武漢理工大學碩士學位論文（C月994．2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.rightsreserved.武漢理工大學碩士學位論文（C月994．2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.開關電源的軟開關設計案例1軟開關技術(shù)的應用為了提高變壓器的質(zhì)量，滿足電力設備的要求，軟耦合變換器的概念被提出并得到廣泛的研究。高頻是變頻技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。原因是高頻可以大大減小變頻器（特別是變頻器、電磁元件這些類型的磁性元件）的大小和占用面積。所以說高頻電源是減小電源體積和重量的有效途徑，它可以提高開關頻率，降低噪聲，并且提高了電源開關的動態(tài)響應功能。為了使變頻器在高頻下有效工作，軟開關技術(shù)在后來的科技發(fā)展進程里，還被引入到正弦脈寬調(diào)制（SPWM）中，使高性能變頻器技術(shù)的研究和應用達到了一個新的水平。諧振原理只適用于電源單元發(fā)生變化時，更換單元（或電壓）上的電流（或電壓）發(fā)生正弦或幾乎穩(wěn)定的變化。該器件最終實現(xiàn)了零耦合損耗和高效率，電源電壓或電流由標準頻率脈寬調(diào)制控制。理論上，該開關無損耗，能有效降低開關脫落引起的高頻，是小型輕載充電器的有益發(fā)展。合理使用軟開關器件可以有效地提高DC/DC變換器的性能。軟交換的交換過程如圖 2.2所示。軟開關分合閘方式主要有兩種：零電壓合閘和零功率合閘。零電壓啟動：當輸電線路主電壓自然過零時，按圖2.2（a）啟動配電盤。為了避免電壓和電流的重疊，有效降低功率損耗，理論轉(zhuǎn)換損耗為零。零電流關閉：輸電流自然過零時，如圖2.2（b）所示斷開配電板，避免電流和電壓重疊，有效降低斷開損耗。理論上，斷開損耗為0。(a)軟開關開通過程(b)軟開關關斷過程2全橋式功率變換電路2.1基本工作原理全橋式功率變換電路是利用四只相同的開關管接成電橋結(jié)構(gòu)來驅(qū)動脈沖變壓器原邊。全橋式功率變換電路原理圖，如圖3.3所示。四個功率開關管中V1、V2和V3、V4,組成橋的兩臂，脈沖變壓器T連接在這些橋臂中間進行連接，互為相對的兩根功率管，即V1、V4和V2、V3，進行分別交替導通或截止，使脈沖變壓器的次級有功率輸出。當VI、V4管導通時，另一對V2、V3管則截止，這時V2和V3管兩端承受的電壓為輸入電壓Uin。在開關器件關斷過程中產(chǎn)生的尖峰電壓被四個二極管V5一V8鉗位于直流電壓Uin。圖3.3全橋式功率變換電路2.2.具體分析變換器在使用過程中的電壓值通常大于Umax，Uidmax是轉(zhuǎn)換器中使用的電源的一半。整個變壓器適用于不同功率等級的直流變換器。全橋變器換是一種簡單易行的方法。電路中使用了四個電源開關v1-v4，四組驅(qū)動循環(huán)必須選擇一個隔直 的驅(qū)動功能。使用v5-v8終端二極管，對效率的提升會比較明顯。與推挽 變換器相比，在輸入電壓相同的情況下，減少靜止電壓小于1/2，主變極中的電壓相等，在相同的輸出功率下，主變極的最大電流與配電盤中的電流相等。因此，如果整個全橋變換器的入口電壓是壓盤門的兩倍，則全制動形式適用于高壓直流。整個橋墻的耦合主要用于大電流。3通信開關電源產(chǎn)生的EMI問題3.1開關電源EMI問題的提出在科學技術(shù)的不斷更替中，開關電源越來越廣泛的應用到了通信設備和計算機相關設備中。由于對開關電源的內(nèi)部設計的復雜化和現(xiàn)在對開關電源的要求越來越高，開關電源的電磁干擾可能會影響到電源本身，再加上通信設備內(nèi)部中可能以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射這三種情況相互影響﹐會大大影響通信設備內(nèi)部各個模塊的正常使用，甚至對操作人員構(gòu)成身體上的損害。