC-DC變換器中，有單管構(gòu)成的變換器，一般適用于中小功率應(yīng)用場合。全橋變換電路拓?fù)涫悄壳皣鴥?nèi)外多管DC-DC變換電路中最常用的電路拓?fù)渲?，在中大功率?yīng)用場合更是首選拓?fù)洌@主要是考慮它具有功率開關(guān)器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點(diǎn)。PWM DC-DC全橋變換器典型結(jié)構(gòu)及主要波形如圖3.1。 (a)結(jié)構(gòu)圖 （b）主要波形圖3.1 傳統(tǒng)PWM全橋變換器結(jié)構(gòu)及主要波形從圖可知：DC-DC全橋變換器由全橋逆變器和輸出整流濾波電路組成。Vin是輸入直流電壓，Q1與Q3組成一個橋臂,Q2與Q4組成一

46、個橋臂。高頻變壓器Tr的原副邊匝比為K：1：1，DR1和DR2是輸出整流二極管，Lf是輸出濾波電感,Cf是輸出濾波電容，RLD是負(fù)載?？紤]所有元器件為理想情況，通過控制四只開關(guān)管，在A、B兩點(diǎn)得到一個幅值為Vin的交流方波電壓，經(jīng)過高頻變壓器的隔離和變壓及由DR1和DR2構(gòu)成的全波整流，在C、D兩點(diǎn)得到幅值為Vin/K的直流方波電壓，Lf和Cf組成的輸出濾波器將這個直流方波電壓中的高頻分量濾去，在輸出端得到一個平直的直流電壓，其電壓值為VO=DVinK，其中D是占空比，D=2Ton/Ts，Ton是導(dǎo)通時間，TS是開關(guān)周期。通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。3.2 、PWM DC-DC全橋變換器的控

47、制PWM DC-DC全橋變換器的控制方式有雙極性控制方式，有限雙極性控制方式，不對稱控制方式和移相控制方式。1、雙極性控制方式雙極性控制方式是全橋電路最基本的控制方式，開關(guān)管Q1和Q4，Q2和Q3同時開通和關(guān)斷，兩對開關(guān)管以PWM方式交替開通和關(guān)斷，其開通時間均不超過半個開關(guān)周期，即它們的開通角小于180o。如圖32所示。由圖可見，當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通時，Q2、Q3上的電壓為Uin，反之亦然，當(dāng)四個開關(guān)管都處在截止?fàn)顟B(tài)時，每個開關(guān)管所承受的電壓為Uin/2。由高頻變壓器的漏感與開關(guān)管結(jié)電容在開關(guān)過程中產(chǎn)生高頻振蕩所引起的電壓尖峰，當(dāng)其超過輸入電壓時，鉗位二極管D1-D4將導(dǎo)通，使開關(guān)管兩端的電壓被

48、鉗制在輸入電壓上。這種控制方式是過去全橋路最基本的方式。在這種方式中，功率變換是通過中斷功率流和控制占空比的方法來實(shí)現(xiàn)的，其工作頻率恒定。2、有限雙極性控制方式該方式也可稱不齊尾雙極性控制方式。電路中一個橋臂的兩個開關(guān)管(例如Q2，Q4)180o互補(bǔ)導(dǎo)通，另一個開關(guān)橋臂的兩個開關(guān)管的導(dǎo)通占空比可調(diào)。如正半周期中，Q1，Q4同時導(dǎo)通，Q4在正半周中一直開通，Q1根據(jù)占空比的要求只開通一段時間；同理，在負(fù)半周期中。Q2一直開通，Q3根據(jù)占空比的要求只開通一段時間。Q1和Q3分別在Q4和Q2之前關(guān)斷。定義Q1，Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。如圖33所示。3、不對稱控制方式

