基于软开关技术的开关电源设计.docx

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1、 摘要 软开关PWM技术集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率管的零电压开关，又能实现功率管的恒定频率控制，是电力电子技术的发展方向之一。与传统PWM硬开关变换器相比，元器件的电压、电流应力小，仅仅增加了一个谐振电感，成本和电路的复杂程度没有增加。移相控制零电压开关PWM变换器就是软开关PWM技术中的一种拓扑，它适用于中、大功率直流一直流变换场合。文中详细分析了基本的移相控制ZVS PWM DC-DC全桥变换器的工作过程，讨论了移相控制ZVS PWM DC-DC全桥变换器的零电压开关条件、副边占空比丢失以及整流二极管的换流情况，指出基本的移相控制ZVS PWM DC-DC全桥变换器

2、的不足：滞后桥臂实现零电压开关比较困难；副边占空比丢失严重。为解决这些问题，提出了利用饱和电感来减少副边占空比丢失的方法并分析了带饱和电感的移相控制ZVS PWM DC-DC全桥变换器的工作过程。介绍了给滞后桥臂增加辅助电路以改善滞后桥臂开关管的软开关环境的方法，并详细分析了一种带辅助网络的移相控制ZVS PWM DC-DC全桥变换器的工作过程。它具有辅助电路简单，辅助电路的电感、电容和二极管的电流电压应力小，副边占空比丢失小等优点。研究了桥式变换器的不平衡问题及解决方法。初步设计了一个通信用48V10A的开关电源。该电源设计过程中，主电路的结构设计及参数计算方法及电路的控制、保护功能都得到了

3、体现。电路的控制、保护功能是由单片机PIC16F877A完成的,该单片内部有A/D转换模块和PWM模块，简化了电路的设计。关键词: 开关电源；移相控制；软开关；零电压；占空比 ABSTRACTSoft-switching PWM technique integrates the advantage of resonant converter and constant frequency modulator，which realizes zero-voltage-switching in constant frequency，and is one of the development trend

4、s of power electronicsOnly adding a resonant inductor, stress of voltage and current in devices turns lower than traditional PWM hard-switching, without increasing cost and complication of circuitPhase Shifted zero-voltage-switching PWM converter(PS-ZVS-PWM converter)is one of the topologies using s

5、oft-switching PWM technique，and is suited for middle to high power DC-DC conversion applicationThis dissertation analyzes the operation principle of PS-ZVS-PWM FB converter systemicallyThe classical PS ZVS PWM DC-DC FB converter has some disadvantages such as its lagging leg is difficult to achieve

6、ZVS and its loss duty of secondary is largeTo alleviate these problemsthis paper introduces a PS ZVS PWM DC-DC FB converter using saturable inductor to reduce its loss duty of secondaryThis paper also introduces a PS PWM DC-DC FB converter with an auxiliary network attached to its lagging legThis au

7、xiliary network has the advantages such as its circuit is simplethe current stresses and voltage stresses on its components are smallThe question of unbalance on PS PWM DC-DC FB converter is discussed, and the solution to the problem is proposedBased on the circuit topology, a switch power supply of

8、 48V/10A for communication system is designedThe design of structure and calculation methods of parameter in the DC-DC converter main circuit and the design of the control and protect circuit have been presented Key Words：Switch power supply；Phase-shifted control；Soft-switching；Zero-voltage-switchin

9、g；Duty 目录摘要第一章 绪论11.1、概述11.2、开关电源的现状及其发展趋势21.3、设计内容和设计指标4第二章 开关电源技术的理论分析52.1、开关电源的基本原理52.2、开关电源的基本拓扑结构52.2.1、单端反激式变换器52.2.2、单端正激式变换器62.2.3、推挽式变换器62.2.4、半桥式变换器72.2.5、全桥式变换器72.3、开关电源的软开关技术82.3.1、软开关技术的概念82.3.2、软开关技术的发展10第三章 全桥变换器及工作原理133.1、传统的PWM全桥变换器133.2、PWM DC-DC全桥变换器的控制143.3、移相控制ZVS PWM全桥变换器的特点163

