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一种宽输入电压DC/DC电源的设计与实现

一种宽输入电压DC/DC电源的设计与实现

作者：张恒浩电子科技大学

学位级别：硕士

电源是所有电力电子设备的核心,它为设备提供了基本的能源和动力。随着武器装备可靠性、环境适应性要求越来越高,特别是机载电源系统,需要电源具备较宽的输入电压范围和良好的阶跃响应以满足飞机发动机转速变化引起的输入电压宽范围波... 详细信息

电源是所有电力电子设备的核心,它为设备提供了基本的能源和动力。随着武器装备可靠性、环境适应性要求越来越高,特别是机载电源系统,需要电源具备较宽的输入电压范围和良好的阶跃响应以满足飞机发动机转速变化引起的输入电压宽范围波动。因此,为了提升供电系统冗余度和可靠性,宽输入范围的DC/DC电源在机载、车载等输入电压变化范围较大的应用场合具有重要意义。国外电源技术起步早,技术先进,近年来已推出数模混合控制和全数字控制的宽输入电源,效率高、高功率密度大,同时具备使能控制并联均流等丰富的功能。国内同类电源多采用模拟控制方案,在电参数和输出功能上有较大差距,无法实现对进口电源的替代。本文基于横向项目设计,研究了宽输入开关电源拓扑结构、控制方式等基本原理。根据研制目标,开展了电源关键参数和功能的设计与仿真,最后完成了一种宽输入电压DC/DC电源设计,达到同类进口产品同等技术水平。该电源输入电压范围达到16V0V,输出电压12V,输出功率120W,纹波低至25mV,满载效率达到87%。论文的研究内容如下:1.介绍了开关电源的发展现状、发展趋势,并根据低压宽输入电压电源研究背景,提出了本课题的研究意义和研究内容。2.对比常用开关电源拓扑结构技术方案及优缺点,重点对两级拓扑结构的级联方式、馈电方式进行了详细分析。针对本电源参数特点,完成了一种电流馈电型Buck+交错正激的两级拓扑结构方案设计。随后对该电源主体结构进行了仿真,并对主功率回路的稳定性及控制措施进行了理论分析。3.围绕电源研制目标,开展了辅助供电、磁性元件、驱动、外同步功能、并联均流、低纹波输出等关键功能和特性设计,完成了单元线路仿真。随后从工程应用角度,开展了电源的降额设计、热设计等可靠性设计,验证了设计方案的可行性。4.根据电源研制方案,完成了宽输入电压电源样机的制作,并对电源样机的关键特性和参数进行了详细测试和分析,测试结果达到预定要求。

关键词：宽输入范围两级结构驱动外同步并联均流

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高压开关电源关键技术研究与设计

高压开关电源关键技术研究与设计

作者：袁昕西安电子科技大学

学位级别：硕士

近几年来,随着电子信息系统的飞速发展,电源管理芯片被广泛应用于各种新能源领域中,尤其是新能源汽车、光伏发电等新兴绿色产业。因此为了节约材料成本和电路面积,使一款芯片能用于不同的电压应用场景中,需要开关电源芯片将较大范围的... 详细信息

