全谐振开关电源的原理 设计谐振变换器中的变压器 (design for an LLC resonant converter(transformer )设计全过程! 近段时间LLC谐振变换器备受关注,因为它优于常规的串联谐振变换器和并联谐振变换器:在负载和输入变化较大时,频率变化很小,且全负载范围内切换可实现零电压转换(ZVS), 下面我们就来讨论这种线路结构种的变压器设计. 当然在设计变压器之前还有些其它线路的设计,大概总结如下: a) 定义系统参数, 比如说目标效率. 输入电压范围等 b) 确定谐振网络的最大和最小电压增益 M min=Vro/Vinmax/2=Lm+n^2Llks/Lm=Lm+Llkp/Lm M max= Vin max/Vin min*M min c) 确定变压器圈数比(n=Np /Ns) n=Vin max/{2(Vo+2Vf)}*M min. d) 计算等效负载电阻(Rac) Rac={8n^2/(3.14)^2}*(Vo^2/Po)*Eff e) 设计谐振网络(一般在峰值增益上要有10-15%余量) Cr=1/2*3.14*Q*F0*Rac Lr=1/ (2*3.14*F0)^2*Cr Lp= (k+1)^2/(2k+1)*Lr 注:K值为: Lm/Llkp (激磁电感和初级漏磁电感之间的比)
下面进入主题-----设计变压器: 在设计变压器是应以最坏的情况来考虑,那么此案子是在最低的开关频率发生在最低的输入电压和满负载的情况下. 下面我们来计算原边(Np)最小圈数值.. Np min= n(V0+2Vf)/(2*Fs min* *Ae)-------△B:可以取0.25--0.3T. 然后,选择次级圈数,保证初级圈数大于Np min. Np =n*Ns>Np min 下面我们以一个实例来讨论LLC谐振变换器中的变压器具体设计: 首先根据Ap法算出大概需要的core size ,本例变压器选EER3541(Ae=107mm^2). 接下来再讨论最小的开关频率,在设计LLC谐振变压器时可以根据增益曲线可以从图表上查出,,,然后再按上述的公式来算初,次级的圈数.... 接下来就是和我们普通的变压器设计流程一样.... 下一步是来讨论变压器的构造... 因为LLC 谐振变换器是充分利用变压器的Lp,Lr..故在结构设计中应该留心... 刚有谈到LLC谐振变换器是充分利用变压器的Lp,Lr,则1在设计时需要一个相对较大的Lr值.我们一般可以采用一种可组合线轴.以获得理想的Lr值... 这种结构,线圈数和绕线结构是决定Lr大小的主要因素,而变压器的磁心气隙长度不会影响Lr太多...但,我们可以通过调整气隙长度来轻松控制Lp.. 最后我们来选择谐振电容.... 大家都知道,在选择谐振电容时必须考虑额定电流,因为会有相当数量的电流流经电容... 通过谐振电容器的均方根可表示为: Icr (rms)=√ {(3.14*Io/2√2n)^2 }+ {n(Vo+2*Vf)/4√2FoLm}^2
反激式开关电源电路图讲解 一，先分类 开关电源的拓扑结构按照功率大小的分类如下： 10W以内常用RCC(自激振荡)拓扑方式 10W-100W以内常用反激式拓扑(75W以上电源有PF值要求) 100W-300W 正激、双管反激、准谐振 300W-500W 准谐振、双管正激、半桥等 500W-2000W 双管正激、半桥、全桥 2000W以上全桥 二，重点 在开关电源市场中,400W以下的电源大约占了市场的70-80%,而其中反激式电源又占大部分,几乎常见的消费类产品全是反激式电源。 优点：成本低,外围元件少，低耗能，适用于宽电压范围输入,可多组输出. 缺点：输出纹波比较大。(输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善) 今天以最常用的反激开关电源的设计流程及元器件的选择方法为例。给大家讲解如何读懂反激开关电源电路图! 三，画框图 一般来说，总的来分按变压器初测部分和次侧部分来说明。开关电源的电路包括以下几个主要组成部分，如图1
图1，反激开关电源框图 四，原理图 图2是反激式开关电源的原理图，就是在图1框图的基础上，对各个部分进行详细的设计，当然，这些设计都是按照一定步骤进行的。下面会根据这个原理图进行各个部分的设计说明。 图2 典型反激开关电源原理图
五，保险管 图3 保险管 先认识一下电源的安规元件—保险管如图3。 作用：安全防护。在电源出现异常时，为了保护核心器件不受到损坏。 技术参数：额定电压 ,额定电流 ,熔断时间。 分类：快断、慢断、常规 计算公式：其中：Po：输出功率 η效率：(设计的评估值) Vinmin ：最小的输入电压 2：为经验值，在实际应用中，保险管的取值范围是理论值的1.5~3倍。 0.98： PF值 六，NTC和MOV NTC 热敏电阻的位置如图4。 图4 NTC热敏电阻 图4中的RT为NTC，电阻值随温度升高而降低,抑制开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。
电力电子学 ——电力电子变换和控制技术（第二版） 第 8 章 谐振开关型变换器
8 谐振开关型变换器 8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性8.2 谐振开关型变换器的类型 8.3 谐振开关型零电压开通（ZVS）变换器 8.4 谐振开关型零电流关断（ZCS）变换器 8.5 直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI 小结
