大功率高頻開關充電電源的研制_圖文

1、武漢理工大學碩士學位論文大功率高頻開關充電電源的研制姓名：楊志剛申請學位級別：碩士專業(yè)：檢測技術與自動化裝置指導教師：秦娟英;王攀20070401摘要本文所設計的大功率高頻開關充電電源來源于某公司的實際產品研發(fā)項目，以實際樣機的設計及調試過程為依托，從兩個方面對主電路和控制電路的設計進行了詳細分析，在實際研制過程中，采用理論分析與試驗測試相結合的方式，對各電路設計進行調整優(yōu)化。文章首先介紹了選題背景，開關電源技術發(fā)展的概況及功率因數(shù)校正技術的發(fā)展歷程；提出了大功率高頻開關充電電源的設計要求，并提出了論文設計的總體方案及文章內容安排。本文第二部分詳細介紹了高頻開關變換器的基本分類，分析了幾種常見

2、變換器的工作原理，著重分析了全橋隔離型變換器的工作過程；對高頻開關變換器的控制策略進行了介紹，著重分析了脈寬調制控制方式（）的工作機理。本文第三部分詳細論述了本設計中高頻開關變換器部分的設計內容。首先介紹變換器主電路的拓撲選擇及元件選型；然后，闡述了平板變壓器的技術優(yōu)勢，并從變壓器的基本工作原理入手，詳細論述了矩陣式平板變壓器的設計原理。在此基礎上，從實際應用的角度，對其進行了優(yōu)化設計，結合全橋式變換電路及控制電路，設計實現(xiàn)了三相輸入的矩陣式高頻功率變換器，并完成了各主要電路參數(shù)的設計。本文第四部分闡述了單相技術的基本類型和優(yōu)缺點，并著重介紹了舞壓型有源電路的基本工作原理：對三相功率因數(shù)校正器

3、的主要電路拓撲結構進行了介紹，并分析了各種結構的優(yōu)勢及存在的問題，在此基礎上提出了一種新穎的電路拓撲結構，確立了本選題所采用的三相技術的解決方案，即采用組合式的三相拓撲結構，單相主電路采用升壓型電路，?？刂齐娐凡捎闷骄娏骺刂颇Ｊ健１疚淖詈蠼o出了樣機調試的主要試驗數(shù)據(jù)及波形，試驗結果證明了本文所作理論分析及實際設計的正確性和可行性。關鍵詞：，開關變換器，矩陣平板變壓器，班，（），武漢理工大學碩士學位論文，：，獨創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得武

4、漢理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：莓丕杰西！日期：至主：！關于論文使用授權的說明本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即學校有權保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨热?，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。（保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定）研究生簽名：布留白筇導師塹名：讎日期：二叢武漢理工大學碩士學位論文第章緒論選題背景現(xiàn)代文明的發(fā)展進步，為人類社會帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益。人們在享受著前所未有的精神生活、物質生活的同時，也深

5、切感受到了其在能源、環(huán)境等方面所帶來的巨大副作用。在人類社會的發(fā)展過程中汽車起到了一個重要的作用，汽車工業(yè)對于一個國家的經(jīng)濟和各項科技的發(fā)展起到了巨大的推動作用。但是，燃油汽車尾氣排放污染是現(xiàn)代城市中大氣的主要污染源，已經(jīng)對環(huán)境造成了巨大的破壞，尤其嚴重的是內燃機的廣泛使用使極其有限的石油和天然氣資源正在以驚人的速度減少，而這些資源同時又是重要的、不可再生的化工原料，作為燃料直接燃燒是對能源的極大浪費。按照現(xiàn)在的消耗速度，石油、天然氣資源僅僅能夠再維持人類數(shù)十年的使用。面對著日益貧乏的自然能源，越來越惡劣的地球環(huán)境，“節(jié)能環(huán)?！币殉蔀槲磥砩鐣l(fā)展的一大主題。它要求人們節(jié)省能源，注重環(huán)保，以實現(xiàn)

6、可持續(xù)發(fā)展的目標。正是在這樣的背景下，人們更加致力于清潔、環(huán)保的電動汽車的研制和開發(fā)。以動力蓄電池為能源的電動汽車被認為是世紀的綠色土程。電動汽車的基本特點是能自攜電能，像普通汽車一樣沿一般道路行駛，動力性、經(jīng)濟性、安全性和可靠性等達到或接近普通內燃機汽車。同時電動汽車具有噪音小、無排氣污染、易維修、可利用用電低谷期間充電以及節(jié)能等優(yōu)點，被認為是未來理想的交通運輸工具。目前，電動車核心部件中的電動機、控制器和車體在理論和技術上已較為成熟，而儲能設備中的蓄電池、充電器的發(fā)展還不能滿足電動車的要求，在理論上和技術上還有待攻關。蓄電池的好壞優(yōu)劣，直接影響著電動車最主要的性能指標和使用效果。而充電裝置

