高频开关电源设计毕业论文.doc

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1、 第 1 页 共 51 页 目 录 引言 .1 1本文概述2 1.1 选题背景.2 1.2 本课题主要特点和设计目标.2 1.3 课题设计思路.3 2SABER 软件 4 2.1 SABER 简介.4 2.2 SABER 仿真流程.5 2.3 本章小结.5 3三相桥式全控整流器的设计7 3.1 工作原理.7 3.1.1 三相桥式全控整流电路的特点.8 3.2 保护电路.8 3.2.1 过电压产生的原因.8 3.2.2 过压保护.8 3.2.3 过电流产生的原因.9 3.2.4 过流保护.10 3.3 SABER 仿真.12 3.3.1 设计规范.12 3.3.2 建立模型.13 3.3.3 仿

2、真结果.13 3.3.4 结果分析.15 3.4 本章小结.15 4功率因素校正技术.16 4.1 谐波.16 4.1.1 谐波的危害.16 4.1.2 谐波补偿和功率因素校正.16 4.2 有源功率因数校正.17 4.2.1 APFC 技术分类 17 4.2.2 临界导电模式 APFC 的控制原理 18 4.2.3 功率因素校正电路的缺点及解决方法.19 4.3 本章小结.20 5软开关功率变换技术.21 第 2 页 共 51 页 5.1 软开关技术的提出.21 5.1.1 开关损耗的成因.21 5.2 软开关技术.22 5.2.1 软开关技术的一般实现方法.23 5.2.2 软开关的发展历

3、程主要分类.25 5.3 本章小结.26 6双管正激变换器的设计.27 6.1 工作原理.27 6.2 SG3525 的功能介绍以及应用 28 6.2.1 SG3525 基本工作原理和应用特点 .29 6.2.2 SG3525 在双管正激开关电源中的应用 .29 6.3 启动电路的改进.31 6.4 SABER 仿真.31 6.4.1 设计步骤简介.31 6.4.2 设计规范.31 6.4.3 开环设计（功率电路设计）.32 6.4.4 调制器设计和闭环仿真.35 6.5 仿真结果.38 6.6 本章小结.39 7BOOST 变换器的设计 .40 7.1 工作原理.40 7.2 SABER 仿

4、真.41 7.2.1 设计规范.41 7.2.2 参数设计.42 7.2.3 仿真结果.43 7.3 本章小结.43 8系统集成调试.44 9结论与展望.45 谢 辞 46 参考文献 47 附录 48 第 1 页 共 51 页 引言 人类已经进入工业经济时代，并处于转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是 向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。 电源涉及功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等 多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科 学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。在现代通信，电子仪器、计算机、 工业自动化、电力工程、国

5、防以及某些高新技术中发挥着重要作用。 开关电源是直流电源系统的一个重要组成部分。高频开关技术是采用高频功率半 导体器件和脉宽调制(PWM)技术的功率变换技术。其发展方向是高频，高功率因素， 抗干扰和模块化，其中进一步实现高频化是开关电源的发展趋势，同时软开关技术也 成为开关电源的主流技术，由于工作频率高，电路中的滤波电感和电容的体积可大大 缩小；同时，高频变压器取代了工频变压器则变压器的体积减小、重量降低；另外， 由于开关管高频工作，功率损耗小，因而开关电源效率高。开关管一般采用 PWM 控 制方式，稳压稳流特性极佳。 现在应用于开关电源技术的仿真软件已有多种，它们有通用的软件，也有专业的 软

6、件，其中通用的最具影响的是 PSPICE 和 MATLAB。PSPICE 是美国加州大学伯克利分 校推出的集成电路分析软件 SPICE 的微机版，广泛应用于电子电路的设计。早期的 MATLAB 主要应用于控制系统的仿真和分析，经过不断扩展已经成为包括通信、电气工 程、优化控制等诸多领域的科学计算软件。虽然上述两个软件均可用于开关电源系统 的仿真，但是笔者认为开关电源技术作为一门跟实践紧密联系的课程，采用专业级的 仿真软件效果将会更好，因此本次设计将采用专业级的电源仿真软件-SABER。 本文应用高频开关 PWM 技术，设计了一种开关频率 50KHZ 的高频开关电源，系 统主电路包括三相桥式全控

