无损耗单端正反激软开关DC_DC变换器
软开关双向DCDC变换器的研究
软开关双向DCDC变换器的研究一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，DC/DC变换器在各种电源管理系统中扮演着越来越重要的角色。
特别是在电动车、可再生能源系统、数据中心以及航空航天等领域，DC/DC变换器的性能优化和效率提升成为了研究的热点。
传统的DC/DC变换器在开关切换过程中存在较大的开关损耗和电磁干扰，影响了其整体效率和稳定性。
因此，研究和开发新型的DC/DC变换器技术，特别是具有软开关特性的双向DC/DC变换器，对于提高电源系统的效率和可靠性具有重要的理论价值和实际应用意义。
本文旨在深入研究软开关双向DC/DC变换器的基本原理、拓扑结构、控制策略及其在实际应用中的性能表现。
文章首先介绍了DC/DC变换器的基本概念和分类，分析了传统DC/DC变换器存在的问题和挑战。
然后，重点阐述了软开关技术的原理及其在双向DC/DC变换器中的应用，包括软开关的实现方式、拓扑结构的选择以及相应的控制策略。
本文还将对软开关双向DC/DC变换器的性能评估方法进行探讨，包括效率、稳定性、动态响应等指标的分析和比较。
本文将通过仿真和实验验证，对所研究的软开关双向DC/DC变换器的性能进行验证和评估。
通过对比分析不同拓扑结构和控制策略下的实验结果，为软开关双向DC/DC变换器的优化设计和实际应用提供有益的参考和指导。
本文的研究成果将为电力电子技术的发展和电源系统的性能提升提供新的思路和解决方案。
二、软开关双向DCDC变换器的基本原理软开关双向DC-DC变换器是一种新型的电力转换装置，它结合了软开关技术和双向DC-DC变换器的优点，旨在提高转换效率、减小开关损耗和降低电磁干扰。
其基本原理主要涉及到软开关技术的运用以及双向DC-DC变换器的工作模式。
软开关技术通过在开关管电压或电流波形上引入零电压或零电流区间，实现了开关管的零电压开通（ZVT）或零电流关断（ZCS），从而极大地减小了开关损耗。
在软开关双向DC-DC变换器中，通过采用谐振电路、辅助开关或变压器等元件，实现了开关管的软开通和软关断，从而提高了变换器的效率。
原理简析 软开关DC
原理简析软开关DC
在当前的工作和市场应用过程中，全球范围内的DC-DC变换器主要存在有硬开关和软开关两种开关管技术。
相比较传统的硬开关模式，软开关不仅可以降低损耗，还可以有效的避免电磁干扰问题，因此软开关在2010年之后开始逐渐成为业内主流方向。
本文将会就DC-DC软开关技术展开简要叙述，帮助工程师更全面的了解该种技术的实践原理。
相信很多使用过硬开关DC-DC转换器的工程师都比较清楚的一点是，在传统的PWM DC-DC变换器中，功率元件MOSFET管主要是被当做开关管使用，借由开关管的开关方式传送能量。
然而在运行的过程中，当开关频率不断提高，虽然输出LC滤波元件体积可大幅缩小达到降低成本与小型化的目的，却因单位时间内的功率元件开关次数相对增加，开通及关断所带来的开关损耗及电磁干扰，而减少开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术应运而生。
在不断研发革新的过程中，目前全球常见的DC-DC软开关控制技术目前主要分为零电压开通和零点流关断两种。
下图中，图1和图2分别所示软开关过程轨迹图和软开关过程中的电压电流波形。
图1 DC-DC转换器软开关过程轨迹图
图2 DC-DC软开关过程中的电压电流波形
从图2中我们可以比较清楚的看出，当DC-DC转换器在使用了软开关的控制方式后，当开关开通前电压先降到零，而在关断前则电流先降到零。
这样的方案设置可以有效的消除开关过程中电压、电流的重叠区域，从而大大。
一端稳压一端稳流型软开关双向DC_DC变换器_电路原理和控制策略
′ 和 C3 的谐振角频率， ω 2 = ω 2—— Lσ
′ 和 C3 的特征阻抗， Z 2 = Z2—— Lσ
( π − 2 ) I L1max
4nC3V2
时，t12＜t13。图 3 中以
开关模态 2 持续时间小于开关模态 3 持续时间为例。 此模态持续时间为
t13 = π Lσ C1 2 + 2nC3V2 π − 2 − 2ω1 I L1max
A ZVS Bi-Directional DC/DC Converter With one Port Voltage Regulated and Another Port Current Regulated（Ⅰ）
