小功率高功率密度DCDC模块电源的研究.pdf

，rl中图分类号：T M 4 6 1学科分类号：0 8 0 8 0 1论文编号：1 0 2 8 7 0 31 0 0 1 5 6密级：公开硕士学位论文小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究研究生姓名丁泳鑫学科、专业电力电子与电力传动研究方向航空电源指导教师龚春英教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二O O 年一月、，0fj，7“lLRC o n v e r t eSJ一J独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：工i 缝E t期：兰2!：主：!全南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着我国通讯、电力系统以及个人数字产品的快速发展，模块电源的应用越来越广泛。分布式供电系统在高科技的航空航天领域的采用，推动了模块电源在航空航天领域的使用。本文主要研究小功率高功率密度D C D C 模块电源。首先，对各种隔离型小功率D C D C 变换器拓扑的优缺点进行了比较，确定了采用低边箝位有源箝位正激变换器作为主电路拓扑，并对其工作原理进行了详细的分析。其次，在该变换器的设计中采用软开关，同步整流，平面变压器，磁集成等实用的新技术，并对这些技术的改进方法进行了一定的探索。旨在保证变换器转换效率的同时可以提高其功率密度，从而减小变换器的体积。对于已经大量采用高频软开关技术的模块电源，限制其功率密度进一步提高、性能进一步改善的重要因素之一是磁性元件，而磁集成技术由于具有可以减小磁件体积重量，减少磁件损耗，减小输出电流脉动，提高变换器效率等优点，成为本文研究的重点之一。再次，详细分析了采用集成磁件的有源箝位正激变换器的工作原理，讨论了磁集成技术对电流脉动、变换器效率的影响，并给出磁件设计的依据。最后完成了1 8 V,-一3 6 V 输入、1 2 V 5 0 W输出的采用集成磁件的有源箝位正激变换器和采用分立磁件的有源箝位正激变换器的参数设计、硬件制作与实验。实验结果充分证明了磁集成技术可以提高有源箝位正激变换器的整体性能。在理论分析和电路设计的基础上，制作了一台1 8 V 3 6 V 输入、1 2 V 5 0 W 输出、频率为5 0 0 k H z 的模块电源样机，体积可以做到l，4 砖，满载效率可达8 6。实验分析和考核表明，电源的各项性能指标都达到了设计要求，验证了理论分析和设计思想的正确性。关键词：有源箝位正激变换器，同步整流，平面变压器，磁集成，模块电源小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究A b s t r a c tF o rt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o n s,p o w e rs y s t e m sa n dp e r s o n a ld i g i t a lp r o d u c t s,t h ep o w e rs u p p l ym o d u l ei su s e dm o r ew i d e l y A sd i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l ys y s t e mi sa p p l i e di nt h ea e r o s p a c ef i e l d，t h em o d u l ep o w e rs u p p l yi su s e dm o r ew i d e l yi nt h ea e r o s p a c ef i e l d T h i st h e s i si sd e v o t e dt os t u d yt h el o w p o w e rh i g h-p o w e rd e n s i t yD C D Cp o w e rs u p p l ym o d u l e F i r s t l y,a f t e rc o m p a r i n go fs e v e r a ld i f f e r e n ti s o l a t e dD C D Cc o n v e r t e r s，L o w s i d ea c