开关变换器设计与应用

绪论 电力电子技术是一门应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件，如晶闸管(Thyristor)、电力晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(Power MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等，对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可小到数瓦甚至1W以下。与以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。利用电力电子器件实现电能变换的技术称为功率变换技术，如将交流电整流成直流电，或将直流电逆变成交流电，将工频电源变换为设备所需频率的电源。 在“电力电子技术”中学习过的脉冲宽度调制(PWM)技术是目前功率变换中的主流控制技术，其基本原理就是通过调制波和载波相交，在交点时刻对主电路中功率开关管的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，这些脉冲经过滤波环节，就可以得到所需要的波形，且其波形与调制波形相同。若输入为幅值恒定的直流电压源，当调制波为直流电压时，输出波形为一系列等幅且等宽的电压脉冲，经过滤波后就可以得到直流电压。当调制波为正弦波时，输出则为脉宽成正弦变化的等幅电压脉冲，若滤波为电流积分环节，如L滤波，则输出为相同频率正弦电流；若滤波为电压积分环节，如LC滤波，则输出为相同频率正弦电压。若调制波形为方波，则输出为相同频率的方波。即采用PWM控制技术，经过滤波环节后，输出波形取决于输入调制波形，且在载波幅值固定的情况下，可以通过调整调制波的幅值，改变输出波形的幅值。本书所介绍的开关变换器均是以PWM控制技术为基础。 1. 开关变换器拓扑 现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是开关变换器。 开关变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类或按电力电子技术的习惯称谓，可分为四种类型：①DC/DC(DC表示直流电)称为直流-直流变换，是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件；②DC/AC(AC表示交流电)称为逆变，是将直流电转换为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件；③AC/DC称为整流，是将交流电转换为直流电的电能变换器；④AC/AC称为交流-交流变换，包括变频和变压。这四类变换器可以是单向变换的，也可以是双向变换的。单向电能变换器只能将电能从一个方向输入，经变换后从另一方向输出；双向电能变换器可实现电能的双向流动。 若需要实现变换器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。 如图0-1所示，非隔离的直流开关变换器按所用功率器件的个数，可分为单管、双管和四管三类。单管直流变换器有六种，即降压式(Buck)变换器、升压式(Boost)变换器、升降压式(包括Buck/Boost、Cuk、Sepic和Zeta)变换器。双管直流变换器有双管串接的升降压式(Buck/Boost)变换器，而全桥直流变换器(Full-bridge Converter)是常用的四管直流变换器。 图0-1 非隔离DC/DC开关变换器拓扑 有高频变压器隔离的直流开关变换器也可按所用功率器件数量来分类。如图0-2所示，单管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种；双管有双管正激(Double Transistor Forward Converter)、双管反激(Double Transistor Flyback Converter)、推挽(Push-pull Converter)和半桥(Half-bridge Converter)四种；四管直流变换器主要是指全桥直流变换。 如图0-3所示，DC/AC变换中常用的拓扑分为半桥、全桥和三相桥，其中，半桥和全桥逆变输出单相交变电压，而三相桥输出互差120°的三相电压。 图0-2 隔离DC/DC开关变换器拓扑 图0-3 DC/AC开关变换器拓扑 AC/DC变换中，使用不可控器件(二极管)、半控型器件(晶闸管)和全控器件(如Power MOSFET和IGBT)可分别组成不控整流、相控整流以及PWM整流电路。其中，采用开关变换工作模式的PWM整流电路可实现交流侧单位功率因数，如图0-4所示，以单相APFC整流电路、桥式PWM整流电路应用较为广泛，而根据交流相数的不同，桥式PWM整流电路又可分为单相桥式PWM整流电路和三相桥式PWM整流电路。 图0-4 AC/DC开关变换器拓扑 图0-5 单相交流调压开关变换器拓扑 AC/AC变换根据其变换目标的不同，可以分为交流调压电路、交流电力控制电路和交-交变频电路，多采用晶闸管作为可控器件，而使用全控器件的开关变换在交流调压和交-交变频电路也有应用，如图0-5所示。 