LLC軟開關電源的研究報告

1、.PAGE 1分 類 號 無 機車雨刮器LLC軟開關電源的研究研 究 生 姓 名：皮松濤指導教師、職稱 ：文定都教授學 科 專 業(yè) ：電力電子與電力傳動研 究 方 向 ：現(xiàn)代電力電子技術及系統(tǒng)湖 南 工 業(yè) 大 學2017年3月14日分 類 號 無 機車雨刮器LLC軟開關電源的研究Reach On The LLC Soft Switching Power Supply For Lootive Wiper研 究 生 姓 名：皮松濤指導教師、職稱：文定都教授學 科 專 業(yè)：電力電子與電力傳動研 究 方 向：現(xiàn)代電力電子技術及系統(tǒng)論文辯論日期 辯論委員會主席湖 南 工 業(yè) 大 學2017年3月14日

2、工業(yè)大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進展研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要奉獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。作者簽名：日期： 年 月 日工業(yè)大學論文使用授權書本人了解工業(yè)大學有關保存、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保存學位論文，允許學位論文被查閱和借閱；學?？梢怨紝W位論文的全部或局部容，可以采用復印、縮印或其他手段保存學位論文；學?？筛鶕?jù)國家或省有關部門規(guī)定送交學位論文。作者簽名： 導師簽名：日期： 年

3、月 .1摘要隨著現(xiàn)代運輸業(yè)的開展以及鐵路電氣化的大量普及，電力機車的應用越來越廣泛。機車雨刮器是電力機車一個重要組成部件，直接影響司機前方的視野，目前雨刮器普遍存在故障率高、不穩(wěn)定的問題，將給機車運行造成平安隱患。本文所研究設計的DC110/DC24V軟開關電源應用于采用24V普通直流電機的機車雨刮器。傳統(tǒng)的機車雨刮器采用的電機是兩臺100W的110V非標準直流電機，所以雨刮器電機的本錢比較高。本文設計了一種24V/200W的LLC軟開關電源，適用于采用兩臺24V的普通電機的雨刮器，這樣極大的降低了雨刮器電機的本錢，具有極高的研究價值及意義。電源采用了LLC諧振軟開關的構造提高電源效率，輸出級

4、采用了同步整流技術，較之傳統(tǒng)的肖特基二極管SBD或快恢復二極管FRD整流，采用同步整流技術的開關電源的開關損耗極低，大大提高了整機的效率。同時，機車雨刮器的維護也是機車維護的重點，本文所設計的電源體積小易于實現(xiàn)模塊化，電源具有自我保護功能、平安系數(shù)高、安裝更換方便等優(yōu)點。文章對設計的雨刮器電源拓撲構造的原理進展了詳細分析，尤其對LLC諧振變換器主電路局部和驅(qū)動電路局部進展了優(yōu)化設計，對主要參數(shù)，如變壓器、諧振腔、采樣電路等參數(shù)進展了詳細的計算，從而使樣機各項參數(shù)到達最優(yōu)，應用Altium Designer Winter 09進展樣機原理圖和PCB的設計,然后調(diào)試樣機，最后對樣機進展波形測試，從

5、測試波形和數(shù)據(jù)可知，樣機開關損耗低，效率高，性能指標到達預期效果。結合以上的工作，本文設計的基于TEA1716的DC110/DC24V的200W軟開關電源，具有明顯的優(yōu)越性，有著良好的市場應用前景。關鍵詞：機車雨刮器，軟開關，LLC，同步整流，TEA1716AbstractWith the development of modern transportation industry and the popularization of railway electrication, the application of electric lootive is more and more e*tens

6、ive. Lootive wiper is an important ponent of electric lootive,it impact on the front of the driver,s vision.The current wiper generally have high failture rate、instability、low efficiency.The Power Supply is design in this thesis,which adapt to the lootive wiper,which use the DC24V motor.It has high

7、value and significance. The traditional rain wiper in lootive use two DC110V motor, so the cost is very high.We design a kind of Power Supply in order to adapt to the lootive wiper,which use two DC24V motor, so it greatly reduce the cost of rain wiper. The Power Supply in this thesis use the LLC Sof

8、t Switch and Synchronous Rectifier technology, so the efficiency of the Power Supply in this thesis is very high. At the same time, the maintenance of the lootive is also a key point of lootive maintenance. The Power Supply in this thesis use two ordinary DC24V motor ,it has self-protect function, s

9、o it has the advantage of simple the maintenance of the rain wiper.In this thesis, We analyzed the principle of the Power Supply which we designed,especially the structure of the LLC, We use the AD 09 designing the PCB, debugging the prototype,especially debugging the parameter of the LLC. Finally w

10、e test the waveform of the prototype.Most of the traditional DC/DC Power Supply use the diode rectifier,so it need a large radiator to dissipation the heat,the Power Supply in this thesis not use the LLC Soft Switch technology, but also use the Synchronous Rectification technology, pared with the tr

11、aditional Power Supply use diode rectifier,the Power Supply in this thesis has lower switch loss and has greatly efficiency.Based on the above work,a kind of 200W Power Supply which based on the chip of TEA1716 has designed.Through test and analysis it achieved the e*pected effect and has a good mar

12、ket prospect.Keyword: Soft Switching, LLC,Synchronous Rectification.1目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc478512354摘要 PAGEREF _Toc478512354 h IHYPERLINK l _Toc478512355Abstract PAGEREF _Toc478512355 h IIHYPERLINK l _Toc478512356目錄 PAGEREF _Toc478512356 h IVHYPERLINK l _Toc478512357第一章 緒論 PAGEREF _Toc4