t i v ec l a m pf o r w a r dc o n v e r t e rh a sb e e ns e l e c t e dt ob et h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yo ft h es e c o n dp o w e rs u p p l y A n dd e t a i lo p e r a t i o np r i n c i p l ei sp r e s e n t e d S e c o n d l y,m a n yn e wt e c h n o l o g i e ss u c ha ss o f t-s w i t c h，s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r,p l a n a rt r a n s f o r m e r,a n dm a g n e t i c-i n t e g r a t i o nh a v eb e e nu s e di nt h ee o n v e r t e LA f t e ra l lo ft h a t,Im a d e s o m er e s e a r c hf o rt h e ma n dm a k et h ee o n v e r t e rh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c e M a g n e t i c si so n eo ft h em a i nf a c t o r s，w h i c hl i m i tt h ep o w e r-d e n s i t ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rm o d u l e F o rl o w i n gw e i g h ta n dv o l u m e，r e d u c i n gp o w e rl o s sa n dr i p p l ec u r r e n t,i m p r o v i n ge f f i c i e n c y,t h em a g n e t i c-i n t e g r a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e no n eo ft h ef o c u s e si nt h ep a p e r O n c ea g a i n,t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fI M-F A Cc o n v e r t e ri sa n a l y z e d，t h ei n f l u e n c eo nF A Cc o n v e r t e ri n t r o d u c e db yI Mi sd e s c r i b e da n dt h ed e s i g nr u l eo fI Mi sp r e s e n t e d A n d，t h eI M-F A Cc o n v e r t e ra n dD M F A Cc o n v e r t e ro f18 V-3 6 Vi n p u t12 V 5 0 Wo u t p u ta r ec o m p l e t e d T h ee x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fm a g n e t i c-i n t e g r a t i o nt e c h n i q u e A tl a s t,t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb a s e do na5 0 Wp o w e rs u p p l ym o d u l ew i t h18-3 6 Vi n p u t,12 Vo u t p u ta n dt h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo f5 0 0 k H za r eg i v e nt od e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s