?硬开关过程 ?开通（A→B →C）：在v T =V D下i T从0→Io，然后 在i T =Io下v T从V D→0 ，P on=v T i T大。 ?关断（C→B →A ）：在i T=Io下v T从0→V D，然后 在v T =V D下i T从Io→0，P off= v T i T大。 V D V T +- T D o L f I o C f R V o + - i f=I o C Q E B A P i T I o O V Q V D V CEP v T 硬开通：A－B－C 硬关断：C－B－A 图8.1(a) 硬开关电路开关轨迹
?有LC 缓冲器的软开关过程 ? 开通（ A →Q →E →C ）：L S 使工作点从A→Q，在v T ＝ V Q ZVZCS移相全桥软开关工作原理 (1) 主电路拓扑 本设计采用ZVZCS PWM移相全桥变换器，采用增加辅助电路的方法复位变压器原边电流，实现了超前桥臂的零电压开关(ZVS)和滞后桥臂的零电流开关(ZCS)。电路拓扑如图3.6所示。 图3.6 全桥ZVZCS电路拓扑 当1S、4S导通时，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端钳位电容Cc充电。当关断1S时，电源对1C充电，2C通过变压器初级绕组放电。由于1C的存在，1S为零电压关断，此时变压器漏感k L和输出滤波电感o L串联，共同提供能量，由于Cc的存在使得变压器副边电压下降速度比原边慢，导致电位差并产生感应电动势作用于L，加速了2C的放电，为2S的零电压开通提供条件。当Cc放电完全后，整流二极管全部k 导通续流，在续流期间原边电流已复位，此时关段4S，开通3S，由于漏感k L两边电流不能突变，所以4S为零电流关断，3S为零电流开通。 (2) 主电路工作过程分析[7] 半个周期内将全桥变换器的工作状态分为8种模式。 ①模式1 S、4S导通，电源对变压器初级绕组正向充电，将能量提供给负载，同时，输出端箝1 位电容Cc充电。输出滤波电感o L与漏感k L相比较大，视为恒流源，主电路简化图及等效电路图如图3.7所示。 图3.7 模式1主电路简化图及等效电路图 由上图可以得到如下方程： p Cc o s k dI V V V L n n dt = ++ (3-3) p c o I nI nI += (3-4) Cc c c dV I C dt =- (3-5) 由(3-3)式得： 2p Cc k d I dV nL dt dt =- (3-6) 将(3-6)式代入(3-5)式得： 22 p c c k d I I nC L dt = (3-7) 将(3-7)式代入(3-4)式得： 22 2 p p c k o d I I n C L nI dt += (3-8) 解微分方程： 22 2p p o c k c k d I I I nC L dt n C L + = (3-9) 其初始条件为： (0)0Cc t V ==；(0)0c t I == （3-10） 代入方程解得： ()sin s o p o k V V n I t t nI L ωω -= + (3-11) ()sin p s o c o k I V V n I t I t n nL ωω -=- =- (3-12) 准谐振和谐振转换-两种提高电源效率的技术 准谐振和谐振转换-两种提高电源效率的技术 全球对能源成本上涨、环保和能源可持续性的关注正在推动欧盟、美国加州等地的相关机构相继推出降低电子设备能耗的规范。交流输入电源，不论是独立式的还是集成在电子设备中的，都会造成一定的能源浪费。首先，电源的效率不可能是100%的，部分能量在电源大负载工作时被浪费掉。其次，当负载未被使用时，连接交流线的电源会以待机功耗的形式消耗能量。 近年来，对电源效率等级的要求日趋严格。最近，80%以上的效率已成为了基本标准。新倡议的能效标准更是要求效率达到87%及以上。此外，只在满负载下测量效率的老办法已被淘汰。目前的新标准涉及了额定负载的25%、50%、75%和100%这四个点的四点平均水平。同样地，最大允许待机功耗也越来越受到限制，欧盟提议所有设备的待机功耗均应低于500mW，对于我们将讨论的电视机，则小于200mW。 除专家级的高效率电源设计领域之外，电子设备中所用的功率范围从1W 到500W的交流输入电源，一直以来主要采用两种拓扑：标准(或硬开关)反激式(flyback)拓扑，和双开关正激拓扑。这两种拓扑都很易于理解，而它们存在的问题，以及如何予以避免，业界都已有充分的认识。 不过，随着对效率的要求不断提高，这两种拓扑将逐渐为三种新的拓扑所取代：准谐振反激式拓扑、LLC谐振转换器拓扑和不对称半桥拓扑。准谐振反激式拓扑已被成功用于最低功率级到200W以上的范围。在70W-100W范围，LLC谐振转换器比准谐振反激式拓扑更有效。而在这 两个功率级之上，不对称半桥转换器也很有效。 工作原理 准谐振和谐振拓扑都能够降低电路中的导通开关损耗。图1对比了连续传导模式(CCM)反激式、准谐振反激式和LLC谐振转换器的导通开关波形。 所有情况下的开关损耗都由下式表示： 这里，PTurnOnLoss为开关损耗；ID为漏极电流；VDS是开关上的电压；COSSeff是等效输出电容值(包括杂散电容效应)；tON是导通时间，而fSW是开关频率。 a)CCM反激式转换器b)准谐振反激式转换器c)LLC谐振转换器 图1CCM反激式、准谐振反激式和LLC谐振转换器的开关波形比较CCM反激式转换器的开关损耗最高。