3kWLLC谐振式模块化通信电源.pdf

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1、1 2 1 3 3 0 6洳：j、嘻硕士学位论文浙扛人学硕士学位论文摘要负载的多样化，特别是负载功率的多变性，以及人们对设备成本投入的最低化和阶段化，需要适用面更广，稳定性更高，还需要具备冗余性和可扩容性的电源与之相适应。这些都对传统的集中式电源提出了挑战，随着模块化分布式电源的技术发展，模块电源系统已成为现在和未来电源的发展趋势。本文以2 2 0 V 交流输入，4 2 v 一5 8 v 直流输出的A C D C 型模块电源单元为研究对象选用P F C+L L C 谐振回路为主电路拓扑。首先介绍了P F C 主电路和控制芯片，给山主要参数的设计，并介绍P F C 电路的保护和延时电路；然后分析

2、L L C 谐振变换器的工作原理，讨论L L C 谐振变换器的主要特性给出主要参数的设计，并介绍了L L C 谐振变换器的控制方案和控制芯片，再次介绍了均流控制方法，重点研究分析了最人电流均流法和限流最人电流均流控制，提出了非选择性哭同控制模式和选择性控制模式两种均流控制方案。最后设计制作2 2 0 V 交流输入，输山功率3 k W 的模块电源，并进行了不同谐振频率(4 0 k H z 与1 0 0 k H z)以及不同电路布局下的对比试验研究，以谐振频率为1 0 0 k H z 的模块电源为例，进行了并机均流试验研究，给出了试验波形和结果。通过对试验结果的分析，验证了设计的可行性。最后分析了

3、不足之处以及今后可能的改进方向。关键词：模块电源，P F C，L L C 谐振，限流最大电流均流法浙江大学硕j j 学位论文A b s t r a c tT h ep o w e rs u p p l yw i t hr e d u n d a n c y,w h i c hh a sl a r g e re a p a c i t yo fo u t p u t,m o r es t a b i l i t ya n dm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n,s h o u l db es u i t a b l ef o rt h ed

4、i v e r s i f i c a t i o no f v a r i e dl o a d,a n dm i n i m u mc o s t I t sac h a l l e n g et oc l a s s i c a lc o n c e n t r a t e dp o w e rS O u r c e，i n g e a d，t e c h n o l o g i e so fd i s t r i b u t e dp o w e rS O u r c ea p p e a ra n dd e v e l o p，w h i c hb e c o m eat r e n

5、 do fp o w e rs u p p l yd e v e l o p i n gn O Wa n di nf u t u r e T h i sp a p e rf o c u s e so na2 2 0 Va ci n p u ta n d4 2 V-5 8 Vd co u t p u t-m o d u l a r i z ep o w e rs u p p l y,c h o o s i n gP F C+L L Cr e s o n a n tc i r c u i ta sm a i nt o p o l o g y P F Cm a i nc i r c u i ta n

6、 dc o n t r o l l i n gI Ca r ed i s c u s s e df i r s t l y,a l S O，g i v i n gm a j o rp a r a m e t e r s d e s i g n P r o t e c t i n gc i r c u i ta n dd e l a yr e c o v e rc i r c u i ta r ed i s c u s s e dt o o T h e n,o p e r a t i o np r i n c i p l eo f L L Cr e s o n a n tc i r c u i

7、ti si n t r o d u c e d,i n c l u d i n gm a i nc h a r a c t e r i s t i co fL L Cr e s o n a n t，m a j o rp a r a m e t e r s d e s i g n，c o n t r o l l i n gm e t h o da n dc o n t r o l l i n gI CA f t e r,t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e sc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d，e s p e c i

8、 a l l ym a x i m a lc u r r e n ts h a r i n ga n do u t p u tl i m i t e dm a x i m a lc u r r e n ts h a r i n g F i n a l l y,am o d u l a r i z ep o w e rs u p p l yw i t h2 2 0 Va ci n p u ta n d3 k Wo a t p u tp o w e ri sc o m p l e t e d，t w oc o m p a r e de x p e r i m e n t sw i t hd i f

9、 f e r e n tr e s o n a n tf r e q u e n c ya n dd i f f e r e n tl a y o u td e s i g nh a v eb e e nd o n e M o r e，t w om o d u l a r i z ep o w e rs u p p l i e sw i t hs a m ep a r a m e t e r sa n dl a y o u td e s i g na r ec o m p l e t e df o rp a r a l l e lo p e r a t i o ne x p e r i m e