T h ev o l u m eC a nb ed o n et o1 4b r i c ka n de f f i c i e n c yC a nb eu pt o8 6 T h ep r o t o t y p e Sv a r i o u sp r o p e r t yi n d e x e sm e e tt h ed e s i g nd e m a n d s K e y w o r d s：A c t i v ec l a m pf o r w a r d，s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r,P l a n a rt r a n s f o r m e r,M a g n e t i c i n t e g r a t i o n,P o w e rs u p p l ym o d u l e1 2 1 软开关技术。31 2 2 同步整流技术41 2 3 平面变压器技术。51 2 4 磁集成技术。61 2 5 多路输出调节技术71 3 本课题的研究意义和研究内容81 3 1 本课题的研究意义81 3 2 本课题的研究内容8第二章小功率模块电源的拓扑选择及原理分析。92 1j；言92。2 小功率模块电源的拓扑选择92 2 1 单端反激变换器92 2 2 单端正激变换器。92 2 3 推挽变换器。92 2 4 半桥变换器1 02 3 单端正激变换器的磁复位技术l02 3 1 复位绕组复位技术l l2 3 2R C D 箝位技术l li i i小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究2 3 3L C D 箝位技术1 22 3 4Z P W M 技术1 22 3 5 有源箝位技术132 4 有源箝位正激电路两种箝位方式比较l32 4 1 低边箝位方式1 42 4 2 高边箝位方式1 52 5 低边箝位有源箝位正激电路原理分析1 62 5 1 等效电路及分析假设：1 62 5 2 电路工作过程的详细分析。1 72 5 3 电路工作的特点2 02 6 本章小结2 l第三章有源箝位正激直直交换器关键技术研究2 23 1 弓I 言。：2 23 2 软开关技术2 23 3 同步整流技术2 33-3 1=极管与同步整流管的比较2 33 3 2 有源箝位正激电路的同步整流驱动方案2 53 4 平面变压器技术2 63 4 1 平面变压器技术概述2 63 4 2 平面变压器设计。2 73 4 3 交叉换位技术在正激变压器中的应用3 03 5 磁集成技术3 23 5 1I M F A C 变换器的导出3 33 5 2I M F A C 交换器的理论分析3 43 5 3 磁件设计依据3 63 5 4 集成磁件的测试3 73 5 5 磁集成技术对有源箝位正激变换器性能的影响3 73 6 本章小结3 8第四章D M F A C 和I M-F A C 原理样机设计及对比分析3 94 1 引言3 94 2D M F A C 变换器和I M-F A C 变换器相同的参数设计3 94 2 1 主电路设计3 9i v南京航空航天大学硕士学位论文4 2 2 控制电路设计4 04 3D M F A C 变换器的磁件设计4 64 3 1 平面变压器设计4 64 3 1 2 输出滤波电感设计4 74 3 3D M F A C 变换器中磁件的测试结果4 84 4I M F A C 变换器的磁件设计：。4 84 5 实验结果及对比分析5 04 6 本章小结5 3第五章小功率高功率密度D C D C 模块电源的研制5 45 1 引言5 45 2 实验样机的设计5 45 2 1 设计结果5 45 2 Z 电路布局分析5 55 3 实验结果5 65 4 损耗分析5 85 5 对比分析6 l5 6 本章小结6 3第六章总结与展望“6 1 主要完成的工作6 46 2 下一步工作6 4参考文献6 6致谢7 0在学期间参与的科研项目及发表的学术论文。7 lV小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究图表清单图1 1 分布式电源系统结构l图1 2 自驱动同步整流方式5图1 3 平面磁芯6图1 4 印刷板平面变压器典型结构6图1 5 多路输出调节方法分类7图2 1 单端反激变换器1 0图2 2 单端正激变换器1 0图2 3 推挽变换器1 0图2 4 半桥变换器1 0图2 5 复位绕组复位正激变换器1 1图2 6R C D 箝位正激变换器l l图2 7L C D 箝位正激变换器。