对于输入电压范围很宽的设计，VDS 在500V–600V左右，是输入电压VDC与反射输出电压VRO 之和。进入不连续传导模式(DCM)时，漏电流降为零，开关损耗的第一项也随之降为零。在准谐振转换器中，若在电压波形的第一个(或后一个)波谷时导通，可进一步降低损耗。图中虚线所示为准谐振转换器在第一个谷底导通时的漏极波形。 如果准谐振反激式转换器的匝数比为20，输出电压为5V，则VRO等于100V，因此对于375V的总线电压，开关将在275V时导通。若有效 UC3875引脚及功能介绍 UC3875是Unitrode公司生产的移相谐振全桥软开关控制器，它有4个独立的输出驱动端可以直接驱动四只功率MOSFET管，见图1，其中OUTA和OUTB相位相反，OUTC和OUTD相位相反，而OUTC和OUTD相对于OUTA和OUTB的相位θ是可调的，也正是通过调节θ的大小来进行PWM控制的。 图1管脚示意图 UC3875的管脚功能 UC3875有20脚和28脚两种，这里仅介绍20脚的UC3875的管脚功能，表1为管脚功能简要说明。 表1 PIN 功能 1 VREF 基准电压 2 E/AOUT 误差放大器输出 3 E/A－误差放大器反相输入 4 E/A＋误差放大器同相输入 5 C/S＋电流检测 6 SOFT－START 软起动 7,15 DELAYSETA/B,C/D 输出延迟控制8,9,13,14 OUTA～OUTD 输出A～D 10 VC（对应PWRGND）驱动输出电源 11 VIN（对应GND）芯片供电电源 12 PWRGND 电源地 16 FREQSET 频率设置端 17 CLOCK/SYNC 时钟/同步 18 SLOPE 陡度 19 RAMP 斜波 20 GND 信号地 UC3875各个管脚的使用说明 管脚1可输出精确的5V基准电压，其电流可以达到60mA。当VIN比较低时，芯片进入欠压锁定状态VREF消失。直到VREF达到4.75V以上时才脱离欠压锁定状态。最好的办法是接一个0.1μF旁路电容到信号地。 管脚2为电压反馈增益控制端，当误差放大器的输出电压低于1V时实现0°相移。 管脚3为误差放大器的反相输入端，该脚通常利用分压电阻检测输出电源电压。 管脚4为误差放大器的同相输入端，该脚与基准电压相连，以检测E/A（－）端的输出电源电压。 管脚5为电流检测端，该脚为电流故障比较器的同相输入端，其基准设置为内部固定2.5V（由VREF分压）。当该脚的电压超过2.5V时电流故障动作，输出被关断，软起动复位，此脚可实现过流保护。 管脚6为软起动端，当输入电压（VIN）低于欠压锁定阈值（10.75V）时，该脚保持低电平，当VIN正常时该脚通过内部9μA电流源上升到4.8V，如果出现电流故障时该脚电压从4.8V下降到0V，此脚可实现过压保护。 管脚7、15为输出延迟控制端，通过设置该脚到地之间的电流来设置死区，加于同一桥臂两管驱动脉冲之间，以实现两管零电压开通时的瞬态时间，两个半桥死区可单独提供以满足不同的瞬态时间。 管脚8、9、13、14为输出OUTA～OUTD端，该脚为2A的图腾柱输出，可驱动MOSFET 和变压器。 管脚10为驱动输出电源电压端（对应管脚12 PWRGND），该脚提供输出级所需电源，Vc通常接3V以上电源，最佳为12V。此脚应接一旁路电容到管脚12 PWRGND。 管脚11为芯片供电电源端（对应管脚20 GND），该脚提供芯片内部数字、模拟电路部分的电源供应，接于电压为12V以上的稳压电源。为保证芯片正常工作，在该脚电压低于欠压锁定阈值（10.75V）时停止工作。此脚应接一旁路电容到信号地。 当电源电压超过欠压锁定阈值时，电源电流（IIN）从100μA猛增到20mA；如果供电电源性能不良，因负载迅速增加导致电压下降，UC3875将立即重新进入UVLO欠压锁定状态。如果接一旁路电容，它就很快脱离欠压锁定状态。 管脚12为驱动输出电源地端。其它相关的阻容网络与之并联，驱动输出电源地和信号地应一点接地以降低噪声和直流降落。 Quasi-Resonant (准谐振) Converter Topology : 简介： Advantage： 1)可以降低MOSFET 开关损耗，从而提高可靠性 2)可以改善EMI 特性，在增加功率传输效率的同时减少EMI 干扰，减少滤波器使用数量，降低成本 备注：谐振电路的定义—在具有R 、 L、 C 的交流电路中，电路两端的电压和电流位相一般是不同的，如果通过变更L 、C的参数或电源频率使其达到电压与电流的位相相同，此时电路呈现纯电阻性，这种状态就叫做谐振。在这种情况下，电路的电阻值达到极值（最大或者最小）。谐振分为串联谐振和并联谐振。 3)当工作在 discontinuous conduction mode 时，转换器会侦测到drain （漏极）电压波谷并在drain电压最小时开启MOSFET. 当工作在 continuous conduction mode 时，转换器会工作在固定工作频率。 工作机理： 1）当MOSFET 在导通时（Ton），输入电压Vin加在初级线圈上 Lm ，此时MOSFET 电流Ids 从0线性增加至最大值Ipk，在这段时间内，能量储存在 初级电感，为（Lm*Ipk*Ipk）/2 . 2）当MOSFET 关闭时，储存在线圈中的能量导致次级输出端的整流二极管开启。 在二级管开启的时间内（Td），输出电压Vo施加在次级线圈上，此时整流 二极管的电流从最大值Ipk*Np/Ns线性减少, 而此时输入电压Vin和次级线 圈反馈到初级线圈的点烟V0*Np/Ns 叠加到FET 上。 