1、本科毕业论文（20 届）开关电源的软开关技术的研究所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -开关电源的软开关技术的研究目 录前言 .2第 1 章 软开关技术 .3第 1.1 节 软开发技术的简介 .3第 1.2 节 软开关电路的种类及特点 .3第 1.3 节 软开关技术在开关电源中的应用 .7第 1.4 节 软开关技术的优点及不足之处 .7第 2 章 全桥软开关电源系统分析 .8第 2.1 节 PWM 控制技术 .8第 2.2 节 全桥软开关电源过程原理 .8第 2.3 节 全桥软开关电源 PWM 控制实现方式
2、.8第 3 章 全桥软开关电源 PWM 控制电路设计 .10第 3.1 节 主电路设计 .10第 3.2 节 EMI 滤波电路设计 .12第 3.3 节 高频变压器的设计 .13第 3.4 节 控制电路设计 .14第 3.5 节 保护电路设计 .17第 4 章 系统测试 .18第 4.1 节 变压器的测试 .18第 4.2 节 测试记录 .18结论 .20参考文献 .20致谢 .21附录 .22苏州大学本科生毕业设计（论文）- 1 -开关电源的软开关技术的研究【摘要】：本论文简单介绍了软开关技术，相关的软开关电路及特点，软开关技术在开关电源中的应用，并分析了软开关技术优点及不足之处。简单介绍了
3、 PWM 控制技术，分析了 PWM 控制全桥软开关电源工作过程和实现方式，并初步设计了一个基于软开关技术的 PWM 控制全桥开关电源，其中包括主电路、变压器、控制电路和保护电路等模块的设计。这开关电源通过零电流关断和零电压开通，可降低开关的消耗和噪声，有效的实现软开关技术，可使电路高频化、可靠性高和性价比高等。【关键词】：开关电源；软开关技术；PWM 控制Abstract : This paper simply introduces the soft switch technology, related soft switching circuit and characteristic of
4、soft switch technology in the application of switching power supply, and analyzes the soft switch technology advantages and disadvantagesSimple introduced the PWM control technique, this paper analyzes the working process of the PWM control full bridge soft switching power supply and the way of impl
5、ementation, and the preliminary design of a PWM control based on soft switch technology bridge switching power supply, including main circuit, transformer, the design of control circuit and protection circuit modules It shut off by zero current and zero voltage switch power supply, can reduce the co
6、nsumption of switch and noise, effective implementation of soft switch technology, can make the circuit, high frequency, high reliability and high performance-price ratioKey words:Switching power supply; Soft-switching;PWM control苏州大学本科生毕业设计（论文）- 2 -前言开关电源当前使用非常广泛，在许多电子设备上都有被使用到，它内部的电子元件能处在高频状态下工作，它