1 2图2 8z v TP W M 正激变换器。l3图2 9 有源籍位正激变换器。1 3图2 1 0 低边箝位电路M O S F E T 门极驱动电路1 5图2 1 l 有源箝位同步整流正激变换器的等效电路拓扑1 6图2 1 2 有源箝位同步整流正激变换器的典型工作波形1 9图2 1 3 有源箝位同步整流正激变换器的工作模态2 0图2 1 4 开关管电压应力与占空比的关系2 l图2 1 5 输出电感电流脉动与占空比的关系2 l图3 1 主开关管导通前的等效电路图2 2图3 2 二极管特性曲线2 4图3 3M O S F E T 特性曲线。2 4图3 4 二极管与同步整流管的特性比较2 4图3 5 并联后二极管与同步整流管的特性比较2 4图3 6 电压型自驱动同步整流方案一2 5图3 7 平面变压器结构示意图2 7图3 8 不同绕组布局时的磁场分布图一3 0南京航空航天大学硕士学位论文图3 9 不同布局单位长度绕组涡流损耗比较3 2图3 1 0D M F A C 变换器中磁件的绕组电压波形3 3图3 1 lI M F A C 变换器3 3图3 1 2 磁件的等效磁路3 4图4 1 峰值电流型控制原理图。4 l图4 2 系统稳定性和占空比大小的关系。4 2图4 3 斜坡补偿原理图4 2图4 4U C C 2 8 9 7 的内部框图4 3图4 5 典型外围电路设计4 4图4 6 集成磁件的三种气隙结构4 9图4 7 输出电感电流脉动比较5 0图4 8 主管电流脉动比较一5 0图4 9D M F A C 变换器样机照片：5 0图4 1 0I M F A C 变换器样机照片。5 0图4 11D M F A C 变换器的D S 两端波形。5l图4 1 2I M F A C 变换器的D S 两端波形。5 1图4 1 3 输出滤波电感电流纹波波形(输入1 8 V)5 l图4 1 4 输出滤波电感电流纹波波形(输入2 8 v)5 2图4 1 5 输出滤波电感电流纹波波形(输入3 6 V)5 2图4 1 6 输出电压纹波波形。5 2图4 1 7D M F A C 变换器和I M F A C 变换器的效率对比5 3图5 1P C B 绕组画法5 5图5 2 驱动电压波形和D S 电压波形5 6图5 3 输出电压纹波波形5 6图5 4 实验样机的效率曲线5 8图5 51，4 砖实验样机的照片5 8表3 1 估算磁芯损耗密度所需的参数表。2 8表3 2P C B 绕组设计表。2 9表4 1D M-F A C 变换器中磁件的测试结果4 8表4 2I M 磁芯的各磁柱导磁面积4 9v i i小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究表4 3 磁路参数4 9表4 4 等效电感参数。4 9表4 5I M-F A C 变换器中磁件的测试结果5 0表5 1 参数设计结果5 4表5 2 磁件设计结果5 4表5 3 负载调整率测试数据5 7表5 4 输入电压调整率测试数据5 7表5 5 不同输入电压情况下的损耗分析6 l表5 6 小功率D C D C 模块电源产品比较。6 2南京航空航天大学硕士学位论文一、缩略词及其名称略写D CA CD P SD C BP W ME M IZ V TZ C TF A CM O S F E TZ V SM I TD M蹦M O S F E TC D RV R MP C BI M SI P E M注释表英文全称D i r e c tC u r r e r l tA l t e r n a t i n gC u r r e n tD i s t r i b u t e dP o w e rS y s t e mD i r e c tC o p p e rB o n dP u l s eW i d t hM o d u l a t i o nE l e c t r oM a g n e t i cI n t e r f e r e n c eZ e r oV o l t a g eT r a n s i t i o nZ e r oC u r r e n tT r a n s i t i o nA c t i v e-C l a m pF o r w a r dc o n v e r t e rM e t a l0 x i d eS e m i c o n d u c t o rF i e l dT r a n s