双管正激软开关变换器的仿真研究Word下载.docx
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DC/DCconverter；
DoubleBarrelForward；
Soft-switching；
Simulation
目录
第1章概述1
1.1引言1
1.2开关电源技术的发展状况1
1.3课题的研究背景3
1.4课题研究主要内容3
第2章DC/DC变换技术分析4
2.1DC/DC变换器的分类4
2.2正激变换器的原理5
2.3本章小结10
第3章软开关技术分析及开关管的选择11
3.1软开关电路的分类11
3.2软开关与硬开关电路特性比较12
3.3开关管的选择14
3.4本章小结17
第4章软开关双管正激变换器的分析18
4.1软开关双管正激变换器原理18
4.2系统主要仿真参数的设计20
4.3本章小结21
第5章双管正激软开关变换器的仿真研究22
5.1Matlab仿真软件介绍22
5.2主电路仿真23
5.3本章小结29
结论30
参考文献31
致谢32
第1章概述
1.1引言
电源大致可以分为两类：
发出电能的电源和变换电能的电源。
发出电能的电源是从电源的源头说起的，它有交流和直流、高压和低压、火力发电、风力发电、太阳能发电诸多方式之分，是通过机械能、热能、化学能等转换而来的。
在很多情况下，这种电源难以满足人们使用的要求，需要进行再一次的变换，有人称之为“粗电”。
变换电能的电源是以满足人们使用电源的要求为出发点的，根据不同的使用要求和特点对发出电能的电源再进行一次变换。
这种变换是把一种形态的电能变换为另一种形态的电能，它可以是交流电和直流电之间的变换，也可以是电压或电流幅值的变换，或者是交流电的频率、相位等变换。
另一方面，这种电能形态的变换可以是电源的稳定度提高或对其它性能的改进，有人把这种电源称之为“精电”。
开关电源是一种电压转换电路[1]，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。
因为开关管总是工作在“开”和“关”的状态，所以叫开关电源。
开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。
1.2开关电源技术的发展状况
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20kHzDC/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-SwitchModePower）或开关整流器（SMR-SwitchModeRectifier）。
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[2]。
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（Seriesresonantconverters，SRCs）和并联谐振变换器（Parallelresonantconverters，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-resonantconverters，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（ZeroswitchingPWMconverters）。
它可以分为零电压开关PWM变换器（Zero-voltage-switchingPWMconverters）和零电流开关PWM变换器（Zero-Current-SwitchingPWMConverters）。
它采用的是PWM控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的1/10-1/5。
90年代初出现了零转换PWM变换器（Zerotransitionconverters）。
它也分为零电压转换PWM变换器（Zero-voltage-transitionconverters）和零电流转换PWM变换器（Zero-current-transitionconverters）。
它是软开关技术的又一次飞跃。
其特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作，其损耗很小。
在环境保护意识日益加强的21世纪，电源系统的绿色化概念被提出。
所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；
其次是电源不能（或少）对电网产生污染。
事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源：
向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。
20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器方案诞生，有了功率校正（PFC-PowerFactorCorrector）的方法，为开关电源产品的绿色化奠定了基础。
电源技术发展到今天，己融汇了电子、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，己从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。
1.3课题的研究背景
在电力系统中，直流系统的可靠性、稳定性及技术性能直接影响到电网的运行和设备的安全；
在通信网络中，通信电源的优劣直接影响各种通信的质量和效果，因此人们极为重视电源的质量和技术性能。
而研制新型电源和电源仿真的研究也就变得有十分重要的意义。
在中大功率DC/DC变换器可以采用双管正激的电路结构，电路结构简单，并解决了单管正激的磁复位问题[3][4]。