7、整流器、双管正激变换器、BOOST 变换器。根据题目要求， 应用 SABER 软件对上述几个电路进行了原理性仿真测试，并对仿真结果进行了分析。 第 2 页 共 51 页 1本文概述 1.1 选题背景 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维 持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长， 但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一 点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地 创新，这一成本

8、反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空 间。 从开关电源发展史来讲，如今已经走到第五代。第一代是 70 年初，那时候从线性 电源开始走向开关电源；第二代是 1976 开始取得 UL 安规认证；第三代从 80 年代中 期开始，开关电源走向全球通用，因此电源的开发就不能局限在北美或者日本市场， 输入电压要考虑 85265V 范围内，同时欧规和其他安规都要考虑进来；第四代在 90 年 中期，欧盟要求 EMC(电磁兼容)，包括 PFC 方面的高次谐波要求；现在进入了第五代， 2006 年 7 月，欧盟将强制执行 ROHS 条例，以限制有毒物质的使用，新一代的电源产 品就这样诞生了

9、。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入 更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、 轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重 要的意义。 近年来，开关电源已广泛应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的 经济效益。随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐 步增大，开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关 电源的研发水平大大提高。 1.2 本课题主要特点和设计目标 高可靠性、高电气指标等特征，使得开关电源具有更强的竞争力，应用领域不断 扩大

10、，高频开关电源向着高频、高效、高功率因素发展，必然将有更多更好的新技术 出现，来不断完善它。 本文通过对开关电源的工作原理进行探究，分析了提高电源性能的新技术，设计 了主体电路，分析了控制保护电路，并用 SABER 软件对电路进行原理性仿真模拟。 本课题所设计的开关电源，具体要求如下： 第 3 页 共 51 页 (1)输入：三相交流输入 380V，在10变化内； (2)输出：200VDC/10A； (3)稳压精度 0.1，功率因数大于 0.9，具有过流过压保护措施 1.3 课题设计思路 交流输入的开关电源的设计电路如图 1.1 所示。交流电经整流和 PFC 后转换成高 压直流电，经 DC/DC

11、 变换器后转换成所需的直流电输出。 交流 三相桥式 全控整流 PFC 输入 保护 主控器输出 保护 DC/DC 直流 触发电路 图1.1 开关电源的基本设计 本文主要通过对传统开关电源的研究，针对其不足，提出了改善，运用 PWM 技 术，使电源输出更稳定，性能更好，效率更高。 保护电路 第 4 页 共 51 页 2SABER 软件 2.1 SABER 简介 SABER 是由 analogy 公司开发、现由 Synopsys 公司经营的系统仿真软件，被誉为 全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为 混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子

12、、机电一体 化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是 SABER 的 最大特点。SABER 作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便 于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。 SABER 仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一，我们从以下几 个方面对 SABER 仿真软件进行介绍： (1) 原理图输入和仿真。SABER Sketch 是 SABER 的原理图输入工具，通过它可 以直接进入 SABER 仿真引擎。在 SABER Sketch 中，用户能够创建自己的原理图，启 动 SABER 完成各种仿真（偏置点分析、DC

13、 分析、AC 分析、瞬态分析、温度分析、 参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等） ，可以直 接在原理图上查看仿真结果，SABER Sketch 及其仿真功能可以帮助用户完成混合信号、 混合技术（电气、液压等）系统的仿真分析。SABER Sketch 中的原理图可以输出成多 种标准图形格式，用于报告、设计审阅或创建文档。 (2) 数据可视化和分析。Cosmos Scope 是 SABER 的波形查看和仿真结果分析工 具，它的测量工具有 50 多种标准的测量功能，可以对波形进行准确的定量分析。它的 专利工具波形计算器，可以对波形进行多种数学操作。Cosmos Scop