—— Circuit Principle and Control Scheme
Xiao Huafeng Xie Shaojun Nanjing 210016 China）
S 3 、 S 4 、 S 5 和 S 6 均可以实现软开关。为了分析方 便作以下简化：①反激变压器等效为电感，L 1 = L 2 ； ② 电 容 （ 包 括 开 关 管 的 寄 生 电 容 ） C1=C2 ， C3=C4=C5=C6。 2.2.1 Boost 模式（能量由 V1 侧流向 V2 侧） 一个开关周期可以分为 24 个阶段， 图 3 为稳态 时一个周期内变换器的工作波形。在这里详细分析 前半个开关周期的 12 个工作模态， 后半个开关周期 与前半个开关周期类似。图 4 为与前半个开关周期 的 12 个工作模态相对应的等效电路。 （ 1 ）模态 1 [ t0， t1] t0 时刻前 S 1、 S2 均开通， 电感 L 1、L 2 电流 iL1、iL2 线性上升。t0 时刻 S 1 关断， ，对 电感电流 iL1 为 I L1max（在死区时间内近似不变） S 1 的结电容 C1 进行充电，开关管两端电压线性增 大。即
PWMDCDC全桥变换器的软开关技术
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器的 工作原理
u t t
u i 0 P 0
u
i t t
u i 0 P 0
i
a）软开关的开通过程
b）软开关的关断过程
图6－2 软开关的开关过程
DC/DC全桥变换器
DC/DC全桥变换器由全桥逆变器和输出整流滤波 电路构成:
DC/DC全桥变换器--全桥逆变器及其控制
Q1~Q4，D1~D4 Tr K=N1/N2
控制方式: 双极性 有限双极性 移相控制方式
关断时间错开切换放式—滞后桥臂的软开关实现
PWM DC/DC全桥变换器软开关的实现原则
PWM DC/DC全桥变换器的两类软开关方式
小结
ZVS PWM DC/DC全桥变换器
• 前面讨论了滞后桥臂的零电压关断,即电容的存在可以实现零电 压关断,现在关心的是开关管开通的情况. • 下面先讨断切换方式
Q1,Q4关断,原边电流给C 1和C4充电,同时C2和C3 放电,限制Q1,Q4的电压 上升率,实现软关断。 当C1和C4电压上升到Vin 时,C2和C3电压下降到零 .此时D2,D3导通,为Q2， Q3提供零电压开通的条 件。 但是此时如果开通Q2和Q 3，在AB两点 出现的就 是占空比为1的交流方波 电压
PWM DC/DC全桥变换器的控制策略族
PWM DC/DC全桥变换器的控制策略族
DC-DC反激变换器
DC-DC反激变换器本文将介绍DC-DC反激变换器的基本概念和作用。
DC-DC反激变换器是一种电能转换器，主要用于将直流电源的电压转换为另一种电压，并在实现高效率的同时还能提供稳定的输出电压。
它在电子设备中广泛应用，比如电子产品的充电器、电池管理系统、通信设备和汽车电子系统等。
DC-DC反激变换器的基本原理是利用变压器实现电能的转换。
它包括一个输入电压和输出电压不同的变压器，以及一个开关管（如MOSFET）和一个电容滤波器。
在工作过程中，通过控制开关管的开关状态和开关频率，将输入电压经过变压器变换成所需要的输出电压。
变压器和电容滤波器的结合使得输出电压能够稳定且免受干扰。
DC-DC反激变换器的作用主要体现在两个方面。
首先，它可以将输入电压转换为所需要的输出电压，以满足电子设备对电源电压的需求。
其次，它具有提高电能转换效率和稳定输出电压的能力。
通过控制开关管的开关频率和占空比，可以有效减少能量损耗，提高电能转换的效率。
同时，通过变压器和电容滤波器的组合，可以实现对输出电压的稳定控制，确保电子设备正常工作。
综上所述，DC-DC反激变换器是一种重要的电能转换器，它能够将直流电源的电压转换为所需的输出电压，并实现高效率和稳定性。
它在电子设备中的应用广泛，为各种电子设备的正常运行提供了可靠的电源支持。
工作原理DC-DC反激变换器是一种常用的电力转换器，用于将一种直流电压转换为另一种不同的直流电压。
它采用了反激原理，通过周期性地开关和关断开关管，将输入电源的直流电压转换为输出电压。
反激原理是基于能量存储和释放的原理。
在DC-DC反激变换器中，关键组件包括开关管、变压器、输出滤波器和控制电路。
开关管：开关管是变换器的关键部分。
它根据控制电路的信号周期性地开关和关断，以控制输出电压。
常用的开关管包括晶体管和MOSFET。
变压器：变压器用于将输入电源的直流电压转换为需要的输出电压。
