全橋dcdc變換器拓?fù)涞姆抡媾c實驗

II全橋變換器是由BUCK變換器演變而來的，屬于降壓型變換器，和BUCK變換器有許多相似之處，但它們分別應(yīng)用千不同的功率拓?fù)渲小CK變換器常用于中小功率場合，而在大功率的電源應(yīng)用中，最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是全橋變換器拓?fù)洹ｋS著功率的加大、頻率的提高，開關(guān)管損耗的加大，必然會涉及到軟開關(guān)。通常在全橋變換器電路中實現(xiàn)軟開關(guān)的方式有兩種，一是改變控制方式，二是改變電路拓?fù)?。在控制方式中，移相控制是一種比較常用的控制方式，而基于移相控制方式，全橋變換器演變出了很多的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用于不同的場合，并改善全橋變換器基本拓?fù)涞南到y(tǒng)性能。在本文的設(shè)計中，將對一種新的全橋變換器拓?fù)溥M(jìn)行研究。本文首先將這種新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與全橋變換器基本拓?fù)浔容^，在此基礎(chǔ)上分析了不同的控制方式的優(yōu)缺點，從而選擇了移相控制方式。然后，分析了采用移相控制方式下電路的各種工作模態(tài)，以及電路的性能。仿真在開關(guān)電源的設(shè)計中有著重要的作用，有助于進(jìn)一步認(rèn)識電路工作狀態(tài)，并幫助驗證實驗設(shè)計的參數(shù)。在文中，采用IMETRIX對移相控制下新的全橋變換器電路拓?fù)溥M(jìn)行了閉環(huán)仿真分析，直觀的顯示了新電路拓?fù)涞墓ぷ鳡顟B(tài)以及電路性能。最后進(jìn)行了實驗設(shè)計。 移相控制；全橋變換器；軟Thefull-bridgeconverterisderivedfromBuckconverter.Therearesomanysamecharacteristicsbetweenthem,buttheyapplyindifferentconditions.Buckconverterissuitableforlittleormiddlepowersupply;whileinlargepowersupplycondition,thefull-bridgeconverteristhemostpopulartopology.Withtheoutputpowerandswitchingfrequencyelevated,thepowerlosson esbigger,thensoft-switchingisused.Ingeneral,therearetwowaystorealizesoft-switching:oneistochangethecontroltheory;theotheristochangetheciucuittopology.Phase-shiftedcontrolisoneoftheuniversalcontrolmode.Basedonthephase-shiftedcontrolmode,moreandmorenewtopologiesevolvefordifferentusingfromthebasicfull-bridgeconvertertopology.Allofthesetopologyimprovethecharacteristicsofthebasicfull-bridgetopology.Inthisdissertation,anewfull-bridgeDC-DCconverterwillbelearned.Firstly,makethenewtopologycomparingwithbasicfull-bridgeconverterframework,yzethedifferentcontroltheories,andchoosethephase-shiftedcontrol.Secondly,yzetheworkingmodeandcircuitcharacteristicsofthenewtopologywithphase-shiftedcontrol.Thirdly,makesimulationwithsimetrix.Simulationisveryimportantduringthedesignofswitchingpowersupply.Thesimulationhelpustounderstandcircuitworkingstate,andhelpustovalidatethedesignedparameterofthecircuit.Inthisdissertation,realizetheclose-loopphase-shifted-controlsimulationofthenewtopology.Keyword:Phase-shiftedcontrol;Full-bridgeconverter;Soft-第一電力電子技術(shù)是一門新興的學(xué)科。自從1947年第一只半導(dǎo)體晶體管問世，半導(dǎo)體固態(tài)電子學(xué)這一新興學(xué)科隨之誕生；1958年晶閘管的問世標(biāo)志了電力電子技術(shù)的開端。電力電子技術(shù)分為兩個分支：以晶體管集成電路為形成對信息處理的微電子技術(shù)；以晶閘管及其相控電路為形成電力電子技術(shù)。電氣和電子工程師的電力電子學(xué)會對電力電子技術(shù)的描述：電力電子技術(shù)是有效地使用電力半導(dǎo)體器件、應(yīng)用電路和設(shè)計理論以及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能的有效變換和控制的技術(shù)，包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換。它以實現(xiàn)“高效率用電和高品質(zhì)用電”為目標(biāo)，是一門綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)等許多學(xué)科的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，它逐步發(fā)展成為一門包含學(xué)科的綜合性技術(shù)學(xué)科，并在為現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、電網(wǎng)優(yōu)化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電能方面起著關(guān)鍵作用。廣義的說，電力電子技術(shù)是由電力半導(dǎo)體器件、電力電子成套裝置及控制理論組成的［l]。半導(dǎo)體器件推動了電子技術(shù)的發(fā)展；而控制理論在電力電子技術(shù)的發(fā)展中起著重要的作用。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電之間的接口，控制理論是實現(xiàn)這一接口的強有力的紐帶。在進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計時，要用到自動控制原理中的許多方法（如對高階系統(tǒng)在一定的條件下進(jìn)行降價處理、小慣性環(huán)節(jié)近似處理、大慣性環(huán)節(jié)近似處理……）來對系統(tǒng)進(jìn)行校于和綜合（l）是電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計、測試、模型分析、工藝及仿真；（2）是電路開關(guān)變換器的電路拓?fù)?、建模、仿真、控制和?yīng)用：(3是電力逆變技術(shù)及其在電氣傳動、電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。一般說來，電力電子裝置的主要組成部分是電力開關(guān)變換器，對電力開關(guān)變換器的分析研究一直是電力電子學(xué)研究的主要方向[3101開關(guān)電源概將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)的電路叫做開關(guān)變換器電路，而轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱為開關(guān)電源(SwithngPowerSuppy)。開關(guān)電源主要組成部分是DC-DC變換器。由千開關(guān)電源在重量，體積，用銅用鐵及能耗等方面都比線性電源有顯著減少，而且對整機多項指標(biāo)有良好影響，因備，家用電器等都越來越多應(yīng)用開關(guān)電源，并取得顯著效益。60年始得到發(fā)展并應(yīng)用的DC-DC(Pulse-Width-Modultion，即脈寬調(diào)制）功率變換技術(shù)使直流變換器的設(shè)計出現(xiàn)了很大的變化，它去掉了龐大笨重的工頻變壓器，提高了電源的功率密度，減少了裝置的體積重量，提高了變換器的整體效率。隨著功率半導(dǎo)體元器件的發(fā)展，它可以工作于越來越高的開關(guān)頻率，因而具有越來越小的體積重量和越來越高的功率密度。在70年代，其工作頻率已上升到20KHz。目前DC-DC變換器可以以最佳重量，尺寸，效率，可靠性及價格工作在50-200KHz頻率范圍內(nèi)。電源的結(jié)構(gòu)可分為兩大部分，從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載的回路稱為主回路，余者稱為控制回路。主回路主要是完成能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，它通過不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成不同的功能，如ACDC、DCDC、DCAC等等。它的基本拓?fù)鋽?shù)不勝數(shù)，通過歸類可以分為六類基本拓?fù)洌築uck、Boost、Bcuk-Boost、Cuk、Sepic和Zet?？刂苹芈返娜蝿?wù)是提供高壓開關(guān)晶體管基極驅(qū)動脈沖，完成穩(wěn)定的輸出電壓控制和對電源或負(fù)載提供保護(hù)并發(fā)出告警信息等。1 控制技保待開關(guān)頻率固定但改變接通時間長短（即脈沖的寬度），使負(fù)載變化時，負(fù)載上電壓變化不大的方法，稱為脈寬調(diào)(Pulse-Width-Modulation,簡化為)。凡是用方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器，稱為 開關(guān)變換器凡是控制方法使電力電子開關(guān)在其兩端電壓為零時導(dǎo)通電流，或使流過電子開關(guān)電流為零時關(guān)斷，此開關(guān)稱為軟開關(guān)；利用諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱諧振變換器。DCDC變換器可分成式、諧振式和它們的結(jié)合式[)。控制方式在目前最為流行。型穩(wěn)壓電源具有體積小、重量輕，效率高，適應(yīng)性強等優(yōu)點，它的功率轉(zhuǎn)換電路有推挽、全橋、半橋以及單端反激、單端正激等。開關(guān)技術(shù)其電路簡單、控制方便而得到廣泛應(yīng)用。目前多采用硬開關(guān)方式，即通過強行切斷功率流的方式，并控制占空比來實現(xiàn)系統(tǒng)的功率變換。但開關(guān)技術(shù)有其自身的缺點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：,開關(guān)損耗問題：在功率器件開通和關(guān)斷過程中電流和電壓，產(chǎn)生開關(guān)損耗，并隨開關(guān)頻率的提高而增加；2,感性關(guān)斷問題：電路中的寄生電感在高頻時產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰(pireoltg);3，容性開通問題：電路中的寄生電容在高頻時產(chǎn)生嚴(yán)重的浪涌電流(surgecurret)。