14、e 中的图形也 可以输出成多种标准图形格式用于文档。 (3) 模型库。SABER 拥有市场上最大的电气、混合信号、混合技术模型库，它具 有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有 4700 多种 带具体型号的器件模型，500 多种通用模型，能够满足航空、汽车和电源设计的需求。 SABER 模型库向用户提供了不同层次的模型，支持自上而下或自下而上的系统仿真方 法，这些模型采用最新的硬件描述语言（HDL） ，最大限度的保证了模型的准确性，支 持模型共享。 (4) 建模。不同类型的设计需要不同类型的模型，SABER 提供了完整的建模功能， 可以满足各种仿真与分析的需求。其建模

15、语言主要有 MAST、VHDLAMS、Fortran，建模工具包括 StateAMS、5 维的图表建模工具 TLU，SABER 可以对 SPICE、SIMULINK 模型进行模型转换，同时 SABER 还拥有强 大的参数提取工具，可以通过协同仿真实现模型复用。 SABER 的混合信号、混合技术设计和验证能力已经得到了业界的验证，功能强大 第 5 页 共 51 页 的原理图输入、仿真分析、模型库、建模语言、建模功能再加上先进的布局布线设计 使 SABER 成为业界工程师的首选。SABER 的架构和独一无二的模型交换能力为市场 上提供了最为强大的仿真工具，能够处理所有的仿真需求。 2.2 SABE

16、R 仿真流程 利用 Saber 软件进行仿真分析主要有两种途径，一种是基于原理图进行仿真分析， 另一种是基于网表进行仿真分析.前一种方法的基本过程如下： a.在 SaberSketch 中完成原理图录入工作; b.然后使用 netlist 命令为原理图产生相应的网表; c.在使用 simulate 命令将原理图所对应的网表文件加载到仿真器中,同时在 Sketch 中启动 SaberGuide 界面; d.在 SaberGuide 界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真; e.仿真结束以后利用 CosmosScope 工具对仿真结果进行分析处理. 在这种方法中,需要使用 SaberSketc

17、h 和 CosmosScope 两个工具,但从原理图开始,比 较直观.所以,多数 Saber 的使用者都采用这种方法进行仿真分析.但它有一个不好的地方 就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在 两个窗口间来回切换,比较麻烦.而另一种方法则正好能弥补它的不足.基于网表的分析基 本过程如下: a.启动 SaberGuide 环境,即平时大家所看到的 Saber Simulator 图标,并利用 load design 命令加载需要仿真的网表文件; b.在 SaberGuide 界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真; c.仿真结束以后直接在 SaberGu

18、ide 环境下观察和分析仿真结果. 这种方法要比前一种少很多步骤,并可以在单一环境下实现对目标系统的仿真分析, 使用效率很高. 但它由于使用网表为基础,很不直观,因此多用于电路系统结构已经稳定, 只需要反复调试各种参数的情况;同时还需要使用者对 Saber 软件网表语法结构非常了 解,以便在需要修改电路参数和结构的情况下,能够直接对网表文件进行编辑. 2.3 本章小结 本章主要介绍了 Saber 软件的基本使用方法，总结了 Saber 软件的特点： a.集成度高：从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用四处切 换工作环境； b.完整的图形查看功能：Saber 提供了 SaberSc

19、ope 和 DesignProbe 来查看仿真结 第 6 页 共 51 页 果，而 SaberScope 功能更加强大； c.各种完整的高级仿真：可进行偏置点分析、DC 分析、AC 分析、瞬态分析、温 度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等； d.模块化和层次化：可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设计。 第 7 页 共 51 页 3三相桥式全控整流器的设计 3.1 工作原理 三相桥式全控整流电路拓扑如 3.1 所示，它通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控 制，即共阴极组中与 a、b、c 三相电源相接的三个晶闸管分别为 VTl、VT3、VT5，共 阳极组

20、组与 a、b、c 三相电源相接的三个晶闸管分别为 VT4、VT6、VT2。它们可构成 电源系统对负载供电的 6 条整流回路，各整流同路的交流电源电压为两元件所在的两 相的线电压。习惯上希望晶闸管按从 VT1 至 VT6 的顺序导通。 负 载 VT1 VT3 VT5 VT2 VT6 VT4 a b c 图3.1 三相全控整流电路原理图 三相桥式全控整流电路电阻负载 a=0时晶闸管工作情况 时段123456 共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5 共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6 整流输出电压UdUabUacUbcUbcUcaUcb 3.1.1 三相桥