但是由于这种变换器中的开关器件工作在硬开关状态，每个周期都在高电压下开通，大电流下关断，器件承受的开关应力大，产生相当可观的开关损耗，而且开关损耗随开关频率的提高而增大，使得变换器很难实现高频化，从而造成开关电源体积大以及产生严重的电磁干扰等问题。
为了解决硬开关的损耗及噪声问题，Divan博士提出了软开关的概念[5]。
采用软开关技术，功率器件在零电压或零电流条件下导通或关断，可以有效的降低开关损耗，理论上为零开关损耗[6]。
本文在对软开关理论分析的基础上，对双管正激变换器的软开关工作方式加以仿真研究[7]。
1.4课题研究主要内容
本文主要对双管正激的软开关电源进行理论上的分析和仿真研究。
内容包括开关电源技术的发展、DC/DC变换器的分析、软开关技术分析及开关管的选择、双管正激软开关变换电路的研究和分析、软开关变换电路的仿真分析。
主要是以下几个方面：
（1）DC/DC变换技术的理论分析，着重分析了单管正激与双管正激两种基本变换电路形式，包括对每种正激变换电路的各个工作模态、磁复位的不同方式以及电路性能的分析。
（2）软开关技术的分析，首先介绍软开关的几种分类，然后以降压型直流变换器为例，对硬开关降压变换器和软开关降压变换器的开关电路特性进行比较，最后根据IGBT的特性，选择了IGBT作为电路的主功率开关管。
（3）软开关双管正激变换电路结构的分析和参数选择。
首先对双管正激软开关变换器的工作原理及性能进行了详细的分析，然后是对软开关变换器主要部分的器件参数的计算。
（4）应用Matlab软件对双管正激软开关变换器的电路拓扑进行仿真。
应用Simulink建立了变换器模型，调节参数设置，得到仿真波形。
仿真结果验证本文所采用的电路结构具有良好的性能，并且具有较高的可行性。
第2章DC/DC变换技术分析
2.1DC/DC变换器的分类
直流变换器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：
没有电气隔离的称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器[8]。
不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四管三类。
基本的单管直流变换器有六种，包括Buck（降压型）、Boost（升压型）、Buck-Boost（升降压型）、Cuk型、Septic型和Zeta型。
在这六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生的。
双管直流变换器有双管串接的升降压式（Buck/Boost）变换器。
全桥直流变换器（Full-bridgeconverter）是常用的四管直流变换器。
有隔离的直流变换器也可按所用有源功率器件数量来分类。
单管的有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。
双管有推挽（Push-pullconverter）和半桥（Half-bridgeconverter）两种。
四管直流变换器就是全桥直流变换器（Full-bridgeconverter）。
有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。
变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。
在功率开关管电压和电流定额相同时，变压器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故四管变换器的输出功率最大，而单管变换器的输出功率最小。
没有隔离的变换器和有隔离的变换器组合得到单个变换器不具备的特性。
按能量传递来分，直流变换器有单向和双向两种。
具有双向功能的充电器在电源正常时向电池充电，一旦电源中断，它可将电池电能返回电网，向电网短时间应急供电。
直流电动机控制用变换器也是双向的，电动机工作时将电能从电源传递到电动机，制动时将电机电能回馈给电源。
直流变换器也可以分为自激式和他控式。
借助于变换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的变换器叫做自激式变换器，洛耶尔（Royer）变换器是一种典型的推挽自激式变换器。
他控式直流变换器中开关器件控制信号由专门的控制电路产生。
若按开关管的开关条件，直流变换器可分为硬开关（Hardswitching）和软开关（Softswitching）两种。
硬开关直流变换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下接通或断开的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗（Switchingloss）。
2.2正激变换器的原理
2.2.1单管正激变换器的分析
在各种离线式DC/DC变换器中,正激变换器由于具有电路结构简单、成本较低、输出电流大、工作可靠性高等优点而广泛应用于中小功率变换场合，更成为低压大电流功率变换器的首选拓扑结构。
在正激变换器中，由于变压器的磁芯是单方向磁化的，每个周期都需要采用相应的措施，使磁芯回到磁化曲线的起点，否则的话磁芯磁化很快饱和而导致的开关器件损坏，因此需要采用专门的复位电路，使变压器的磁芯磁复位。
目前，通常采用的磁复位方法主要有以下几种：
（1）有复位绕组的正激变换器
有复位绕组的正激变换电路原理图，如图2-1所示。
开关S采用PWM控制方式、VD1是输出整流二极管、VD2是续流二极管、L是输出滤波电感、C是输出滤波电容。
隔离变压器有3个绕组：
一次绕组W1、二次绕组W2和复位绕组W3。
正激电路在1个开关周期内历经开关S导通、开关S关断2个开关状态。
阶段一：
在t=t0时刻，开关S受激励导通，变压器励磁，原边绕组W1的电压uW1为上正、下负，与其耦合的副边绕组W2的电压uW2也是上正、下负，输出整流二极管VD1导通，续流二极管VD2截止，输出滤波电感L电流iL逐渐增长，直到t1时刻，开关S关断。
阶段二：
在t=t1时刻，开关S关断，变压器原边绕组电压uW1和副边绕组电压uW2变为上负、下正。
