基于电压型脉宽调制控制技术的半桥式隔离开关电源设计.docx
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基于电压型脉宽调制控制技术的半桥式隔离开关电源设计
1绪论
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
1．1直流稳压电源的发展
直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。
传统的转换方法设计制作的电源，其效率低，损耗大，温升高。
加上多路电压输出，而各个电压的等级、质量要求又不相同时，使之传统的串联稳压式电源越来越难于得到解决。
如图1-1所示的串联式线性稳压电源，就属此类。
图1-1晶体管串联式线性稳压电源
当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流，高效率，重量轻、体积小的方向发展。
在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源，如图1-2所示。
图1-2晶体管串联式开关稳压电源
随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。
由于它不需要工频变压器，故称无工频变压器开关式直流稳压电源。
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，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。
图1-3是无工频变压器的开关电源的方框图。
图1-3无工频变压器的开关电源原理框图
无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点：
1.效率高。
一般在80～90%以上。
2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。
3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时，性能很好。
4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；
5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；
6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出；
7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。
无工频变压器开关稳压电源的不足之处：
1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值；
2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；
3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；
4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。
1．2高频变压器的开关电源结构概述
这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。
变压器原副方是隔离的，或是部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
图1-4高频变压器开关电源基本功能框图
目前，用高频变压器的变换电路按其工作方式可分为五类，每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如表1-1所示：
单端反激式变换器
30kW
表1-1
1.3 高频开关电源的组成与分类
开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。
但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。
电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。
开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。
另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。
为提高开关频率必须采用高速开关器件。
对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。
它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。
采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源的集成化与小型化已成为现实。
然而，把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上，必须解决电隔离和热绝缘的问题。
1.3.1开关电源的基本构成
开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。
开关电源的基本构成如图1-3所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。
输出采样电路检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。
DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。
对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。
但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。
提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。
负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。
1.3.2开关型稳压电源的分类
开关型稳压电源的电路结构有多种：
（1）按驱动方式分，有自励式和他励式。
（2）按DC/DC变换器的工作方式分：
①单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。
（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。
（4）按控制方式分：
①脉冲宽度调制（PWM）式；②脉冲频率调制（PFM）式；③PWM与PFM混合式。
（5）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。
以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。
1．4开关电源技术的发展动向
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
（1）高频化技术：
开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。
小功率DC-DC变换器的开关频率将上升到MHz。
但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频EMI等新的问题也将随之产生。
（2）软开关技术：
为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关/零电流开关（ZVS/ZCS）谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术（ZVS/ZCS-PWM）以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制（ZVT/ZCT-PWM）技术等。
采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。
（3）功率因数校正技术（PFC）：