3）当二极管电流降至0时，FET的Vds 电压通过初级线圈Lm以及FET 的输出电容Coss以振幅V0*Np/Ns开始共振。当Vds达到最小值时，准谐振开关开启 MOSFET。这样就可以减少由于漏极与源极之间的电容导致的开关损益。这 就是所谓的ZVS . 4）当输出负载减少或者输入电压增大的时候， MOSFET 的Ton会减少并且开关频率增加。这就会导致严重的开关损失以及间歇性开关和噪音问题。 相关图形请参看以下： 移相全桥大功率软开关电源的设计 移相全桥大功率软开关电源的设计 1引言 在电镀行业里，一般要求工作电源的输出电压较低，而电流很大。电源的功率要求也比较高，一般都是几千瓦到几十千瓦。目前，如此大功率的电镀电源一般都采用晶闸管相控整流方式。其缺点是体积大、效率低、噪音高、功率因数低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等。 本文介绍的电镀用开关电源，输出电压从0~12V、电流从0~5000A连续可调，满载输出功率为60kW.由于采用了ZVT软开关等技术，同时采用了较好 的散热结构，该电源的各项指标都满足了用户的要求，现已小批量投入生产。 2主电路的拓扑结构 鉴于如此大功率的输出，高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构，整个主电路，包括：工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。 隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值，防止偏磁的。考虑到效率的问题，谐振电感LS只利用了变压器本身的漏感。因为如果该电感太大，将会导致过高 的关断电压尖峰，这对开关管极为不利，同时也会增大关断损耗。另一方面，还会造成严重的占空比丢失，引起开关器件的电流峰值增高，使得系统的性能降低。 图1主电路原理图 3零电压软开关 高频全桥逆变器的控制方式为移相FB2ZVS控制方式，控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关，滞后桥臂在75%以上负载范围内实现了零电压软开关。图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形，可以看出实现了零电压开通。 开关频率选择20kHz,这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗，另一方面又可以兼顾高频化，使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。 图2IGBT驱动电压和集射极电压波形图 4容性功率母排 在最初的实验样机中，滤波电容C5与IGBT模块之间的连接母排为普通的功率母排。在实验中发现IGBT上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡，图3为满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。原因是并联在IGBT模块上的突波吸收电容与功率母排的寄生电感发生了高频谐振。满载运行一小时后，功率母排的温升为38℃，电容C5的温升为24℃。 图3使用普通功率母排时变压器初级电压、电流波形 为了消除谐振及减小功率母排、滤波电容的温升，我们最终采用了容性功率母排，图4为采用容性功率母排后满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。从图中可以看出，谐振基本消除，满载运行一小时后，无感功率母排的温升为11℃，电容C5的温升为10℃。 图4使用容性功率母排后变压器初级电压和电流波形 5采用多个变压器串并联结构，使并联的输出整流二极管之间实现自动均流为了进一步减小损耗，输出整流二极管采用多只大电流（400A）、耐高电压（80V）的肖特基二极管并联使用。而且，每个变压器的次级输出采用了全波整流方式。这样，每一次导通期间只有一组二极管流过电流。同时，次级整流二极管配上了RC吸收网络，以抑止由变压器漏感和肖特基二极管本体电容引起 的寄生震荡。这些措施都最大限度地减小了电源的输出损耗，有利于效率的提高。 对于大电流输出来说，一般要把输出整流二极管并联使用。但由于肖特基二极管是负温度系数的器件，并联时一般要考虑它们之间的均流。二极管的并联方 第8章 软开关技术 1．高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量？为什么提高关频率可以减小变压器的体积和重量？ 答：高频化可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重量。使装置小型化，轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率，周期变短，可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小，从而减轻了滤波器的体积和重量；对于变压器来说，当输入电压为正弦波时，U =4.44.f .N .B .S ，当频率f 提高时，可减小N 、S 参数值，从而减小了变压器的体积和重量。 2．