10、.3.1、移相控制ZVS PWM全桥变换器的优点163.3.2、移相控制ZVS PWM全桥变换器的缺点163.4、移相控制ZVS PWM全桥变换器的改进173.4.1、加钳位二极管的移相全桥ZVS PWM变换器173.4.2、副边加缓冲吸收回路的移相全桥ZVS PWM变换器183.5、移相控制ZVS PWM全桥变换器的分析183.5.1、零电压开关条件及实现183.5.2、副边占空比丢失19第四章 移相全桥软开关PWM变换器设计204.1、设计参数选定204.2、EMI滤波电路设计204.3、高频变压器的设计214.4、谐振电感设计234.5、输出滤波电路设计244.6、功率开关器件及二极管的

11、选择244.7、其他器件选型25第五章 控制电路设计275.1、系统控制方案275.1.1、控制方案比较275.1.2、方案论证275.1.3、整体控制方案285.2、PIC单片机简介285.3、采样电路设计295.4、保护电路设计315.5、MOSFET驱动电路设计325.6、辅助电源设计35第六章、软件设计386.1、总体编程思想386.2、主程序流程图386.3、A/D转换流程图396.4、PI算法子程序396.5、PWM波控制子程序406.6、输出过流保护子程序41总结42参考文献43英文原文与翻译45致谢63附录一 元器件清单64附录二 程序清单66第一章 绪论1.1、概述随着电子技

12、术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。电源是一切电子设备的动力心脏，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标，它可分为线性电源和开关电源两种。开关电源SPS(Switching Power Supply)被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80-90，比普通线性稳压电源效率提高近一倍，在通信、计算机及

13、家用电器等领域得到广泛应用，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC-DC开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高，而DC-DC开关电源的设计也更具挑战性。开关电源是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高精度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。近年来，随着电力电子学的高速发展，电力供给系统也得到了很大的发展。同时，人们对电源的要求也越来越高。在高效率、大容量、小体积之后，对电源系统的输入功率因数和软开关技术也提出了更高的要求。从1997年1月，美国、欧洲、日本相继禁止没有进行谐

14、波抑制和功率因数改善的供电系统进入市场，并对高次谐波电流和功率因数制定了详细的国际标准，这样就使世界各国的电源开发研究机构投入了大量的人力、物力来研究这一课题，形成了电源系统研究中的一个新领域。电源是给电子设备提供所需要的能量的设备，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电子设备要获得好的工作可靠性必须有高质量的电源，所以电子设备对电源的要求日趋增高。相对于线性稳压电源来说，开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备的要求，从20世纪中期开关稳压电源问世以来就倍受关注，特别是20世纪80年代以后，由于电力电子技术的发展和新型电力电子器件的产生，使其在计算机、通信、航天、办公和家用电器等方面得到广泛应

15、用，大有取代线性稳压电源之势。但是，由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率，近年来国内外的专家学者提出了众多的电路拓扑，使得软开关技术成为电力电子技术研究的热点。1.2、开关电源的现状及其发展趋势上世纪六十年代初期以前，线性调整器一直占据着电源市场的主要份额。线性调整器由一个工作在线性区的晶体管与负载串联构成，结构简单，整个回路中不存在开关损耗。但是，线性调整器效率低，只能降压，输出与输入之间有公共部分，且其初始直流输入电压一般由工频变压器次级整流获得

16、，而工频变压器的体积和重量限制了它的推广应用。上世纪六十年代初期，PWM技术的出现极大地改变了直流变换器的设计方式，不仅降低了开关电源的体积和重量，还提高了电源的功率因数和效率，很快就取代了线性调整器的位置。上世纪六七十年代是半导体技术飞速发展的时期，新的功率器件不断涌现，如门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)、电力场效应管(MOSFET)等全控型器件，以及在八十年代异军突起的绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)。这些器件不仅可以工作在更大的电压电流定额下，而且开关速度得到了极大的提高。同时，非晶、微晶磁芯和高频铁氧体等磁性材料的研究也取得了进展。因此，开关电源可以工作在越来越高

