高功率密度ClassE諧振變換器的研究（可編輯）

1、高功率密度class-e諧振變換器的研究 浙江大學電氣工程學院碩士學位論文高功率密度class-e諧振變換器的研究姓名:趙向源申請學位級別:碩士專業(yè):電力電子與電力傳動指導教師:徐德鴻20080501浙江大學碩士學位論文 摘要摘 要隨著手機的小型化,人們對手機充電器也提出了越來越高的要求:更高的功率密度。提高手機充電器的功率密度,主要有兩種途徑:一是提高開關頻率;二是采用磁集成技術。常用的手機充電器電路拓撲不適合高頻工作,為了使電路能在較高的工作頻率下高效工作,本文引入了?諧振變換器。.諧振變換器可以實現(xiàn)軟開關,適于高頻工作,而且還可以把變壓器漏感、主開關管寄生電容等寄生參數(shù)利用起來。高頻工作

2、時,待機損耗比較嚴重。為了減小待機損耗,本文把間歇式待機控制方法引入.諧振變換器的待機控制中。通過采用間歇式待機控制模式和低功耗啟動電路,使得.諧振變換器的待機損耗降到了.以下,達到了業(yè)界.的待機損耗要求。同時交流到的全范圍電壓輸入時,變換器的輸出電壓脈動都小于%。提高工作頻率可以減小無源元件的體積,但是高頻化的方法仍有一定的局限性,為了進一步減小變換器的體積,必須采用磁集成技術。.諧振變換器一共有四個磁元件:輸入電感、串聯(lián)諧振電感、并聯(lián)電感和變壓器。本文研究了并聯(lián)電感、串聯(lián)諧振電感和輸入電感分別與變壓器集成的方法,并提出了用共用部分磁路的解耦集成方法實現(xiàn)磁元件的完全集成。根據(jù)磁元件在型磁芯中

3、位置的不同分為三種不同的完全集成結構。本文通過軟件對三種集成結構的損耗情況進行了仿真比較。最后通過制作樣機對?諧振變換器的磁集成進行了實驗研究。完全磁集成結構的磁元件總體積僅為分立磁元件時總體積的.%,磁元件的總體積大為減小,提高了變換器的功率密度。關鍵詞:磁集成,.諧振變換器,高頻,高功率密度,待機控制浙江大學碩士學位論文: .: .?,. . , ”.,. % . .? : . . 、, “ ”.,. . . .%.: ,?浙江大學碩士學位論文第章緒論第章緒論本章第一節(jié)主要對手機充電器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析,并提出了減小手機充電器體積和重量,提高其功率密度的方法;然后在第二節(jié)中介紹

4、了一種可以應用在小功率充電領域的諧振變換器拓撲結構?諧振變換器;最后第三節(jié)在上述分析的基礎上,對本文的選題意義和研究內容進行了介紹。.手機充電器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢近年來,隨著人們生活水平的不斷提高,手機的應用越來越普及。由于充電器是手機必須的配套附件,所以人們在享受手機帶來的方便和快捷的同時,也對其充電器的體積和重量提出了更高的要求。目前市場上應用較為成熟的手機充電器多采用的是自激式反激變換器,圖.所示為一款諾基亞通用型手機充電器的電路原理圖。該電路能夠自激振蕩向負載傳遞能量。當三極管導通時,輸入電壓加在變壓器原邊,由于副邊二極管反偏,不向負載傳遞能量,能量儲存在變壓器原邊繞組中;當三極管關

5、斷時,儲存在繞組中的能量向負載傳遞。同時該電路可以通過和來穩(wěn)壓保護實現(xiàn)輸出的穩(wěn)定。這種變換器結構簡單,成本低廉,能夠自動調節(jié)來滿足寬輸入電壓范圍的要求,所以被工業(yè)界廣泛采用。圖.諾基弧通用型手機充電器電路拓撲目前市場上的手機充電器體積都較大,一般為.,通用的旅行充電浙學碩學位論女 第章緒論器體積也有。要減小手機充電器的體積,我們需要知道充電器內部各部分元器件體積的分布情況。圖 為飛利浦公司對市場上高端的手機充電器中各元器件所占體積的調查結果。由圖 曲我們町以看出使用的元件所占的體積只【,手機充電器總體的%,其他%的體積因為封裝不合理等原凼沒有得到先分的利玎。由罔 我們可以看出電感和變壓器等磁元

6、件占元件總體積的%,電容占元件總體積的%,兩者占到元件總體積的一半。要減小手機充電器的體積和重量,首先通過調整和改善封裝結構,使得電路的布局更加合理和緊湊,以減少空問的浪費;另外可以通過提高工作頻率和使用磁?件集成的方法來減小體秘.提高功率密度。由于無源元件的體秘占元件總體秘的一半,提高頻率可以柏效的減小無源元件的體積,磁集成技術也能夠有效的減小磁元什的體積。對于反激式變換器,丌關頻率的提高會造成開關損耗的增加。這樣要使得充電器能夠在高頻下高效的工作,必須實現(xiàn)丌關管的軟丌關。但是要使反激式變換器的芙管具有軟丌關的功能,需要額外增加,器件,又加大了充電器的體積,火上了提高頻率的意義。我們必須尋找

7、新的拓撲結構束實現(xiàn)開關管的軟丌關。諧振變換可以有效地利用電路自身電容和電感的諧振,束實現(xiàn)開關管的軟開關,凼此町以使用諧振變換器作為手機充電器的主電路拓撲結構來實現(xiàn)高頻高效工作,從而達到減小體積的目的。?、充電器總體秘利牢 充電器并部分?什所【體秘阿 機光電器體唰州示意圖。.諧振變換器介紹目前諧振變換器【拍惋片較為廣泛,投術也比較成熟,但是諧振變換器是半橋結構,需要曲個”關管,增加了成小。而?諧振變換器是單管電路,結構簡單,成本低,岡此本文選擇?諧振變換器作為手機充電器浙江大學碩士學位論文 第章緒論的主電路拓撲結構進行研究。.?諧振變換器概述?電路最早應用在功放領域,功率放大器是無線收發(fā)系統(tǒng)中的