7、的好壞不僅直接影響到蓄電池的壽命，更重要的是它會影響到電動車的推廣與使用，因此如何發(fā)展迅速高效可靠的充電技術己成為電動汽車領域研究的重點方向之一。武漢理工大學碩士學位論文近幾年，國外很多大的公司已開始著手研制新一代的電動車充電器，以適應市場對充電器無污染、節(jié)能高效、快速便捷的要求，典型代表如美國的公司。該公司目前正著手研發(fā)下一代快速充電器，該充電器將保留原來所有充電器（和）的快速充電及智能化的特點，同時具有體積小，重量輕，效率高，獨特的功能和擴展的特性。在產品設計的過程中應該考慮設計的獨特性和可檢驗的要求，滿足下一代充電器市場的要求。本論文選題正是源于公司下一代快速充電器研發(fā)項目，以在國內一家

8、合作公司的研發(fā)中心為開發(fā)平臺，研制下一代充電器用高頻功率模塊電源。國內外開關電源的發(fā)展概況目前，常用的充電電源主要有以下三種：相控電源、線性電源、開關電源“。相控電源是較傳統(tǒng)的電源，它將市電直接經(jīng)過整流濾波后輸出直流，通過改變晶閘管的導通相位角，來控制整流器的輸出電壓。相控電源所使用的變壓器是工頻電源變壓器，它的體積龐大，由此造成相控電源本身體積龐大、效率低下。而且該類電源動態(tài)響應差、可靠性能低。目前相控電源己經(jīng)有逐步被淘汰的趨勢。線性電源是另一種常見的電源，它是通過串聯(lián)調整管可以連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。線性電源的功率調整管總是工作在放大區(qū)，通過的電流是連續(xù)的。由于調整管上的損耗功率較大，所以

9、需要采用大功率調整管并且需要裝配體積很大的散熱器。開關電源的研究發(fā)展歷史比較短，二十世紀五十年代，（，美國宇航局）以小型化、重量輕為目標，為搭載火箭開發(fā)了開關型穩(wěn)壓電源（簡稱開關電源，）。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源，并廣泛應用于電子設備中。二十世紀八十年代，計算機全面實現(xiàn)了開關電源化。二十世紀九十年代，開關電源在電子、電器設備、家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入了快速發(fā)展期。開關電源采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關管的占空比來調整輸出電壓。以功率晶體管為例，當開關管飽和導通時，集電極和發(fā)射極

10、兩端的武漢理工大學碩士學位論文壓降接近零；當開關管截止時，其集電極電流為零。所以其功耗很小，效率可高達。開關電源直接對電網(wǎng)電壓進行整流、濾波、調整，然后由開關管進行穩(wěn)壓，不需要工頻變壓器。此外，開關管的工作頻率為幾十千赫茲以上，濾波電容器、電感器的容量值較小。因此，開關電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點。又由于效率高，損耗小，機內溫升低，提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性。而且，其對電網(wǎng)的適應能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)的波動范圍為士，而一般開關電源在電網(wǎng)電壓在范圍內變化時，都可以獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓。開關電源技術在二十世紀八十年代引入我國，由于在體積、重量、效率和可靠性等多方面的優(yōu)勢，目

11、前在計算機、通信、雷達、家用電器、自動化設備等眾多領域中己完全取代了傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調整穩(wěn)壓電源。開關電源技術屬于電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變換后的電能可以滿足各種用電要求，由于其高效、節(jié)能可帶來巨大的經(jīng)濟效益，因此己引起社會各方面的重視。目前，國內開關電源自主研發(fā)及生產廠家大約有家，形成規(guī)模的約有家，如愛默生電源、朝陽電源、匯眾電源等【】。近幾年，隨著新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術、新控制理論及新的軟件不斷地出現(xiàn)并應用到開關電源上，國內外開關電源技術己經(jīng)有了長足的進展。綜合起來，開關電源的技術追求和技術發(fā)展可以概括為以下幾個方面：高頻化：開關電源的體積、重量主要

12、是由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關電源的小型化實質上就是盡可能減小其中儲能元件的體積。在一定范圍內，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是開關電源的主要發(fā)展方向。軟開關技術：為提高變換器的變換效率，各種軟開關技術應運而生，具有代表性的是無源開關技術和有源開關技術，主要包括（零電壓開關零電流開關）諧振、準諧振、（零電壓零電流脈沖脈寬調制技術）以及無源無損軟開關技術、有源軟開關技術等【】。采用軟開關技術可以有效的降低開關損耗和開關應力，有助于變換器變換效率的提高，而效率的提高降低了整機的溫升，增加了開關電源的可靠