17、的频率，从而使开关电源向着高频化、小型化、高功率密度的方向发展。开关电源抗干扰技术及防止电网污染技术也已经引起国内外专家的注意。在21世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成”、“电力电子封装技术”等。目前，新的器件(能在低压工作、降压很小的器件)已经陆续进入市场，可以得到1V的低压输出和功率小到10毫瓦的开关电源、功率密度达5-6Wem)，为便携装置微型化提供了条件。现在可以采用软开关PWM技术、印刷电路、折叠绕组变压器，可以采用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到90，大功率电源可达到95左右。开关频率以20kHz为下限，几十、几百倍的提高。设备体积、重量越来越显

18、著下降。外形也可以做成轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而足精致、灵巧、可没计成兼有“智慧”的装置了。虽然近几年国内的开关电源技术取得了长足的进展，理论、研究、生产、应用等已有相当成果或规模，但我国开关电源市场尚未很好开拓，相控电源在我国现有电源中占有较大的市场份额。因此，利用PWM技术的电源必须取代各类相控电源。对于现代的开关电源功率交换技术的发展趋势，可以概括为：高频化、高效率、无污染和模块化。(1)高频化。高频化是缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度的重要技术途径。高频化还可使开关电源的动态品质得到改善。小功率DC-DC变换器的开关频率将由200-300kHz，提高到1M

19、Hz。功率密度也将由每立方英寸50瓦提高到100瓦以上。理论分析和实践经验表明：电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz(提高400倍)的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的lO。无论是逆变式整流焊机，还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造成为开关变换类电源，其主要材料可以节约90或更高，还可节电30或更多。由于功率电子器件的工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节

20、约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。(2)高效率。作为电源，效率是重要的关键指标之一。高频化的结果，使开关损耗显著增加。因此，80年代后期以来，软开关变换技术始终是电源技术研究的热门课题。有无源软开关技术，即应用无源器件(L、C、R等)构成网络，对功率开关实现无损缓冲软开关的技术，如谐振、准谐振、恒频零开关以及ZVT-PWM或ZCT-PWM，还有适用于桥式电路的谐振直流环节逆变技术等。软开关技术理论上可使开关损耗降为零。实际上可使目前的各种电源模块的变换效率由80提高到90以上，达到高频率、高效率的功率变换。(3)无污染。随着电力电子装置和电源的大量广泛应用，使输入电源的谐波电流显著增加

21、，功率因数大为降低，供电网受到明显污染。开关电源的输入端常常是二极管整流和电流滤波的组合电路，其输入电流呈脉冲状，交流侧功率因数只有0.60.7。提高AC-DC开关电源的输入端功率因数，可用无源或有源功率因数校正(APFC)技术。无源校正技术较为简单，即应用LC滤波网络，只不过滤波网络体积、重量较大。有源校正技术是在输入整流和DC-DC变换器，利用控制电路(有专用的集成控制芯片)，使输入端电流波形接近正弦并保持与电压同相，从而使输入端功率因数接近1，电路成本约增加20，效率达到9798。电源系统的无污染还有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约。而发电是造成环境污染的重要原因，所以节

22、电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能对电网产生污染。国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰。甚至出现缺角和畸变。20世纪木，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。(4)模块化。模块化是为了适应分布式电源供电系统的需求。过去，电源功率不大时，均是采用单一集中的供电方式。近年来有明显地向分布式供电发展的趋势。这是由于：分布式供电具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高的优点；适用于低损耗、超高速型集成电路低电压电源的供电要求；当需

23、要大功率输出时，可用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成积木式智能化大功率供电电源。这样的好处是：减轻了对大功率元器件的研制压力；减轻了对大功率装置的研制压力。但开关电源也存在本身固有缺点：(1)存在较为严重的开关干扰。开关电源中主要功率开关管工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机工作。此外由于开关电源与电网问没有工频降压变压器的隔离，这些干扰会串入工频电网，污染电网并影响其它电子仪器、设备的工作。(2)输出纹波较大。由于开关电源体积的限制，电解电容的容量不可能无限制增加

