不對稱半橋變換器研究 開題報(bào)告

1、華中科技大學(xué)研究生開題報(bào)告不對稱半橋變換器研究一課題來源、目的、意義，國內(nèi)外概況和預(yù)測：1955年美國羅耶發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端，1957年美國查賽發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，在1964年美國科學(xué)家們提出了取消工頻變壓器的開關(guān)電源的設(shè)想。直到1969年終于做成了25千赫的開關(guān)電源，這一電源的問世，在世界各國引起了強(qiáng)烈反響，從此對開關(guān)電源的研究成了國際會(huì)議的熱門課題。 自20世紀(jì)60年代開始得到發(fā)展和應(yīng)用的 DC-DC功率變換技術(shù)其實(shí)是一種硬開關(guān)技術(shù)。60年代中期，美國已研制成20kHz DC-DC變換器及電力電子開關(guān)器件，并應(yīng)用于通信設(shè)備供電。由

2、于這種技術(shù)拋棄了50Hz工頻變壓器，使直流電源的重量、體積大幅度減小，提高了效率，輸出高質(zhì)量的直流電。到70年代初期已被先進(jìn)國家普遍采用。早期開關(guān)電源的控制電路一般以分立元件非標(biāo)準(zhǔn)電路為主，經(jīng)過十多年的發(fā)展，國外在1977年左右開始進(jìn)入控制電路集成化階段?？刂齐娐返募苫瘶?biāo)志著開關(guān)電源的重大進(jìn)步。80年代初英國采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套電源，即目前所謂的開關(guān)電源(SMP-SwitchMode Power)或開關(guān)整流器(SMR-Switch Mode Rectifier )o 70年代以來，在硬開關(guān)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的同時(shí)，國內(nèi)外電力電子界和電源技術(shù)界不斷研究開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)。 最

3、先在70年代出現(xiàn)了全諧振型變換器，一般稱之為諧振變換器(Resonantconverters)。它實(shí)際上是負(fù)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(Series resonant converters, SRCs)和并聯(lián)諧振變換器(Parallel resonantconverters, PRCs)兩類。此類變換器一般采用頻率調(diào)制的方法，且與負(fù)載關(guān)系很大，對負(fù)載變化很敏感，在諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過程。 準(zhǔn)諧振變換器(Quasi-resonant converters,QRCs)和多諧振變換器(Multi - resonantconverter

4、s, MRCS)出現(xiàn)在80年代中期。這是軟開關(guān)技術(shù)的一次飛躍，這類變換器中的諧振元件只參與能量變換的某一個(gè)階段，而不是全程。它也是采用頻率調(diào)制的控制方法。 80年代末出現(xiàn)了零開關(guān)PWM變換器(Zero switching PWM converters)。它可以分為零電壓開關(guān)PWM變換器(Zero-voltage-switching PWM converters)和零電流開關(guān)PWM 近年來，隨著個(gè)人電子計(jì)算機(jī)(筆記本電腦)、通信設(shè)備、微型電器設(shè)備的發(fā)展，以及空間技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的需求，要求DC/DC變換器具有更小的體積、重量和高功率密度，這就要求DC/DC變換器工作在更高的頻率上，例如幾MHz或幾十

5、MHz。然而，在硬開關(guān)工作下，隨著頻率的提高，開關(guān)管的開關(guān)損耗會(huì)成正比的上升，使電路的效率大大降低，處理功率的能力大幅度下降，嚴(yán)重時(shí)，在開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的電流尖峰和電壓尖峰可能使開關(guān)器件的狀態(tài)運(yùn)行軌跡超出安全工作區(qū)，影響開關(guān)的可靠性，而且也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁千擾。增加緩沖電路可以減小功率器件的開關(guān)損耗，但緩沖電路的實(shí)質(zhì)是將功率器件所減少的能量轉(zhuǎn)移到緩沖電路中，在強(qiáng)緩沖時(shí)，開關(guān)電路的總損耗反而增加。無損緩沖電路的發(fā)展減少了這一突出矛盾，但要增加較多的額外元件，增加電路的復(fù)雜性。 與此同時(shí)軟開關(guān)技術(shù)也發(fā)展起來。所謂“軟開關(guān)”是指零電壓開關(guān)(Zero-Voltage-Switching , ZVS

