高升压比移相全桥直流变换器的分析

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1、万方数据第一章绪论1．1研究背景随着时代的发展和进步，电子产品和电气设备更新换代的速度越来越快，而电源作为电力电子领域重要的研究方向之一，市场和消费者对于电源产品的研发和生产越来越重视。电力电子作为一门发展历史不是十分久远的学科，却呈现出蓬勃迅猛的发展势头，近些年，以高效能、高功率密度著称的开关电源逐渐取代了早前的线性稳压电源，但是，开关电源也存在着稳压精度不高、纹波较大、电磁干扰严重等一系列亟需解决的问题。在小功率应用场合中，开关电源的优势并不十分明显，但是在中大功率应用场合中，其优点就显得十分突出。早前的大功率电源一般都是线性电源，体积和重量都

2、很大，但是效率却很低，一般仅为30％．40％；后期开关电源开始引入到中大功率的电源场合，较为常见的拓扑结构可以分为PWM式和PFM式，其中PWM式开关电源是固定开关频率改变占空比来实现调压功能；而PFM式是固定占空比调整开关频率来实现调整输出电压。中大功率应用场合中PWM式开关电源主要包括半桥(对称／不对称)拓扑、全桥拓扑等结构，效率一般在70％．80％左右，随着开关频率的上升，其体积可相应减小，但是高的开关频率带来的高开关损耗却成为高频化发展的瓶颈；随着软开关技术的诞生和发展，移相全桥拓扑的效率可以提升到85％以上，而目前最热门的第三代开关电源L

3、LC拓扑的开率可到到90％以上。但是考虑到开关器件应力方面的问题，目前市场上lkW以上的电源主要还是以移相全桥为主【l】【21。在开关电添的设计中，设计难度最大的就是控铺技术，但是伴随着电力电子技术的不断深化，半导体IC集成工艺的提舞，控制技术也有了巨大的进步。回顾过去近50年的发展历程，开关电源的控制技术发展经历了分立元器件时代、集成低频硬开关时代、集成高频软开关时代、绿色节能芯片时代[31。随着控制理论、变换技术、新型开关器件的发展，开关电源正靛着广度和深度两个方面的发展，更高的功率密度、更高的功率因素和更高的系统可靠性等等都有了突出的发展。而

4、在广泛应用性上，开关电源也不断拓展，在军事装备、电力系统、信息产业、仪器仪表、S-_、1k设备自动化等等场合，开关电源正在发挥着不可取j弋的重要角色㈣5】。而开关电源在未来的焚展也必将会朝着高频率、高可靠性、高效率、高功率密度这四个方向和标准化、电磁兼容化、模块化、智能化这四个趋势大力发展。万方数据移相全桥作为DC／DC开关电源中最常用的拓扑结构之一，因其具备开关器件电压和电流应力小、变压器利用率高等优点，在中大功率场合广受欢迎。但是随着DC／DC开关电源功率等级的提升以及对于功率密度的要求，传统移相全桥DC／DC变换器由予其初级环流的导通损耗大，

5、滞后臂软开关难以实现，占空比丢失严重、仅适用于降压型场合等等问题日益凸显[6】。因此，如何合理解决这些问题也显得十分重要。所以，将移相全桥应用于更加广阔的场合还需要不断探索，不断研究。1．2研究现状DC／DC拓扑发展到现在已不乏许多经典拓挣，然而目前仍有新的拓扑陆续阆世。对于大多数电源产品的设计者来说，挑选拓扑也是一项非常艰巨的饪务。而电源拓扑的选择直接决定最终电源产品的各方面性能的优劣。但是拓扑的选择也受到多方面因素的限制，DC／DC拓扑都是技术十分成熟的，可靠性较高的拓扑结构。从电气规格I山．J．4发提出了电力电子产品设计中DC／DC变换器拓扑

6、选择的四大标准。输入电压高低决定是否采用软开关；输出电压高低决定是否采用同步整流；输入输出电压变换范匿宽窄决定是否采用宽范围拓扑；功率大小决定候选拓扑的开关数量‘71。DC／DC变换器根据输入和输出之间是否需要电气隔离可分为两类：不隔离直流变换器和有隔离的直流变换器[8]。不隔离的直流变换器主要有Buck、Boost、Buck／Boost、Cuk、Zeta和Sepic等；有隔离的直流变换器根据开关管的数量来区分有：单管的正激式和反激式：双管的有双管正激、双管反激、推挽和半桥等。有隔离的变换器通常使用变压器实现隔离，变压器本身就具有变压功能，有利于扩

7、大交换器的应用范围，还可17,实现多路不同电压或相同电压的输出。根据项目要求需要输入输出电气隔离，故选择隔离型拓挣结构。弼时样机额定功率为1．SkW，由拓寸{

8、、选择标准可知：主开关数量越多越适合大功率变换，lkW以上可以考虑4或4个以上开关的DC／DC拓扑结构。从拓扑结构成熟度来考虑，全桥变换器电路拓扑是国内外DC／DC变换电路中最常用的电路拓扑之一j在中大功率应用场合更是首选拓扑。这主要是考虑到它具有功率开关器件电压电流额定值小，功率变压器利用率较高，开关频率固定，便于控制等优点。2万方数据1．2．1传统移相全桥零电压开关(ZVS)PWM变换器

9、传统移相全桥零电压软开关变换器如图1．1所示。主要是利用变压器漏感以及MOS管结电容实现软开关[蝴。根据其固有工作特性，超