目前PFC技术主要分为有源PFC技术和无源PFC技术两大类，采用PFC技术可以提高AC-DC变化器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。
（4）模块化技术：
模块化是开关电源发展的总体趋势，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。
（5）低输出电压技术：
随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。
要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路。
1．5本课题研究的内容和意义
1.5.1研究内容
近几年来,为了进一步提高矿山作业安全系数,改善矿山工人的工作环境,国家有关部门规定,矿山井下架线电机车必须配备低压照明、喇叭、载波通讯、司控道岔、脉冲调速器、防追尾信号等成套设备。
在此种环境下，多用输出直流电压为12V或24V，这一规定使得架线电机车必须配备低压直流稳压电源。
本课题主要是研究落差比较大的dc-dc变换器，所谓落差大是指输入和输出的落差比较大，输入约直流550-800V，而输出为直流24V．要求做到输入电压在一定范围内变化时输出基本不变，也就是说靠改变占空比调节输出的效果要好，适当改变负载也能使输出基本保持不变，具有过电流保护的功能并且能够设定电流保护阀值。
因为输入为直流高电压为保护起鉴采用继电联锁结构启动并有装机的过程；因为要求落差大体积小所以采用高频隔离变压器，势必要解决谐波干扰所造成的各种损耗，尤其是开关管的开关损耗，变压器的铁耗铜耗，优化设计提高效率。
具体电路根据DC/DC变换的要求及特点1.5.2研究意义
落差比较大的dc-dc电源变换器，应用在比较特殊的场合，如煤矿下采煤车的照明，直接利用高压直流供电点电源转换为所需的24V直流电，省去矿下单独走线，减少投入，提高利用率降低危险。
采用PWM方式作控制简单易行效果明显；采用高频可减小体积提高空间利用率。
本文针对具体问题提出了一种利用半桥式高频开关电源解决的新型DC/DC变换方式，此种设计方法可以应用于工程实际中，并且其高稳定性、高效率、高可靠性、低干扰等特点使得此种方式的应用前景十分乐观。
此种设计思想不仅可以应用于落差达到20至35倍情况下，而且可以被用于更高落差的变换电路中。
2 DC/DC变换器
DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA等）中。
它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。
开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。
开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC变换。
实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。
现在，大多数采用PWM（脉冲宽度调制）技术。
从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。
PWM的占空因数（δ）是“Ton”时间（Ton，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。
对于开关稳压器，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数，而且控制环路利用“大信号”占空因数做为对电源开关的控制信号。
2．1开关频率和储能元件
DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。
磁性元件所耦合的功率是：
P（L）=1/2（LI2f）。
随着频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。
由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。
电容元件所耦合的功率是：
P（c）=1/2（CV2f），所以储能电容器可实现类似的尺寸减小。
元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积。
2．2开关变换器拓扑结构
开关变换器的拓扑结构系指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
很多不同的开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：
非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。
变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入线/输出负载特性诸因素选定的。
2.2.1非隔离开关变换器
对于输入与输出电压不需隔离，只用一个工作开关和L、D、C组成的变换器电路最基本非隔离开关稳压器拓扑结构的为如下三种：
（1）降压变换器（buckconverter）；
（2）升压变换器（boostconverter）；（3）降、升压变换器（buck-boostconverter）。
其原理电路如图2-1所示。
图2-1无隔离的DC→DC变换电路
（1）降压变换器（buckconverter）
降压变换器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压。
输出电压（Vout）和输入电压（Vin）的关系为：
Vout/Vin=δ（占空因数）Vin>Vout
1）在开关VT导通期间
2）在开关VT截止期间
3）电感电流的平均值计算
a）电路拓扑b）工作波形
图2-2Buckconverter
4）输出电压纹波值的计算
（2）升压变换器（boostconverter）
升压变换器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压。
输出电压和输入电压的关系为：
Vout/Vin=1/（1-δ）Vin
1）在ton期间
2）在toff期间
3）负载电流的平均值I0
a）电路拓扑b）工作波形
图2-3Boostconverter
4）输入电流的平均值I
1
5）输出电压U0的纹波计算
（3）降、升压变换器（buck-boostconverter）
降、升压变换器将一输入电压变换成一较低反相输出电压。
输出电压与输入电压的关系为：
Vout/Vin=-δ/（1-δ），其中Vin>|Vout|。
图2-4Buck—Boostconverter
图2-5Buck-Boostconverter工作波形图
2.2.2隔离开关变换器
有很多隔离开关变换器拓扑结构，但其中四种比较通用，它们是：
单端反激式变换器、单端正激式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。
在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。
1.单端反激式变换器
单端反激式变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。
输出电压与输入电压的关系式为：
Vout/Vin=（1/N）（δ/（1-δ））Vin>Vout或Vin 式中N为变压器匝数比。
（一）工作原理分析
1）在开关VT导通期间：
图2-6单端反激式变换器
2）在开关VT截止期间
（二）单端反激式变换器也有三种工作状态
1）磁通临界连续的工作情况：
2）磁通临界不连续的工作情况
3）磁通连续的工作情况
（三）Uin与导通比αt的对应关系
即是输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。
因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。
运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。
但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。
（四）磁通复位问题
为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此：
