【正文】 Uno, Power Supply[J]. Cicruit,2006(12):3640[15] ShengYuan Ou , HoPu Hsiao. Analysis and Design of a Novel SingleStage Switching Power Supply With HalfBridge Topology[D]. IEEE Digital Object Identifier [16]，2012[17]楊旭，裴云慶，王兆安．開(kāi)關(guān)電源技術(shù)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2004實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 .北京：人民郵電出版社，2003[18]程勇，：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2003[19]王增福，：電子工業(yè)出版社，2004[20] . 北京：科學(xué)出版社，2001[21] . 北京：高等教育出版社，2004[22]曲學(xué)基，王增福，. 北京：電子工業(yè)出版社，2004。 Sugiyama, S.。感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫論文的過(guò)程中給予我了很多寫作素材和靈感，還在論文的撰寫和排版的過(guò)程中提供熱情的幫助。不足之處: ，輸出電流仍有一定的反向電流存在，沒(méi)能完全避免出現(xiàn)反向電流； ，沒(méi)能充分利用該反向電流，造成一定附加損耗； ，沒(méi)有制作成品電路進(jìn)行實(shí)物測(cè)量。為了提高精度，進(jìn)一步減小反向電流的幅值，可以在電流互感器輸出端上增設(shè)電壓放大電路，使電流互感器檢測(cè)到較小的反向電流時(shí)即阻斷導(dǎo)通信號(hào)傳至續(xù)流開(kāi)關(guān)管，即提高了精度。 第五章 結(jié)論 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源已廣泛應(yīng)用在了各種電類產(chǎn)品中，作為電類產(chǎn)品供電的核心模塊，在各類產(chǎn)品的應(yīng)用過(guò)程中，直流開(kāi)關(guān)電源也產(chǎn)生了各種各樣的實(shí)際問(wèn)題。 圖37添加改進(jìn)脈沖阻止電路后的buck電路t IL 圖38改進(jìn)后buck 變換器的輸出電流波形如圖所示，IL為輸出電感L1上流過(guò)的輸出電流，從圖中可以看出，之所以會(huì)出現(xiàn)正向電流，是因?yàn)楦倪M(jìn)后，在出現(xiàn)很小的反向電流時(shí)，阻斷開(kāi)關(guān)管即關(guān)斷，使續(xù)流開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通脈沖信號(hào)無(wú)法傳至續(xù)流開(kāi)關(guān)管Q2，Q2關(guān)斷，使Q1提前導(dǎo)通，反向電流經(jīng)Q1向電源充電，反向電流減小到零后，開(kāi)始正向增加。在TX1輸出端子上以運(yùn)放UA741為中心元件，設(shè)置運(yùn)放電路，使兩端子電位均放大9倍，則端子間電壓亦放大9倍，使脈沖阻止電路的靈敏度提高，靈敏度提高后，輸出電流波形如圖38所示。對(duì)圖35進(jìn)行分析可知，阻斷開(kāi)關(guān)管Q3關(guān)斷的快慢會(huì)直接影響到輸出電流的最大幅值，因此，若使阻斷開(kāi)關(guān)管Q3在TX1檢測(cè)到反向電流時(shí)能迅速關(guān)斷，則輸出反向電流幅值就會(huì)很小，以此思路為準(zhǔn)，將TX1輸出端均設(shè)置電壓放大電路，目的是使TX1檢測(cè)到有很小的反向電流時(shí)，即有很大的關(guān)斷電壓將阻斷開(kāi)關(guān)管Q3迅速關(guān)斷，達(dá)到減小輸出反向電流的作用，電路原理圖如圖37所示。ILt圖36添加脈沖阻止電路后buck電路的輸出電流波形圖從圖36中可以看到，電路中增加了脈沖阻止電路以后，輸出最大反向電流幅值不超過(guò)3A，輸出電流逐漸積累變大的趨勢(shì)被很好的遏制。圖35添加脈沖阻止電路后的buck電路 其中Q3為阻斷開(kāi)關(guān)管，TX1為電流互感器，一端與阻斷開(kāi)關(guān)管Q3的柵極相連，一端和Q3的源極以及Q2的柵極相連，阻斷開(kāi)關(guān)管Q3的漏極和續(xù)流開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通信號(hào)相連，TX1用于檢測(cè)Q1中是否存在反向電流，當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到電感L中有反向電流時(shí)，Q3柵源極反向偏置，Q3關(guān)斷，阻止續(xù)流開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖傳至續(xù)流開(kāi)關(guān)管Q2。在電路中增設(shè)脈沖阻止電路，通過(guò)脈沖阻止電路檢測(cè)到輸出存在反向電流時(shí)，阻止直流直流變換器中的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)傳遞至功能開(kāi)關(guān)管， 從而阻止功能開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，功能開(kāi)關(guān)管為直流直流變換器中的續(xù)流開(kāi)關(guān)管，阻止了開(kāi)關(guān)管中反向電流不斷增大，將反向電流限制在較小的程度，避免了直流直流變換器中的器件因應(yīng)力過(guò)大而失效的現(xiàn)象，保護(hù)了元器件和設(shè)備，延長(zhǎng)了直流直流變換器的使用壽命。 