LLC软开关电源地研究

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1、word分 类 号 密级 无 机车雨刮器LLC软开关电源的研究研 究 生 姓 名：皮松涛 指导教师、职称 ：文定都 教授学 科 专 业 ：电力电子与电力传动 研 究 方 向 ：现代电力电子技术与系统 湖 南 工 业 大 学2017年3月14日分 类 号 密级无机车雨刮器LLC软开关电源的研究Reach On The LLC Soft Switching Power Supply For Lootive Wiper研 究 生 姓 名：皮松涛指导教师、职称：文定都 教授学 科 专 业：电力电子与电力传动研 究 方 向：现代电力电子技术与系统论文辩论日期 辩论委员会主席湖 南 工 业 大 学2017

2、年3月14日 工业大学学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进展研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当。作者签名：日期： 年 月 日工业大学论文使用授权书本人了解工业大学有关保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或局部容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或省有关部门规定送交学位论文。作者签名： 导师签名

3、：日期： 年 月 68 / 75摘要随着现代运输业的开展以与铁路电气化的大量普与，电力机车的应用越来越广泛。机车雨刮器是电力机车一个重要组成部件，直接影响司机前方的视野，目前雨刮器普遍存在故障率高、不稳定的问题，将给机车运行造成安全隐患。本文所研究设计的DC110/DC24V软开关电源应用于采用24V普通直流电机的机车雨刮器。传统的机车雨刮器采用的电机是两台100W的110V非标准直流电机，所以雨刮器电机的本钱比拟高。本文设计了一种24V/200W的LLC软开关电源，适用于采用两台24V的普通电机的雨刮器，这样极大的降低了雨刮器电机的本钱，具有极高的研究价值与意义。电源采用了LLC谐振软开关的

4、结构提高电源效率，输出级采用了同步整流技术，较之传统的肖特基二极管SBD或快恢复二极管FRD整流，采用同步整流技术的开关电源的开关损耗极低，大大提高了整机的效率。同时，机车雨刮器的维护也是机车维护的重点，本文所设计的电源体积小易于实现模块化，电源具有自我保护功能、安全系数高、安装更换方便等优点。文章对设计的雨刮器电源拓扑结构的原理进展了详细分析，尤其对LLC谐振变换器主电路局部和驱动电路局部进展了优化设计，对主要参数，如变压器、谐振腔、采样电路等参数进展了详细的计算，从而使样机各项参数达到最优，应用Altium Designer Winter 09进展样机原理图和PCB的设计,然后调试样机，最

5、后对样机进展波形测试，从测试波形和数据可知，样机开关损耗低，效率高，性能指标达到预期效果。结合以上的工作，本文设计的基于TEA1716的DC110/DC24V的200W软开关电源，具有明显的优越性，有着良好的市场应用前景。关键词：机车雨刮器，软开关，LLC，同步整流，TEA1716AbstractWith the development of modern transportation industry and the popularization of railway electrication, the application of electric lootive is more and

6、 more extensive. Lootive wiper is an important ponent of electric lootive, it impact on the front of the driver,s vision. The current wiper generally have high failture rate、instability、low efficiency.The Power Supply is design in this thesis, which adapt to the lootive wiper, which use the DC24V mo

7、tor. It has high value and significance. The traditional rain wiper in lootive use two DC110V motor, so the cost is very high. We design a kind of Power Supply in order to adapt to the lootive wiper, which use two DC24V motor, so it greatly reduce the cost of rain wiper. The Power Supply in this the

8、sis use the LLC Soft Switch and Synchronous Rectifier technology, so the efficiency of the Power Supply in this thesis is very high. At the same time, the maintenance of the lootive is also a key point of lootive maintenance. The Power Supply in this thesis use two ordinary DC24V motor , it has self

9、-protect function, so it has the advantage of simple the maintenance of the rain wiper. In this thesis, We analyzed the principle of the Power Supply which we designed, especially the structure of the LLC, We use the AD 09 designing the PCB, debugging the prototype, especially debugging the paramete

10、r of the LLC. Finally we test the waveform of the prototype.Most of the traditional DC/DC Power Supply use the diode rectifier, so it need a large radiator to dissipation the heat, the Power Supply in this thesis not use the LLC Soft Switch technology, but also use the Synchronous Rectification tech

11、nology, pared with the traditional Power Supply use diode rectifier, the Power Supply in this thesis has lower switch loss and has greatly efficiency.Based on the above work, a kind of 200W Power Supply which based on the chip of TEA1716 has designed. Through test and analysis it achieved the expect

12、ed effect and has a good market prospect.Keyword: Soft Switching, LLC, Synchronous Rectification目录摘要IAbstractII目录IV第一章 绪论111.2 机车雨刮器研究的现状与开展趋势21.3 软开关电源开展现状和趋势221.3.2 软开关和硬开关的概念41.3.3 软开关开展的趋势51.4 同步整流技术79第二章 系统总体方案与原理112.1 系统总体方案112.2 BOOST升压模块拓扑结构和原理分析12132.3.1 DC/DC软开关变换器的几种常用结构132.3.2 LLC谐振变换器16

13、2.4 SR同步整流原理分析182.4.1 SR同步整流降低整流损耗的原理182.4.2 全波SR同步整流原理192.5 本章小结20第三章 LLC电源系统分析与设计2121223.2.1 串联LLC的电路结构223.2.2 串联LLC谐振腔等效模型的增益分析23253.2.4 串联LLC谐振腔参数设计的相关因素323.3 LLC磁元件设计333.3.1 串联LLC变压器设计333.3.2 谐振电感器Lr和谐振电容Cr参数设计353.3.3 前级BOOST电感设计363.3.4 磁元件绕制工艺和损耗分析373.4 LLC谐振腔参数仿真分析393.5 LLC输出级的同步整流电路设计413.5.1