1）单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙。
2）原方绕组电流实现脉冲限流控制。
2.单端正激式变换器
正向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。
输出电压和输入电压关系为：
Vout/Vin=（1/N）δVin>Vout或Vin
图2-7正激式变换器的原理电路图
图2-8正激式变压器等效电路
3.半桥式变换器
（一）工作原理
图2-9半桥式变换器原理电路
图2-10半桥式变换器的工作波形
图2-11串联电容半桥式变换器原理电路
（a）串联电容前交流电压，斜格面积表示A1、A2的伏秒值不平衡波形
（b）串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡图
图2-12变压器原边串联电容后的工作波形
（二）串联耦合电容C3的选择
4全桥式变换器
图2-13全桥式变换器主电路
图2-14全桥式变换器的工作波形
3
3．1PWM变换器
脉冲宽度调制（PWM）变换器就是通过重复通/断开关工作方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），再经过整流平波后变为另一种直流电压输出。
PWM变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成。
输入输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压。
由于开关工作频率的提高，滤波电感L，变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化。
对于PWM变换器，加在开关管S两端的电压us及通过S的电流Is的波形近似为方波。
占空比δ的定义式为：
δ＝Ton／Ts；或δ＝１－Toff／Ts。
式中 Ts——开关工作周期；
Ton——一个开关周期内导通时间；
Toff——一个开关周期内断开时间；
对于这种变换器，有两种工作方式。
一种是保持开关工作周期Ts不变，控制开关导通时间ton的脉冲宽度调制（PWM）方式，另一种是保持导通时间ton不变，改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制（PFM）方式。
3．2 PWM控制技术
典型的脉宽调制型方框图如图3-1所示。
说明：
A市电，B输出，C控制回路，
1市电直接整流滤波，2高频变换，
3二次整流滤波，4脉宽调制，
5比较，6基准。
图3-1 脉宽调制型方框图
50Hz工频的市电经初始整流滤波后转换成直流电送入高频变换器中,高频变换器将此不稳定的直流电逆变成高频矩形脉冲电压送入二次整流滤波器中,而后得到平滑的直流电压供给负载。
该电路中高频变换器是开关稳压电源的中心。
其稳压原理为:
当负载变化或输入电网电压升高而引起输出电压轻微上升时,控制回路可以使高频变换器输出矩形波宽度变窄,从而使开关稳压电源的输入电压下降,直至恢复到设定值。
反之,当电网电压降低等原因引起输出电压下降时,控制回路可以使高频变换器输出矩形波展宽,使输出电压上升,直至恢复到额定值,达到稳压的目的。
高频变换器输出波形变化如图3-2所示。
控制开关DC/DC变换器的反馈回路和稳压特性有两种方法：
电压模式控制和电流模式控制。
在电压模式控制中，变换器的占空因数正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值；在电流模式控制中，占空因数正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值。
控制电流可以是非隔离拓扑结构中的开关电流或隔离拓扑结构中的变压器初级电流。
说明:
A输出正常时B输出上升时C输出下降时。
图3-2脉宽调制型输出波形
3.2.1PWM电压模式控制
电压模式控制只响应（调节变换器的占空因数）输出（负载）电压的变化。
这意味着变换器为了响应负载电流或输入线电压的变化，它必须“等待”负载电压（负载调整）的相应变化。
这种等待/延迟会影响变换器的稳压特性，通常“等待”是一个或多个开关周期。
负载或输入电压扰动会产生相应（尽管不一定成比例）的输出电压干扰。
如图3-3所示为电压型控制原理图。
图3-3电压型控制原理图
在此电路中，A1是环路误差放大器，A2是PWM比较器，A3是输出驱动器（与功率开关的接口）。
斜波振荡器提供输出电压VOSC，VOSC在变换器开关周期Ts期间从OV到某最大值（对应于最大占空因数）呈线性斜波。
误差放大器对精密温度补偿基准（VREF）和变换器输出电压分量Vout之间的差值进行比较。
A1的输出VE正比于基准电压和Vout之间的差值。
假若输出电压为零，则A1的输出为其最大值，此最大值与振荡器输出斜波最大值相同。
当在PWM比较器A2的输入存在这种条件时，则A2的输出电压在变换器整个开关周期中保持在最大值。
所以，当Vout为最小值时，占空因数是在其最大值。
假若实际的输出电压超过Vout的调整范围，则A1的输出将为（或接近）零。
在这种条件下，A2的输出在整个开关周期期间将保持在其最小值。
输出电压和变换器占空因数之间的反比关系（即输出电压太低会产生最大占空因数，输出电压太高会产生最小占空因数）为变换器的控制环路提供稳定的反馈机构。
3.2.2PWM电流模式控制
针对上述电压型控制的缺点,最近几年发展起来了电流型控制技术。
与电压型PWM比较，电流型PWM控制在保留了输出电压反馈控制外，又增加了一个电感电流反馈环节，并以此电流反馈作为PWM所必须的斜坡函数。
图3-4 电流型控制原理图
电流控制型开关电源是一个一阶系统,一个无条件稳定系统。
由于它只有单个极点,因此很容易得到大的开环特性和完善的小信号和大信号特性。
目前较为流行使用的电流控制型开关变换器正是由传统的电压控制型的基础上,增加电流反馈环,使其成为一个双环控制系统,让电感上的电流不再是一个独立的变量,从而使开关变换器的二阶模型中去掉了电感电流而成为一个一阶系统。
图3-4所示为电流型控制的原理图。
电流控制型开关变换器是一个双环控制系统。
它有一个内环——电流控制环,还有一个外环——电压控制环。
图3-4中,当开关管导通时,流经电阻Rs的电流Ids与流过输出滤波电感Lf的电流If成正比。
从输出采样的电压信号加至误差放大器的反相输入端,正相输入端为基准电压,其误差经放大后的电压Ve加到下一级PWM比较器的反相端,当加在比较器正相端的正比于Ids的电流取样信号Vs（三角波,其频率为开关频率）升至Ve时,比较器输出端输出一个正脉冲加至锁存器的复位端,锁存器的反相端输出便使得开关管截止。
当Vo发生变化导致Ve变化,或Io变化导致Vs变化时,便使比较器输出脉冲相对于时钟脉冲在时间上提前或滞后,从而改变了开关管的占空比实现PWM,以达到稳定输出电压的目的。
因此,变换器的内环是一个恒流源,而整个电流型开关变换器则可看作是一个电压控制
电流模式控制把变换器分成两条控制环路——电流控制通过内部控制环路而电压控制通过外部控制环路。
其结果在逐个开关脉冲上不仅仅可以响应负载电压的变化而且也可响应电流的变化。
3.2.3PWM控制方式选择策略
电流模式控制和电压模式控制一样在输出电压与占空因数之间具有相同的反比关系。
但在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，电流控制型较电压控制型还具有如下的特点：
外（电压）控制环路设置阈值，而在阈值内内（电流）环路调整开关或初级电路中的峰值电流。
由于输出电流正比于开关或初级电流，所以在逐个脉冲上控制输出电流，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。
生产实践表明电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右，远优于电压控制型，从而电流模式控制具有比电压模式控制更优越的电源电压和负载调整特性。
硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。
4 PWM控制芯片SG3525
4．1SG3525芯片结构
电压调节芯片SG3525是一种
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