49、如圖3.4所示，Q1，Q4和Q2，Q3同時開通和關(guān)斷。與雙極性方式不同的是Q1，Q4和Q2，Q3的開通和關(guān)斷是互補(bǔ)的，即當(dāng)Q1，Q4開通時，Q2，Q3關(guān)斷；Q1，Q4關(guān)斷時，Q2,Q3開通。Q1，Q4的開通時間與Q2，Q3的不一樣，他們的占空比分別為D,1-D。當(dāng)D0.5時，UAB的正負(fù)半周電壓不對稱，有很大的直流分量。為了防止變壓器的直流磁化，必須在原邊加入隔直電容。由于兩對開關(guān)管的導(dǎo)通時間不一樣，因此電流也不一樣。為了保證在正負(fù)半周流入變壓器的電流相等，必須在變壓器初級并聯(lián)平衡電感，其電流方向?yàn)閱蜗蛄魍āD3.2 雙極性控制方式 圖3.3 有限雙極性控制方式 圖3.4 不對稱控制方式 圖3

50、.5 移相控制方式4、移相控制方式 移相控制方式是近年來在全橋變換器中使用最多的一種軟開關(guān)控制方式，它是諧振變換技術(shù)和PWM技術(shù)的結(jié)合。其工作原理為每個橋臂的兩個開關(guān)管180o互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo)通之間相差一個相位，即所謂移相角。通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的。各開關(guān)管的驅(qū)動信號如圖35所示。移相PWM控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件。漏電感儲存的能量對功率開關(guān)管的兩端并聯(lián)的輸出電容充放電來使開關(guān)管兩端的電壓下降到零，使電路的四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，在緩沖電容的作用下零電流關(guān)斷，從而有效的降低了電路的開關(guān)損耗和開

51、關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器裝置提高開關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時還保持了一般全橋電路中的結(jié)構(gòu)簡單、控制方式簡潔、開關(guān)頻率恒定、元器件的電壓電流應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)PWM DC-DC全橋變換器的軟開關(guān)，必須引入超前橋臂和滯后橋臂的概念，定義斜對角兩只開關(guān)管中先開通的開關(guān)管組成的橋臂為超前橋臂，后開通的開關(guān)管組成的橋臂為滯后橋臂。超前橋臂只能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)ZVS，并且很容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，不能實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)ZCS。滯后橋臂可分別實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS。但實(shí)現(xiàn)ZVS時較超前橋臂困難。根據(jù)超前橋臂和滯后橋臂實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)方式的不同，可以將軟開關(guān)PWM全橋變換

52、器分為兩大類：一類是ZVS PWM全橋變換器，其超前橋臂和滯后橋臂都實(shí)現(xiàn)ZVS。無論是超前橋臂還是滯后橋臂，為了實(shí)現(xiàn)ZVS，有必要在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容，或者利用開關(guān)管自身的結(jié)電容；另一類是零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)PWM全橋變換器，其超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS，對于滯后橋臂，為了實(shí)現(xiàn)ZCS，不能在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容。它們均采用移相(Phase-shift)控制方式。從實(shí)現(xiàn)變換裝置小型化和輕量化的角度考慮，雙極性控制方式和不對稱方式不大適合中大功率應(yīng)用場合。有限雙極性控制方式和移相控制方式具有更多的優(yōu)越性，更適合中大功率的場合，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的方式一直是人們研究的熱點(diǎn)方向。在本

53、論文中采用的是移相控制方式，接下來我們將重點(diǎn)討論移相控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。3.3、移相控制ZVS PWM全橋變換器的特點(diǎn)3.3.1、移相控制ZVS PWM全橋變換器的優(yōu)點(diǎn)移相控ZVS PWM全橋變換器集諧振變換器和PWM控制優(yōu)點(diǎn)于一體，該方式具有多種優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：（1）實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的ZVS，大大降低了開關(guān)損耗。（2）開關(guān)頻率恒定，利于濾波器的優(yōu)化設(shè)計。（3）元器件的電壓、電流應(yīng)力小，電壓應(yīng)力為電源電壓，電流應(yīng)力等于折算到原邊的負(fù)載電流。（4）與傳統(tǒng)PWM硬開關(guān)變換器相比，僅僅增加了一個諧振電感，成本和電路的復(fù)雜程度沒有增加。3.3.2、移相控制ZVS PWM全橋變換器的缺點(diǎn)移相控制ZVS P