2開關(guān)技術(shù)的固有缺陷限制了型開關(guān)電源的進(jìn)一步高頻化2第一在常規(guī)的DCDC變換器中，功率開關(guān)管在電壓不為零時導(dǎo)通，在電流不為零時關(guān)斷，處千強迫開關(guān)過程，也稱為硬開關(guān)過程。在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的DC-DC變換器隨著開關(guān)頻率的上升，在開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的電壓和電流尖峰將可能使開關(guān)器件的狀態(tài)運行軌跡超出區(qū)，影響開關(guān)的可靠運行；開關(guān)管的開關(guān)損耗也會成正比例上升，使電路的效率大大降低；另外會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾噪聲。為了克服DC-DC變換器在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的諸多問題，80年代以來軟開關(guān)技術(shù)得到了深入廣泛的研究并在近些年得到迅速發(fā)展。1.2軟開關(guān)技術(shù)的所謂的“軟開關(guān)”是與“硬開關(guān)”相對應(yīng)的，凡用控制的方法使電子開關(guān)在其兩端的電壓為零時導(dǎo)通電流，或使流過電子開關(guān)的電流為零時關(guān)斷，則此開關(guān)稱為軟開關(guān)。它能克服傳統(tǒng)的硬開關(guān)的開關(guān)損耗，理想的軟開關(guān)的開關(guān)損耗為零。從而可提高功率變換器的傳輸效率Blo慢上升到通態(tài)值，在這個過程中，開通損耗幾乎為零，而且開通器件上的電壓在開通時下降為零，器件的結(jié)電容上的電壓也為零，不存在容性開通的問題，此意與之相對應(yīng)的是軟開關(guān)關(guān)斷過程（零電流關(guān)斷）：電流先降到零，然后，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，在這個過程中，關(guān)斷損耗幾乎為零，而且關(guān)斷器件上的電流在關(guān)斷時下降為零，線路中的電感上的電流也相應(yīng)為零，因此不性關(guān)斷的過程軟開關(guān)包括軟開通和軟關(guān)斷；其中，軟開通又包括零電壓開通和零電流開通；軟關(guān)斷包括零電壓關(guān)斷和零電電力開關(guān)變換器在高頻時需要著重解決的兩大問題是：（1)實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓或零電流開關(guān)條件，以盡可能縮小開關(guān)損耗；（2）消除開關(guān)浪涌。當(dāng)前實現(xiàn)的方法很多，按照軟開關(guān)的發(fā)展過程可分為：（1）諧振開關(guān)（2）諧振環(huán)；（3）軟開關(guān)。1984年VPEC的..Le等人第一次提出諧振開關(guān)的概念，用它來代替開關(guān)電路，形成了諧振開關(guān)變換器。諧振開關(guān)主要由電力開關(guān)管、諧振電感和諧振電容組成。在開關(guān)電源電路中，當(dāng)直流電壓加在串聯(lián)的LC回路時，電路中的電壓按正弦規(guī)律無阻尼振蕩，當(dāng)振蕩到零時，使電子開關(guān)導(dǎo)通流過電流，此方法為零電壓開通(Zro-Voltge-Swtching,簡稱為ZVS)。同理，當(dāng)電路中的流過電子開關(guān)的電流振蕩到零時，使電子開關(guān)斷開，此方法為零電流關(guān)(Zro-urrnt-Swthng,即ZCS)。與一般的 開關(guān)相比，諧振開關(guān)的優(yōu)點是能實現(xiàn)軟開通或軟關(guān)斷，但是它的缺點也很明顯：3開關(guān)器件的通態(tài)電流或斷態(tài)電壓應(yīng)力大。對千電壓模式的諧振開關(guān)，開關(guān)在零電壓下開通和關(guān)斷，其承受的斷態(tài)峰值電壓是輸出電壓的兩倍以上，對電流模344 華南理T．大學(xué)工 式它的通態(tài)電流峰值輸出電流的兩倍以上，通態(tài)損耗開關(guān)器件的工作頻率不恒定。當(dāng)電源或負(fù)載變化時，只能靠改變開關(guān)器件的工作頻率f來調(diào)節(jié)輸出電壓，使f的變化范圍很大，以至千功率變壓器、輸入、輸出濾波器的設(shè)計和優(yōu)化都難以進(jìn)行；f諧振變換器在D-DC中的應(yīng)用很成功，但在DC-AC變換器中，尤其是在逆變器中，由千多個諧振開關(guān)的諧振元件作用相互影響，電路的工作出現(xiàn)不正常。這使得諧振變換器的應(yīng)用遇到了，1986年威斯康星大學(xué)的D..Divan教授提出了諧振環(huán)的概念，包括諧振直流環(huán)(RDCL)和諧振極逆變器(ResonantleInvr)。這兩種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在DCAC變換器中得到了較好的應(yīng)用。由于本文的設(shè)計主要是DC-DC變換器，這兒不作詳細(xì)介紹[6]。若用諧振來實現(xiàn)換相，換相完后再用來實現(xiàn)功率傳輸，則可綜合以上兩種方式的優(yōu)點，則既能克服硬開關(guān)在開關(guān)過程中的四個缺陷，又能保留硬開關(guān)變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，完成效率更高的功率傳輸。這就是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的軟開關(guān)控制技術(shù)[7,8]。2在DD變換器中，uk,oo,ukoo,uk,Fybk和Frwrd等單管構(gòu)成的電路一般只適用于中小功率場合，而在中大功率場合，則一般采用全橋變換器。本文的設(shè)計主要是對千一種全橋變換器電路拓?fù)涞难芯俊?.1全橋變換器的基本電路及工作原全橋變換電路拓?fù)涫悄壳皣鴥?nèi)外DC-DC變換電路中最常用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式之一，這主要是考慮到它具有功率開關(guān)器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率高等優(yōu)點。全橋變換器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在如三電平DCDC變換器9，大范圍負(fù)載輸出全橋變換器”0]，還有一些拓?fù)鋄1115]等大功率電路中廣泛的應(yīng)用。基本的全橋變換電路根據(jù)供電方式的不同可分為電壓型和電流型兩種。其中電壓型DC-DC全橋變換電路是由基本的BUCK電路演變而來，因此也稱為全橋UK變換器，在實際中得到較廣泛的應(yīng)用，其基本電路如圖(11)所示。，＇，＇,,＂，圖1.1ZVSDC-DC全橋變換器原理圖Fig1.1ZVSDC-DCFBConverter直流電壓Un施加在Ql、Q2、Q3、Q4四只開關(guān)管所構(gòu)成的兩個橋臂上，通過控制四只開關(guān)管的通斷順序以及通斷時間，在變壓器T的原邊得到按某一占空比D變化的正負(fù)半周對稱的交流方波電壓。設(shè)該變壓器的變比為n,則交流方波電壓經(jīng)過高頻變壓器的和電壓變換（升壓或降壓）后，在變壓器的副邊對應(yīng)得到一個幅值為Unn的交流方波電壓，交流方波電壓Unn再通過輸出整流橋變化為直流脈動方波電壓，最后通過輸出濾波電感Lf和電容c將這個直流方中的高頻分量濾去，在輸出端c上得到一個平直的直流電壓，其電壓值為U。=DUi，其中D為占空比。通過調(diào)節(jié)占空比就可以方便的調(diào)節(jié)輸出電 2全橋變換器的幾種控制方式全橋變換器的輸出控制是通過控制四只開關(guān)管的通斷順序以及通斷時制來實現(xiàn)的，因此，可以有多種控制策略。歸納起來，可以分為三種：雙極性控制、有限雙極性控制[16]和移相控制。在變壓器原邊電路，互為對角的開關(guān)管Ql、Q4和Q2、Q3的導(dǎo)通和關(guān)斷的時間都是同時進(jìn)行的，開通時間分別為0.5DT(D為原邊開關(guān)管的導(dǎo)通占空比：T為一個工作周期時間），這種控制方式稱之為“雙極性控制”。這種控制方式是過去全橋電路最基本的方式。在這種方式中，功率變換是通過中斷功率流和控制占空比的方法來實現(xiàn)的，其工作頻率恒定。5兩只對角開關(guān)管同時開通，但不同時關(guān)斷，這種情形下，其中一個管子的導(dǎo)5通時間長度仍為.ST,但是另一子卻推遲關(guān)斷時間，最多可為0.S:或者兩只對角管同時關(guān)斷，但不同時開通。這就是“有限雙極性控制”。兩只對角管開通關(guān)斷都不同時進(jìn)行，其中一個先開，先關(guān)，而另一只后開，后關(guān)。每子的導(dǎo)通時間都達(dá)到O.ST,就是常見的＂移相控制方式”。移相控制方式通過移相來控制兩只對角管的共同導(dǎo)通時間，進(jìn)而控制功率輸出占空比，來穩(wěn)定輸出電壓，達(dá)到設(shè)計要求。移相信號原理圖如圖12所示。圖2.4移相控制方式驅(qū)動Fig2.4thephase-shiftcontrol移相控制方式是近年來在全橋變換器中使用最多的一種軟開關(guān)控制方式，它是諧振變換技術(shù)和技術(shù)的結(jié)合。其工作原理為每個橋臂的兩個開關(guān)管180度互補導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo)通之間相差一個相位，即所謂移相角。通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的。如果QI,Q3的驅(qū)動信號分別領(lǐng)先于Q4,2,可以定義l,Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2,Q4組成的橋臂為滯后橋臂。移相控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件。漏電感的能量對功率開關(guān)管的兩端并聯(lián)的輸出電容充放電來使開關(guān)管兩端的電壓下降到零，使電路的四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，在緩沖電容的作用下零電壓關(guān)斷，從而有效的降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器裝置提高開關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時還保持了一般全橋電路中的結(jié)構(gòu)簡單、控制方式簡潔、開關(guān)頻率恒定、元器件的電壓電流應(yīng)力小的優(yōu)點。移相控制方式具有很多的優(yōu)越性，相對千雙極性控制和有限雙極性控制能好的電路工作特性，適合中大功率的場合，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的方式一直是人們研究的熱點方向。6然而移相控制也有一些缺陷，如移相全橋變換器輸出受電源和負(fù)載變化的影響比較大，還有占空比的丟失不能忽視，所以電路的設(shè)計也就相對復(fù)雜一些。而且采用移相控制是為了軟開關(guān)的實現(xiàn)，對采用移相控制方式(phaseshift,即PS)的變換器來說，ZVS范圍受諸多電路參數(shù)（包括死區(qū)時間、變壓器漏感、移相角、負(fù)載電流、輸入電源電壓、諧振電容等）的影響，其中尤以負(fù)載電流和高頻變壓器的漏感為著。