13、78512357 h 1HYPERLINK l _Toc4785123581.1課題研究的背景及意義 PAGEREF _Toc478512358 h 1HYPERLINK l _Toc4785123591.2 機車雨刮器研究的現(xiàn)狀及開展趨勢 PAGEREF _Toc478512359 h 2HYPERLINK l _Toc4785123601.3 軟開關電源開展現(xiàn)狀和趨勢 PAGEREF _Toc478512360 h 2HYPERLINK l _Toc4785123611.3.1開關電源概述 PAGEREF _Toc478512361 h 2HYPERLINK l _Toc478512362

14、1.3.2 軟開關和硬開關的概念 PAGEREF _Toc478512362 h 4HYPERLINK l _Toc4785123631.3.3 軟開關開展的趨勢 PAGEREF _Toc478512363 h 5HYPERLINK l _Toc4785123641.4 同步整流技術 PAGEREF _Toc478512364 h 7HYPERLINK l _Toc4785123651.5本文的主要工作 PAGEREF _Toc478512365 h 9HYPERLINK l _Toc478512366第二章 系統(tǒng)總體方案與原理 PAGEREF _Toc478512366 h 11HYPERL

15、INK l _Toc4785123672.1 系統(tǒng)總體方案 PAGEREF _Toc478512367 h 11HYPERLINK l _Toc4785123682.2 BOOST升壓模塊拓撲構造和原理分析 PAGEREF _Toc478512368 h 12HYPERLINK l _Toc4785123692.3軟開關變換器模塊拓撲構造和原理分析 PAGEREF _Toc478512369 h 13HYPERLINK l _Toc4785123702.3.1 DC/DC軟開關變換器的幾種常用構造 PAGEREF _Toc478512370 h 13HYPERLINK l _Toc478512

16、3712.3.2 LLC諧振變換器 PAGEREF _Toc478512371 h 16HYPERLINK l _Toc4785123722.4 SR同步整流原理分析 PAGEREF _Toc478512372 h 18HYPERLINK l _Toc4785123732.4.1 SR同步整流降低整流損耗的原理 PAGEREF _Toc478512373 h 18HYPERLINK l _Toc4785123742.4.2 全波SR同步整流原理 PAGEREF _Toc478512374 h 19HYPERLINK l _Toc4785123752.5 本章小結 PAGEREF _Toc478

17、512375 h 20HYPERLINK l _Toc478512376第三章 LLC電源系統(tǒng)分析與設計 PAGEREF _Toc478512376 h 21HYPERLINK l _Toc4785123773.1前級BOOST電路設計 PAGEREF _Toc478512377 h 21HYPERLINK l _Toc4785123783.2功率級LLC變換器分析設計 PAGEREF _Toc478512378 h 22HYPERLINK l _Toc4785123793.2.1 串聯(lián)LLC的電路構造 PAGEREF _Toc478512379 h 22HYPERLINK l _Toc478

18、5123803.2.2 串聯(lián)LLC諧振腔等效模型的增益分析 PAGEREF _Toc478512380 h 23HYPERLINK l _Toc4785123813.2.3串聯(lián)LLC軟開關的頻率特性分析 PAGEREF _Toc478512381 h 25HYPERLINK l _Toc4785123823.2.4 串聯(lián)LLC諧振腔參數(shù)設計的相關因素 PAGEREF _Toc478512382 h 32HYPERLINK l _Toc4785123833.3 LLC磁元件設計 PAGEREF _Toc478512383 h 33HYPERLINK l _Toc4785123843.3.1 串聯(lián)

19、LLC變壓器設計 PAGEREF _Toc478512384 h 33HYPERLINK l _Toc4785123853.3.2 諧振電感器Lr和諧振電容Cr參數(shù)設計 PAGEREF _Toc478512385 h 35HYPERLINK l _Toc4785123863.3.3 前級BOOST電感設計 PAGEREF _Toc478512386 h 36HYPERLINK l _Toc4785123873.3.4 磁元件繞制工藝和損耗分析 PAGEREF _Toc478512387 h 37HYPERLINK l _Toc4785123883.4 LLC諧振腔參數(shù)仿真分析 PAGEREF

20、_Toc478512388 h 39HYPERLINK l _Toc4785123893.5 LLC輸出級的同步整流電路設計 PAGEREF _Toc478512389 h 41HYPERLINK l _Toc4785123903.5.1 LLC兩種自驅(qū)型同步整流的缺點分析 PAGEREF _Toc478512390 h 41HYPERLINK l _Toc4785123913.5.2 基于TEA1995的它驅(qū)型同步整流器的設計 PAGEREF _Toc478512391 h 42HYPERLINK l _Toc4785123923.6 電源電路總體構造方案 PAGEREF _Toc47851

21、2392 h 43HYPERLINK l _Toc4785123933.7 本章小結 PAGEREF _Toc478512393 h 43HYPERLINK l _Toc478512394第四章 系統(tǒng)硬件設計與樣機測試 PAGEREF _Toc478512394 h 44HYPERLINK l _Toc4785123954.1 輔助電源設計 PAGEREF _Toc478512395 h 44HYPERLINK l _Toc4785123964.2 樣機整機原理圖設計和介紹 PAGEREF _Toc478512396 h 45HYPERLINK l _Toc4785123974.3 樣機PCB