54、WM全橋變換器也存在一些問題，主要有：（1）滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS比較困難。因?yàn)橹挥凶儔浩髀└械哪芰坑脕韺?shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS。實(shí)現(xiàn)ZVS的負(fù)載范圍窄。為了在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滯后橋臂ZVS，必須加大變壓器原邊漏感或在變壓器原邊中串入諧振電感。（2）變壓器的漏感或附加的諧振電感帶來占空比丟失。漏感或附加的諧振電感越大，占空比丟失越大；為了得到相同的輸出電壓，必須減小變壓器的原副邊匝比，這樣要增加原邊電流和輸出整流管的反向電壓。（3）輸出整流二極管換流時，變壓器的漏感或附加的諧振電感與變壓器的繞組電容和二極管的結(jié)電容之間的振蕩引起副邊尖峰電壓，二極管會承受兩倍以上的變壓器副邊電壓，需要吸收電路。3.4

55、、移相控制ZVS PWM全橋變換器的改進(jìn) 傳統(tǒng)的移相全橋ZVS PWM變換器有電路結(jié)構(gòu)簡單、控制實(shí)現(xiàn)容易、可實(shí)現(xiàn)ZVS、恒頻運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。但也存在著很多的不足之處，傳統(tǒng)的移相全橋ZVS PWM變換器只能在負(fù)載較大時實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)器件的ZVS，要在大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)器件的ZVS，可增加變壓器原邊的電感量，但電感的增加對變換器性能有相當(dāng)大的影響，最重要的是會增加副邊占空比的丟失。同時，輸出整流管存在反向恢復(fù)過程，在輸出整流管上產(chǎn)生電壓尖峰和電壓振蕩。另外，在電路的續(xù)流期間，電路中的環(huán)流比較大，造成的損耗也比較大。為了解決上述的問題，一些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷地被提出來。3.4.1 、加鉗位二極管的移

56、相全橋ZVS PWM變換器 圖3.6 加鉗位二極管的移相全橋ZVS PWM變換器此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最先由Richard Redl等人提出，其電路結(jié)構(gòu)見圖3.6。該電路通過在變壓器原邊串聯(lián)一個電感拓寬了滯后橋臂開關(guān)管的ZVS范圍，同時通過在變壓器原邊加入兩個二極管，利用其鉗位作用有效地抑制了副邊輸出整流二極管上存在的電壓尖峰和電壓振蕩。但是，加入的換向電感雖然拓寬了滯后橋臂開關(guān)管的ZVS范圍，但也增加了副邊占空比的丟失，且原邊的鉗位二極管工作在硬開關(guān)狀態(tài)下，損耗和電磁干擾會有所增加。圖3.7 副邊加緩沖吸收回路的移相全橋ZVS PWM變換器3.4.2、副邊加緩沖吸收回路的移相全橋ZVS PWM變換器副邊加緩沖吸收回路是抑制電壓尖峰和電壓振蕩最直接的方法，具體做法是在副邊加入電容和電阻，利用電容的緩沖吸收作用將電壓尖峰吸收并通過電阻將吸收的能量消耗掉。該方法的缺點(diǎn)是電容中緩沖吸收的能量全部消耗在了電阻上，是有損的，影響了整個變換器效率的提高。3.5、移相控制ZVS PWM全橋變換器的分析3.5.1、零電壓開關(guān)條件及實(shí)現(xiàn) 由上一節(jié)的分析可知，開關(guān)管在其輸出結(jié)電容作用下是零電壓關(guān)斷的。而零電壓開通是通過線路電感和輸出結(jié)電容產(chǎn)生諧振實(shí)現(xiàn)的。要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，必須有足夠的能量來抽走將要開通的開關(guān)管結(jié)電容(