【文章內容簡介】 ching PWM Converters， ZCSPWM)和零電壓開關 PWM 變換器(ZeroVoltageSwitching PWM Converters， ZVSPWM)兩類，輔助電路分為為主開關提供零電流關斷和零電壓導通的條件。以 Buck 型 ZVSPWM 變換器為例，如圖 所示，這種電路與 ZVSQRC 電路主開關實現(xiàn)零電壓打通的條件完全相同，開關器件和諧振電容、諧振電感的電壓、電流應力完全一樣，同時在 Buck 型 ZVSPWM 變換其中，輔助開關也實現(xiàn)了零電壓導通 [4]。 然而 零開關 PWM 變換器 的開關器件 通常電壓、電流應力很大，因此一般也應用在小功率、低電壓、而且對體積和重量要求十分嚴格的場合，比如宇航電源和程控交換器的 DCDC 電源模塊 [5][6]。 在準諧振變換器中，諧振電感和諧振電容在參與能量轉換 的 全 過程 ，因諧振的過程導致開關器件上 的電壓、電流應力較大。在 ZVSPWM 和 ZCSPWM 變換器中，諧振元件不是一直工作 ，但諧振電感 與主電路回路串聯(lián) ， 其 損耗較大，同時 零開關PWM 電路 與準諧振電路 具有相同的諧振原理 [4]，故 開關器件和 諧振電容、諧振電感的 電壓應力和電流應力與準諧振變換器一致。 為了 克服這些缺陷 ，引入了零轉換PWM 變換器的概念，這類變換器的特點是：采用 PWM 控制方式，實現(xiàn)恒定頻率的控制 ；輔助電路僅在主開關動作時工作，其他時候不工作，因此 減小了輔助電路的損耗；輔助電路不是串聯(lián)在主電路回路中，而是與主電路回路 并聯(lián)，這樣也減小了高功率密度小功率 DCDC 模塊電源的研究 第一章 緒論 5 輔助電路的損耗；輔助電路的工作不會增加開關器件 的電壓和電流應力，主開關的電壓和電流應力很小，基本與去除輔助電路時的變換器電壓、電流應力相等，這是與零開關 PWM 電路最根本的區(qū)別 [5][6][7][8]，這也使得零轉換 PWM 變換器在大功率場合得到廣泛應用。零電壓轉換 PWM 變換器 (ZeroVoltageTransition PWM Converters， ZVTPWM)如圖 所示。 圖 Buck型 全波零電壓準 諧振變換器 圖 Buck型 ZVSPWM變換器 圖 Buck型 ZVTPWM變換器 (2) 同步整流技術 同步整流 (Synchronous Rectification，簡稱 SR)是在 20 世紀末問世的。它是采用通態(tài)電阻極低的專用功率 MOSFET 取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術，能顯著提高開關電源在低電壓、大電流輸出時的效率。高頻 DC/DC PWM 開關變換器的輸出通常采用功率整流二極管進行整流，開關變換器對整流二極管管的要求：正向壓降小，反向漏電流小，反向恢復時間短等。比較適合的功率整流二極管有 PN結雙極二極管、快速恢復二極管 、超快速恢復二極管、肖特基二極管。對于低壓大電流輸出的開關電源 ，為進一步提高其效率，采用 傳導阻抗小的 MOSFET 作為整流器，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱為同高功率密度小功率 DCDC 模塊電源的研究 第一章 緒論 6 步整流 ，減小電路中的傳導損耗 ，提高變換器效率 [9]。在 Buck 型 變換器的基礎上，應用同步整流技術，如圖 中電路所示， 為主開關管， 為同步整流管。導通時起， 關斷； 關斷時， 導通起續(xù)流作用，替代續(xù)流二極管，故 同步整流管的功率損耗主要包括 、 的 傳導 損耗及柵極驅動損耗。 圖 同步整流 的 Buck型 變換器原理圖 本課題研究的目的和內容 研究的 主要 目的 本文對高功率密度小功率 DCDC 模塊電源進行了研究和設計，這些研究是基于提高模塊電源的開關頻率，達到提高開關電源的功率密度的目的，即開關電源高頻化。同時應用開關電源領域主流的技術以解決高頻化后引起的開關損耗升高、開關器件應力升高等問題。大多關于應用軟開關技術、同步整流技術的文章 [5][6][7][8]都以原理性的介紹為主，很少提及控制策略的設計和電路的仿真方法，本文主要研究如何應用 軟開關技術和同步整流 技術， 以及分析 這些 軟開關 電路拓撲的性能，如提高模塊電源的能量轉換效率、減小模塊電源整體損耗、改變開關器件的工作狀況等，同時設計相應的控制策略 ，通過軟件仿真來驗證所 設計的軟開關電路拓撲 性能。 