高性能的MHz级DC-DC变换器的研究

发布时间：2020-03-29 06:10

【摘要】：开关电源体积小、效率高、稳定性好,普遍应用在现代的各种电力电子设备中。随着现代各种电力电子设备向着小型化和轻型化的方向发展,对开关电源的效率和功率密度有了更高的要求。然而,功率密度的提高受到了部分器件的制约。本文从软开关技术、磁集成技术、平面变压器技术等几个方面来对隔离型高功率密度高效率变换器进行深入的研究:首先,选取适合的拓扑结构。通过对比几种常用的隔离型DC-DC电源的电路拓扑结构,选用反激型拓扑结构,确定了电感电流连续续工作模式。采用有源钳位的吸收方式来解决开关管漏源极两端的尖峰电压高的问题并实现软开关。分析了高边有源钳位的工作原理,并计算了实现软开关的条件。选取了具有有源钳位功能的控制器LM5026。它是一种电流型控制芯片,并设计了控制芯片的外围电路。其次,采用新型GaN(Gallium nitride)开关器件。GaN材料晶体管在高速开关和低导通电阻方面优势明显,无需散热装置,在提高转换器的功率密度方面非常有优势。由于Ga N晶体管与常规MOSFET相比,其阈值电压范围窄而低,易受高频干扰,因此选取具有独立推挽输出的驱动电路。采用的驱动器为LM5113,能稳定可靠地驱动GaN开关管。最后,采用平面变压器技术。平面变压器不需要绕线的骨架结构,整体结构扁平,散热的空间大。经过初步设计后,在磁性元器件设计软件Ansoft Pexprt和仿真分析软件Maxwell 2D中对所设计的变压器的漏感与损耗进行了仿真。根据仿真设计,布局了该变压器的印制电路板,制作实物对由漏感引起的损耗进行了测试,验证了该设计的正确性。并利用漏感参与有源钳位的谐振,实现磁集成,进一步提高了功率密度。结合以上技术研制出一款输入24V,输出5V/6A,工作频率为1MHz,功率密度达到了5W/cm~3,效率高于80%的隔离型开关电源样机。实验验证了该样机设计的合理性。
【图文】：

电路图,反激变换器,电路,推挽变换器

图 1.2 反激变换器电路换器示为推挽变换器拓扑结构电路图，推挽变换器变行复位，它具有自己完成磁化与复位的功能，变换处于交替导通的状态。在正常工作时，相当于两个当 S1 开关管导通时，S2 开关管关断，变压器绕组能量通过二极管 D1 传递给输出电感和负载。同理关管关断，变压器绕组 N3、N4 处于正常工作模式出电感和负载。由于输出滤波电感的存在，其输脉冲交替发出，变压器工作在双向励磁模式，磁于中大功率场合，可达 1000W 以上的输出功率。

拓扑结构图,推挽变换器,拓扑结构

图 1.2 反激变换器电路推挽变换器如图 1.3 所示为推挽变换器拓扑结构电路图，推挽变换器变压器的磁电路来进行复位，它具有自己完成磁化与复位的功能，变换器原边的开关管 S2处于交替导通的状态。在正常工作时，相当于两个正激型转替工作，当 S1 开关管导通时，S2 开关管关断，变压器绕组 N1、N2 作模式，能量通过二极管 D1 传递给输出电感和负载。同理，当 S2 开时，S1 开关管关断，变压器绕组 N3、N4 处于正常工作模式，能量由2 传送给输出电感和负载。由于输出滤波电感的存在，其输出电压纹简单,两路脉冲交替发出，，变压器工作在双向励磁模式，磁芯达到很。大多用于中大功率场合，可达 1000W 以上的输出功率。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

【参考文献】