它由主绕组和副绕组组成，通过互感作用实现电压转换。
新型PWM软开关DC_DC变换器
马艳玲 石艳丽 董建彬
(石家庄经济学院 ,石家庄 050031)
摘 要 提出了一种新的零电压转换 ( ZVT)软开关 PWM 转换器 ,给出了 boost转换器的电路 ,详细分析了它的工作原理 ,并 给出了主要变量的波形 。 关键词 软开关变换器 升压变换器 零电压转换 ( ZVT) 中图法分类号 TN710; 文献标识码 A
第 8卷 第 16期 2008年 8月
167121819 (2008) 1624667203
科 学 技 术 与 工 程
Science Technology and Engineering
Vol18 No116 Aug12008
Ζ 2008 Sci1 Tech1Engng1
一种新的 PWM 软开关 DC2DC变换器
46 79
Sta tic Ana lysis of Large Angular D eforma tion Torsiona l M icrom irror
WANG Zhen2lin, CHEN Xue2kang, CAO Sheng2zhu
(Lanzhou Physics Institute, National Key Laboratory of Surface Engineering Technology, Lanzhou 730000, P1R1China)
M2。D2减小到零后在 D2中有一个反向恢复电流 。
D2是软恢复 ,相关的损耗减小 。
118 t6 ～t7 t6 时刻 , M2 关 断 , 因 为 Cs 的 存在 , Cs 开始 放
电 ,M2的漏源电压 VM2缓慢增加 , M2 关断近似为零 电压关断 ( ZVS) ,直到 t7 时刻 , VM2达到 Vo ,整流二 极管 D1开始导通 ,M2的关断过程结束 , t7 时刻后 , 工作模型和 t < t0 时相同 。
单端反激式DC-DC开关电源变压器的设计全过程
单端反激式DC/DC 开关电源变压器的设计全过程，xuguoping 分享与世纪电源网的网友 变压器的参数计算：（1） 变压器的设计要求：输出电压：10V ～3KV ，8mA （变压器输出之后三倍压）输入电压：24 1V±工作频率：50KHZ最大占空比：45％变换效率：80％（2） 基本参数计算：输入最小电压：min IN V =－IN V V ＝24－1－0.5＝22.5V输出功率：OUT OUT OUT P U I =30000.00824()W =×=输入功率：OUT IN P P η=2430()0.8W == （3） 选择磁芯：由于输出功率为24W ，需要留有一定的余量，选择磁芯的型号为：EI-28。
其具体参数如下：材料：PC40；尺寸：28.0*16.75*10.6（mm）；P A ：0.6005（）；：86 4cm e A 2mm W A ：69.83； ：4300；2mm L A 2/nH N S B ：500mT （） 390mT （10） 25o C 0o C 使用时为防止出现磁饱和，实取磁通密度m B = 250 mT（4） 粗略估计匝数比以及最大占空比（通过实际计算）min (1)OUT MAX IN MAX V D N V D −= 30000.5522.50.45×=× 162.9=（求出结果后然后取整为Nm ）因为匝数比可以根据设计理念修正为M N ＝165，从而可以产生新的MAX Dmin OUT MAX M IN OUT V D N V V =+ 300022.51653000=×+44.7%=（5） 计算初级平均电流，峰值电流和电流的有效值由于输出功率为24W ，用电流连续模式（CCM ）比较适合。
这里取为0.6RP K .min min IN OUT P AVG IN IN P P I V V η== 240.822.5=×1.333A =.1[1]2P AVG P RP MAX I I K D =− 1.333(10.50.6)0.447=−××4.26A=.P RMS P I I ==2.054A =.P RMS I －电流有效值，P I －峰值电流，.P AVG I －平均电流，（RP K R RP PI K I =）电流比例因数，MAX D －最大占空比； 利用Krp 的值可以定量描述开关电源的工作模式，若Krp=1.0，即峰值电流和脉动电流相等，开关电源工作在断续模式；若Krp<1.0,峰值电流大于脉动电流，开关电源工作在连续模式。
一种基于软开关的DC-DC变换器[发明专利]
