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1、北京邮电大学 硕士学位论文 移相全桥开关电源的研制与软开关软件控制实现 姓名：王浛 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：谢沅清 19990401 文章摘要 本文介绍了墅羞鱼塑中一些基本概念和热门的。! ! 丛这 。盘并对开关电源中常用器件作了简要介绍。然后对软开关 技术和负载均流技术，进行了较详细的分析，并给出本人设 计的两种主动均流方式的改进方案。 进而详细说明了2 5 0 0 ( 5 0 V 5 0 A ) 开关电源样机的设计 过程，本机采用移相控制软开关技术，主电路为全桥结构， 主控芯片使用U C 3 8 7 5 ，U C 3 9 0 7 为负载均流控制芯片，实现 电压电流双
2、环反馈。 并进一步从理论和实践探讨了F B - Z V S P V M 在轻载条件 下软开关技术的实现，分别采用磁饱和技术和附加辅助电路 方法，在软开关控制方面做出了有益的尝试。 最后给出了软开关部分计算机仿真结果。 A b S tr a c t I nt h i s p a p e r ，t h ep r o c e s so f d e s i g n a2 5 k w p o w e r 8 u p p ly is d e s c r i b e d ，a n dt h e i m p r o v e m e n to f Z V T P W M t e c h n i q u ei S
3、 d iS C U S s e d I nt h e f i r s t s e c t i 。n ，i n c l u d e s 1 ，2a n d3 c h a p t e r i n t r o d u ce S o m eb a s i c c o n c e p t i o no f s w i t e h i n gp o w e r 鲫p p l ie si nb r i e f T h e na n a l y s e st h eZ V S Z C S P W Ma n dt h e l o a ds h a r e t e c h n i c a li n d e t a
4、 i l I nt h e e n d o ft h i s s e c t 1 0 n ,9 1 V e st w on e wm e t h o d st oi m p r o v et h ei o a ds h a r e b yt h e 1 a r g e S tC u r r e n t I nt h em i d d l es e c t i e n ，in c l u d e s4a n d5 c h a p t e r ，t h i s t e x t e l a b o r a te 0 nt h e p r o c e s so f d e s i g na2 5 k
5、wp o w e r s u P p l y a n dt h e r e s e a r c ho n Z V S - P W Mm o d e I n t h e r e p r o V i d e st w om e t h o d so f U S i n gs a t u r a t i o n i n d u c t o ra n d a d d i n ga c e e s s o r i a lc i r C U i t ，e x p a t i a t e dt h ep r i n c i p l eo f t h e s ea n d t h er eS U lt i n
6、 i m p le m e n t A t t h e e n d ，e m l u a t o ro ft h e b r i d g ec i r c u i ta n d t h e r e s u l t so f t h eZ V S P W M s i m u l a t i o na r e g i v e n 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章开关电源 第1 节开关电源综述( 主要参考文献f 4 】【1 7 】) 电源是电子设备的动力能源，是一切电子设备不可或缺的组成 部分。这些电子设备使用的能源是电能，自然界中的电能如闪电、 宇宙射线等是不能被直接利用的，这就需要通过些手
7、段使其他能 源转变为可以被使用的电能，水利、火力发电及原子能发电等即是 主要的手段，这些电能通过高压输电来到我们身边，成为日常生活 中使用的电源，称为市电。然而市电的质量并不很好，除白炽灯、 电热炉等用电器外不能被很多用电器直接使用，需要经过再次变换， 如高压变低压，交流变直流，电能存储等等，这种变换装置我们就 叫做电源，其应用范围之广几乎囊括所有电子领域，从小到电动剃 须刀、有源音箱、电视机等家用电器，大到汽车、轮船、航天器， 无所不包。 如此之广的应用范围，决定其种类也必然很多。从以上的介绍 看，按能量转化方式可分为一次电源、二次电源，前者是将其他能 源转换成电能的设备，如各种火力水利发电
8、机、太阳能电池等：后 者则是指用来变涣、控制、存储电能的设备，如整流器、逆变器、 稳压器、蓄电池、U P S 等。将交流电变换成直流电的设备称为整流 器，将直流电变换成交流电的设备称为逆变器，进行交流交流变换 的称为变频器，进行直流直流变换的叫直流变换器。 稳压电源是电源中极其重要的种，稳压电源中的直流稳压电 源通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类，线性稳压电源 是指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的一种直流稳压 电源，是发展最早、应用最广泛的一种电源，开关稳压电源是指起 电压调整功能的器件是以开关方式进行工作的一种直流稳压电源。 在此，主要指利用高频开关功率器件并通过交换技术而