6、)或零電流開關(guān)(Zero-Current-Switching , ZCS )。它是利用諧振原理，使開關(guān)變換器的開關(guān)管的電流(或電壓)按正弦(或準(zhǔn)正弦)規(guī)律變化，當(dāng)電壓過零時(shí)，使器件開通(或電流自然過零時(shí)，使器件關(guān)斷)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而提高開關(guān)頻率，減小變壓器、電感的體積。主要包括以下幾個(gè)方面： (I)串聯(lián)或并聯(lián)諧振技術(shù) 串聯(lián)或并聯(lián)諧振是利用諧振原理，使電路工作于諧振狀態(tài)，開關(guān)管零電壓開通或零電流關(guān)斷，以減小開關(guān)損耗，且降低了EMI噪聲。由于有LC諧振，所以開關(guān)管的電流和電壓應(yīng)力較高，使得開關(guān)管的通態(tài)損耗增加;由于LC諧振頻率固定，只有調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，使占空比變化，從而調(diào)節(jié)輸出電流或輸出電壓

7、。因此，諧振變換電路的開關(guān)頻率是變化的，這對輸入輸出濾波器的設(shè)計(jì)不利。 (2)準(zhǔn)諧振或多諧振技術(shù) 利用正向回路和反向回路的LC值不一樣，使電路振蕩不對稱，稱為準(zhǔn)諧振。當(dāng)諧振回路元件多于兩個(gè)時(shí)，稱為多諧振。在高頻情況下(如開關(guān)頻率大于5OOkHz時(shí))，通常利用功率元件的寄生電感和電容或外加電感和電容，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振或多諧振，以達(dá)到零電壓或零電流的目的。準(zhǔn)諧振和多諧振變換器同諧振一樣，也要調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定。開關(guān)頻率的變化，增加了控制、驅(qū)動(dòng)、輸出濾波器的設(shè)計(jì)難度。 (3) ZCS-PWM或ZVS-PWM技術(shù) 在準(zhǔn)諧振變換器中，增加一個(gè)輔助開關(guān)控制的電路，使變換器恒頻工作。在開關(guān)周期內(nèi)，主功率元

8、件按脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)方式工作，通過控制輔助開關(guān)，使主功率元件在開關(guān)變換時(shí)，按準(zhǔn)諧振變換器方式工作，實(shí)現(xiàn)ZCS或ZVS，前者稱為ZCS-PWM變換器，后者稱為ZVS-PWM變換器。這樣，變換器既有零電壓或零電流的軟開關(guān)特點(diǎn)，又有PWM恒頻調(diào)寬的特點(diǎn)，電路的效率較高。 (4) ZCT PWM或ZVT PWM技術(shù) ZCS-PWM或ZVS-PWM變換器的諧振電感是串聯(lián)在主電路中，使得零開關(guān)條件與電源電壓和負(fù)載變化范圍有關(guān)，在輕載時(shí)不易實(shí)現(xiàn)零開關(guān)。如果將諧振網(wǎng)絡(luò)與主開關(guān)并聯(lián)，就可改善零開關(guān)條件，這種變換器稱為(零電流轉(zhuǎn)換Zero-Current-Tran

9、sition-PWM, ZCT PWM)或零電壓轉(zhuǎn)換一PWM （Zero-Voltage-Transition-PWM, ZVT PWM)變換器，統(tǒng)稱為零轉(zhuǎn)換變換器。它的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗最小，能實(shí)現(xiàn)零開關(guān)特性而不增加主開關(guān)的電壓、電流應(yīng)力，適用于較高壓和大功率變換器。 每一種基本DCIDC變換電路，都有其適用場合，如適宜中功率的變換器有:雙管正激、有源鉗位、移相全橋和半橋，采用得最多的是雙管正激和移相全橋兩種拓?fù)?。雙管正激是一種典型的硬開關(guān)PWM變換電路，其優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，控制方便，成本較低:其缺點(diǎn)是硬開關(guān)工作，開關(guān)損耗較大，在D小于0.5下工作，輸出紋波較大，總體效率不高，EMI大，如果實(shí)