14、 LLC两种自驱型同步整流的缺点分析413.5.2 基于TEA1995的它驱型同步整流器的设计423.6 电源电路总体结构方案433.7 本章小结43第四章 系统硬件设计与样机测试444.1 辅助电源设计444.2 样机整机原理图设计和介绍454.3 样机PCB和实物介绍474.4 样机测试波形分析494.4.1 BOOST电路测试波形分析494.4.2 LLC变换器波形分析504.4.3 同步整流电路波形分析554.4.4 样机效率测试564.5 本章小结57第五章 总结与展望585.1 总结585.2 展望58参考文献59附图1 电源整机原理图63附图2 电源PCB图64附图3 样机实物图

15、65攻读学位期间主要的研究成果66致谢67第一章 绪论我国人口众多铁路运输是最主要的出行方式，由于我国特殊国情，外出务工人员流动性大，物资周转频繁，铁路运输已成为我国交通运输体系的重要组成局部，在国民经济中占有重要地位1-3。我国最早的铁路始于清朝末期，牵引机车4的制造如此是在新中国成立之后，最开始牵引机车是仿制国外引进的蒸汽机车，但由于蒸汽机车存在牵引动力不足的缺点，后来逐渐被燃机车取代，直到1958年我国第一台燃机车问世，由机车厂仿制前苏联的T3型燃机车成功，这就是我国的“巨龙号机车。燃机车经过不断改良，以后又出现了“东方红型、“型以与时速达120公里/小时的“东风4型燃机车。由于燃机运行

16、需要消耗燃料，会产生大量的废气，给环境造成严重的空气污染，不仅给本来燃油缺乏的国家带来巨大的经济压力，而且也给环境造成极大的破坏，不符合我国可持续开展的国情，于是电力机车在我国得到蓬勃开展。电力机车所需的电能由电气化铁路系统提供，是一种非自带能源的机车。电力机车与燃机车相比具有功率大、过载能力强、牵引力大、速度快和维修量少的优点。电力机车是铁路运输的动力之源，依靠电能使其运行的机车，我国电气化铁道采用单相25kV供电系统，电力机车通过车顶的受电弓从接触网获得电能。1958年我国成功研制了第一辆“韶山型电力机车，经过近60年的开展，目前的电机机车具有安全可靠，快捷方便，运量大，环保低碳等诸多优点

17、，最具代表性的诸如“和谐号电力机车已经在我国铁路得到普遍应用。电机机车与传统的燃机相比具有显著的优势，但也有它本身的局限性，主要表现在电力机车对电力能源的依赖性，如果铁路上的电力电网受到人为破坏，电力机车就不能运行。同时机载电气设备是电力机车重要组成局部，电力机车需要将电网电能整流、逆变后供机车上各个电气设备工作，由于电力机车上电气设备很多，各个设备的安全性能直接或间接影响到机车的安全运行5-6，所以对机车电气设备的可靠性和安全性的研究越来越多。机车雨刮器是电力机车的一个重要组成局部，雨刮器的好坏直接影响到列车驾驶员的视野，如果遇到恶劣的天气，比如大雨、风沙等，如果雨刮器不能正常工作将给机车运

18、行造成极大的安全隐患。其次雨刮器的维修直接影响到机车的调度，传统的雨刮器存在故障率高的缺点，因此研究一款可靠性高、易于维护的雨刮器设备也是铁路系统的一个研究方向。1.2 机车雨刮器研究的现状与开展趋势机车雨刮器分为气动式和电动式两种，气动式雨刮器是用气压推动雨刮器气缸活塞往复运动，由于活塞和气缸存在机械摩擦因而故障率极高。机车用电动式雨刮器与汽车雨刮器结构相似，都是用电源驱动雨刮器电机进展工作，但与汽车雨刮器工作的电压条件不同。汽车上用于驱动雨刮器电机是24V或48V蓄电池电源，所用的电机是24V或48V直流电机；而机车由于需要长时间运行，如果遇到恶劣的天气，雨刮器需要一直工作，所以需要的雨刮

19、器的功率更大、可靠性更高，采用的是两台特制的110V非标准直流电机，所以本钱高。这种雨刮器的电源有两种：一种是采用MOS管控制110V直流电机，这种结构的雨刮器MOS管易烧毁，由于雨刮器电机直接连接机车110V直流电源，一旦出现故障比如雨刮器被异物堵住，电机停转等很容易烧坏其它电路，造成极大的安全隐患；另一种是通过继电器控制雨刮器连接到机车110V电源使其工作，但继电器本身触点容易烧坏，尤其在开机瞬间出现大电流，很容易造成触点连接在一起无法弹开恢复，因此这种结构的雨刮器安全系数也不高。如果机车雨刮器采用和汽车雨刮器结构一样，电机采用普通的24V直流电机，雨刮器工作的电源不直接用机车110V直流

20、电源，而是单独的用一个DC/DC电源将机车110V直流电转换成雨刮器用的24V直流电源，这样可以极大的降低雨刮器电机的本钱7，使雨刮器更容易维护更换。这种方案的雨刮器，由于没有直接与机车上110V电源连接，即使出现故障，也不会影响到机车的电源系统。未来的雨刮器一定是朝着可靠性更高的、维护更容易的方向开展。本课题研究一种机车上110V/24V电源，适配给采用24V普通直流电机的雨刮器。电源具有自我保护功能，由于采用的是24V普通直流电机，这种结构的雨刮器易于更换和维护，体积更小。即使雨刮器电机出现故障停转或是其他机械故障，雨刮器电源都会自动关闭，这样不仅保护雨刮器本身，而且不会对机车上其他设备和

