不对称半桥变换器研究 开题报告解剖

不对称半桥变换器研究

一．课题来源、目的、意义，国内外概况和预测：1955年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，在1964年美国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到1969年终于做成了25千赫的开关电源，这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研究成了国际会议的热门课题。

自20世纪60年代开始得到发展和应用的DC-DC功率变换技术其实是一种硬开关技术。60年代中期，美国已研制成20kHz DC-DC变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了50Hz工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅度减小，提高了效率，输出高质量的直流电。到70年代初期已被先进国家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在1977年左右开始进入控制电路集成化阶段。控制电路的集成化标志着开关电源的重大进步。80年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的48V 成套电源，即目前所谓的开关电源(SMP-SwitchMode Power)或开关整流器(SMR-Switch Mode Rectifier )o

70年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软开关技术。

最先在70年代出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换

器(Resonantconverters)。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器(Series resonant converters, SRCs)和并联谐振变换器(Parallel resonantconverters, PRCs)两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。

准谐振变换器(Quasi-resonant converters,QRCs)和多谐振变换器(Multi - resonantconverters, MRCS)出现在80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。

80年代末出现了零开关PWM变换器(Zero switching PWM converters)。它可以分为零电压开关PWM变换器(Zero-voltage-switching PWM converters)和零电流开关PWM 近年来，随着个人电子计算机(笔记本电脑)、通信设备、微型电器设备的发展，以及空间技术实际应用的需求，要求DC/DC变换器具有更小的体积、重量和高功率密度，这就要求DC/DC变换器工作在更高的频率上，例如几MHz或几十MHz。然而，在硬开关工作下，随着频率的提高，开关管的开关损耗会成正比的上升，使电路的效率大大降低，处理功率的能力大幅度下降，严重时，在开通和关断瞬间产生的电流尖峰和电压尖峰可能使开关器件的状态运行轨迹超出安全工作区，影响开关的可靠性，而且也会产生很强的电磁千扰。增加缓冲电路可以减小功率器件的开关损耗，但缓冲电路的实质是将功率器件所减少的能量转移到缓冲电路中，在强缓冲时，开关电路的总损耗反而增加。无损缓冲电路的发展减少了这一突出矛盾，但要增加较多的额外元件，增加电路

的复杂性。与此同时软开关技术也发展起来。

所谓“软开关”是指零电压开关(Zero-V oltage-Switching , ZVS )或零电流开关(Zero-Current-Switching , ZCS )。它是利用谐振原理，使开关变换器的开关管的电流(或电压)按正弦(或准正弦)规律变化，当电压过零时，使器件开通(或电流自然过零时，使器件关断)，实现开关损耗为零，从而提高开关频率，减小变压器、电感的体积。主要包括以下几个方面：

(I)串联或并联谐振技术

串联或并联谐振是利用谐振原理，使电路工作于谐振状态，开关管零电压开通或零电流关断，以减小开关损耗，且降低了EMI 噪声。由于有LC谐振，所以开关管的电流和电压应力较高，使得开关管的通态损耗增加;由于LC谐振频率固定，只有调节开关频率，使占空比变化，从而调节输出电流或输出电压。因此，谐振变换电路的开关频率是变化的，这对输入输出滤波器的设计不利。

(2)准谐振或多谐振技术

利用正向回路和反向回路的LC值不一样，使电路振荡不对称，称为准谐振。当谐振回路元件多于两个时，称为多谐振。在高频情况下(如开关频率大于5OOkHz时)，通常利用功率元件的寄生电感和电容或外加电感和电容，实现准谐振或多谐振，以达到零电压或零电流的目的。准谐振和多谐振变换器同谐振一样，也要调节开关频率来实现输出稳定。开关频率的变化，增加了控制、驱动、输出滤波器的设计难度。

(3) ZCS-PWM或ZVS-PWM技术

在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电路，使变换器恒频工作。在开关周期内，主功率元件按脉宽调制(Pulse Width

Modulation, PWM)方式工作，通过控制辅助开关，使主功率元件在开关变换时，按准谐振变换器方式工作，实现ZCS或ZVS，前者称为ZCS-PWM变换器，后者称为ZVS-PWM变换器。这样，变换器既有零电压或零电流的软开关特点，又有PWM恒频调宽的特点，电路的效率较高。

(4) ZCT PWM或ZVT PWM技术

ZCS-PWM或ZVS-PWM变换器的谐振电感是串联在主电路中，使得零开关条件与电源电压和负载变化范围有关，在轻载时不易实现零开关。如果将谐振网络与主开关并联，就可改善零开关条件，这种变换器称为(零电流转换Zero-Current-Transition-PWM, ZCT PWM)或零电压转换一PWM （Zero-V oltage--Transition-PWM, ZVT PWM)变换器，统称为零转换变换器。它的导通损耗和开

关损耗最小，能实现零开关特性而不增加主开关的电压、电流应力，适用于较高压和大功率变换器。

每一种基本DCIDC变换电路，都有其适用场合，如适宜中功率的变换器有:双管正激、有源钳位、移相全桥和半桥，采用得最多的是双管正激和移相全桥两种拓扑。双管正激是一种典型的硬开关PWM变换电路，其优点是线路简单，控制方便，成本较低:其缺点是硬开关工作，开关损耗较大，在D小于0.5下工作，输出纹波较大，总体效率不高，EMI大，如果实现ZCS, ZVS等，必须外加一些元器件，控制复杂，成本攀升。移相全桥(Phase Shifting Control Full-Bridge)是一种典型的软开关变换电路，其优点有:开关管在ZVS条件下进行，开关损耗小，控制简单，有现成的控制芯片(UC3875, UC3895)，恒频工作，电压、电流应力小，可以用两倍开关频率的滤波器，EMI小;其缺点有:轻载时，滞后臂开关管的