8、最后一級,它對于提高發(fā)射信號強度、延長系統(tǒng)使用時間、減小系統(tǒng)體積重量等起著關鍵性的作用。類功率放大器理論上能實現(xiàn)%的工作效率,因此類功率放大器?的研究一直是國際上的熱點。年.和.提出了應用?功率放大器的原理來設計變換器。自此以后,許多人對變換器的設計和分析進行了研究。但是初期研究的是非隔離的.變換器【。,電路拓撲如圖.所示。該變換器結構簡單,但是輸入輸出不隔離,輸入輸出電壓比不能過大,而且無法實現(xiàn)多路輸出,因此隔離型的.諧振變換器開始被越來越多的研究。隔離型.諧振變換器【的電路拓撲如圖.所示。.是茜上?滬】:證鄧 渤引圖.非隔離.變換器電路拓撲”士上下卜之圖.隔離型諧振變換器電路拓撲.諧振變換

9、器中,輸入端由于電感厶足夠大,電路可以等效為一個電流源輸入。整個電路的工作工程可以直觀地理解為當輸入電壓大于主開關管并聯(lián)電容兩端電壓時,輸入電壓對輸入電感厶充電,厶儲存能量;當輸入電壓小于兩端電壓時,厶上儲存的能量向后級傳遞。主開關管寄生的體二極管和并聯(lián)電容為開關管的開通和關斷創(chuàng)造了軟開關條件。一方面,當關斷時,因為電容充電需要時間,所以開關管兩端的電壓仍然很小,降低浙江大學碩十學位論文 第章緒論了開關管的關斷損耗;另一方面,主開關管導通前其體二極管導通,為主開關管創(chuàng)造了零電壓開通的條件。.諧振變換器的工作原理分析在.諧振變換器的主電路中,交流電壓通過整流橋的不控整流和輸入電容的穩(wěn)壓和濾波,變

10、成直流電壓。由于輸入電感足夠大,所以流過輸入電感的電流脈動量很小,輸入側可以看成是一個電流源輸入,如圖.所示。電路的諧振腔由主開關管的并聯(lián)電容,串聯(lián)諧振電感三。,串聯(lián)諧振電容,并聯(lián)電感三,變壓器和負載組成。通過主開關管的通斷來改變電路的諧振狀態(tài),控制原副邊的能量傳輸。副邊采用全波整流輸出,輸出濾波電容較大,使輸出電壓的紋波較小。下面我們就對.諧振變換器在各個階段的工作過程瞄進行簡單分析?！笔渴?。?之圖. 諧振變換器等效電路拓撲階段.:時刻前,主開關管導通,輸入電壓對輸入電感充電儲能。負載依靠輸出電容提供能量。時刻,主開關管關斷,流過輸入電感的電流九和流過諧振回路的電流也對主開關管的并聯(lián)電容充電

11、。儲存在輸入電感的能量轉移到諧振回路中。在諧振回路中,并聯(lián)電容,串聯(lián)諧振電容,串聯(lián)諧振電感厶,并聯(lián)電感三發(fā)生四階諧振。在這個階段中,諧振電流也為負的,幅值逐漸增加。當主開關管的電壓%諧振到和串聯(lián)諧振電容兩端的電壓比。相等時,諧振電流也到達負向的峰值。當變壓器原邊電壓諧振到,?,這個階段結束。其中虼是輸出電壓,是二極管通態(tài)壓降。階段:時刻,變壓器原邊電壓等于咋聊,副邊二極管導通。在這個階段中,變壓器原邊電壓被輸出電壓箝位,并聯(lián)電感三不參與諧振,流過并聯(lián)電感上的電流線性增加。諧振回路中,并聯(lián)電容,串聯(lián)江人學位論史 第章緒論諧振電容,串聯(lián)諧振電感厶發(fā)生三階諧振,諧振電流。從負到正變化,當諧振電流過零

12、時,并聯(lián)電容一上的電壓達到峰值,串聯(lián)諧振電容上的電壓負向達到峰值。諧振電流;和并聯(lián)電流。之差向副邊傳遞能量。當諧振電流也和并聯(lián)流相等時,副邊極管過零關斷,這個階段結束。階段.:時刻,諧振電流和并聯(lián)電流相等,副邊一極管關斷,原制邊脫肝。諧振回路中并聯(lián)電容、串聯(lián)諧振電容、書聯(lián)諧振電感;和井鞋感。發(fā)生叫階諧振。當主開關管兩端電壓諧振到零,這個階段結束?！笔浪?從?叫圳?葉?;卅 /芒珊。寸【”刈.。纂 毖?/,、一:、一丹也一儈 耐。:抄 振變換器作波彤翔簽砰?二騷瞪啦一匿,一犟田略,階段.幽 . 自振變換器:作原理階段分析浙江大學碩士學位論文 第章緒論階段.:時刻,主開關管兩端電壓諧振到零,主開關