10、現(xiàn)ZCS, ZVS等，必須外加一些元器件，控制復(fù)雜，成本攀升。移相全橋(Phase Shifting Control Full-Bridge)是一種典型的軟開關(guān)變換電路，其優(yōu)點(diǎn)有:開關(guān)管在ZVS條件下進(jìn)行，開關(guān)損耗小，控制簡單，有現(xiàn)成的控制芯片(UC3875, UC3895)，恒頻工作，電壓、電流應(yīng)力小，可以用兩倍開關(guān)頻率的濾波器，EMI小;其缺點(diǎn)有:輕載時(shí)，滯后臂開關(guān)管的ZVS實(shí)現(xiàn)困難，原邊有較大的環(huán)流，增加導(dǎo)通損耗，輸出二極管無法實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，其開關(guān)損耗較大，頻率過高，諧振電感過大會(huì)造成占空比丟失，四個(gè)開關(guān)管和四個(gè)驅(qū)動(dòng)，電路比較復(fù)雜。移相全橋DC/DC變換結(jié)構(gòu)己被國外的各大電源公司采用，

11、很多改善移相全橋特性的研究正在進(jìn)行之中。該變換器己廣泛用于通信AC/DC一次電源，分布式軍用電源系統(tǒng)中。 不對稱半橋就是綜合了雙管正激原邊簡單和移相全橋副邊有利于輸出的變換器拓?fù)?，如果利用開關(guān)管的輸出電容和變壓器的漏感發(fā)生串聯(lián)諧振，使得開關(guān)管兩端電壓降到零，實(shí)現(xiàn)ZVS，就可以大大提高工作頻率和輸出功率。在高頻化和大容量化方面，國內(nèi)外對DCIDC變換器的研究都取得了長足的進(jìn)展，其發(fā)展速度是相當(dāng)快的。在高頻化方面，國外已研制出了開關(guān)頻率幾十千赫茲甚至幾百千赫茲的DC/DC變換器，國內(nèi)對幾十千赫茲的DC/DC變換器的研究也正日趨成熟。在大容量化方面，國內(nèi)DC/DC變換器單機(jī)輸出功率己達(dá)到了幾千至十幾

12、千伏安。DCIDC變換器中軟開關(guān)技術(shù)的使用越來越普遍，逐漸取代了硬開關(guān)技術(shù)，已成為趨勢。二預(yù)計(jì)需達(dá)到的要求、技術(shù)指標(biāo)，預(yù)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵、技術(shù)方案和主要試驗(yàn)研究情況：對不對稱半橋變換器的要求：1.輸入48V，輸出15V，功率500W。無論是輸入電壓出現(xiàn)波動(dòng)還是負(fù)載發(fā)生變化，都要達(dá)到一定的電壓穩(wěn)態(tài)精度，靜態(tài)時(shí)一般為±2%。2正常工作條件下能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)運(yùn)行。3具有短路、過載、過電壓、欠電壓等保護(hù)功能。本課題的中心內(nèi)容是研究不對稱半橋變換器的拓?fù)湟约翱刂葡嚓P(guān)技術(shù)。與普通半橋開關(guān)不同，兩個(gè)互補(bǔ)的主開關(guān)管上加的不是對稱的驅(qū)動(dòng)信號，而是互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號，即一個(gè)占空比為D和一個(gè)占空比為1-D的驅(qū)動(dòng)信號，以

13、實(shí)現(xiàn)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號的銜接，以便實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。在不對稱驅(qū)動(dòng)下由于電容的隔直作用，原邊不會(huì)象一般全橋中不對稱驅(qū)動(dòng)造成直流成分比較大，但是副邊由于導(dǎo)通時(shí)間不等會(huì)出現(xiàn)直流成分。此時(shí)電容上電壓不再是輸入直流的二分之一，而是根據(jù)占空比的變化而變化。對于不對稱半橋DC/DC變換器，:主開關(guān)為兩個(gè)互補(bǔ)控制的功率MOSFET （和）, 和的占空比分別為D和1 -D, , 分別為和的體二極管，諧振電容和是和的寄生電容，隔直電容作為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電壓源，沒有用一般半橋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)電容結(jié)構(gòu)是因?yàn)椴粚ΨQ半橋上下兩個(gè)電容受壓不相等，用一個(gè)可以取直流電壓二分之一，帶中間抽頭變壓器T原邊匝數(shù)為，副邊匝數(shù)為和，采用全波整流，用超快恢