近几年来,随着电子信息系统的飞速发展,电源管理芯片被广泛应用于各种新能源领域中,尤其是新能源汽车、光伏发电等新兴绿色产业。因此为了节约材料成本和电路面积,使一款芯片能用于不同的电压应用场景中,需要开关电源芯片将较大范围的输入电压转换为所需要的直流电压。在此背景下,研究宽输入范围的开关电源管理芯片具有重大意义。本文首先介绍了DC-DC转换器的基本理论,并比较了转换器不同的调制方式和控制模式的优劣,由于峰值电流模式具有环路补偿简单和较快瞬态响应的优点,本文决定采用峰值电流模式作为芯片的架构,设计了一款宽输入电压范围（4-30V）的降压型DC-DC芯片。主要创新点如下:1.提出了一种改进的高压峰值电流模架构,解决了在高工作频率和高压小占空比应用中传统峰值电流模式控制响应速度差的问题。所提出的架构无需复杂的电感电流采样电路,设计高圧域PWM比较器,输入端直接与SW相连,提高了响应速度,使芯片在瞬态响应时能够在30μs内恢复稳定,并且上冲电压和下冲电压在180m V以内。2.提出了一种高性能的电平转换电路,增强了电平转换电路在高压应用中的d VSW/dt抗扰度。本文在传统电路的基础上,通过增加下拉结构来提高电平转换电路的d VSW/dt抗扰度和转换速度。使电平转换电路的延迟时间缩小为0.89ns,并且在d VSW/dt=30V/ns时,该电平转换电路能保持正确的输出。3.提出了高压芯片低输入启动的方法。针对芯片在低输入电压应用时,内部LDO模块未能提供合理的内部电源电压的问题,本文提出了一种带有电荷泵的NMOS型LDO结构,保证芯片在低压应用时能够正常工作。通过研究带隙基准模块、误差放大器、电荷泵以及功率级等关键模块,使片内LDO在输入电压低至4V时能给其它模块提供合理电压。最后本文将研究的关键技术结合起来,应用于一款高压DC-DC电源芯片,基于30V 0.18μm BCD工艺完成了整体电路设计,使用Hspice仿真工具进行了整体仿真验证,并且完成了版图的设计与布局。仿真结果表明,该芯片效率高达90.2%,各项性能均达到预期设计目标,应用前景广阔。

关键词：高压DC-DC 宽输入范围峰值电流模电平转换 LDO

超低功耗、宽范围低压差线性稳压器的研究与设计

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超低功耗、宽范围低压差线性稳压器的研究与设计

作者：朱杰电子科技大学

学位级别：硕士

随着电源管理芯片应用领域的增多以及相应技术的飞速发展,电源管理芯片的输入电压范围需求明显增加,目前最新的车载电子系统的供电电压高达48V。其次芯片能耗迅速上升与电池技术发展缓慢的矛盾,限制了诸多电子设备的应用潜力。针对上述... 详细信息

随着电源管理芯片应用领域的增多以及相应技术的飞速发展,电源管理芯片的输入电压范围需求明显增加,目前最新的车载电子系统的供电电压高达48V。其次芯片能耗迅速上升与电池技术发展缓慢的矛盾,限制了诸多电子设备的应用潜力。针对上述问题,本文研究并设计了一种超低功耗、宽输入范围的LDO。本文首先简述了LDO的工作原理,之后对低静态电流LDO的环路稳定性和快速瞬态响应进行了研究与分析。针对汽车电子等高供电电压的应用场景,本文设计了一种预偏置LDO电路,将宽范围输入电压转为内部相对稳定的低压电源,从而兼具高性能和低功耗的设计需求。在低静态电流LDO中,受到误差放大器尾电流的限制,无法将误差放大器的输出极点推到高频,而输出极点随负载电流的变化范围极宽,本文通过设计零极点追踪补偿网络降低误差放大器输出处的相位裕度衰减,同时在输出极点处设计动态零点补偿电路,实现负载电流追踪和负载电容追踪,在全负载和宽输出电容范围下保证LDO的稳定性;尾电流的限制带来的另一个问题是误差放大器的摆率降低,瞬态响应变差,本文设计了一种基于动态电流偏置的瞬态响应增强电路,该电路不经过误差放大器主环,直接对误差放大器输出端进行充放电,有效提高了瞬态响应能力。为了提高LDO芯片的可靠性,设计了一种软启动电路,避免启动过程中的浪涌电流及芯片内部模块误开启,同时芯片内部集成有欠压、过温、过流保护电路。针对在现有工艺下高温时主功率管漏电严重的情况,设计了高温电流泄放电路,保证在空载时LDO可以正常工作。本文基于0.18（?）m BCD工艺,设计了一种超低功耗、宽输入范围LDO,并使用spectre仿真软件对所设计的子模块和LDO整体系统进行了仿真验证。其输入电压范围为3.6V-40V,输出电压为固定的3.3V和5V,输出负载电容的范围为1（?）F-200（?）F,轻载下的静态电流仅有4.6（?）A,线性调整率为0.011m V/V,负载调整率为0.045m V/m A,低频电源抑制比达到了102d B,负载电流在1m A到100m A之间跳变时,下冲电压为331m V,过冲电压为221m V。