i s t o rZ e r oV o l t a g eS w i t c h m gM a g n e t i c I n t e g r a t i o nT e c h n i q u e sD i s c r e t eM a g n e t i c sI n t e g r a t e dM a g n e t i c sM e t a lO x i d eS e m i c o n d u c t o rF i e l dT r a n s i s t o rC u r r e n tD o u b l e rR e c t i f i e rV o l t a g eR e g u l a t i o nM o d u l eP r i n t e dC i r c u i tB o a r dI n s u t a l t e dM e n t a lS u b s t r a t eI n t e g r a t e dP o w e rE l e c t r o n i c sM o d u l e二、基本符号及其意义基本符号圪圪意义输入电压输出电压箝位电容电压基本符号D r石中文名称直流交流分布式电源系统直接键合铜技术脉冲宽度调制电磁干扰零电压转换零电流转换有源箝位正激变换器功率场效应管零电压开通磁集成技术分立磁件集成磁件功率场效应管倍流整流电压调整模块印制电路板绝缘金属基板集成功率电子模块意义占空比变压器匝比开关频率小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究耐坼三mX复位电压r 原边绕组匝数s一个开关周期内开关管导通时间1 面变压器激磁电感工I e a l c变换效率副边绕组匝数一个开关周期内开关管关断时间变压器漏感南京航空航天大学硕士学位论文1 1 模块电源的发展概况1 1 1 模块电源的应用背景第一章绪论2 0 世纪5 0 年代，美国宇航局以体积小、重量轻为目标，为适应火箭技术的发展第一次提出了开关电源的思想。2 0 世纪8 0 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。2 0 世纪9 0 年代以来，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、电力检测设备电源、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【。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。与传统采用工频变换技术的相控电源相比，开关电源在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。因此，开关电源取代线性电源和相控电源是必然的发展趋势。为满足产品设计需要，用户总是希望电源产品能够体积更小、重量更轻、价格更便宜。模块电源作为此种需求的解决方案，广泛应用在通信、工控、电力电子等领域。进入2 l 世纪后，高频化、小型化、轻量化、薄型化及高可靠性仍然是开关电源所追求的目标，仍然是今后的发展方向。开关电源最早就是为了航空航天技术而提出的，航空航天领域对开关电源“高、小、轻、薄”及可靠性的要求更高、更严格。航空航天器的供电系统采用分布式电源系统(D i s t r i b u t e dP o w e rS y s t e m D P S)，如图1 1 所示。一次电源直流母线二次电源，_。、_ 。、IfI 在接7 憔七鼠盟l 发电系统一丽端交抉器卜_l 纵WU 乙：-1 前端变换器负载变换器-1D C 厄I C图1 1 分布式电源系统结构它包括三个部分：第一部分为发电系统，第二部分为一次电源(前端变换器)，第三部分为二次电源(负载变换器)。发电系统是将其他形式的能量转化为电能的装置，如人造卫星及其它l小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究的空间飞行器用的硅太阳能电池阵列。一次电源是将变化范围较大的输入电压转变为所需的输出电压，如人造卫星中的蓄电池充放电器和并联调节器。二次电源则是直接面向用电设备，如空间飞行器的仪器仪表、电子设备、通信设备中印制板上的模块电源等1 2 一。1 1 2 模块电源的产品发展情况模块电源主要分为D C D C、A C D C、D C A C 三种。其中D C D C 模块占据了绝大部分的市场份额，A C D C 和D C A C 所占份额较少。