高頻變壓器漏感的大小直接影響ZS范圍和變換器的性能，且存在6循環(huán)電流，導(dǎo)致產(chǎn)生較高的導(dǎo)通損耗；負(fù)載的變化直接影響變換器ZVS的范圍。振電感，但諧振電感的加入導(dǎo)致了占空比的丟失，尤其是在輸入電壓最低，負(fù)載最大時，占空比丟失最厲害，此時必須減小變壓器的原副邊匝比，這樣卻增加了原邊開關(guān)管的通態(tài)損耗，也增加了副邊整流橋的電壓應(yīng)力。所以在全橋變換器中采用移相控制實現(xiàn)滯后橋臂的軟開關(guān)和有效減小占空比丟失彼此受到限制．而且在傳統(tǒng)的高頻移相全橋DC-DC變換器工作模態(tài)里面存在電流通過變壓器和開關(guān)管構(gòu)成的回路自由續(xù)流狀態(tài)，增加了電路變壓器和器件的電流應(yīng)力和導(dǎo)通損耗為了提高系統(tǒng)的性能，在文獻(xiàn)[17]~[27]中介紹了一些電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都是應(yīng)用移相控制技術(shù)，實現(xiàn)軟開關(guān)及功率輸出。在這些文獻(xiàn)中最有效的法，就是增加輔助網(wǎng)絡(luò)，基于電流增強原理將輔助電路加入到傳統(tǒng)的全橋變換器中，從而很好的實現(xiàn)軟開關(guān)以及減小占空比丟失。在移相控制技術(shù)的應(yīng)用中，在文獻(xiàn)[28]~[34]中提到了一種新的電路拓?fù)洌@些電路有一個共同的特點就是在變壓器副邊電路添加了兩個功率開關(guān)管，通過對這些開關(guān)管的移相控制來實現(xiàn)對輸出功率的控制。在電路的工作過程有別千傳統(tǒng)的全橋變換器移相控制策略，這種電路結(jié)構(gòu)的原邊功率開關(guān)管不參與控制輸出功率，對輸出功率的控制通過副邊整流電路中添加的兩個開關(guān)管來完成。保待原邊開關(guān)管的工作狀態(tài)恒定，這樣在副邊得到一個固定的交流方波電壓，通過移相控制副邊整流電路中的功率開關(guān)管，控制功率流向負(fù)載。這樣，電路就簡化為BUCK電路的工作模式。通過變壓器的漏感和勵磁電感來實現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開關(guān)以及副邊開關(guān)管的零電流開關(guān)。本文就是采用這種新的電路結(jié)構(gòu)以及移相控制策略進(jìn)行電路仿真以及實驗設(shè)計1.37現(xiàn)在的開關(guān)式變換器已日益成熟，設(shè)計和研制一個新的更好的變換器有一定的難度，重要原因是為求得快響應(yīng)輸出特性，在開關(guān)動作時，開關(guān)電流、電壓的上升率大，引起應(yīng)力大；體積減小、散熱條件變差，變換器內(nèi)部工作環(huán)境趨向惡劣；集成度高、元件密集、電磁的藕聯(lián)易成干擾，可靠性受到更大；開關(guān)頻繁切斷、接通，在一定條件下會產(chǎn)生諧波；諧波產(chǎn)生的電磁波會污染用電環(huán)境。同時，新型變換器一般線路比以前復(fù)雜，使用元件類型、數(shù)量增多，元器件參數(shù)容差、批容差、組合容差等影響可靠性。如果都采用高質(zhì)量、高精度的元件，成本提高、市場競爭力下降，更何況電路參數(shù)合理性才是根本問題。面對這些復(fù)雜問題，按傳統(tǒng)方法來設(shè)計一個完善的電氣系統(tǒng)往往很難達(dá)到。這些問題在使用計7電路中任一條支路的電流、任何兩點間的電壓都很容易。還可以進(jìn)行頻率響應(yīng)、頻譜分析、溫度分析、參數(shù)變化分析、蒙特卡羅分析、情況分析、噪分析等等。開發(fā)或改進(jìn)真實的實用電路的目的，這個過程稱為計算機仿真。它有如下優(yōu)點：)取代人工解析分析，減輕設(shè)計勞動強度和重復(fù)性勞動，并有利千對電路的進(jìn)一步認(rèn)識。提高分析速度、分析精度和分析廣度，比真實電路試驗可擴大研究范圍，測得數(shù)據(jù)，可測一些實驗中無法直接測量的數(shù)據(jù)，如元器件中的數(shù)值和波形，研究系統(tǒng)性能受其變化的影響。設(shè)計任務(wù)確定后立即作仿真，進(jìn)行充分可行性論證后再訂購貴重、特殊元件，既節(jié)省又縮短開發(fā)過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，用PC機仿真系統(tǒng)代替實驗可大大減小元器件損壞引起的損失。更重要的是某些無法進(jìn)行實地實驗、艱苦和場合（如太空），只有通過仿真，才能進(jìn)行全面的，故障的模擬，實際存在的非線性因素允許到什么程度等。減小投資。一套仿真設(shè)備就是規(guī)模很大的，可以做許多電路與系統(tǒng)成品的研究。在本仿真實驗中，應(yīng)用Simetrix軟件對系統(tǒng)做了詳細(xì)的分4工作大體分為以下幾步：l．與傳統(tǒng)變換器進(jìn)行比較，新的電路拓?fù)涞闹饕兓窃谧儔浩鞲边叄儔浩髟呺娐繁４齻鹘y(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)不變。而控制策略還是利用控制方式，是通過移相控制來實現(xiàn)對副邊占空比的調(diào)節(jié)。文中對新電路拓?fù)涔ぷ髟砗涂刂撇呗宰隽朔治雠c選擇。在文章中對新的全橋變換器拓?fù)涞墓ぷ鬟^程的各個模態(tài)進(jìn)行了分析。由于文中的移相控制是副邊開關(guān)管相對千原邊開關(guān)管的移相控制方法，是基千同步整流技術(shù)的一種移相控制。這就有兩種控制實現(xiàn)方式，文中分別進(jìn)行了說明。對系統(tǒng)的小信號做了分析，和uk電路的傳函相同，可以簡化電路的設(shè)計。8對試驗電路設(shè)899文中對變壓器的設(shè)計、主電路的設(shè)計、開關(guān)管的選擇和控制回路的特性以及電路的設(shè)計做了介紹。仿真工作和對電路進(jìn)行了仿真分析，在SIMETIX軟件下實現(xiàn)了移相控制驅(qū)動的仿真工作，并通過試驗檢驗新的電路拓?fù)涞奶匦?。第二章新穎全橋變換器電路拓?fù)浞治鲆葡嗫刂萍夹g(shù)在傳統(tǒng)的全橋變換器電路中得到廣泛的應(yīng)用，而新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變壓器的原邊電路同樣采用全橋拓?fù)洌刂撇呗詾橐葡嗫刂?。本章將分別對新的全橋電路拓?fù)錁?gòu)成、工作原理和控制方式進(jìn)行分析。2.1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分圖2.1(a)提出了一種新的全橋變換器電路的主電路拓?fù)?，傳統(tǒng)的移相全橋變換器電路如圖2.1(b)所示。 Fig2.1themaincircuit從圖2.1可以看出，兩個電路拓?fù)湓吘鶠槿珮蚰孀兤鹘Y(jié)構(gòu)，副邊均為全波整流結(jié)構(gòu)。在兩個電路拓?fù)渲?，不同之處是新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在副邊多了兩個功率開關(guān)管。全橋逆變器的主電路由四只功率開關(guān)管SlS,反并聯(lián)二極管l4和輸出變壓器T等構(gòu)成。輸入的直流電壓為E，輸出交流電壓為v。，設(shè)變壓器的原邊繞組匝數(shù)為l，副邊繞組匝數(shù)為2,變比為K=l/N2。l~4與四個開關(guān)管并聯(lián)。一般而言，逆變器的結(jié)構(gòu)是固定的，通過對逆變器的功率開關(guān)管的控制進(jìn)行分類。對千原邊四個功率開關(guān)管的控制導(dǎo)通，采用脈寬調(diào)制(uWdh-oduon．即)控制方式，可分為雙極性控制方式，有限雙極性控制，移相控制等兒類。整流電路結(jié)構(gòu)分為兩種：全橋整流和全波整流35]。全波整流電路通常用于低電壓輸出，而全橋整流電路常用千輸出高直流電壓的電路中。這兒將采用全波整流電路進(jìn)行分析。2新電路拓?fù)淇刂品绞降倪x新的電路變壓器原邊和傳統(tǒng)的全橋變換器結(jié)構(gòu)一樣，因此對原邊的四個功率開關(guān)管的控制方式，采用脈寬調(diào)制控制方式，可以分為雙極性控制方式，有限雙極性控制，移相控制等幾類。移相控制的控制信號原理圖如圖1.2所示。下面將介紹雙極性控制和有限雙極性控制。2.1雙極性控制雙極性控制工作原理為；互為對角的開關(guān)管Sl、S4和S2、S3的導(dǎo)通和關(guān)斷的時間都是同時進(jìn)行的，開通時間分別為0.5DT(為原邊開關(guān)管的導(dǎo)通占空比；T為一個工作周期時間），驅(qū)動信號以及逆變器副邊為感性負(fù)載時的輸出波形如圖2.2所示。 S了O重了雙極性控制驅(qū)動信 (b)感性負(fù)載時輸出電壓電流波圖2.2雙極性控制Fig2.2ambipolar-driving采用脈寬調(diào)制時雙極性控制方式的副邊輸出電壓與電流在不同的負(fù)載條件下，波形不同。電阻負(fù)載時的電流跟隨電壓波形而變化；而負(fù)載為電感時，設(shè)定變壓器為理想變壓器，如圖2.2(b)所示，當(dāng)任何一對管的同時導(dǎo)通時間超過D4時，輸出電壓VO將不受占空比D的影響。圖2.2(b)中的陰影面積與阻性負(fù)載時的面積相同，所以輸出電壓VO的波形不僅由原邊對管的共同導(dǎo)通D決定，還與負(fù)載有關(guān)。2.2.2有限雙極性控制的工作原理為：兩只對角開關(guān)管同時開通，但不同時關(guān)斷，這種情形下，其中一個管子的導(dǎo)通時間長度仍為0.5T,但是另一子卻推遲關(guān)斷時間，最多可為0.5T;或者兩只對角管同時關(guān)斷，但不同時開通。驅(qū)動信號可能的實現(xiàn)方式如圖2.3示。 立S 立 有限雙極性控制之 有限雙極性控制之圖2.3有限雙極性控制驅(qū)動信Fig2.3finite-bipolardriving 3全橋逆變器的三種控制策略，都可以實現(xiàn)對電路的控制以及軟開關(guān)，從本質(zhì)上講，它們不同的地方就在于它們實現(xiàn)軟開關(guān)的過程不同。這三種控制方式都是利用變壓器漏感、在原邊電路中的串聯(lián)電感、無損緩沖電容以及開關(guān)管上反并聯(lián)的二極管來實現(xiàn)軟開關(guān)，不同的控制信號開通或關(guān)斷控制，得到不同的效果。雙極性控制方式在控制信號關(guān)斷時候的工作原理圖如圖2.4 圖2.4雙極性控制軟開關(guān)的實Fig2.4thesoft-switchingoperationofarnbipolar團(tuán)2.4中，Lr表示漏感或者諧振電感和漏感，Lrn表示勵磁電感，T為變初始條件設(shè)為S1S4開通，S2、S3關(guān)斷。當(dāng)Sl、S4關(guān)斷的時候，r通過D2和D3續(xù)流，給電容CJ、C4充電，同時給C2、C3放電，則開關(guān)管S1、S4實現(xiàn)零電壓關(guān)斷；當(dāng)C2、C3的電壓降為零時，二極管D2、D3自然導(dǎo)通，電流通過Lr、D2、D3流向電源，二極管D2、D3將開關(guān)管S2、S3嵌位為零，此時開通S2、S,則實現(xiàn)零電壓開通。當(dāng)S2/S3關(guān)斷的時候，為零電壓關(guān)斷；而SJ、S4的開通則實現(xiàn)零電壓開通。所以雙極性控制能實現(xiàn)零電壓開關(guān)。但是電路有個缺點，就是電路中的零電壓軟開關(guān)的實現(xiàn)受到Lr、Ul以及負(fù)的限制。雙極性控制通過控制原邊開關(guān)管的導(dǎo)通時間來控制輸出。采用控制，可以看出，如果關(guān)斷時刻電壓l加在r上，則有：土