关键词： LDO 超低功耗宽输入范围动态零点补偿软启动

光伏发电系统中DC/DC变换器控制策略的研究

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光伏发电系统中DC/DC变换器控制策略的研究

作者：刘磊西安理工大学

学位级别：硕士

随着光伏发电技术的快速发展,光伏并网发电系统在家用供电,光伏电站等领域的应用也越加广泛。然而光伏电池板受环境因素的影响,其输出的电压范围较宽,为了使直流母线电压快速稳定,需要引入宽电压输入范围的DC/DC环节。因此,研究适用于... 详细信息

随着光伏发电技术的快速发展,光伏并网发电系统在家用供电,光伏电站等领域的应用也越加广泛。然而光伏电池板受环境因素的影响,其输出的电压范围较宽,为了使直流母线电压快速稳定,需要引入宽电压输入范围的DC/DC环节。因此,研究适用于光伏发电系统中宽电压输入范围的DC/DC变换器对光伏发电技术的发展具有重要意义。LCC电路因其较好的调压特性并且可以利用自身谐振元件消除电路寄生参数的影响,因而非常适用于光伏发电系统中前级DC/DC环节。目前针对光伏宽输入电压范围的LCC型DC/DC变换器控制策略如FM和PS都有其不足之处。因此,本文研究了一种变频移相调制的混合控制策略。通过对电路特性的分析,利用最小二乘法确定了谐振变换器最佳工作状态下开关频率和移相角之间的函数关系。当输入电压在宽范围内变化时,根据拟合曲线同时对开关频率和移相角进行调节,从而改变谐振电路的电压增益,进而将输出电压稳定在母线电压水平。本文详细阐述了 LCC型DC/DC变换器在变频移相混合控制策略下的工作原理,并根据电路的容性基波等效模型,深入研究了 LCC型DC/DC的直流电压增益特性、输入阻抗角特性、ZVS及谐振变换器的工作状态曲线。为了进一步得到开关频率和移相角的关系,详细阐述了最小二乘法曲线拟合的原理及拟合标准,并对谐振变换器最佳工作状态的拟合曲线进行了详细分析。基于理论分析,对整个系统的软硬件进行了设计,并建立了闭环仿真模型以及小功率实验平台,验证了本文方案的正确性和可行性。根据仿真及实验结果,在变频移相的混合控制策略下,LCC型DC/DC变换器可以在宽电压输入范围将母线电压稳定在恒定水平,并且在工作过程中,变换器始终工作在最佳工作状态。

关键词：宽输入范围 LCC 变频移相最小二乘法

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三相六开关降压型PFC整流器的设计与优化

三相六开关降压型PFC整流器的设计与优化

作者：毛世源东南大学

学位级别：硕士

功率因数校正系统能显著降低谐波对电网的危害,提高用电效率,改善用电质量。三相六开关降压型整流器具有明显的体积优势,更容易实现高功率密度。然而,其在效率、功率因数等方面不及升压型拓扑,需要进一步优化与提高。本文对三相六开关... 详细信息

功率因数校正系统能显著降低谐波对电网的危害,提高用电效率,改善用电质量。三相六开关降压型整流器具有明显的体积优势,更容易实现高功率密度。然而,其在效率、功率因数等方面不及升压型拓扑,需要进一步优化与提高。本文对三相六开关降压电路进行了研究与优化,主要开展了以下工作:a)提出了一种新型的输入电压采样方案,提高了采样精度。该方案构造出一独特的参考电势,能保证采样值始终为正值,无需额外的上拉电路。b)在间接电流控制理论的基础上,提出了一种前馈机制,具有更高的时效性。该机制构建了交流电压幅值同采样值的函数关系,能实时计算出输入电压的变化并加以反馈。c)针对高频轻载下功率因数（PF）不高的问题,以线压采样值为基准,提出了一种针对调制角的“延时”控制策略。该策略不仅可以舍弃锁相环电路,自适应输入频率的变化,还能有效提高高频轻载下系统的功率因数。本文设计并制作了一款两级结构的电源样机,实测结果表明:样机体积为117 mm×61mm×15 mm,满载功率为1500 W。正常工作时电压输入范围为85 Vrms-145 V,输入频率为50 Hz-400 Hz。系统满载时效率约为93%,最高效率高达95%。系统的功率因数最高达到0.999以上,最低也能保持在0.85以上。