21、线路构成影响，具有极高的可靠性和安全性。1.3 软开关电源开展现状和趋势开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管导通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，电源技术是一种综合了电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术8。开关电源种类很多，按照工作电压一般分为AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、AC/DC/AC开关电源以与DC/AC、DC/AC/DC开关电源等。可以形象的称开关电源是将“粗电变为“精电的设备，因为在许多电气设备中，额定工作电压是有要求的，市电不能直接供电气设备使用，必须通过开关电源将电压或电流变换后适配给电气设备使用。电源是各种电气设备的心脏

22、，电源对现代通信、电子仪器、计算机起着至关重要的作用，研发高质量、高可靠性、高效率的电源有着深远的意义。电源技术如今已是非常根底的科学，各种电气设备都离不开电源，从日常生活到尖端的科学。开关电源与线性电源相比具有体积小、重量轻、功耗低、功率密度大、使用方便等诸多优点，尤其是在需要低压大电流的应用场合，开关电源的优势极为显著，但开关电源的控制电路结构复杂，输出电压纹波和开关噪声比拟大，因此开关电源的应用也受到一定的限制。开关电源自1955年问世以来，已经逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源，到了20世纪80年代，由于高频磁材料和软开关技术的研究，使得功率变换器的性能更好、重量更轻，功率密度更大

23、9-11。90年代末期由于同步整流技术的成熟，开关电源技术得到了飞跃式的开展，采用同步整流技术后开关电源的开关损耗极低，如今同步整流技术已被电源研发工程师普遍承受。开关电源一种通过PWM控制电路产生PWM信号控制功率管的开通和关断从而实现整个电路的功能，另一种是通过PFM控制电路实现对电路的控制，一般采用PWM控制方式的比拟多12。开关电源的核心控制单元已经实现集成化，1997年国外首先研制成功了PWM控制芯片，之后美国的摩托罗拉公司、尤尼特德公司Unitrode也推出了自己的PWM控制芯片，进入21世纪后，美国国家半导体公司研发出了开关频率高达1MHz的高速PWM、PFM脉冲频率调制芯片，典

24、型的有UC3842、UC3845等。开关电源的核心器件是功率半导体，早期的开关电源采用双极性晶体管BJT作为功率开关管，由于双极性晶体管高频特性差，因此采用双极性晶体管的开关电源一般开关频率不超过100kHz，随着半导体技术的飞速开展，绝缘栅双极性晶体管MOSFET逐渐取代了双极性晶体管BJT，采用MOSFET的开关电源的开关频率可达几百kHz，效率得到了大大的提高,普遍被应用在各种电源中。由于技术的限制，早期的开关电源所采用的功率器件多为功率晶体管，但由于功率晶体管的导电方式为多子导电，所以早期的开关电源的开关频率很低，只有几十kHz，开关电源的效率低，功率多在几百瓦以，而采用MOSFET作

25、为开关器件的开关电源的开关频率能够高达上MHz，功率可达几千瓦，随着MOSFET工艺的进步，MOSFET的耐压和额定电流也得到大幅度提升，如今在几百瓦级别的开关电源中，普遍采用耐压值在1000V以上，额定电流10A以上的MOSFET，在某些TO-220封装的MOSFET中，额定电流甚至高达14A、耐压高达800V；在某些TO-247封装的MOSFET中，额定电流有高达100A的用于同步整流的特殊一类的MOSFET。从开关管所承受的应力来看，开关电源分为硬开关电源和软开关电源。为了提高开关电源的效率，必须提高开关电源的频率，对于频率高于500kHz以上的开关电源，可在电源中增加谐振电路，让电路发

26、生谐振，使电路中电压或电流波形发生改变，这样可以大大降低开关管的应力，这总工作方式称为谐振式软开关电源。当电路发生谐振时，开关器件上的电压波形将呈现正弦规律变化，从而为开关器件实现软开关创造条件，按照谐振电路在电路中连接的方式，谐振式软开关分为串联谐振变换器和并联谐振变换器以与串并联谐振变换器三种。如果将LC电路以串联的方式再与功率变换器的变压器连接，这种电源结构叫做串联谐振变换器，串联谐振变换器在三种变换器中结构最简单，最容易实现；如果LC电路以并联的方式再与功率变换器的变压器连接，这种电源结构叫做并联谐振变换器，在并联谐振变换器中，是将LC电路的电容与变压器原边并联，所以称为并联谐振变换器

27、；如果LC电路既有电容与变压器相并联又有电容串联在电路，这样的电路结构就叫做串并联谐振变换器，在串并联谐振变换器中，谐振频率不是固定的，按照电路的负载和具体的工作状态，谐振变化器将有多个谐振频率，在具体的设计过程中可以根据负载特性设计与之相匹配的谐振参数。1.3.2 软开关和硬开关的概念 在分析开关电源的原理时，往往把开关器件当做理想的器件，认为开关器件的导通和关断的过程是瞬间完成的，但在实际中，开关器件不是理想的器件，比如MOS管具有米勒效应，MOS管的导通需要给结电容充电到一定电压值才能完全实现导通，因此MOS管作为开关器件，其导通和关断具有一定的延时。图1-1硬开关的电流电压波形图图1-