(2-當(dāng)L、l恒定時，Lr通過二極管續(xù)流的時間是有限的，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時刻很短，則很難實現(xiàn)軟開關(guān)。參考圖 (a)，有限雙極性控制信號導(dǎo)通和關(guān)斷時刻工作原理圖如圖2.5』

t1t1L」 圖2.5有限雙極性控制軟開關(guān)實現(xiàn)Fig2.5thesoft-switchingoperationoffinite-bipolar設(shè)初始狀態(tài)SI、S4開通，如圖2.3(a)所示，首先I關(guān)斷，則充電放電，SI實現(xiàn)零電壓關(guān)斷；當(dāng)C2電壓降為零時，D2自然導(dǎo)通，r通過D2自然續(xù)流，此時關(guān)斷S4,則C3放電C4充電，S4實現(xiàn)零電壓關(guān)斷；當(dāng)C3電壓降為零時，D3導(dǎo)通，Lr通過D23續(xù)流，此時控制開關(guān)管S2S3導(dǎo)通，由千二極管23的嵌位作用，開關(guān)管S2S3實現(xiàn)零電壓開通。S2S3關(guān)斷和S1S4開通的情況和前面的描述類似。電路中的四個開關(guān)管均可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)。定義可以知道，控制開關(guān)管S1S2的導(dǎo)通時間，則這個自然續(xù)流過程的時間會增加。增加了電路的損耗．對于移相控制方式，在第一章以上三種控制方式均由各自的優(yōu)缺點。本文結(jié)合電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利極控制和移相控制實現(xiàn)輸出控制，但是和傳統(tǒng)的雙極性控制以及移相控制有所不同。這兒在原邊實現(xiàn)雙極性控制，副邊電路的控制信號相對千原邊實現(xiàn)移相，從而控制輸出。電路中所有開關(guān)管的控制信號頻率恒定，占空比不變。下面將詳細(xì)介紹2.2.4新電路拓?fù)涞目刂撇邆鹘y(tǒng)的全橋變換器有四個驅(qū)動信號，分別驅(qū)動原邊的四個開關(guān)管，它們的移相控制信號如圖2.6所示歸圖2.6移相控制Fig2.6thephase-shiftedcontrol四個驅(qū)動信號中SIS4、S2S3中任一對共同導(dǎo)通，則有功率流向負(fù)載，通過控制這個共同導(dǎo)通的時間，來實現(xiàn)對輸出負(fù)載的控制，這個過程中S2S4（或者lS3)相對S1S3（或者S2S4)移相。新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制策略的選擇可以分為兩部分：逆變器采極性控制策略，整流器采用移相控制策略。其具體的工作過程為：保持原邊四個功率開關(guān)管的占空比不變、頻率恒定，通過移相副邊功率開關(guān)管的驅(qū)動信號來實現(xiàn)對輸出的控制。原邊開關(guān)管不參與對輸出的控制，對輸出參數(shù)的平滑控制全部由副邊的開關(guān)管來完成。其控制原理為對于流過變壓器T的功率，通過控制開關(guān)管S5、S6的導(dǎo)通和關(guān)斷，來控制流向負(fù)載的功率，實現(xiàn)設(shè)計要求。其副邊開關(guān)管的驅(qū)動原理圖和全橋整流電路相同，如圖2.7所示。 — 圖2.7副邊開關(guān)管的驅(qū)動波形原理Fig2.7theMOSFET-drivingsignalsin圖2.7中V表示變壓器副邊的電壓，S5S6表示副邊的開電路工作過程為：對于變壓器的副邊得到一個方波交流電壓，通過開關(guān)管S5S6分別加千控制；當(dāng)控制開關(guān)管導(dǎo)通，變壓器輸出功率將通過開關(guān)管S5或者S6、二極管D1或者D4流向負(fù)載；當(dāng)控制開關(guān)管關(guān)斷，或者導(dǎo)通但是無功率流過開關(guān)管的時候，電感LO通過續(xù)流二極管D2續(xù)流?？梢钥闯鲈陔娐分?，整流或者續(xù)流過程中，每次只有一個二極管參與功率的傳輸。移相控制方式，是以一對信號固定，另外的一對信號以第一對為參照信號的不同，控制電路有兩種表現(xiàn)方式：l)原邊控制信號超邊控制信號，如圖2.7(a); 1原邊控制信號超邊控制信在變壓器原邊實現(xiàn)的是雙極性控制，在副邊實現(xiàn)相對千原邊的移相控制方式。直流電壓E施加在S1S4四個開關(guān)管構(gòu)成的兩個橋臂上。當(dāng)兩只對角的開關(guān)管SI、S4或S2、S3同時導(dǎo)通時，功率從原邊通過變壓器T傳向副邊，而這時副邊的開關(guān)管S6或者S5導(dǎo)通，則功率繼續(xù)流向負(fù)載；如果S5、S6均不導(dǎo)通則副邊續(xù)流。保持原邊四個開關(guān)管S1~S4導(dǎo)通時間固定，通過控制副邊兩個功率管S5和S6導(dǎo)通的順序及導(dǎo)通時間來控制輸出。即在副邊得到的是穩(wěn)定的正負(fù)半周對稱的交流方波電壓，通過控制副邊兩個功率管S5和S6導(dǎo)通的順序及導(dǎo)通時間來控制功率流向負(fù)載，整流以后，通過濾波最終得到平滑的直流輸出電壓。其中開關(guān)管SI、S4、S6或S2、S3、S5共同導(dǎo)通的時間構(gòu)成電路的有效占空比D。如果設(shè)開關(guān)管SI、S4和S2、S3的導(dǎo)通時間為T，而開關(guān)管S6和S5的延遲導(dǎo)通時間為0,則有效占空比為 0的取值范圍為(O°~180°)通過控制延遲時間參數(shù)0,來實現(xiàn)占空比D的控制，進(jìn)而穩(wěn)定輸出電壓參數(shù)。電路中各個開關(guān)管實現(xiàn)電路控制的驅(qū)動信號原理圖如圖28()所示?！皘 I以l．臥 隊片甲1 rI I！i