13、管的體二極管導通。這個階段,諧振回路主要由串聯(lián)諧振電容、串聯(lián)諧振電感三。和并聯(lián)電感組成。這個階段為下一階段主開關管導通創(chuàng)造軟開關條件。當主開關管導通時,這個階段結束。階段“.:時刻,主開關管導通。諧振回路由串聯(lián)諧振電容,串聯(lián)諧振電感厶,并聯(lián)電感三構成三階諧振。當變壓器原邊的電壓諧振到負向的刀?,副邊二極管導通,這個階段結束。是二極管通態(tài)壓降。階段.:時刻,副邊二極管導通,變壓器原邊電壓被輸出電壓箝位,并聯(lián)電感不再參與諧振,流過并聯(lián)電感的電流線性減小,能量從原邊向副邊傳遞。當諧振電流機和并聯(lián)電流“相等時,副邊二極管過零關斷,這個階段結束。階段.:時刻,副邊二極管關斷,變壓器原副變脫離。諧振回路發(fā)

14、生四階諧振,但不向負載傳遞能量。輸入電壓對輸入電感充電儲能。當主開關管關斷時,這個階段結束。從上述?諧振變換器在一個周期內各個階段工作過程的分析可以看出,階段和階段中諧振回路發(fā)生四階諧振,階段、階段、階段和階段諧振回路發(fā)生三階諧振,階段諧振回路發(fā)生二階諧振。階段和階段中,電路的能量從原邊向負載傳遞,在這兩個階段中,變壓器原邊電壓被輸出電壓箝位,并聯(lián)電感三不參與諧振。.?諧振變換器的特點通過.和.節(jié)對.諧振變換器的概述和工作原理的分析可以發(fā)現(xiàn),.諧振變換器具有以下幾個特點:.諧振變換器是一個單端電路,結構簡單可靠。電路的寄生參數(shù)可以有效的被吸收利用,主開關管的寄生輸出電容可以被諧振腔的并聯(lián)電容吸

15、收,變壓器的漏感可以被串聯(lián)諧振電感吸收,這樣可以有效的減小寄生參數(shù)對電路性能的影響。合理選擇諧振腔的參數(shù)可以實現(xiàn)主開關管的和副邊整流二極管的,有效降低電路的開關損耗。浙江大學碩士學位論文 第章緒論通過變壓器開氣隙可以用激磁電感來替代并聯(lián)電感,并聯(lián)電感的磁集成設計比較簡單。由于并聯(lián)在主開關管兩端的電容參與諧振,因此主開關的電壓應力較大,給開關管的選擇提出了很高的要求。諧振腔里的元件較多,電路的諧振狀態(tài)最高會達到四階,不利于設計和分析。.本文的選題意義和研究內容隨著手機越來越小型化,人們對手機充電器的體積也提出了更高的要求。通過.節(jié)對手機充電器現(xiàn)狀的分析,我們發(fā)現(xiàn)要減小充電器的體積可以從兩個方面考

16、慮,一個是提高工作頻率,減小無源元件的體積;另外一個就是通過磁集成技術來進一步減小磁元件的體積。目前手機充電器的電路拓撲不適合高頻工作,因此我們選擇用?諧振變換器作為手機充電器的拓撲結構。本文對高功率密度.諧振變換器的研究就是以手機充電器作為應用背景的。通過對變換器待機控制的研究,來減小高頻工作下電路的待機功耗,提高充電效率;通過對變換器磁集成的研究來減小變換器體積,提高其功率密度。本文第一章在分析了手機充電器的現(xiàn)狀后,認為提高電路工作頻率和磁集成是減小其體積的有效技術。本章第二部分介紹了一種適合高頻工作的.諧振變換器拓撲。本文將對高功率密度.諧振變換器進行研究,以手機充電器為應用背景。本文第

17、二章為.諧振變換器待機控制的分析和研究。隨著變換器工作頻率的提高,其待機損耗也將增加,為了減小變換器高頻工作下的待機損耗,適合.諧振變換器的待機控制的研究變得十分必要。第二章第一部分簡單介紹了待機控制研究的必要性。第二章第二部分首先分析了?諧振變換器待機工作時的主要損耗類型,并提出了降低待機損耗的方法;然后總結了目前世界上常用的幾種待機控制方法,并分析了?諧振變換器的待機控制設計方法。最后用待機控制的實驗驗證了該待機控制方法的可行性和有效性。本文第三章為.諧振變換器磁集成的分析和研究。.諧振變換器一共有四個磁元件,因此磁集成的研究對減小變換器體積、提高其功率密度有著浙江大學碩上學位論文 第章緒

18、論重要的意義。第三章第一部分先進行了.諧振變換器四個分立磁元件的設計。第三章第二部分首先簡單介紹了目前常用的磁集成設計方法,然后提出了.諧振變換器磁集成的設計方法。最后用軟件分析了磁集成設計的損耗情況,并對不同磁集成設計方法進行了損耗的比較。本文第四章為.諧振變換器磁集成的實驗結果。第四章第一部分先分析了不同磁集成情況的具體實現(xiàn)。第二部分給出了不同集成情況的實驗結果,并從效率和體積兩方面對分立磁元件和完全磁集成后的情況進行了分析比較。本文第五章對全文的主要工作進行了總結,并給出了對未來工作的展望。浙江大學碩上學位論文第章諧振變換器的待機控制設計第章.諧振變換器的待機控制設計近年來,隨著家用電器

19、的普及和辦公自動化的推廣,電子產(chǎn)品的能耗問題日益凸顯。這些電子產(chǎn)品在極大的方便人們生活的同時,也造成了大量的能源浪費。人們在關注能源有效利用時,著眼點主要在于產(chǎn)品滿載或較重負載時的效率,卻很少關注輕載、空載時的能量消耗問題。待機時的能量消耗現(xiàn)象廣泛存在于電器產(chǎn)品中,其總量更是不容忽視。根據(jù)研究顯示,在經(jīng)濟合作與發(fā)展組織?珈 成員國中,因電器待機而消耗的能量約占家庭用電量的/.%,約占整個國家用電量的.%。我國的待機功耗更是高于這個水平。目前我國城市家庭的平均待機功耗已經(jīng)占到了家庭總能耗的%以上,相當于每個家庭使用一盞的“長明燈。待機功耗在浪費能源的同時也形成了巨大的環(huán)保壓力。目前能源越來越緊張