本課題以設計一個輸出功率為 33W，輸入電壓 /輸出電壓為 10V/，開關頻率為 250kHz 的高功率密度模塊電源為目標，研究了小功率低電壓輸出的模塊電源常用的幾種主電路 基本 拓撲，并經過分析，選用了 Buck 型變換器 作為模塊電源的主電路基本拓撲。在主電路拓撲為 Buck 型變換器 的基礎上研究了組合吸收電路、 ZVSPWM電路以及應用同步整流技術的 ZVSPWM 電路三種軟開關電路，對它們的主電路與控制策略進行了 設計，最后通過仿真驗證并分析三種 軟開關電路 的性能。 本文所做的主要工作包括以下內容： (1) 分析小功率低電壓輸出的模塊電源常用 基本 拓撲； (2) Buck 變換器的設計與電路主要器件參數的計算； 高功率密度小功率 DCDC 模塊電源的研究 第一章 緒論 7 (3) 分析 3 型 誤差放大器原理，并使用 PSIM 軟件中 SmartCtrl 組件對 Buck 型拓撲的反饋回路進行設計； (4) 組合吸收電路的主電路與控制策略的設計、仿真以及各項數據比較與分析； (5) Buck 型 ZVSPWM 電路 的主電路與控制策略的設計、仿真以及各項數據比較與分析； (6) 應用同步整流技術于 Buck 型 ZVSPWM 電路 ，分析應用同步整流技術提高電路的效率原理，并通過仿真驗證。 本文結構 本文 內容 的安排如下： 第一章：本章分析了開關電源的發(fā)展趨勢和功率密度的定義，提出以高頻化提高開關模塊電源的功率密度的一般方法以及高頻化帶來的問題、解決這些問題的主流技術，介紹了本課題的主要目標和作者的主要工作； 第二章：本章分析了常用的小功率模塊電源的主電路 基本 拓撲，并以一個目標模塊電源作為本文研究的對象，進行 了 拓撲選擇 的 分析； 第三章：本章以第二章所提出的目標模塊電源參數 為基礎 ，分析了 Buck 型變換器主電路的設計方法，計算了相關的 元件參數，應用 PSIM 軟件中的 SmartCtrl 組建設計反饋回路，并仿真驗證其穩(wěn)定性； 第四章：本章對幾種軟開關拓撲進行了分析和設計，應用于模塊電源主電路拓撲，以實現(xiàn)軟化開關過程、提高電源效率的目的，并使用 PSIM 軟件對各種電路進行仿真、分析和驗證； 第五章：總結全文，并針對 當前所做工作 的不足進行 了 分析， 并指 出下一步的工作方向。 高功率密度小功率 DCDC 模塊電源的 研究 第二章 小功率模塊電源主電路基本拓撲 8 第二章 小功率模塊電源 主電路 基本拓撲 小功率級別的模塊電源輸出功率可以是從幾毫瓦到幾十瓦，輸入電壓源可以是蓄電池組，也可以是大功率模塊電源的輸出。隨著數字設備的快速發(fā)展，模塊電源在低壓輸出的場合廣泛應用，通?？梢灾苯淤N在印刷電路板上，為以專用集成電路、數字信號處理器、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程邏輯陣列等數字或者模擬集成芯片為負載供電的模塊電源，要求的輸出電壓是相對較低的，對于一個低功耗的微處理器而言，其電壓源輸入只需要 甚至更低。對于低電壓輸出小功率模塊電源，主電路拓撲選擇降壓型變換器 (Buck Converter)、正激式變換器 (Forward Converter)和反激式變換器 (Flyback Converter)更為合理。 小功率模塊電源基本拓撲的分析 降壓型變換器 降壓型變換器，即 Buck 型變換器，是一種輸出直流電壓小于輸入主流電壓的單管非隔離式 PWM DCDC 變換器，它是一種開關電源基本的拓撲結構，其輸入與輸出共地，主電路由主開關、續(xù)流二極管、一個輸出電容和一個輸出電感組成，結構簡單，如圖 (a)所示。 采用 Buck 型變換器，輸入電壓必須高于輸出電壓，但輸出電壓與輸入電壓的比值不應太大或大小，太大或太小的占空比不利于 Buck 變換器的設計與實現(xiàn)，太大的占空比可能導致跳周，而太小的占空比可能導致開關器件不能充分導通或關斷；在實際應用中，多數集成 PWM 控制芯片的輸出占空比是有一定上下限的。 Buck 型變換器 中 采用 普通 二極管續(xù)流，其傳導 電阻大，此時電路的損耗很大，故采用傳導電阻較小 的 MOSFET 代替 普通續(xù)流 二極管，即采用同步整流技術，可以解決傳導損耗影響整體效率的問題，應用針對于同步整流的 Buck 型設計的 PWM 控制芯片，其效率可高達 90%以上 。 由于 Buck 型變換器屬于非隔離式變換器，因此沒有變壓器做輸入和輸出的電氣隔離，可以節(jié)省體積，但通常僅適用于單輸出的應用場合。 