過(guò)大的反向電流可能會(huì)引起電路中元器件劇烈發(fā)熱，大大縮短直流直流變換器的使用壽命，燒毀器件和負(fù)載設(shè)備，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引起元器件絕緣等功能喪失，造成安全隱患， 對(duì)工業(yè)、科研生產(chǎn)都會(huì)產(chǎn)生不利影響[15]。 tIL 圖33 預(yù)偏置時(shí)buck變換器輸出電流波形由圖中可以看到，初始階段，電流從零逐漸正向增加，很快又減小，直至減至負(fù)值4A左右，此后電流有所上升，但仍反向，之后繼續(xù)反向增大， 在350us時(shí)，已達(dá)到8A左右。由于預(yù)偏置電壓的存在，續(xù)流開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很長(zhǎng)，導(dǎo)致預(yù)偏置電壓通過(guò)續(xù)流開(kāi)關(guān)管放電，出現(xiàn)反向電流。tu 圖31 Q1驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖31所示，開(kāi)機(jī)時(shí)，主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖占空比非常小，每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間較短，大部分時(shí)間處于關(guān)斷狀態(tài)。開(kāi)關(guān)管2驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖3圖32所示。圖29 輸出電流理論波形 從圖中可以 看出，剛開(kāi)機(jī)階段，電路輸出電流為正，由于占空比較小，正向電流只維持非常短的時(shí)間，此后電流會(huì)反向流動(dòng)，并逐漸反向增大，這種情況下，如果不能及時(shí)采取措施限制反向電流，極有可能對(duì)電路造成很大影響。但是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓占空比很小，直到Q1導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，電流IL還沒(méi)有恢復(fù)到正向，此后Q1又關(guān)斷，Q2又導(dǎo)通，電流在還沒(méi)有恢復(fù)到正向的情況下，又開(kāi)始反向增大。開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，偏置電壓可以看做電壓源，此時(shí)由于開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，電源通過(guò)電感L和開(kāi)關(guān)管Q2放電，電流IL從Q1關(guān)斷時(shí)刻的電流值開(kāi)始減小。 預(yù)偏置時(shí)輸出電流理論分析 圖28 經(jīng)典BUCK變換器 如圖28所示，大部分變換器為了獲得平滑啟動(dòng)的效果，會(huì)設(shè)置軟啟動(dòng)電路，使開(kāi)機(jī)后變換器開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓占空比從一個(gè)很小值逐漸增大[14]。 電流反向流動(dòng)的現(xiàn)象普遍存在，在實(shí)際應(yīng)用中可能造成問(wèn)題，尤其是變換器在預(yù)偏置的情況下開(kāi)機(jī)時(shí)，即在變換器輸出端已經(jīng)存在一定電壓的情況下開(kāi)機(jī)時(shí)，反向電流可能會(huì)非常大，因?yàn)樵诖蟛糠肿儞Q器中，為了獲得平滑的啟動(dòng)效果，會(huì)設(shè)置軟啟動(dòng)電路，使變換器開(kāi)機(jī)后變換器內(nèi)驅(qū)動(dòng)電壓的占空比逐漸增大，所以在變換器剛開(kāi)機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓的占空比很小，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反向電流，在驅(qū)動(dòng)電壓的占空比增大到足以使輸入電壓和輸出電壓達(dá)到平衡之前，反向電流會(huì)不斷增大，反向電流太大可能會(huì)造成變換器的器件應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致失效，縮短直流直流變換器的使用壽命。2. 系統(tǒng)必須有不同的電壓同時(shí)供電，使電路在有預(yù)偏置時(shí)由于同步整流的存在，產(chǎn)生輸出啟動(dòng)波形不單調(diào)、重新啟動(dòng)或甚至損壞模塊的現(xiàn)象。 圖26(b),其中Z2為穩(wěn)壓二極管,此時(shí)副邊繞組負(fù)電壓值較大,Z2的穩(wěn)壓值為所需的負(fù)向電壓值,超過(guò)部分電壓降在電容C2上,其實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖27(b)[15]。當(dāng)D較小時(shí),負(fù)向電壓小, 該電路的抗干擾性變差,且正向電壓較高,應(yīng)該注意使其幅值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓,從而加速了功率管的關(guān)斷,且有較高的抗干擾能力。當(dāng)脈寬變化時(shí),驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖27(a)。占空比D,導(dǎo)通時(shí)隔離變壓器上的電壓為(1－D)Ui、關(guān)斷時(shí)為DUi,若主功率管S可靠導(dǎo)通電壓為12V,則隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/(1－D)/Ui。表1為不同占空比時(shí)關(guān)斷時(shí)間toff（驅(qū)動(dòng)電壓從10伏下降到0伏的時(shí)間）內(nèi)變化情況。