22、和實物介紹 PAGEREF _Toc478512397 h 47HYPERLINK l _Toc4785123984.4 樣機測試波形分析 PAGEREF _Toc478512398 h 49HYPERLINK l _Toc4785123994.4.1 BOOST電路測試波形分析 PAGEREF _Toc478512399 h 49HYPERLINK l _Toc4785124004.4.2 LLC變換器波形分析 PAGEREF _Toc478512400 h 50HYPERLINK l _Toc4785124014.4.3 同步整流電路波形分析 PAGEREF _Toc478512401 h

23、 55HYPERLINK l _Toc4785124024.4.4 樣機效率測試 PAGEREF _Toc478512402 h 56HYPERLINK l _Toc4785124034.5 本章小結 PAGEREF _Toc478512403 h 57HYPERLINK l _Toc478512404第五章 總結與展望 PAGEREF _Toc478512404 h 58HYPERLINK l _Toc4785124055.1 總結 PAGEREF _Toc478512405 h 58HYPERLINK l _Toc4785124065.2 展望 PAGEREF _Toc478512406

24、h 58HYPERLINK l _Toc478512407參考文獻PAGEREF _Toc478512407 h 59HYPERLINK l _Toc478512408附圖1 電源整機原理圖 PAGEREF _Toc478512408 h 63HYPERLINK l _Toc478512409附圖2 電源PCB圖 PAGEREF _Toc478512409 h 64HYPERLINK l _Toc478512410附圖3 樣機實物圖 PAGEREF _Toc478512410 h 65HYPERLINK l _Toc478512411攻讀學位期間主要的研究成果 PAGEREF _Toc4785

25、12411 h 66HYPERLINK l _Toc478512412致 PAGEREF _Toc478512412 h 67.1第一章 緒論1.1課題研究的背景及意義我國人口眾多鐵路運輸是最主要的出行方式，由于我國特殊國情，外出務工人員流動性大，物資周轉(zhuǎn)頻繁，鐵路運輸已成為我國交通運輸體系的重要組成局部，在國民經(jīng)濟中占有重要地位1-3。我國最早的鐵路始于清朝末期，牽引機車4的制造則是在新中國成立之后，最開場牽引機車是仿制國外引進的蒸汽機車，但由于蒸汽機車存在牽引動力缺乏的缺點，后來逐漸被燃機車取代，直到1958年我國第一臺燃機車問世，由機車廠仿制前聯(lián)的T3型燃機車成功，這就是我國的“巨龍?zhí)枡C

26、車。燃機車經(jīng)過不斷改進，以后又出現(xiàn)了“紅型、“型以及時速達120公里/小時的“東風4型燃機車。由于燃機運行需要消耗燃料，會產(chǎn)生大量的廢氣，給環(huán)境造成嚴重的空氣污染，不僅給本來燃油缺乏的國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟壓力，而且也給環(huán)境造成極大的破壞，不符合我國可持續(xù)開展的國情，于是電力機車在我國得到蓬勃開展。電力機車所需的電能由電氣化鐵路系統(tǒng)提供，是一種非自帶能源的機車。電力機車與燃機車相比具有功率大、過載能力強、牽引力大、速度快和維修量少的優(yōu)點。電力機車是鐵路運輸?shù)膭恿χ?，依靠電能使其運行的機車，我國電氣化鐵道采用單相25kV供電系統(tǒng)，電力機車通過車頂?shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)獲得電能。1958年我國成功研制了第

27、一輛“韶山型電力機車，經(jīng)過近60年的開展，目前的電機機車具有平安可靠，快捷方便，運量大，環(huán)保低碳等諸多優(yōu)點，最具代表性的諸如“和諧號電力機車已經(jīng)在我國鐵路得到普遍應用。電機機車與傳統(tǒng)的燃機相比具有顯著的優(yōu)勢，但也有它本身的局限性，主要表現(xiàn)在電力機車對電力能源的依賴性，如果鐵路上的電力電網(wǎng)受到人為破壞，電力機車就不能運行。同時機載電氣設備是電力機車重要組成局部，電力機車需要將電網(wǎng)電能整流、逆變后供機車上各個電氣設備工作，由于電力機車上電氣設備很多，各個設備的平安性能直接或間接影響到機車的平安運行5-6，所以對機車電氣設備的可靠性和平安性的研究越來越多。機車雨刮器是電力機車的一個重要組成局部，雨刮

28、器的好壞直接影響到列車駕駛員的視野，如果遇到惡劣的天氣，比方大雨、風沙等，如果雨刮器不能正常工作將給機車運行造成極大的平安隱患。其次雨刮器的維修直接影響到機車的調(diào)度，傳統(tǒng)的雨刮器存在故障率高的缺點，因此研究一款可靠性高、易于維護的雨刮器設備也是鐵路系統(tǒng)的一個研究方向。1.2 機車雨刮器研究的現(xiàn)狀及開展趨勢機車雨刮器分為氣動式和電動式兩種，氣動式雨刮器是用氣壓推動雨刮器氣缸活塞往復運動，由于活塞和氣缸存在機械摩擦因而故障率極高。機車用電動式雨刮器與汽車雨刮器構造相似，都是用電源驅(qū)動雨刮器電機進展工作，但與汽車雨刮器工作的電壓條件不同。汽車上用于驅(qū)動雨刮器電機是24V或48V蓄電池電源，所用的電機

29、是24V或48V直流電機；而機車由于需要長時間運行，如果遇到惡劣的天氣，雨刮器需要一直工作，所以需要的雨刮器的功率更大、可靠性更高，采用的是兩臺特制的110V非標準直流電機，所以本錢高。這種雨刮器的電源有兩種：一種是采用MOS管控制110V直流電機，這種構造的雨刮器MOS管易燒毀，由于雨刮器電機直接連接機車110V直流電源，一旦出現(xiàn)故障比方雨刮器被異物堵住，電機停轉(zhuǎn)等很容易燒壞其它電路，造成極大的平安隱患；另一種是通過繼電器控制雨刮器連接到機車110V電源使其工作，但繼電器本身觸點容易燒壞，尤其在開機瞬間出現(xiàn)大電流，很容易造成觸點連接在一起無法彈開恢復，因此這種構造的雨刮器平安系數(shù)也不高。如果