反激式變換器 反激式變換器的結構如圖 (b)所示，廣泛應用于高壓和離線供電電源，通常在低輸入電壓時最大輸出功率為 50W。它是一種單管隔離式 PWM DCDC 變換器，是一種恒功率輸出的開關變換器。反激式變換器不需要輸出電感，因此它與其他開關變換器拓撲相比由于對輸出電壓跟蹤性能更好而具有很大的吸引力，而對于多路輸出的應用場 合與其他拓撲相比的另一個重要優(yōu)點就是不需要輸出電感可以節(jié)省體積高功率密度小功率 DCDC 模塊電源的 研究 第二章 小功率模塊電源主電路基本拓撲 9 和成本，提高功率密度。 反激式變換器的隔離變壓器可以看作是耦合電感，主開關導通時，隔離變壓器儲存能量，由于同名端相反而次級的二極管承受反向電壓不導通，此時負載由輸出電容供電；主開關關斷時，初級繞組開路，次級繞組感應電動勢反向，二極管導通，變壓器存儲的能量通過二極管釋放。由變壓器存儲的能量是否全部釋放可將反激式變換器的工作方式分為連續(xù)方式和斷續(xù)方式。工作在連續(xù)方式下，變換器初級輸入電流連續(xù)，每個周期變壓器會殘留一定的能量，這部分能量不能轉換到負載端 ；工作在斷續(xù)方式下，變換器初級輸入電流斷續(xù)，輸出電壓不僅與占空比有關，并與負載電流也有關，當占空比一定時減小負載電流，輸出電壓會相應的升高。這兩種工作方式在控制策略和電路性能上有很大的不同，大多數小功率級別并需求快速響應的應用場合，反激式變換器工作在斷續(xù)方式更為合適。 正激式變換器 正激式變換器的結構如圖 (c)所示，它是 500W 以下的中小功率電源應用最普遍的一種拓撲，正激式變換器的拓撲很像 Buck 電路，只需用開關管、變壓器和二極管的組合來代替 Buck 型 變換器 中的 主開關 即可。正激式變換器也屬于單管隔離式PWM DCDC 變換器，變壓器繞組的同名端是同相位的，即同名端的電壓是同時增大或同時減小的。單端正激變換器的變壓器是單相磁化的，磁芯利用率低；每個周期變壓器必須復位，否則會發(fā)生變壓器磁芯飽和現(xiàn)象，因此正激變換器必須設計變壓器復位電路。 圖 (a)左圖， Buck變換器拓撲 (b)中圖，反激式變換器拓撲(c)右圖， 正激式變換器拓撲 主電路選擇 小功率模塊電源的主電路拓撲選擇，應在優(yōu)先考慮體積和變換器效率的基礎上考慮其他的因素，這些因素主要有， (1) 輸入電壓的范圍 輸入電壓的最小值決定了是否能采用 Buck 型變換器，當輸入電壓小于輸出電壓時， Buck 型變換器的主開關會一直導通， PWM 波將跳周，而最大輸出電壓為輸入電壓，不能滿足應用的需求；輸入電壓的最大值決定了開關器件的工作應力，我們知道 Buck 變換器主開關承受的最大反向電壓為 ， 高功率密度小功率 DCDC 模塊電源的 研究 第二章 小功率模塊電源主電路基本拓撲 10 反激式變換器主開關的最大反向電壓為， 正激式變換器主開關的最大反向電壓為， 其中 為變壓器的初級繞組匝數， 為復位繞組匝數。 (2) 輸入電壓與輸出電壓的比例 輸入電壓與輸出電壓的比例影響 PWM 波占空比，不應使占空比太小或者太大，避免跳周和不能充分導通或關斷開關管的問題；另外正激式變換器由于變壓器磁芯復位的問題以及工作在斷續(xù)方式的反激式變換器的能量在開關管關斷后需全部輸出負載端，它們的占空比不應超過 ，并需要留有一定的裕值。 (3) 是否需要輸入與輸出隔離 如果輸入和輸出需要電氣隔離，則需要采用隔離式變換器。 (4) 是否有多路負載 應用場合需要驅動多路負載時，需要采用隔離式變換器，輸入可以通過變壓器與多路輸出耦合，在多路負載不需要高精度電源驅動的應用場合下，通常是多路輸出為一個主輸出和多路副輸出的組合 ，主輸出是閉環(huán)控制的故精度較高，副輸出則是開環(huán)的，其精度略低于主輸出；如果變壓器耦合的多路電源輸出不能滿足負載對精度的需求，則需要設計多組變換器。由于次級不需要輸出電感，故反激式變換器在多路輸出的場合可以節(jié)省大量的體積。 (5) 潛在的損耗源 正激式變換器通常使用 RCD 電路作為變壓器的復位電路，這是一種有損的方式，變壓器在復位電路的電阻上將能量消耗掉，使磁芯復位，電阻發(fā)熱較大且降低了電源的效率；在輸出級，正激式變換器需要兩個二極管整流，對于高頻小功率的場合，二極管上的損耗不可忽略，因此正激式變換器較適合中小功率的變 換器。反激式變換器和 Buck 型變換器輸出級只有一個二極管，那么反激式變換器的損耗主要來自于