20、,各國政府針對空載損耗即輸出為空載時的輸入功率消耗,又稱待機損耗都相繼出臺了相關的法律法規(guī),如美國的“能源之星,聯(lián)邦政府采購指令, 德國的“藍色天使 標準,歐洲經(jīng)濟協(xié)會的指令和中國節(jié)能產(chǎn)品認證委員會認證標準等。其中指令最為詳盡,制定了嚴格的規(guī)范【,表.所列是在不同的額定瓦數(shù)下的詳細規(guī)定。表.歐洲經(jīng)濟協(xié)會待機功耗規(guī)范空載時的待機功耗輸入功率等級年月日 年月日 年月日.一 . . .一 . . . . . .諧振變換器待機損耗的主要類型?諧振變換器正常工作時,其損耗包括主電路損耗和控制電路損耗。如圖.所示,主電路損耗主要由功率器件損耗和磁元件損耗組成,功率器件損江學頓十學位論女 第章睜諧振變換的待

21、帆掙“&耗包括以及副邊整流二極管的通態(tài)損耗和開關損耗,磁元什損耗包括輸入電感、串賦諧振電感、并聯(lián)電感以及變壓器的磁損和銅損?？刂齐娐窊p耗主要表現(xiàn)為啟動電路損耗、控制芯片功耗和驅動損耗。檸制功耗?柱功%攪“曲損電路耗蛐叫纛滋圖 ?諧振變換器正常作時損耗襲刑待機工作時,岡輸卅電流接近于零.磁?件的銅損以及和整流極管的通態(tài)損耗可以忽略。其待機損耗土要成份為磁元件的磁損,的關斷損耗和控制電路的損耗。鑿振變換器待機工作時的損耗類掣稿圖中已注明。,“鏨自.“斟. .諧振變換器待機作時損耗類刪表 給了一些主要損耗的近似計算公式。從表葉可以看磷芯損耗、關斷損耗、門極驅動損耗都丌芙頻率有關,降低開關頻率可以有效

22、降低這些損耗。啟動電阻的損耗與整流后的直流母線電壓和肩動電阻值相關,增人啟動電阻值可以降低啟動電阻損耗,爿時也要兼顧電路啟動叫問的要求求.要損耗的近似計掉公蓋“麓.,“瞽日耗。,浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的待機控制設計表中:,一變換器開關頻率;良.關斷過程中所流過的電流;.關斷過程中的漏源極電壓;關斷時間;鼴輸入電容;%驅動電壓;腸一損耗系數(shù);口磁芯磁感應強度;,盧?頻率和磁感應損耗指數(shù);磁芯體積:.整流后直流母線電壓;.啟動電阻。是控制芯片工作電壓;/是控制芯片工作電流。.諧振變換器的待機控制設計.常用待機控制方法由.節(jié)的分析我們可以知道,降低開關頻率可以有效的降低待機損耗。最近有

23、許多降低開關頻率的方法被提出來。脈沖缺省模式控制、間歇模式控锘 和非導通時間調節(jié)模式控制仃 是三種較常用的降頻技術。脈沖缺省模式控制 .及 提出了脈沖缺省模式控制技術。在這種控制方式中,控制器根據(jù)負載的輕重程度,來決定省略開關脈沖與否。圖.是脈沖缺省模式的概念,虛線為缺省的脈沖。當負載降低時,驅動功率開關的脈沖被省略,部分開關脈沖被省略即等效于降低了開關頻率。在脈沖缺省模式下,一旦缺省脈沖,輸出功率和輸出電壓立刻減小,由于輸出閉環(huán)控制的作用,開關的導通時間會增加,以調節(jié)輸出電壓。?廠圖.脈沖缺省模式控制概念圖?一?這種降頻方式會造成輸出電壓的突降或突升【。如圖.所示,出現(xiàn)脈沖缺省時,輸出電壓會

24、立刻減小形成低沖;而在缺省的脈沖恢復時,輸出電壓會有一浙江大學碩上學位論文 第章諧振變換器的待機控制設計個過沖。脈沖缺省模式技術是根據(jù)特定的輸出負載變動來決定是否插入或省略脈沖,在負載微小變化造成輸出電壓相近時,電源節(jié)省的情況就難以察覺。. . .圖.脈沖缺省模式下輸出電壓變化示意圖間歇模式控制 控制技術【】,也叫做打嗝模式公司提出了間歇模式。如圖.所示,當負載突然下降時,在閉環(huán)控制調節(jié)下,開關的導通時間變短。當負載小于設定值凡后,進入間歇模式,此時導通時間不再減小,控制器根據(jù)輸出功率的大小間歇地停止發(fā)出驅動信號。待機工作時,傳遞的功率取決于脈沖束的寬度,可以通過減小脈沖束的寬度或者增加脈沖束

25、之間的距離來減小損耗。間歇模式由于開關頻率不變,不存在變壓器因頻率降低而出現(xiàn)磁芯飽和的問題。但是這種控制技術也有兩個明顯的缺點,就是低頻干擾會和封鎖周期一起諧振出現(xiàn),而且負載的突然改變,也會造成輸出電壓突變的情形。/,、/、一/、一/、/一/,一/圖.間隙模式控制概念圖浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的待機控制設計非導通時間調節(jié)模式控制崇貿科技 提出了非導通時間調節(jié)模式 控制技術【。如圖.所示,當輸出電壓降到臨界標準以下時,非導通時間隨著負載下降而線形增加,開關頻率因而線形下降,因此在輕載和空載時可以降低功率損耗。非導通時間調節(jié)模式下,非導通時間根據(jù)負載的變化對每個開關周期的關斷時間進行調

