基于开关管的占空比参数优化的反激式开关电源的研究.docx

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基于开关管的占空比参数优化的反激式开关电源的研究

分类号密级

UDC单位代码10154

辽宁工业大学

硕士学位论文

反激式开关电源参数优化的研究

专业:

电力电子与电力传动

研究生:

李伟成

指导教师:

陈永真教授

二〇一二年三月

反激式开关电源参数优化的研究李伟成辽宁工业大学硕士学位论文电力电子与电力传动二〇一二年

宋体四号加粗）

辽宁工业大学

硕士学位论文

反激式开关电源参数优化的研究

专业:

电力电子与电力传动

研究生:

李伟成

指导教师:

陈永真教授

辽宁工业大学电子与信息工程学院

二〇一二年三月

MasteralDissertation

Researchonflybackswitchingpowersupplyparameteroptimization

Speciality:

PowerElectronicsandPowerDrives

Candidate:

LIWei-cheng

Superviser:

ProfessorCHENYong-zhen

LiaoningUniversityofTechnology

Jinzhou,121001,China

March2012

摘要

高频功率变换是减小功率变换器体积、重量以及提高功率密度的有效途径。

随着高频功率变换器的体积减小，提高功率变换的效率成为高频功率变换的研究主流，而降低DC/DC变换器的损耗仍是研究的重点。

反激式变换器是应用广泛的一种电路拓扑,针对隔离型反激式开关电源的设计，提出了开关管的占空比参数优化，可以达到高效率功率变换的目的。

首先本文详细介绍了反激式变换器的发展情况、现阶段存在的问题、电路结构以及工作原理，并对电路中的损耗进行分析，进一步提出了降低损耗的措施。

然后提出合理的反激式变换器设计方案，理论推导出开关管占空比在0.4~0.5的状态下，可以达到参数优化的目的。

最后对本文设计的电源进行调试、测量，其实验结果验证了理论分析的正确性。

总之，本文研究了反激式开关电源开关管占空比的优化，可以使开关管导通、开关管开关、变压器一次侧绕组以及直流母线电容器等相关的损耗有效的降低。

根据能量守恒定律，一定的输入功率条件下，损耗的降低有利于输出效率的提高。

关键词：

反激式；占空比；高效率；参数优化；能量守恒定律

Abstract

Itisveryavailabletoreducethevolumeandweightoftheconverterandimprovethepowerdensitywithhigheroperationfrequency.Withthevolumeofhigh-frequencypowerconverterandincreasinglyglobalenergyproblems,ToimprovetheefficiencyofpowerconverterstransformintothemainstreamandreducetheDC/DCconverterlossisstilltheemphasisoftheresearch.Theflybackconverteriswidelyusedasacircuittopology,theswitchdutycycleparametersfortheisolatedflybackswitchingpowersupplydesign,optimizedtoachievehighefficiencypowerconversion.First,thisstudydescribesthedevelopmentoftheflybackconverter,theproblemsatthisstage,thecircuitstructureandworkingprincipleandcircuitlossanalysis,andfurthermeasurestoreducetheloss.Thenareasonabledesignofflybackconverters,theorydeducedswitchdutycycleinthestateof0.4to0.5,youcanachievethepurposeofparameteroptimization.Finally,thepoweroftheproposeddesigndebugging,measurement,andexperimentalresultsverifythetheoreticalanalysis.Insummary,thispaperstudiestheoptimizationofaflybackswitchingpowersupplyswitchdutycycle,youcanmaketheswitchingMOSFETswitchswitch,thetransformerprimarywindingandtheDCbuscapacitors,andotherrelatedlossesreducetheeffective.Accordingtothelawofconservationofenergyandinputpowerconditions,thelossreducestheoutputefficiency.