24、，所以导致低频纹波存在。而随着开关电源频率的提高，在每次主歼关管的开关过程中都要产生相应尖峰电压过冲，使得开关电源输出电压中包含两倍于主开关管工作频率的共模纹波。(3)电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。1.3、设计内容和设计指标1、主要内容：研究全桥PWM变换器及其控制方式，并进一步研究移相控制方式及移相控制ZVS PWM全桥变换器的优缺点，ZVS PWM DC-DC全桥变换器的电路拓扑、工作原理，掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。2、设计出大功率移相控制全桥软开关PWM DC-DC变换器，研究实现ZVS的条件实现开关管的软开关工作。3、该电源的主要设计指标如下：（1）输入电压：单相AC2

25、20V，有效值波动在15%以内；4555Hz；（2）输出电压：DC48V；（3）输出电流：10A；（4）输出最大功率600W； 第二章 关电源技术的理论分析2.1 、开关电源的基本原理现在，人们简称ACDC开关稳压(整流)电源为开关电源。它必须同时具备三个条件：开关(电路中的电力电子器件必须工作在开关状态而不是线性状态)，高频(电路中的电力电子器件必须工作在高频状态而不是接近工频的低频)以及直流(电源的输出是直流而不是交流)。其开关电源基本稳压原理如下图21所示。图2.1 开关电源基本稳压原理框图从上图分析可知开关电源基本工作原理为开关K以一定的时间间隔重复的接通和断开，在开关K接通时，输入电

26、源E通过接通的开关以及输出滤波电路给负载供电，在整个开关接通的过程中，电源E给负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的供应。由此可见，输入电源E向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量供应，开关电源必须要有一套储能装置，在开关K接通的过程中储存能量，并在开关断开的过程中为负载提供能量。在上图中，电感L、电容C以及二极管D所组成的电路就具有这种功效。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L上的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量。2.2 、开关电源的基本拓扑结构功率变换电路中，目前应用最多的就是脉冲宽度调制型(PWM)稳压电源功率转换电路，常见的开关

27、电源功率变换电路拓扑有单端反激、单端正激、推挽式、半桥式、全桥式电路等。2.2.1、单端反激式变换器在单端反激式变换器中，开关管Q在一定占空比的脉冲驱动下导通或关断，输入直流电压V被变换成高频交流方波电压，经变压器给输出电容和负载提供能量。其中电路中的变压器是电感储能式变压器，它不仅有传输能量的作用还有储存能量的作用。当开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；当开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量，因此该拓扑中不需要输出滤波电感，使反激变换器成本降低，体积减少。单端反激式变换器在输出功率为5-150W电源中应用非常广

28、泛，对多路输出具有较好的自动平衡能力，所以它最适合于多路输出的DC-DC变换。此外，反激变换器不需要高压续流二极管，它广泛应用于高电压、小功率场合。图2.2 单端反激变换器2.2.2、单端正激式变换器单端正激式变换器与反激式变换器不同之处是在开关管导通期间输入端电源经变压器向输出滤波电容和负载提供能量。在图2.3所示结构中，正激变换器结构中变压器增加了一个去磁线圈Nf， Nf的匝数与Np相同，其作用是在开关管关断期间使变压器磁芯复位。单端正激式变换器的工作可靠性很高，因而其应用非常广泛，是通信开关电源整流模块逆变开关电路的优选方案之一在最大直流输入电压为60-200V，输出功率 150-200

29、W的场合，正激变换器可能是应用最广泛应用的场合。图2.3 单端正激变换器2.2.3、推挽式变换器高压开关管Q1、Q2由驱动电路控制基极，以PWM方式激励而交替通断，输入直流电压被变换成高频方波交流电压。推挽变换器的实质是两个正激变换器轮流交替工作。当Q1导通时，输入电源V通过Q1施加到高频变压器的原边绕组Np。由于变压器具有两个匝数相等的主绕组Np,所以在Q1导通时，截止开关管Q2必须承受两倍的输入直流电压。当基极激励消失时，一对高压开关管均截止，它们的集电极施加电压均为V。下半个周期，Q2将被激励而导通，相对应的截止开关管Q1也将承受两倍的输入直流电压，接着又是两个开关管都截止。再下一个周期