28、2软开关电流电压波形图如图1-1所示,在硬开关中，MOS管导通时，流过MOS中的电流ids1会经过一段时间t1t2从零达到一定值，同时MOS漏极和源极两端电压Vds1会经过一段时间从一定值下降到零；在MOS关断时，MOS中流过的电流ids1会经过一段时间t3t4从一定值下降到零，MOS漏极和源极两端电压Vds1会经过一段时间从零上升到一定值；这样在电压波形和电流波形会交叉重叠，阴影局部，这一时间段，开关管MOS就如同电阻一样，产生损耗，这个损耗叫做开关损耗，工作在这种状态的开关叫做硬开关。软开关的特性如图1-2所示，当MOS管导通时，漏极电压Vds2在t1时刻下降到零值之后，MOS管中的电流i

29、ds2才在t2时刻从零上升到一定；当MOS官关断时，漏极电压先下降到零，然后电流从零上升到一定值，电压波形和电流波形不会有重叠区，这样MOS管的损耗大大降低，工作在这种状态的开关叫做软开关。1.3.3 软开关开展的趋势软开关的种类很多，目前应用最多的是在电路中增加辅助谐振电路使电路发生谐振，改变开关管两端的电压波形或改变流过开关管中的电流从而实现软开关。较为成熟的软开关以谐振式软开关为主，如QR反激准谐振、ZCT零电流变换器、ZVT零电压变换器和LLC等。采用软开关技术的电源相比硬开关具有明显优势，新的软开关拓扑结构也在不断出现，开关频率也在不断增加，当开关频率增加到一定程度，谐振电路中将产生

30、较大的谐振能量，这时电路的电路损耗将变得明显，为了既保存电路中零转换的谐振网络又减小谐振网络的谐振能量，新一代的软开关将是结合诸多软开关优点形成组合形式的软开关，根本原理是通过引入辅助开关管实现主管的软开通关断，主管的软关断开通由谐振网络实现，辅管的软开通或关断由谐振网络完成，这种结构的软开关可以任意组合。现代软开关电源开展趋势主要有：1开关频率高频化如果DC/DC变换器能够做到高频化，如此变压器磁芯的利用率将得到极大提高，如此电源的体积将会减小、重量将会减轻。现在的小功率DC/DC开关电源，普遍的开关频率只有几百kHz，在一些特殊的特种电源中，其开关频率达到几千kHz是很普遍的，但是较高的开

31、关频率会使开关电源存在开关损耗损耗增大，同时也会带来电磁辐射EMC等问题。2电源的高效率高频化的开展使DC/DC变换器的损耗变大，但是高效率是电源必须保证的指标，尤其在航空航天等相关领域，电源的效率将显得至关重要。随着软开关技术的开展与应用，可以保证DC/DC变换器在工作频率高频化的同时也能够保证电源具有较高的效率。3电源的低压大电流传输如今某些高速工作系统需要瞬时传输较大能量，故其需提供很大的电流，比如电脑微处理器需要在低压3.3V条件下同时需要较大电流，为降低电路中IC的功耗，必须尽可能的降低IC的工作电压，某些特殊的电源需要输出电压降到3.3V以下，甚至电压下降到1V，电脑微处理器启动停

32、机频繁，经常需要从休眠模式进入启动状态，然后进入工作模式，所以电源需要输出电流从零能够突变到几十安或从几十安突变到零，电源的电流变化率要求达到5A/ns，所以必须保证开关电源中的开关器件需快速响应，在低压大电流的条件下开关损耗在可承受的围，同时尽量不同散热器，同步整流技术可以保证电源的输出级在低压大电流的条件下具有很高的效率。4开关电源的低噪声与线性电源相比，开关电源工作时本身噪声很大，尤其在工作频率很高的条件下，噪声也会变大。在军事领域，如果电源的开关噪声很高，会极大的削弱装备的隐身性。在实际应用中即采用谐振变换器，电源仍然存在不可消除的噪声，研究开关噪声更低的电源将是今后电源研究的热点。5

33、数字化信号控制随着现代数字信号处理技术越来越普与13-14，基于数字信号处理DSP的控制技术不断地开展，相对于采用模拟信号处理的控制技术其具有简单、准确度高与易实现等诸多优点15-17，可以将电源中诸多控制模块用一枚DSP芯片实现，这样大大简化了电路硬件设计，基于数字信号处理DSP的开关电源将是今后电源开展的一个方向。6寻找省略滤波电容的可能性开关电源的输出电压纹波随着负载的变化而改变，尤其在负载急变或突变时纹波电压变化非常大，通常来说，纹波电压可通过反应电路进展改善，LC滤波电路也对纹波的改善起到至关重要的作用，滤波电容越大，纹波越小，但更大的滤波电容不仅意味着开关电源的本钱的增加，而且带来

34、了开关电源体积的增大，如果变压器输出绕组采用中心抽头的结构，每个副边半绕组通过半波整流后加在负载上可以有效的改善输出电压纹波，这样可以降低了对滤波电容容量的要求，如果在此根底上进一步降低输出电压纹波，一种方法可以尝试多相开关方式，等效于提高开关频率进而降低对电容的要求；另一种方法可以通过采用电气双层电容滤波器来改善电压纹波，这两个方向将是以后的开展方向。7分布式电源在需要多路输出的电源中，传统的方式是采用变压器多输出绕组的方式，每个独立的绕组整流后得到不同的输出电压，虽然这种方法简单有效，但是对于更多要求的输出电压就意味着更多的独立绕组，就必然带来变压器体积的增加，而且随着绕组的增加，绕组之间

35、的干扰不可防止，其中一个绕组上负载的改变会影响另一个绕组或其他绕组的输出电压的变化，如果采用分布式电源能够有效的减小多路输出时绕组之间的干扰，分布式电源是通过假如干个DC/DC变换器把母线上主电压变换到所需要的一系列电压，在分布式电源中，一般DC/DC变换器的效率都高达90%，功率密度高达100W/in3，分布式电源适用于高速集成电路中，具有可靠性高，扩展性强的优点，即使某一个DC/DC变换器模块出现故障也不会影响到其他模块的工作，易于实现模块化，可以实现在线更换故障失效的模块。8高性能碳化硅SiC功率半导体器件在20世纪70年代以前，电源的开关器件是功率晶体管BJT和中小电流的晶闸管SCR，

