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1、1 绪论随着计算机、电子技术的高速发展，电子技术的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。11 开关电源的发展开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源分为DC/DC和AC/DC两大类。前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。按转换电能的种类，可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变
2、换器1；逆变器，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；整流器是将交流电转换成直流电的电能变换器和交交变频器18四种。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但通常需要体积大而且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有百分之四十五左右16。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，
3、很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制作的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。到了20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射机两端的电压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。所以其功率小，效率可高达百分之七十至九十五。另
4、外功率小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小，因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。最后，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性，而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V，而开关型稳压电源在电网电压为11OV-260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压5。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术
5、产品的小型化、轻便化14，另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。21世纪，市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOS
6、FET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进，并推动着开关电源以每年超过两位数的增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。1.2 开关电源的基本构成如图1所示，开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。其中DC/DC变换器用来进行功率变换，是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(
7、R1、R2)检测输出电压变化，与基准电压比较，误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，在经过驱动电路控制器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的11。 图11.3 DC/DC变换器的基本拓扑1.2.1 概述直流变换器按输出与输入间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离的称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。1.2 .2 电路拓扑 变换器的电路拓扑多达上百种，在进行变换器的设计工作之前，首先要选
8、择电路拓扑。这是一件非常重要的工作，其他所有的设计选择元器件选择、磁芯元件设计、环路补偿等等都取决于它。如果电路拓扑发生改变，这些也必须随着改变。(一) 降压式(Buck)变换器降压式变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。具有电路简单，调整方便，可靠性高；对功率晶体管及续流二极管耐压的要求低；电源带负载能力强，电压调整率好等优点。但在这种电路中，功率晶体管和负载直接与整流电源串联，故万一晶体管被击穿时，负载两端的电压便升高到整流电源电压，负载会因承受过电压而损坏。(二) 升压式变换器升压式变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，所用电力电子器件及元件和降压式
9、变换器相同。(三) 升降压式变换器这种电路最大的特点就是这个转换是自动完成的。其电压增益随占空比变化，可以升压也可以降压。同时其缺点也综合了升压和降压式变换器各自的特点。该电路输入、输出电流是脉动的，为了满足滤波要求，在基本电路后还需加一级LC滤波电路。(四) Cuk变换器变换器输出端和输入端均有电感，从而显著地减小了输入和输出电流的脉动。它的输出电压与输入电压的极性相反，输出电压也可低于、等于或高于输入电压。(五) Zeta变换器该电路和Cuk变换器相似，也有两个电感，一个能量存储一个传输电容，左半部分类似于升降压式变换器，右半部分类似于降压式变换器。(六) Sepic变换器该变换器也是正输
10、出变换器，即输出电压极性和输入电压相同。它是电感输入，类似于升压式变换器，输出电路类似于升降压式变换器，但为正极性输出。其输出电流脉动很小。(七) 正激变换器正激式变换器实际上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧间的电气隔离，也使该变换器的输出电压可以高于或低于电源电压，还可实现多输出。而Q的占空比可在比较合理的范围内变化，通常选择在0.45上下变化，这时在同样输出功率下，Q的计算功率较小。这种变换器的优点是：可方便地实现交流电网和直流输出端机架之间的隔离；能方便的实现多路输出。在占空比的变化范围不能改变的情况下，可方便地通过改变高频变压器的匝比，使之满
11、足交流电网电压在一定范围内变化时能稳压的要求。(八) 反激式变换器反激式变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合于多输出场合使用。它和正激式变换器有本质的不同，实际上是耦合电感，用普通导磁材料铁芯时必须有气隙，以保证在最大负载电流时铁芯不饱和7。(九) 推挽式变换器推挽变换器变压器和输出滤波器的体积均可减小。但会因磁芯饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管损坏，对功率晶体管的耐压要求高。(十) 半桥式变换器半桥变换器开关管承受的电压为电源电压，故可在电源电压较高的场合应用。该变换器中高频变压器利用率高；截止开关管极间承受的电压低；抗不平衡能力强。同时由于加到高频变压器原边绕组上的电压是电容两端的电压
12、，当电容经变压器原边放电时，其电压要逐渐减小，所以输出脉冲的顶部呈倾斜状态；输出功率小。(十一) 全桥变换器此电路既保持有半桥型变换器中开关管截止时极间所承受的电压较推挽型电路低的特点，又具有推挽型电路所具有的输出电压高、输出功率大的优点，因此全桥电路在大功率DC/DC变换器中应用比较多。但电路所用功率开关管多，驱动电路比较复杂10。本课题要求研究双管正激变换器，正激变换器具有电路结构简单、输入输出电压隔离、可以多路输出等优点，广泛应用在中小功率变换场合。单管的正激变换器，开关管的电压应力较高，这使得单管正激变换器在输入电压较高时，很难选择合适的开关管。特别是在选择MOSFET时，其电压定额较
13、高，通态电阻较大，这就影响了变压器的变换效率。而双管正激变换器就没有这个缺点，其电压应力等于输入电源电压，而且不需要另加磁复位电路，因此双管正激变换器在高输入电压、大功率的场合得到广泛应用79。双管正激变换器开关电压应力低，能够从结构上彻底消除桥臂直通的危险，提高变换器的可靠性，而可靠性是所有电力电子装置的生命线。因此双管正激变换器具有其它变换器所无法比拟的优点，成为目前应用最多的拓扑之一9。双管正激变换器自身也有一些弱点：为了保证变压器可靠完成磁复位，变换器的工作占空比只能小于0.5，因此为了获得更高的输出电压，必须依靠提高变压器的变比，从而使副边整流电路中的二极管电压应力增大，限制了双管正
14、激变换器在输出高压场合的应用；而且由于工作占空比小，变换器输出电压和电流脉动幅值大、脉动频率低，增大了滤波器的体积和重量。另外由于原边续流二极管的存在，变压器的磁芯只能工作在磁化曲线的第一象限6，虽然减小了变压器的损耗，但是降低了变压器的利用率增大了变压器的体积和重量，这限制了双管正激变换器容量的进一步提高该设计要求输入直流电：电压为4815%V；输出电压：5V/20A。为小功率输入输出，为了验证双管正激变换器的工作原理，故在本设计中仍采用双管正激变换器。2 双管正激变换器2.1 正激变换器正激变换器变压器铁芯的磁复位有多种方法，在输入端接复位绕组是基本的方法，复位绕组也可接于输出端，其次还有
15、RCD复位，LCD复位和有源箝位等磁复位方法。2.1.1 主电路拓扑和控制方式正激变换器实际上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，图2图3给出了正激变换器的主电路及其主要波形。开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器有三个绕组，原边绕组W1，副边绕组W2，复位绕组W3，图中绕组符号“*”号的一端，表示是该绕组的始端。D3是复位绕组W3的串联二极管3。 图2图32.2 双管正激变换器采用双管正激变换器能有效地降低开关管的电压应力，双管正激变换器如图4所示。双管正激变换器不需要额外的变压器磁复位电路，相对于半桥变换器或全桥变换器而言，双管正激变换器的每一个桥臂均由一个开关管和一个二极管串联组成，不存在桥臂直通现象，可靠性高。与开关管串联的二极管将开关管的电压箝位在输入电压，同时为变压器的励磁电流提供回路，以反馈回输入电源中。鉴于上述优点，双管正激变换器电路拓扑在工业界得到了广泛的应用。2.2.1 双管正激变换器的原理双管正激变换器如图所示，为了分析其工作原理，作如下假设：1、变换器已经到稳态；2、所有开关器件均为理想器件；3、在换流过程中电感电流没有变化，相当于一个恒流源4。