30、機車雨刮器采用和汽車雨刮器構造一樣，電機采用普通的24V直流電機，雨刮器工作的電源不直接用機車110V直流電源，而是單獨的用一個DC/DC電源將機車110V直流電轉(zhuǎn)換成雨刮器用的24V直流電源，這樣可以極大的降低雨刮器電機的本錢7，使雨刮器更容易維護更換。這種方案的雨刮器，由于沒有直接與機車上110V電源連接，即使出現(xiàn)故障，也不會影響到機車的電源系統(tǒng)。未來的雨刮器一定是朝著可靠性更高的、維護更容易的方向開展。本課題研究一種機車上110V/24V電源，適配給采用24V普通直流電機的雨刮器。電源具有自我保護功能，由于采用的是24V普通直流電機，這種構造的雨刮器易于更換和維護，體積更小。即使雨刮器電

31、機出現(xiàn)故障停轉(zhuǎn)或是其他機械故障，雨刮器電源都會自動關閉，這樣不僅保護雨刮器本身，而且不會對機車上其他設備和線路構成影響，具有極高的可靠性和平安性。1.3 軟開關電源開展現(xiàn)狀和趨勢開關電源概述開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，通過控制開關管導通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，電源技術是一種綜合了電力變換技術、現(xiàn)代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣穿插技術8。開關電源種類很多，按照工作電壓一般分為AC/DC開關電源、DC/DC開關電源、AC/DC/AC開關電源以及DC/AC、DC/AC/DC開關電源等?？梢孕蜗蟮姆Q開關電源是將“粗電變?yōu)椤熬姷脑O備，因為在許多電氣設備中，額定工作電壓

32、是有要求的，市電不能直接供電氣設備使用，必須通過開關電源將電壓或電流變換后適配給電氣設備使用。電源是各種電氣設備的心臟，電源對現(xiàn)代通信、電子儀器、計算機起著至關重要的作用，研發(fā)高質(zhì)量、高可靠性、高效率的電源有著深遠的意義。電源技術如今已是非常根底的科學，各種電氣設備都離不開電源，從日常生活到尖端的科學。開關電源與線性電源相比具有體積小、重量輕、功耗低、功率密度大、使用方便等諸多優(yōu)點，尤其是在需要低壓大電流的應用場合，開關電源的優(yōu)勢極為顯著，但開關電源的控制電路構造復雜，輸出電壓紋波和開關噪聲比較大，因此開關電源的應用也受到一定的限制。開關電源自1955年問世以來，已經(jīng)逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和S

33、CR相控電源，到了20世紀80年代，由于高頻磁材料和軟開關技術的研究，使得功率變換器的性能更好、重量更輕，功率密度更大9-11。90年代末期由于同步整流技術的成熟，開關電源技術得到了飛躍式的開展，采用同步整流技術后開關電源的開關損耗極低，如今同步整流技術已被電源研發(fā)工程師普遍承受。開關電源一種通過PWM控制電路產(chǎn)生PWM信號控制功率管的開通和關斷從而實現(xiàn)整個電路的功能，另一種是通過PFM控制電路實現(xiàn)對電路的控制，一般采用PWM控制方式的比較多12。開關電源的核心控制單元已經(jīng)實現(xiàn)集成化，1997年國外首先研制成功了PWM控制芯片，之后美國的摩托羅拉公司、尤尼特德公司Unitrode也推出了自己的

34、PWM控制芯片，進入21世紀后，美國國家半導體公司研發(fā)出了開關頻率高達1MHz的高速PWM、PFM脈沖頻率調(diào)制芯片，典型的有UC3842、UC3845等。開關電源的核心器件是功率半導體，早期的開關電源采用雙極性晶體管BJT作為功率開關管，由于雙極性晶體管高頻特性差，因此采用雙極性晶體管的開關電源一般開關頻率不超過100kHz，隨著半導體技術的飛速開展，絕緣柵雙極性晶體管MOSFET逐漸取代了雙極性晶體管BJT，采用MOSFET的開關電源的開關頻率可達幾百kHz，效率得到了大大的提高,普遍被應用在各種電源中。由于技術的限制，早期的開關電源所采用的功率器件多為功率晶體管，但由于功率晶體管的導電方式

35、為多子導電，所以早期的開關電源的開關頻率很低，只有幾十kHz，開關電源的效率低，功率多在幾百瓦以，而采用MOSFET作為開關器件的開關電源的開關頻率能夠高達上MHz，功率可達幾千瓦，隨著MOSFET工藝的進步，MOSFET的耐壓和額定電流也得到大幅度提升，如今在幾百瓦級別的開關電源中，普遍采用耐壓值在1000V以上，額定電流10A以上的MOSFET，在*些TO-220封裝的MOSFET中，額定電流甚至高達14A、耐壓高達800V；在*些TO-247封裝的MOSFET中，額定電流有高達100A的用于同步整流的特殊一類的MOSFET。從開關管所承受的應力來看，開關電源分為硬開關電源和軟開關電源。為