26、節(jié),非導通時間是一個周期接一個周期調整的,所以動態(tài)響應比脈沖缺省模式和間隙模式好。.行。? ?一圖.非導通時間調節(jié)模式控制概念圖對比這三種不同的待機控制方法【】,如圖.所示,從空載到滿載隨著負載變化時,開關頻率的變化方式也不一樣。在減小開關頻率的同時,應注意噪聲的引入,防止將頻率降到噪聲帶內。脈沖缺省模式間歇模式 非導通時問調節(jié)模式圖.空載到滿載開關頻率隨負載的變化曲線.諧振變換器待機控制原理降低開關頻率可以有效地降低待機損耗,但是在電壓一定的情況下降低開關頻率可能會導致變壓器磁芯飽和,同時較小的開關頻率容易產(chǎn)生噪聲,所以.諧振變換器采用間歇模式的待機控制方法,具體原理如圖.所示。浙大學碰學位

27、論文 第章 許振變換的待機控獵赴計口”精釅翔躕待機怍幀式剛.變換器問歇模止待機控制原理待機工作時,控制電路根據(jù)變換器的輸出功率大小唰歇式的封鎖驅動信弓。變換器傳遞的功率取決十驅動脈沖柬的相列寬度。通過減小脈沖束的寬度或者增加脈沖束之】的距離都可以減小變換器傳遞的功率。在減小損耗方面,間歇,和降頻是等效的,但是間歇式待機控制本身的丌關頻率不變,小存在磁?件因頻率降低而出現(xiàn)的磁芯飽和問題。圖.給山,?諧振變換器待機控制電路框圖。通過檢測輸入電流束確定負載情況,判斷是否進八待機工作。通過榆測輸出電尿柬確定合適的脈沖柬寬度和脈沖距離,控制路傳遞的功率。凸。當二生劃. .諧振變換器特機控制框圖電流檢測摔

28、制 通常是在負載側串聯(lián)電阻榆測負載電流情況。由丁流過輸八感的電流【以反映負載的流,在?諧振變換器的待機試驗中,通過在輸入端串聯(lián)電阻;。檢測輸入電流柬問接反映負載電流,這樣可以有效的實現(xiàn)變換器原副邊的隔離。檢測到的輸入乜流通過有濼濾波,并經(jīng)過遲滯比較器和取反邏輯得到電流檢測信號。從罔.電流檢測信號浙江大學碩士學位論文第章諧振變換器的待機控制設計的傳輸特性可見,隨著負載變輕,輸入電流也隨之減小,當負載小到臨界負載氏時,輸入電流小于電流檢測遲滯比較器的下限,信號從高電平變成低電平,變換器進入待機工作模式。同理,隨著負載加重,輸入電流也隨之增加,當輸入電流大于遲滯比較器的上限如億時,信號從低電平轉換為

29、高電平,變換器進入正常工作模式。如果采用單門限比較器,電流檢測中的干擾可能會使主電路在待機模式和正常工作模式之間不斷的切換,導致電路工作不穩(wěn)定。在正常工作時,信號始終為高電平,進入待機模式后,信號始終為低電平。電流檢測控制 檢測信號的傳輸特性圖.電流檢測控制和檢測信號的傳輸特性電壓檢測控 .通過檢測輸出電壓圪來得到電壓檢測信號。在?變換器電壓檢測控制設計中,我們通過直接檢測反饋信號來得到電壓檢測信號。檢測到的反饋信號不但可以很好的反映輸出電壓%,而且可以通過反饋電路中的光耦器來實現(xiàn)變換器原副邊的隔離。反饋信號通過反向遲滯比較器和取反邏輯后得到電壓檢測信號。從圖.電壓檢測信號的傳輸特性可以知道,

30、進入待機工作模式后,輸出電壓被限制在和%也之間。當輸出電壓虼大于遲滯比較器的上限時,檢測信號為低電平,控制器封鎖驅動脈沖束,閉環(huán)調節(jié)不起作用,輸出電壓下降;當輸出電壓圪小于遲滯比較器的下限時,檢測信號為高電平,控制器允許驅動脈沖束輸出,在閉環(huán)控制的調節(jié)下輸出電壓上升。和的差值控制了待機工作模式中輸出電壓%的紋波。, ,電壓檢測控制 檢測信號的傳輸特性圖.電壓檢測控制和檢測信號的傳輸特性圖.所示為電流檢測信號,電壓檢測信號和脈沖封鎖信號之間的浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的待機控制設計關系。正常工作時,如圖.所示,電流檢測信號始終為高電平,表示負載大于進入待機模式設定的臨界值民,這時輸出電

31、壓虼即使有紋波,電壓檢測信號在高低電平之間變化,兩者經(jīng)過或門邏輯后,脈沖封鎖信號始終是高電平,電路按正常的電壓反饋閉環(huán)調節(jié)。待機模式工作時,如圖.所示,當負載減輕于臨界值氏時,電流檢測信號變?yōu)榈碗娖?進入待機模式。輸出電壓升高,達到電壓檢測遲滯比較器的上限岔時,電壓檢測信號變?yōu)榈碗娖?脈沖封鎖信號為低電平,封鎖脈沖。由于輸出電容儲能有限,即使負載很輕,經(jīng)過一段時間,輸出電壓就會降到電壓檢測遲滯比較器的下限%,電壓檢測信號變?yōu)楦唠娖?脈沖封鎖信號也變?yōu)楦唠娖?允許脈沖束輸出,輸出電壓升高,達到上限進入下一次脈沖封鎖。待機工作時,待機模式的周期瞰如圖.所示,在%刪高電平期間,有驅動脈沖束輸出,在玨