软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样子的？各有什么特点？ 答：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态，可将软开关电路分为零电压电路和零电流电路两大类；根据软开关技术发展的历程可将软开关电路分为准谐振电路，零开关PWM 电路和零转换PWM 电路。 准谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，电路结构比较简单，但谐振电压或谐振电流很大，对器件要求高，只能采用脉冲频率调制控制方式。 S L r C r V D L S VD L r L C r 零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路的基本开关单元 零开关PWM 电路：这类电路中引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，此电路的电压和电流基本上是方波，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。 S L r C r VD L S 1 S VD L r L C r S 1 零电压开关PWM 电路的基本开关单元 零电流开关PWM 电路的基本开关单元 零转换PWM 电路：这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满负载都能工作在软开关状态，无功率的交换被消减到最小。 S L r VD L S 1 C r V D 1 L r C r S 1 S VD VD 1L 零电压转换PWM 电路的基本开关单元 零电流转换PWM 电路的基本开关单元 一种新型电流型移相全桥软开关变换器 0 引言 开关电源的发展趋势是高频、高功率密度、高效率、模块化以及低的电磁干扰(EMI)等，但传统的硬开关变换器不仅存在严重的电磁干扰(EMI)，而且功率管的开关损耗限制了开关频率的提高，软开关应运而生。目前实现软开关主要有两种方法：一为零电压(ZVS)开关，另一种为零电流(ZCS)开关。 全桥DC／DC变换器广泛应用于中大功率的场合。根据其输入端为电容或者是电感，全桥变换器可分为电流型和电压型两种。过去的数十年问，电压型全桥变换器的软开关技术得到深入研究。而电流型却没有得到足够的重视。事实上，电流型变换器具有很多的优点。最显著的优点之一是在多路输出的应用场合中，它相当于将滤波电感放置于变压器的原边，因而整个电路仅需要这一个电感。 本文提出了一个采用移相控制的新型电流型全桥变换器，引入辅助电路来帮助两个上管实现零电压工作，利用变换器的寄生参数(变压器的漏感)来实现两个下管零电流工作。分析了它的工作原理以及实现软开关的条件，并最终在Pspice仿真中验证了理论的正确性。 l 工作原理 图l所示为本人所提出的电流型移相控制PWM DC／DC全桥变换器。Lin 为输入电感，Llk为变压器的漏感，CS1、CS2是和两个上管VT1、VT2并联的电容，VTa1、VTa2是辅助开关，Lrl、Lr2是谐振电感。 该变换器一个周期内共有十个开关模态，为了便于分析，我们作如下假设： a．所有电感、电容、开关管和变压器均为理想器件。 b．输入电感Lin足够大，在一个开关周期中，输入电流Iin基本上可视为不变。 c．输出电容Co足够大，在一个开关周期中，输出电压Uo基本上可视为不变； d．输入电感Lin远大于谐振电感Llk. e. 特征阻抗谐振角频率为变压器的变化。 各主要变量波形如图2所示，各开关模态的等效电路如图3所示。 个人收集整理 仅供参考学习 (7-1) 1 / 10 第七章谐振软开关技术 随着电力电子器件的高频化，电力电子装置的小型化和高功率密度化成为可能。然而 如果不改变开关方式，单纯地提高开关频率会使器件开关损耗增大、效率下降、发热严重、 电磁干扰增大、出现电磁兼容性问题。 80年代迅速发展起来的谐振软开关技术改变了器件 的开关方式，使开关损耗可原理上下降为零、 开关频率提高可不受限制，故是降低器件开关 损耗和提高开关频率的有效办法。 本章首先从PWM 电路开关过程中的损耗分析开始， 建立谐振软开关的概念； 再从软开 关技术发展的历程来区别不同的软开关电路， 最后选择零电压开关准谐振电路、 零电流开关 准谐振电路、零电压开关 PWM 电路、零电压转换PWM 电路和谐振直流环电路进行运行原 理的仔细分析，以求建立功率器件新型开关方式的概念。 文档收集自网络，仅用于个人学习 7.1谐振软开关的基本概念 7.1.1开关过程器件损耗及硬、软开关方式 无论是DC — DC 变换或是DC — AC 变换，电路多按脉宽调制（PWM ）方式工作，器件 处于重复不断的开通、 关断过程。由于器件上的电压 "、电流-会在开关过程中同时存在， 因而会出现开关功率损耗。以图 7-1（ a ）Buck 变换电路为例，设开关器件 VT 为理想器件， 关断时无漏电流，导通时无管压降，因此稳定通或断时应无损耗。 文档收集自网络，仅用于个人学 7-1 （b ）为开关过程中 VT 上的电压、电流及损耗 /的波形，设负载电流L 恒 当VT 关断时，负载电流- 一改由续流二极管 VD 提供。若再次触发导通 VT ，电流从VD ，直至J' -.1' 才下降为零。这 样就产 向VT 转移（换流），故-工期间「上升但- J'-- 生了开通损耗 儿：。