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1、燕山大学里仁学院 毕业设计（论文）开题报告 课题名称：移相全桥 DC-DC 变 换器设计 学院（系） ： 年级专业： 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 一、说明选题的依据和意义 通信网络技术的快速发展和通信业务的全面展开， 各种数据业务、多媒 体业务应用日益普及， 产品的集成度将会越来越高。在通信网络的建设和升 级过程中，各种室内外设备及各种不同的应用场景，如城市中心区域、各大 高校宿舍、铁路沿线，尤其是在偏远地区这种情况下，设备对其运行环境也 提出了更加严格的要求，对电源质量的要求也更加苛刻。 直流远供电源系统是通信领域中的重要设备， 广泛应用于远程及数据通 讯、计算机、军事、航天等领域，
2、涉及到国民经济的各行各业。DC-DC 变 换器在通信设备用直流远供电源系统当中发挥着重要的作用。 目前基站存在大量的低效率电源， 在网电源即便是比较新的，普遍效率 一般也低于90%，在低负载输出时效率则更低。在网运行超过一定年限又不 具备模块休眠功能的老旧电源，其真正的效率只有80%左右。有些基站建设 在城乡或山区，电网环境恶劣，轻则造成系统失效，重则造成系统崩溃、 设 备损坏。无论是失效还是崩溃都直接影响了通信信号的稳定和服务质量。 因 此，基站供电效率和可靠性问题，成为目前运营商亟待解决的问题。 直流远供电源的优势在于： 远程供电方案适于为通信网络中各种低功耗 设备、室外型设备和特殊应用场
3、景的设备提供电力，如网络末梢位置分散的 小型通信设备等。 远供电源在通讯设备中的应用，不仅能够进一步保障通信 设备得正常运行， 而且还能更好地解决各种不同的特殊应用场景的供电问题 (如小型的UPS供电，电池寿命很难得到保证，并且损坏率较高，蓄电池被 盗以及当地接电不便或供电不稳定等)，优化电源设备，提高运行效率，降 低建设与维护成本，保障各类通信设备安全、可靠、稳定、经济、绿色的电 源供应。 二、本课题国内外研究动态综述 在目前现有的DC-DC变换技术当中，可供选择的电路拓扑结构形式有 很多种，如：Buck、Boost、Buck-Boost、Fly-back、Forward 和Full- Br
4、idge、 Half-Bridge 等电路。Buck 、Boost等非桥式电路一般应用在小功率场合； 正激变换器和反激变换器的变压器单向励磁，利用率低，适合中、小功率电 源，像小功率电子设备、计算机设备等。半桥电路适用于各种工业电源， 计 算机电源等。在中、大功率场合一般采用全桥变换器，这是因为全桥DC-DC 变换器不仅保持了半桥 DC-DC变换器中开关管截止时期间承受电压低的 特点，又具有 Push-Pull电路具有的输出电压高、输出功率大的优点，变换 器功率开关管的电压和电流定额相同的情况下，DC-DC 变换器的输出功率 通常与所用开关管数量成正比， 其输出功率要大于其它电路拓扑结构的输出
5、 功率，而且还能够通过变压器实现隔离以及相同或不同的多路电压输出， 因 此全桥DC-DC变换器更适合高压输入和中大功率的场合，在基站的直流远 程供电方案当中也是首选的电路拓扑结构。 电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展，高频化、小型化、 轻量化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。 我国自 80 年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究， 分别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。为了缩小 DC/DC 变换器的体积，提高功率密度，改善动态响应，进一步降低损耗，高频化是 DC/DC 变换器技术发展的必然趋势。但高频化又会产生新的问题。例如， 在全桥变
