超低压大电流开关功率变换器动态性能关键技术研究

以超低压大电流开关功率变换技术为基础的开关电源，作为计算机、通讯系统、手机等个人用品的供电单元，正向着低功耗、低成本、高功率密度模块化的方向发展。但仍难满足日益苛刻的动态性能要求。即：电源在输出约150A的大电流和1.5V到0.5V的超低电压前提下，还需同时满足负载电流大阶跃变化时的快速响应要求（瞬态升/降仅几十毫伏；恢复时间仅几十微秒）。本课题提出基于电容充放电平衡原理的控制算法，保证电源系统在负载电流出现阶跃变化时，在最短的时间内使电感电流和输出电压同时达到新的稳态值, 同时控制电压跌落/上升幅度最小,系统恢复时间最短，使系统达到最佳的动态性能，由此推广至多类DC-DC开关电源。这将为下一代节能环保快速响应型芯片电源的更新与发展奠定具有自主知识产权的理论和实验基础，为延伸和完善此类功率变换的系统理论、分析设计方法提供先进的平台，并培养出国际水平的研究梯队。 2100433B

随着开关功率变换器高频化和高功率密度的发展，磁性元件成为功率变换器进一步发展的瓶颈，其中磁芯损耗的测量和建模成为关键技术难题，也是磁性元件深入研究和优化应用的基础。 项目首先深入分析并揭示了高频磁芯损耗传统交流功率测量方法误差大一致性差的根本原因；提出了新测量方法—直流功率测量法，基本思想是通过一个DC/AC逆变装置将直流逆变为交流作为被测磁元件励磁源，而由直流侧输入功率获得被测磁元件损耗，从而克服了交流功率测量方法误差大的根本问题；进一步建立了逆变装置本身的多参数损耗精确模型，提出采用定标的方法有效扣除逆变装置的杂散损耗；设计研制了DSP控制的磁元件损耗测量的完整系统；为了获得准确的磁元件损耗，提出了比对量热计新方法，并建立了测试装置系统；通过与量热计法的对比，验证了提出的直流功率测量方法的有效性，进一步提出功率差值测量新方法以及施加高、低频复合励磁波形的新方案，可以测量有气隙磁元件的损耗；同时还提出了扣除被测磁元件绕组损耗从而获得磁芯损耗的有效新方法。验证表明，研发的测量装置在被测磁元件阻抗角89度下误差能控制在5%以内。以上各项成果解决了高频磁芯损耗，尤其是高、低频复合励磁下测量磁芯损耗的难题，测试方法和装置有望成为国际和国内标准。 项目在损耗测量研究和成果的基础上，通过大量的各种工况励磁下的测试，分析了包括磁密大小、频率、各种不同占空比PWM波形、直流偏磁以及高低频复合励磁等实际工况下各个因素对磁芯损耗的综合影响，结合磁芯损耗机理研究和分析，提出了新的磁芯损耗计算模型，可以计算磁芯在功率变换器各种复杂励磁工况下的磁芯损耗，与损耗测量结果较好吻合，为磁性元件损耗分析和优化设计提供了理论模型，有助于功率变换器产品效率和功率密度的提高。 成果包括撰写论文7篇，申请发明专利4项，直接培养博士生2名，硕士生4名，促进了磁性元件损耗测量方法的国际国内标准制定，得到国内外知名企业的重视和技术开发应用。

磁性元件对功率变换器的效率、功率密度和可靠性具有重要影响。现有磁芯损耗测量技术对高阻抗角的高频低损耗磁芯存在难以避免的很大固有误差，现有简单损耗模型也仅适用于简单正弦和方波励磁波形，缺乏对功率变换器应用下复杂励磁波形的精确损耗模型，严重制约磁性元件的研究、分析、设计、应用及其深入发展。本项目将从新角度研究磁芯损耗测量新方法，从原理上完全克服现有方法固有误差，同时保持电气测量法简捷实用的优点，并能测量复杂励磁波形下的损耗；通过对新方法的误差分析，采取优化、消除以及补偿等综合措施，使得测量精度明显优于现有方法，满足研究分析和实际应用要求；结合磁芯损耗机理分析、损耗实验设计以及数据智能分析，研究磁芯在复杂任意励磁波形下的损耗特征，揭示对磁芯损耗有本质作用的具有外部电气可测性的各个影响因素，建立适用于任意复杂励磁波形下的磁芯损耗通用高精度模型。研究成果将促进功率变换器磁元件设计与应用水平提高。