10、 n t T h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w e df e a s i b i l i t ya n dd e f i c i e n c yo fm o d u l a r i z ep o w e rs u p p l yd e s i g n，a n dp o s s i b l ei m p r o v i n gd i r e c t i o n K e yw o r d s：m o d u l a r i z ep o w e rs u p p l y,P F C，L L Cr e s o n a n t，L i m i t

11、e dm a x i m a lc u r r e n ts h a r i n g浙江人学硕：学位论文第一章绪论从2 0 世纪6 0 年代开始，开关电源技术产生并不断的发展变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段，目前己深入到国民生产的各个领域。电源系统也从原来的集中式电源系统发展到现在的分布式电源系统，即模块电源。所谓模块电源是指大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，具有扩容性和系统可靠性较高等优点。按照输出不同，模块电源有直流模块电源和交流模

12、块电源之分，本文主要讨论直流模块电源，以下简称模块化电源。在通信领域中，这种模块化电源已被越来越广泛地应用于交换、传输、接入、无线、数据等通信以及监控设备，并且随着技术的发展和市场竞争的日趋激烈，模块化电源还正向高质鼍、高可靠性、低成本的方向发展。1 1 模块化电源的发展1 1 1 模块化电源的发展趋势在电源的性能要求方面，随着通信产品的小型化，用电器电压的下降使得模块化电源开始向高效率、高功率密度、低压大电流、低噪音、良好的动态特性以及宽输入范同等方向发展。在电源的结构方面，薄型化、模块化、标准化并以积木的方式进行组合的拓扑结构得到日益广泛的应用。1 1 2 模块化电源的热点问题”1为了适应

13、市场的需求，模块化电源有几个热点问题：1)散热。热性能是影响模块电源寿命的重要因素，因此对电源的散热处理很重要。2)电磁兼容。目前国际上已建立了完善的电磁兼容标准与认证体系，C I S P R 2 2 信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法规定了信息技术设备在0 1 5 到1 0 0 0 M H z 频段内的电磁干扰限值。我国信息产业部根据国际标准制定了Y D T 9 8 3-1 9 9 8 通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法。3)电源可靠性。可靠性现已成为电源设计的关键课题，直接影响到系统制造的最低成本。模块电源在不同温度、气流、湿度、振动条什下的性能都是设计电源时必须考虑的。4)标准化。

14、标准对电源产业的作用越来越被重视，标准化可以缩短产品推向市场的周期并降低成本，但目前多数国内企浙江大学碗l：学位论文业采用自己的企业标准生产，按照自己的测试规范测试，各个行业标准也存在着技术指标落后、测试方法可操作性差等问题，导致业界没有统一、完善的设计、生产与检测标准，为了推动模块电源的技术进步，提供国内企业生产质量控制的依据，制定科学的国家标准迫在眉睫。1 2 模块化电源系统模块化通信电源产品按照输入输山电压有A c D c、D C D C、D c A c 三种产品，本文主要研究A c D c 模块化电源，下文出现的模块化电源都特指 C I)C 模块化电源。1 2 1 多模块电源供电系统相

15、对于传统的集中式供电，分布式电源系统(多模块电源系统)利_【j 多个中小功率的电源模块并联来组建积木式的人功率电源系统：在空间上各模块接近负载，供电质昔高，通过改变并联模块的数餐来满足不同功率的负载，设计灵活。每个模块承受较小电应力，开天频率比较高，从而系统的功率密度也比较高。图1 1 多模块电源供电系统结构图图1 1 是多模块电源供电系统结构，一般各个模块电源都是可热插拔式，并且为了保证整个电源系统的稳定性，会备有N+n 个模块电源，n 个模块电源作为后备模块，在一些模块中如果有出故5 亭退出L 作的模块电源时，后备模块就相应的自动代替故障模块，从而增加了电源系统的冗余性利可靠性。2浙江人学

16、硕I：学位论文1 2 2 单元模块电源的整机电路结构单元模块化电源的结构和普通的直流电源类似，主要有单级和两级两种结构方式。单级结构的模块化电源，由电网接入交流电，经不控整流送D e D e 功率级转换后，输出设定的稳定直流电压或稳定直流电流，如图1 2。交输交输-整流P F C滤波a)单级P F C 结构整流D C滤波D C-直流输出直流输出b)整流滤波D C D C 单级结构图1 2 模块化电源单级结构两级结构的模块化电源一般用丁-大功率电源系统，电网接入交流电，整流滤波经P F C级进行功率冈数校止后再送D C D C 功率级转换最后输出稳定直流电压或稳定直流电流，如陶1 3。交输直流输