30、重复上述过程。该电路的主要缺点是：电路结构相对复杂，成本较高，变压器绕组利用率低，对功率管的耐压要求比较高。图2.4 推挽式变换器2.2.4 、半桥式变换器半桥变换器的拓扑结构如图2.5所示，它的主要优点是，开关管的稳态关断电压为直流输入电压，而不是像推挽拓扑或单端正激变换器那样为两倍的输入直流电压。它的工作过程与全桥变换器一样，只是将全桥变换器拓扑中前臂的开关管由电容取代。半桥式电路有一个极其重要的特点是具有抗不平衡能力，这也是它获得广泛应用的一个重要原因。半桥式变换器适用于直流输入电压为50-1000V,输出功率为100-500W的场合。图2.5 半桥式变换器2.2.5、 全桥式变换器由图

31、2.6可见，Q1和Q3、Q2和Q4组成全桥变换器的两臂。高频变压器的初级连接在两桥臂的中间，相对的开关管Q1和Q4、Q2和Q3由驱动电路以PWM方式激励而交替通断，(Q1和Q4同时通断、Q2和Q3同时通断)将直流输入电压转换成高频方波交流电压。其工作过程与推挽式变换器一样。全桥式功率变换电路适用于各种输出功率容量等级的直流电源变换器，输出功率从数KW到数百KW。与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半，桥式变换电路的逆变变压器也比较简单，容易制作。图2.6 全桥式变换器2.3、开关电源的软开关技术2.3.1、 软开关技术的概念开关电源是应用功率半导体器件，在一个电路拓扑中运行于“

32、开关状态”，按一定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源结构。开关电源工作原理不同于传统线性稳压电源，它是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。它直接将电网工频电压经整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行比较放大处理，以此调节输出的PWM脉冲占空比，最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。但传统的开关电源在开通和关断时，功率管两端的电压和电流均不为零，因此会产生较大的开关损耗，这使得电源的效率很低，当开关频率升高时，开关损耗也相应增大，这种开关方式称为

33、“硬开关”。在电力开关变换器的发展过程中，硬开关器件PWM变换器的研究最早，相关理论也基本成熟，它是软开关变换器的基础。由于该技术比较成熟，控制简单，功率拓扑简洁，目前它在实际工程应用中依然占据主导地位。一般来说，所谓PWM技术是指在开关变换过程中保持开关频率恒定但通过改变开关的接通时间的长短(即脉冲宽度)，使得当负载变化时，负载上的电压输出变化不大的方法。脉宽调制硬开关技术产生于上世纪50年代，经过60年代的成长期、70年代的发展期和80年代的成熟期，迄今为止已经获得了广泛的应用。但是，由于电子开关是一种“硬开关”，即功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，电

34、路的开关损耗很大。这使得PWM开关技术的高频化受到了许多的限制，主要表现在以下四个方面：(1)开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行，在关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。(2)感性关断问题：电路中难免存在感性元件，如变压器的漏感、连线电感等寄生电感或实体电感，在高频状态下，开关器件关断，当通过该感性元件的电流较大时，感应出的高尖峰电压加在开关器件的两端，易造成电压击穿。(3)容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。(

35、4)二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截至时存在反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关管，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关管和二极管的损耗急剧加大，重则致其损坏。由于现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化发展, 必然要求开关频率越来越高。当开关频率很高时, 往往造成开关过程中di/dt和du/dt 很大, 给电路造成严重的噪声污染和开关损耗, 且产生严重的电磁干扰, 软开关技术的出现解决了这一系列问题。随着电子技术的发展，要求开关电源有较高的开关频率和较低的开关损耗，在这样的市场需求下，软开关技术出现了。所谓“软开关”是与“硬开