32、。餓低電平期間,驅動脈沖束被封鎖。電路在待機模式下傳輸?shù)墓β逝c脈沖束的寬度有關。玨嘲是由輸出電壓的脈動決定的。待機模式下脈沖封鎖頻率一般在量級,因此可以有效的減小待機功耗。:?淝三三二三三三三二三三二;三三三;:芝三三耋?廠?嶂&?十正常模式廠器蘭三王乏三:芝三三圣:三三蘭三薹?一廠?,?毒一寸廣寸.廠?待機模式圖.電流檢測信號、電壓檢測信號和脈沖封鎖信號關系示意圖.諧振變換器待機控制仿真驗證為了驗證.節(jié)提出的待機控制方法的可行性,利用仿真軟件建立仿真模型,仿真驗證控制電路能夠在負載減輕到臨界值凡時進入待機模式工作。仿真條件:直流輸入電壓為,輸出電壓%為,輸出電流厶為浙大學位論 辯 跳特振變換

33、待帆控制設。從滿載切換到%負載,檢測電阻?為 。電流檢測遲滯比較器兩。個閥值為 和 ;電壓檢測退滯比較器兩個閥值為 和如圖所不,從卜到依次是輸入電流嘶,輸出電壓虼,電流檢測信號,電壓檢測信號,脈沖封鎖信號和丌關管驅動信號%。任 處從滿載切換到%負找。電流檢測信號從高電平變成低電平,進入待機模式。脈沖封鎖信號山電壓榆測信號決定,歇式地封鎖開關管的驅動脈沖。這和圖 所不的正常模式和待機模式的分析是一致的,通過電流檢測進入待機模式工作,電壓檢測控制待機模式中輸?電壓的紋波,并和輸出電祥一起拄制輸出脈沖柬的寬度和叫歇模式的川期%。;,。三署手烈熊堂謄.三:羞主:;差薹簍蓑羔.羞薹。一:曩。譏?丁眵 ;

34、/ 。一 卜一、:?.:. ;髟:,?, 一,誓簟鼉.上二:。二受二:二:二二二:.?.幽 從滿載切換到%負載待機怍情況圖所示為待機模式中一個脈沖束時間段內丌笑管的%干%;波形。當封鎖脈沖后,主丌莢管的輸出乜容和皆振腔中的其他元什仍然發(fā)生諧振,經(jīng)過一段時后存下一個脈沖束到柬前諧振過程基本結康。.二心雌蛐,二%。凹特機椎時吒豐波形浙江人學碩士學位論文 第章諧振變換器的待機控制設計.低功耗啟動電路的設計在小功率應用場合如手機充電器,啟動電路的損耗占待機損耗相當大一部,分。傳統(tǒng)的啟動電路如圖.所示,當直流高壓為,啟動電阻為啟動電阻的損耗為.。手機充電器的待機功耗要求是低于.,因此啟動電路的損耗過大,

35、不符合設計的要求。選擇更大的輸入電阻可以有效的降低啟動電阻損耗,但是啟動延遲時間將會增加。圖.中是控制電路中控制芯片工作的門檻電壓, 是啟動延時,由式.可見,當增大啟動電阻時,電流尼相應減小,啟動延時就會增加。.毛淵/./。圖.傳統(tǒng)啟動電路為了既減小啟動電路的損耗又能保持較小的啟動延時,我們設計了新的啟動電路,如圖.所示?！薄?未差。 。圖.低損耗啟動電路該低損耗啟動電路工作原理是:啟動時,直流母線電壓通過電阻成對電容大學碗學位論文 第章睜諧振疊換%的鑄帆控制設計充電,直至電容兩端電壓高于開關管的門檻電壓,開關管導通。直流母線電壓通過小電阻且快速對電容充電,直至控制電路正常工作,然后主電路開始

36、工作。當輔助繞組的電壓達崾求的電壓時,三極管導通,使得的%低于門檻電壓,關斷。這時控制電路由輔助繞組供電,由大電阻胄來樂擔直流母線的高壓,由于電阻取,這樣啟動電阻損耗很小。通過上述自動電路的低功耗設汁,變換器既可以實現(xiàn)快速啟動,又可以降低啟動電路功耗。.待機控制實驗研究為了進一步驗證上文提到的待機控制方法和低功耗啟動電路在諧振變換器中應用的可行性和有效性,我們用諧振變換器制作了一個手機充,乜黔洋機,具體規(guī)格為:交流輸入,輸出電壓為,輸出電流為丌天頻率為。下面給出該變換器的待機損耗和輸出電壓實驗結果。羽附 ,司“: :/%:/%:/,/凹 驅動波形年漏源極電壓波形幽給出了交流和輸入時的%波形和%

37、;波形。從罔 中可咀看出待機工作時驅動信號被間歇性的封鎖,脈沖封鎖頻率為數(shù)百級,有效得降低了待機損耗,同時未被封鎖的驅動信號頻率仍保持在先右,磁元件不會出現(xiàn)磁芯飽和的問題。電路的輸出電壓紋波與輸出電容值和脈沖封鎖頻率成反比,當采用很低的脈沖封鎖頻率降低待機功耗時.有町能使輸出電壓紋波過大。兇此,為了保證待機浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的待機控制設計功耗和輸出電壓紋波都能達標,輸出電容值和脈沖封鎖頻率的選擇就很重要。實驗中輸出電容選取 給,待機脈沖封鎖頻率控制在。圖.出了待機工作時?變換器輸出電壓的波形。從圖中可以看出交流到全電壓范圍輸入時,輸出電壓都能保持在.,輸出電壓的脈動小于%。/