![一种基于软开关的DC-DC变换器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/940b6d3f640e52ea551810a6f524ccbff121ca3c.png)
专利名称：一种基于软开关的DC-DC变换器专利类型：发明专利
发明人：孙磊,张武,郭鑫
申请号：CN202011181644.7
申请日：20201029
公开号：CN114430231A
公开日：
20220503
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于软开关的DC‑DC变换器，属于DC‑DC变换器技术领域，解决了现有技术难以同时保证高增益、结构简单、稳定性好、效率高的问题。
该变换器包括控制芯片、变压器、开关管Q1、Q2，二极管D1～D3，电容器C2～C3、C01～C02；其中，变压器原边绕组正极与外部能源电池正极连接，并通过C2与Q2的漏极连接，其负极分别与Q2的源极、Q1的漏极、C3一端连接；C3另一端经D3分别与外部能源电池负极、Q1的源极连接；Q1、Q2的栅极分别与控制芯片连接；并且变压器副边绕组负极经D1与C01一端连接，其正极分别与C01另一端、C02一端、D2阴极连接；C01一端作为变换器输出端正极；D2阳极与Q2的漏极连接；电容C02另一端接C3另一端，并作为DC‑DC变换器输出端负极。
申请人：北京机械设备研究所
地址：100854 北京市海淀区永定路50号(北京市142信箱208分箱)
国籍：CN
代理机构：北京天达知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：窦艳鹏
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DC-DC功率变换器软开关技术及Pspice仿真
DC/DC功率变换器软开关技术及Pspice仿真引言随着生产技术的发展，电力电子技术的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面，目前功率变换器的开关变换技术主要采用两种方式：脉宽调制(PWM)技术和谐振变换技术。
传统的PWM控制方式由于开关元件的非理想性，其状态变化需要一个过程，即开关元件上的电压和电流不能突变，开关器件是在承受电压或流过电流的情况下接通或断开电路的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗。
变频器工作频率一定时，开关管开通或关断一次的损耗也是一定的，所以开关频率越高，开关损耗就越大，因而硬开关变换器的开关频率不能太高。
相比之下软开关变换器的作用是，当电压加在器件两端或者电流流经器件时，抑制功率器件转换时间间隔,即软开关的开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，或是通过器件的电流为零。
这种开关方式明显减小了开关损耗，不仅可以允许更高的开关频率以及更宽的控制带宽，同时又可以降低dv/dt 和电磁干扰。
本文为了更好地说明不同软开关技术的区别，采用Pspice软件对其中两种有代表性的变换电路进行了仿真和分析。
图1 升压半波模式的零电压开关准谐振变换器原理图图2 开关管通断及其所受电压应力仿真波形图3 升压零电压PWM变换器原理图图4 主副开关管的驱动仿真波形软开关的原理谐振开关技术的核心问题是为器件提供良好的开关工作条件，使得器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，从而把器件的开关损耗降到最低水平。
软开关下的器件通断可以明显减少功率的开关损耗。
减小开关损耗通常有以下两种方法：在开关管开通时，使其电流保持在零或抑制电流上升的变化率，减少电流与电压的重叠区，从而减少开通的功率损耗，即零电流导通；在开关管开通前，减小或消除加在其上的电压，即零电压导通。
减小关断损耗有以下两种方法：开关管关断前，减小或消除加在其上的电流，即零电流关断；开关管关断前，减小或消除加在其上的电压，即零电压关断。
一种新颖的软开关双向DCDC变换器
一种新颖的软开关双向DCDC变换器一、背景技术DCDC变换器是一种将直流电压转换为另一个直流电压的电力电子装置。
传统的DCDC变换器采用硬开关技术，即开关在导通和关断时都会产生较大的损耗和噪声。
这不仅降低了变换器的效率，还会产生电磁干扰，影响周边设备的正常运行。
为了解决这些问题，软开关技术被引入到DCDC变换器中。