6、换器电路当中， 功率开关管在电压不为零时导通或电流不为零时关 断，处于硬开关状态，随着开关频率的提高，开关管的开通和关断的损耗会 成正比上升， 使电路的效率大大降低，变换器处理功率的能力大幅下降开关 损耗及无源元件的损耗增大， 另一方面， 电路存在感性关断和容性开通问题， 会对外产生严重的电磁干扰即高频 EMI 问题等。 为了克服 DC/DC 变换器在硬开关状态工作下的缺陷，随着科技的进 步，软开关技术相继被提出。 软开关技术是20世纪80年代初由美国弗吉尼亚 电力电子中心李泽元教授首先提出并应用于DC-DC变换器中的。由于它具 有减少开关损耗、降低电磁干扰等优点，使其发展迅速，被广泛地引入各
7、类 电力电子变换器中，并逐渐推向应用。从 20 世纪 80 年代以来，国内外电 力电子界和电源界不断研究开发高频软开关技术，近些年得到了巨大的发 展。目前在控制方式的选择上应用比较多的是移相控制，该控制方式通过电 路自身寄生参数实现软开关过程，开关频率恒定，结构简单，对输出电压可 以进行快速调节，以及有较大的输出电压范围等。基于以上优点基于以上优点，移相控制移相控制 方式是方式是80年代以来在全桥变换电路中广泛应用的一种软开关控制方式。年代以来在全桥变换电路中广泛应用的一种软开关控制方式。 硬开关过程是电力电子开关器件在大电压或大电流条件下通过门极的 控制实现开通或关断， 从而完成能量的变换；
8、 而软开关过程是应用谐振原理， 通过电感 L 和电容 C 的谐振来对开关的开关轨迹进行修整，使开关器件中 的电流(或其两端的电压)按正弦或准正弦规律变化，当电压下降到零时，使 器件导通，或者当电流过零时，使器件关断。软开关技术又分为零电压开关 ZVS(Zero Voltage Switching)和零电流开关 ZCS(Zero Current Switching)。开 关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程， 会使器件的开关损 耗在理论上降为零。软开关技术的应用提高了电力电子变换器效率和可靠 性，并有效的减小电能变换装置体积、重量和引起的电磁污染和噪声以及开 关损耗。 实际上，在 8
9、0 年代初，我国科学家研究员方资端在美国完成一项逆变 器研究课题时已经实现了 3kW，150kHz，移相全桥 DC/AC 变换器模块。 对 于移相全桥 DC-DC 变换器有两种软开关方式， 即 ZVS 方式和 ZVZCS 方式。 ZVS 方式主要是通过自身电路电感和电容之间的谐振使两个桥臂的开关管 在开通时处于两端零电压的状态，这就消除了开关管的开通损耗，但是它的 缺点也是比较明显的，像占空比丢失及轻载时滞后桥臂很难实现 ZVS。 ZVZCS 软开关方式指的是超前桥臂实现 ZVS， 滞后桥臂实现 ZCS。 与 ZVS 方式相比，它几乎没有占空比丢失情况，但是需要加入复杂的辅助电路。 进入 20
10、 世纪 90 年代，各种软开关技术，如 ZVS/ZCSPWM、 ZVT/ZCTPWM、移相全桥 ZVSPWM、有源箝位 ZVSPWM 等的开发 和应用都有较大的发展。移相全桥 ZVS-DCDC 变换器和全桥移相 ZVSZCS-DCDC 变换器是目前内外电源界研究的热门课题， 并已得到了广泛 的应用。 常规的移相全桥软开关变换器， 功率开关器件电压、 电流额定值小， 功率变压器利用率高等， 但是它们却也存在着各种各样的缺点。比如有的难 以适用于大功率场合,有的要求很小的漏感,有的电路较为复杂且成本很高。 1994 年 2 月，IEEE 电力电子学会组织“功率变换技术 2000 年展望专题研讨 会
11、”，就 DC-DC 及 AC-DC 功率变换器的发展趋势与需求进行探讨，指出高 功率密度 DC-DCZVS 开关变换器与器件性能、无源元件、封装技术等有很 大关系。与 1994 年对比，2000 年，在保证可靠性增加一倍的基础上，这种 变换器功率密度提高一倍，成本降低一半。2008 年以来，控制技术和器件 技术的进步使得更合理的拓扑得以应用， 以整流器效率高于 96%为显著标志 的第四代电源产品开始商用。主流厂商现都可以生产高效率开关电源产品， 部分行业领先的厂家已经推出了峰值效率高于 96%的整流模块。 2017 年以前世界上大型 2G 设备将退网，4G 时代已经到来，新一代高 性能的基站也