13、性。功率因數(shù)校正技術（）：目前技術主要分為有源技術和無源技術兩大類。采用技術可以提高變換的輸入功率因數(shù)，減武漢理工大學碩士學位論文少開關電源對電網(wǎng)的諧波污染。計算機輔助設計（）和智能化：采用計算機輔助設計和仿真技術設計最新變換拓樸和最佳參數(shù)，使開關電源具有最簡結構和最佳工況。在電路中引入微機檢測和控制，可構成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時檢側、記錄并自動報警等。另外，新的磁性材料及變壓器技術的研究也是開關電源技術發(fā)展的重要方向之一。面對開關電源效率更高、體積更小、重量更輕的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的隔離交壓器在效率、體積、重量等方面嚴重制約了開關電源的進一步發(fā)展。同時由于變壓器涉及到的主要參數(shù)有電壓、電流、頻

14、率、變比、溫度、磁芯值、漏抗、損耗、外形尺寸等，所以一直無法像其它電子元器件那樣有現(xiàn)成的變壓器可供選用，常常要經(jīng)過繁瑣的計算來選用磁芯和繞組導線，而且繞組繞制對變壓器的性能也有較大影響，加之變壓器的許多重要參數(shù)不易測量，給使用帶來一定的盲目性，很難在頻率響應、漏抗、體積和散熱等方面達到滿意效果。平板變壓器（）技術則在隔離變壓器的許多方面實現(xiàn)了重要的突破。平板變壓器采用低高度的磁芯配合特殊的繞組繞制方式，變壓器的應用設計靈活，讓電路的結構的選擇更具有彈性，效能更高，給開關電源技術帶來了新的進步。目前，國外的許多電源產品中都開始采用平板變壓器技術，如蓄電池充電電源、通信設備分布式電源、等。而國內的

15、隔離開關變壓器在材料、工藝等方面與國外先進國家有一定差距，阻礙了開關電源開關高頻的提升和效率提高，使開關電源產品停留在一個較低的水平。平板變壓器技術將會為高頻開關電源的設計和產品化提供有益的幫助。功率因數(shù)校正技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀隨著電力電子技術的發(fā)展，大量電子設備，如計算機、打印機、電視機、電子整流器、燈光調節(jié)器等投入使用，使得諧波電流迅速加大，大大降低了電網(wǎng)的供電質量，給用電設備的安全穩(wěn)定運行帶來了威脅。過多的諧波電流電流成分將會產生一下幾個方面的危害：使在電網(wǎng)傳輸線上流過大量無功電流，產生過多的電能傳輸損耗。使三相四線供電系統(tǒng)中的零線電流增大，容易導致零線過載。武漢理工大學碩士學位論文引起

16、電壓失真，使接在同一電網(wǎng)的電機過熱，降低其有效輸出功率。對接在同一電網(wǎng)中的電子設備，尤其是通訊設備，產生電磁干擾。可能在供電系統(tǒng)中引起其它危害，如使電網(wǎng)電壓產生波動，進而對接在同一網(wǎng)絡的照明設備的亮度產生變化，這種燈光的閃爍對人的健康特別有害。這種低功率因數(shù)用電設備對電網(wǎng)產生的不利影響引起了國際社會的普遍重視，促使國際標準化組織開始制訂新的電氣和電子產品的標準，對電力電子裝置進行了嚴格的諧波限制，規(guī)范和凈化交流電網(wǎng)。這些標準中最著名的就是老版本的系列標準，近幾年，系列標準又經(jīng)過修訂作為系列標準出版【。率先實施電磁兼容性強制性認證的歐盟已將其納入必須符合的標準范圍。我國也在年由國家技術監(jiān)督局頒布

17、了電能質量公用電網(wǎng)諧波標準（）【。電力電子產品的廣泛使用，對電網(wǎng)造成了嚴重的諧波污染。這使得功率因數(shù)校正（）技術成為電力電子研究的一個熱點。功率因數(shù)校正的目的，就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)接近為。如何消除和抑制對公共電網(wǎng)的污染，提高功率因數(shù)，己成為當今世界的重要研究課題。從技術的發(fā)展歷程來看，人們最早是采用電感器和電容器構成的無源網(wǎng)絡進行功率因數(shù)校正。采用這種技術所需的濾波電容器和濾波電感器的體積和重量較大，因此電路往往較笨重，并且對于輸入電流波形中的諧波電流的抑制效果并不理想。早期的有源功率因數(shù)校正電路是晶閘管電路。七十年代以后，隨著功率半導體器件的發(fā)展，開

18、關變換技術突飛猛進。到八十年代，現(xiàn)代有源技術應運而生。由于變換器工作在高頻開關狀態(tài)，這種有源功率因數(shù)校正技術具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)可接近等優(yōu)點。這一時期是有源功率因數(shù)校正技術發(fā)展的初級階段，其間提出的一些基本技術是有源功率因數(shù)校正技術的基礎。可以說，年代是基于變換器的功率因數(shù)校正的年代。當時的研究工作主要集中在工作于連續(xù)導電模式（）下的變換器上，其控制方式一般是基于乘法器（）原理，這種模式下可以獲得很大的功率轉換能量，但這種方式的控制電路復雜，對于以下的中、小功率容量場合并不適合。八十年代末提出了工作在不連續(xù)導電模式（）嘲下的功率因數(shù)校正技術，其輸入電流自動跟隨輸入電壓，輸入功率