為了解決電磁干擾(EMI)導致的設備電源問題，電磁兼容(EMC)這門學科的創(chuàng)立和相關領域的研究，在20世紀80年代在世界范圍內(nèi)引起廣泛的關注，抑制電磁干擾已成為開關電源發(fā)展上的一個重要的課題。3.1通信開關電源產(chǎn)生EMI問題的原因開關電源面臨的干擾源主要出現(xiàn)在電壓與電流變化較大的元器件上，為了得到相對穩(wěn)定的直流電，先要將工頻交流整流為直流，整流電路中二極管在截止時有一個反向電流。反向電流在此之后逆變?yōu)楦哳l交流電，在對高頻交流電進行整流濾波后就能夠得到相對穩(wěn)定的直流電。引起電磁干擾的原因是因為在高電壓、大電流和高頻下工作電流轉(zhuǎn)換的過程中會產(chǎn)生大量諧波，另一方面可能會導致變壓器的漏感，在開關電源的電路內(nèi)部產(chǎn)生很強的共?；虿钅鲗Ц蓴_，造成了EMI問題。3.4EMI濾波電路在EMI電路設計中，即使設備設計良好，并有足夠的屏蔽和接地措施，故障或故障仍然可以在裝置內(nèi)部或外部傳輸，因為裝置或系統(tǒng)的電纜是最有效的發(fā)射天線，解決這個問題的方法是在設備中設計相應的EMI濾波器。EMI濾波器可以大量的衰減傳入通信系統(tǒng)的能量，通常由電阻、電感、電容或有源器件組成，對開關電源產(chǎn)生的共模干擾和差模干擾有著明顯的抑制作用。與普通的電路濾波器相比，選擇EMI濾波器有以下的特點：

使用高頻EMI濾波器時，應當確定電路的工作頻率和所需的抑制頻率，如果抑制頻率非常接近電路的工作頻率，則應對EMI濾波器的設計參數(shù)出調(diào)整。EMI濾波器可以在大型基站和通信設備的大電流、高電壓下正常使用，在滿足日常服務需求的同時抑制EMI，減少對傳輸中正常信號的損耗，在傳輸層面上保證設備最優(yōu)的傳輸效率。EMI濾波器的設計和選擇一般是根據(jù)干擾源和負載的特性進行的。如果EMI濾波器在工作頻率范圍內(nèi)的負載衰減特性，則可能是EMI濾波器中使用的電感和電容分量的衰減較大。這種情況下就必須有足夠的反應活性，嚴格控制設計參數(shù)。有時，濾波器必須在不匹配模式下工作。因此，必須仔細檢查不匹配特性，以確保

電磁干擾在工作頻率范圍內(nèi)具有很高的衰減特性EMI濾波器是EMI防護的重要組成部分，但必須仔細觀察他的性能，否則可能會導致濾波功能的降低和，有時還會產(chǎn)生新的噪聲EMI濾波器在工作頻率范圍內(nèi)具有高阻尼效果它將減少有用信號的消耗，保證最大的傳輸效率。EMI濾波器應具有足夠的機械強度、安裝方便、承受高壓沖擊,運行可靠、重量輕、更高的阻尼,體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點，確保正常的地面工作。輸入濾波電路圖3.4是一種由共模扼流線圈和高頻電容c組成的在開關電源中常采用一級LC濾波電路，是另一輸入濾波器電路。圖中電容C的影響如上所述，L1和L2誘導輪主要吸收同步噪聲，L1和L2誘導輪為相同流量和速度的線圈。同一閉合磁環(huán)在同一端提供相同的電流。L2通常接受無氣孔的基板，具有良好的高頻特性，Ll和L2采用雙線纏繞，另外，通過增加塔距來降低分布容量，提高頻率顯示性能，如果傳輸網(wǎng)絡中出現(xiàn)同步噪聲，如果方向相同，則發(fā)生縱向流出。當兩個線圈產(chǎn)生的磁通量串聯(lián)時，電感呈高阻抗形式，既能防止公共噪聲進入通信網(wǎng)絡，又能防止干擾通信網(wǎng)源產(chǎn)生的噪聲傳播到公共傳輸網(wǎng)，L1和L2產(chǎn)生的磁流對輸入、輸出等工頻電源是反向串聯(lián)的。對于這種輸入濾波器，最好把它放在封閉的磁屏蔽盒中，如果一階輸入濾波器不夠，可以使用幾個級聯(lián)式。