36、了提高開關電源的效率，必須提高開關電源的頻率，對于頻率高于500kHz以上的開關電源，可在電源中增加諧振電路，讓電路發(fā)生諧振，使電路中電壓或電流波形發(fā)生改變，這樣可以大大降低開關管的應力，這總工作方式稱為諧振式軟開關電源。當電路發(fā)生諧振時，開關器件上的電壓波形將呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，從而為開關器件實現(xiàn)軟開關創(chuàng)造條件，按照諧振電路在電路中連接的方式，諧振式軟開關分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器以及串并聯(lián)諧振變換器三種。如果將LC電路以串聯(lián)的方式再與功率變換器的變壓器連接，這種電源構造叫做串聯(lián)諧振變換器，串聯(lián)諧振變換器在三種變換器中構造最簡單，最容易實現(xiàn)；如果LC電路以并聯(lián)的方式再與功率變換器的變壓

37、器連接，這種電源構造叫做并聯(lián)諧振變換器，在并聯(lián)諧振變換器中，是將LC電路的電容與變壓器原邊并聯(lián)，所以稱為并聯(lián)諧振變換器；如果LC電路既有電容與變壓器相并聯(lián)又有電容串聯(lián)在電路，這樣的電路構造就叫做串并聯(lián)諧振變換器，在串并聯(lián)諧振變換器中，諧振頻率不是固定的，按照電路的負載和具體的工作狀態(tài)，諧振變化器將有多個諧振頻率，在具體的設計過程中可以根據(jù)負載特性設計與之相匹配的諧振參數(shù)。 軟開關和硬開關的概念在分析開關電源的原理時，往往把開關器件當做理想的器件，認為開關器件的導通和關斷的過程是瞬間完成的，但在實際中，開關器件不是理想的器件，比方MOS管具有米勒效應，MOS管的導通需要給結電容充電到一定電壓值才

38、能完全實現(xiàn)導通，因此MOS管作為開關器件，其導通和關斷具有一定的延時。圖1-1硬開關的電流電壓波形圖圖1-2軟開關電流電壓波形圖如圖1-1所示,在硬開關中，MOS管導通時，流過MOS中的電流ids1會經(jīng)過一段時間t1t2從零到達一定值，同時MOS漏極和源極兩端電壓Vds1會經(jīng)過一段時間從一定值下降到零；在MOS關斷時，MOS中流過的電流ids1會經(jīng)過一段時間t3t4從一定值下降到零，MOS漏極和源極兩端電壓Vds1會經(jīng)過一段時間從零上升到一定值；這樣在電壓波形和電流波形會穿插重疊，陰影局部，這一時間段，開關管MOS就如同電阻一樣，產(chǎn)生損耗，這個損耗叫做開關損耗，工作在這種狀態(tài)的開關叫做硬開關。

39、軟開關的特性如圖1-2所示，當MOS管導通時，漏極電壓Vds2在t1時刻下降到零值之后，MOS管中的電流ids2才在t2時刻從零上升到一定；當MOS官關斷時，漏極電壓先下降到零，然后電流從零上升到一定值，電壓波形和電流波形不會有重疊區(qū)，這樣MOS管的損耗大大降低，工作在這種狀態(tài)的開關叫做軟開關。 軟開關開展的趨勢軟開關的種類很多，目前應用最多的是在電路中增加輔助諧振電路使電路發(fā)生諧振，改變開關管兩端的電壓波形或改變流過開關管中的電流從而實現(xiàn)軟開關。較為成熟的軟開關以諧振式軟開關為主，如QR反激準諧振、ZCT零電流變換器、ZVT零電壓變換器和LLC等。采用軟開關技術的電源相比硬開關具有明顯優(yōu)勢，

40、新的軟開關拓撲構造也在不斷出現(xiàn)，開關頻率也在不斷增加，當開關頻率增加到一定程度，諧振電路中將產(chǎn)生較大的諧振能量，這時電路的電路損耗將變得明顯，為了既保存電路中零轉(zhuǎn)換的諧振網(wǎng)絡又減小諧振網(wǎng)絡的諧振能量，新一代的軟開關將是結合諸多軟開關優(yōu)點形成組合形式的軟開關，根本原理是通過引入輔助開關管實現(xiàn)主管的軟開通關斷，主管的軟關斷開通由諧振網(wǎng)絡實現(xiàn)，輔管的軟開通或關斷由諧振網(wǎng)絡完成，這種構造的軟開關可以任意組合?，F(xiàn)代軟開關電源開展趨勢主要有：1開關頻率高頻化如果DC/DC變換器能夠做到高頻化，則變壓器磁芯的利用率將得到極大提高，則電源的體積將會減小、重量將會減輕?，F(xiàn)在的小功率DC/DC開關電源，普遍的開關

41、頻率只有幾百kHz，在一些特殊的特種電源中，其開關頻率到達幾千kHz是很普遍的，但是較高的開關頻率會使開關電源存在開關損耗損耗增大，同時也會帶來電磁輻射EMC等問題。2電源的高效率高頻化的開展使DC/DC變換器的損耗變大，但是高效率是電源必須保證的指標，尤其在航空航天等相關領域，電源的效率將顯得至關重要。隨著軟開關技術的開展與應用，可以保證DC/DC變換器在工作頻率高頻化的同時也能夠保證電源具有較高的效率。3電源的低壓大電流傳輸如今*些高速工作系統(tǒng)需要瞬時傳輸較大能量，故其需提供很大的電流，比方電腦微處理器需要在低壓3.3V條件下同時需要較大電流，為降低電路中IC的功耗，必須盡可能的降低IC的