17、出图1 3 模块化电源两级结构以上两种结构相比而言，在模块化电源中由于要适应扩容后的大功率要求以及小电压人电流的发展趋势，两级结构应用得更频繁，另一方面考虑要满足信息产业部发布的中华人民共和国通信行业标准对功率因数的要求，两级方案也是模块化电源更合适的选择。1 2 3 模块化通信电源的D C D c 变换器拓扑结构”-1”在确定|卜两级方案后，P F C 级的电路拓扑一般采刚比较通埘的B o o s t 拓扑结构，交流输入后，4 0 0 V 左右直流电厍稳压输出。而模块化通信电源的D C D C 功率级，比较常用的电路3浙江大学琐上学位论文拓扑结构有以F 几类：在低功率电源中，主要是单管正激和

18、单管反激拓扑结构等；在中高功率电源中，主要是推挽、半桥、全桥、双管止激以及半桥或全桥的谐振拓扑结构。r 文将针对这儿种电路拓扑结构进行讨论和I 比较。A 正激式变换电路结构L P F c：l。到；卜fJ dV o u t图1 4 单管止激式变换器原理图止激D C D C 变换电路有多种磁复位方法如R C D 复位、L C D 复位、舣开关管复伉、有源箝位等复位方法，按照不同的复位方法能衍生山多种不同的止激交换器电路。l 篁|1 4 中是基本单管正激变换器，它所应用的元什比较少，电路结构比较简单，有比较好的转换效率。但这种结构存在以下一些缺点：(1)正激变换电路中的功率管是硬开关，在高频和小型化

19、方面有局限性，同时由丁输出功率的增加，会加人功率管的电流应力，硬开关的缺点也更加突出，因此对丁这种硬开关的单管正激变换电路只适合工作于低功率范围；(2)单管正激变换器的开关管上的电压应力比较高，一般是两倍的输入电压。有源箝位止激变换器能够实现Z V S，但电路比较复杂，成本提高，而且也不容易在输出大负载的时候保证Z V S。双管正激变换器是现时比较常用的正激式变换器拓扑中的一种(图1 5)，其开关管上电压应力为一倍的输入电压，而且不需磁复位绕组，同时，与桥式变换器相比，双管正激变换器不存在桥臂直通的危险。双管正激变换器有以下的缺点：(1)它最大占空比为0 5，因此变压器副边输出的是半波信号，与

20、半桥变换器输出是全波信号相比，磁芯的利埘率低，所需的输出电感和输出电容值较大，体积也较大；(2)由于舣管正激变换器的开关器件为硬开关，二极管的反向恢复效麻，会给原边带来一个较高的电流尖峰，因为线路漏感的存在会对电路其他信号产生干扰。4浙江大学母I i：学位论文VB 反激式变换电路结构图1 5 双管正激式变换器原理图P F c 广卜J 蛩V o u tV o u t圈1 6 反激式变换器原理图反激式电路相对于止激式电路，其所用元什更少，结构比较简单，成本也比较低，冈此反激变换器能适合在多路输出场合中使用。图1 6 中为撮基本的反激变换器拓扑，它通过副边R C D 复位，元件利埘率较高，变换效率比

21、较高。反激电路结构的缺点在于：(1)由于能晕均需经过变压器储能再传输给副边，这使得反激变换器也只能适_ H j 于小功率场合；(2)由于副边二极管上电流是断续的，因此输出电容上会有较大的电流纹波，电容E S R上的损耗由此增加。C 推挽式变换电路结构推挽式变换器的工作频率可以比较高，因此变压器和输出滤波器的体积可以比较小，相对桥式变换器，推挽式变换器也不存在直通的危险。这种变换器的缺点主要在于：(1)存在直流偏磁，由丁：上下管交替开关，使变压器磁芯交替磁化与去磁，而电路的不完全对称会导致变压器原边的高频交流电压上叠加一个比较小的直流电压，如果作川时问浙江大学琐1 学位论文长，容易使变压器单方向

