準(zhǔn)諧開關(guān)電源的設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 變壓器開關(guān)電源半橋式變壓器開關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開關(guān)電源，從原理上來說，半橋式變壓器開關(guān)電源也屬于推挽式變壓器開關(guān)電源，它是多種推挽式變壓器開關(guān)電源家庭成員之一。在半橋式變壓器開關(guān)電源中，也是兩個控制開關(guān) K1 和 K2 輪流交替工作，開關(guān)電源在整個工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性也很好。由于半橋式變壓器開關(guān)電源的兩個開關(guān)器件工作電壓只有輸入電壓的一半，因此，半橋式變壓器開關(guān)電源比較適用于工作電壓比較高的場合。圖 26 是交流輸出半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理圖。圖中，KK2 是兩個控制開關(guān)，它們工作的時候，總是一個接通，另一個關(guān)斷，兩個控制開關(guān)輪流交替工作；電容器 CC2是儲能濾波電容，同時也是電源分壓電容，它們把電源電壓一分為二；一個充滿電的電容，我們可以把它看成是一個電源，因此，我們可以把電容器 CC2 看成是兩個電源串聯(lián)對變壓器負(fù)載供電；T 為開關(guān)變壓器，N1 為變壓器的初級線圈，N2 為變壓器的次級線圈，Ui 為長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）12直流輸入電壓，R 為負(fù)載電阻；uo 為輸出電壓，io 為流過負(fù)載的電流。從圖 26 原理圖中可以看出，電容器 C1 和 C2 與控制開關(guān) K1 和 K2 正好組成一個電橋的兩臂，變壓器作為負(fù)載被跨接于電橋兩臂的中間。但由于電容器 C1 和 C2 的參數(shù)或電壓基本上沒有跟隨控制開關(guān) K1 和 K2 的導(dǎo)通和截止同步變動，并且在實際應(yīng)用中為了節(jié)省成本，經(jīng)常只使用一個電容器 C1 或 C2，因此，我們把圖 26 的電路稱為半橋式開關(guān)電源電路，或半橋式變壓器開關(guān)電源。圖 26 中，電容器 CC2 首先要被輸入電源 Ui 充電，兩個充滿電的電容器相當(dāng)于兩個電源串聯(lián)。當(dāng)控制開關(guān) K1 接通時，電容器 C1 兩端的電壓被加到變壓器初級線圈 N1 繞組的a、b 兩端，電容器 C1 將通過變壓器初級線圈 N1 繞組進行放電；同時，由于互感的作用在變壓器次級線圈 N2 繞組的兩端也會輸出一個與 N1 繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負(fù)載 R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個正半周電壓。當(dāng)控制開關(guān) K1 由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，控制開關(guān) K2 則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通，電容器 C2 兩端的電壓被加到變壓器初級線圈 N1 繞組的 b、a 兩端，電容器 C2 也將通過變壓器初級線圈 N1 繞組進行放電；同理，由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級線圈 N2 繞組的兩端也會輸出一個與N1 繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負(fù)載 R 的兩端，使開關(guān)電源輸出一個負(fù)半周電壓。由于電容器 C1 放電電流的方向正好與電容器 C2 放電電流的方向相反，因此，在變壓器次級線圈 N2 繞組的兩端輸出電壓 uo 是一個脈沖寬度與控制開關(guān) K1（或 K2）接通時間對應(yīng)的方波。由于輸入電源 Ui 直接與串聯(lián)電容器 C1 和 C2 連接在一起，因此，在任一時刻，當(dāng)一個電容器在進行放電的時候，另一個電容器就會進行充電，兩個電容器充、放電的電荷總是相等。長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）13圖 26 半橋式變壓器開關(guān)電源半橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式變壓器開關(guān)電源一樣，由于兩個開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個開關(guān)電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，半橋式變壓器開關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流后，輸出電壓的電壓脈動系數(shù) Sv 和電流脈動系數(shù) Si 都很小，僅需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波和電流紋波就可以達到非常小。