\1iJ.l'rll Iill沁HL亙 印廣工 圖2.8開關(guān)管驅(qū)動信號原Fig2.8theMOSFETdriving 2副邊控制保持副邊的一對開關(guān)管S6或者S5導(dǎo)通，直流電壓E施加在Sl~S4四個開關(guān)管構(gòu)成的兩個橋臂上。當(dāng)同時導(dǎo)通原邊開關(guān)管SI、S4或S2、S3中的一對時，功率從原邊通過變壓器T傳向副邊，經(jīng)過開關(guān)管S6或S5流向負(fù)載。原邊開關(guān)管相對于副邊的開關(guān)管有一個移相角＄，通過控制＄角來實現(xiàn)對輸出的控制。如圖.()所示。通過控制延遲時間參數(shù)IP,來實現(xiàn)占空比D的控制，進(jìn)而穩(wěn)定輸出電壓數(shù) MOSFET的雙向?qū)ㄌ匦缘挠坝蓤D2.1()所示，開關(guān)管SlS4用來將直流電源E逆變，通過控制他們的導(dǎo)通時間就可以實現(xiàn)。然而在副邊整流電路，要通過控制開關(guān)管S5、S6的導(dǎo)通和關(guān)斷時間來實現(xiàn)對輸出功率的控制，因此必然受MSFET的雙向?qū)ㄌ匦杂绊?。MOSFET為電壓控制型器件，電壓控制意味著對電場能的控制，故稱為場效應(yīng)晶體管。MOSFET是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，因此又稱為單極性晶體管。MSFET的電壓控制機理是利用柵極電壓的大小來改變感應(yīng)電場生成的導(dǎo)電溝道th的厚度（感應(yīng)電荷的多少）來控制漏極電流Id。當(dāng)柵極電壓gs小千門檻電壓時，無論Vds極性如何，兩個PN結(jié)中，總有一個PN結(jié)是反向偏置的，因此漏極電流Id幾乎為0,這種情況下形成耗盡層，MOSFET不能導(dǎo)通；當(dāng)柵極電壓大千門檻電壓時，漏源之間形成N溝道，由于N溝道的電阻很小，故在漏源正電壓Vds的作用下，電子由源極流向漏極，或者可以說，正電荷從漏極流向源極，這就是MOSFET的正向?qū)щ娞匦?。D8D圖2.9MOSFETFig2.9Thesymbolof事實上，柵源極電壓的作用僅僅是在千形成漏源之間的N溝道，而N型導(dǎo)電溝道相當(dāng)于一個無極性的等效電阻，因而從理論上分析，若改變漏源極的電壓極性，即漏源之間加反向電壓，電子會反向從漏極流向源極，正電荷將從源極流向漏極，實現(xiàn)MSFET反向?qū)?。圖2.9為MSFET實際應(yīng)用中的符號。實際應(yīng)用中，MOSFET的驅(qū)動波形一般通過控制柵極電壓來控制其開通與關(guān)斷。對于直流電源，可以實現(xiàn)開通與關(guān)斷，如圖2.l()的逆變電路中的開關(guān)管均可這樣控制。而在圖2.()中整流電路中，實際上開關(guān)管S5、S6控制的電源是交流電源，由于副邊MOSFET的驅(qū)動信號保持恒定的占空比，只是通過相對于原邊的移相來控制輸出，所以，在相當(dāng)千移相角0的時段里面，在存在驅(qū)動信號的情況下，MOSFET承受著反向電壓，而有可能使副邊短路，造成試驗失敗。因而，必須在MOSFET支串連一個快速恢復(fù)二極管，如圖2.(a)中的5和6,用來實現(xiàn)電流的單向?qū)?。缺點就是增加了電路中的損耗。4同步整流的定所謂同步整流管，即用MOSFET代替常規(guī)的整流二極管，根據(jù)電路拓?fù)涞墓ぷ饕螅o出開關(guān)時序作相應(yīng)變化的柵極驅(qū)動信號，基于柵極驅(qū)動信號與MOSFET開關(guān)動作接近同步，稱為同步整流。理想的同步整流技術(shù)是使得同步整流管起到和整流二極管同樣的作用，即正向電壓導(dǎo)通，反向電壓關(guān)斷。本文中采用的也是副邊同步整流技術(shù)，就是在副邊添加兩個開關(guān)管，用來實現(xiàn)對輸出功率的控制，不同的是整流管的壓降相對于輸出電壓而言很小，所以電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。保待原副邊開關(guān)管開關(guān)頻率同步，通過延遲副邊的開關(guān)管相對于原邊開關(guān)管的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)對輸出功率的控制，實現(xiàn)設(shè)計要求。5本章小本章同步整流技術(shù)是通過控制MSFET的驅(qū)動電路，利用副邊MSFET來實現(xiàn)對輸出功率的控制。這中控制策略相似千傳統(tǒng)意義的同步整流，不同的是不用MOSFET代替二極管，二極管依然作用于電路中。在文章中分別對電路拓?fù)涞牡谌贒DC變換器中，隨著功率的增大，頻率的增高，開關(guān)管的損耗會越來越大，而減小開關(guān)管損耗的措施之一就是軟開關(guān)的使用。在傳統(tǒng)的移相控制零電壓開關(guān) D/D全橋變換器(Phaseshiftdzro-voltage-switcing fll-ridgeovrtr,SZVSFBConverter)電路中，是利用變壓器的漏感或在變壓器原邊串聯(lián)電感和功率管的寄生電容來實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)的。新的基于移相控制副邊同步整流全橋變換器的電路拓?fù)?，同樣也是利用變壓器漏感和功率管的寄生電容來實現(xiàn)零電壓開關(guān)，同時在副邊增加的兩個開光管實現(xiàn)了零電流開關(guān)。本章將對電路的工作過程，軟開關(guān)的實現(xiàn)過程，以及電路的模型建立分別加千說明。11采用副邊同步整流全橋變換器的主電路圖如圖3.1所示。變壓器原邊是由四個開關(guān)管Sl~S4構(gòu)成的兩個橋臂組成，每個開關(guān)管上并聯(lián)續(xù)流二-－-圖3.1主電路拓Fig3.1themain極管(~)C(C~C4)。變壓器副邊是由整流二極管(D5、D6)、續(xù)流二極管D7和兩個功率開關(guān)管(S5、S6)，以及濾波電感LO、輸出濾波電容co組成。設(shè)定SI和S2為前橋臂，S3和S4為后橋臂。變壓器原邊接在每個橋臂兩個開關(guān)管的連接端，因此每個開關(guān)管所承受的電壓為輸入電壓E的12。開關(guān)管SI和S4（或S2和S3)同時導(dǎo)通，且與另一對開關(guān)管S2和S3（或SI和S4)保持互補導(dǎo)通，在變壓器副邊形成固定幅值（設(shè)為)的交流電壓，通過改變副邊的兩個開關(guān)管S5或者S6的導(dǎo)通時間，或者由上一章所提及的第二種控制方法保持開關(guān)管S5、S6的導(dǎo)通不變，而同時移相開關(guān)對管S2和S3或Sl和來調(diào)節(jié)電路的有效占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。全橋式變換器電路中，一對開關(guān)管在工作周期的前半部分和后半部分交替的通斷，若他們的飽和壓降相等，導(dǎo)通脈寬也一樣，則我們稱電路工作在平衡狀態(tài)。電路在平衡狀態(tài)下，高頻變壓起原邊繞組上兩個半周期內(nèi)施加的“伏一秒“數(shù)相等，磁通也對稱。但是在實際電路中，若由于某種原因?qū)е聝蓚€半周期內(nèi)施加在變頻變壓器上的電壓不等（例如開關(guān)管的飽和壓降有差異）或者是一對晶體管的導(dǎo)通脈寬不相等（例如由于時間的不一致，控制電路輸出脈寬不等以及反饋環(huán)路引起的不對稱等等）時，功率轉(zhuǎn)換電路便工作在不平衡狀態(tài)。在橋式電路中，則在兩個不對稱的半周期內(nèi)施加在高頻變壓器上的“伏一秒“數(shù)不相等，兩個半周期那磁通變化的幅值也就不相同。如果磁通在—個周期終了時不能返回到起始點，千是將在一個方向逐漸增大，起工作區(qū)域偏向一個象限，引起磁心飽和，從而導(dǎo)致開關(guān)管的損耗。這就是所謂的“單向偏磁＂。為了防止變壓器的偏磁飽和，通常用如I)串聯(lián)耦合電容改變偏磁性在變壓器鐵芯中加一個小氣隙在此設(shè)計中，采用的是第法，電容C8就是添加的電容。電路應(yīng)用電壓型控制策略，以簡化控制設(shè)計2全橋變換器主電路的基本為了便于原理的闡述，在分析電路前)功率開關(guān)管為理想器件，其開通和關(guān)斷與驅(qū)動信號一致，并且導(dǎo)通壓降為零，關(guān)斷時漏電感為零；二極管為理想器件，導(dǎo)通壓降為零，瞬時關(guān)斷所有電容均為理想的，等效串聯(lián)電阻SR為零；輸出濾波電感工作性不飽和區(qū)域，寄生電容為零；變壓器不考慮磁心和線圈電阻損耗、溫度的影響忽略偏磁電容C8在第二章中選擇了雙極性控制和移相控制來實現(xiàn)對新電路拓?fù)溟_關(guān)管的控制。由于移相的特殊性，把原副邊開關(guān)管分為兩組，等效于傳統(tǒng)全橋變換器中的超前橋臂中的開關(guān)管和滯后橋臂中的開關(guān)管。則有兩種移相方式：1,原邊控制信號超邊控制信號，副邊控制信號相對于原邊移相；2,原邊控制信號滯后副邊控制信號，副邊控制信號相對千原邊移相下面 2.1原邊控制信號超邊控制信號的電路工作模態(tài)分電路的主要波形圖3.2所示。在一個開關(guān)周期可以劃分為6個開關(guān)模態(tài)工3.3給出了各個模下的等工? ?

SI立署立署I I， ，oo55.x.飛＿ ＿”“m”“口，．可圖3.2電路的主要波形（一Fig3.2themainwaveforms(一如圖32所示，b為原邊變壓器電壓，Vgs為開關(guān)管Sl~4的驅(qū)動電壓，II6分別為副邊開關(guān)管S5、6的電流波形，I7為副邊續(xù)流二極管7的電流波形，Im為變壓器勵磁電感的波形。下面將對電路的各個模態(tài)進(jìn)行開關(guān)模態(tài)l[TO,Tl]（如圖 在O時刻，SI、S4導(dǎo)通，變壓器副邊正向電壓加在開關(guān)管S6上，此時，開光管S6關(guān)閉，因此，副邊的濾波電感LO通過續(xù)流二極管D7續(xù)流。電感LO上的電流逐漸減小，電容co和電感LO向負(fù)載供電。叫叫 叫叫