36、关”相对应的。硬开关是在控制电路的开通和关断过程中，电压和电流的变化剧烈，产生较大的开关损耗和噪声，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰, 影响周边电子设备的工作。软开关是在硬开关电路的基础上，增加了小电感、电容等谐振器件, 构成辅助换流网络, 在开关过程前后引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通；或使流过开关的电流为零时关断, 使开关条件得以改善, 降低传统硬开关的开关损耗和开关噪声, 从而提高了电路的效率。软开关包括软开通和软关断。理想的软开通过程是：电压先下降到零后, 电流再缓慢上升到通态值, 所以开通时不会产生损耗和噪声，软开通的开关称

37、之为零电压开关。理想的软关断过程是：电流先下降到零后,电压再缓慢上升到通态值，所以关断时不会产生损耗和噪声，软关断的开关称之为零电流开关。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI等问题。当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应力和噪声, 将变得难以接受。谐振变换器虽能为开关提供零

38、电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM 技术。它们使用某种形式的谐振软化开关转换过程,开关转换结束后又恢复到常规的PWM 工作方式,但它的谐振电感串联在主电路内, 因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围有关, 在轻载下有可能失去零开关条件。为了改善零开关条件, 人们将谐振网络并联在主开关管上, 从而发展成零转换PWM 软开关变换器, 它既克服了硬开关PWM技术和谐振软开关技术的缺点, 又综合了它们的优点。目前无源无损缓冲电路将成为实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也

39、得到了广泛的应用。如今软开关变换器都应用了谐振原理, 在电路中并联或串联谐振网络, 势必产生谐振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。为此, 人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点, 其基本原理是通过辅助管实现部分主管的零电流关断或零电压开通, 主管的其余软开关则是由无损耗吸收网络来加以实现, 吸收能量恢复电路被ZCT、ZVT谐振电路所取代, 辅助管的软开关则是由无损耗吸收网络或管电压、电流自然过零来加以实现。换言之, 即电路中既可以存在零电压开通, 也可以存在零电流关断, 同时既可以包含零电

40、流开通, 也可以包含零电压关断, 是这四种状态的任意组合。由此可见, 由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。2.3.2、 软开关技术的发展软开关技术的发展可分为：准谐振变换器， 零开关PWM 变换器，零转换PWM变换器及无源无损缓冲电路等多种软开关技术。 （1）、准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。为最早出现的软开关电路，可以分为：零电压开关准谐振电路（ZVS QRC）；零电流开关准谐振电路（ZCS QRC）；零电压开关多谐振电路（ZVS MRC）。准谐振开关实现了软开通或关断, 减少了开关损耗, 但其开关器件的通态电流或断态电压

41、应力大，谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高。谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大。因开关器件工作频率不恒定, 为保持输出电压在各种条件下基本不变, 必须采用变频控制方法, 然而该控制方式比PWM变换器复杂, 而且变压器、电感等磁性元件要按最低频率设计, 实现最优设计困难。因此, 谐振开关一般应用在小功率低电压而且对体积和重量要求十分严格的场合, 比如宇航电源和程控交换机的DC-DC电源模块。准谐振电路的基本开关单元如图2.7所示。 图2.7 准谐振电路的基本开关单元a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b）零电流开关准谐振电路的基本开关单元 c）零电压开关多

42、谐振电路的基本开关单元（2）、零开关PWM变换器 零开关PWM变换器包括零电压PWM变换器和零电流PWM变换器, 它们是在准谐振软开关的基础上, 加入一个辅助开关管, 来控制谐振元件的谐振过程, 实现PWM控制。它只利用谐振实现换相, 换相完毕后仍采用PWM工作方式, 从而既能克服硬开关PWM在开关过程中的三大缺陷, 又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低；电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。与传统PWM硬开关变换器相比，仅仅增加了一个谐振电感，成本和电路的复杂程度没有增加。零开关PWM电路的基本开