22、饱和，导致器件损坏；(2)开关管上最大电压鹿力为两倍的输出电压，使得开关管的选择和输入电压范围受到限制。JL lj：P F Cl：一JLJ!：k，“图1 7 推挽变换器原理图D 对称半桥式变换电路结构lJJr一日叫LJ jj图1 8 小桥变换器原理图与推挽式变换器的开关管上承受电压是两倍的输入电压相比，对称r 桥变换器的开关管上承受的电压是输入电压，因此用于较高的输入电压。对称半桥变换器的缺点主要在丁I：原边存在的漏感会带米复位电压和占空比丢失两个问题，复位电压的存在，使得在设计电路时要对最人占空比进行限制，以留出复位电压的时间。占空比的丢失则使得有效占空比减小，为了得到所要求的电压，必须提高

23、变压器的原副边匝比，从而导致原边的电流增加，开关管的电流应力增加，通态损耗加大，以及副边整流桥的耐压值耍增加。在半桥拓扑结构中，还有不对称、F 桥拓扑。不对称、|，桥变换器可以利用变压器旃l；感和M O S 管结电容之间的谐振实现Z V S，但由于Z V S 的条件和负载有关，在轻载下不容易实现Z V S。E 全桥式变换电路结构6浙江人学觏士学位论文P F C：一J叠、_ J a。l厂一_ J 刍2扣；bV o 一L j。图1 9 全桥变换器原理图全桥变换器根据控制方式主要有3 种：双极性控制、有限双极性控制和移相控制。这3种控制方式都是P w M 控制。与对称半桥式变换器类似，其开关管上的电

24、压应力为输入电压，并且可以实现Z V S、Z C S、Z V Z C S 的P W M 控制，但是在低乐输入时峰值电流较高。F 谐振电路结构全桥和半桥谐振变换器在=作原理上类似，区别在丁谐振同路的输入端电压，全桥的谐振回路输入端平均电压为D C D C 变换器的输入电压，而半桥的谐振同路输入端平均电乐为其一半，因此在开犬管的电流应力上全桥谐振变换器要比学桥谐振变换器小，但全桥拓扑在开关管数量上要多一倍，成本较高，考虑剑功率等级和设计成本，根据不同廊川选择合适的拓扑。比较各种方案后及设计的参数范围，本文选择的是不对称、F 桥谐振拓扑，关于各种不对称半桥谐振回路的讨论将在第三章给出。1 3 本文的

25、主要研究内容本文所要研究的单元模块电源是中功率、可热插拔式模块电源，其性能参数主要如下：满载功率：3 0 0 0 W；输入电压：交流1 6 5 V-2 6 5 V；输出电压：直流4 3 V-5 8 V；功率因数：0 9 9；转换效率：9 0：电路拓扑结构采用两级式，P F C 级电路为B o o s t 结构，由U C 3 8 5 4 控制芯片P W M 控制；7浙江大学硕L 学位论文D c D c 级电路为不对称、F 桥L L C 谐振拓扑，采埘C 1)4 0 4 6 控制芯片调频控制。本文将对模块化电源的设计进行研究。介绍C C M 模式的B o o s t 型P F C 的控制电路设计和

26、主电路设计，及其保护电路设计等。对于L L C 谐振式D c D c 变换器中的L L C 谐振同路的电压增益特性、空载特性和短路特性进行研究，f=给出主要参数的设计步骤，及其仿真研究结果。对具有输出限流功能的最大电流均流控制环方案进行研究分析，提出非选择性共同控制模式和选择性控制模式两种均流控制方案。设计制作3 k W 样机，并进行实验研究。8浙江大学硕士学位论文第二章P F C 电路及实例设计直接从电网通过不控整流电路进来的交流电流会发生严重的畸变，如图2 1 所示。它所造成的后果是，对电网有危害作用的谐波电流和输入端的低功率冈数。在中华人民共和国通信行业标准中，对1 5 0 0 W 以上

27、的电源单机满载时整机功率因数要大于0 9 2，对1 5 0 0 W以下的电源单机满载时整机功率因数要大于0 9 5。因此，就需要有P F C 电路来提高电源的输入功率因数。I f。才能实现M O S 管的Z V S 开通，而L L C串联谐振变换器，只要工作频率大丁励磁电感参与谐振时的本征谐振频率，即f f-就可实现M O S 管的Z V S 开通。3 2 1f _ f f。时L L C 谐振变换器工作原理当L L C 谐振变换器的T 作频率处丁这个频率段时，一个周期内可以分为8 个J：作模式2 l浙江大学硕1：学位论文考虑到上卜-管_ L 作模式的对称，所以只对上管的4 个=作模式进行分析，