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II,7了＿了--(e) (f)圖3.3變換器各種模態(tài)等效電路（一Fig3.3theequalcircuitofeverymode（一（粗實線表示有電流流過開關(guān)模態(tài)2[Tl,T2]（如圖 在Tl時刻，開關(guān)管S6導(dǎo)通，因為存在漏感的關(guān)系，它上面的電流不能突變，因此可視為零電流開通，實現(xiàn)ZCS。副邊電壓經(jīng)過開關(guān)管S6和二極管D6,經(jīng)過電感O加在負(fù)載上。電感LO上的電流逐漸增加。有功率從變壓器原邊流向負(fù)載。開關(guān)模態(tài)3[T2,T3]（如圖3.3在T2時刻，開關(guān)管SI、S4關(guān)斷，原邊電流向電容Cl、C4充電，開關(guān)管SI、S4為零電壓關(guān)斷。S6繼續(xù)保持導(dǎo)通。此時當(dāng)Cl、C4的電壓升到E/2時，電流通過二極管D2、D3流向電源E。副邊開關(guān)管S6的電流迅速減小為零，續(xù)流二極管的電流逐漸增加，最后副邊電路保持續(xù)流狀態(tài)。開關(guān)模態(tài)4[T3,T4]，模態(tài)5[T4,T5]，模態(tài)參考圖3.3(df)，在T3時刻，開關(guān)管S2、S3導(dǎo)通，原邊勵磁電感上的電流逐漸減小，二極管D2、D3上因為有電流流過而把開關(guān)管S2、S3上的電壓嵌位在o,所以開關(guān)管S2、S3為零電壓開通。電路為續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)變壓器副邊開關(guān)管S6上的電流為零，此時關(guān)斷S6,所以實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。T4時開關(guān)管S5導(dǎo)通，功率從變壓器原邊流向負(fù)載；T5時刻，開關(guān)管S2、S3關(guān)斷，S5依舊導(dǎo)通，副邊續(xù)流；在T6時刻開關(guān)管SI、S4導(dǎo)通。剩下的模態(tài)重復(fù)開關(guān)模態(tài)1~6。由上面的分析可以知道，在變壓器原邊的開關(guān)管均可以實現(xiàn)ZVS(Zero-voltageswitchng)，而在副邊的開關(guān)管均可以實現(xiàn)ZCS(Zero-currentswitching)。由于存在給原邊電容充放電的時間（模態(tài))，所以原邊的開關(guān)管死區(qū)時間兒要足夠電容充放電，近似為[29]:i.tdl芩空 i.o其中為原邊開關(guān)管并聯(lián)的電容，m()TO時刻的電流值。增大m()有助于原邊開關(guān)管實現(xiàn)vs,但是同時也增加了電路的損耗。原邊控制信號滯后副邊控制信號的電路工作模態(tài)兩種驅(qū)動策略所得到的電路工作模態(tài)是不同的。電路的主要波形圖3.4所示。在一個開關(guān)周期同樣可以劃分為6個開關(guān)模態(tài)。圖3.5給出了各個模態(tài)下的等效電路。各個模態(tài)的工作模態(tài)I.開關(guān)模態(tài)I[TO,Tl],（如圖 在TO時刻，開關(guān)管S2S3導(dǎo)通，此時開通開關(guān)管S6,則由于加在開關(guān)管S6上的電壓為負(fù)，且開關(guān)管串聯(lián)一快恢復(fù)二極管，所以沒有電流流過，開關(guān)管為零電流開通。在Tl'時刻開關(guān)管S2S3關(guān)斷，原邊漏感電流給電容C23充電，I4放電，所以S2S3為零電壓關(guān)斷。當(dāng)電容C23的電壓達(dá)到E/2時，電流通過二極管I4流向電源。副邊電路保待續(xù)流狀態(tài)，沒有功率從電源E流向負(fù)載。2.開關(guān)模態(tài)2[Tl.T2],（如圖 在Tl時刻，開關(guān)管S1S4導(dǎo)通，由于二極管ID4的嵌位作用，開關(guān)管S1S4的開通為零電壓開通。此時加在變壓器副邊開關(guān)管S6上的電壓為正，有電流流開關(guān)模態(tài)3[T2,T3],（如圖 玉玉SIS2,·＿·”i ｀.. 氣氣，一， 立了

l了 圖3.4電路主要波形（二Fig3.4themainwaveform（二開關(guān)模態(tài)4[T3,T4]，模態(tài)5[T4,T5]，模態(tài)在3時刻開通S5，由于電路采用的是全波整流方式，所以此后電路的工作模式和模式1、2、3相似。然后電路將循環(huán)模式1～模式6的過程。參考膽3.5(d,,f。原邊的死區(qū)時間設(shè)置如式C3.1)叫 月Ifill(I:;: 巳 (a) (b)尸j.L"!'Ji.L 『I Il 習(xí)il：十飛』中1 ,I1;＇:l1+i11IL ＿ ＿

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口咕1--*飛I卒Ill 口 11 II巳島 Ce) (f)圖3.5電路各種工作模態(tài)等效電路（二Fig3.5theequalcircuitofeverymode（二（粔實線表示有電流流過3. 隨著開關(guān)頻率的提高，通過實現(xiàn)軟開關(guān)可以減少系統(tǒng)的損耗。軟開關(guān)的實現(xiàn)這個特殊的工作狀態(tài)，以及軟開關(guān)的實現(xiàn)情況、實現(xiàn)條件加于說明。2.1原邊控制信號超邊控制信號的電路軟開關(guān)分圖3.6給出了在時間[T2,T3]內(nèi)電路的換流情況；另一個換流的時間是[T5,T]，工作狀況和前面的相似。此時變壓器原邊開關(guān)管關(guān)斷，變壓器原邊漏感電流給電容l、C4充電，C2、C3開始放電，當(dāng)lC4電壓達(dá)到E/2時，變壓器漏感電流通過D2D3流向負(fù)載。副邊電路發(fā)生換流。在圖3.6中，ld7表示的是流過續(xù)流二極管D7的電流波形，Id6表示的是流過二極管D6的電流波形，和功率管S6的電流波形相同。在[T2,3]時段內(nèi)，流過開關(guān)管S6的電流迅速減小，直到為零；而二極管D7的電流則由零迅速上升到負(fù)載電流大小。原邊電路電流通過二極管流向電源E,開關(guān)管被嵌位為零。在這個過程中，始終有 (10為濾波電感電流 (3-勹r勹rff電路

圖3.6變換器的換

電流Fig3.6converter根據(jù)前面的的分析，在變壓器原邊的開關(guān)管可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)；變壓器副邊的開關(guān)管可以實現(xiàn)零電流開關(guān)。但電路軟開關(guān)的實現(xiàn)受到變壓器漏感，輸入電壓的影響。開關(guān)管S6和S5分別相對于S1S4和S2S3移相。設(shè)初始條件S1S4開通，S6延遲開通。當(dāng)開關(guān)管S6導(dǎo)通以前，其上受到一正電壓應(yīng)力，當(dāng)S6開通，由于漏感或者原邊電路串聯(lián)的諧振電感的影響，副邊開關(guān)管的電流不能迅速上升，副邊開關(guān)管的電流上升如下：華＝上凡 (3- 式中i2表示副邊開關(guān)管的電流，vab表示逆變器的輸出電壓，V2表示變壓器副邊電壓，n為變壓器變比。當(dāng)開關(guān)管S/S4關(guān)斷的時候，因為并聯(lián)無損緩沖電容的關(guān)系，為零電壓關(guān)斷。此時當(dāng)完成電容Cl4的充放電過程后，漏感或諧振電感電流通過二極管D2、D3流向電源，由于二極管的嵌位作用，此時控制開關(guān)管S2/S3導(dǎo)通，則可實現(xiàn)零電壓開通；同時，由千原邊的電流并不能滿足負(fù)載所需電流，則變壓器原副邊電壓為零，供電電源電壓全部加在漏感或諧振電感上，副邊負(fù)載通過續(xù)流二極管D7續(xù)流，開關(guān)管S6上的電流迅速減為零，此時S6的控制信號仍然為高電平，當(dāng)S6關(guān)斷的時候，流過它的電流為零，所以S6實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。S2/S3的關(guān)斷開通情況和Sl/S4相同，所以在原邊電路可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，而副邊開關(guān)管可以實現(xiàn)零電流開關(guān)。但是由于漏感或者諧振電感承受電源電壓，流向電源的電流迅速減小，開關(guān)管SlS4或者S2S3必須在這個電流減小為零以前開通，才能利用二極管的嵌位作用實現(xiàn)零電壓開通。所以可以說，漏感越大，原副邊開關(guān)管越容易實現(xiàn) 2原邊控制信號滯后副邊控制信號的電路軟開關(guān)分析由于全橋變換器電路平衡狀態(tài)工作的對稱性，文中只分析半個周期[T,T4]期間內(nèi)變換器的換流情況。這半個周期的換流情況發(fā)生在副邊開關(guān)管S6關(guān)斷的時刻，此時原邊開關(guān)管SlS4保持開通。在[T,T]時段，此時開關(guān)管SlS4導(dǎo)通，而開關(guān)管S6關(guān)閉，副邊發(fā)生換流情況，電流的流向和上一節(jié)中的相似，如圖3.6所示；不同的是開關(guān)管S6是硬關(guān)斷實際的電路等效圖如圖3.S(d)所這種控制方式的軟開關(guān)實現(xiàn)與上一個方式有些不同。S6超前千S1/4硬關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)管S6關(guān)斷后，原邊S1/S4繼續(xù)保持導(dǎo)通，勵磁電感的電流上升；S5開通是承受的是反向電壓，流過S5的電流為零；當(dāng)開關(guān)管S1/S4關(guān)斷后勵磁電感和漏感或諧振電感同時向負(fù)載供電，并通過二極管續(xù)流，利用二極管的嵌位作用將開關(guān)管S2S3電壓嵌位為零，所以開關(guān)管S2S3為零電壓開通。從上分析可以看出這種控制方式可以實現(xiàn)原邊的零電壓開關(guān)，但是卻不能實現(xiàn)副邊開關(guān)管的零電流開關(guān)。3在傳統(tǒng)的全橋變換器存在副邊占空比丟失的問題，即副邊的占空比小千原邊的占空比，他們的差值就是丟失的占空比。從上兩小節(jié)的分析可以看出，新的電路拓?fù)渲?，只要在原邊死區(qū)時間內(nèi)，漏感電流能夠?qū)崿F(xiàn)原邊并聯(lián)無損緩沖電容的充放電，電路始終保待功率流向副邊，不存在占空比的丟失問題。也就是原副邊占空比疊加的部分構(gòu)成了電路的有效占空比，這中間不存在占空比丟失的問題。電路的工作情況就像是BUCK電路，滿足D

(3-上式3.3取變壓器變比為l,為理想情況，D為原副邊開關(guān)管占空疊的時間占周期時間的比例，設(shè)為有效占空比。從前面幾節(jié)的分析可以看出．電路的就像是兩個BUCK變換器并聯(lián)在—起向負(fù)載供電。3.4本章小紹了電路中開關(guān)管的軟開關(guān)實現(xiàn)情況。第四章實驗電路的1主電路的設(shè)1.1實驗設(shè)計的性能要求輸入電壓：DC125V~輸出電壓：DC最大輸出電流：輸出電壓紋波要求小千1開關(guān)管開關(guān)頻率：lOOKHz。主電路的設(shè)計包括功率變壓器、輸出濾波電感、輸出濾波電容，防偏磁串連耦合電容，以及緩沖電路等的設(shè)計。主電路如圖4.1所示 互圖4.1主電Fig4.1themain實驗電路的直流供電電源E由工頻交流電經(jīng)整流獲得，如圖4.2所示，其中的Vl為工頻交流電壓。濾波電容Cl的選擇比較關(guān)鍵，如果Cl太小，整流后的電壓紋波很大，給電路的閉環(huán)調(diào)節(jié)帶了一定的；如果Cl太大，將會導(dǎo)致輸入功率因數(shù)過低和輸入電流嚴(yán)重畸變，EMI（電磁干擾）增加，同時也會增加整流橋和濾波電容上的損耗。一般而言，在輸入交流電時，整流濾波后的直流電壓的脈動值Vpp是最交流電壓峰值的20%-25%。可以按照下面來計算Cl的容量歸cl=（高血「－（高了V