当停止导通 VT 时，"从零开始上升，在 U T = E * 图7-1 Buck 变换电路开关过程波形 工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE 雷连方 哈尔滨工业大学 2006年12月 国内图书分类号 : TM92 国际图书分类号: 621.38 工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 硕士研究生：雷连方 导师：刘瑞叶 教授 副导师：肖连存 高工 申请学位：工程硕士 学科、专业：电气工程 所在单位：中国科工集团第三总体设计部 答辩日期：2006年12 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index: TM92 U.D.C: 621.38 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE C a n d i d a t e：Lei Lianfang Supervisor：Prof. Liu Ruiye Associate Supervisor：Senior Engineer Xiaolianchun Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Electrical Engineering Affiliation：The 3rd Headquarters of China Aerospace Science Industry Company Date of Defence：December,2006 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of technology LLC型串并联谐振变换器参数分析与运用 0 引言 随着现代电力电子技术的发展，开关电源向着高频化、集成化、模块化方向发展。提高开关频率能减小体积，提高功率密度及可靠性，平滑变化的波形和较小的电压/电流变化率也有利于改善系统的电磁兼容性，降低开关噪声。功率谐振变换器以谐振电路为基本的变换单元，利用谐振时电流或电压周期性的过零，从而使开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断，以实现软开关，达到降低开关损耗的目的，进一步提高频率，因此得到了重视和研究。 l 谐振电路谐振网络通常由多个无源电感或电容组成，由于元件个数和连接方式上的差异，常见实用的谐振变换器拓扑结构大致分为两类：一类是负载谐振型，另一类是开关谐振型。负载谐振型变换器是一种较早提出的结构，注重电源电压转换比特性的改善，按照谐振元件的谐振方式可分为串联谐振变换器、并联谐振变换器以及两者结合产生的串并联谐振变换器。 1 . 1 串联谐振 由于是串联分压方式，其直流增益总是小于1,类似BUCI变换器；轻 载时为稳住输出电压，必须提高开关频率，在轻载或空载的情况下，输出电压不可调，输入电压升高使系统的工作频率将越来越高于谐振频率，而谐振频率增加，谐振腔的阻抗也随之增加，这就是说越来越多的能量在谐振腔内循环而不传递到副边输出；但在负载串联谐振中，流过功率器件的电流随着负载变轻而减小，使通态损耗减小。 1 . 2 并联谐振 输出端可以开路但不能短路，会损坏谐振电容，并且过大的原边回路电流对开关器件及电源都会产生冲击；轻载时，不需通过大幅改变频率来稳住输出电压，与串联谐振相比变换器工作范围更大，可工作至空载；当轻载时输入电流变化不大，开关管的通态损耗相对固定，在轻载时的效率比较低，较为适合工作于额定功率处负载相对恒定的场合。 1 . 3 串并联谐振 输出电压可高于或低于电源电压，且负载变化范围宽，是目前研究领域中较主流的结构。 2 谐振参数分析 2．1 电路拓扑 图1为LLC型串并联半桥谐振变换器电路，主开关管S1和S2是固定0. 5占空比互补导通，Lr、Cr与变压器的并联电感Lm构成LLC谐振网络，整流二极管直接连接到输出电容上。 LLC有两个谐振谐振频率，分别为Lm与Lr、Cr产生的串并联谐振频率以及Lr 和Cr 产生的串联谐振频率。 2．2 参数影响 LLC谐振变换器是在串联/并联谐振变换器的基础上改进而来，由于较 前两者多了一个谐振元件其设计运用也变得复杂。根据交流分析法得到LLC谐 移相全桥为主电路的软开关电源设计详解 2014-09-11 11:10 来源：电源网作者：铃铛 移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。 主电路分析 这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T 为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。 图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图 其基本工作原理如下： 当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。 由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。 当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb 充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、 基于移相全桥软开关技术的应用 1.