随着我国通讯、电力系统以及个人数字产品的快速发展，模块电源的应用越来越广泛。分布式供电系统在高科技的航空航天领域的采用，推动了模块电源在航空航天领域的使用。从输出功率看，目前D C D C 模块电源产品的输出功率在I W-6 0 0 W 之间，且大多数产品输出功率小于3 0 0 W；从输入电压范围来看，D C D C 模块电源产品可分为2 4 V、2 8 V、4 8 V、3 0 0 V及3 7 5 V 输入等等；从输出电压来看，主要分为低压输出和高压输出两类，低压输出是指输出电压不高于5 V，高压输出是指输出电压不低于1 2 V，包括1 2 V、1 5 V、2 4 V 等等。国内的模块电源供应商主要有两大类：一类是V I C O R、L A M B D A、A S T E C、E R I C S S O N、P O W E R-O N E 等国际公司，另一类是中兴、新雷能、汇众、鼎立信等国内公司。日本L A M B D A 公司、美国P O w E R-o N E 公司和A S T E C(雅达)公司电源模块属于P W M部分谐振零电压开关。在脉宽调制性恒频变换器线路的条件下，让功率场效应管在开通和关断的瞬间产生谐振，实现零电压开关，从而大大减小了开关损耗和辐射干扰，使工作频率提高至2 0 0 5 0 0 k H z，效率提高至8 0-9 0。因为频率基本恒定且不太高，对器件的要求也不是很严格，线路不是很复杂，因此成本不是很高，相对全谐振型变换器而言，这种变换器价格较低，在计算机和通讯领域达到了较佳的性能价格比。瑞典E R I C S S O N 电源模块主要是低压输入模块，功率从5 W 到2 0 0W。这种模块主要采用推挽和半桥式脉宽调制场效应管线路，工作频率达3 0 0 k H z。驱动和控制采用了专利电路。工艺上采用直接键合铜技术(D i r e c tC o p p e rB o n d，I X：B)和线键合技术，大大降低了寄生参数，降低了纹波，改善了散热。美国V I C O R 公司模块电路技术的核心是零电流开关，工艺上大量采用二次集成和定制器件，它使V I C O R 变换器工作频率超过1 M H z，效率达9 0 以上，功率密度可达1 2 0 W i n 3。V I C O R模块采用这种零电流开关原理，减小了开关损耗，降低了传导和辐射噪声电平。为保证不同负载下系统的稳定性，V I C O R 模块采用变频技术跟踪负载电流的变化，以保证在任何情况下模块都工作在最佳状态下。国产模块主要的供应商有中兴、新雷能、汇众、鼎立信等公司。其中，中兴公司电源模块采用了有源箝位Z V S 变换技术，在主功率管开通和关断的瞬间使主功率管实现零电压开关，降2南京航空航天大学硕士学位论文低了开关损耗和辐射干扰。低压模块采用同步整流，提高了变换的效率。工艺上，中大功率采用铝基板工艺，形成了一整套完整的专利工艺方案，大大降低了线路之间的耦合和因为膨胀系数不同造成的器件热损伤。新雷能公司大部分模块采用贴片和插件混装工艺，早期研发的模块大量采用铝电解电容，灌封胶自制，成本低，工艺和可靠性差。1 2 模块电源的关键技术除去常规的电性能指标要求以外，要求模块电源具有高功率密度、高变换效率及高可靠性。为此，研发人员不断进行新技术的探索、研究及应用。围绕模块电源，其关键技术主要可以分为封装技术、变换器及其控制以及电磁兼容和热设计三大类。这里主要针对D C D C 模块电源，只讨论变换器及其控制中的具体关键技术。高频化是提高功率密度的基本手段，能够减小磁件、电容等无源元件的体积，从而提高功率密度。但是高频化会增大导线的交流电阻，大幅度增加开关器件的开关损耗以及磁芯损耗，降低变换器的效率；这些损耗的存在又限制了变换器的开关频率的提高，从而限制了功率密度的迸一步提耐6】。因此如何兼顾这几方面的矛盾，采用合适的方案，设计出满足要求的模块是值得研究的问题。为了解决上述矛盾、适应模块电源的发展需求，电力电子界开展了多种技术的研究，并提出了一系列的研究成果，其中主要包括软开关技术、同步整流技术、平面变压器技术、磁集成技术及多路输出技术。1 2 1 软开关技术软开关技术的研究相对比较成熟，并已得到了广泛的应用。软开关技术能够降低开关器件的开关损耗，降低器件应力，使得变换器能够在高频条件下高效率运行。目前在模块电源中较常用的软开关技术有：l、谐振软开关技术。以美国V l C O R 公司的模块电源产品为代表。