二是當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化加大。③占空比固定時(shí),通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì),此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開(kāi)關(guān)速度。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)的S2柵源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的速度以及S1所能提供的電流大小有關(guān)。等值電路圖如圖23(b)所示,脈沖變壓器的副邊并聯(lián)—電阻R1,它做為正激式變換器的假負(fù)載,用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通,見(jiàn)圖25[14]。其工作波形分為兩種情況,一種為去磁繞組導(dǎo)通的情況,見(jiàn)圖24（a）。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。同時(shí)PNP管換成NPN管。該驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源,且由于R的取值不能過(guò)大,否則會(huì)使V1深度飽和,影響關(guān)斷速度,所以R上會(huì)有一定的損耗。反之V1關(guān)斷時(shí),V2導(dǎo)通,上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷,使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。為了提高電路的抗干擾性,可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)由VVR組成的電路,產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓,電路原理圖如圖22(a)所示。由于MOSFET存在結(jié)電容,關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過(guò)結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。這兩種電路結(jié)構(gòu)特簡(jiǎn)單[13]。適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。（5）另外要求驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,損耗小,最好有隔離[12]。（3）關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷。一個(gè)好的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的要求是：（1）開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí),驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩。MOSFET由于開(kāi)關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)已成為開(kāi)關(guān)電源最常用的功率開(kāi)關(guān)器件之一。下圖為該轉(zhuǎn)換器在一個(gè) PWM 周期內(nèi)的工作波形：圖20 零電流PWM一個(gè)周期工作波形圖Buck 型 ZCSPWM 電路的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了恒頻控制的 ZCS 工作方式，且主開(kāi)關(guān)管與輔助開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力小，在一個(gè)周期內(nèi)承受的最大電壓為電源電壓，但續(xù)流二極管承受的電壓應(yīng)力較大，最大時(shí)為兩倍的電源電壓，而且由于諧振電感在主電路中，使得實(shí)現(xiàn) ZCS 的條件與電源電壓和負(fù)載變化有關(guān)[11]。由于電感串聯(lián)在主回路中，實(shí)現(xiàn) ZVS 的條件與電源電壓及負(fù)載的變化有關(guān)。零電壓開(kāi)關(guān)PWM：下圖為零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖圖17 零電壓開(kāi)關(guān)PWM其中，VT1為主開(kāi)關(guān)管，VT2為輔助開(kāi)關(guān)管，Lr與 Cr分別為諧振電感與諧振電容。該類轉(zhuǎn)換器是在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管，來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn) PWM 控制。Q1的導(dǎo)通時(shí)間固定，不能小于t0ta時(shí)間段。這個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)度取決于開(kāi)關(guān)周期。t3t4階段，t3時(shí)刻Cr上的電壓為零，二極管D導(dǎo)通，輸出電流Io通過(guò)二極管D續(xù)流，電容電壓被箝位在零，這時(shí)有：iLr=0。在ta到tb時(shí)間段內(nèi)，VT1是以零電流關(guān)斷。iLr上升后下降，ta時(shí)刻，iLr下降到零后，iLr通過(guò)Q1的反并聯(lián)二極管VD繼續(xù)向反方向諧振，并將能量反饋給輸入電源。t1時(shí)刻，iLr上升到輸出電流Io，這個(gè)階段結(jié)束。圖15 零電流型準(zhǔn)諧振Buck變換電路 圖