半橋式變壓器開關(guān)電源最大的優(yōu)點是，對兩個開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關(guān)電源對兩個開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因為，半橋式變壓器開關(guān)電源兩個開關(guān)器件的工作電壓只有輸入電源 Ui 的一半，其最高耐壓等于工作電壓與反電動勢之和，大約是電源電壓的兩倍，這個結(jié)果正好是推挽式變壓器開關(guān)電源兩個開關(guān)器件耐壓的一半。因此，半橋式變壓器開關(guān)電源主要用于輸入電壓比較高的場合，一般電網(wǎng)電壓為交流 220 伏供電的大功率開關(guān)電源大部分都是用半橋式變壓器開關(guān)電源。半橋式開關(guān)電源的變壓器初級線圈只需要一個繞組，這也是它的優(yōu)點，這對小功率開關(guān)電源變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對于大功率開關(guān)電源變壓器的線圈繞制沒有優(yōu)勢，因為，大功率開關(guān)電源變壓器的線圈需要用多股線來繞制。半橋式變壓器開關(guān)電源的缺點主要是電源利用率比較低，因此，半橋式變壓器開關(guān)電源不適宜用于工作電壓較低的場合。另外，半橋式變壓器開關(guān)電源中的兩個開關(guān)器件連接沒有公共地，與驅(qū)動信號連接比較麻煩。半橋式開關(guān)電源最大的缺點是，當(dāng)兩個控制開關(guān) K1 和 K2 處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時候，兩個開關(guān)器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導(dǎo)通區(qū)域，即兩個控制開關(guān)同時處于接通狀態(tài)。這是因為開關(guān)器件在開始導(dǎo)通的時候，相當(dāng)于對電容充電，它從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個過渡過程；而開關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時候，相當(dāng)于對電容放電，它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止?fàn)顟B(tài)也需要一個過渡過程。當(dāng)兩個開關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過渡過程時，即兩個開關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時半導(dǎo)通狀態(tài)時，相當(dāng)于兩個控制開關(guān)同時接通，它們會造成對電源電壓產(chǎn)生短路；此時，在兩個控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器負(fù)載。因此，在兩個控制開關(guān) K1 和 K2 同時處于過渡過程期間，兩個開關(guān)器件將會產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開關(guān)過渡過程產(chǎn)生的損耗，一般在半橋式開關(guān)電源電路中，都有意讓兩個控制長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14開關(guān)的接通和截止時間錯開一小段時間。單電容半橋式變壓器開關(guān)電源比雙電容半橋式變壓器開關(guān)電源節(jié)省一個電容器，這是它的優(yōu)點。另外，單電容半橋式變壓器開關(guān)電源剛開始工作的時候，輸出電壓差不多比雙電容半橋式變壓器開關(guān)電源是輸出電壓高一倍，這種特點最適用于作為熒光燈電源，例如，節(jié)能燈或日光燈以及 LCD 顯示屏的背光燈等。（3）全橋式變壓器開關(guān)電源全橋式變壓器開關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開關(guān)電源。它同時具有推挽式變壓器開關(guān)電源電壓利用率高，又具有半橋式變壓器開關(guān)電源耐壓高的特點。因此，全橋式變壓器開關(guān)電源經(jīng)常用于工作電壓高，輸出大功率大的場合。 開關(guān)電源的效率分析現(xiàn)在的電源對于效率的要求越來越高了，從節(jié)能方面的要求講也是希望提高效率，但是效率提高的隨之帶來的是成本的提高，所以在效率與成本的權(quán)衡下選擇效率提高的方式，下面簡單介紹一下開關(guān)電源中提高效率的方法。 