42、工作電壓，*些特殊的電源需要輸出電壓降到3.3V以下，甚至電壓下降到1V，電腦微處理器啟動停機頻繁，經(jīng)常需要從休眠模式進入啟動狀態(tài)，然后進入工作模式，所以電源需要輸出電流從零能夠突變到幾十安或從幾十安突變到零，電源的電流變化率要求到達5A/ns，所以必須保證開關電源中的開關器件需快速響應，在低壓大電流的條件下開關損耗在可承受的圍，同時盡量不同散熱器，同步整流技術可以保證電源的輸出級在低壓大電流的條件下具有很高的效率。4開關電源的低噪聲與線性電源相比，開關電源工作時本身噪聲很大，尤其在工作頻率很高的條件下，噪聲也會變大。在軍事領域，如果電源的開關噪聲很高，會極大的削弱裝備的隱身性。在實際應用中即

43、采用諧振變換器，電源仍然存在不可消除的噪聲，研究開關噪聲更低的電源將是今后電源研究的熱點。5數(shù)字化信號控制隨著現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術越來越普及13-14，基于數(shù)字信號處理DSP的控制技術不斷地開展，相對于采用模擬信號處理的控制技術其具有簡單、準確度高及易實現(xiàn)等諸多優(yōu)點15-17，可以將電源中諸多控制模塊用一枚DSP芯片實現(xiàn)，這樣大大簡化了電路硬件設計，基于數(shù)字信號處理DSP的開關電源將是今后電源開展的一個方向。6尋找省略濾波電容的可能性開關電源的輸出電壓紋波隨著負載的變化而改變，尤其在負載急變或突變時紋波電壓變化非常大，通常來說，紋波電壓可通過反響電路進展改善，LC濾波電路也對紋波的改善起到至關

44、重要的作用，濾波電容越大，紋波越小，但更大的濾波電容不僅意味著開關電源的本錢的增加，而且?guī)砹碎_關電源體積的增大，如果變壓器輸出繞組采用中心抽頭的構造，每個副邊半繞組通過半波整流后加在負載上可以有效的改善輸出電壓紋波，這樣可以降低了對濾波電容容量的要求，如果在此根底上進一步降低輸出電壓紋波，一種方法可以嘗試多相開關方式，等效于提高開關頻率進而降低對電容的要求；另一種方法可以通過采用電氣雙層電容濾波器來改善電壓紋波，這兩個方向?qū)⑹且院蟮拈_展方向。7分布式電源在需要多路輸出的電源中，傳統(tǒng)的方式是采用變壓器多輸出繞組的方式，每個獨立的繞組整流后得到不同的輸出電壓，雖然這種方法簡單有效，但是對于更多要

45、求的輸出電壓就意味著更多的獨立繞組，就必然帶來變壓器體積的增加，而且隨著繞組的增加，繞組之間的干擾不可防止，其中一個繞組上負載的改變會影響另一個繞組或其他繞組的輸出電壓的變化，如果采用分布式電源能夠有效的減小多路輸出時繞組之間的干擾，分布式電源是通過假設干個DC/DC變換器把母線上主電壓變換到所需要的一系列電壓，在分布式電源中，一般DC/DC變換器的效率都高達90%，功率密度高達100W/in3，分布式電源適用于高速集成電路中，具有可靠性高，擴展性強的優(yōu)點，即使*一個DC/DC變換器模塊出現(xiàn)故障也不會影響到其他模塊的工作，易于實現(xiàn)模塊化，可以實現(xiàn)在線更換故障失效的模塊。8高性能碳化硅SiC功率

46、半導體器件在20世紀70年代以前，電源的開關器件是功率晶體管BJT和中小電流的晶閘管SCR，由于晶體管和晶閘管的構造特點，早期的電源的開關頻率最多只有幾十kHz，由于開關器件的限制，嚴重制約著電源功率的提高，自1976年MOSFET開發(fā)成功以來，半導體工藝的技術的飛速開展，MOSFET性能不斷提高，以后又開發(fā)出了功率更大的IGBT，如今的MOSFET和IGBT已經(jīng)根本取代了功率晶體管和晶閘管，MOSFET的工作頻率可高達500kHz，如今的功率半導體器件的水平超過了預測水平，比方IGBT的電壓、電流額定值可到達3300V，1200A；MOSFET的電壓、電流額定值可到達500V，240A甚至更

47、高。但是功率半導體器件的水平遠遠不會停留在此，它的理想晶片是采用碳化硅SiC材料，采用碳化硅材料的MOSFET的導通電阻極低，僅有幾十毫歐，而且耐壓更高，但是碳化硅器件形成實用化還需要一定時間。1.4 同步整流技術開關電源中整流器件主要有快恢復二極管FRD、超快恢復二極管UFRD、肖特基二極管SBD和同步整流MOSSR管，作為現(xiàn)代開關電源的整流器件，應該具有整流損耗低、壓降小、額定電流大等相關條件，傳統(tǒng)的開關電源中采用快恢復二極管、超快恢復二極管和肖特基整流的較多，在一般要求的電源中根本能滿足要求。幾種傳統(tǒng)的整流器件簡介如下：1快恢復二極管FRD這種二極管當加在PN結兩端的電壓相位反向時，能迅

48、速從導通狀態(tài)進入關斷狀態(tài)、或從關斷狀態(tài)進入導通狀態(tài)的二極管，反向恢復時間小于1s，一般用在開關頻率只有幾十kHz較低的電源中。2超快恢復二極管UFRD這種二極管的反向恢復時間比快恢復二極管更小，一般小于50ns，這種二極管的PN結通態(tài)壓降低，結電容小，在高溫下運行也可以平安可靠。3肖特基二極管SBD肖特基二極管不是由PN構造成的，而是由金屬和半導體接觸面的勢壘起整流作用的二極管，肖特基二極管的反向恢復時間比超快恢復二極管更小，只有約10ns，并且肖特基二極管的通態(tài)壓降只有PN結二極管的1/3，采用肖特基作為整流器件，其整流損耗更低，廣泛應用在整流電流不太大的電源中。4同步整流MOS管SR同步整