(4-式中Pout表示輸出功率，n表示電路效率，f表示工頻頻率，V如表示輸入交流線電壓。去交流電壓為150V,計算可得C12900uf.實際電路中取C1=2200uf。圖4.2工頻整Fig4.2therectifiercircuitofACline為了提高高頻變壓器的利用率，減少原邊開關(guān)管的電流，從而減小損耗和降低成本，高頻變壓器原副邊變比應(yīng)該盡可能的大一些。為了在規(guī)定的輸入電壓范器有效的最大占空比為05,則可算出變壓器副邊電壓vs為：V。+VD+Vig_V虹 Dse<(m杠

(4-其中，V。是輸出電壓，VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降，V，8為是輸出濾電感上的直流壓降。本文的設(shè)計只是對新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種實驗，圖41中，取輸入的交流電壓v伽＝110,則整流后所得到的直流電壓m(v,.L0.8x110x2m如圖.1,原邊電路包括：四個開關(guān)管Sl~S4,無損緩沖電容ClC4，開關(guān)管嵌位二極管Dl~4,以及防偏磁串連耦合電容等；T為功率變壓器；副邊電路包括兩個開關(guān)管S5、S6,整流二極管D5、6,續(xù)流二極管D7,以及LC濾波電路和負(fù)載；R7、C7,R8、C8,R9、C9分別為變壓器原副邊的緩沖電路；R5、C5,R6、2功率變壓功率變壓器負(fù)責(zé)將功率從原邊傳送到副邊，它的設(shè)計非常重要。變壓器設(shè)計的好壞，不僅影響變壓器本身的效率和體積，還會影響到開關(guān)管的技術(shù)性能、可靠性以及電路的效率。開關(guān)電源的變壓器工作于高頻狀態(tài)，設(shè)計的參數(shù)很多，包括：電壓、電流、頻率、溫度、能黛、變比、漏感、磁材料參數(shù)、銅耗、鐵耗等等，需要自行設(shè)計，且它的分布參數(shù)的影響也不能忽略，包括漏感、分布電容以及電生的趨附效應(yīng)等。在實際電路的設(shè)計中，忽略部分參數(shù)，只是在電路中加大一些現(xiàn)有參數(shù)的值來近似設(shè)計。電路變壓器的設(shè)計[35]包括三個部分：鐵芯的選擇，銅線的選擇和繞制的方法。設(shè)計電路形式：全橋工作頻率 變換器最小輸入電壓隊）:,.. DC輸出電壓VO:原邊開關(guān)管的導(dǎo)通占空比Dl:副邊開關(guān)管的導(dǎo)通占空比 副邊的有效輸出占空比DO:原邊開關(guān)管導(dǎo)通壓降＋線路副邊開關(guān)管的導(dǎo)通壓降＋整流二極管導(dǎo)通壓降＋線路壓降：變壓器允許溫升：電路原理圖：見圖4-3J橋式變Jvv作

整流方式：全直流輸出電壓T最占T

最大負(fù)載電流：圖4-3全橋開關(guān)電源變壓器電Fig4-3thetransformer參數(shù)設(shè)計l)忽略輸入線路壓降和開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，按照的輸入電壓環(huán)境來計算，則Ul=Uiin125VUp2=(24+2)/(2x0.4)=32.原邊的工作次級電流有效12=J1+2x0.4x52Ipl=(32.5/125)x3.354=0.初級繞組電流有效l,=拉盂x0.872變壓器的輸出P2=./元芷 計算銅耗因子設(shè)所用導(dǎo)線直徑小千兩倍深度，則Z=l.96x234.5+25+25234.5+變壓器計算功P,=97.5x(l＋丘 B=O.5x0.3=0.15(T)，所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)為： l.7&x0.152xl000002x0.02查變壓器手冊附表，井根據(jù)元件庫中已有的元件，選擇磁芯規(guī)格Yc=2744669cm5，有效截面積為1.11cm2,散熱表面積為40cm20先確定次級繞組的匝數(shù) 初級繞組匝數(shù)為Nl=

確定原邊繞組導(dǎo)線線徑和在選用繞組的導(dǎo)線線徑時，要考慮導(dǎo)線的效應(yīng)，一般要求導(dǎo)線線徑小千兩倍深度。變壓器的工作頻率為lOOKHz,在此頻率下，銅導(dǎo)線的深度A＝空或209mm，因此繞組應(yīng)選用線徑小千0.418mm的銅導(dǎo)線。另外在輸打壓最低時，取電流密度為7.4A/mm2，則原邊導(dǎo)線面積為Sml.

初級繞組線徑d,=1.13x..f.豆；＝0.7607(mm)，初級繞組匝數(shù)Nl必須滿足N1之一2?取N1=4；同樣可以計算出N2=4,選取銅線AGW#27,采取四股并繞的方法繞制變壓器采用一般的繞法，即先繞原邊繞組，然后再依次繞副邊的兩個繞組。4.1.3防偏磁串連耦合電容由千功率開關(guān)管的驅(qū)動電路的不一致，以及功率開關(guān)管的離散性，單相逆變橋的交流方波電壓中含有較小的直流分量，如果不用電容將直流分量隔去，主變壓器就會飽和，有可能導(dǎo)致單相逆變橋損壞。串連耦合電容的作用就是將與產(chǎn)生不平衡的伏一秒值有關(guān)的支流偏壓濾掉，從而平衡變壓器電壓的伏一秒值。串連耦合電容是串連在變壓器原邊，在圖4.1中電容8就是一個串連耦合電電壓峰值Vcbp20%Vi,i壓為V,得cp=31V,則cb==0.2在實際電路中取luf1.4輸出濾波電感和輸出濾波電容的設(shè)

(4—由于開關(guān)電源的電路存在高頻波動和傳導(dǎo)干擾等，為了得到試驗指標(biāo)要求，就必須通過濾波電路來濾除不需要的諧波部分。通常采用的是LC濾波電路。輸出濾波電感和濾波電容常與下列因數(shù)有關(guān)：變換器的種類，工作頻率，負(fù)載電流，占空比，紋波電壓，紋波電流，暫態(tài)響應(yīng)，輸出電壓文獻(xiàn)[36]給出了一般輸出濾波器設(shè)計的方法和步驟。具體設(shè)計如下1，輸出濾波電輸出濾波電感的設(shè)計與變壓器類似，通常輸出濾波電感分為兩類：不飽和電感，飽和電感。不飽和電感主要用來增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，串連在功率電路里可以增加一個系統(tǒng)的極點，提高系統(tǒng)的性能。同時在全橋變換器的電路里也有續(xù)流的作用。在續(xù)流階段，不飽和電感必須能夠提供的功率給負(fù)載。飽和電感主要是用來濾除輸出的高頻諧波，因為變換器電壓變換以及開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷必然會帶來一些電流電壓尖峰，此時飽和濾波電感對高頻信號呈現(xiàn)高阻態(tài)，對低頻信號呈現(xiàn)低阻態(tài)，保待功率的有效傳輸。有時也叫飽和電感為瞬態(tài)吸收器，通常的工業(yè)產(chǎn)品是一個小磁珠。本設(shè)計的電感為一個不飽和電感。由千輸出電感的電流是單方向流動的，且基本上是一個直流量，并迭加一個很小的2倍于開關(guān)頻率的交流分量，所以其工作時的磁通密度可以接近千飽和磁通密度。鐵粉芯因為允許的工作磁通密度大，比較適合用作濾波電感的鐵芯。設(shè)定電感工作千線性區(qū)域。在移相 DC/C全橋變換器中，原邊的交流方波電壓經(jīng)過高頻變壓器變壓和輸出整流橋后，得到一個高頻直流方波電流。從輸出濾波器側(cè)來看，移相全橋變換器實際上類似千一個BUCK變換器，只不過它的工作頻率為開關(guān)頻率的2倍。因此在設(shè)計移相全橋變換器的輸出濾波電感和輸出濾波電容時，可選用BUCK變換器的計算，只是要將其開關(guān)頻率f，改為2f$。在設(shè)計BUCK變換器的輸出濾波電感時，要求輸出濾波電感電流在某一個最小電流/O(ccm)時保待連續(xù)。那么輸出濾波電感量的計算如下(4—L=2X:0(ccm)［飛(4—"是輸出濾波電感的工作頻率，等于兩倍的開關(guān)頻率。在工程設(shè)計時，一般的經(jīng)驗算法是要求輸出濾波電感電流的最大脈動量為最大輸出電流的20%，也就是說在輸出滿載電流的10％的條件下，輸出濾波電感電流應(yīng)該保持連續(xù)，因此在上式中I0(ccm)可取l0%X/0("""'）。由千輸入電壓是變化的，為了保證濾波電感電流的最大脈動量不超過最大輸出電流的20%，上式中V"取V呻笆）。這樣當(dāng)輸入電壓最高，Vm(max)=2OOV時，根據(jù)上式，L=62.4Uh，實際設(shè)計中留有一定的裕量，所以取值為lOOu。2,輸出輸出濾波電容的容量與電源對輸出電壓峰峰值A(chǔ)V叩計算輸出濾波電容的電容值：(4-C=8Lf寸[I(4-fct是輸出濾波電容的工作頻率，等千兩倍的開關(guān)頻率。在本電路中，可出電壓的交流紋波為t.V0PP=0V，根據(jù)上式得C=U，考慮到電解電容有ESR,因此在實際電路中，一般選擇多個電解電容并聯(lián)使用，同時容量也比計算值大一些，這里選擇兩個560u的電解電容并聯(lián)使用耐壓值為35V。5電路功率開關(guān)管的選E1BVDS間的最高工作電壓，并且這個電壓隨溫度上升而增大；2、最大漏極電流］Dox'這個電流是在輸出特性飽和區(qū)中漏極電流飽和值；3、閥值電壓VGS（開啟電壓通常定義在漏極短接的條件下．ID等于1毫安時的柵極電壓定義為閥值電壓。隨著漏源極電壓增加，閥值電壓會降低，這就是短溝道效應(yīng)對閥值電壓的影響。另外，閥值電壓也會隨著結(jié)溫的升高而下降；4導(dǎo)通電阻R。N，它決定了輸出電壓和BVS越高，DVS越小，則RN越大。這些都是在選擇MOSFET的時候必須考慮的；以及跨導(dǎo)（互導(dǎo)）（gm)，最高工作頻導(dǎo)通提高器件的開關(guān)速度，縮短導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間的關(guān)鍵在于減少場效應(yīng)器件極間電容如圖4-4所示。三個極間電容與MOSFET輸入電容c“＇、輸出電容c"，和反饋電容C,SS下's,＝產(chǎn)，＝CGD+CDS