包括电流型和电压型谐振，利用谐振原理使开关管的两端电压或电流在一个周期内有一段时间呈正弦规律变化，通过谐振获得零电压或零电流开关条件，使开关管自然开关，谐振参数包括变压器漏感及开关管结电容等寄生参数。但采用谐振软开关技术会增加开关管的电流或电压应力，且变换器输出电压与开关频率有关，为保持输出电压恒定，必需调制频率，即采用变频控制。这使得电路的设计复杂化，不利于磁性元件的优化设计川。2、零电压转换(Z V T)、零电流转换(Z C T)技术【8,9 1。这种方法基本上不增加开关管的电流电压应力，且变换器无需变频工作，但是需要额外增加开关管及相应的控制驱动电路，增加了电路的复杂性。3小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究3、无损缓冲技术1 1 0,1 1 l。串联电感或并联电容上的电能释放时不经过电阻或开关器件，称无损耗缓冲。从实现方法来看，分为有源缓冲电路和无源缓冲电路两种。有源无损缓冲电路在原有电路上附加有源器件(如开关管)，价格比较昂贵，工作时还要增加控制电路来对附加开关管进行控制，电路复杂。相比之下，无源无损缓冲电路简单，可靠，价格便宜。4、移相控制全桥软开关技术1 6,7 l。全桥变换器在中、大功率场合应用极其广泛。由于全桥变换器中功率管较多，因而可有多种控制策略。如果同一个桥臂的开关管互补1 8 0。导通、斜对角的开关管开通关断时刻相差一个角度，则为移相控制策略。其中提前开通(或关断)的桥臂被称为超前桥臂、滞后开通(或关断)的桥臂被称为滞后桥臂。采用移相控制方案后，就可以利用输出滤波电感的能量实现超前桥臂开关管的零电压开通。如果变压器的漏感较大、或在变压器原边串入谐振电感，则可以利用漏感或谐振电感的能量实现滞后桥臂的零电压开通。若全桥变换器在零状态时原边电流可迅速回零并不反向增长，则滞后桥臂也可以实现零电流关断。移相控制全桥软开关技术具有开关频率恒定、效率高、附加成本低等优点。由于电路中器件较多，拓扑结构相对复杂，成本相对较高，目前主要用于较大功率的D C D C 模块庖源中。5、有源箝位软开关技术 6,7,1 2 l。以美国V i c o r 公司、a y c o 公司和I P D 公司等的D C D C 模块电源产品为代表。从工程实用的角度讲，有源箝位技术在模块电源中已经得到了广泛应用，尤其在5 0 W-一2 5 0 W 的场合，有源箝位正激变换器(A c t i v e C l a m pF o r w a r dc o n v e r t e r,F A C)应用较多，由于可以实现部分软开关，再加上同步整流技术，变换器效率可以达到9 0。1 2 2 同步整流技术低压大电流D C D C 模块电源是模块电源重要的发展方向。传统的低压输出电源的整流电路中都采用肖特基二极管，由于它的正向导通压降比较大(目前最低压降为0 3 V)，整流损耗成为低压大电流电源的主要损耗，严重制约电源效率及功率密度的进一步提高。因此，采用低导通压降的同步整流管来代替肖特基二极管成为模块电源向低压大电流、高功率密度方向发展的必然结果1 3。阍。根据驱动信号产生方式的不同，同步整流技术可分为自驱动方式和外部驱动方式。l、外部驱动方式：通过附加的逻辑控制和驱动电路，产生出随主变压器副边电压作相应时序变化的驱动信号，驱动同步整流管。驱动信号电压幅值恒定，不随副边电压幅值变化，驱动波形好。为了迸一步提高效率，采用几只同步整流管并联时，要求驱动电路有较强的驱动能力。这种方案能提供高质量的驱动波形。但需要一套复杂的控制驱动电路，增加了成本，也延长了研发时间。因此这种驱动方案不是很理想。2、自驱动方式：即是在主电路中直接获取驱动信号，驱动同步整流管。一种简单的驱动电路是在主变压器上加两个辅助绕组，直接连接到M O S F E T 的栅源极，4南京航空航天大学硕士学位论文获得驱动信号。另一种更简单经济的方法是直接从变压器的副边主电路获得驱动信号，如图1 2 所示。如果变压器副边电压幅值足够高，能较好驱动M O S F E T，这也是可选择的驱动方案。图1 2 自驱动同步整流方式自驱动方式中又可分为电压型驱动和电流型驱动。电压型驱动方式的驱动信号取自于变压器副边绕组或者电感耦合绕组，相对简单、方便【1 5,1 6 l。此驱动方式仍存在驱动死区的问题，在死区时间内由同步整流管的体二极管导通，使导通损耗增大，文献【1 7】利用门极能量保持策略解决了此问题。然而同步整流管的双向导电特性造成轻载时电流能够反向流通，使变换器效率降低。由此，提出电流型驱动方式，通过检测输出电流大小来决定同步整流管的驱动。