38、:棚。 。. :。:. : : 丘九竹,;?玉擴:?;:一倒一.一。 一一:。二一.?.二 ; ;. . .。.一. . .。 。. 。 。.四砒. ?. .出?,.一?.?. .%:/ 。:/:,。 “:。., ;?;?云:?;二?矗:如:?; ?:?,.:,.一:.。.?。一,:?一.:. .; . . . . . . . . .。 。:。. 。 。.,:.:?.?.。 . .:,:.、.:?. .。.:/:/: /:./圖.變換器待機作時輸出電壓波形圖.是.諧振變換器空載損耗隨交流輸入電壓變化的曲線。從圖中可以看出,不加待機控制時變換器的空載損耗遠遠大于.。加待機控制以后諧振變換器的空載

39、損耗在交流全電壓范圍輸入時都小于.,符合業(yè)界.的待機功耗要求。浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的待機控制設計圖.空載損耗隨交流輸入電壓變化曲線.本章小結本章探討了降低?諧振變換器應用于小功率手機充電領域待機損耗的方法。首先列出了.諧振變換器正常工作和待機工作時的損耗類型,并用數(shù)學描述估算了主要的傳導、開關切換和控制電路的損耗,進而確認降低開關頻率為降低待機損耗的主要方法,接著介紹了各項已經(jīng)取得專利的降頻技術及其可能的缺失,并選擇間歇式待機控制模式作為.諧振變換器的待機控制方法,通過理論分析和仿真驗證了這種待機控制方法在.諧振變換器應用的可行性。然后,本文設計了一個低損耗的啟動電路,以降低啟

40、動電阻的損耗。最后通過實驗驗證了.諧振變換器待機控制方法和低功耗啟動電路設計的可行性和有效性。通過采用間歇式待機控制模式和低功耗啟動電路,使得.諧振變換器的待機損耗降到了.以下,達到了業(yè)界.的待機功耗要求。同時交流到的全電壓范圍輸入時,變換器的輸出電壓脈動都小于%。新扛太學碰十學位論立 第章謗叛變換器的硅設計第章.諧振變換器的磁設計.諧振變換器的主電路拓撲結構如圖 所示。該變換器一共有四個磁元件:輸入電感?串聯(lián)諧振電感厶,并聯(lián)電感。和變壓器本章將首先討論這四個分立磁元件的設計,然后重點分析磁集成的設計方法,并用軟件對不同集成情況進行仿真分析。帶振變拯器電路打撲.諧振變換器分立磁元件的設計.變壓

41、器設計變壓器是諧振變換器的核心器件,肩負著功率傳送、電壓變換、絕緣隔離三大功能。設計變壓器時,應當預先知道工作頻率、輸入和輸出電壓、輸出功率或輸出電流等條件。同時根據(jù)輸出功率與變壓器各參數(shù)如磁芯截面積、磁芯窗:面積、骨架面積、變壓器工作頻率及線圈屯流密度等之丑的數(shù)量關系確定變壓器磁芯尺寸。設計變壓器時應滿足最壞情況,以保證設計的變壓器在規(guī)定范圍內都能達到工作要求。本文?諧振變換器變壓器的工作條件為;變壓器匝比:”:?副邊輸出電壓:咋.其中是輸出電址,昨.是副邊整流一極管通態(tài)壓降副邊輸出電流:?原邊輸入電壓: ;浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的磁設計?工作頻率:.磁芯選擇磁芯材料選取在高頻

42、下,功率鐵氧體材料具有較高的電阻率,所以渦流損耗較低,是高頻變壓器磁芯的首選材料。而且,價格低是功率鐵氧體的另一個優(yōu)勢。然而高頻下可供選擇的功率鐵氧體材料非常有限,只限于少量的型號。工作頻率在左右時,常用的磁芯材料有公司的,公司的、,國內天通公的。這些磁芯材料的具體性能參數(shù)見表.。表.常用高頻鐵氧體磁芯材料的性能參數(shù)磁導率 飽和磁通 剩磁 矯頑力 電阻率 損耗 居里溫度 適合頻率型號/ . . .?. .一 .天通的性價比較高,實驗中,我們選擇作為變壓器的磁芯材料。磁芯尺寸選取磁芯尺寸的選取最常用的有兩種設計方法【,一種是法,即先求出磁芯窗口面積與磁芯有效截面積。的乘積?。,稱磁芯面積乘積,根

43、據(jù)值,查表找出所需磁性材料的編號;第二種是先求出幾何參數(shù),查表找出磁芯編號,再進行設計。這里我們用彳尸法來設計諧振變換器中變壓器的磁芯尺寸。變壓器總的視在功率計算公式為:暑:藝三:.芝 .圪。為變壓器輸出電壓,厶為變壓器輸出電流的平均值,/為變壓器的傳輸效率,假定為/%,那么可以計算得到視在功率.。第章】描?諧振變臣器的磁設計浙江大學碩學位論文磁芯面積乘積計算公式為:一:生:。【歸,其中以為窗口使用系數(shù),一般取 ;為波形系數(shù),對方波取,;作頻率:工作磁通;丘、膏為磁芯結構常數(shù),典型值為。選擇磁芯時置對于變壓器.?。經(jīng)過計算可得一嚴。需加一倍的裕量,需要的磁芯值應該不小于選用天通的標準磁芯型號。

44、茛外形如罔.所示。屋 營匹營匐廷凡墟 融占外形。,根據(jù)廠家提供的磁芯尺寸:。 .選擇比設計值略大的磁芯是為了增大磁芯窗口面積,為下一步的磁元件集成留下裕量。原邊繞組設計選定磁芯吼后,我們可以按照公式 來計舁原邊輥維的乜毅腳:,偉者溉其中.為變壓器原邊電壓,。為磁芯的有效截面積。經(jīng)過計算可得原邊的匝數(shù),我們這咀取爪比的整數(shù)倍匝。%.一原邊繞組的電流七為:黔浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的磁設計.繞組的電流密度.,為:?氐./根據(jù)式.和式.可以計算出原邊繞組裸線面積【。因為?諧振變換器的變壓器副邊是有中間抽頭的,所以印需要乘上.校正因數(shù)。.厶:?了.?:.一高頻時集膚效應比較嚴重,集膚深度萬