開關(guān)損耗開關(guān)電源中的開關(guān)損耗占得比重是很大的，包括開關(guān)元器件 MOSFET 和次級 Diode 的開關(guān)損耗，所以為了減小開關(guān)損耗，我們可以通過更改 Mosfet 的驅(qū)動電路來實現(xiàn)。使 Mosfet的上升速度和下降速度比較快，這個樣子可以實現(xiàn)開關(guān)損耗的減小。另外 Mosfet 的選取也是比較重要的，我們應(yīng)該選取一些極間寄生電容比較小的 Mosfet，這樣子也是可以提高開關(guān)速度。對于次級 Diode 的選取的話，我們可以通過選取一些 Trr 短的二極管，肖特基二極管。另外影響開關(guān)損耗的另一個關(guān)鍵的因素是變壓器的漏感，如果可能的情況下，我們可以通過減小變壓器的漏感來減小整個開關(guān)電源的開關(guān)損耗。還有就是開關(guān)電源工作的時候，我們應(yīng)該設(shè)計的回路，盡可能的減小磁滯回線包含的面積，這個樣子也能減小開關(guān)電源的損耗，提高效率。還有就是選用諧振模式或者準(zhǔn)諧振模式的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一樣可以減少開關(guān)損耗。 導(dǎo)通損耗由于各個元器件并不是理想的元器件，所以工作的時候都有壓降，這個過程中就產(chǎn)生了導(dǎo)通損耗。對于 Mosfet 來說，他有個閾值電壓，當(dāng) Gs 電壓大于閾值電壓時，就認(rèn)為 Mosfet打開了，但是我們要讓他們工作在過驅(qū)動狀態(tài)，這個樣子能減小通態(tài)電阻，減小導(dǎo)通損耗還有就是一個次級的整流二極管的導(dǎo)通損耗，很顯然，減小 Vf 可以降低導(dǎo)通損耗。對于變壓器來說，提高線徑，可以減少 DCR,進而減小導(dǎo)通損耗。長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）15 其它的因素對于整流來說，我們可以采用同步整流的方法，用 Mosfet 來做，這個樣子，可以減少用二極管來整流的導(dǎo)通損耗。長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）163 電路設(shè)計 軟開關(guān)電路的種類、特點 新型的軟開關(guān)電路根據(jù)發(fā)展歷程可分成三類:一類是以諧振技術(shù)為代表的準(zhǔn)諧振電路, 一般采用變頻控制(PFM)。第二類是零開關(guān)電路。 第三類是零轉(zhuǎn)換電路。第二類和第三類一般采用脈沖寬度控制(PWM )。 準(zhǔn)諧振型電路準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波, 因此稱之為準(zhǔn)諧振。準(zhǔn)諧振電路可以分為零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路, 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路, 零電壓開關(guān)多諧振電路。圖 31 所示為準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元。圖 31b 所示為零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路及工作波形。電路中所增加的諧振電感 Lr 和諧振電容 Cr 與電路中的濾波電容 C 和濾波電感 L 相比要小得多。當(dāng)軟開關(guān)電路中 S 關(guān)斷后 , 諧振電感 Lr 和諧振電容 Cr 發(fā)生諧振, 電路中電壓或電流的波形類似于正弦半波。開關(guān) S 兩端的電壓在開通前就已經(jīng)降為了零。從圖 31b 可以看出諧振的引入使得電路的開關(guān)損耗和開關(guān)躁聲都大大下降, 但也帶來一些負(fù)面問題。 諧振電壓峰值高, 要求電力電子器件的耐壓必須提高。 而諧振電流的有效值很大, 電路中存在大量的無功功率的交換,導(dǎo)致電路導(dǎo)通損耗加大。 諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而變化。 a 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元　b 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元c 零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元圖 31 準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 零開關(guān) PWM 電路這類電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后，零開關(guān) PWM 電路可分為零電壓開關(guān) PWM 電路(ZVS—PWM)和零電流開關(guān) PWM(ZCSPWM)。