14、復(fù)二極管和，輸出濾波電感,濾波電容和負(fù)載R。 先假設(shè)開關(guān)器件為理想器件，不考慮死區(qū)時(shí)間，主電容當(dāng)作足夠大，當(dāng)上橋臂開關(guān)開通時(shí)，輸入電壓和電容的電壓之差通過加在原邊繞組上，此時(shí)二極管導(dǎo)通；下橋臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，加在原邊繞組上的電壓即為電容的電壓，此時(shí)二極管導(dǎo)通。由于變壓器原邊沒有夠大，不考慮其電壓降，電容不考慮軟開關(guān)過程的基本工作原理直流分量，電容上的電壓，由于在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，輸出濾波電感上平均電壓為零，故（，）由上試可見當(dāng)時(shí)，取最大值，此時(shí)的工作過程與普通半橋電路相同，變壓器原邊繞組上的電壓為。當(dāng)時(shí)，是關(guān)于D的減函數(shù)，減小占空比就能減少輸出電壓。軟開關(guān)過程分析：波形圖如下，（為了便于分析過程

15、，放大了過度過程時(shí)間）：階段一（）：時(shí)間時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，由于電容上電壓不能突變，電容上的電壓為零，開關(guān)是軟關(guān)斷的。開關(guān)管關(guān)斷后，由于變壓器原邊電壓仍然為正，故副邊繞組上的電壓為正，二極管導(dǎo)通，輸出電感上的電流可以看作不變，原邊的電流也可以看作不變，電容上電壓線性上升，電容上電壓線性下降。該階段的方程為：開始時(shí)，結(jié)束時(shí)， 階段二（）：在時(shí)間時(shí)，變壓器原邊繞組上電壓為零，在時(shí)間后變?yōu)樨?fù)值，這是副邊電壓反向，二極管導(dǎo)通。由于副邊漏感的作用，二極管上的電流不可能馬上達(dá)到濾波電感上電流值大小，故此時(shí)二極管 同時(shí)導(dǎo)通，變壓器副邊短路，原邊電壓全部加在漏感上面，電容， 和漏感處在諧振狀態(tài)。根據(jù)初始狀態(tài)可得分

16、別為諧振角頻率和特征阻抗階段三（） 時(shí)間時(shí)，下橋臂開關(guān)管反并聯(lián)二極管開通，保持不變，變壓器原邊電流線形下降。在時(shí)間時(shí)，變壓器原邊電流過零，并由于電容電壓的作用反相增大。下橋臂開關(guān)管應(yīng)在這一時(shí)間段導(dǎo)通才能實(shí)現(xiàn)軟開通 階段四（） 變壓器原邊電壓不邊，電流反相增大，假設(shè)變壓器所有繞組匝數(shù)同，不考慮激磁電流，當(dāng)原邊電流增大到和輸出電流相等時(shí)，二極管 繼續(xù)導(dǎo)通，二極管關(guān)斷，（副邊電流為兩者電流之差）實(shí)際電路考慮匝比，階段死后電容上電壓給變壓器原邊供電，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，后續(xù)狀態(tài)與前面相似，不作分析。預(yù)計(jì)技術(shù)關(guān)鍵： 開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)運(yùn)行的條件：在時(shí)間到開關(guān)應(yīng)該導(dǎo)通，否則失去零電壓條件，因此開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間有：

17、 在階段二，要實(shí)現(xiàn)下橋臂二極管導(dǎo)通，必須使時(shí)間時(shí)，漏感能量大于能實(shí)現(xiàn)下橋臂二極管開通所需要的能量，由于副邊相當(dāng)與短路不參與能量傳遞，這時(shí)需： （）同里在上橋臂實(shí)現(xiàn)軟開通時(shí)，要求：通過分析可以知道： 當(dāng)輸入電壓低，負(fù)載電流大有助于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件。 增加特征阻抗，即增加漏感，減小電容，有助于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件。 當(dāng)時(shí)，開關(guān)管下橋臂開關(guān)管容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，時(shí)，上橋臂容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，當(dāng)占空比接近0.5時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。由于輸入電壓不能人為設(shè)定，電容一般是開關(guān)管的寄生電容也不能改變，為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)運(yùn)行，只能靠增加電感。電感增加到一定程度時(shí)，很方便實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但是帶來的問題是占空比損失，效率降低，解決的辦法為