28、如图3 5 所示(图中电流电压方向为参考方向)。模式1：t o t t模式2：t l t t 2模式3：t。t t。浙江大学顾十学位论文模式4：t a t t 4；l v aj-J丁l一小。s 1：s l：rt磅。飞。公。氏l 乡i 涝rtV w，*V坍Lrt弋弋弋弋LrtullD I Ju主要电流和电压波形图3 5f-f f。时的电路工作过程M I：t o K t t-时。s z 关闭，并且谐振电流i，对s-的结电容放电也结束，V m 降到零伏，S，的体二极管导通，副边二极管D。也开始导通。励磁电感L 两端的电压为n v 0(n 为变乐器匝比)，i 线性增加。I d 2：t l t t z

29、时。t 时刻s，零电压开通，谐振电流i，从s。上流过并且和励磁电感电流i 继续增人，直到i，=i 的时候，副边二极管D。零电流关断。M 3：t 2 t K t。时。随着副边二极管D。的关断，励磁电感开始参与谐振，由丁：励磁电感L要比L f 人很多，冈此这个时候的谐振周期相比之前会长很多，这个时候的谐振电流可近似认为不变。M 4：t 3 f。时L L C 谐振变换器工作原理当工作频率f f。时，谐振电路在一个周期的工作过程也可以分为8 个模式，同样的，由于上下管的1=作情况对称，下面只对上管工作过程中的4 个模式进行分析，如图3 6 所示(图中电流和电压方向为参考方向)。模式1：t o t t模

30、式2：t l t t 2模式3：t 2 t t 3n 1R o v o2 4nn浙江大学硕十学位论文模式4：t 3 t t dn：1Ls 1：鸵：s，l：I：鸵irti厂淤心，崧卜、L一厶一弋身二一，r夕t。lNIL|tr r：烈烈疋X厂j。、rtR o V o主要电流和电压波形图3 6f。f 时的电路工作过程M I：t o(t t-时。励磁电流和谐振电流相同，i，=i；由于此时m 刚好处于导通状态，励磁电感两端的电压为n v o，励磁电感上的电流呈线性增加，这阶段L，和c，参与谐振，谐振电流以频率正2 五i i l-亏正弦变化，直到t-时刻，s，关断。M 2：t，t f s，谐振电流此时仍然

31、大于励磁电流，副边二极管D，依旧处于导通状态，因此励磁电感两端的电压还是n V。，同路电压方向平谐振电流方向相反，谐振电流减小。浙江大学硕l：学位论文M 4：时。t。时刻S。开通，这个阶段副边二极管D。仍然导通，直到b 时刻，励磁电流等于谐振电流此阶段结束，谐振网路开始相反方向的对称工作过稃。在f f，时，由丁励磁电感一直没有参与谐振，因此这个上作频率下的L L C 谐振电路等效于传统的L c 串联谐振电路。3 2 3L L C 谐振回路特性分析L L C 谐振回路是整个L L C 谐振变换器的主要部分，变换器的设计也主要就是L L C 谐振同路参数的设计，冈此下面将对L L C 谐振回路的特

32、性重点分析。3 2 3 1L L c 谐振回路的等效电路为了更清楚简洁的分析谐振回路的各个特性，把原电路等效成图3 7 的结构，其中为副边等效负载：胄。=8”2 R。(3-1)L r图3 7L L C 谐振同路等效电路由图3 7，在简单分析前提下只考虑输入的基波分量，那么该电路的交流电压增益为：以以。计算后可化为下面的等式：竺：刍生J C O L。+R。丽1”一等琶去d配，(3 2)(3 3)上浙江大学硕士学位论文设定以下归一化量：谐振点谐振电感阻抗归一化量：谐振频率归一化量：励磁电感关于谐振电感的归一化量：那么式(3-3)可以简化为：蚴删=鲁=D：竺丛。R。Q：旦J：益三，肥i 瓣考虑V o

33、=V J n，V。，近似为V 2，L L C 谐振直流电压增益可表示为(3 5)(3 7)G(垤，Q，加告=去M(垤，Q)(3 _ 8)从式(3-7)可以看出当o=l，即工作频率在谐振频率点的时候M 恒为1 与负载无关。设定励磁电感与谐振电感的归一化量h 为4，可由式(3-7)根据不同的品质因数Q 得到图3 8。f j：j：if斗q，、f，叫受、融j、_|：蔓“j j 一1 l j tj图3 8L L C 谐振回路的交流电压增益特性2 7浙江大学硕十学位论文3 2 3 2L I,C 谐振回路的空载特性和短路特性1)空载特性当变换器输出空载的时候，R o 接近为无穷大，Q 近似为0，因此式(3