21、式全控整流电路的特点 (1)每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中 1 个晶闸管 第 8 页 共 51 页 是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。 (2)对触发脉冲的要求：6 个晶闸管的脉冲按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序， 相位依次差 60；共阴极组 VT1，VT3,VT5 的脉冲依次差 120，共阳极组 VT4，VT6，VT2 也依次差 120；同一相的上下两个桥臂，即 VT1 与 VT4，VT3 和 VT6，VT5 和 VT2，脉冲相差 180。 (3)整流输出电压 Ud 一周期脉动 6 次，每次波动的波形都一样，故该电

22、路为 6 脉 冲整流电路。 (4)在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同 时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲。可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于 60 （取 80-100），称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给 序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相 差 60，脉宽一般为 20-100，称为双脉冲触发。双脉冲电路比较复杂，但要求的 触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽然可以少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变 压器饱和，须将铁芯体积做得较大。绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡， 对于晶闸管串联使用不利。

23、所以常采用双脉冲触发。 3.2 保护电路 3.2.1 过电压产生的原因 (1)操作过电压。由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会 由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。 (2)雷击过电压。由雷击引起的过电压。 (3)换相过电压。由于晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不 能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当其恢 复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳 极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。 (4)关断过电压。全控型器件在较高频率下工作，当器

24、件关断时，因正向电流的迅速 降低而由线路电感在器件两端感应出过电压。 3.2.2 过压保护 (1)避雷器保护。可以在变压器网侧设置避雷器来抑制由雷击引起的过电压。 (2)抑制电路保护。在变压器阀侧配置浪涌过电压抑制用 RCD 电路。 (3)压敏电阻保护。在整流桥交流侧采用压敏电阻保护回路。如图 3.2 所示。采用 压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安 第 9 页 共 51 页 特性，在正常工作时只有很微弱的电流通过元件，而一旦出现过电压时，压敏电阻可 通过高达数千伏的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低、体积小， 对电压反应快等优点。因此，是一

25、种较好的过电压保护元件，在各种变流装置中被普 遍采用。压敏电阻的缺点在于：持续平均功率太小，如果选择不当，在正常工作时将 引起电压超过其额定值而损坏，且损坏时所产生的电弧往往波及邻近的电器设备，造 成故障扩大化。 图3.2 压敏电阻保护回路 (4)用 RC 吸收电路保护。 其电路如图 3.3 所示 图3.3 RC吸收回路 3.2.3 过电流产生的原因 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：一类是由于整流电路内部原因，如 整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重， 第 10 页 共 51 页 一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流

26、桥臂发 生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引 起过电流。另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发 生，因为整流桥的负载实质是逆变桥，逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。 另外，如整流变压器中性点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对 地短路。 3.2.4 过流保护 对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时， 最常见的保护方式就是接入快速熔短器。快速熔短器的接入方式共有三种：如图 3.4 所示 图 3.4 快速熔断器的几种接入方式 采用电力电子电路进行过电流保护对于重要且易发生短路的晶闸管

27、设备，或者工 作频率较高，很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电力电子电路进行过电 流保护。图 3.5 所示为过电流保护电子电路系统原理图，检测到过流之后关断被保护 电路。电路包括过流信号采集模块、整流模块、电压比较整定模块、74LS74D 控制门 及执行电路模块。 第 11 页 共 51 页 图 3.5 晶闸管整流及其保护电路原理图 对各模块功能及过流保护原理的介绍。 (1)信号采集模块。通过三相电流互感器，在主电路晶闸管交流侧采集电流信号。 采用互感器的主要作用： a 隔离高压电路。互感器一次和二次没有电的联系，只有磁的联系，因而使保护 电路与高压电路隔开，以保证二次设备和工作人员的