Keywords:

flyback;dutycycle;highefficiency;parameteroptimization;Lawofconservationofenergy;

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1引言1

1.2开关电源的国内外现状与发展趋势1

1.2.1开关电源的国内外现状1

1.2.2开关电源的发展趋势2

1.3本课题研究的意义4

1.4本文的主要内容4

2反激式变换器的分析5

2.1反激式变换器电路的工作原理及分析5

2.1.1电路拓扑结构及工作原理5

2.1.2反激变换器的工作模式分析6

2.2反激式DC-DC变换器的损耗分布10

2.2.1常规开关电源中存在的损耗10

2.2.2各主要损耗的具体分析14

2.2.3反激式DC-DC变换器的损耗分布16

2.3反激变换器发展状况及存在的问题20

2.3.1反激变换器的发展状况20

2.3.2反激变换器存在的问题20

2.4反激变换器的改进20

2.4.1开关管关断损耗的减小或消除20

2.4.2开关管开通损耗的减小或消除21

2.5本章小结21

3高效率隔离型反激式变换器的设计方案22

3.1开关电源的参数优化现状22

3.1.1功率级参数的优化22

3.1.2环路参数的优化22

3.1.3辅助电源参数的优化22

3.1.4其他优化22

3.2反激式变换器主要参数设计23

3.2.1输入电容器的选择23

3.2.2开关管的选择23

3.2.3输出整流器的选取24

3.2.4输出滤波电容器的选取24

3.2.5功率变压器的设计26

3.3本章小节29

4电路参数设计30

4.1设计指标30

4.2电路设计30

4.2.1主电路拓扑结构30

4.2.2直流输入滤波电路设计30

4.2.3功率主电路设计31

4.2.4芯片选择33

4.3本章小节36

5不同的占空比对各元件导通损耗的影响37

5.1不同的占空比对一次侧各元件电流的影响37

5.2不同的占空比对开关管参数选择的影响38

5.3不同的占空比对开关管开关损耗的影响39

5.4不同的占空比对直流母线电容器损耗的影响40

5.5不同的占空比对二次侧各元件的影响40

5.6输出整流二极管的占空比对其参数选择的影响43

5.7本章小结43

6参数优化的建模仿真及其型式试验44

6.1仿真软件Saber介绍44

6.2仿真波形44

6.3型式试验波形45

6.4效率分析46

6.5本章小结47

7结论49

参考文献50

攻读硕士学位期间发表的学术论文52

致谢53

附录关于试验样机的电路原理图54

1绪论

1.1引言

电源技术是一门实用性极强的技术，服务于各行各业、各个领域的各式各样的负载，它们的性能特点以及采用的技术方法千差万别，这就造就了电源技术的丰富内涵。

电源是各种电子设备的核心动力，其性能的优劣直接影响电子系统的性能指标。

目前常用的直流稳压电源可以概括两大类即线性稳压电源和开关电源。

线性稳压电源稳压性能好，输出纹波电压小，但是必须使用笨重的工频变压器与电网隔离，而且调整管的功耗大，致使电源的体积和重量大，效率低，一般只有45%左右。

开关电源功率器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量低，效率可达70%以上，而且利用体积很小的高频变压器实现电压变换及电网隔离，不仅去掉笨重的工频变压器，还可采用体积小的滤波元件和散热器，因此体积相对线性电源减小很多，开关电源成为电源中主流。

电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科的融合学科成长为独树一帜的功率电子学。

随着科技的发展以及应用环境的限制，对电源的体积提出了更高的要求，小型化、轻量化成为电源发展道路上的一个阶段，而高频化是实现小型化、轻量化的唯一途径。

不同的负载要求不同的电源装置，万能的电源至少今天还未出现。

一个特定用途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本的要求。

安全可靠是必须加以保证的。

然而目前大部分开关电源应用PWM控制方式，这些功率变换器的体积偏大，其中无源元件，即电容、电感、变压器的体积占元件总体积的50%，为了减小体积，提高功率密度，必须提高开关频率。

随着开关频率的提高，开关器件的开关损耗增加，di/dt、du/dt尖峰大，造成效率降低，电磁干扰严重；同时体积的减小，损耗增加还会造成热量不能有效散发，造成电源寿命的缩短。