18、：1原邊加飽和電感飽和電感是指能工作在飽和狀態(tài)的電感。當(dāng)電流大時(shí)電感飽和，表現(xiàn)為一個(gè)很小的電感:當(dāng)電流小時(shí)電感脫離飽和，又表現(xiàn)為一個(gè)很大的電感，阻止電流變化。利用飽和電感的這種特性，可以用來改善變換器的性能，在上橋臂開關(guān)管開通時(shí)，飽和電抗通過正向電流并處在飽和狀態(tài)，在上開關(guān)管關(guān)斷且電壓小于電壓時(shí)，電流降到很小時(shí)，飽和電感退出飽和，相當(dāng)于一個(gè)普通電感的作用使得電流繼續(xù)原方向以保證下開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這 種 電 路拓?fù)渚哂熊涢_關(guān)范圍寬、占空比損失小、減小了主回路中的通態(tài)損耗等優(yōu)點(diǎn)，但這種電路也存在如下幾個(gè)缺點(diǎn): 飽 和 電 感的設(shè)計(jì)和磁性材料的選擇是比較困難的，飽和電感因?yàn)榇判墓ぷ髟陲柡偷讲伙柡偷?/p>

19、交替中，高頻工作時(shí)損耗很大，必須選擇初始磁導(dǎo)率高、矯頑力小、磁化曲線窗口小且_接近矩形的磁性材料。如果材料不合適，會(huì)引起飽和電感嚴(yán)重發(fā)熱，限制了效率和輸出功率的提高。副 邊 占 空比丟失。一般來說，當(dāng)輸入電壓波動(dòng)較大時(shí)，飽和電感必須由最高輸入電壓來決定，那么，在低輸入電壓時(shí)，副邊的占空比損失較多，輸入電壓越低，占空比損失越多。2副邊加輔助開關(guān)由于在原邊直接增加了比較大的電感，階段二中比較容易使下橋臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開通，此時(shí)為了減小占空比損失，就應(yīng)阻止電流繼續(xù)流動(dòng)，使的電流反向，使的電路正常輸出。如上圖，只需要在下橋臂開關(guān)管軟開通的同時(shí)開通副邊開關(guān)，由于電容上電壓的作用和上電流很快歸零，同時(shí)由于副

20、邊電流為零，原邊電流也很快到零，此時(shí)關(guān)斷開關(guān)，即可正常輸出電壓。上橋臂軟開通后是同樣的過程。此電路的優(yōu)點(diǎn)是能夠在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，占空比損失小，但是此電路加入了有源器件，控制變的復(fù)雜，成本增加，輔助開關(guān)管在硬開關(guān)狀態(tài)下運(yùn)行，其損耗不可忽略。綜合考慮，選用副邊加輔助開關(guān)管的辦法。 直流偏磁：原邊由于有隔直電容的作用不會(huì)產(chǎn)生直流偏磁的問題，但是副邊由于是不上下橋臂不對稱導(dǎo)通，可以產(chǎn)生直流分量，消除影響，必須合理設(shè)計(jì)鐵心的氣隙。 三課題研究進(jìn)展計(jì)劃：2005.9 2005.12 查閱文獻(xiàn)資料2006.1 2006.3 計(jì)算機(jī)仿真2006.42006.10 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試2006.112006.12 完

21、成論文、答辯參考文獻(xiàn)1 陳堅(jiān)，電力電子學(xué)（第3版），高等教育出版社，2002年，北京2 張占松 蔡宣三，開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2002年，北京3 阮新波 嚴(yán)仰光，.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)，科學(xué)出版社，2000年，北京4 楊建寧 謝少軍，不對稱半橋變換器開通條件的分析，電力電子技術(shù)，2005年6月 5 Hosotani, T., Harada, K., Ishihara, Y, Todaka, A novel ZVS multi-resonant converter withrectifiers deadtime control operated in 20 MHz range

22、, Telecommunications Energy Conference,1994, INTELEC'94, 16th International, 30 Oct-3 Nov 1994, pp115一122.6 Wei Dong, Dengming Peng, Huijie Yu, Lee, F.C., Lai, J., A simplified control scheme for zero voltage transition (ZVT) inverter using coupled inductors, Power Electronics SpecialistsConference, 2000, PESC'00, 2000 IEEE 31st Annual, Volume: 3, 2000, pp1221一1226. 7 Czarkowski, D., Kazimierczuk, M.K., Circuit models of PWM half-bridge DC-DC converter,Circuits and