高频同步整流ClassΦ2DC-DC变换器的研究

摘要

现代电力电子技术应用要求功率变换器具有高功率密度、高效率和快速的动态响应。提高开关频率能够有效降低电容和磁性元件的储能要求，从而减小变换器的体积重量、提高功率密度，并提升系统的动态响应速度。目前，开关频率达到高频范围(3MHz以上)的功率变换器已成为国际上的研究热点。因此本课题展开了对高频DC-DC功率变换器的研究。
　　本文针对低压输出的场合，提出了一种带同步整流的高频ClassΦ2DC-DC变换器，其具有以下特点：1)主开关管电压应力低，并且能够实现零电压开关(Zero Voltage Switching，ZVS)；2)同步整流管能够实现零电压开关和零电流开关(Zero Current Switching，ZCS)；3)吸收功率器件的寄生参数作为电路一部分，减少了其对变换器工作的影响；4)电路中所有的电感电容均参与谐振，降低了其储能要求，减小了变换器的体积重量。该变换器由ClassΦ2逆变器和Class E整流器两部分组成。文中首先介绍了前级ClassΦ2逆变器的推导过程及其工作原理，建立了阻抗模型，分析了其阻抗特性，指出了基波和三次谐波处的阻抗大小和开关管应力、占空比之间的关系。其次对后级Class E整流器的工作原理进行了详细的推导分析。然后介绍了变换器的设计方法，在设计整流电路时，先指出了传统的设计方法中无法实现基波输入电压和电流相位和幅值的解耦，在此基础上提出一种新的设计方法，综合考虑开关管的占空比以及效率；在设计逆变单元时，利用阻抗网络的阻抗特性完成参数设计过程。然后针对变换器的主开关管和同步整流管分别提出了多级谐振驱动电路和带直流偏置的自激谐振驱动电路，前者工作稳定，参数设计简便，后者元件少，效率高。同时提出滞环控制方案，并给出相应的设计方法。
　　本课题研制了一台输入12V，输出5V/10W，工作频率为10MHz的原理样机。实验结果与理论分析和仿真波形一致，验证了电路工作原理和设计方法的正确性，满载效率为79.5％。同时搭建了一台电路参数完全一致的，以二极管为整流器件的原理样机，满载效率为77.4%，对比结果验证了采用同步整流在效率方面更具优势。如何实现对电路进一步的优化，提高变换器效率是下一步研究工作。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 高频变换器的研究现状

1.3 高频变换器的不足和挑战

1.4 本文的主要工作

第二章 同步整流ClassΦ2变换器的原理分析

2.1 引言

2.2 电路拓扑

2.2 逆变单元的原理分析

2.3 整流单元的原理分析

2.4 本章小结

第三章 同步整流ClassΦ2变换器参数设计方法

3.1 引言

3.2 整流单元设计

3.3 逆变单元设计

3.4 变换器整体参数微调

3.5 本章小结

第四章 谐振驱动电路和控制方案

4.1 引言

4.2 外部谐振驱动电路

4.3 自谐振驱动电路

4.4 滞环控制方案

4.5 本章小结

第五章 实验验证与讨论

5.1 引言

5.2 电路仿真

5.3 损耗分析

5.4 实验结果

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果及发表的论文