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1、华中科技大学 硕士学位论文 反激DC-DC变换电路研究 姓名：周凯 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：余岳辉 20080531 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 随着市场上各种便携式产品的不断增长， 对低功耗、 高转换效率、 小体积的 DC- DC 转换器的需求也迅速增加。因此，DC- DC 变换器具有极高的市场潜力，前景非常乐 观。在电源的高频化、模块化、数字化要求的推动下，对数字高频开关电源的研究是 非常有意义的。 本文首先介绍了各种隔离型 DC- DC 变换电路的基本原理与主要参数的计算方 法，然后介绍了反激 DC- DC 变换电路拓扑结构发展过程中产生的各种
2、拓扑结构的特 点和基本设计方法。 第三章给出了有源箝位 ZVZCS 反激 DC- DC 变换电路详细的稳态 分析以及设计方法，该电路可以有效地降低功率 MOS 管在开关过程中的损耗。第四 章针对有源箝位 ZVZCS 反激 DC- DC 变换电路进行了参数设计， 并应用单周期控制方 法设计了控制模块并进行了闭环仿真。单周期控制方法是一种可以用数字方法实现的 开关电源控制方法。本文还设计了单端反激变换电路的开环实验，该实验包括设计一 个反激高频变压器、反激功率电路和开环控制电路。开环控制电路包括由单片机芯片 AT89S52 和反向器 74LS06 组成的信号源电路，以及由快速光耦 6N136 和专
3、用 MOS 管驱动芯片 IR2110 组成的具有电气隔离的驱动电路。 通过对有源箝位 ZVZCS 反激 DC- DC 变换电路的理论分析和仿真验证， 证明了该 拓扑结构可以有效的降低开关电源功率 MOS 的开关损耗。所搭建的单端反激变换电 路的实验平台可以作为开发 DSP 控制的数字电源的输入端。 关键词：直流变换电路 有源箝位 零电压开通 零电流关断 单周期控制 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract With the increase of the portable electronic products, the demand of micropower, high- effi
4、ciency and small DC- DC converter has been enhanced. Therefore, DC- DC converter has a very great potential in the markets, with a good future. With rapidly growing demand in high- frequency digital modularization power supply system, it s significative to study on high- frequency digital switching
5、mode power supply. Firstly, this thesis discusses the fundamental and computation method of isolation DC- DC converter circuit. Then, it introduces the characteristic and basic design method of different topology in flyback circuits development. The third chapter gives the detailed steady- state ana
6、lysis and design method, and this circuit can reduce the switching loss of power MOSFET effectively. The fourth chapter gives a design course of this circuit and operates the closeloop simulation by one- cycle control method. The one cycle- control method is a kind of method which can be implemented
7、 by numeric method. This thesis also presents the design and implementation of a single- end flyback converter circuit with openloop control. The openloop control circuit includes a signal source circuit which makes up of a single chip micyoco AT89S52 and a logic inverter 74LS06, and an electric ins
8、ulated circuit which makes up of a high speed optical coupler 6N136 and a application specific drive chip of power MOSFET IR2110. This thesis proves that the active- clamp ZVZCS flyback DC- DC converter circuit can reduce switching loss of switching mode power supply effectively base on theory analy
9、sis and simulation. The single- end flyback experiment board used the control side of the DSP digital power supply system. Keywords: DC- DC converter active- clamp ZVS ZCS one- cycle control 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集
10、体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中科技大学硕
11、士学位论文 1 1 绪 论 电源是电子设备的动力心脏，其性能的优劣直接影响到整个系统的安全性和可靠 性。随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切，而电子设备都离不开可靠的电源。进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源 化，率先完成计算机的电源换代1，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设 备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了 开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。与传统采用工频变换技术的相控电源 相比，开关电源在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重 要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及
12、滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电 源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得 到进一步提高。因此，开关电源取代线性电源和相控电源是必然的发展趋势2。 1.1 开关电源技术的国内外发展概况 1955 年美国人 G. H. Roger发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是 实现高频转换控制电路的开端，1957 年美国人 J. J. JenSen发明了自激式推挽双变压 器，1964 年，美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这为电源向 体积小、重量轻的方向提供了一条根本的途径3。 20 世纪 60 年代末，GTR 的出现，使得采用高工作频
13、率的开关电源得以问世，开 关电源的基本结构一直沿用至今。 20 世纪 80 年代， IGBT的出现让仅适用于小功率场 合的开关电源在大中功率直流电源中也得以发挥作用。80 年代末，开关整流器采用 PWM 技术的 MOSFET 开关整流器，开关频率均在 50 kHz左右。进入 90 年代，由于 零电压（ZVS）和零电流（ZCS）软开关脉宽调制技术在整流模块中的应用，新型产 品的工作频率已提高至 250350 kHz。 我国于 1963 年开始研制可控整流器。1965 年开始研制逆变器和晶体管 DC- DC 变换器，当时技术水平与国外相比有一定差距。20 世纪 80 年代后期，广州的珠江定 性设备
14、制造公司和挪威的 Eltek 集团公司合营，引进 Eltek 公司的技术，开发出 48 V 成套高频开关电源，成为国内企业追赶国际水平的开端。 目前，我国开关电源的自主研发及生产厂家有 300 多家，形成规模的有十多家。 华中科技大学硕士学位论文 2 一些大公司自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势。 如武汉洲际通信电源有限公司，以及华为、中兴等厂家已经开发出自己的高频开关电 源，已经做到功能齐全，质量稳定，并能实现全智能、无人值守，基本接近国际先进 水平。北京汇能亚澳通讯设备厂开发由 5 个 HRMIS50（48 V/50 A）高频开关电源整 流器模块及 HRWCSU
15、 智能监控单元、交直流配电单元和电池柜组成的 HRM48- 250 一体化通信开关电源系统，是智能化直流供电系统，产品技术性能属国内领先水平， 并达到国际 20 世纪 90 年代末期同类产品的水平4。 1.2 开关电源技术未来的发展方向 (1) 高频化 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 50 Hz提高到 20 kHz， 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 5l0%5。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
16、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、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。 (2) 模块化 模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块 化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元, 包括开关器件 和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块（SPM）6。近年，有 些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块 (IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不 断提高， 致使引线寄生电感、 寄生电容的影响愈加严重， 对器件造成更大的电应力 （表 现为过电压、过电流毛刺） 。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用” 功率模块(ASP