36、由于晶体管和晶闸管的结构特点，早期的电源的开关频率最多只有几十kHz，由于开关器件的限制，严重制约着电源功率的提高，自1976年MOSFET开发成功以来，半导体工艺的技术的飞速开展，MOSFET性能不断提高，以后又开发出了功率更大的IGBT，如今的MOSFET和IGBT已经根本取代了功率晶体管和晶闸管，MOSFET的工作频率可高达500kHz，如今的功率半导体器件的水平超过了预测水平，比如IGBT的电压、电流额定值可达到3300V，1200A；MOSFET的电压、电流额定值可达到500V，240A甚至更高。但是功率半导体器件的水平远远不会停留在此，它的理想晶片是采用碳化硅SiC材料，采用碳化硅

37、材料的MOSFET的导通电阻极低，仅有几十毫欧，而且耐压更高，但是碳化硅器件形成实用化还需要一定时间。1.4 同步整流技术开关电源中整流器件主要有快恢复二极管FRD、超快恢复二极管UFRD、肖特基二极管SBD和同步整流MOSSR管，作为现代开关电源的整流器件，应该具有整流损耗低、压降小、额定电流大等相关条件，传统的开关电源中采用快恢复二极管、超快恢复二极管和肖特基整流的较多，在一般要求的电源中根本能满足要求。几种传统的整流器件简介如下：1快恢复二极管FRD这种二极管当加在PN结两端的电压相位反向时，能迅速从导通状态进入关断状态、或从关断状态进入导通状态的二极管，反向恢复时间小于1s，一般用在开

38、关频率只有几十kHz较低的电源中。2超快恢复二极管UFRD这种二极管的反向恢复时间比快恢复二极管更小，一般小于50ns，这种二极管的PN结通态压降低，结电容小，在高温下运行也可以安全可靠。3肖特基二极管SBD肖特基二极管不是由PN结构成的，而是由金属和半导体接触面的势垒起整流作用的二极管，肖特基二极管的反向恢复时间比超快恢复二极管更小，只有约10ns，并且肖特基二极管的通态压降只有PN结二极管的1/3，采用肖特基作为整流器件，其整流损耗更低，广泛应用在整流电流不太大的电源中。4同步整流MOS管SR同步整流MOS管是一种特殊工艺的MOS管，这种MOS管最大的特点是通态电阻极低，一般只有几十毫欧，

39、用这种特性的MOS管做为整流器件的效率最高，尤其在低压大电流的应用场合优点显著，广泛应用在输出电流从10A至50A的各种开关电源中，对于输出电流更大的电源，需要额定电流更大的同步整流MOS管。传统的开关电源的输出级的整流器件大多采用如图1-3中的VD1、VD2整流二极管, 对于开关电源有些特殊的应用场合，尤其是在低压大电流时，由于所需要的输出电流的增大，整流器件VD1、VD2上产生的整流损耗将变得不可承受，如在5V/20A的电源，如果采用导通压降为0.3V的肖特基二极管SBD整流，消耗在肖特基整流管上功率为6W，这样极大增加了电源功耗、降低了电源的效率。因此采用导通电阻极低的MOSFET取代整

40、流二极管进展整流，如图1-4中的QS1、QS2，比如采用导通电阻仅为几毫欧的MOS管作为整流器件，这种电路的整流损耗要低得多18-20，效率得到显著提高。 图1-3整流二极管整流电路 图1-4同步整流电路同步整流技术很早就出现，但由于当时驱动技术不够成熟，造成同步整流器的可靠性不高，在相当长的一段时间里面开关电源仍然采用快恢复二极FRD和肖特基二极管SBD整流，经过近几年的开展，同步整流技术日渐成熟，诞生出了很多同步整流电路和同步整流控制器，使得同步整流技术广泛应用于现代开关电源中。用MOSFET做整流器时，必须有驱动信号控制MOSFET的导通和关断，只有栅极的驱动信号的电压相位与被整流电压相

41、位同相才能完成同步整流，所以称为同步整流。按照驱动信号分类，同步整流可分为自驱式同步整流和它驱式同步整流，根据不同的电源结构，所采用的同步整流也不尽一样。按照同步整流电路的驱动方式不同，可以分为自驱式同步整路、它驱式同步整流两大类，自驱式又分为电流自驱式和电压自驱式两种。电压自驱式同步整流是指同步整流管的栅极直接连接在变压器输出绕组的某一端，依靠变压器副边绕组的感应电压作为同步整流MOS管栅极的驱动信号，如图3-25就是电压型自驱式同步整流，这种结构的同步整流虽然结构简单，但有很大缺点：不同的拓扑结构，同步整流管栅极的连接方式也不同，尤其在正激变换器中，同步整流管的驱动信号与变压器的磁复位时间

42、有关；电压自驱方式的同步整流输出电压受到一定限制，一般不超过20V，由于同步整流MOS管的栅极直接连接在变压器副边，如果副边感应电压太高将会损坏同步整流管。电流型自驱同步整流技术很早就出现，但由于当时技术不够成熟，直到近些年才逐渐被应用在电源中，电流型自驱同步整流的MOS管的栅极和源极连接在变压器独立的辅助绕组上，MOS管的漏极连接在变压器副边的主绕组上，当这种结构的同步整流电路工作时，辅助绕组不仅为同步整流管提供驱动电压，而且还具有能量回馈作用，辅助绕组中的感应电压可以通过同步整流MOS管释放给负载，所以电流型自驱同步整流要优于电压型自驱同步整流。但电流型同步整流的驱动的辅助绕组在不同的输出

