全桥移相大功率开关电源的设计(2)

７０年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软丌关技术。

在７０年代，最先出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器（Ｒｅｓｏｎａｎｔ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器（ＳｅｒｉｅｓｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒＳ，ＳＲＣｓ）和并联谐振变换器（Ｐａｒａｌｌｅｌｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ＰＲＣｓ）两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直处于谐振工作状态，参与能量变换的全过程。

准谐振变换器（Ｑｕａｓｉ．ｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｎｅｒｓ，ＱＲＣｓ）和多谐振变换器（Ｍｕｌｔｉ—ｒｅｓｏｎａｎｔ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ＭＲＣＳ）出现在８０年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。

８０年代末出现了零开关ＰＷＭ变换器（ＺｅｒｏｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｃｏｎｖｅｎｅｒＳ），它可以分为零电压开关ＰｗＭ变换器（Ｚｅｒｏ．ｖｏｌｔａｇｅ．ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）和零电流开关ＰＷＭ变换器（Ｚｅｒｏ．ｃｕｒｒｅｎｔ．ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）两种。它们采用的是ＰＷＭ控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的ｌ／ｌＯ．１／５０。

９０年代初出现了零转换ＰＷＭ变换器（Ｚｅｒｏｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｏｎｖｅｎｅｒｓ）。它也分为零电压转换ＰｗＭ变换器（Ｚｅｒｏ．ｖｏｌｔａｇｅ．ｔｒａＪｌｓｉｔｉｏｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）和零电流转换ＰＷＭ变换器

（ｚｅｒｏ．ｃｕｌｌｒｅｎｔ．ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｏｎｖｅｎｅｒｓ）两种。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作在ＰＷＭ方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。

在环境保护意识日益加强的２１世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不能（或少）对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源。这些污染使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。２０世纪末各种有源滤波器和有源补偿器方案诞生，有了功率因数校正（ＰＦＣ—Ｐｏｗｅｒ

的绿色化奠定了基础。ＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｏｒ）的方法，为开关电源产品

近年来，为缩小开关变换器的体积和重量，提高其功率密度，并改善动态响应，开关频率大幅度的提高，高频化成为一种趋势。小功率ＤＣ—ＤＣ变换器开关频率将由２００～５００ｋＨｚ提高到１ＭＨｚ以上，但是高频化又会产生新的问题：其一，开关损耗以及无源元件的损耗增大；其二，高频寄生参数影响增大以及高频电磁干扰问题严重。因此，为减小损耗，提高效率，采用了软开关技术，包括无源无损（吸收网络）软开关技术，有源

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第一章绪论

软开关技术。

１９８８年Ｒ．Ａ．Ｆｉｓｈｅｒ提出了移相控制全桥ＺｖＳ．ＰｗＭ变换器的概念并利用其做出了５００ＫＨｚ、２５０ｗＤｃ／Ｄｃ变换器【５】；２０００年浙大的ＤａＶｉｄＭ．ｘｕ采用在输出整流电路联谐振网络的方法【６】，做出了５ＫＷ、１００ｌ饵ｚ的ＺＣＴ－ＰＷＭ全桥ＤＣ／ＤＣ变换器，效率达９６％：２００４年张军明，张方等采用两个ＭＯＳ管组成输出整流的一个桥臂，做出了２．８ＫＷ、

２００ＫＨｚ的ｚＶＳ．ＰｗＭ全桥Ｄｃ／ＤＣ变换器巴现在１ＭＨｚ以上的Ｄｃ／ＤＣ电源的输出功率（未扩容）仅能达到几百瓦。目前在相当高的开关频率（大于３００ＩⅢｚ）下，基本上ＤＣ／ＤＣ电源的功率都比较小，因为开关电源大功率输出会遇到很多难点，例如，软开关方案的选择：ＭＯＳＦＥＴ的驱动及串并联问题；电路拓扑结构的选择；分布参数的影响等，因此对高频率、大功率的开关电源进行研究很有价值。

１．２．２高频开关电源技术发展趋势

开关电源相关技术正处于迅速发展阶段。开关电源正向小型化和轻量化发展，因此，高频化也就成为开关电源的主要发展方向之一。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。开关电源的缺点之一就是产生的电磁干扰较大。若单纯追求高频化，电磁干扰也会随之增大。软开关技术应用，既可以提高频率，又可以降低噪声，达到较好的动态性能【５】ｏ

进入２１世纪，开关电源的具体技术将在以下几方面有更大的发展１６】。

１）高性能碳化硅（ＳｉＣ）功率半导体器件的发展

可以预见，ＳｉＣ将是２ｌ世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料，其特点是：禁带宽，工作温度高，通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，ＰＮ结耐压高等等。

２）高频磁技术

高频开关变换器中用了多种磁元件，有许多基本问题要研究，如高频下的寄生参数问题，满足高频要求的磁性材料，磁电混合集成技术等。

３）新型电容器

研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容，要求电容量大，ＥＳＲ小，体积小等。

４）功率因数校正ＡＣ．ＤＣ开关变换技术

一般高功率因数ＡＣ．ＤＣ电源由两级组成：在ＤＣ．ＤＣ变换器前加一级前置功率因数校正器，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路，这样对于小功率开关电源来说，总体效率低，成本高

５）高频开关电源的ＥＭＣ研究

专门针对开关电源ＥＭｃ的研究工作，目前还处于起始阶段，在电磁兼容领域，存在着许多交叉学科的前沿问题有待研究。

６）开关电源的设计和测试技术

建模，仿真和ＣＡＤ是一种新的，方便且节省的设计工具，此外开关电源的热测试、ＥＭＩ测试、可靠性测试等技术的开发，研究与应用也是应大力发展的。

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７）低电压，大电流的丌关电源丌发

数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压可以低到１．１～１．８Ｖ，而电流达５０～１００Ａ，因此对其供电电源的要求是：输出电压很低，输出电流大，电流变化率高，响应快等。

１．３论文的主要内容及安排

本课题根据当前高频开关电源的现状和进展，采用现今应用广泛的移相全桥ＰＷＭ控制来满足大功率的要求，同时应用ＺＶＳ软开关技术减小开关器件的损耗，将工作频率提高到２０ＫＨｚ，使输出功率提高到３ＫＷ，并针对高频开关电源中的一些问题，如主电路软开关的实现，功率器件的并联及驱动，高频变压器的设计，系统的ＥＭＩ设计等问题进行研究，并在仿真中进行了验证。本课题拟采用模块化的设计方法，通过理论估算、软件仿真等环节设计开关电源。主要设计内容包括：

１）主功率变压器、各电感的参数设计

２）输入整流部分参数设计

３）逆变部分参数设计

４）驱动电路的设计

５）控制电路及保护电路设计

在设计的基础上，利用ＰＳＰＩＣＥ进行仿真，并根据仿真结果对设计进行验证和改进。 …… 此处隐藏：2090字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……