【摘要】：隔離型AC-DC開關(guān)電源采用變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離,具有安全特性高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于手機(jī)適配器、LED電源、平板電腦適配器等中小功率電源中。但隨著智能設(shè)備的發(fā)展與升級(jí),其消耗功率日益提升,為了保持充電適配器的便攜性,需要研究高頻率、高效率、高性能的隔離型AC-DC變換器。在高頻隔離型AC-DC變換器中,單管結(jié)構(gòu)軟開關(guān)變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單,控制難度低,以及穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn),尤為適合中小功率的AC-DC變換器設(shè)計(jì)。但該類變換器存在轉(zhuǎn)換效率低、電壓應(yīng)力高、開關(guān)噪聲大等缺點(diǎn),使開關(guān)頻率難以提升,阻礙了該類變換器的高頻化進(jìn)程。因此,研究結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的高頻隔離型單管變換器及其高性能控制方法具有很重要的學(xué)術(shù)意義與實(shí)用價(jià)值。本文主要研究MHz級(jí)隔離型單管變換器拓?fù)浼捌涓咝阅堋⒌统杀究刂扑惴�。分析了MHz級(jí)隔離型單管變換器高頻化的難點(diǎn),提出了一種利用寄生參數(shù)諧振實(shí)現(xiàn)谷底導(dǎo)通的變換器拓?fù)浞桨?大幅降低了開關(guān)損耗,使開關(guān)頻率達(dá)到1MHz;在此基礎(chǔ)上,研究并設(shè)計(jì)了高效率、低成本的閉環(huán)控制算法、輸出電壓的高精度和低紋波控制算法以及負(fù)載切換時(shí)的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制算法。主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下:1、提出了一種MHz級(jí)隔離型單管準(zhǔn)諧振變換器拓?fù)�。只采用一個(gè)開關(guān)管,實(shí)現(xiàn)了近似完全軟開關(guān)的效果,包括開關(guān)管谷底電壓導(dǎo)通、開關(guān)管零電流關(guān)斷以及二極管零電流關(guān)斷,其中利用諧振電感與寄生電容的諧振實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管谷底電壓導(dǎo)通,相比傳統(tǒng)準(zhǔn)諧振電源,轉(zhuǎn)換效率得到很大提升。在無同步整流的條件下,實(shí)現(xiàn)谷底導(dǎo)通后,變換器效率提升約10%,開環(huán)峰值效率達(dá)到90.4%,且滿載開關(guān)頻率達(dá)到1MHz。2、提出了一種基于開關(guān)周期抖動(dòng)的脈沖頻率調(diào)制(Pluse Frequency Modulation,PFM)方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,降低了閉環(huán)實(shí)現(xiàn)難度。通過電流過零檢測,實(shí)現(xiàn)連續(xù)電流(Continuous Conduction Modulation,CCM)模式下的開關(guān)管零電流關(guān)斷與谷底電壓導(dǎo)通,避免了電流直接采樣,降低了CCM模式下的實(shí)現(xiàn)難度;通過輸出繞組電壓過零檢測,實(shí)現(xiàn)斷續(xù)電流(Discontinuous Conduction Modulation,DCM)模式下的開關(guān)管峰值電壓導(dǎo)通,避免了電壓直接采樣,降低了DCM模式下的實(shí)現(xiàn)難度。測試表明,基于上述控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)路控制。3、提出了一種高精度低紋波數(shù)字控制算法,解決了變換器拓?fù)湓贑CM模式閉環(huán)控制中存在的大輸出電壓紋波問題。通過將不同谷底控制的開關(guān)周期均勻分布,實(shí)現(xiàn)了極低的輸出電壓紋波;另外通過對輸出電壓的檢測,提出了一種穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償算法,通過修正參考電壓,消除輸出電壓的微小穩(wěn)態(tài)誤差,進(jìn)一步提高輸出電壓精度。測試結(jié)果表明,輸出電壓為20V時(shí),其輸出電壓精度為0.4%;輸出紋波減小到240mV,為優(yōu)化前輸出紋波的1/4,峰值效率達(dá)到89.6%。4、提出了一種高動(dòng)態(tài)數(shù)字控制算法,解決了變換器在大范圍負(fù)載切換中動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差的問題。通過設(shè)定輸出電壓的上限與下限,引入兩種動(dòng)態(tài)模式,極大地減小了動(dòng)態(tài)電壓紋波與恢復(fù)時(shí)間;在重載切換輕載的動(dòng)態(tài)過程中,提出了一種開關(guān)周期比例迭代算法,可以準(zhǔn)確檢測得到負(fù)載切換后穩(wěn)定時(shí)的負(fù)載控制參數(shù),以此消除動(dòng)態(tài)過程中的輸出電壓振蕩,大幅減小了動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間。測試結(jié)果表明,當(dāng)負(fù)載從0.5%負(fù)載切換到滿載時(shí),輸出欠壓由11.6V減小到1.04V,欠壓恢復(fù)時(shí)間從654.0μs減小到59.8μs;當(dāng)負(fù)載從滿載切換到0.5%負(fù)載時(shí),輸出過沖電壓由1.44V減小到0.88V,過壓恢復(fù)時(shí)間從47.4ms減小到2.92ms。本文設(shè)計(jì)的變換器尤為適合中小功率高頻隔離型變換器設(shè)計(jì),其開關(guān)頻率達(dá)到1MHz,且實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度、高動(dòng)態(tài)的輸出特性,具有很好的應(yīng)用前景與研究價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM46
【圖文】：

第一章 緒論面，多模式控制方法是常用的效率優(yōu)化方法，常用模式包括輕制(Pulse Width Modulation，PWM) 模式，脈沖頻率調(diào)制(Pulse Fr同負(fù)載情況下使用不同的調(diào)制方式，在負(fù)載降低時(shí)盡可能降低式來保證全負(fù)載范圍內(nèi)變換器都可以實(shí)現(xiàn)較高效率[35-38]。例如多模式控制技術(shù)提高了交錯(cuò)并聯(lián)反激變換器的全負(fù)載范圍效率如圖 1-10 所示[38]。但多模式控制未必能在全負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到最了分段化的考慮，并沒有針對每一個(gè)特定負(fù)載進(jìn)行效率優(yōu)化。

(c)直流電子負(fù)載 (d)示波器圖 5-9 測試使用的設(shè)備環(huán)控制算法驗(yàn)證機(jī)在 CCM 模式下的開環(huán)測試波形。如圖 5-10(a)，可以看到 GaN電壓 vgs的關(guān)斷電壓為-2V，導(dǎo)通電壓為 6.0V。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，原管 ZCS 關(guān)斷。在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻開關(guān)管漏端電壓 vds位于其諧振的其次，由于谷底導(dǎo)通時(shí)，原邊電流 ip為零，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了 ZCS 導(dǎo)容在導(dǎo)通時(shí)刻的放電損耗，變換器的開關(guān)損耗大大減小。另外，如似線性下降到零，實(shí)現(xiàn)了二極管 ZCS 關(guān)斷，避免了二極管反向恢谷底導(dǎo)通時(shí)，變換器的軟開關(guān)效果較好。此時(shí)負(fù)載為 5.7Ω，開環(huán)測開關(guān)管ZCS關(guān)斷開關(guān)管谷底導(dǎo)通vgsiDvds二極管ZC

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