43、关单元如图2.8所示。图2.8 零开关PWM电路的基本开关单元a）零电压开关PWM电路的基本开关单元b）零电流开关PWM电路的基本开关单元（3）、零转换PWM变换器 零转换PWM变换器包括ZVT-PWM变换器和ZCT-PWM变换器, 其谐振网络是与主开关并联的。 在开关转换期间, 并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后, 电路又恢复到正常的PWM工作方式。零转换PWM变换器既克服了硬开关PWM和谐振技术的缺点,又综合了它们的优点。为此, 该类变换器在中大功率场合得到广泛应用, 并具有如下优点: 采用PWM控制方式, 实现恒定频率控制。辅助电路只是在开关管开关时工作,其他时候不工作

44、, 而且是与主功率回路相并联, 不需要处理很大的环流能量,从而减小了辅助电路的损耗。辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力。零转换PWM电路的基本开关单元如图2.9所示。图2.9 零转换PWM电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路的基本开关单元b）零电流转换PWM电路的基本开关单元第三章 全桥变换器及工作原理3.1、 传统的PWM全桥变换器PWM脉冲宽度调制是指在开关电源工作过程中，开关频率不变，通过改变开关接通时间的长短即脉冲宽度来实现对输出电压和输出电流的调整，开关管的通断控制与开关管上流过的电流和两端所加的电压无关。PWM开关技术以其电路简单，控制方便而获得了广泛的应用，许多

45、国家争先致力于功率电子器件、磁性材料，控制集成芯片和电路拓扑等方面的研究。PWM在DC-DC变换器中，有单管构成的变换器，一般适用于中小功率应用场合。全桥变换电路拓扑是目前国内外多管DC-DC变换电路中最常用的电路拓扑之一，在中大功率应用场合更是首选拓扑，这主要是考虑它具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。PWM DC-DC全桥变换器典型结构及主要波形如图3.1。 (a)结构图 （b）主要波形图3.1 传统PWM全桥变换器结构及主要波形从图可知：DC-DC全桥变换器由全桥逆变器和输出整流滤波电路组成。Vin是输入直流电压，Q1与Q3组成一个桥臂,Q2与Q4组成一

46、个桥臂。高频变压器Tr的原副边匝比为K：1：1，DR1和DR2是输出整流二极管，Lf是输出滤波电感,Cf是输出滤波电容，RLD是负载。考虑所有元器件为理想情况，通过控制四只开关管，在A、B两点得到一个幅值为Vin的交流方波电压，经过高频变压器的隔离和变压及由DR1和DR2构成的全波整流，在C、D两点得到幅值为Vin/K的直流方波电压，Lf和Cf组成的输出滤波器将这个直流方波电压中的高频分量滤去，在输出端得到一个平直的直流电压，其电压值为VO=DVinK，其中D是占空比，D=2Ton/Ts，Ton是导通时间，TS是开关周期。通过调节占空比来调节输出电压。3.2 、PWM DC-DC全桥变换器的控

47、制PWM DC-DC全桥变换器的控制方式有双极性控制方式，有限双极性控制方式，不对称控制方式和移相控制方式。1、双极性控制方式双极性控制方式是全桥电路最基本的控制方式，开关管Q1和Q4，Q2和Q3同时开通和关断，两对开关管以PWM方式交替开通和关断，其开通时间均不超过半个开关周期，即它们的开通角小于180o。如图32所示。由图可见，当Q1、Q4导通时，Q2、Q3上的电压为Uin，反之亦然，当四个开关管都处在截止状态时，每个开关管所承受的电压为Uin/2。由高频变压器的漏感与开关管结电容在开关过程中产生高频振荡所引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，钳位二极管D1-D4将导通，使开关管两端的电压被钳制在输入电压上。这种控制方式是过去全桥路最基本的方式。在这种方式中，功率变换是通过中断功率流和控制占空比的方法来实现的，其工作频率恒定。2、有限双极性控制方式该方式也可称不齐尾双极性控制方式。电路中一个桥臂的两个开关管(例如Q2，Q4)180o互补导通，另一个开关桥臂的两个开关管的导通占空比可调。如正半周期中，Q1，Q4同时导通，Q4