2. 开关变换器结构 一个完整的开关变换器，除了包含功率开关管、电感和电容的主电路外，还需要功率开关管的驱动电路、电路输出检测电路和控制电路，其结构如图0-6所示。除了极少数采用开环控制的开关变换器，为实现控制目标精度要求，绝大多数开关变换器均采用闭环控制方式，即通过检测电路采集变换器输出的电压或电流信号，与给定的控制目标进行比较，经过控制电路运算后，再通过驱动电路实时调整功率开关管的占空比，使得变换器输出信号实时跟踪给定目标。考虑到主电路中可能会发生过流、短路、欠压和过压等异常情况，会对功率器件造成损坏，需要配置保护电路。控制电路通过检测电路对各种电信号进行检测，若超过门限值则通过保护电路实施保护，而对于与功率开关管相关联的过流和短路等保护措施，可通过驱动电路来实现。当检测到功率开关管流过的电流超过过流保护值或短路保护值时，控制电路封锁其驱动脉冲，即可实现对功率管的保护。考虑到主电路会对控制电路造成干扰，在开关变换器功率达到一定程度时，主电路和控制电路间应进行电气隔离。其中，互感器、霍尔传感器是用于检测电路实现电气隔离采样的有效器件，光耦、脉冲变压器是用于驱动电路实现隔离驱动的有效器件。 图0-6 开关变换器常用结构 3. 开关变换器系统分析 以图0-2(b)的反激式变换器为例，电路拓扑中包括功率开关管VT、变压器T、二极管VD和电容C。功率开关管VT由PWM控制，通过闭合与关断功率管在变压器T两端产生高频方波信号。变压器将产生的方波信号以磁场感应的方式传递到次级线圈。通过二极管和电容的整流滤波作用，在输出端得到稳定的直流输出。由于反激式变换器在输入级和输出级之间实现电气隔离，并省去了单端正激式变换器中的复位绕组，拓扑简单，故广泛应用于AC/DC和DC/DC变换，是低功率(几瓦～几百瓦)直流开关稳压电源的常用拓扑。图0-7为在功率变换领域常用的直流电源模块，均采用反激式变换器拓扑，常用于为电力电子装置提供控制和驱动用电源。其中，图0-7(a)为AC/DC电源模块，输入为220V市电，输出为直流电压，输出为电气隔离的48V、24V、15V、12V、5V和15V、12V。图0-7(b)为DC/DC电源模块，一般输入为48V、24V、15V、12V和5V，输出为电气隔离的24V、15V、12V、5V和15V、12V。 图0-7 功率变换领域常用的直流电源模块 从“电力电子技术”所学的知识中可以知道，设反激式变换器输入电压为Ui，输出电压为Uo，变压器原边匝数为N1，副边匝数为N2，功率管VT的PWM控制占空比为D，则在变压器磁通连续的情况下。即在输入电压Ui不变的情况下，通过调整占空比D，可以改变输出电压的Uo大小。 显然，在制作图0-7所示的电源模块产品时，只有图0-2(b)所示的主电路拓扑是不够的，至少需要以下7个部分。 (1) 需要有产生PWM控制信号的控制电路，该控制电路应根据需要能设定PWM信号的频率，即设定功率开关管VT的开关频率f，并可以实时调整PWM信号的占空比。PWM信号的产生可以通过分立元件组合来产生，也可以通过PWM集成控制电路来产生。这部分内容将在第1章进行详细介绍。 (2) 考虑到占空比D固定时，输入电压Ui的波动和输出侧负载电阻RL变化引起的负载调整率都会造成输出电压Uo发生变化。为实现稳压输出，首先要对Uo进行实时采样，并将检测的数值反馈给控制电路，控制电路根据反馈值调整PWM信号的占空比，保证Uo在一定范围内波动。考虑到控制电路控制的功率开关管VT位于变压器T的原边电路，而输出电路位于变压器T的副边电路，变压器原边和副边存在电气隔离，即采样电路要实现隔离采样，这部分内容将在第3章进行详细介绍。 (3) 需要为功率开关管VT配置合适的驱动电路，驱动电路的选取与功率开关管的参数、开关频率、驱动电路的允许功率和*大允许电流都有关系，这部分内容将在第2章进行详细介绍。 (4) 在实际电路中要考虑因负载侧过流或短路造成原边功率开关管VT流过的电流超过正常电流的情况，此时应及时切除VT的驱动信号，进行过流保护。同时在VT选型中若电压裕量不充足，为避免VT关断时电压突波幅值超过VT的额定电压，要为VT增加缓冲电路。对于绝大多数开关变换器，由于采用PWM控制，其输出侧一般要有滤波环节，如DC/DC和DC/AC中的LC等形式的滤波电路，该电路对于开关变换器的性能具有重要影响。这部分内容将在第3章进行详细介绍。 (5) 为减小电源模块的体积，功率开关管VT要工作在高频状态。根据电力电子技术所掌握的知识，VT的选型除了要考虑VT关断时承受的*高电压和导通时流过的*大电流，还要考虑VT高速开关时的开关损耗。在实际工程中，要根据所选定的功率开关管的参数来计算开关频率f下功率开关管的开关损耗，进而计算功率开关管的管芯温升，*终确定所选定的功率开关管是否适用于该电源模块。同时还要对该功率开关管的散热器进行设计和选型，确保该功率开关管正常工作状态下管芯的温度不超过极限温度。这部分内容将在第4章进行详细介绍。 (6) 在输入和输出实现电气隔离的开关变换器中，高频变压器T是重要组成元件，其设计是电源模块设计中的重要组成部分，直接关系到开关变换器能否正常工作和工作性能。这部分内容将在第5章进行详细介绍。 (7) 为实现电源模块稳压输出，应设定输出电压的给定值Uoref，当Uo>Uoref时，应降低PWM控制信号的占空比D；当Uo<>