19、因數(shù)可按近武漢理工大學碩士學位論文。這種變換器也叫電壓跟隨器（）】，其控制簡單，在小功率場合倍受青睞。九十年代以來，有源功率因數(shù)校正技術取得了長足的發(fā)展，有關論文不斷出現(xiàn)，特別是年以前的（電力電子專家會議論文集）上有關功率因數(shù)校正技術的報道很少，自年起，設立了單相功率因數(shù)校正技術專題，這被看作是單相有源功率因數(shù)校正技術發(fā)展的里程碑，從此，不斷有新穎的功率因數(shù)校正原理、拓撲結構及控制方法的出現(xiàn)，特別是提出了一些功率因數(shù)校正的軟開關技術（主要有零電流開關（）和零電壓開關（）兩種軟開關技術們）、三電平（）技術、磁放大技術等新穎的功率因數(shù)校正技術田】。經(jīng)過這一發(fā)展歷程，有源功率因數(shù)校正技術已經(jīng)具備了高

20、性能、低成本的特征，獲得了廣泛應用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，單相功率因數(shù)校正技術被研究得比較多，在電路拓撲和控制方面都相當成熟，在今后的研究過程中，尋求更加簡單的控制策略、降低的成本、減小和、降低器件開關應力、提高整機效率是今后功率因數(shù)校正變換器的發(fā)展趨勢舊。而適合中高功率等級的三相功率因數(shù)校正電路在由于應用極為廣泛，工作機理比較復雜而成為近年來研究的熱點。單相技術的成熟對三相的研究有很大的借鑒意義。隨著技術的研究的不斷深入，近年來提出了很多三相拓撲及控制策略。與單相功率因數(shù)校正整流裝置相比，三相整流裝置具有許多優(yōu)點：輸入功率高，功率額定值可達幾千瓦以上；雖然每相輸入功率包含工頻的交變分量，但

21、在三相平衡裝置中，三相輸入功率脈動部分的總和為零，輸入功率是一恒定值；這樣，輸出電容上無工頻紋波，可以使用容量較小的輸出電容，可以實現(xiàn)更快的輸出電壓動態(tài)響應調節(jié)。不過，三相整流電路遇到的一個很大的難題就是三相之間的藕合。在單相不控整流電路中，如果負載等效為一個電阻，則輸入功率因數(shù)為，但在三相不控整流電路中，即使負載等效為一個電阻，也不能獲得滿意的功率因數(shù)，原因在于三相不控整流電路中三相電壓通過的不控整流橋互相耦合，不可能同時兼顧三相輸入電流，使任何相輸入電流都不能獨立控制為正弦波形。為使三相輸入電流都為正弦波形，必須對三相輸入電壓進行解耦。近年來三相技術的研究主要集中在以下幾個方面【】：新穎的

22、三相電路拓撲結構的研究。三電平、交錯并聯(lián)等技術以減小輸入諧波和濾波器的研究。軟開關技術在三相電路中的應用研究。三相單級電路的研究?？刂撇呗浴Ｄ壳?，國內外在三相技術上，特別是有源三相方面做了大量的工作，提出了一系列的控制策略和拓撲結構，如文獻、中提出的諧波注入法；文獻、中提出的新穎的拓撲結構及滯后控制技術；以及文獻、中提出的采用數(shù)字控制等?？梢哉f國外在這一領域的研究活動相當活躍，相比而言，國內三相技術的研究稍晚，起步于年代中期，但發(fā)展迅速，已取得了不小的研究成果。論文的研究內容要完成的設計任務本論文選題源于珠海某公司的實際合作項目，為該公司研發(fā)一款主要應用于電動車蓄電池充電的高頻大功率充電電源，

23、本課題設計的實際技術指標如下：三相四線制交流輸入，單相輸入電壓，輸入頻率，且要求采用三相有源功率因數(shù)校正器，減少諧波污染；滿負載輸出額定功率限定在；輸入功率因數(shù)高于；在滿載和額定輸入電壓的條件下，測得的諧波失真應小于；在正常的輸入電壓和負載條件下，當輸出電壓大于負載大于額定值時，效率大于或；輸出電壓一對應外控基準一，且連續(xù)可調，以便給，蓄電池充電使用；輸出電流對應外控電流基準一，且連續(xù)可調。論文研究的基本思路采用的技術解決方案關鍵點如下所述：分兩級設計，前級三相有源采用組合式拓撲結構；后級變換器采用全橋拓撲結構，控制技術；變壓器采用新型的矩陣式平板變壓器，通過矩陣式磁耦合原理實現(xiàn)三個單相的單一