引言 随着科技的发展，电力电子设备不断更新，电源称为了现代工业、国防和科学研究中不可缺少的电气设备。为了触发、驱动开关变换器的功率开关管，研制适应越来越高性能要求的开关电源，近年来出现了PWM（脉宽调制）型变换器。PWM技术应用广泛，构成的变换器结构简单，它对常用的线性调节电源提出挑战，在减小体积的同时获取更大的功率密度和更高的系统效率[1,2]。为了拓展开关电源的应用场合，电源工作频率逐渐提高，高频化成为其重要发展方向，同时也是减小开关电源尺寸的最有效手段。然而高频PWM变换器在传统硬开关方式工作下，功率管损耗较为严重，系统效率不高，随着开关频率的逐步提高，损耗相继增大[3,4]。为此，必须采取措施以提高高频开关变换器的效率，人们研究了软开关技术，除了减小开关损耗外，软开关技术应用还大大降低了开关噪声、减小了电磁干扰。 2.软开关技术概况及发展 目前广泛应用的DC-DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。所谓“硬开关”是指功率开关管的开通或者关断是在器件上的电压或者电流不等于零的状态下进行的，即强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时关断。 调高开关频率是开关变换技术的重要的发展方向之一。其原因是高频化可以使开关变换器的体积、重量大为减小，从而提高变换器的功率密度。为了使开关电源能够在高频下高效率的运行，高频软开关技术不断的发展，所谓“软开关”指的零电压开关（Zero V oltage Switching, ZVS）或零电流开关（Zero Current Switching, ZCS）[5]。它是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流（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；或者电压为零时，使器件开通，实现开关损耗为零。 再加入一些说明 3.移相全桥DC-DC技术 传统的全桥（full-bridge简称FB）PWM变换器适用于输出低电压、大功率的情况，以及电源电压和负载变流变换大的场合。其特点是开关频率固定，便于控制[6,7]。为了提高变换器的功率密度，减少单位输出功率的体积和重量，需要将开关频率提高到更高频率上（1MHz级水平）。为了避免开关工程中的损耗随频率增加而急剧上升，人们在移相控制（phase-shifting-control PSC）技术的基础上，利用功率MOS管的输出电容和输出变压器的漏感作为谐振元件，使FB PWM变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现横频率软开关，称为PSC FB ZVS-PWM（简称FB ZVS-PWM）变换器[8]。由于减少了开关过程中的损耗，可以保证变换器效率达到80%-90%，并且不会发生开关应力过大的问题。现在FB ZVS-PWM开关变换器已经广泛应用于通信和电源等系统中。 再加入一段话 4.DC-DC变换器的设计 本文应用移相全桥的拓扑结构如图1所示： 全桥移相软开关变换器结构分析 作者：周志敏 上传时间：2004-12-9 8:45:13 摘要摘要：： 文中分析了全桥移相控制ZVS 和ZVZCS 变换器存在的不足，针对全桥ZVZCS 软开关方案存在的问题，介绍了PS －FB －ZVZCS-PWM 电路。 Abstract ： In this paper analyze PS －FB －ZVS-PWM and PS －FB －ZVZCS-PWM convertor exist issue ，be dead against issue ，introduce no-symmetry PS －FB －ZVZCS-PWM circuit 。 1 引言 在DC/DC 变换器中，则以全桥移相控制软开关PWM 变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。移相控制方式是全桥变换器特有的一种控制方式，它是指保持每个开关管的导通时间不变，同一桥臂两只管子相位相差1800。对全桥变换器来说，只有对角线上两只开关管同时导通时变换器才输出功率，所以可通过调节对角线上的两只开关管导通重合角的宽度来实现稳压控制。如果我们定义此导通重合角的脉宽为输出脉宽的话，实际上就成为ＰＷＭ控制方式。因此，人们也称此类变换器为移相全桥PWM （PS －FB －PWM ）变换器。通常定义首先开通的两只开关管为超前桥臂，后开通的两只开关管为滞后桥臂。 2 移相调宽零压变换器 1.移相调宽变换器的基本工作原理 移相调宽桥式变换器的主电路如图1所示。图中S1、S2、S3、S4表示器件内部的开关管，VDs1、VDs2、VDs3、VDs4表示器件内部的反并联二极管，Cs1、Cs2、Cs3、Cs 4表示器件的输出电容与外接电容的总和，CP 表示变压器T 的各种杂散电容之和。Lr 是为改善换流条件而接入的，称为换流电感。与传统的PWM 桥式电路相比，除增加了Lr 及V D1、VD2之外，电路拓扑并无太大差别。其区别在于控制方式不同。传统的PWM 控制方式是对角线上的两个开关管同时通/断，其驱动及输出波形如图2（a ）所示，图中Ug1、U g2、Ug3、Ug4分别表示4只开关管的驱动信号。