整流二极管VD1关断，续流二极管VD2导通，输出滤波电感电流iL通过续流二极管VD2续流，并逐渐下降。
此时变压器复位绕组W3电压uW3为上正、下负，二极管VD3导通。
变压器励磁电流经复位绕组W3和二极管VD3流回输入端，变压器磁复位。
在变压器磁复位未完成前，开关S承受的电压为：
（2-1）
变压器磁复位完成后，开关S承受的电压
。
在正激电路中，变压器磁复位过程非常重要。
开关S开通后，变压器的励磁电流im由0开始，随着时间的增加而线性增长，直到开关S关断。
开关S关断后到下一次再开通的时间内，必须设法使励磁电流降回到0，否则下一个开关周期中，励磁电流将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加，并在以后的开关周期中依次累积起来，变得越来越大，从而导致变压器的励磁电感饱和。
励磁电感饱和后，励磁电流会更加迅速地增长，最终损坏电路的开关器件。
因此，在开关S关断后，使励磁电流降回到0的过程，称为变压器的磁复位。
在有复位绕组的正激电路中，变压器的复位绕组W3和二极管VD3组成复位电路。
当开关S关断后，变压器励磁电流im通过复位绕组W3和二极管VD3流回输入端，线性下降，到tγ时刻为0。
根据变压器在t0~t1时段磁通的增加量
等于在t1~tγ时段磁通的减小量
，可以得出从开关S关断到励磁电流im下降到0所需的复位时间
（2-2）
只有保证toff>
trst，开关S在下一次开通前励磁电流才能降到0，使变压器磁芯可靠复位。
在输出滤波电感电流iL连续的情况下，即开关S开通前，电流iL不为0，正激电路的输入-输出电压关系为
（2-3）
采用复位绕组法实现了变压器磁化能量无损地回馈到电网中去，其不足是：
①功率开关承受两倍的电源电压应力；
②占空比D<
0.5，不适合宽输入电源电压场合；
③复位绕组使变压器结构复杂化；
④需加RC缓冲网络抑制变压器漏感引起的功率开关关断电压尖峰。
（2）RCD箝位正激变换器
RCD箝位正激变换器如图2-2所示，其工作过程分为六个阶段：
开关管Q开通，整流二极管D1导通，箝位二极管DC和续流二极管D2截止；
开关管Q关断，D2将开通，D1中电流逐渐减小，D2中电流逐渐增大，开关管结电容CS近似地看成由负载折算到原边的电流线性充电；
阶段三：
VCS上升到VI，D1关断，D2导通，CS继续由励磁电流充电，一直到本阶段结束时VCS=VI+VC；
阶段四：
DC开通，VCS保持在VI+VC值上，变压器原边电流即励磁电流以线性下降到零；
阶段五：
励磁电流衰减到零，DC关断，励磁电感Lm与CS开始谐振；
阶段六：
VCS=VI，D1开通，励磁电流通过D1流动而保持恒定，这段死区时间变压器端电压为零。
采用RCD箝位的磁复位方式的单端正激变换器结构简单，成本低廉，占空比大于0.5，主开关管的电压应力较低，不需要辅助开关管。
但是，由于在复位电路中的箝位电阻消耗能量，使得变换效率变得很低。
在一些对效率要求不高或对成本要求严格的电源中，通常应用RCD箝位的变换器。
（3）LCD箝位正激变换器
LCD箝位正激变换器如图2-3所示，其工作过程分为三个阶段：
开关管导通，D4导通，由于电感L的作用，使得开关管的电流开始缓慢上升，开通损耗大幅度减小，电容C开始储能，电压开始上升至电源电压VI；
同时，D2导通，D1截止，变压器向负载传输能量。
开关管关断，此时开关管两端的电压为VQ=VI-VC=0，由于感抗的存在，一次侧电流不能立即变化，于是，流经电容C和二极管D3，此时电容开始放电，电压开始缓慢变化直到改变极性，这样限制了开关管两端电压的增长速率，以便使开关管的关断损耗大幅度减小。
当一次侧电流下降到零时，电容反向充电到最大值，接下来电流反向，电容开始放电，能量反馈回电源。
无损LCD缓冲网络技术可将磁化能量和漏感能量返回到电网中，保证了变换器高效率；
但该技术在开关频率较高时便暴露出其缺点，其原因是过大的LC谐振电流增加了功率开关导通损耗，因此它通常应用在较低的场合。
2.2.2双管正激变换器的分析
通过对多种正激变换器的研究，可以发现正激变换器的输出功率不像反激变换器那样受变压器储能的限制，因此输出功率比反激变换器大，但是正激变换器的开关电压应力高，为两倍输入电压，有时甚至超过两倍输入电压，过高的开关电压应力成为限制正激变换器容量继续增加的一个关键因素。
为了降低开关的电压应力，可以采用双管正激变换器，双管正激变换器原理图如图2-4所示。
在工作中，当变换器电路中只有一个开关管时，则其承受的电压较高，容易被击穿，为了解决这个问题，可以采用两个晶体管串联起来当作一个管子用，从而能够提高电路承受电压的能力，这在能够承受高耐压晶体管较少的时期不失为一种有效的方法。
再加上D1、D2两个二极管，组成了双管正激变换电路拓扑。
图2-4中二极管D1、D2导通时限制了FET1、FET2关断时所受的反压，开关MOS管承受电压为Vs+VD，Vs均在400V以下。
因此，图2-4所示双管正激电路具有可靠性高、造价低的优点，在煤矿井下通讯、交通及航天等领域得到广泛的应用。
FET1、FET2同时导通或关断。
在导通时，电源电压Vs加到变压器T的原边绕组上。
在稳态下，由于上一周期工作时，电感线圈L1已建立的电流，通过D4导通，构成了负载I0的续流电路。
新周期开始，副边绕组由于原边绕组FET1、FET2的导通有了感应电动势。
副边绕组、二极管D3很快建立电流，其速度受制于变压器和副边电路的漏电感。
因为在导通瞬间L上流过的电流IL保持不变，所以，由于D3的电流建立，二极管D4的电流必随之等同地快速减小。
当D3中的正向电流增加到原先流过D4的电流值，D4则转为关断。
而且L的输入端电压将增加到副边线圈电压Vs’（减去VD3）。
与此同时开始了正激能量传递状态。
前面的动作只占整个传递期间非常小的部分，其大小依漏感而定。
一般电流在1
内就建立。
但是，在低电压大电流传递时，漏感影
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