28、安全。 b 使继电器小型化，标准化，可简化结构，降低成本，有利于大规模生产。 电流互感器选择的要求： a 额定电压应大于或等于电网电压。 b 一次额定电流应大于或等于(1.2-1.5)倍的长时最大工作电流Iar.m，即 Iar.m(1.2-1.5)Iar.m c 电流互感器的精确等级应与二次设备的要求相适应。互感器的精确等级与二次 负载容量有关，如容量过大，精确等级过大。根据工程经验，过流保护用电流互感器 的精确等级应不小于0.5 级。 d 动热稳定性校验。 (2)整流模块 整流模块是不可缺少的一部分，它将电流互感器采集到的交流信号，转化为直流 电压信号输送给电电压比较器。 (3)电压比较整定

29、模块 将上一步不可控整流桥的电压输出信号作为一个输入信号输送给电压比较器的一 端，而电压比较器输入端口的另一端用来整定。如图 3.6 所示，当 R1=R2=R3=R4 时， 第 12 页 共 51 页 可得 Vo=Vs2-Vs1 整定时，将采集到的信号作为，将整定值作为 Vs2,一旦大于 Vs1，比较器就将输 出一正脉冲。 图3.6 电压比较器原理图 (4)控制门 74LS74D。当 PRE 及 CLR 为高电平，时钟脉冲为上升沿时，只要 D 端接高电平，Q 输出端就为高，而此时 D 端接低电平时，Q 端输出就为低电平。本设 计正是利用这一点来对执行电路进行控制。 (5)执行电路 当晶体管基极

30、加高电平时，晶体管导通，继电器线圈得电，其与断路器相连的常 闭触点断开，使断路器动作，进而起到保护系统的作用。 a. 继电器的选择 继电器要求动作灵敏，工作可靠。 b. 晶体管的选择 晶体管要根据继电器参数来选择，晶体管的额定电流应大于继电器的额定电流。 而且根据的 74LS74D 输出特性应当选择 NPN 型的管子，特征频率要高，以保证动作 的灵敏性。 c. 限流电阻选择 限流电阻要根据晶体管及继电器参数来选择。 3.3 SABER 仿真 3.3.1 设计规范 输入规范： Line Input 380Vac 输出规范： 第 13 页 共 51 页 Vout 378Vdc Vout(rippl

31、e) 1.5V p-p 3.3.2 建立模型 在 Saber 环境下，运用各种元件模型建立三相桥式全控整流电路模型，如图 3.7 图3.7 三相桥式全控整流电路的仿真模型 相应参数设置：交流电压源参数 U=380V，f=50HZ，相位依次延迟 6.668ms晶 闸管参数设置如上图。同步触发脉冲 f=50HZ，周期为 20ms,脉冲宽度为 4ms（保证 可靠触发）。设置 a=1.67ms，R=1515，C=1500uf。 3.3.3 仿真结果 如图 3.8 所示 第 14 页 共 51 页 第 15 页 共 51 页 图3.8 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30时的波形 3.3.4 结果分析

32、 由仿真结果可知，经整流后，输出电压最大为 378.2V，最小为 375.5V，输出纹波 为 1.2V，符合设计要求。 3.4 本章小结 (1)本章首先介绍了三相全控整流桥的工作原理，分析了过电压，过电流产生的原 因，并对保护电路的设计进行了探索，分析了三相全控整流常用保护电路的工作原理。 (2)利用 SABER 设计了输出 378VDC 的三相全控整流桥，分析了电路的工作波形， 并对输出结果进行了测试，效果理想。 第 16 页 共 51 页 4功率因素校正技术 4.1 谐波 4.1.1 谐波的危害 大多数开关电源是通过整流器和电力网相接的，在普通电力电子装置中，整流电 路通常采用不控整流后接

33、电容滤波或是晶闸管相控整流。整流器-电容滤波电路是一种 非线形元件和储能元件的组合。虽然输入交流电压是正弦的，但输入电流是仅在交流 电压波顶附近区域导通，滤波电容被整流后的电流充电，因此输入交流电严重畸变， 呈脉冲状。这种电流的基波是和输入正弦电压同相位的，故产生有功功率，但交流波 形中含有较大的高次谐波，这些高次谐波与输入正弦电压既不同频也不同相。 一方面发生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压 （原来是正弦波）也发生畸变。 另一方面，造成电路故障，损坏设备。如使线路和配电压过热，谐波电流还会引 起电网 LC 谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流和过热