43、电压中要求也不一样，因而变压器副边的设计较为复杂。它驱式同步整流是指同步整流管的栅极电压由专门的电路控制，控制电路可由分立元件构成也可由专用的IC控制，如图3-26就是一种用分立元件构成的它驱式同步整流电路，图3-27是由专用控制IC构成的同步整流电路。它驱式同步整流电路具有更好的优越性，主要表现在其驱动电压信号不受输出电压的影响，并且驱动信号能够跟踪被整流电压信号的相位控制整流管准确的导通和关断，尤其在开关频率较高的电源中，它驱式同步整流电路的优点更显著，在电压型同步整流电路由于在开关频率较高的条件下，变压器副边绕组的寄生电感和寄生电容的影响，副边和用于驱动MOS管的辅助绕组的感应电压会发生

44、畸变，会导致同步整流MOS管不能准确的导通和关断，整流管会发生误导通的情况，这样不仅不能降低整流损耗，反而会带来更大的开关损耗，因此在开关频率较高的电源中，一般都采用它驱式同步整流。随着半导体工艺的开展，目前诞生了诸多用于同步整流的专用控制IC，如用于反激同步整流的TEA1761、用于LLC同步整流的TEA1995等。在实际应用中，可根据具体要求选择合理的驱动方式，比如在开关频率较低、输出电压不是很高的条件下选择电压型自驱方式可以极大的简化电路设计和降低本钱；在开关频率较高，输出电压在20V以上时采用专用同步控制IC设计同步整流电路不仅安全可靠，而且还可以降低设计难度。本文研究的主要容包括：1

45、系统总体方案设计，提出对传统机车雨刮器的改良方案；2分析各种软开关变换器的原理；3重点分析LLC变换器原理；4系统原理图和PCB设计；5LLC谐振腔参数的计算与设计；5样机的测试和分析。文章的根本结构：第一章：介绍了铁路机车的开展和机车雨刮器系统，分析了电力机车独特的运行特点和能源要求，分析了机车雨刮器对机车安全运行的重要性。针对目前传统的雨刮器系统的直流电机本钱高的问题提出用24V直流电机和相应的供电电源取代传统的110V直流电机的方案。第二章：对目前各种DC/DC电源拓扑结构做了详细分析，对各种软开关电路的结构和原理进展了分析，选用LLC变换器作为本课题所研究与设计的电源。第三章：对本课题

46、雨刮器功率级LLC电路的原理和相应的元件参数进展具体计算和设计，对电源的输出级的同步整流电路进展设计。第四章：对雨刮器LLC软开关电源的变压器的参数进展计算设计。第五章：对样机电源进展测试，并对测试的波形进展分析，并给出相应的结论。第二章 系统总体方案与原理2.1 系统总体方案本课题研究的机车雨刮器电源系统总体方案设计框图如图2-1所示。由图可以看出，本文设计的是一款恒压电源，输入DC110V，输出DC24V用以给雨刮器24V直流电机工作。电源由前级BOOST升压电路、功率级LLC变换器和输出级同步整流电路构成。为了解决LLC变换器在110V低电压条件下工作电流大的缺陷，LLC变换器前级增加了

47、BOOST升压电路21-22，机车电池组的110V直流电源首先经过BOOST升压电路后变成400V直流，然后给功率级LLC谐振变换器，这样在一样输出功率的条件下，LLC变换器的工作电流会大大减小。实际电路中，BOOST升压电路由一枚OB2269芯片控制，该BOOST电路包括电压反应电路和电流采样电路组成。图2-1机车雨刮器电源系统总体方案设计框图本课题研究的LLC谐振变换器采用谐振电感、电容串联的结构，由一枚专用LLC控制芯片TEA1716组成，LLC谐振变换器局部主要包括驱动电路、电流采样电路、电压采样电路和LLC谐振腔组成。LLC电路的开关管需要隔离驱动，控制芯片TEA1716部集成了隔离

48、驱动模块，只需要设计芯片的外围电路，因此大大降低了设计的难度。虽然集成了隔离驱动模块的芯片的驱动能力有限，但本课题设计的额定功率只有200W ,采用的开关管为TO-220封装的MOS管，该芯片的驱动能力是足够满足设计要求的，不需要额外增加驱动电路。电源的输出电路采用它驱式同步整流输出，由芯片TEA1995控制，开关管采用两枚导通电阻仅为0.077的IRF540，因此同步整流输出电路的开关损耗极低，这样大大提高电源的效率23-25。电路还设计了辅助电源，一个作用是通过机械开关连接控制芯片的使能引脚到辅助电源，进而控制雨刮器工作；当不需要雨刮器工作时，机械开关不会将芯片使能引脚连接到辅助电源，电源

49、处于待机模式，当需要雨刮器工作时，机械开关将芯片使能引脚连接到辅助电源，雨刮器开始工作。辅助电源的另一个作用是为了保证芯片具有足够的驱动能力，辅助电源为LLC控制芯片和BOOST电路控制芯片的电源。2.2 BOOST升压模块拓扑结构和原理分析BOOST变换器又称为升压变换器26-27，如图2-2所示，电路由开关管S、电感L、整流二极管VD和电容Co构成，简化的结构示意图如图2-3，当开关位置在a时，如图2-4所示,流过电感L的电流线性增大，电能以磁能形式储存在电感L中，电容Co向负载提供能量，当开关位置在b时，如图2-5所示；由于磁能不能突变，电感上产生一个左负右正的感应电压UL，UL与输入电