软开关技术通过控制开关的导通和关断时间，降低开关损耗和噪声，从而提高变换器的效率并减少对周边设备的影响。
本文所介绍的软开关双向DCDC变换器正是基于这一技术发展而来的。
二、新型软开关双向变换器介绍该双向DCDC变换器的基本工作原理，包括其如何实现能量在两个方向上的转换。
详细描述其独特的软开关技术，以及这种技术如何减少开关损耗，提高效率。
描述该新型变换器的电路拓扑结构，包括主要的电力元件如开关器件、电感、电容等的连接方式。
解释电路设计如何实现软开关操作，以及电路的灵活性和可扩展性。
阐述该双向变换器的控制策略，包括如何精确控制开关动作以实现软开关条件，以及如何管理能量流向，确保能量转换的高效和稳定。
对比传统硬开关变换器和新型软开关双向变换器的性能，包括效率、功率密度、热管理等方面的优势。
强调新型变换器在特定应用场景下的性能提升。
如果可能，提供实验数据或仿真结果来验证新型软开关双向变换器的性能。
展示其在实际应用中的潜力和效果，以及与传统技术的对比。
探讨该新型变换器在不同领域的应用前景，如电动汽车、可再生能源系统、电力电子设备等。
讨论其如何满足未来能源管理和存储的需求。
三、性能优势与传统的硬开关DCDC变换器相比，这种新颖的软开关双向DCDC 变换器具有多项性能优势：高效率：由于采用了软开关技术，开关损耗大幅降低，整个变换器的效率得到了显著提高。
低噪声：由于辅助开关实现了软开关功能，开关过程中产生的噪声大幅减少，从而降低了对周边设备的影响。
稳定性好：由于采用了双向输电技术，该变换器可以在不同的输入和输出条件下保持稳定的输出，使其在许多电力电子设备中具有广泛的应用前景。
高效单端正激DCDC变换器.
高效单端正激DC/DC变换器高效单端正激DC/DC变换器类别：电源技术作者：西安交通大学王鹤杨宏（西安710049）来源：《电源技术应用》摘要：介绍一种特殊的单端正激DC/DC变换器，该变换器具有较高的功率传输效率和较大的功率输出。
关键词：单端正激变换器高效1 引言DC/DC变换器广泛应用于通信、计算机及汽车等领域，近年来DC/DC 变换器技术有了很大的发展，重点是研究高效、高功率输出、结构简单和价廉的变换器。
本文介绍一种特殊的单端正激200W48V/24V变换器，由于电路的特殊结构，该变换器具有稳定性好、效率高、功率密度高等优点。
2 电路设计该DC/DC变换器的控制电路选用TL494，它是一种性能优良、功能齐全的集成控制器，功能框图如图1所示，主要管脚功能如下：12脚：接电源正端，电压范围7V～40V。
7脚：公共负端。
14脚：输出5V基准电压。
6脚：外接定时电阻RT，常取数kΩ以上。
5脚：外接定时电容CT，产生锯齿波电压送比较器和死区时间比较器，振荡频率为f=1/RTCT4脚：死区时间控制，输入直流电压（0～4）V，控制TL494输出脉冲的占空比=0.45～0，在此基础上，占空比还受反馈信号控制，4脚还常用作软起动控制端，使输出脉冲宽度由0逐渐达到设计值。
13脚：输出方式控制，当U13=0时，用于驱动单端电路。
TL494的内部包含两个相同的误差放大器，它们的输出端经二极管隔离后送至比较器的同相端，与反相端的锯齿电压相比较，并决定输出电压的宽度，调宽过程可由3脚上的电压来控制，也可分别经误差放大器进行控制。
两个放大器独立使用，用于反馈电压和过流保护，3脚接RC网络，提高整个电路的稳定性。
完整电路原理如图2所示。
输出电压UO经R1和R2分压后加到1脚，当UO变化时，误差放大器1的输出电压随之改变，即与锯齿波电压的比较电平发生改变，比较器输出的脉冲宽度改变，通过TL494输出的驱动脉冲改变开关管的导通时间，从而实现调宽稳压的目的。
软开关双向DCDC变换器的研究
软开关双向DCDC变换器的研究一、本文概述1、介绍双向DCDC变换器的研究背景和意义随着可再生能源和电动汽车等领域的快速发展，对于高效、可靠且智能的电力转换系统的需求日益增加。
双向DC-DC变换器作为一种能够实现电能双向流动的电力转换装置，在这些领域中发挥着至关重要的作用。
本文旨在深入研究软开关双向DC-DC变换器的相关技术和应用，为提升电力转换系统的效率和可靠性提供理论支持和实践指导。
双向DC-DC变换器的研究背景主要源于其广泛的应用场景。
在可再生能源领域，如太阳能和风能发电系统中，由于电源的不稳定性和间歇性，需要一种能够灵活调节电能流动的装置来确保电力系统的稳定运行。
在电动汽车领域，双向DC-DC变换器可以实现车载电池与超级电容之间的能量双向流动，从而提高电动汽车的能量利用效率和动态性能。