34、而损坏。 三相四线制电路中，三次谐波在中线同相位，合成中线电流很大，可能超过相电 流，中线又无保护装置，会造成过热火灾，造成电器设备的损坏。 4.1.2 谐波补偿和功率因素校正 解决谐波问题的主要方法有两种，一种是被动的方式，即在电网侧对己经产生的 谐波进行补偿。另一种是主动的方式，即对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控 制策略进行改进，使其产生较少的谐波，甚至不产生谐波，使得输入电流和输入电压 同相，即输入单位功率因数。功率因数校正技术大致可分为无源和有源两类： (1)无源：早期的功率因素校正在电网输入端可串联笨重的大电感器，大电容 LC，后来改进的无源功率因素校正在全波整流器之后再串接

35、C-L-C 滤波网络。它可用 于镇流器，中小功率电源；新型的无源 PFC：在全波整流器之后串接多个二极管与电 容器组合 D-C 网络，它又称为“填谷式”PFC 电路，它主要是在二极管整流桥前面串 接一个 LC 组成的滤波器，它可以使得整流桥中二极管的导通角增大，从而使得电流波 形得到明显改善。这种无源的功率因数校正电路结构简单可靠。 (2)有源 PFC：低频有源 PFC 主要指大功率晶闸管电路：高频有源 PFC 是基于 BOOST 变换器的 PFC 电路。另外还有其他 PFC 新技术：软开关 PFC，三电平 PFC， 磁放大器 PFC 技术等。 第 17 页 共 51 页 4.2 有源功率因数

36、校正 4.2.1 APFC 技术分类 功率因数校正技术是在整流电路和主开关电路中插入功率因数校正电路，使其按 一定的斩控频率通断，以维持网侧电流的连续性，并按正弦规律变化。功率因数校正 下技术的根本就是强制电流按照电压的正弦变化而变化，从而达到提高功率因数目的， 如图 4.1 所示，图中 Vin 是电源电压，Il 是电源电流。 t 图4.1 功率因素校正技术下的电压电流跟踪波形 有源功率因数校正主要有断续导电模式 (DCM)、连续导电模式(CCM)以及临界导 电模式 (TM)三种控制方法。 (1)断续导电续模式 PFC，由于其输入峰值电流自动跟随输入电压，通常工作在固 定的开关频率，采用单环控

37、制，因此结构非常简单，且不存在二极管的反向恢复问题， 电感量小等优点，但是一般只能满足小功率场合，有很大的关断损耗和器件应力，输 入滤波器体积较大且输入平均电流存在一定程度畸变。 (2)连续导电模式 PFC 可以获得很大的功率转换容量，由于电感电流连续，输入电 流纹波小，因此输入滤波简单。但它一般是基于乘法器(Multiplier)的原理，结构复杂且 需要双环反馈控制，存在二极管的反向恢复问题，影响了功率变换器的效率。当采用 峰值电流控制时，在半个工频周期内，总有一部分工作在占空比大于 50%的情况下， 所以还需要斜坡补偿。 (3)令功率变换器始终工作在临界导电模式，则具有最佳的综合性能，它既

38、没有断 续导电模式那么大的器件应力，也不存在连续导电模式所具有的二极管的反向恢复问 题，且输入平均电流与输入电压成线性关系，适用于中小功率场合。 Vin I U 第 18 页 共 51 页 4.2.2 临界导电模式 APFC 的控制原理 在临界导电模式下，本PFC电路具有两种工作状态。图4.2 给出了BOOST PFC 的 主电路简图。 (1)当开关 S 导通时，二极管 D 关断，电源 Vin 向电感充电，同时输出滤波电容 Co 给负载 Rl 提供能量。设导通时的持续时间为 Ton，电感电流 iL 从零开始上升。根 据基尔霍夫电压定律可得：式中 Vin 为输入电压的瞬时值，因为开关频率比Vin