45、的計算公式為:.其中肛為導線材料的磁導率,廠為工作頻率,為電阻率。計算可得工作在時銅線繞組的集膚深度為.。為了有效避免集膚效應的影響,我們根據(jù)導線規(guī)格表選擇號線,導線直徑為.,裸線面積為.。根據(jù)式.我們可以得到原邊繞組的并聯(lián)股數(shù)口:.綿石其中為原邊繞組裸線面積,。為導線的裸線面積,計算可得口為.股,取整后原邊繞組導線為單股線。副邊繞組設計由于變壓器的匝比和原邊繞組的匝數(shù)都定了,所以副邊繞組的匝數(shù)刀?？梢杂嬎愕贸?毽魯。由于副邊是全波整流,所以兩個繞組都是匝。副邊繞組裸線面積為。生等.,為了有效避免集膚效應的影響,我們根據(jù)導線規(guī)格表選擇號線,導線直徑為.,裸線面積為.。根據(jù)式.我們可以得到副邊繞

46、組的股數(shù)風:.?口?產(chǎn)以?口老苴中兒為副溈繞組櫻緯而翱.?為導線的梗緣而積.計笪可得仉為 附.浙江大學碩上學位論文 第章諧振變換器的磁設計取整后副邊繞組導線為股線并繞。.輸入電感設計磁芯選擇輸入電感的磁芯材料采用和變壓器相同的天通公司的。磁芯尺寸通過法來設計。輸入電感設計的具體要求為:輸入電感量:?流過輸.感的最大電流為:屯。瓤作頻率為:廠輸入電感最大的儲能局 戤可以根據(jù)式.計算得到:.民。一寺?厶。?。輸入電感的么尸值可以表示為: 、?吒一畿等廠其中為窗口使用系數(shù),一般取.;工作頻率;最大工作磁通;氣、為磁芯結構常數(shù),典型值為對于電感,一.。經(jīng)過計算可得。根據(jù)天通的磁芯資料,選擇最接近計算么

47、值的磁芯,其么尸值為.舢。線圈設計選擇好磁芯后,我們需要設計輸入電感線圈的匝數(shù)和需要開的氣隙。輸入電感匝數(shù)/的計算公式為:伍蚴 劭.告麗計算可得輸入電感的匝數(shù)為匝。輸入電感需要開的氣隙,計算公式為:浙江大學碩士學位論文第章諧振變換器的磁設計州毛醬 一云巧廣計算可得輸入電感需要開氣隙.。.線圈的電流密度,為:?氐./線圈的裸線面積么為:.廠.%因為號線的裸線面積為.,所以輸入電感線圈需要并繞的股數(shù)為:舊乏計算可得線圈需要并繞的股數(shù)為.股,我們選取單股線。.串聯(lián)諧振電感設計磁芯選擇串聯(lián)諧振電感的磁芯材料采用天通公司的。磁芯尺寸通過彳尸法來設計。串聯(lián)諧振電感設計的具體要求為:串聯(lián)諧振電感量:.岬?流

48、過串聯(lián)諧振電感的最大電流為:氣。瓠?工作頻率為:串聯(lián)諧振電感最大的儲能乩艤可以根據(jù)式.計算得到:.%刪:妻.厶.戤串聯(lián)諧振電感。的彳尸值可以表示為:喲 、甌。 肛畿等廠其中為窗口使用系數(shù),一般取.;工作頻率;最大工作磁浙江人學碩士學位論文 第章.諧振變換器的磁設計通;吒、為磁芯結構常數(shù),典型值為對于電感,.。經(jīng)過計算可得彳 刪。根據(jù)天通的磁芯資料,選擇最接近計算彳值的磁芯,其彳尸值為.。線圈設計選擇好磁忑后,我們需要設計串聯(lián)諧振電感的匝數(shù)和需要開的氣隙。串聯(lián)諧振電感匝數(shù)/的計算公式為:億商億告?.,計算可得串聯(lián)諧振電感匝數(shù)為.匝,實驗中選取匝。串聯(lián)諧振電感需要開的氣隙,計算公式為:。,毛甕簪.

49、計算可得串聯(lián)諧振電感需要開氣隙.。.線圈的電流密度為:墨?氐./.線圈的裸線面積彳為:一/.因為號線的裸線面積。為.,所以串聯(lián)諧振電感線圈需要并繞的股數(shù)。為:.叱妻計算可得線圈需要并繞的股數(shù)為.股,實驗中我們選取股線并繞。.并聯(lián)電盛設計磁芯選擇并聯(lián)電感的磁芯材料采用天通公司的。磁芯尺寸通過彳法來設計。并浙江大學碩士學位論文 第章諧振變換器的磁設計聯(lián)電感設計的具體要求為:并聯(lián)電感量:.?流過并聯(lián)電感的最大電流為:一?工作頻率為:并聯(lián)電感最大的儲能玩 戤可以根據(jù)式.計算得到:./。釓一去? 島一并聯(lián)電感三的彳值可以表示為:, 。肛磊等廠 局吃勰%夕其中為窗口使用系數(shù),一般取.;工作頻率廠;最大工作磁通緣戡;墨、為磁芯結構常數(shù),典型值為墨對于電感,:一.。經(jīng)過計算可得舢。根據(jù)天通的磁芯資料,選擇最接