24、直流輸出。整體設計框圖如圖所示。圖論文選題的整體設計方案框圖論文章節(jié)安排具體章節(jié)安排如下：第一章：介紹論文選題的背景及來源，高頻開關電源技術的發(fā)展過程，以后的發(fā)展方向；介紹功率因數(shù)校正技術的發(fā)展歷程：三相功率因數(shù)校正技術的發(fā)展現(xiàn)狀及研究熱點；本文設計所要完成的任務及論文內容安排。第二章：介紹常用的高頻開關直流變換器的拓撲結構和優(yōu)缺點；分析全橋式變換器的工作原理；介紹開關變換器的控制方式及控制器的基本工作原理。第三章：選擇主電路拓撲結構；介紹矩陣平板變壓器的技術優(yōu)勢；分析矩陣平板變壓器的設計原理及實際應用中的優(yōu)化設計；設計分析三相輸入的矩陣式高頻開關變換器的電路原理；進行矩陣變壓器的參數(shù)設計及控

25、制電路的實際電路設計。第四章：介紹功率因數(shù)校正技術的基本分類、拓撲結構和控制方法；分析單相升壓型功率因數(shù)校正器的工作原理；介紹三相功率因數(shù)校正器的主要拓撲結構，提出本文所設計的新穎電路拓撲結構；進行主電路和控制電路的實際應用電路及主要參數(shù)設計。第五章：樣機測試結果及結論分析。第章高頻開關變換器的原理分析高頻開關變換器的基本原理硬開關變換器的基本手段把直流電壓轉換成另一種直流電壓最簡單的辦法是串一個電阻，這樣不涉及變頻的問題，顯的很簡單，但是效率低。用一個半導體功率器件作為開關，使帶有濾波器（或和）的負載線路與直流電壓一會相接，一會斷開，則負載上也得到另一個直流電壓。這就是的基本手段，類似于“斬

26、波（）”作用【。一個周期內，電子開關接通時間乙所占整個周期的比例，稱作接通占空比，乙，很明顯，接通占空比越大，負載上電壓越高；正稱作開關頻率，則疋高，負載上電壓也越高。這中變換器中的開關都在某一固定的頻率下工作，這種保持開關頻率恒定但改變接通時間長短（即脈沖的寬度），使負載變化時，負載上電壓變化不大的方法，稱脈寬調制法（）。由于電子開關按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過的電流、兩端所加的電壓無關，因此，電子開關稱為硬開關。很明顯，由于硬開關開斷和接通時，開關上同時存在電壓、電流，損耗是比較大的，但無論如何比串電阻變換方法小得多。硬開關變換器，從輸入與輸出之間是否由變壓器隔離，可分為兩類，即基

27、本變換器和帶變壓器的隔離型變換器，變換器的主要功能是變壓，至于隔離與否，則要看實際應用的需要。基本變換器的拓撲結構主要有，和這六種。帶隔離變壓器的交換器的拓撲結構是從基本變換器的拓撲結構演變而來的，按工作方式可分為：單端反激、單端正激、推挽式、半橋式和全橋式【】。帶隔離變壓器的變換器基本的變換器雖然可以完成直流電壓的轉換，但是它們實際上存在著轉換功能上的局限性，例如，輸入輸出不隔離，輸入輸出電壓比或電流比不能過大以及無法實現(xiàn)多路輸出等。但是通過采用隔離變壓器可以很好的解決這些功能上不足的問題，在實際應用中這種帶隔離變壓器的變換器的應用范圍比基本變換器更加廣泛。由于帶隔離變壓器的變換器是從基本變

28、換器派生、組合、演變而來的，它們從哪個基本變換器變來，就帶有哪個基本變換器的本質特征（如電壓增益等）。在本次設計中由于要求的輸出電壓最高只有，所以采用帶隔離變壓器的變換器，其相對應的基本變換器采用型。帶有隔離變壓器的變換器的基本結構可以分為：單端式、推挽式、半橋式和全橋式。其電路原理圖如圖到所示。單端式隔離型變換器如圖（）（）所示，單端隔離型變換器有兩種電路形式，即反激型和正激型。其工作原理如下：單端反激型變換器圖（）所示為單端反激型變換器的主回路，當功率晶體管導通時，高頻變壓器的原邊電壓等于輸入電源電壓，其極性為上正下負。與之對應的高頻變壓器副邊電壓為上負下正，此時整流二極管承受的是反向偏置

29、電壓，故不導通。負載上的電流是靠輸出電容。的放電電流來提供，此時，高頻變壓器將電能變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋恚诰w管受控截止時，高頻變壓器原、副邊電壓極性改變。整流二極管（和反相型開關電源中的續(xù)流二極管相對應）由反偏變?yōu)檎珜ǎ哳l變壓器就將原先儲存的磁能變?yōu)殡娔?，通過整流二極管向負載供電和向輸出電容充電。此電路的整流二極管是在功率晶體管截止時才導通的，故稱此電路為反激型電路。二?。ǎ﹩味朔醇ぷ儞Q電路武漢理工大學碩士學位論文（）單端正激變換電路圖單端式變換器電路單端正激型變換器圖（）所示為單端正激型變換器的主回路。當功率晶體管導通時，整流二極管也同時導通。輸入電能通過整流二極管傳遞給負載，同時將部