因此如何减小甚至消除开关管损耗，实现功率开关器件的软开关，提高效率、降低电磁干扰成为国内外开关电源的一个热点，开关电源进入高效率功率变换时代：

能源问题在本世纪仍占据瞩目位置，人们追求在节约电能方面有卓越贡献的高效能供电设备和用电方法。

生产发展必然要增加电力的需求，关键在于节约电力，减少电力的浪费。

这要求我们的电源装置、电能变换系统提高效率。

另外，干净的电磁环境也要求电能变换设备在电磁兼容性方面达标。

节约电能、电磁兼容、无环境污染的绿色供电势在必行,这就要求电源工程们要以不懈的努力研制出更加合理的电源设备以满足时代的需要。

1.2开关电源的国内外现状与发展趋势

1.2.1开关电源的国内外现状

1955年，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，由美国人G.H.Roger发明的。

1957年美国人J.J.JenSen发明了自激式推挽双变压器，1964年，电源向体积小、重量轻的方向提供了一条根本的途径是由美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想开始的。

20世纪60年代末，GTR的出现使得采用高工作频率的开关电源得以问世，开关电源的基本结构一直沿用至今。

20世纪80年代，IGBT的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在大中功率直流电源中也得以发挥作用。

80年代末，开关整流器采用PWM技术的MOSFET开关整流器，开关频率均在50kHz左右。

进入90年代，由于零电压（ZVS）和零电流（ZCS）软开关脉宽调制技术在整流模块中的应用，新型产品的工作频率已提高至1MHz。

我国于1963年开始研制可控整流器，1965年开始研制逆变器和晶体管DC/DC变换器，当时技术水平与国外相比有一定差距。

20世纪80年代后期，广州的珠江定性设备制造公司和挪威的Eltek集团公司合营，引进Eltek公司的技术，开发出48V成套高频开关电源，成为国内企业追赶国际水平的开端。

目前，我国开关电源的自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。

一些大公司自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势。

如武汉洲际通信电源有限公司，以及华为、中兴等厂家已经开发出自己的高频开关电源，已经做到功能齐全，质量稳定，并能实现全智能、无人值守，基本接近国际先进水平。

北京汇能亚澳通讯设备厂开发由5个HRMIS50（48V/100A）高频开关电源整流器模块及HRWCSU智能监控单元、交直流配电单元和电池柜组成的HRM48-250一体化通信开关电源系统，是智能化直流供电系统，产品技术性能属国内领先水平,并达到国际20世纪90年代末期同类产品的水平。

1.2.2开关电源的发展趋势

开关电源是在线性稳压电源和SCR电源基础之上发展起来的，在开关电源之前，许多控制设备的电源基本都是采用线性稳压电源和SCR电源。

随着电子计算机的集成程度越来越高，功能越来越强大，体积也越来越小，因此对电源的要求也越来越高，迫切希望供电电源体积小，重量轻，效率高，性能好。

上世纪60年代GTR的出现给开关电源的发展提供的物质保证，开关电源在高频下的工作得到了实现，后来随着MOSFET的问世，开关电源的效率得到更大的提高，体积也是越来越小，功率密度也进一步提高，80年代，IGBT的出现让只能工作在小功率场合下的开关电源在中大功率直流电源中也得以发挥。

在20世纪80年代随着开关频率越来越高引发的电磁干扰问题越来越严重，主要体现在以下几个方面；

1.开关损耗大。

开通时，电流电压同时上升与下降，关断时，电流电压同时下降与上升。

电流电压就在开关器件上产生了开关损耗，并且随着开关频率的提高而加大。

2.感性元件关断电压尖峰越来越大。

当关断瞬间，感性元件上必然出现尖峰电压，并且开关频率越高，尖峰电压越高，此电压极易使开关管击穿。

3.容性元件开通电流尖峰越来越大。

当开关管在高电压下开通，容性元件的能量将以电流形式释放到该器件内，随着频率提高，开关管的峰值电流也加大，另外如果开关管在二极管的反向恢复期间导通的话，也可能产生冲击电流，并且随着频率提高而加大。

4.高频电磁干扰严重。

随着频率提高，电路中的电流变化率和电压变化率增加，从而导致电磁干扰增大，影响开关电源和其他周围电子设备的工作。

上述问题严重影响了开关器件频率的提高，为了由于开关频率的调高电磁干扰越来越高就提出了软开关的技术。

其基本原理就是使电压或者电流有一个提前降为零，这时尖峰问题就大大减小了，随后20世纪90年代，为了提高开关电源的功率因数，开发出了功率因数校正技术，即PFC技术。