34、7)简化为肚盱1 翮为了比较方便比较，h 也取为4，那么可以得到以下的交流增益图32 52蓄鎏l0 5|j；j(3 9)浙江大学硕士学位论文一I o：丝(!垒!婴K2 n R。胛jw|善一、w。k，If。玉，j 于。-鑫翻三。、1 卜k。、搿矗卜_ 释隧(3 一“)归一化频率。图3 1 0L L C 谐振变换器输出直流电流增益(h=4，Q=1，n=4 5，)图3 1 0(R 为输出负载阻抗单位欧姆)表明输出短路的时候，工作频率在谐振点附近情况下，由于谐振回路阻抗很小，输出电流会比较大，但稍微增加工作频率，电流就下降得很快，因此在输出短路时，要提高工作频率来限制输出电流。3 3 电路参数设计3

35、3 1 实例设计如上所述，L L C 谐振的主要参数是谐振电感L r、谐振电容C。、变压器励磁电感k，其中变压器原边漏感可以作为谐振电感的L r 一部分，因此对电路的参数设计主要就是设计这几个参数。L L C 谐振变换器主要性能参数：输入额定直流电压：4 0 0 V：输出额定直流屯压：4 2 5 8 V；输出额定直流电流：4 8 5 6 A输出满载功率：3 0 0 0 W。|激激盏输直电增浙江大学硕七学位论文昙ti 1 4 0 0，=丢万石_=虿i 泛i 五舌万孑丽=8 7，取N p 为9 匝，由n=4 5 两个首先选择负载归一化量Q，由图3，7 可知，选择Q 的标准首要在于能不能使得变换器满

36、足全输入和输出范围内的可调节，冈此对于图3 7 而言，选择Q 要先知道最大电压增益k；肘。=2”等=2 x 4 5 x4 5。8。=t 加sM m m=2 n F。r m i m=2 x 4 5 x4 4 0 0 2=。9 4 5矿2 志。1 3。3(Q)扣警以4 朋；c，=寿L=o s 4 旷。一“浙江大学硕t 学位论文-：；L 藩；ii。；。7鞲一；，_，l l Il 差j。f。I：一j：I i j 一，!，；、i 遗：一，-J 玑跨4 X。；，上一i 一I一：+：一一!，l：、：露醚鬟慕：疆*|i-L i“、嚣炙譬嫠谐挚蘸V E l(a)谐振同路输入电压和谐振电流仿真波形八；!：八。n淤

37、n。、，li j1 r：；J1WJfyIl，；lIfJ|l JI|一(1l 髫r7可I 汐fi二lki!i一r5 0 2 4o 岫、L，2(b)副边整流二极管电流仿真波形图3 1 1 谐振频率为1 0 0 k H z 时谐振同路的仿真波形(3)I I O S F E T 开关管和副边整流二极管的选择根据电路电压应力和电流应力的值，M O S F E T 开关管的v*上的电压应力为4 0 0 V，根据仿真的结果，谐振电流峰值不到2 0 h，选择I X F K 4 4 N 5 0(V m=5 0 0 V，I u=4 4 h，=0 1 2Q)并采用两只并联方式；副边二极管采用D S E l 6 0-

38、0 2(I-A,=6 9 h，V 一=2 0 0 V，T=3 5 n s)同样采用两只亓联方式。3 3 24 0 k H z 谐振频率和1 0 0 k H z 谐振频率下L L C 谐振变换器的电路性能比较按照上面的设计步骤，其中保持变压器匝数比和电感归一化量h 不变，得到4 0 k H z 谐振频率时谐振回路的参数如表3 1。3浙江大学硕士学位论文表3 14 0 k H z 和l O O l d l z 谐振频率下的谐振回路参数谐振频率f s(k H z)4 01 0 0变压器原副边匝数比n4 54 5励磁电感归一化量h44谐振电感归一化qO 2 5O 3 5谐振电感L r(u H)1 1

39、48 4谐振电容C r(uF)1 40 3 3A 输出电压的调节由上述设计的参数，可以得到两种频率当前参数下的电压增益：轻E 簟!叫：fi ffr o。J：I：1Ji|l厂遗火。h；、每。；*o鲁毛。0。1 52l O O k H z秘图3 1 2 实例参数的电压增益对于相同输入电压和输出电压，以及相同输出功率的L L C 谐振变换器而言，不同的谐振频率等级都有一样的电压增益关于归一化频率的曲线，但曲线会随着Q 的变化而变化，0 越大曲线就越平相应的最大增益点也就越低，如图3 1 2 中所示，相同输出负载下4 0 k H z谐振频率时的最大增益点要比1 0 0 k H z 谐振频率时来的高，因