前言

第1章 DC-DC功率变换技术概论

1.1 DC-DC产生的原因

1.2 DC-DC的发展历史

1.3 DC-DC研究概要

第2章 基本.DC-DC功率变换器拓扑

2.1 Buck变换器

2.2 Boost变换器

2.3 Buckboost变换器

2.4 Cuk变换器

2.5 Sepie变换器

2.6 Zeta变换器

2.7 基本DC-DC变换器总结

第3章 正激DC-DC功率变换器拓扑

3.1 基本正激变换器

3.2 三绕组去磁正激变换器

3.3 谐振去磁正激变换器

3.4 RCD去磁正激变换器

3.5 有源去磁正激变换器

3.6 二极管去磁双正激变换器

3.7 其他去磁的双正激变换器

3.8 正激DC-DC变换器总结

第4章 反激DC-DC功率变换器拓扑

4.1 基本反激变换器

4.2 三绕组吸收反激变换器

4.3 RCD吸收反激变换器

4.4 其他吸收反激变换器

4.5 二极管吸收双反激变换器

4.6 反激DC-DC变换器总结

第5章 对称驱动桥式DC-DC功率变换器拓扑

5.1 对称驱动基本半桥变换器

5.2 对称驱动半桥变换器

5.3 对称驱动全桥变换器

5.4 对称驱动推挽变换器

5.5 其他对称驱动变换器

5.6 对称驱动桥式DC-DC变换器总结

第6章 其他驱动桥式DC-DC功率变换器拓扑

6.1 不对称驱动半桥变换器

6.2 不对称驱动全桥变换器

6.3 相移控制全桥变换器

6.4 其他的软开关全桥变换器

6.5 其他驱动桥式DC-DC变换器总结

第7章 隔离Boost DC-DC功率变换器拓扑

7.1 对称驱动电流型推挽变换器

7.2 对称驱动电流型全桥变换器

7.3 从正激对偶的隔离Boost变换器

7.4 各种单管隔离Boost变换器

7.5 隔离Boost DC-DC变换器总结

第8章 其他DC-DC功率变换器拓扑

8.1 高阶隔离Buckboost变换器

8.2 正反激变换器和它的集成磁版本

8.3 各种集成磁变换器

8.4 反正激变换器

8.5 其他DC-DC变换器总结

第9章 正激变换器的工程设计指南

9.1 三绕组去磁正激变换器的稳态分析

9.2 谐振去磁正激变换器的稳态分析

9.3 有源去磁正激变换器的稳态分析

9.4 各种去磁正激变换器的工程设计指南

第10章 反激变换器的工程设计指南

10.1 理想反激变换器的稳态分析

10.2 反激变换器的实际开关过程分析

10.3 CCM/DCM边界反激变换器的稳态分析

10.4 反激变换器的工程设计指南

第11章 桥式变换器的工程设计指南

11.1 理想对称驱动半桥变换器的稳态分析

11.2 对称驱动半桥变换器的工程设计指南

11.3 不对称驱动半桥变换器的稳态分析

11.4 不对称驱动半桥变换器的工程设计指南

第12章 总结

附录A 电感电压的稳态伏秒定律及其证明

附录B 有源去磁正激变换器的变压器面积积公式推导

附录C 正激变换器的滤波电感面积积公式推导

附录D 反激变换器中的变压器面积积公式推导

附录E 对称半桥变换器中的变压器面积积公式推导

附录F 对称半桥变换器中的滤波电感面积积公式推导

附录G 不对称半桥变换器中的变压器面积积公式推导

附录H 不对称半桥变换器中的滤波电感面积积公式推导