在控制技术上，电流控制方式逐步取代电压控制方式，在对电压控制的基础之上，也对电流进行控制，一方面提高系统的动态反应，另一方面使的变压器的偏磁问题得以化解，电压模块的过流，过载问题得到提高。

目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外，开关电源已经全面取代了线性稳压电源，主要用于小功率场合。

开关电源的发展趋势可以概括为以下几个方面；

1.高频化——理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。

所以当我们把频率从工频50Hz提高到20KHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5～l0%随着开关电源频率的提高，不仅能减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还能有效抑制干扰、改善系统动态性能，因此，高频化的开关电源设计是未来开关电源的趋势。

2.低噪声——开关电源另一个缺点是噪声大，如果单一地追求高频化，其噪声也会随之增加。

采用部分的谐振转换回路技术，在原理上可以提高频率且可以有效降低噪声，所以，尽可能地降级噪声是影响开关电源的又一发展趋势。

3.高可靠性——开关电源所使用的器件比连续工作的电源要很多，因此提高开关电源的可靠性，从电源寿命角度出发，电解电容器，光耦合器等器件的寿命基本决定着电源的寿命。

因此，要从设计角度出发，尽可能地少的使用器件，提高开关电源集成度。

这样不仅解决了电路复杂、可靠性差的缺点，而且增加了保护功能，使电路简化，提高了平均无障碍的时间。

4.高效率——依据国家提倡的节约型社会，电源也把高效率作为一个发展的方向，随着开关频率的提高，相应的损耗也增加，降低了效率。

电容式滤波造成的无功效率的浪费，增加了输入级的容量，相应的也是降低了效率。

开关电源的发展历来都是与半导体器件以及磁性元件等元件的发展是密不可分的，高频化的实现，必须要求有相应的高速半导体器件以及性能优良的高频磁性元件，设计功率MOSFET与IGBT等新型高速开关器件，开发设计高频用的低损耗磁性材料，改进磁元件的结构和设计方法，提高滤波电容器的介电常数和降低其等效串联电阻等，对开关电源小型化的发展产生着巨大的推动作用。

总之在开关电源技术的领域内，要边研究低损耗回路的技术，还要开发新型元器件，只有两者相互促进才能推动开关电源市场向小型化、薄型、高频化、低噪声以及高可靠性的方向发展。

1.3本课题研究的意义

开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位，但是传统的开关电源其占空比受到变压器和PWM芯片决定，这样只能在宏观进行调控，导致对其研究不足。

本文针对这方面其进行量化研究，以反激式开关电源为研究对象，因为反激式开关电源是一种电路最简单、最容易实现的开关电源电路拓扑。

反激式开关电源的参数选择不合理就会导致反激式开关电源的损耗增加、效率降低。

然而在设计制作时，时常会出现参数设置不合理的现象，因此需要清楚占空比与反激式开关电源相关参数设置的关系，达到相关参数优化的目的，从而降低电源的损耗并且提高电源的输出效率，最终确定了反激式开关电源的开关管占空比0.4~0.5为最优。

1.4本文的主要内容

本文第二章节是反激式变换器的分析，内容包括反激式变换器的电路结构与工作原理，分析了其工作模式，并对电路中的损耗进行分析，简述了反激变换器的发展情况和存在的问题，进一步提出了改进措施。