研究双向DC-DC变换器的意义在于，通过优化其控制技术和拓扑结构，可以提高电力转换系统的效率和可靠性，降低能量损耗和系统成本。
随着智能电网和分布式发电系统的快速发展，双向DC-DC变换器在电能管理、优化调度和故障隔离等方面也发挥着越来越重要的作用。
因此，对软开关双向DC-DC变换器的研究不仅具有重要的理论价值，还具有广阔的应用前景。
本文将对软开关双向DC-DC变换器的相关技术和应用进行深入研究，旨在为其在可再生能源、电动汽车和智能电网等领域的应用提供理论支持和实践指导。
通过不断优化其控制技术和拓扑结构，有望推动电力转换系统向更高效、更可靠和更智能的方向发展。
2、软开关技术的概念、特点及其在双向DCDC变换器中的应用软开关技术是一种在电力电子领域广泛应用的创新技术，它通过在开关过程中引入谐振，使得开关的切换在零电压或零电流的条件下进行，从而显著降低了开关损耗，提高了系统的效率。
相比于传统的硬开关技术，软开关技术在开关动作时产生的电磁干扰（EMI）和噪声也大大减少，使得整个系统的可靠性得到了提升。
在双向DCDC变换器中，软开关技术的应用主要体现在两个方面：一是实现开关管的零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS），从而降低开关损耗，提高变换器的效率；二是通过谐振过程，实现能量的传递和回收，进一步提高系统的能量利用效率。
无损耗单端正反激软开关DC／DC变换器
无损耗单端正反激软开关DC／DC变换器
郭雁恩;王长河
【期刊名称】《半导体情报》
【年(卷),期】1998(35)4
【摘要】对单端正反激软开关变换器的拓扑进行了分析与设计。
采用３０Ｗ、１００ｋＨｚ的原型电路对理论预期和设计步骤进行了验证，并讨论了整个电路损耗的优化过程。
【总页数】7页(P18-24)
【作者】郭雁恩;王长河
【作者单位】电子工业部第十三研究所;电子工业部第十三研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TM44
【相关文献】
1.基于ARM控制的单端正激双向DC-DC变换器的设计 [J], 姚志树;白雪飞;徐顺清
2.基于单片机控制的单端正激双向DC/DC变换器 [J], 姚志树;徐顺清;白雪飞
3.基于UC3845的单端反激DC/DC变换器的研究 [J], 徐维
4.多路输出电流控制型单端正激DC／DC变换器的设计 [J], 杨宁; 蔡洁华
5.基于隔离反馈发生器的单端正激DC／DC变换器设计 [J], 荣焱;王其岗
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器件研究无损耗单端正反激软开关DC/DC变换器郭雁恩 王长河 聂荣琪(电子工业部第十三研究所,石家庄 050051)摘要 对单端正反激软开关变换器的拓扑进行了分析与设计。
采用30W、100kHz的原型电路对理论预期和设计步骤进行了验证,并讨论了整个电路损耗的优化过程。
关键词 单端正反激变换器 反激 正激 自嵌位 变压器磁通平衡A Single-Ended Fly-Forward Soft Switching DC/DCConverter With a Nondissipative SnubberGuo Yanen,Wang Chang he,Nie Rongqi(T he13th I nstitu te,M inistry of EI,S hij iaz huang050051)Abstract T he analysis and design of an improv ed single-ended fly-forw ard soft-sw itching DC/DC co nverter topolog y is presented in this paper.T he theoretical predic-tio ns and design procedure are verified ex perimentally on a30W,100kHz prototype cir-cuit.Furtherm ore,the optim isation pro cedure based on the o verall losses in the wo rk is discussed.Keywords Sing le-ended fly-forw ard co nv erter Flyback Fo rw ard Self-clamping Tr ansfor mer flux balancing1 引 言开关电源具有体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点,在雷达、计算机、通信、电子仪器、家用电器中已得到广泛应用。