39、 dt di L 输入电压的频率大的多，所以可近似认为 Vin 在一个开关周期内不变。当 t=Ton 时电 感电流 iL 达到最大值 iLP。在开关管导通时间内，iL 的增量为iL(+) =iLP=VinTon/L 。 L iL D S Co + Vo Vin 图4.2 BOOST PFC的主电路图 (2)开关关断时，二极管 D 导通，电源 Vin 和电感 L 经二极管 D 向 Co 充电，同时 给负载提供能量，直至电感的电流减少到 0。设 S 截止时间为 Toff。根据基尔霍夫电 压定律可得： -Vo 当 t=T 时，电感电流减少到 0。在开关管关断期间， iLVin dt di L 的减小

40、量iL(-)可表示为： iL(-)=iLP=（Vo-Vin）Toff/L （1） 式中 T 为开关周期。在 t=T 时，电感电流减小零，开关 S 又导通，开始下一个开 关周期。上述分析了一个开关周期内的 BOOST PFC 的基本关系。 由于输入的正弦交流电压经二极管整流后可表示为： （2）VinsinwttVin）（ 式中 0tT/2，0t；Vin 为输入交流电压峰值；w 为输入交流电压的角 频率（工频），Tac 为工频周期。将式（2）代入式（1）可以得到半个工频周期上的电 第 19 页 共 51 页 感峰值电流的函数关系为： （3）Ton L sinwt VintiLP）（ 式中 0tTa

41、c /2；0t 。从式(3)可以看出电感电流的峰值电流与输入电 压成正比关系。 然而要想获得高功率因数，要求电感电流的平均值与输入电压成正比 关系（因为电感电流的平均值就是输入电流的平均值）。在一个开关周期内电感的平 均值和峰值电流的关系为： （4） 2 iLP iLAV 将式代(3)入式(4)，即可得出半个工频周期内的平均电感电流可表示为： （5）Ton L Vinsinwt 2 iLP iLAV 因为电感电流的平均值就是输入电流平均值，所以有: （6）Ton L Vinsinwt iIN 式中 0tTac /2；0t ，从式（5）可以看出在半个工频周期内，只要 Ton 保持不变，则电流和输

42、入电压成线性关系，且与输入电压同相位，在理论上可实 现单位功率因数。由于 Ton 保持不变，因此临界导电模式也可称为恒导通时间模式。 4.2.3 功率因素校正电路的缺点及解决方法 功率因数校正电路虽然解决了输入电流谐波大且功率因数低的问题，但是因校正 电路自身的功耗降低了电源的效率。因为功率因数校正电路中很大一部分功耗是开关 器件在开关过程中消耗的，因此采用软开关技术可有效提高其效率。 半导体开关器件的开关过程不是瞬时完成的，需要一定时间。在这个时间内，在 开关器件两端出现既有电压又有电流的状态，电压和电流有一个交叠区，从而产生损 耗，称之为开关损耗。 “软开关”通常是指零电压开关 ZVS 和

43、零电流开关 ZCS。最理想的软开通过程： 电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。因器件开通 前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问题。最理想的 软关断过程：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。 由于器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以 解决。这样就使得主开关器件 VT 工作在零电压开通条件下，可使效率提高 3 个百分 点。 第 20 页 共 51 页 4.3 本章小结 本章主要介绍了提高高频开关性能的新技术之一：功率因素校正技术。分析了谐 波产生的原因，带来的危害以及解决方法；针对功率

44、因素校正电路的缺点提出了解决 方法；着重就有源功率因素校正技术（APFC）进行了介绍，并分析了临界导电模式 APFC 的工作原理。 第 21 页 共 51 页 5软开关功率变换技术 5.1 软开关技术的提出 高频变换电路中的关键器件，大功率场效应管和功率绝缘栅晶体管的应用，使高 频开关电源整流器工作频率越来越高，高频变压器和滤波器体积越小，整流器体积减 小，成本越低。所以，应尽可能提高开关频率。但是，频率越高，开关损耗越大，这 又限制了频率的提高，开关损耗越大，整流器效率越低，散热器体积越大。 5.1.1 开关损耗的成因 半导体开关器件的开关过程不是瞬时完成的，需要一定时间。在这个时间内，在