第三章节提出了高效率隔离型反激式变换器的设计方案，并且为试验样机的制做提供了科学的设计。

第四章节是在第三章节提出的设计方案基础上对电路进行参数设计，为理论的推导提供了可靠的实物支持。

第五章节作为本文的创新部分，在第四章节试验样机制做的前提下，提出了开关管的参数优化能提高反激式变换器的效率并提供相关的理论依据。

第六章节是第四章节在第三章节的设计方案下制做出的试验样机参数建模的仿真结果和实验波形的分析。

第七章节为本论文的结论。

2反激式变换器的分析

在AC/DC变换器中，反激式变换器是应用广泛的一种电路拓扑，具有以下优点：

电路简洁，所用元器件少；高低压隔离，适合多路输出场合；交叉调整率好；电磁干扰小。

反激变换器的主要优点是不需要输出滤波电感（滤波电感在所有正激拓扑中都是必须的），因为反激变压器有着变压器和电感的双重功能。

在低成本多输出电源中，这一点对减少变压器体积，降低成本尤为重要。

2.1反激式变换器电路的工作原理及分析

2.1.1电路拓扑结构及工作原理

反激式变换器是一种电气隔离的升压/降压变换器，同时也是最简单的隔离型直流变换器。

其电路主要由输入/输出滤波电容器、电感变压器、功率开关管、高频整流管等构成。

电路拓扑结构如图2.1所示：

图2.1反激式直流变换器电路拓扑结构

Fig.2.1flybacktypeDCconvertercircuittopology

电路工作原理与电磁能量转换原理：

功率开关管VF导通期间：

开关管导通期间的等效电路如图2.2。

输入电压Vin经输入滤波电容滤波，功率开关管VF导通，高频整流管VD反偏关断，由于，

，（

：

电流变化率）（2.1）

（2.2）

Vin>0，变压器初级线圈电流iL上升，磁储能W上升，变压器电感将输入电能转化为磁储能，变压器储能增加,输出端所接负载由输出滤波电容供电。

图2.2功率开关管导通期间等效电路

Fig.2.2powerswitchtubeduringconductionequivalentcircuit

功率开关管VF关断期间：

开关管关断期间的等效电路如图2.3。

功率开关管VF关断，高频整流管VD导通，由于

（2.3）

Vout<0，变压器次级线圈电流iL下降，磁储能W下降，变压器向输出释放储能转变为电能，由输出滤波电容吸收变压器所释放储能对应的功率中大于输出端所接负载上的功率的部分。

图2.3功率开关管关断期间等效电路

Fig.2.3powerswitchtubeduringshutoffequivalentcircuit

电路特点：

Vin从不向Vout直接提供电能，而是将Vin输入的电能转化为变压器电感中的磁储能，再通过VF关断期间，将磁储能转化为电能传送到负载和输出滤波电容，其中输出滤波电容吸收的能量大于负载功率的那部分能量。

2.1.2反激变换器的工作模式分析

反激变换器的变压器在电路中起着电感和变压器的双重作用，变换器的工作模式由初级电感和负载电流决定，根据变压器磁通的连续性将反激变换器的工作方式分成电流连续模式（ContinuousConductionMode，CCM）和电流断续模式（DiscontinuousConductionMode，DCM）两种工作模式。

在这两种模式的分析中均假设：

1.功率开关管和高频整流管均为理想器件，开通与关断过程时间均为零，关断时漏电流为零，导通管压降为零；

2.变压器为理想变压器，初次级匝数分别为N1、N2，耦合系数为1，无漏磁通，变压器工作时无损耗；

3.输出滤波电容C电容量无穷大，并且电容上无损耗，认为理想电容，保证输出电压为平滑的直流电压；

4.Lp、Ls为恒定电感，不随工作环境改变，即磁化曲线工作在线性区域。

对应各工作模式下的电压、电流波形如图2.4、图2.5、图2.6所示，图中ip、is分别为反激变换器变压器初次级电感电流，D为开关管VF的占空比，Ts为变换器的开关频率。

（1）电流断续模式（DCM）

电流断续工作模式表示次级电感电流is=id在开关管VF关断期间已下降到零，电感电流波形如2.4所示。

在一个开关周期内，初级电感电流的表达式如下：

（2.4）

式中Lp是变压器初级励磁电感。

ip有效值为：

（2.5）

其中D是反激变换器的占空比,

。

图2.4反激变换器工作在DCM时，对应的电压、电流波形

Figure2.4flybackworkintheDCM,andthecorrespondingvoltage,currentwaveform

在一个开关周期内，反激变换器的输入能量设为Jin，则：

（2.6）

该变换器在一个开关周期内向负载输出的能量Jout为：

（2.7）

Vout、Iout分别是输出电压和输出电流在一个周期内