随着大规模集成电路(LSI)的出现,特别是超大规模集成电路(VLSI)向超高速集成电路(VHSIC)的发展,各种电子设备的体积显著减小,迫切需要为其提供能量的电源具有小体积(高功率密度)、高可靠、高效率的特点,而且能够输出低电压大电流。
显然,传统的线性电源系统无论从体积效率、性能以及可靠性等各方面已无法适应现代化的要求。
目前,供电电源部分,正从集中式供电方式朝分布式供电方式发展。
从图1这一典型的分布电源系统可见,DC/DC变换器正是这种供电方式中使用率最高、最频繁的部件,同时DC/DC电路性能的好坏直接影响整个系统的性能。
第35卷 第4期1998年8月 半 导 体 情 报S EM ICONDU CT OR INFORM ATION Vol.35,No.4Aug.1998收稿日期:1998-03-03220V 整流滤波器300V DC /DC 电源变换器50V DC/DC 5V 负载DC/DC 5V 负载……图1 典型的分布式电源系统电力开关变换器的出现,不仅使电源能够输出低电压大电流,而且使发展电力开关变换技术,进一步提高开关电源的功率密度成为可能。
目前,DC /DC 变换器的功率密度可达到6W/in 3,并正向50,60,100(W /in 3)的方向发展。
国内外的发展动态表明,DC /DC 变换器的发展始终朝着高效率与高功率密度的方向发展。
其变换技术从以下三个方面加以论述:(1)DC/DC 变换器的组装方式。
从采用TH T (通孔插装技术)到采用SM T (表面安装技术),发展到M CM (多芯片组装)技术,功率密度已达到4.9W/cm 3,如Inter point 的M K200系列产品。
(2)开关变换技术的发展体现着效率的提高。
因为效率越高,意味着无功功耗越小,可靠性越高。
从线性变换器、PW M 开关变换器、谐振变换器到PWM 软开关变换器,线性变换器的效率最低,尤其是输入电压较高时,PWM 开关变换器使功率器件工作于开关状态,从而大大降低了变换器损耗,但是由于功率开关器件的导通和截止均需一定的时间,因而造成电压电流重叠,具有较高的开关损耗。
谐振变换器利用谐振现象,使功率开关在零电压时导通在零电流时关断,从而减小了开关损耗,使变换器在高频工作时的效率大大提高。
PW M 软开关为工作频率固定开关的前后沿实现了部分谐振的零电压或零电流开关。
高效率有助于功率密度的提高,主要体现在散热器的尺寸可以减小。
(3)决定开关电源体积大小的主要部分是电抗器、变压器等磁性元件和滤波电容。
提高开关频率,减小电容器、电感、变压器的尺寸是实现电源小型化的最有效手段,而且还能抑制干扰,改善系统的动态性能。
高频化是开关电源的主要发展方向。
但是,提高开关频率,必须减小开关器件在开关过程中的功率损耗以及磁性元件的铁损和铜损,才能保证较高的效率,这样需要有相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
高频化的发展必然促使开关电源朝高效率和功率集成化方向发展,因为高频化有利于缩小电路和元件尺寸。
缩小电路尺寸就可以减少寄生参数的影响,同时,高频化后将迫使人们寻找高效率的开关变换电路或新的开关变换技术,以降低开关损耗。
2 无损耗DC /DC 变换器的电路分析与设计 图2给出无损耗DC/DC 变换器电路图,其中LC 子电路能提供变压器磁通的平衡,提高转换效率。
这主要表现在减小开关损耗,将变压器漏感和电路的杂散电感的能量反馈回电源。
图2 无损耗DC/DC 变换器电路图图3给出无损耗单端正反激变换的等效电路,其工作原理简述如下。
假设电容C 初始电压V c ,开关管闭合,表明能量正在供给负载和被贮存在变压器电感中。
当开关Q 开始截止时,集电极电流开始下降,下降速率仅由晶体管的转换速度决定。
然而,由于感抗的存在,外部电流不能立即变化,相反,流经电容C 和二极管D 1,此时,电容C 的极性为正,且V c ≤V s 。
接下来,电容、电压开始缓慢变化直到改变极性,这样限制了集电极-发射极结电压的增长速率,以便使晶体管的19第35卷 第4期 1998年8月 半导体情报图3 无损耗单端正反激变换器等效电路关断损耗大幅度减小,当电容电压变为负值时,开始由储存于L m1和储存于L m2剩余的能量供电,同时输送到电容C,电压V c达到负的最大值,此时变压器磁通平衡条件得到满足。