9、制成的高频 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 开关直流稳压电源，简称开关电源( S w i t c h i n gP o w e rS u p p l i e s ，S P S ) 。 第2 节开关电源分类( 主要参考文献f 2 0 】) 开关电源的核心部分是D C D C 变换器，按不同标准，有不同的 分类方法； 按电路控制方式可分为：脉宽调制( P W M ) 稳压电源，脉频调 制( P F M ) 稳压电源，谐振式及其混合方式； 按电路的拓扑结构可分为：b u c kb o o s tb u c k b o o s tc u ks e p i cz e t a ； 按功率开关电路的结构形式
10、分，可分为：降压型、升压型、反 向型、变压器型，变压器型按开关管输出电路的形式分：单端开关 电源、双端开关电源，前者又分为单端正激型、单端反激型，后者 又分为推挽式、半桥型、全桥型： 按激励功率开关管的方式可分为：自激式、他激式、同步式， 自激式包括单管式、推挽式两种，他激式包括调频、调宽、调幅、 谐振等； 援所用开关器件分：双极型晶体管、功率M O S 管、晶闸管等。 第3 节P W M 原理( 主要参考文献【2 0 】) 开关电源中的D C D c 变换器可分为P W M 、P F M 及其结合方式， P F M 方式频率的变化加大了开关应力，而且不易控制，在实际中应 用不多，而P W M
11、 方式控制方式简单，是得到广泛应用的直流变换 器方式，是现在研究领域中的热门。这些是非谐振式的D C D C 变换 器，还有一类谐振式变换器。如Z V S P W M ，Z V T P W M 等，它们的 共同特征是软开关方式，将在第二章中介绍。这里主要讲述P W M 。 它是现在各种主要D C D C 变换器的基本结构。 所谓P W M ，就是根据一定规9 l j 逶过控制电路控斛开关器件导通 或截止，以改变电路中有效电压、电流的占空比的方法，其中的“一 定规则”通常是根据输出电压、电流秘定的，也可以说是在D C D C 变换器中，将输入的直流电通过开关器件变为固定频率的高频交流 - 一一一
12、一。一一2 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 电，再将高频交流电的有效脉宽加以调整，以得到满意的输出电流 翻输出电压的方法。 图卜1 给出桥式P W M 的工作原理示意图和主要工作波形示意 输入一。一 ，一 V P 一一一V 。 p 桥式变换器 。边5 。边 滤波 一一 i 。 一 一一 v G 一一一 L 一一JP w M 控制电路J 采样0 L - 一 j v F 一。一 ( a ) P W M 原理图 图1 1P W M 原理图 图。原理图( a ) 中V ，是反馈电压，V 。，是固定的参考电压，V 。是 误差放大器的输出，V 。；是固定的锯齿波，V 。是比较器输出，V 。是 开关器件的驱
13、动信号。V ，是变压器次级输出的脉冲电压，V 。是V ， 经滤波后变换器最终的输出电压。它的工作原理是误差放大器将反 ， 圉1 - 2P W M 主要波形雷 馈电压与参考电压的差值放大，得到的V 。与固定的锯齿波相比较， 生成与锯齿波频率相同的，脉冲宽度与反馈电压有关的开关器件控 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 制脉冲V 。由V 。驱动开关器件的导通和截止，得到流经开关器件 的脉冲电压V 。，再经滤波平滑后得到最后的输出电压V 。可见V 。 的大小是与V ，有关的，而V ，的脉冲宽度是受反馈电压V ，控制可调 的。在实际应用中V ，一般采用输出电压V 。的采样值，形成闭合的 负反馈系统，V 。
14、的增大导致V 。的减小，从而V 。、V ，的占空比减小， 滤波后输出电压V 。反而减小，从而达到稳压的目的。主要波形可参 见图1 2 。 从拓扑结构上P W M 可以分为B u c k 、B o o s t 、B u c k B o o s t 、C u k 、 S e p i c 和Z e t a 六年中基本结构，其中S e p i c 和Z e t a 结构与C u k 结构糨 近，所以前四种拓扑是最基本的。它们的电路拓扑、工作原理等可 参见有关书籍，在这里表1 1 仅列表示出四种主要拓扑结构的简单 比较。表中D 为占空比，V ，。为输电压，V 。为输出电压，I 。为输出 电流，T 为开关
15、周期。需要指出的是全桥式变换器就是由B u c k 变换 器演变而来的。 表1 1四种拓扑电路比较 类型B u c kB o os tB u c k - B o o s tC u k 电压传输 比( 鱼) D 1DD F i 、| I D1 一Dl D 临界电感V o ( 1 1 9 ) T 喋D TV o ( 1 一D ) 2 r 不适用 2 I 。2 ，。2 I o 输入电流 有无有 无 脉动 输出电流 无有有无 脉动 对P W M 开关的控制，通常将输出电压经过采样、分压后，与 预先设置好的固定基准电压比较以得到调节脉冲宽度的控制信号， 这就是电压反馈控制模式。如果将反馈参量改为输出电流
16、就可以得 到电流反馈控制模式，它比前者具有更好的稳定性和瞬态特性，可 以实现恒流源，在负载均流中得到更好的应用+ 但电流方式易产生 谐波振荡，反而使系统不稳定，在应用中须采取有效措施加以避免， 如加入斜坡补偿等。我们还可以实现电压、电流双闭环反馈控制， 会得到更好的效果。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第4 节开关电源器件 一、开关元件：( 主要参考文献1 3 l l s l l l o l l l 4 l 【2 0 1 ) 开关元件的种类很多。如双极型晶体管、快速晶闸管( 可控硅) 、 可关断晶闸管G T O 、功率场效应管( P M O S F E T ) 、绝缘栅双极型晶 体管( I G B T ) 以及耨兴的M C T 等，可参见表1 2 。 表l - 2主要开关管一览表 1种类英文中文发展状况 二极管 S R 普通整流管 F R D 快恢复二极管 双S C R 普通晶闸管 极 日 R C T 逆导晶闸管 日日