12、提出了更高的供电要求： 单板及系统的功耗更低、单板上元件 密度更大、 系统中电路板密度更大； 无线设备单位载频功耗的耗电量上也有 比较明显的下降， 体积小、 重量轻、 壁挂式安装需要高防护等级及散热效果； 在通讯设备上，由于现时所需的容量增加、4G 发展、宽频应用等，造成所 需的电源功率大大增加， 其它问题也相应提出， 必须在整体设计上考虑 EMI、 防干扰、浪涌、瞬态保护、散热设计等重要因素。 三、研究的基本内容，拟解决的主要问题 本毕业论文从全桥 DC-DC 变换器的基本理论入手，设计适用于大功率 场合的移相全桥软开关变换器。 需要研究的内容以及解决的问题主要有以下 几点： 1、掌握传统移
13、相全桥 DC-DC 变换器的工作原理；通过仿真分析其开 关瞬态通断过程中的工作过程，以及从轻载到满载变化时，软开关的实现情 况。 2、分析实现软开关的关键因素与解决办法；对比全桥 DC-DC 变换器 的 ZVS 和 ZVZCS 两种软开关技术，分析实现软开关的关键因素，寻找抽 走将要开通的开关管的结电容上的电荷或者给同一桥臂关断的开关管的结 电容充电以及在续流期间将原边电流复位至零的办法。 3、设计一台 1kW 的通信远供电源，包括主电路、控制电路、驱动电路 设计；输出容量达到如下指标要求： （1）直流输入 300V，直流输出 48V； （2）输出直流电流 20.83A； （3）输出电压稳定精
14、度1%； （4）输出纹波电压和尖峰电压 VPP 小于 200mV； （5）具备短路保护、过压保护和瞬态过流保护功能； 四、研究步骤、方法及措施 1.查阅相关文献资料，掌握移相全桥 DC-DC 变换器的原理，了解其最 新的发展现状。 2.查阅相关书籍，掌握 UC3875 的特性及其使用方法。 3.设计全桥变换器的主电路结构，超前桥臂实现 ZVS，滞后桥臂实现 ZCS。 4.设计驱动和控制电路，选择适当的调节器结构和参数，优化变换器的 输出性能。 5.利用 PSPICE 进行仿真，分析仿真结果，给出结论。 五、研究工作进度安排 第 1-2 周查阅并消化理解远供电源 DC-DC 变换器，掌握移相全桥
15、 变换器的基本工作原理和设计方案的选择。 ZVS 移相全桥变换器利用高频变压器的漏感或者串联电 感与功率管的寄生电容或者附加并联的电容发生谐振的原理来 实现超前臂和滞后臂的零电压开关。通过阅读相关文献，发现 移相 ZVS DC-DC 全桥变换器存在以下缺陷： (1)变压器存在循环电流，降低了变换器的效率； (2)变压器的副边在电流换向时存在整流管同时导通的情 况，造成占空比丢失最大占空比利用不充分； (3)副边的整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大且 有较大的开关噪音； (4)轻载时滞后臂 ZVS 实现困难。 针对全桥 ZVS 软开关方案的问题， 决定采用 ZVZCS 方案， 即超前桥臂实
16、现零电压开关(ZVS)，滞后桥臂实现零电流开关 (ZCS)。 第 3 周了解实现全桥软开关的关键因素与解决办法 实现 ZVZCS 的条件： 1、抽走将要开通的开关管的结电容（或附加电容）上的电 荷； 2、给同一桥臂关断的开关管的结电容充电； 3、抽走变压器原边绕组寄生电容上的电荷； 4、在续流期间将原边电流复位至零。 第 4 周开题报告答辩。 第 5-7 周设计、计算电路有关参数。 第 8-10 周利用 PSPICE 仿真软件进行电路的额定工作点开环仿真。 第 11-15 周分析仿真结果。给出全部工程图纸和元器件表撰写论文。 第 16-17 周绘画 A0 大图、准备答辩。 六、主要参考文献 1 王兆安，刘进军.电力电子技术(第五版)M. 机械工业出版社，2009. 2 赵慧敏,张宪.电力电子技术M. 化学工业出版社，2012. 3 阮新波， 严仰光.脉宽调制 DC/DC 全桥变换器的软开关技术M. 科学出版社， 1999. 4 林渭勋.现代电力电子电路 M. 浙江大学出版社，2002. 5 王 聪.软开关功率变换器及其应用M. 科学出