轻载时，关断驱动，避免电流双向流通，减小损耗。当然，采用电流型驱动方式中需要增加电流采样器件(如电流互感器)和能量维持电路【1 7 嘲，增加了电路的复杂性。在应用同步整流技术时，还应该考虑到整流器件的正确选取。对用于同步整流的M O S F E T来说，其损耗主要包括导通损耗、驱动损耗、开关损耗和体二极管导通损耗，由于同步整流管的体二极管先于沟道开通，即实现Z V S 开通，因此可以近似忽略开关损耗。一般用导通电阻与栅极电荷的乘积来表征同步整流管的损耗特性，乘积值越小表示损耗特性越好。因此应该选取乘积值较小的同步整流管。1 2 3 平面变压器技术提高开关频率是减小体积和重量的基本措施。直直变换器中的磁性元件如变压器、电感，担负着能量的存储与转换，滤波和电气隔离等功能，其体积和重量一般占整个变换器的2 0 3 0，损耗占总损耗的3 0 左右。对于小型化设计的高频电源，磁性元件的体积、重量所占的比例还会更高【1 9】。另外磁性元件的分布参数，如变压器的漏感、绕组的分布电容等也对变换器的性能有较大影响【2 2 1。因此为了使高频开关电源达到高效率和高功率密度，对高频磁性元件的研究就显得非常重要。随着电力电子装置轻量化、低高度要求的提高，客观上要求磁性元件具有扁平的平面结构。飞利浦公司首先提出了平面结构的铁氧体铁芯，如图1 3 所示，得到了广泛的应用。平面化的结构具有较大的散热面积，并且磁性元件热点到磁性元件表面的热阻降低，从而提高了功率密5小功率高功率密度D C D C 模块电源的研究度。平面结构磁芯的这一特色使得它在空间受到严格限制的电源设备中具有相当大的吸引力，从而可成为许多电源设备中首选的磁性元件f 2 3】。图1 3 平面磁芯图1 4 印刷板平面变压器典型结构磁芯结构的平面化必然带来绕组结构的平面化，图1 4 给出的是印制板平面变压器典型结构，随着开关频率的提高，平面绕组损耗也会增大。平面绕组损耗除了与导体材料的导电特征有关外，还和绕组的几何结构(导体尺寸和布置)及交流信号频率紧密相关。高频下，导体存在集肤效应和邻近效应。集肤效应和邻近效应把电流推向导体的表面，导体中流过的电流呈不均匀分布，减小了导体的有效导电面积，使得交流下的电阻值显著大于直流电阻，有时甚至是直流电阻的十几倍到几十倍，导致绕组损耗增加。在设计高频平面磁性元件时须认真考虑集肤效应和邻近效应的影响，否则所设计出来的器件会远远达不到所要求的效率和性能。另外，随着输出电流的增加，为了增加绕组的载流能力，平面变压器经常应用并联绕组。1 2 4 磁集成技术所谓磁集成技术(M a g n e t i c-I n t e g r a t i o nT e c h n i q u e s，M I T)就是将变换器中的两个或者多个分立磁件(D i s c r e t eM a g n e t i c s，D M)，绕制在同一副磁芯上，从结构上集中在一起。D M 集中后的磁件就称为集成磁件(I n t e g r a t e dM a g n e t i c s，I M)。通过一定的耦合方式、合理的参数设计，该技术能有效减小磁件数目、体积和损耗，在一定的应用场合可减小电源输出纹波、提高输出动态性能，通过绕组合并还能有效减少大电流场合连接端的损耗。M I T 的优点对提高模块电源性能和功率密度有重要意义，成为电力电子技术的一个研究热剧二9 1。M I T 的优点决定了其良好的应用价值。目前，国外已将其成功地用于多路输出、给中央处理器供电的高功率密度电源模块以及通讯电源系统中，并获得较好的效果。根据文献【3 l】，采用M I T 后，整机效率可提高2、磁件体积可减d、3 0 0 A，输出纹波则可以成倍减小甚至实现零纹波。多路输出电源中的耦合电感是M I T 最成熟的应用实例。构造耦合电感减小电流脉动或实现零纹波是M I T 一个突出的优点，大量的研究成果集中在这一方面。倍流整流电路(C u r r e n tD o u b l e rR e c t i f i e r,C D R)是M I T 又一个研究、应用的热点。1 9 9 7 年W e iC h e n 将C D R 电路中两个滤波电感和变压器进行集成，不仅提高了电源功率密度，还减少了大电流连接端子，使I M 在大电流输出场合具有较高的应用价值，引起了对M I T 的关注。为了满足电压调整模块(V o l t a g eR e g u l a t i o n6南京航空航天大学硕士学位论文M o d u l e，V R M)苛刻的动态性能要