40、此在对输出电压进行调节时会更加容易。B 谐振回路中的电流分析谐振回路可以得到谐振电流有效值的计算公式：k=去筹协2叫。浙江人学硕j 二学位论文按照式(3-1)、(3 4)、(3 6)，谐振回路的Q 值一定的时候，谐振电流有效值只与输出电压利输出负载及输出电压、原副边匝数比有关，因此对丁-相同输山电压利输出负载、固定变压器的谐振变换器而言，不同的谐振频率下都有相同的谐振电流。如果Q 值不同的话就有如图3 1 3 的关系曲线。J：Q=O 2 5，么。l。；，一，一；一7：一j：十。|，一j，p。，一一。，一。1，一。，一+。?彩耋-一一r 图3 1 3 谐振电流有效值关丁频率关系曲线图3 1 2

41、表明在相同输出电斥和负载情况下，Q 值越人谐振电流有效值就会越小，l O O k H z时的Q 选择是0 3 5，而4 0 1 d l z 时的Q 选择时0 2 5，此外从圈3 1 1 中可以看出在输出电压相同时，二者的归一化频率虽然有差异但很接近，因此前者开关管和变压器上的电流应力要小很多，谐振电感和变压器的体积可以比低谐振频率的时候要小。同时由于l O O k H z 谐振频率时谐振电流有效值比较低，因此开关管上的导通损耗，以及变压器和谐振电感上的铜损也相对要小些。同样的，变压器副边流经整流-二极管上的电流有效值为：。=蕊V,。_ 1 5 z r l 2 2 丌-：4 8 上4。：z z：

42、2-+断2(。一t z)它与谐振电流有类似的特性。|璺|3 1 4 和图3 1 1 可以看到4 0 k H z 谐振频率变换器的谐振电流和副边二极管电流都要较l O O k H z 谐振频率变换器的大一点。3 3浙江大学硕十学位论文：，、；厂、jj，、i卜-一f：I：舞釜蚕I1-一“良H 三丁一1二1：J7；l：；一f。k；fH；k k l”h；k。簿辚；一7缬i 撵鬟琏“艮。；孥鹾皴i 二!l i 门|；U o i-：；l；：，i 革f；V、li、i；l、；，X；乏、；!、i一#k Z0 k I，1 菱Wb 0 0 碍0 钙LJ，：j f 厂一；：、J：-,j：、J：，黼，z 啪3 0 0

43、h，0 D m 图3 1 44 0 k H z 谐振电流和副边二极管电流仿真波形3 4D C D C 功率级的控制方案输堂坐堕墨堂厂石i i 而输面湎蕊t 旦稿堂皇生墨壁厂I 五i i 西输丽面磊t 卫输里堕墨堑隔河i i i i 五输入电压丛准I启动一欠判新及软控制芯片J r 关管门极靳动信号图3 1 5D C D C 功率级的控制结构图D c D c 控制采用3 路选择性控制如图3 1 5 所示，哪路所脓控的信号需要受控，哪路的输出电压就较高，由二极管的单向导通特性就会选择该路作为目前激活的控制同路对该路所控信号进行调节。3 路控制回路分别是副边电流控制、输出电压控制、输入电压判断和软启动

44、。(1)输出电流控制对副边流经整流_ 二极管的电流进行采样整流后作为一个电流控制信号，通过P I D 调节器与基准比较，如果过高就会调低输出电压米使电流减小，由于只有过高需要保护，因此该路对电流过低没有调霄作用，其作_ H J 相当于输出总电流的限流。(2)输出电压控制与副边电流控制类似，但输出电压对过压和欠压都有调协作用，目的在丁I 使输出电压稳浙江人学硕L 学位论文定在设定值，是输出电压的调节环。(3)输入电压判断和软启动该支路的作川在于判断输入电压是否在D c D c 功率级的_ 作范闱，如果没有(过高或者过低)则不动作，D C D C 功率级处于不工作状态，如果输入电压在其工作范围内，