(4-·e·es圖4-4MOSFET極間電容sFig4-4the inMOSET管工作在高頻時為了防止振蕩，必須注意：1、盡可能減少MOSFET各端點的連線長度，特別是柵極引線。如果無法使引線縮短，可以考慮在靠近柵極處串連一個小電阻以便抑制寄生振蕩；2、由于MOSET的輸入阻抗高，驅(qū)動電源的阻抗必須比較低，以免正反饋所引起的振蕩，特別是，MOET的直流輸入阻抗是非常高的，但它的交流輸入阻抗是隨頻率而改變的。因此MOSET的驅(qū)動波形的上升和下降時間，與驅(qū)動脈沖發(fā)生器的阻抗有關(guān)。原邊電路主功率開關(guān)管的額定功率必須足于保證電路可靠工作，且電流電壓值需留有兩倍的裕度，選擇的是IF820;變壓器的變比為4,副邊電路的電流比較大，除了保證留有裕度外，還為了減少開關(guān)管的導(dǎo)通損耗而選擇了APT5010B。由于驅(qū)動信號的對稱性，驅(qū)動電路設(shè)計原理如圖4-5所示圖4-5中，電路采用驅(qū)動，Vg表示由控制輸出的驅(qū)動脈沖信號Ql、Q2表示一對管，在實際電路中就是開關(guān)管Sl、 S3、S4或者S5、S6 J圖4-5MOSFET的驅(qū)動原理線路圖Fig4-5MOSFET-drivingcircuit兩個驅(qū)動信號共地，與開關(guān)管主電路通過變壓器一個功率OET流。但是在設(shè)計實際應(yīng)用中，一般通過緩沖器改變了OSET的負(fù)載線，增加了它的可靠性，同時也消耗了過剩的關(guān)斷能量。在關(guān)斷時，為了限制漏源極間加的電壓變化率4E堅，通常采用串、并聯(lián)緩沖電路的方式。本文設(shè)計中在副邊的開關(guān)管上采用并聯(lián)的方式添加緩沖電路。如圖4-6二亙二TT重圖4—6開關(guān)管緩沖網(wǎng)絡(luò)Fig4-6 inparallelwith4.2控制電路的設(shè)開關(guān)變換系統(tǒng)的主電路（開關(guān)變換器）起了能量傳遞、控制（功率處理）和直流電壓變換的作用，開關(guān)變換器有較大的儲能元件，如濾波電感、濾波電容等，因此主電路的慣性時間比控制開關(guān)晶體管的脈沖間隔時間要大得多。控制電路主要由集成電路組成，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號（如脈沖信號），控制電路中的電容一般比較小，因此其慣性小于主電路。開關(guān)變換系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，這是因為開關(guān)品體管工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)。主電路在時間上是分段線性網(wǎng)絡(luò)。此外，系統(tǒng)在工作時占空比D有一定范匣限制（采用控制），不可能超過這個限定區(qū)域工作；開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，這是因為控制電路有脈寬調(diào)制器，將連續(xù)的誤差放大信號調(diào)制成脈沖信號，再通過驅(qū)動控制開關(guān)晶體管的通斷。為了完成對系統(tǒng)的控制，整個電路采用U5來實現(xiàn)移相控制，對于輸出控制則采用最簡單的電壓控制，主要用來穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓采樣值v。,和基準(zhǔn)電壓V,1進(jìn)行比較后由三角波調(diào)制出相應(yīng)的脈寬，再由的邏輯電路實現(xiàn)延遲，進(jìn)而得到移相控制信號。如圖47所示．二心二＜拿 V了圖4—7反饋Fig4-6thecontrol整個控制回路由輸出電壓采樣電路、誤差放大器電路、脈寬調(diào)制發(fā)生器和主電路元件的驅(qū)動電路組成。1控制Unirode公司的移相控制UC3875是專門為全橋移相電路而開發(fā)的，代替了早期用分立器件的做法，使全橋移相的技術(shù)更容易轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。UC3875開通時的門檻電壓為10.75V，關(guān)閉時的門檻電壓為9.25V；能輸出0-100％的占空比；可通過的電阻電容來設(shè)定死區(qū)；工作時的開關(guān)頻率可達(dá)MZ；既可工作在電壓模式，也可工作在電流模式；能輸出四個圖騰柱式的驅(qū)動波形，驅(qū)動能力可達(dá)2安培；帶有軟啟動功能；內(nèi)部帶有1OMHZ的誤差放大器，為設(shè)置閉環(huán)帶來了方便；配有5.0V的基準(zhǔn)電壓。的原理方框圖如圖4-8所示。主要引腳功能如下1、基準(zhǔn)電UC3875提供一個5.0的精密基準(zhǔn)電壓源VREF (pin1)，可為外部電路提2、的供電和接(PnO) V是給輸出驅(qū)動級和輔助偏置電路供電，當(dāng)V高于3V作，大于12V性能最優(yōu)．VC必須通過一低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)旁路電容接到功率地(Pin12);(Pin11)Vin給邏輯和模擬電路供電，不直到信號地(Pn20)必須接低ESR和ESL的旁路電容。Vn的旁路電容和頻率設(shè)置端的時間常數(shù)電容都必須以信號地(Pn20)為參考。實際應(yīng)用中，一般把 和Vn短接起來，把功率地和信號地短接起來，這樣有利千對噪音的抑制和降低流壓降。篤OLOO“”

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＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 圖4-83875Fig4-8thelogiccircuitof3、頻率的設(shè)內(nèi)部有一個高速振蕩器，通過在頻率設(shè)定腳 (pinl6)和信號GND端之間接一個電容和電阻可以設(shè)置振蕩頻率，從而設(shè)置輸出級的開關(guān)頻4、Slope和Ramp斜率設(shè)置腳 (Pinl8)與 (5V基準(zhǔn)電壓VREF或工作電壓Vin)之間一電阻Rslope,為鋸齒波腳Ramp(Pn 19)提供一個電流為Vx/Rslope的恒流源。在Ramp腳與信號地之間接一個電容ramp,就決定了鋸齒波的斜率K: k=－一 R,lop,Cro

(4-斜坡發(fā)生器有以下兒種控制模式：l）電壓模式；2）電壓前饋模式；3）平均電流模式；4）蜂值電流模式。5、誤差放大誤差放大器實際上是一個運算放大器，在平均電流模式作為閉環(huán)控制的應(yīng)用中，其同向端EA+(Pin4)接電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出誤差電壓，反向端EA-(Pn3)接檢測到的平均電流反饋信號。放大器的輸出端(Pn2)電壓低千V時，將促使1806、軟啟軟啟動端(Pn6)與信號地之間接一電容。當(dāng)此端正常工作時，內(nèi)部有一個9uA的電流源給外接電容充電，最后達(dá)到4.8V。軟啟動端在內(nèi)部與誤差放大器的輸出相連，當(dāng)誤差放大器的輸出低于軟啟動端的電壓時，誤差放大器的輸出電壓被鉗位在軟啟動端的電壓值。因此軟啟動端工作時，輸出級的移相角從0°逐漸加，使全橋變換器的輸出脈寬從零開始慢慢增大，直到穩(wěn)定工作，這樣可以減小主功率開關(guān)管的開機沖擊。改變電容的容值，可以改變軟啟動的時間。有兩種情況它放電接地：I)in低于門檻電壓時，2)/S端的電壓高千2.5V時。7、電流檢測C/S內(nèi)部是一電流誤差放大器，充當(dāng)比較器的作用。反向端接2.5V的參考電壓，當(dāng)電流檢測端(Pin5)的參考電壓達(dá)到或超過2.5V時，輸出關(guān)閉，軟起動重新開始。8、輸四個端口(A,BC,D)輸出四個圖騰柱的波形，驅(qū)動能力達(dá)2A。A、B控制滯后9、死區(qū)設(shè)死區(qū)時間是通過電阻接到地來實現(xiàn)的，如下62.5X10- (4-式中［如

心<<R

D,/ovlmA2.2雙輸出驅(qū)動為了避免UC3875驅(qū)動六個開關(guān)管過熱，需要加入推挽驅(qū)動電路，以增大驅(qū)動電流功率。我們選用MOTOROLA公司的MC34152，它具有獨立的騰柱輸出，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖49所示。三圖4-9MC34152Fig4-9 of它具有以下特點1.5A雙獨立圖騰柱輸lOOOpF負(fù)載時輸出上升、下降時間為15ns;(3)(6)的輸出通過變壓器驅(qū)動MOSFET,并與主電路4.23補償網(wǎng)本設(shè)計中選擇的補償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如004-10＂冒＂w.嗣上圖4-10補償Fig4一10 Network前面設(shè)計的輸出濾波器參數(shù)LO=lOOuh,CO=1120uf。由前面第三章的分析，歸＝叢

(4- L,C0sR系統(tǒng)的極點頻率J=2?？溉‰娐返念l率Fco為開關(guān)頻率的F放大器的轉(zhuǎn)折頻率Fz=二巴則4F尸 F尸2冗

(4-即IOkHz,并且取