7、输出的电压能够稳定或被调制，是目前电源的主要类型，它输出的电流也能够通过改变控制方法达到稳定。它具备电能转变高效、可靠性好、可控精度高和轻小等优点，在小功率电源中替代了线性电源，并快速地转向大功率电源。当前能够说中、小功率电源装置的主导技术就是开关电源技术。 电源是全部电子设备不可或缺的能量来源，电子设备中重要的组成部分也不能缺少电源转换设备。各类电子设备都有着各自对电源的要求，它们对电源的要求也存在着多多少少的差异。总之，电源的主旨是使用安全、使用可靠以及可以达到省电的目的。伴随着电子技术与计算机技术的快速发展以及在电子设备中的遍及使用，各种高效电子设备对于电源装配的要求也变得越来越高，开关
8、器件的损耗及噪声也加大了，软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显，使开关电源的高频化成为可能，各类软开关技术在开关电源中也必将得到广泛应用。PWM 控制方式是软开关开关电源中应用最广泛的控制方式，它控制过程中不需要数模转换，且抗噪能力强。PWM 控制技术向消除噪音问题提供了处理的办法，所以提高工作频率现已不是消除噪音的最好办法。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 3 -第 1 章 软开关技术第 1.1 节 软开发技术的简介1.1.1. 软开关技术的基本概念软开关技术是能够实现开关电源高频化的重要技术，它是使电路中的电压与电流进行有规律的变化，这是利用了谐振原理。通过零电流关断或零电压开
9、通，可减少开关的消耗。它能够处理硬开关的损耗、开通、关断和二极管反向恢复等问题，还能处理硬开关引发的电磁干扰等问题。1.1.2. 软开关技术的工作过程软开关电路是为了降低或消除开关消耗和噪声，将谐振元件电感、电容引入到开关电路中，在开关过程中增加谐振过程，为了消除开关过程中的电压与电流重叠，可以通过零电压开通或零电流关断实现，减小电压与电流变化率。软开关电路典型开关过程 见图 1-1。第 1.2 节 软开关电路的种类及特点软开关技术在不断地发展中也得到了不断地完善，其中也设计出了多种类型的软开关电路，当前，新式软开关电路仍逐渐出现。各类软开关电路都有着自己的特性和使用场所。按照开关电路中开关的
10、零电流关断和零电压开通，能够将软开关电路分成零电流电路和零电压电路。通常，一种软开关电路要么是零电流电路，要么是零电压电路；按照基本开关单元可分成开关器件、电容、电感和二极管等构成的电路；按照软开技术的发展能够将软开关电路分成下列三种：准谐振电路：这是最先设计出的软开关电路，如今这类电路还在大批应用中。由于谐振电压的峰值较高，因此器件需要升高耐压性能；由于谐振电流有着较大的有效值和电路中有着很多无效功率转换，这就增大了电路的导通消耗；谐振周期会受到输入电压uiP0u itt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程 b）软开关的关断过程图 11 软开关的开关过程苏州大学本科生毕业设计（论文）-
11、4 -与负载的影响，随着它们的变化而变化，所以电路的控制方式只可以是脉冲频率控制方式。准谐振电路能够分成零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路和零电压开关多谐振电路。零开关 PWM 电路：为了让谐振只在开关过程的前后产生，利用了辅助开关调控谐振的产生时间。零开关 PWM 电路能够分成零电压开关 PWM 电路和零电流开关 PWM 电路。零转换 PWM 电路：利用了辅助开关调控了谐振的产生时间，这类软开关电路中的谐振电路与主开关并联。在开关切换过程中，获取零开关条件的途径是产生谐振。在开关切换后，电路恢复正常的 PWM 模式。降低了电路中无效功率的交换，使电路的效率得到进一步提高。零转换 PW
12、M 电路能够分成零电压转换 PWM 电路、零电流转换 PWM 电路。1.2.1. 简单的开关电路软开关电路中的准谐振零电压开关电路结构简单。其电路原理图与理想波形图分别如图 1-2、1-3 所示。缺点：对开关器件的耐压要求较高。 RVDCrSsUi图 1-2 准谐振开关电路原理图图 1-3 准谐振开关电路理想波形SuS (uCr)iSiLruVDt0t1 t2 t3t4 t6 t0tttttt5OOOOO苏州大学本科生毕业设计（论文）- 5 -准谐振零电压开关电路的工作过程：t0t1：在 t0 之前，开关 S 是闭合的，二极管VD 是断开的， ， 。t0 时 S 关断了，电容 Cr 让 S 关
