多路输出反激变换器的设计与实现文献综述

 2021-09-25 08:09

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文献综述

1.多路输出反激变换器研究的背景与意义

电源作为各种电子设备必不可少的重要组成部分,其性能优劣直接影响到整个电子系统的性能指标。随着科技的发展,电子设备不断更新换代,其种类越来越多,对电源的性能指标的要求越来越高,加之不同的电子设备对电源的要求又不尽相同,这样,给电源的研究带来了许多新的研究课题。

反激变换器实际上是在Buck-Boost变换器中插入隔离变压器而得到的,其中隔离变压器是个多绕组耦合电感,具有储能、变压和隔离的作用,因此,变换器的输出功率受到变换器储能的限制,只适合于小功率应用场合。但是,由于反激变换器具有使用元件少、成本低、结构简单等优点,在低成本、小模块空间、小功率应用场合非常受欢迎。在实际的应用中,由于本课题所研究变换器在高输入电压、大范围输入变化和多路输出的情况下,由于其本身的强非线性,研究反激变换器基于光耦隔离的反馈控制具有实际的工程应用价值。

随着经济不断发展和科学技术的进步,节约能源保护环境已被社会各界所重视。电源是节能的重要环节之一,电源经过电源技术与电力电子技术处理后,其节能效果显著提高。比如家用电子设备的待机损耗往往很容易被人们所忽视,其实这个耗电量非常惊人。据美国调查显示,这种损耗在美国每年损失大概35.64亿美元。德国环卫机构显示,在德国这样的损耗每年高达23.1亿美元,超过首都柏林一年总用电量。因此电源技术的进步是衡量一个国家科技发展的重要标志之一。

传统线性稳压电源的技术虽然比较成熟,并且已有大量集成化的稳压电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠性强等优点,但通常都需要体积大且笨的工频变压器和体积与重量都很大的滤波器,而且调整管工作在线性放大状态,导致了调整管的功耗较大、散热高、效率低。20世纪50年代,美国宇航局以体积小、重量轻、效率高为目标,为搭载火箭开发了开关电源。开关电源被誉为高效节能电源,它代表了稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。开关稳压器的出现,彻底改变了稳压器的稳压概念,开关电源是以功率半导体器件作为开关,通过控制开关管输出脉冲信号的占空比来调节输出电压。开关电源内部的关键器件工作在高频开关状态,其本身消耗的能量很低,因此机内温升也低,保证了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般的串联稳压电源允许电网波动范围为220V(110%),但开关型稳压电源可以适应电网电压在110V~260范围内的变化,并且可以获得稳定的输出电压。

目前,电力电子技术作为节能、自动化、智能化、机电一体化等技术的基础,正朝着硬件结构模块化、产品性能数字化、应用技术高频化的方向发展,开关电源的外部形状、内部结构都是由储能元件、磁性元器件等决定,所以开关电源的小型化就是要减小其中元器件的体积。并且在一定范围内,提高开关的频率,不仅有利于抑制干扰,改善性能,而且能有效减少电容、电感和变压器的尺寸,所以高频化是开关电源的主要开发重点之一

2.多路输出反激变换器国内外的研究现状

1955年美国科学家G.H.Royer首先研制了利用磁芯的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。随后世界各地运用这种技术,陆续研制出来各种形式晶体管直流变换器,取代了以前的机械振子式与旋转式换流设备。但是由于当时的电子技术落后,而不能研发出耐高压、开关转换速度快、高功率的开关晶体管,所以这个时期的开关电源只能采取低电压输入、低功率频率。20世纪60年代,随着微电子技术的高速发展,各种高电压、大电流的功率开关管相继出现了,所以直流变换器可以直接由电网电压经过整流、滤波后输入供电,体积庞大、重量笨重、效率低的工频降压变压器终于被弃用了。由于省掉了工频变压器,开关稳压电源真正走上了效率高、重量轻、体积小而备受青睐应用的道路。20世纪70年代,与这种技术有关的高频率、高电流的功率管,高频率、高温电容、快恢复的肖特二极管,高频变压器磁芯材料等元器件不断被研发、生产出来,使得开关电源不断得到完善与发展,被广泛应用于电子计算机、航天、航海、军事电子设备等领域,成为各种供电电源的佼佼者。

80年代初,意法半导体有限公司率先推出了L4960系列单片开关式稳压器。1994年美国动力公司在世界上首先成功研制三端隔离式脉宽调制型单片开关电源,被人们称为顶级开关电源,随后又推出了高效、低价位、小功率的四端单片开关电源TinySwitch系列。到2000年,美国国家半导体公司研制出高效率0.5ASimpleSwitchDC-DC转换器,其效率高达96%,能够适应低温运行,并且长寿命、小体积。而安森美半导体生产的微功率脉冲宽度调制器(PWM)的升压DC-DC变换器,可以节约百分之六十的封装体积,具有增强功能,可以降低手机、数码相机以致其他消费类手提产品的电源损耗。由此可见,开关电源技术发展迅速,日趋成熟。

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