30、分能量儲存在輸出回路（即高頻變壓器副邊回路）中的儲能電感中，故這種開關電源稱為單端正激型開關電源。當功率晶體管截止時，電感中的儲能流經(jīng)負載并通過二極管續(xù)流釋放。單端式隔離變換器其線路簡單這一優(yōu)點突出，所以被廣泛應用于輸出為低、中級功率的變換器電路中。但它也有一些缺點，例如它的輸入電流是脈動的，幅度由的占空比和的平均值決定的，所以，常需要用一種低通濾波輸入裝置來平滑這些電流脈動。當開關不導通時，其上的電壓等于源電壓加上從變壓器副邊折算到原邊的電壓。在許多場合，開關的開路電壓比倍源電壓還要高。同時，它的閉路峰值電流可大于倍的平均輸入電流。而且，這種單端變壓隔離電路存在一個磁復位的問題。基于這些原因

31、，目前這種單端變壓隔離電路的使用受開關器件的容量限制，一般輸出功率在瓦以下，不適合本次所設計的高頻大功率的技術要求。推挽式隔離型變換器一！；瓿多；、圖推挽式變換器電路武漢理工大學碩士學位論文對于圖所示的推挽式變換器，和采用兩個幅值相等、脈寬可調、相位相差。的驅動脈沖來驅動，和交替導通，通過變壓器把能量傳輸?shù)截撦d端，由于其輸出回路和輸入回路不共地，所以可以利用變壓器的多個次級繞組實現(xiàn)多路輸出，主輸出可調節(jié)適應輸入和負載的變化，且只要輸出電感工作在連續(xù)狀態(tài)，從輸出也同樣可以調節(jié)適應輸入電壓的變化，對輸出可保持在約的穩(wěn)定范圍內。正因為推挽變換器具備這些優(yōu)點，其廣泛應用于開關電源領域，至今仍在應用。但

32、是這種變換器在一般情況下運行良好，當輸出功率大幅增加時，會出現(xiàn)變壓器磁通不平衡，導致開關功率管燒壞的問題。雖然電源領域的技術工作者采取了一系列措施來解決這一問題，如在磁心加氣隙、增加初級繞組電阻、匹配功率開關管、使用電流模式拓撲等，但是從成本和元件數(shù)量的角度來看，這些方法或多或少的存在一些缺點。另外，除了磁通不平衡的問題外，推挽變換器的輸出功率也會受到一些限制。由于變壓器漏感的緣故，在任一開關管關斷的瞬間，其兩端承受的電壓應力至少有兩倍的直流電源電壓，因此在選擇開關功率管時，考慮一定程度的安全裕量的前提下，一般應選擇能夠承受約倍的直流電源電壓的開關管，再加上相應的初級電流有效值的限制，使得開關

33、管的選擇很難同時滿足幅值電流和電壓應力的要求，而且具有足夠高電壓和電流定額且具有足夠低導通壓降的高速開關管成本太高，因此，受到上述等等條件的限制，推挽變換器的最大功率約為，不適合本次所設計的高頻大功率的技術要求。半橋式隔離型變換器”圖半橋式變換器電路對于圖所示的半橋式變換電路中，和交替地導通，當導通時，關斷，然后反之，其工作過程和推挽式變換器相似。在半橋變換器中，任何一個斷開的開關管其兩端的電壓等于源電壓一。而流過任何一個導通的開關的峰值電流是平均源電流（與圖和圖同等功率輸出相比）的兩倍。因為開關管的穩(wěn)態(tài)關斷電壓比圖的減少一半，所以這種拓撲結構較廣泛應用于直接電網(wǎng)的離線式變換器。在半橋式的電路

34、中，對開關器件的耐壓等級要求不是很高，但對開關器件的電流等級要求較高，也有磁復位問題”。因此，對于小功率（以下）使用比較多。全橋式隔離型變換器”圖全橋式變換器電路圖所示的全橋式電路中，斜對角的兩個開關管（和或者和）同時導通，兩組開關管交替導通半個周期，若忽略開關管的導通壓降，則施加在變壓器的初級電壓幅值為的方波電壓，而非半橋變換器中的，但其開關管承受的關斷電壓卻與半橋變換器相同，都等于最大直流輸入電壓，且流過開關管的峰值電流均等于平均源電流。因為全橋式隔離變換器開關管承受最小的開關電壓和最小的電流強度，開關器件的安全工作區(qū)最大，所以這種方案常用在大功率的變換器中。在本文所設計的系統(tǒng)中就采用全橋