45、则启动软启动电路。软启动电路是为了在开始启动的时候由于输出电容没有电压相当于短路，因此不让开关管完全开通，使控制芯片以高频启动，输出电压慢慢升上来。(4)三条控制回路的关系和相互作用软启动作为开始的启动保护控制电路必然要最先起作用，它由一个电容来控制其输出电压，D C D C 变换器刚上电工作的时候，该电容处于较高压状态，由于没有输出电压和输出电流，软启动电路输出电压最高首先起作用，让控制芯片高频输出，同时该电容放电，软启动控制同路的输出随之慢慢降低，而电压控制同路由丁输出电压的慢慢升高，电乐控制回路的输山电压也渐渐抬高，直到超过软启动控制同路的输出电压，软启动回路就退出l：作，由电压控制同路

46、顶替其T 作，工作原理如图3 1 6，t。为D C D C 交换器开始启动点，t，为两路控制的切换点。V0K 一。一0t ot lt压图3 1 6 软启动控制同路和输出电压控制回路t 作切换原理电流控制回路一般在电路正常工作过程中出现限流后才起作用，冈此主要讨论它与电压控制同路的切换关系。正常丁作状态下，电路没有在限流状态，则电流控制回路的输出电压默认要比电压控制回路的输出电压低，如果输出电流增人情况，电流控制同路的电压就开始上升，直到到达限流点，电流控制同路的输出电压开始超过电压控制亓I 路的输出电压，控制环就切换到电流控制回路上一l：作，输出电压减小，输山电流也随之减少，但此时电流控制同路

47、的输出电压仍然要比电压控制同路的输出高，所以依然是电流控制同路起作用，只有当输3 5浙江大学硕十学位论文出电流继续减少，电流控制同路的输出电压降低，变换器输出电压升高，电压控制同路的输出电压也随之升高，同时电流控制同路的输出电压降低，当然两路电压曲线相交的时候，又会切换剑电压控制，工作原理如图3 1 7。如果在电流控制回路起作用区间里，变换器就稳定工作，则一直由电流控制回路起作用，直到输出电流减少或者输出电压升高。JV|电压控制回路输出电压l；E 电流控铷回路输出电压0_-F_r0tt图3 1 7 电流控制环和电压控制环切换工作原理3 5 控制芯片酬C D 4 0 4 6 是通用的c M o

48、S 锁相环，其特点是电源电压范同宽(3 V 一1 8 V)，输入阻抗高(约1 0 0 M Q)，动态功耗小，在中心频率l O k H z 下功耗仅为6 0 0 1 t w，属微功耗器件。在本文电路中主要应用了C D 4 0 4 6 的压控振荡器功能，见图3 1 4。图3 1 4C D 4 0 4 6 功能幽 I 浙江大学硕i-学位论文4 脚为压控振荡器输出端。5 脚为禁i E 端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器j 二作，这里接地允许压控振荡器1：作。6、7 脚外接振荡电容。8、1 6 脚为电源的负端和上E 端。9 脚为压控振荡器的控制端，输入控制信号从上述的3 路控制同路输出引进。1 1

49、、1 2 脚外接振荡电阻，可以设置芯片最高输出频率和最低输出频率。4 脚输出信号，由D 触发器分为互补的两路输出分别作为L L C 谐振电路的上M O S 管和下M O S 管。浙江人学顾十学位论文第四章负载均流控制技术为了满足大功率的负载，必须加人电源的输山功率设计，但集中式的电源对大功率的输出存在设计和制造上难度，而且成本方面也不合算，于是多模块分布式电源并联来代替单个电源给负载提高能量成为大功率电源系统的趋势。这种分布式电源系统有扩容性和冗余性的优点，既能满足不断增加的负载需要，又能在部分模块故障失效时保证系统稳定，同时还能实现模块热插拔提高了电源系统的可维护性。这种模块化电源系统存在一

50、个主要的问题，就是负载均流问题。如果有不均流的现象，比如由于不同模块之间存在外特性的不同，可能导致其中某些输出能力差点的电源模块只分担很少甚至零电流，而输出能力强的电源模块分担很大甚至超出其本身满载的电流的情况发生，这个时候电源模块很可能由丁过载而缩短寿命或者山现故障。要解决这个问题，必须引入负载均流技术，所谓负载均流技术，就对各个模块的电流反馈进行采样，再通过均流控制电路米平均各个j 二作模块上的电流”1。4 1 负载均流控制技术的分类(1)输出阻抗法输出阻抗法也称电压调整率法、I 占|定差值法和下垂法。它利用开环的方法调节模块电源的输山阻抗，从而实现均流目的，如图4 1(a)。这种均流方法