关键词：功率因数校正六开关高功率密度宽输入范围间接电流控制

宽输入无源无损Buck-Boost变换器的研究

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宽输入无源无损Buck-Boost变换器的研究

作者：李良井陕西理工大学

学位级别：硕士

随着地球资源快速消耗、自然环境愈发恶化等问题的日益突显,新能源发电越来越受到关注,其中太阳能光伏发电发展最为迅速。DC-DC变换环节是光伏发电系统的重要部分,太阳能电池板具有输出电压范围宽的特性,会影响后级DC-DC变换器正常工作... 详细信息

随着地球资源快速消耗、自然环境愈发恶化等问题的日益突显,新能源发电越来越受到关注,其中太阳能光伏发电发展最为迅速。DC-DC变换环节是光伏发电系统的重要部分,太阳能电池板具有输出电压范围宽的特性,会影响后级DC-DC变换器正常工作。因此,研究宽输入且性能优良的光伏发电用DC-DC变换器具有实际意义。本文针对光伏、燃料电池等新能源发电系统中DC-DC变换器面临宽输入电压范围的需求,基于无源无损软开关技术,对宽输入范围Buck-Boost变换器及其性能提升方法进行研究。将非最小电压应力(NMVS)和最小电压最小电流应力(MCVS)无源无损软开关单元分别应用在Buck-Boost变换器中,实现正常DC-DC转换而且减小了开关损耗,利用不同特性的无源无损软开关拓扑及合理的参数设计方法提高系统适应性。首先分析加入软开关单元后Buck-Boost变换器工作原理,详细分析了两种无源无损电路在一个周期的各个工作模态,指出了NMVS无源无损软开关Buck-Boost电路的工作模态与谐振电感电流的临界关系,并讨论了两种不同情况的工作模态;将变换器的工况及性能指标作为约束条件,并将输出电压作为可变参数,对变换器工作在动态范围提出一种主电路和软开关单元的电感及电容参数设计方法;利用PSIM仿真软件进行仿真,仿真结果表明两种无源无损软开关Buck-Boost变换器实现了零电压开通和零电流关断,验证了提出参数设计方法的合理性。随后,对Buck-Boost变换器电路进行非理想情况小信号建模,为提高系统稳定性进行补偿网络设计,闭环仿真结果表明系统的工作模式和输出稳态性能指标达到要求。最后完成Buck-Boost变换器实验平台的搭建,设计了一台14V6V输入,24V/1.5A输出的实验样机,对变换器在动态变化范围进行测试,实验结果表明系统良好的静态和动态性能,验证了控制器设计的合理性;对比了宽输入条件下最恶劣工况时加入软开关前后变换器的转换效率,结果表明在宽输入电压范围转换效率可以达到88%以上,转换效率较传统Buck-Boost变换器提高5%,软开关单元其它参数实验波形也与仿真结果相吻合,验证了理论分析和参数设计的正确性。

关键词： Buck-Boost变换器宽输入范围参数设计软开关拓扑转换效率

宽范围隔离型双向SiC DC/DC变换器设计

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宽范围隔离型双向SiC DC/DC变换器设计

作者：杨泽明北京交通大学

学位级别：硕士

DC/DC变换器广泛应用于生产生活的各个领域,比如新能源发电领域、电动汽车领域和轨道交通领域。上述场合既要求DC/DC变换器能够承受比较宽的输入电压,还需要DC/DC变换器保证其高效率。为了满足这些要求,本文基于移相式隔离双向DC/DC变... 详细信息