由于电容C的作用使关断时开关Q的电压由零开始缓慢上升。
V c的极性下个周期开始时翻转,这是由于L、C通过D2和Q进行谐振的结果。
由于电感L的作用,使得电容C的电流从零开始缓慢上升,与开关主路的电流叠加,使得开关管Q的电流开始缓慢上升,这样限制了集电极-发射极结电流的增长速率,使晶体管的开通损耗大幅度减小。
V c的最终稳态电压总是≤V s,这是由D1和D q的嵌位作用造成的。
由于LC谐振的结果,使得开关管在零电流时导通,零电压时关断,从而大大降低了开关损耗。
2.1 电路分析对一个开关周期10个状态的电流和电压进行分析,可得到其相应的等效电路图(见图4)。
导通过程(状态的方程解从略)状态1:0<t<t a时,开关管由关断到闭合,此时D1关闭,D2、D3、D4处于开通状态,次级短路,将开关管看成一个线性减小电压源。
状态2:在t a<t<t b,开关管Q开,D1、D3关,D2、D4开。
状态3:t0<t<t c时,Q开,D3关,D1、D2、D4开。
L中的能量返回V s。
图4 10种状态下的等效电路20半导体情报 第35卷 第4期 1998年8月状态4:t c<t<t on时,Q开,D3、D1关,D4开,D2关。
关断状态(状态方程解从略)状态5:t on<t<t l,Q开关、D4、D1开,D3、D2关。
开关管被看成一个线性减小电流源,此时储存在C中的大部分能量通过D1流向负载,电容C与变压器电感组成并联谐振电路。
状态6:t1<t<t2,Q关,D1、D3、D4开, D2关。
电容吸收储存在变压器电感中的能量, V c逐渐为负值,C与变压器电感组成并联谐振电路。
状态7:t2<t<t3,Q、D2、D4关,D1、D3开。
储存在变压器电感中的能量同时向C与负载释放,看成并联谐振,在t=t3时,V c达到负的最大值。
状态8:t3<t<t4,Q关,D3开,D1关,D4关,D2开。
假若t=t3时,V c达到最大值I L s3 (t3)=I L m2(t3)=0,若 -V c >V s储存在C中的能量反馈回V s则电路模型为状态8,看成串联谐振。
状态9:t4<t<t5,Q关,D3、D1开,D4、D2关。
若此时,-V c V s,则电路状态如状态9所示,稳态后由于变压器不再给C充电,D1便断开,V c嵌位≤V s,此时仍看成串联谐振,仅I L s1(t),V c(t)有些变化。
由状态5～9可以看出,在开关管关断时,由C与L或C与变压器电感组成的谐振电路,使得开关管在零电压时关断,关断损耗大大减小。
状态10:t5<t<t6,Q关,D3开,D1、D4、D2关。
属于正常截止状态,变压器次级回路供给负载电流,I L m1(t)逐渐减小,若在t=t6时, I L m1(t)=0,在t5<t<t6期间,变压器为不连续工作状态,V c最终嵌位在-V c≤V s。
根据上述分析所得的电压电流波形如图5所示。
用PSPICE软件对上述工作状态进行了模拟,与分析结果一致。
图5 各种状态下的电压、电流波形2.2 电路设计指标输入电压V i:48V;输出电压V0:12V;输出电流I0: 2.5A;输出功率:30W;开关频率: 100kHz。
图6 软开关电路主回路实验电路图21第35卷 第4期 1998年8月 半导体情报图7 硬开关电路实验电路图3 无损耗单端正反激DC /DC 变换器电路性能测试数据及结果分析3.1 测试数据在硬开关DC /DC 变换器电路中,R 1与D 3组成的子电路的功率损耗较大,为了与软开关技术进行比较,在软开关电路中,仍保留R 1与D 3子电路,但此时子电路的功耗较小。
测试数据列于表1。
(略)图6给出软开关主回路的实验电路图。
图7给出硬开关电路的实验电路图。
22半导体情报 第35卷 第4期 1998年8月(a)硬开关正反激变换器f=50kHz (a1)开关管电压与电流波形;(a2)开关管关断过程;(a3)开关管开通过程(b)谐振电容C=5.6nF(b1)开关管电压与电流波形;(b2)开关管关断过程;(b3)开关管开通过程(c)谐振电容C=15nF(c1)开关管电压与电流波形;(c2)开关管关断过程;(c3)开关管开通过程(d)谐振电容C=30nF(d1)开关管电压与电流波形;(d2)开关管关断过程;(d3)开关管开通过程23第35卷 第4期 1998年8月 半导体情报(e)开关管的驱动波形(f)正激变压器与反激变压器的输出电压波形图8 输出功率为30W的单端正反激变换器电压电流波形3.2 实验结果分析图8给出电路主要节点的波形。