13、断后电压上升缓慢进行，0CruLri所以 S 开关损耗降低。 S 关断后，VD 还没通。电感 Lr 与 L 向电容 Cr 充电， 升高，Cru降低，到了 t1 时， 降为 0，VD 导通。t1t2 ：VD 导通对 L 续流，电容、电感形VDuVD成谐振回路。t2 时，Cr 上电压达到谐振峰值。 t2t3：先是 Cr 放电，到了 t3 时，Lr 上电流达到反向谐振峰值。t3t4：先是 Cr 充电， 继续放电，到 t4 时刻为 0。t4t5：Cru导通， 保持为零。这一过程中开关两边电压为零，因此应让 S 闭合，就不会产生SCru损耗了。t5t6 ： 上升，到了 t6 时， ，VD 断开。 t6t
14、0：S 是闭合的，VD 断开。Li Lri1.2.2. 变频器软开关电路直流环是一种适用于变频器的软开关电路。缺点：对开关器件的耐压要求较高。图 1-4 及 1-5 分别为谐振直流环等效电路图和谐振直流环电路理想波形。 RsU图 1-4 谐振直流环等效电路图图 1-5 谐振直流环电路理想波形工作过程：t0t1：在 t0 前，开关 S 是闭合的，t0 时，S 断开，电路产生谐振，Lr 向电容 Cr 充电。t1t2：Lr 电压差为零，t1 后，Lr 继续对 Cr 充电。t2 t3 ：，t2 后，Cr向 Lr 与 L 放电，Lr 上电流继续降低，直到 t3 达到反向谐振峰值。 t3t4：Cr 继续放
15、电，t0 t1 t2 t3 t4 t0iLruCrUinILttOO苏州大学本科生毕业设计（论文）- 6 -直到 t4 时为 0，二极管 导通。t4t0，S 闭合， Lr 上电流上升，直到 t0 时，S 断开。VD1.2.3. 最广泛软开关电路目前，全桥移相软开关电路使用较为广泛。全桥移相电路能让四个开关都为零电压开通，相对硬开关全桥电路来说，加了个谐振电感。图 1-6 及 1-7 分别为全桥移相零电压开关 PWM 电路和全桥移相电路理想化波形。 R2LC1r34TUi图 1-6 全桥移相零电压开关 PWM 电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0 t1t2t3
16、t4t5 t6t7t8t9t0t9t8 ttttttttttttOOOOOOOOOOOO苏州大学本科生毕业设计（论文）- 7 -图 1-7 全桥移相电路理想化波形工作过程：t0t1：S1 和 S4 先是闭合的，到了 t1 时 S1 断开。t1 t2 ：S1 断开后Lr、L 和 C1、 C2 形成谐振回路。t2t3：t2 时 S2 开关闭合，零电压开通，不会出现开关损耗。t3t4：在 t3 时 S4 断开后，变压器两边整流二极管导通，变压器一次侧、二次侧电压为零，等于短路。t4t5：S3 闭合后，Lr 的电流继续降低。 下降为零后反向增大，Lri变压器的二次侧 VD1 的电流下降为零后断开，L
17、上电流转到 VD2 中。第 1.3 节 软开关技术在开关电源中的应用相对于开关晶体管，我们可以将开关电源说成硬开关与软开关电源。软关断过程中先是电流降为零，电压再慢慢升高到断态值，这过程与硬开关的工作过程不同，因此开关的关断损耗趋近于零。因为开关断开之前电流已降为零，感性关断的问题就处理了。对于软开通过程则是电压先降为零,电流再慢慢升高通态值,因此开通损耗趋近于零。由于开关开通之前电压已降为零，容性开通的问题就处理了。同时，当开通时，二极管反向恢复过程已结束，所以二极管反向恢复问题不存在。 软开关技术可以降低电磁的干扰，是因为开关晶体管可以零电压导通和零电流的关断，这可以显著降低功率器件的 d
18、 i/d t 和 d u/d t，从而降低电磁的干扰。通常软开关的效率和操作频率比较高，可使变压器体积变小，因此开关电源可以小型化。但所需成本较高，设计也比较复杂。第 1.4 节 软开关技术的优点及不足之处软开关技术的优点：（1）大大提高开关频率，使输出谐波分量减少，降噪。尤其是当开关频率高于18KHz，噪音会超出人耳的听觉范围。 （2）不需要缓冲电路（3）让散热器小型化（4）降低了滤波器尺寸（5）提高开关器件的可靠性，更大的发挥设备的特点 （6）提高了总体效率软开关技术的不足之处： （1）缩小了在开关工作期间对占空比的调节范围。（2）电路中应有辅助的换相电路，这就提高了对控制和设备成本的要求。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 8 -（3）软开关转换过程是利用分布电感和电容的谐振，工艺不一样容易发生变化且变化会非常大，影响工作稳定性。（4）由于负载的变化，要定时调整开关装置，发出控制命令，高频率下怎样检测负载变化，怎样完成时序和其它控制策略在短时间内的计算，这都是有待解决的问题。