C圖3.4LC濾波電路原理圖2.輸出濾波電路選擇電子元器件的第一濾波電路非常重要。濾波器周期的最大頻率取決于等效容量C，電感L可能產(chǎn)生對外部散射磁場非常敏感的散射電磁場，而在孔或開環(huán)中，感應柱的干擾可能性最大，閉合核電感中的磁路幾乎全部集中在磁環(huán)中，大大降低了外磁場。在前面的分析中，我們知道濾波電路實際上是L、R、C三個分量的組合，如果通信電源電路由于電流峰值而在當前高頻模式下工作，電容器兩端的頻率遠高于電路的正常工作頻率，電容器容量隨頻率的增加而減小，高頻電路時，電容器容量隨頻率的增加而減小，因此，應選擇高頻電解電容器或聚丙烯電容器，并聯(lián)使用多個電解電容器，可降低電容器的串聯(lián)電阻和感應。總凝結(jié)不能簡單地加上數(shù)值來計算，一般應考慮相應的容量值L、R和C。輸出整流濾波器的感應和容量可以均衡整流波電流，產(chǎn)生小波系數(shù)直流電流，在選擇核材料時，應考慮最大峰值電流而不是平均流量，由于誘導子的核心只能在特定磁場中工作，因此，應考慮最大峰值電流而不是平均電流。開關頂部電流增大，峰值電流增加噪聲，損壞觸點，為滿足大電流曲線下電感的要求，通常采用氣隙來調(diào)節(jié)最優(yōu)的電感值。3.3輸入端保護電路電磁干擾是通信電源尤其是大功率通信電源面臨的主要問題，高頻通信電源中開關管處于高速的通斷轉(zhuǎn)換狀態(tài)的時侯，為使電源在外界不良環(huán)境及突發(fā)故障情況下依舊可以穩(wěn)定正常的地工作，必須設計輸入端保護電路。這是因為在高頻通信電源中開關管處于高速的通斷轉(zhuǎn)換狀態(tài)的時候，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間電路中會產(chǎn)生電壓、電流的跳變，會形成很大的浪涌電流從而形成干擾源，浪涌電流嚴重的情況下可能會造成輸入熔斷器燒斷或合閘開關的觸點燒壞，所以對交流輸入端保護電路的設計是非常重要的。1.輸入電路的瞬間電壓保護為了應對雷電或接觸不良引起的可變脈沖，應通過在交流入口連接金屬氧化物產(chǎn)品來降低輸入電路的可變電壓。在兩端，應通過干燥將其阻抗降低到最小和瞬時能耗。此時輸入電壓已經(jīng)消除尖峰電壓達到安全值并接地操作2·輸入電路的浪涌電流抑制在交流電源末端安裝一個溫度曲線為負的熱敏電阻，可以有效減少濾波器的阻力的高流量和連接管打開時的過濾體積，應這增加了交流電源線的阻抗，從而減少了輸入流的流量，因此是相對安全的?？梢杂行У叵拗评擞康脑鲩L。當電容器開始充電時，恒溫器將被電流加熱。由于恒溫器的負溫度曲線特性，溫感電阻值也會隨著溫度的升高而開始減小。在想情況下，隨著時間推移對電阻的影響可以忽略不計。圖3.5Matlab仿真ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved..超前橋臂和滯后橋臂移相控制全橋變換器可以分為兩種臀橋，分別是超前（Leading）橋臂和滯后(Lagging)臀橋。按照所給定的開通時序，如圖4一3所示，左橋臂開關管Tr1、Tr3的開通分別超前于右橋臂開關管Tr2、Tr4.因此定義：Tr1、Tr3組成超前橋臂：Tr2、Tr4組成滯后橋臂。當開關管Tr1、Tr3相互轉(zhuǎn)換時，變壓器是處于能量傳送階段。此時輸出濾波電感Lf很大，基本上可看做是恒流負載。開關管Tr2、Tr4相互轉(zhuǎn)換時，高頻變壓器副邊處于續(xù)流階段。變壓器漏電感釋放電感儲能，使諧振電容電壓下降到零，從而能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS。要滿足的條件為電感儲能能量必須大于所有參與諧振的電容能量。主電路上并聯(lián)一個輔助諧振網(wǎng)絡后，滯后臂開關管在輕載時亦能完美地實現(xiàn)ZVS，而且高頻變壓器副