50、压Uin串联后的电压将高于输出电压Uo，此时整流二极管VD导通，电感能量一局部给电容Co充电，另一局部给负载Ro提供能量，由于输出电压高于输入电压所以也叫升压变换器。图2-2 BOOST电路图 图2-3 BOOST电路简化图图2-4开关位于a时简化图 图2-5开关位于b时简化图流过BOOST电感的电流为iL，按照iL在每周期开始时是否为零可以分为连续模式CCM28-29和断续模式DCM30-31。图2-6 CCM模式电感电流波形图 图2-7 DCM模式电感电流波形图在开关S导通时间ton里,电感电流iL线性上升，一直到t1时刻达到最大值ia，如图2-6所示，在开关S关断时间toff电感电流逐渐

51、下降，如果电流下降的初始值也是ia，就是连续模式CCM，连续模式时电路中电流不是脉动的，而是有纹波的、不连续的电流，电流纹波随电感量增大而减小。如果电感量太小，在开关S关断时间toff里电流iL下降很快，电感能量很快释放完，如图2-7所示，在下一个开关周期到来之前，电感电流已经下降到零，电流将出现不连续的状态，这就是断续模式DCM，在断续模式时，电路中电流是脉动的、连续的，当电感能量释放完毕后由电容Co向负载释放能量，此时输出电压Uo会有很大的纹波，如果需要减小纹波需要较大的电容Co才能满足要求。如果开关信号的占空比为D，输出电压Uo与输入电压Uin满足： 2-1 2-2上式可见，在BOOST

52、电路中，不同的输出电压开关信号的占空比D也不同,由于输出电压Uo大于输入电压Uin，从式2-1看出升压电路占空比D大于50%。上世纪60年代开始得到开展的PWM功率变换技术是一种硬开关技术，硬开关是指开关器件在开通或关断期间，开关器件上的电压或电流不等于零，即强迫器件在其电压不为零时开通或电流不为零时关断，会造成极大的开关损耗。开关频率越高，开关损耗越大32-34。为了提高电源在高频下高效的运行，国外电力电子界自上世纪70年代以来不断研究开发高频软开关技术，所谓“软开关是零电压开关ZVS和零电流开关ZCS的简写。软开关技术是通过在电路中添加谐振网络35-36，使开关器件中的电流或电压按正弦规律

53、变化。软开关最理想的工作方式是：在开关管导通时，开关管所承受的电压先下降到零，然后电流缓慢上升到通态值；在开关管关断时，流过开关管的电流先下降到零，然后让开关管所承受的电压上升到稳态值，这样开关管的开关损耗最小。根据电路原理可以在电路中引入电感、电容串联或并联构成谐振网络，使变换器在输入为直流电压下电路发生谐振，改变电路电压或电流波形，从而实现软开关。2.3.1 DC/DC软开关变换器的几种常用结构软开关有多种分类，大致分为三大类：谐振变换器、有源嵌位ZVS变换器、以与一大类零开关-脉宽调制变换器。目前应用较多的软开关变换器主要有以下几种：1无源软开关变换器根据电源的拓扑结构特点可将谐振技术应

54、用到开关电源，采用BOSST的无源无损软开关变换器电路结构如图2-8所示。图2-8 BOSST无源无损软开关变换器电路结构图无源无损软开关变换器是在BOOST根本电路根底上附加了一个子电路37-39，子电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和三个二极管VD1、VD2和VD3，其中Cs为开关管S提供零电压关断的条件，当开关管S关断时，电感L中的电流经过VD1向Cs充电，S的关断过程为软关断，Lr和Cr组成谐振网络，发生谐振时为开挂管S的开通创造零电压导通的条件。该电路结构简单易实现，广泛应用于非隔离式的升压电路中。2QR反激准谐振变换器QR反激准谐振变换器是出现最早也是技术最成熟的一款隔离式反激软开

55、关变换器，其特点是在反激电路的根底上中增加谐振电感Lr和谐振电容Cr使电路发生谐振，QR准谐振变换器在工作时变换器中的电流为正弦波，因此被称为QR准谐振变换器40-42。准谐振变换器的拓扑结构如图2-9所示，图中Lp为反激变压器T原边绕组，Lr为引入的谐振电感，Cr为谐振电容，实际电路中由于变压器存在漏感，Lr通常被变压器T的漏感代替而不用额外引入谐振电感，Cr通常由MOSFET开关管S的结电容取代，电路工作时，反激变压器原边Lp、谐振电感Lr、谐振电容Cr发生谐振，使流过开关管S的电流呈正弦波形，开关管S的导通和关断的驱动信号由专用的QR准谐振控制芯片控制，使得开关管S的每次导通都发生在谐振

56、电流的零点附近，极大的降低了开关损耗。图2-9 QR反激准谐振电路图 图2-10 QR反激准谐振Vds波形图图2-10是工作在DCM模式下的开关管S的漏源电压Vds波形，图中可以看出，当S断开后，Vds首先经过t2t3一小段时间震荡然后达到固定值，此时变压器副边向负载提供能量，到t4时刻副边绕组能量释放完毕，t4t5时间段Lr和Cr发生谐振，Vds电压呈正弦波震荡，如果让开关管S在震荡电压的最低点Udsmin处导通，此时即使无法完全实现零电压导通，但由于此时开关管S的漏极电压已经下降到一个极小值，所以这种结构可以在很大程度上降低开关管S的损耗，这就是QR反激准谐振的工作原理。这种电路的优点是结