49、流MOS管是一種特殊工藝的MOS管，這種MOS管最大的特點是通態(tài)電阻極低，一般只有幾十毫歐，用這種特性的MOS管做為整流器件的效率最高，尤其在低壓大電流的應用場合優(yōu)點顯著，廣泛應用在輸出電流從10A至50A的各種開關電源中，對于輸出電流更大的電源，需要額定電流更大的同步整流MOS管。傳統(tǒng)的開關電源的輸出級的整流器件大多采用如圖1-3中的VD1、VD2整流二極管, 對于開關電源有些特殊的應用場合，尤其是在低壓大電流時，由于所需要的輸出電流的增大，整流器件VD1、VD2上產(chǎn)生的整流損耗將變得不可承受，如在5V/20A的電源，如果采用導通壓降為0.3V的肖特基二極管SBD整流，消耗在肖特基整流管上功

50、率為6W，這樣極大增加了電源功耗、降低了電源的效率。因此采用導通電阻極低的MOSFET取代整流二極管進展整流，如圖1-4中的QS1、QS2，比方采用導通電阻僅為幾毫歐的MOS管作為整流器件，這種電路的整流損耗要低得多18-20，效率得到顯著提高。圖1-3整流二極管整流電路圖1-4同步整流電路同步整流技術很早就出現(xiàn)，但由于當時驅(qū)動技術不夠成熟，造成同步整流器的可靠性不高，在相當長的一段時間里面開關電源仍然采用快恢復二極FRD和肖特基二極管SBD整流，經(jīng)過近幾年的開展，同步整流技術日漸成熟，誕生出了很多同步整流電路和同步整流控制器，使得同步整流技術廣泛應用于現(xiàn)代開關電源中。用MOSFET做整流器時

51、，必須有驅(qū)動信號控制MOSFET的導通和關斷，只有柵極的驅(qū)動信號的電壓相位與被整流電壓相位同相才能完成同步整流，所以稱為同步整流。按照驅(qū)動信號分類，同步整流可分為自驅(qū)式同步整流和它驅(qū)式同步整流，根據(jù)不同的電源構造，所采用的同步整流也不盡一樣。按照同步整流電路的驅(qū)動方式不同，可以分為自驅(qū)式同步整路、它驅(qū)式同步整流兩大類，自驅(qū)式又分為電流自驅(qū)式和電壓自驅(qū)式兩種。電壓自驅(qū)式同步整流是指同步整流管的柵極直接連接在變壓器輸出繞組的*一端，依靠變壓器副邊繞組的感應電壓作為同步整流MOS管柵極的驅(qū)動信號，如圖3-25就是電壓型自驅(qū)式同步整流，這種構造的同步整流雖然構造簡單，但有很大缺點：不同的拓撲構造，同步

52、整流管柵極的連接方式也不同，尤其在正激變換器中，同步整流管的驅(qū)動信號與變壓器的磁復位時間有關；電壓自驅(qū)方式的同步整流輸出電壓受到一定限制，一般不超過20V，由于同步整流MOS管的柵極直接連接在變壓器副邊，如果副邊感應電壓太高將會損壞同步整流管。電流型自驅(qū)同步整流技術很早就出現(xiàn)，但由于當時技術不夠成熟，直到近些年才逐漸被應用在電源中，電流型自驅(qū)同步整流的MOS管的柵極和源極連接在變壓器獨立的輔助繞組上，MOS管的漏極連接在變壓器副邊的主繞組上，當這種構造的同步整流電路工作時，輔助繞組不僅為同步整流管提供驅(qū)動電壓，而且還具有能量回饋作用，輔助繞組中的感應電壓可以通過同步整流MOS管釋放給負載，所以

53、電流型自驅(qū)同步整流要優(yōu)于電壓型自驅(qū)同步整流。但電流型同步整流的驅(qū)動的輔助繞組在不同的輸出電壓中要求也不一樣，因而變壓器副邊的設計較為復雜。它驅(qū)式同步整流是指同步整流管的柵極電壓由專門的電路控制，控制電路可由分立元件構成也可由專用的IC控制，如圖3-26就是一種用分立元件構成的它驅(qū)式同步整流電路，圖3-27是由專用控制IC構成的同步整流電路。它驅(qū)式同步整流電路具有更好的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在其驅(qū)動電壓信號不受輸出電壓的影響，并且驅(qū)動信號能夠跟蹤被整流電壓信號的相位控制整流管準確的導通和關斷，尤其在開關頻率較高的電源中，它驅(qū)式同步整流電路的優(yōu)點更顯著，在電壓型同步整流電路由于在開關頻率較高的條件下，變

54、壓器副邊繞組的寄生電感和寄生電容的影響，副邊和用于驅(qū)動MOS管的輔助繞組的感應電壓會發(fā)生畸變，會導致同步整流MOS管不能準確的導通和關斷，整流管會發(fā)生誤導通的情況，這樣不僅不能降低整流損耗，反而會帶來更大的開關損耗，因此在開關頻率較高的電源中，一般都采用它驅(qū)式同步整流。隨著半導體工藝的開展，目前誕生了諸多用于同步整流的專用控制IC，如用于反激同步整流的TEA1761、用于LLC同步整流的TEA1995等。在實際應用中，可根據(jù)具體要求選擇合理的驅(qū)動方式，比方在開關頻率較低、輸出電壓不是很高的條件下選擇電壓型自驅(qū)方式可以極大的簡化電路設計和降低本錢；在開關頻率較高，輸出電壓在20V以上時采用專用同