45、开关器件两端会出现既有电压又有电流的状态，此时电压和电流之间产生一个交叠区， 从而产生损耗，也叫作为开关损耗。 图 5.1 所示为一只 Mosfet 的开关过程。其中 Vgs 为栅极控制信号，Vds 为漏源电 压，Ids 为漏源电流，Ploss 为开关管的损耗功率，Pfo=VdsIds。 tl 时刻以前 Vgs=0，开关管截至，管中只有很小的漏电流，Ploss0。tl 时刻 Vgs 变为高电压，大于开启电压，开关管开始导通，由于开关管漏源寄生电容要通过开关 管放电，因此开关管中流过较大的电流。开关管中的能量全部消耗在开关管中。直到 t2 时刻，开关管完全导通，开关管两端只有很小的导通压降。t3

46、 时刻开关管开始关断， 开关管漏源电容开始充电，流过开关管的电流从峰值开始下降。直到 t4 时刻完全关断。 各个时刻的损耗功率如图 5.1 中 Ploss 所示。 VdsIds t1t2t1t2 Vgs Ploss 图5.1 开关管开关过程波形图 第 22 页 共 51 页 如图 5.2 中所示的开关过程，开关过程伴随着很大的开关损耗，称为硬开关。早 期的开关电源变换器大多数采用硬开关技术，由于开关损耗的导致开关管温度上升， 需要加很大的散热片，降低了效率，增大了变换器的体积。由此人们提出了软开关技 术。 u i u i i u i u 软 开 关 硬 开 关 开通波形关断波形 t1t2t1t

47、2 图5.2软开关Mosfet的理想波形和硬开关的波形 5.2 软开关技术 为了克服传统 DC/DC 变换器在硬开关状态下工作的诸多问题，80 年代以来软开 关技术得到了深入广泛的研究。所谓“软开关”通常是指零电压开关 ZVS 和零电流开 关 ZCS。最理想的软开通过程：电压先下降到零后，电流再缓慢上丹到通态值，所以 开通损耗近似为零。因器件开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故 解决了容性开通问题。最理想的软关断过程：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断 态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流 亦为零，所以感性关断问题得以解决。 软开关包括软开通

48、和软关断：软开通有零电流开通和零电压开通两种；软关断有 零电流关断和零电压关断两种，可按照驱动信号的时序来判断。 零电流关断：关断命令在 t2 时刻或其后给出，开关器件端电压从通态值上升到断 态值，开关器件进入截止状态。 零电压关断：关断命令在 t1 时刻给出，开关器件电流从通态值下降到断态值后， 端电压才从通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。在 t2 以前，开关器件的端 第 23 页 共 51 页 电压必须维持在通态值(约等于零)。 零电压开通：开通命令在 t2 时刻或其后给出，开关器件电流从断态值上升到通态 值，开关器件进入导通状态。在 t2 以前，开关器件端电压必须下降到通态值(约

49、等于零)， 并且在电流上升到通态值以前维持在零。 零电流开通：开通命令在 t1 时刻给出，开关器件端电压从断态值下降到通态值以 后，电流才从断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在 t2 以前开关器件电流 必须维持在断态值(约等于零)。 5.2.1 软开关技术的一般实现方法 如图 5.3 中所示为零电流开关的基本实现方法，与主开关管(Mosfet 或 IGBT)串联 的谐振电感在开关管开通时阻止电流 ic 的上升，这样在 Vd 降至接近零后，ic 保持较 小值，因而获得了零损耗的开通过程。电感中的电流 ic 在栅极关断信号(Vg 变负)发出 之前，谐振到零，串联的二极管阻止电流反向上升，因此开关管是零损耗关断的。但 是必须指出，由于开关管的漏源之间存在寄生电容或外部并联的电容，电容中的能量 全部消耗在开关管中，在开关频率较高时(50k)以上，引起的开关损耗是很严重的。 第 24 页 共 51 页 Vds onoff t t t