当桥路开通(S1、S4或S2、S3同时开通)时，能量由电源传向负载；当桥路关断（所有器件均不开通）时，变压器T 原边电流为零，负载电流由变压器T 副边整流二极管续流，副边两绕组内电流大小相等而方向相反，使主变压器保持磁平衡。一个开关周期可分为四个区间，即两个能量传输期，两个间歇期。 LLC半橋諧振變換器 LLC半橋諧振變換器組成 串联谐振电感Ls、并联激磁电感Lp和谐振电容Cs组成LLC谐振网络，還包含兩個功率Mosfet(Q1和Q2)組成上下开关管，諧振變壓器，D1，D2，輸出濾波電容C2。 LLC半橋諧振變換器特點 1.基于LLC谐振网络的半桥变换器具有EMI小、效率高等优点，与 PWM控制变换器相比有着其独特的应用领域； 2. llc谐振变换器是通过调节开关频率来调节输出电压的，也就是在不 同的输入电压下它的占空比保持不变，它的掉电维持时间特性比较好，可以广泛地应用在对掉电维持时间要求比较高的场合； 3. llc谐振变换器中副边二极管上的电压应力比不对称半桥变换器小很 多，因为，在llc谐振变换器中副边二极管上的电压应力是输出电压的2倍，因此，在llc谐振变换器中可以选择耐压比较低的二极管，从而可以提高电路的效率； 4.在llc谐振变换器中上下开关管的占空比是相等的； 5.在轻负载时，工作频率逐渐升高，工作在降压区域内；而在重负载 时，工作频率逐渐降低，工作在升压区域内； 6.原边输入电压为方波，电流为近似正弦波，而变压器输出电压也是 方波，电流也是正弦波； 7.在全负载范围内都具有较高的转换效率，而且频率变化范围比较窄 等. LLC半橋諧振變換器的變壓器 LLC谐振网络需要两个磁性组件Ls和 Lp。然而，在实现应用中，考虑到高 频变压器实现结构，可以把磁性组件 Ls和Lp集成在一个变压器内，利用变 压器的漏感作为Ls，利用变压器的磁 化电感作为Lp。采用原副边分开绕制 的方法增加漏感，利用该漏感作为谐 振电感，这样一来，可以大大减少磁 性组件数目。在设计时，只要重点设 计变压器的漏感与变压器磁化电感即 可。因此，为增加漏感，需要在变压 器中加入适当的气隙，并且控制变压 器原副边的绕线方式，如图4所示。 因为变压器的原边绕组与副边绕组是 完全分离的，因此无须使用隔离胶带， 这样有助于形体的小型化。 电力电子技术课程设计 班级：电气1102 学号：111704207 姓名：韩爽 扬州大学水利与能源动力工程学院 电气工程及其自动化 二零一五年一月 目录 第1章任务书 (1) 一、课程设计的内容 (1) 二、课程设计的目的和要求： (1) 三、仿真软件的使用 (1) 四、时间安排 (2) 五、设计总结报告主要内容 (2) 第2章软开关的类型 (4) 2.1 软开关的基本概念 (4) 2.2 软开关电路分类 (6) 2.3 谐振开关变换器工作原理 (8) 第3章主要单元电路 (10) 3 .1零电压开关准谐振变换器 (10) 3.1.1几种常见结构 (10) 3.1.2工作原理 (11) 第4章主电路的设计及参数的确定方法 (14) 4.1零电压多谐振降压式变换器工作原理 (14) 4.2设计参数的确定 (15) 第5章理论仿真结果分析 (16) 5.1原件参数的仿真研究 (16) 第6章心得体会 (18) 参考文献 (19) 第1章任务书 一、课程设计的内容 零电压多谐振降压式变换器及其研究 二、课程设计的目的和要求： 1、进一步熟悉和掌握电力电子原器件的器件； 2、进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理； 3、掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数设计的方法； 4、培养对电力电子电路的性能分析的能力； 5、培养撰写研究设计报告的能力。 三、仿真软件的使用 在电力电子系统中，需要应用大功率开关器件，因此对工程人员来说对所设计的电路最好能通过计算机分析和仿真，不断修改和完善电路。 PSPICE是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，是较早出现的EDA软件之一，1985年就由MICROSIM公司推出。现在使用较多的是PSPICE 6.2，工作于Windows环境，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体，但各个部分各有各的窗口。新推出的版本为PSPICE 9.2，是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模／数转换、数／模转换等，都可以得到精确的仿真结果。对于库中没有的元器件模块，还可以自已编辑。PSPICE可以对电路进行以下一些工作： 1.制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计算直流工作点（Bias Point），进行直流扫描（DC Sweep）与交流扫描（AC Sweep），显示检测点的电压电流波形等。 2.估计元器件变化（Parametric）对电路造成的影响。 3.分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度（Temperature）分析等。ZVZCS移相全桥软开关工作原理
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第七章谐振软开关技术
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