圖 32 所示為零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) PWM 電路基本開關(guān)單元。其中 S1 為主開關(guān)，S2 為長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）17輔助開關(guān)。a 零電壓開關(guān) PWM 電路基本開關(guān)單元　b 零電流開關(guān) PWM 電路基本開關(guān)單元圖 32 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān) PWM 電路基本開關(guān)單元Vgs1Vgs2Vg1Vg2Ig1Ig2(b)a ZCS—PWM 的電路　b ZCS—PWM 的波形圖圖 33 ZCS—PWM 電路及波形圖長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）18圖 33 所示為 ZCS—PWM 電路及波形圖，為了使主開關(guān) S1 零電流關(guān)斷，又引入了輔助開關(guān) S2。主開關(guān) S1 首先開通 , 通過開關(guān) S1 的電流逐漸增加至輸入電流值, 此時二極管VDVD2 關(guān)斷, 電容 Cr 反向充電至 Vo；輔助開關(guān) S2 開通后, 電容 Cr 與 Lr2 諧振, 當(dāng)電容 Cr 兩端電壓降至零時，二極管 VD1 導(dǎo)通, 電容 C r 與電感 LrLr2 諧振至二極管VDVD4 開通, 兩開關(guān) SS2 實現(xiàn) ZCS 關(guān)斷。此電路可以使開關(guān) SS2 實現(xiàn)了 ZCS 關(guān)斷, 但兩開關(guān)是硬開通, 電容 Cr 與電感 Lr2, 電容 Cr 與電感 LrLr2 的諧振回路要通過輸出端, 會增大輸出端的電壓波動。從圖 33 可以看出, 零開關(guān)電路同諧振電路相比有很多明顯優(yōu)勢: 電壓和電流基本上是方波, 只是上升沿和下降沿較緩, 開關(guān)承受的電壓明顯降低, 電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM 控制方式。 零轉(zhuǎn)換 PWM 電路這類軟開關(guān)電路仍然采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻, 諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的, 因此輸入電壓和負(fù)載電流對電路的諧振過程影響很小, 電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。 電路中無功功率的交換被削減到最小, 這使得電路效率有了進一步提高。此類電路可分為零電壓轉(zhuǎn)換 PWM (ZVT—PWM)和零電流轉(zhuǎn)換 PWM (ZCT—PWM)。如圖 34 所示為零電壓轉(zhuǎn)換和零電流轉(zhuǎn)換 PWM 電路的基本開關(guān)單元。 (a) 零電壓轉(zhuǎn)換基本開關(guān)單元　(b)零電流轉(zhuǎn)換基本開關(guān)單元圖 34 零電壓轉(zhuǎn)換和零電流轉(zhuǎn)換 PWM 電路基本開關(guān)單元圖 35 所示電路為 ZVT—PWM 電路及波形圖。主開關(guān) S1 關(guān)斷后, 其寄生電容 Cr1 被恒流充電至輸出電壓 VO, 為輔助開關(guān) S2 提供 ZVZCS 關(guān)斷 , 此時二極管 VD0 及 VD4 導(dǎo)通。 開關(guān) S2 關(guān)斷后, 電感 Lr 與開關(guān) S2 寄生電容 Cr2 發(fā)生諧振至開關(guān) S2 兩端電壓等于 VO, 二極管VD3 導(dǎo)通。 當(dāng)流過電感 L r 的電流減少至零時, 電感 Lr 與開關(guān) SS2 的寄生電容 CrCr2長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）19諧振, 諧振結(jié)束時, 開關(guān) S 1 和 S 2 兩端電壓與流過兩開關(guān)的電流均為零, 開關(guān) S 1 和 S 2 實現(xiàn)了 ZV ZCS 開通。 此電路使開關(guān) S S 2 實現(xiàn) ZV ZCS 開通, S1 實現(xiàn)了 ZV S 關(guān)斷, 二極管的反向恢復(fù)得到抑制, 開關(guān)電壓電流應(yīng)力較小電路結(jié)構(gòu)簡單。但電感 L r 始終有電流流過, 導(dǎo)致電流中環(huán)流較大, 增大通態(tài)損耗。Vgs1Vgs2Vg1Vg2Ig1Ig2(b)a ZVT—PWM 的電路　b ZVT—PWM 的波形圖圖 35 ZVT—PWM 電路及波形圖 軟開關(guān)電路的選用原則 開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點（多級串聯(lián)） ，一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文