35、變換器，下面將著重介紹。全橋隔離型變換器的穩(wěn)態(tài)分析一般情況下，變換器都需要變壓器進行隔離，即所謂的離線開關變換器。如上一節(jié)所述，變壓隔離器有單端式、推挽式、半橋式和全橋式四種。在高輸出電壓又要提高輸出功率時，就適合使用全橋式電路。當開關在關斷狀態(tài)時，功率管所承受的電壓將減少，而且，內在電路寄生元件引起的附加峰值電壓經(jīng)合理布線設計也可以忽略。全橋直流變換器由全橋逆變器、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成，也屬于直流一交流一直流變換器?；镜娜珮蜃儞Q電路根據(jù)供電方式的不同（輸入端所連接的儲能元件可以是電容或電感），又分為電壓型和電流型兩大類。其中電壓型全橋變換器應用更為廣泛。簡單的實際應用電路圖如圖

36、所示。制驊圖全橋變換器主電路簡圖如圖所示全橋變換電路，當其采用工作方式時，輸入直流電壓分別施加在四個開關管（、和）和四個二極管（、，、，和）構成的兩個橋臂上，只有當對角線上的兩只開關管同時導通時，即和幺或則和同時導通時，功率才能通過變壓器傳送到負載側。若考慮所有元器件為理想情況下，通過控制四只開關管的通斷順序及通斷時間，在變壓器的原邊將得到按某一占空比變化的正負半周對稱的交流方波電壓。（如圖所示）。如果變壓器的變比為，則變壓器次邊將產生幅值為。的交流方波電壓，經(jīng)過二極管、組成的全波整流電路和電感三。、電容組成的低通濾波電路最終就可得到所要求的平滑直流輸出電壓，其電壓值為（），通過調節(jié)占空比來調

37、整輸出電壓圪。開頻率，基橛驅動，掣臻鋤動韌霸電壓圖全橋變換器的工作波形相對半橋變換器而言，在開關管承受相同的峰值電流和電壓的條件下，全橋變換器輸出功率是半橋變換器的兩倍，當然，由于全橋變換器的變壓器初級承受相當于半橋變換器的變壓器初級兩倍的輸入電壓，所以其初級繞組的匝數(shù)只有半橋的一半。但當輸出功率和輸入直流電壓相同時，全橋變換器的初級電流峰值和有效值只有半橋變換器的一半。全橋變換電路拓撲是目前國內外多管變換電路中最常用的電路拓撲之一，在中大功率應用場合更是首選拓撲，這主要是考慮它具有功率開關器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點。高頻開關變換器的控制策略開關電源的控制方式基本

38、上都采用時間比率控制（汜）方式，即給開關管提供時間、比率可調的驅動脈沖，以達到穩(wěn)定的輸出電壓的目的。這種方式又大致分為三大類：脈沖寬度調制、脈沖頻率調制、脈沖寬度頻率調制【”。、脈沖寬度調制（簡稱）方式。其基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控信號（即輸出電壓反饋信號）與基準信號的差值進行比較，形成閉環(huán)反饋來調節(jié)主電路開關管的導通時間，即導通脈沖的寬度，進而達到輸出穩(wěn)定的預期電壓的目的。反饋控制模式主要有五種：電壓模式控制；峰值電流模式控制；平均電流模式控制；滯環(huán)電流模式控制；相加模式控制武漢理工大學碩士學位論文。、脈沖頻率調（即）方式，相對控制而言，控制

39、方式下開關管的導通時間乙一定，通過改變其截至時間，改變脈沖的頻率從而改變脈沖占空比來控制輸出電壓穩(wěn)定的。、混合調制方式，即前二者兼而有之的方式，既控制脈沖寬度，又改變脈沖頻率，用綜合技術來改變脈沖占空比和脈沖周期來控制輸出電壓的穩(wěn)定。兼有和的優(yōu)點，但目前市場上沒有具有功能的單片集成芯片出售從而限制它的應用。目前，以脈沖調制應用最多，在本設計中就是采用控制方式。常用的脈寬調制（）器原理如圖所示?；鶞孰妷海ǎ┖筒蓸臃答佇盘柾ㄟ^誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號和鋸齒波（或三角波）比較，從而改變輸出脈沖的寬度，以實現(xiàn)穩(wěn)壓。有些控制器僅有一個輸出端，而多數(shù)控制器都設有用觸發(fā)器和“與”門電路組成的相位

40、分離器，用它來將單一脈沖變換為交替變化的二路脈沖輸出，用于供驅動推挽和橋式變換器中的功率開關管，此時變換器的工作頻率等于控制器內部鋸齒波振蕩器振蕩頻率的一半。當然也可將控制器的兩路輸出并聯(lián)起來去驅動單端變換器或串聯(lián)調整型開關穩(wěn)壓電源中的功率開關管，此時開關穩(wěn)壓電源的工作頻率就等于控制器內部鋸齒波振蕩器的頻率。廠一廠圖脈寬調制器的基本原理圖亂一武漢理工大學碩士學位論文第章矩陣式高頻變換器的設計。變換器拓撲結構通過上一章的介紹，我們知道隔離型的變換器主要有單端反激變換器、單端正激變換器、推挽式變換器、半橋式變換器、全橋式變換器，其中全橋式隔離變換器開關管承受最小的開關電壓和最小的開關電流，根據(jù)產品