55、步控制IC設計同步整流電路不僅平安可靠，而且還可以降低設計難度。1.5本文的主要工作本文研究的主要容包括：1系統(tǒng)總體方案設計，提出對傳統(tǒng)機車雨刮器的改進方案；2分析各種軟開關變換器的原理；3重點分析LLC變換器原理；4系統(tǒng)原理圖和PCB設計；5LLC諧振腔參數(shù)的計算與設計；5樣機的測試和分析。文章的根本構造：第一章：介紹了鐵路機車的開展和機車雨刮器系統(tǒng)，分析了電力機車獨特的運行特點和能源要求，分析了機車雨刮器對機車平安運行的重要性。針對目前傳統(tǒng)的雨刮器系統(tǒng)的直流電機本錢高的問題提出用24V直流電機和相應的供電電源取代傳統(tǒng)的110V直流電機的方案。第二章：對目前各種DC/DC電源拓撲構造做了詳細

56、分析，對各種軟開關電路的構造和原理進展了分析，選用LLC變換器作為本課題所研究與設計的電源。第三章：對本課題雨刮器功率級LLC電路的原理和相應的元件參數(shù)進展具體計算和設計，對電源的輸出級的同步整流電路進展設計。第四章：對雨刮器LLC軟開關電源的變壓器的參數(shù)進展計算設計。第五章：對樣機電源進展測試，并對測試的波形進展分析，并給出相應的結論。.1第二章 系統(tǒng)總體方案與原理2.1 系統(tǒng)總體方案本課題研究的機車雨刮器電源系統(tǒng)總體方案設計框圖如圖2-1所示。由圖可以看出，本文設計的是一款恒壓電源，輸入DC110V，輸出DC24V用以給雨刮器24V直流電機工作。電源由前級BOOST升壓電路、功率級LLC變

57、換器和輸出級同步整流電路構成。為了解決LLC變換器在110V低電壓條件下工作電流大的缺陷，LLC變換器前級增加了BOOST升壓電路21-22，機車電池組的110V直流電源首先經(jīng)過BOOST升壓電路后變成400V直流，然后給功率級LLC諧振變換器，這樣在一樣輸出功率的條件下，LLC變換器的工作電流會大大減小。實際電路中，BOOST升壓電路由一枚OB2269芯片控制，該BOOST電路包括電壓反響電路和電流采樣電路組成。圖2-1機車雨刮器電源系統(tǒng)總體方案設計框圖本課題研究的LLC諧振變換器采用諧振電感、電容串聯(lián)的構造，由一枚專用LLC控制芯片TEA1716組成，LLC諧振變換器局部主要包括驅(qū)動電路、

58、電流采樣電路、電壓采樣電路和LLC諧振腔組成。LLC電路的開關管需要隔離驅(qū)動，控制芯片TEA1716部集成了隔離驅(qū)動模塊，只需要設計芯片的外圍電路，因此大大降低了設計的難度。雖然集成了隔離驅(qū)動模塊的芯片的驅(qū)動能力有限，但本課題設計的額定功率只有200W ,采用的開關管為TO-220封裝的MOS管，該芯片的驅(qū)動能力是足夠滿足設計要求的，不需要額外增加驅(qū)動電路。電源的輸出電路采用它驅(qū)式同步整流輸出，由芯片TEA1995控制，開關管采用兩枚導通電阻僅為0.077的IRF540，因此同步整流輸出電路的開關損耗極低，這樣大大提高電源的效率23-25。電路還設計了輔助電源，一個作用是通過機械開關連接控制芯

59、片的使能引腳到輔助電源，進而控制雨刮器工作；當不需要雨刮器工作時，機械開關不會將芯片使能引腳連接到輔助電源，電源處于待機模式，當需要雨刮器工作時，機械開關將芯片使能引腳連接到輔助電源，雨刮器開場工作。輔助電源的另一個作用是為了保證芯片具有足夠的驅(qū)動能力，輔助電源為LLC控制芯片和BOOST電路控制芯片的電源。2.2 BOOST升壓模塊拓撲構造和原理分析BOOST變換器又稱為升壓變換器26-27，如圖2-2所示，電路由開關管S、電感L、整流二極管VD和電容Co構成，簡化的構造示意圖如圖2-3，當開關位置在a時，如圖2-4所示,流過電感L的電流線性增大，電能以磁能形式儲存在電感L中，電容Co向負載

60、提供能量，當開關位置在b時，如圖2-5所示；由于磁能不能突變，電感上產(chǎn)生一個左負右正的感應電壓UL，UL與輸入電壓Uin串聯(lián)后的電壓將高于輸出電壓Uo，此時整流二極管VD導通，電感能量一局部給電容Co充電，另一局部給負載Ro提供能量，由于輸出電壓高于輸入電壓所以也叫升壓變換器。圖2-2 BOOST電路圖圖2-3 BOOST電路簡化圖圖2-4開關位于a時簡化圖 圖2-5開關位于b時簡化圖流過BOOST電感的電流為iL，按照iL在每周期開場時是否為零可以分為連續(xù)模式CCM28-29和斷續(xù)模式DCM30-31。圖2-6CCM模式電感電流波形圖 圖2-7 DCM模式電感電流波形圖在開關S導通時間ton