57、构简单调试方便，实际电路中可以用变压器的漏感直接做为谐振电感Lr，开关管S的结电容Cr作为谐振电容，大大简化了设计，该电路防止了电压电流波形的峰值出现在同一时刻，但这种电路的缺点是在不同的负载条件下，电路的谐振状态不一样，尤其在重载条件下，电路很容易工作在硬开关状态。3ZVT-PWM变换器ZVT-PWM变换器又叫做零电压变换器43-44，该结构的变换器一般多用于非隔离式DC/DC变换器中，如图2-11所以，电路除了普通的BOOST升压电路外，还引入了辅开关S1、谐振电感Lr和振电容Cr，电路的工作原理是在每次主开关S导通之前，使辅开关S1先导通一小段时间，谐振网络Cr和Lr谐振，主开关并联在谐

58、振电容Cr两端，ZVT-PWM 变换器的工作原理是每次主开关S的导通都发生在谐振电容Cr两端电压为零的时刻，这样的电路结构可以减小主开关S在导通时的电压应力，在主开关管S关断之后辅开关S1再次导通一段极小时间，电流流入谐振网络实现了主开关的零电流关断，这种电路结构实现了零电压导通和零电流关断，大大降低了主开关S损耗45-46。该电路的缺点是谐振网络参数设计困难，主开关S和辅开关S1的驱动信号控制较为困难，由于这种结构的主开关S是并联在谐振网络两端，辅开关S1的仍然是硬开关，该电路的损耗主要是消耗在辅开关S1上。图2-11 ZVT-PWM变换器结构图4ZCT-PWM变换器ZCT-PWM变换器又称

59、为零电流变换器47-48，如图2-12所示，这种结构的电路除了普通的BOOST电路外，同ZVT-PWM变换器一样同样引入了辅助开关管S1、谐振电感Lr、谐振电容Cr，与ZVT-PWM变换器不同的是主管S串联在谐振网络中。当主管关断之前让辅管导通一小段时间，此时电流流入谐振网络通过谐振电感Lr、谐振电容Cr、主管S、辅管S1的串联回路发生谐振，当谐振电流过零时使主管和辅管关断，这样同时实现了主管和辅管的零电流关断ZCT。在主管S导通之前又让辅管S1导通一小段时间，此时电流再次流入谐振网络发生谐振，当谐振电压达到最小值时再让主管导通，这样又实现了主管的近似于零电压导通，这种电路大大软化了主管的导通

60、和关断过程。这就是ZCT-PWM变换器。图2-12 ZCT-PWM变换器结构图该电路同样存在谐振网络参数设计困难，驱动信号控制复杂的缺点，这种结构的电路，由于辅管S1、谐振电感Lr、谐振电容Cr串联在一个支路上，不仅软化了主管的开通过程，同样也软化了主管的关断过程，因而这种结构较之与ZVT变换器具有一定优势。2.3.2 LLC谐振变换器LLC谐振变换器是谐振变换器中的一种，按照谐振电容在电路中的连接方式，分为并联LLC变换器、串联LLC变换器和串并联LLC变换器三种49-51，三种结构各有优点，其中串联LLC变化器结构最简单，应用最为广泛，本文研究的雨刮器电源的功率级将采用串联LLC的结构。串

61、联LLC变换的拓扑结构如图2-13所示，S1和S2为串联的开关管跨接在一起组成一个半桥，连接在输入电压Uin上，谐振电感Lr的一端连接在开关管S1的源极和开关管S2的漏极相连接的半桥中点N上，另一端连接在变压器T的原边绕组Lp上，谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器串联在电路中构成谐振腔，变压器的副边为带中心抽头的两个绕组Ls1和Ls2，每个绕组有独立的整流二级管VD1和VD2。当电路工作时，谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器原边绕组Lp会发生谐振，谐振腔两端电压Us的波形为方波，谐振腔中电流iLC的波形为正弦波。如果把负载Ro等效到变压器的原边，如此等效负载R与谐振回路串联，等效负载上的电压U

62、R与谐振频率有关，电路增益与谐振频率有关，Cr除了参与谐振，还起到将谐振腔工作电压Us中直流分量隔离开，防止变压器T磁饱和。串联LLC电路在稳态工作时，开关管S1和S2都工作在零电压开通ZVS的软开关模式，串联LLC变换器的开关管S1和S2互补导通；当S1开通时,S2关断,半桥中点N的电压Us等于输入电压Uin;当S1关断S2导通时，半桥中点N的电压Us等于零，因此半桥中点的电压改变的频率等于开挂管S1、S2的驱动信号的频率fs。图2-13 LLC谐振变换器结构图LLC变换器谐振腔电流随负载减轻而减小，该变换器有优点也有缺点，优点主要表现在变换器效率高，上管S1和下管S2都能实现零电压导通，尤

63、其在轻载时；缺点是谐振腔参数设计较为复杂，变换器在空载时输出电压不可调，重载时输出端储能电容Co要承受较大的脉动电流。串联LLC变换器有三个谐振单元，谐振电感Lr、变压器原边的励磁电感Lp和谐振电容Cr，因此存在两个两个不同的谐振频率，其中一个谐振频率fr由谐振电容Cr和谐振电感Lr发生谐振时产生： 2-3另一个谐振频率fm由谐振电容Cr、谐振电感Lr和变压器励磁电感Lp发生谐振时产生： 2-4实际电路中，变压器励磁绕组的电感量Lp要远远大于谐振电感的电感量Lr，在电路工作时，变压器励磁绕组在轻载时参与谐振，所以在串联LLC变换器的实际设计中，谐振腔的谐振频率一般按照公式2-3计算。 由于串联LLC变换器具有结构简单、高效率、高稳定性等诸多优点，因此这种结构广泛应用于电动汽车、