41、實際，本文所設計的技術要求：輸出功率，輸出電壓達，輸出電流達。我們選用全橋隔離式變換器。全橋隔離式變換器的主要優(yōu)點：、主變壓器只需要一個原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊繞組采用全橋全波整流輸出。因此，變壓器鐵芯和繞組最佳利用，使效率、功率密度得到提高。、功率開關在非常安全的情況下運作。在一般情況下，最大的反向電壓不會超過電源電壓，四個能量恢復（再生）二極管能消除一部分由漏感產生的瞬時電壓。這樣，無需設置能量恢復繞組，反激能量便得到恢復利用。缺點有：、需要功率元件較多，在導通回路上，至少有兩個管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器大一倍。但是在高壓離線開關系統(tǒng)中，這些損耗

42、還是可以接受的。另外，能量恢復（再生）方式，由于四個二極管，因此，損耗略有增加。、值得注意的是，全橋變換器易發(fā)生橋臂直流短路及變壓器原邊偏磁飽和，其可靠性難以保證。但是，這種缺點我們將采取一定的措施進行避免。矩陣式高頻變壓器的設計矩陣平板變壓器的概述在開關電源領域內，變壓器技術的研究一直是科學工作者追逐的熱點、難武漢理工大學碩士學位論文點。雖然在電源領域引入了高頻變換技術以后，可以甩掉體積龐大的工頻變壓器，但還是需要使用鐵氧體磁芯的高頻變壓器，這種變壓器雖然體積相對工頻變壓器小了很多，但仍然很大，離所理想的效果相差甚遠。另外，高頻化的結果，功率轉換的效率差，電磁干擾的問題也隨之而來；在大電流輸

43、出的情況下，輸出整流二極管的體積經(jīng)常太大而必須采用多個小定額的二極管并聯(lián)使用，其可靠度大大降低，等等這些問題是我們在設計中必須面對的。針對設計要求，本論文提出了一種結構性改變的變壓器矩陣平板變壓器【姍，這種變壓器完全改變了傳統(tǒng)變壓器的結構，外形方正，方便安裝而且可以節(jié)省模塊機箱內的空間。之所以稱之為矩陣平板變壓器，是因為在實際設計及應用中，采用磁環(huán)作為磁芯元件，每個磁環(huán)為一個變壓器單元，當然，一個小磁環(huán)所能儲存的能量是有限的，要實現(xiàn)本設計所需要的功率容量，必須采用多個磁環(huán)，即由個變壓器單元組合在一起，形成一個矩陣式排列的變壓器，把它進行工藝加工就可以做成扁平狀的矩陣平板變壓器。除了結構上的改變

44、外，矩陣平板變壓器和傳統(tǒng)的變壓器比較，有很多優(yōu)點：（）矩陣平板變壓器原邊繞組一般只有一匝或者幾匝，副邊繞組則只有一匝，原、副邊繞組耦合緊密，因此漏感很小，應用在高頻開關電源模塊中不僅損耗小，而且能夠降低電路中其它元器件的承受的應力。（）由于矩陣平板變壓器一般副邊繞組有多個并聯(lián)的繞組線圈，每一個并聯(lián)的繞組都和同一個原邊繞組耦合，所以，在忽略勵磁電流的條件下，副邊繞組電流產生的安匝數(shù)和原邊繞組產生的安匝數(shù)相等，繞組電流分配均等，在并聯(lián)整流電路中不需要外加均流電阻或其它元件。實現(xiàn)自動分流，讓二極管的負擔降低，適合于大電流輸出。（）矩陣平板變壓器可以采用金屬外殼封裝，這樣就能直接緊貼固定在底板上，而且

45、它有相對小的體積但是較大的表面積，所以散熱性能好。這種變壓器由很多個小的單元組成，所以也不存在變壓器局部過熱的問題。（）因為矩陣平板變壓器能夠改善散熱問題，采用的磁元件比較小，能夠和其它元件緊密連接在一起，因此能夠實現(xiàn)高功率密度。（）矩陣平板變壓器原邊繞組和副邊繞組的匝間傳導損耗很小，由于其漏感小，功率器件的損耗也減小，使它能夠達到很高的效率。（）整個矩陣平板變壓器采用比較常見的廉價器件組成，組裝方便，和其它部件武漢理工大學碩士學位論文的連接緊密，連接應力減少。加上漏感比較小，其它功率器件的應力降低，可以選用低定額的器件，因此成本降低。除此之外，矩陣平板變壓器還有絕緣強度高，結構簡單等優(yōu)點。由上述特點可以看出，矩陣平板變壓器正好適合在本設計要求的大功率、高效率、低壓大電流高頻開關充電電源中應用。矩陣平板變壓器的組成和工作原理變壓器是變換交流電壓、電流以及傳遞能量的器件，一般由磁芯和兩個或兩個以上的線圈組成。如圖所示，為一個簡單的變壓器單元，其初級和次級側都只有一圈繞組，分別紅線和藍