DC/DC变换器广泛应用于生产生活的各个领域,比如新能源发电领域、电动汽车领域和轨道交通领域。上述场合既要求DC/DC变换器能够承受比较宽的输入电压,还需要DC/DC变换器保证其高效率。为了满足这些要求,本文基于移相式隔离双向DC/DC变换器设计了新型两级式隔离双向DC/DC变换器,并使用宽禁带器件SiC MOSFET作为主要功率开关器件。以此为基础,重点研究了 SiC MOSFET的应用、宽范围隔离双向DC/DC变换器的拓扑和针对变压器漏感引起的开关管过压抑制等问题。本文首先对比了 SiC MOSFET与Si MOSFET的静态特性、动态特性和其一些重要的参数,针对SiC MOSFET与Si MOSFET的部分不同特性,分析了 SiC MOSFET对驱动的要求,并针对本文所使用的SiC MOSFET,设计了其驱动电路,之后进行双脉冲测试,验证了本文所使用的驱动能够满足设计要求。其次,针对系统宽范围参数的要求,选择采用两级拓扑来应对这种特殊工况,之后以开关管电压电流应力为切入点,对比常用功率拓扑,确定了以Buck/Boost变换器作为输入,隔离双向DC/DC变换器作为输出的两级变换器拓扑,并详细分析了所使用拓扑的工作原理,然后根据参数指标设计了系统方案,最后进行了仿真验证,验证了所设计变换器能够满足系统要求。接下来,讨论了变压器漏感对移相式隔离双向DC/DC变换器正向和反向工作时的影响,详细分析了副边开关管过压尖峰的形成过程。为了减小漏感在换流过程产生的影响,设计了有源钳位电路抑制开关管过压,然后详细分析了有源钳位电路的工作原理,并进行了仿真验证,结果显示有源钳位电路能够消除开关管过压并吸收漏感能量。最后,根据参数要求计算了变换器的变压器相关参数、电感值和电容值并对变换器的主要功率器件进行了选型,设计出实验样机及控制系统,最后通过实验样机验证了系统满足设计要求,变换器功能可以适应各种工况要求,并且有源钳位有效消除开关管过压尖峰。

关键词：隔离型DC/DC变换器双向DC/DC变换器 SiC MOSFET 宽输入范围有源钳位

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一种宽输入高PSRR高精度的带隙基准电路

中国集成电路 2022年第9期31卷 29-35,56页

作者：温立国沈红伟田露原义栋北京智芯微电子科技有限公司

针对电源管理类芯片对宽输入范围、高电源抑制比的需求,设计一款新型带隙基准电路。外部电源经两级限压限流得到核心基准模块的电源,该电源相对输入具有很高的电源抑制比,充分保障了内部模块供电的稳定。温度补偿部分通过压控电流反馈... 详细信息

针对电源管理类芯片对宽输入范围、高电源抑制比的需求,设计一款新型带隙基准电路。外部电源经两级限压限流得到核心基准模块的电源,该电源相对输入具有很高的电源抑制比,充分保障了内部模块供电的稳定。温度补偿部分通过压控电流反馈和高低温分段补偿技术实现了基准源的高精度输出。基于HHGRACE 180nm BCD工艺设计,输入电源工作范围3-50V、电源抑制比-100dB@1MHZ、输出参考电源1.237V、工作温度在-40~130℃范围内、温度系数9.6 ppm/℃。PVT条件下电压变化小于5mV、波动范围±0.2%,能够满足电源系统对参考电压的要求。

关键词：带隙基准电源抑制比宽输入范围分段温度补偿

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一种宽输入瞬态增强LDO设计

西安邮电大学学报 2024年第1期29卷 41-52页

作者：汪西虎康敏安郭仲杰杨靳郭世骁西安邮电大学电子工程学院陕西西安710121 西安理工大学自动化与信息工程学院陕西西安710048

当应用于恶劣的电子电路环境中时,汽车电子中电源管理类芯片可能发生瞬态高压和线路的动态变化。为了拓宽输入范围和改善瞬态响应性能,提出了一种宽输入瞬态增强低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator, LDO)设计。采用预稳压电路将输... 详细信息

当应用于恶劣的电子电路环境中时,汽车电子中电源管理类芯片可能发生瞬态高压和线路的动态变化。为了拓宽输入范围和改善瞬态响应性能,提出了一种宽输入瞬态增强低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator, LDO)设计。采用预稳压电路将输入高电压转化为低压电源,为电路内部模块供电来实现宽输入。主环路使用双调整管设计方式,通过添加快速响应通路的方式加快环路对输出电压变化的响应速度,结合快速放电电路以实现快速瞬态响应。应用米勒调零补偿和零点补偿方法以保证不同带载条件下环路的稳定性。仿真结果表明,设计LDO电路输入电压的范围为3~40 V,预稳压电路可以将输入的高电压降压至2.8 V;LDO输出电压典型值为5 V,最大可带载150 mA;当负载电流发生150 mA的跳变时,输出的上冲电压和下冲电压分别为40.32 mV和55.77 mV。与已有的相关设计相比,所提设计实现了较宽的输入范围,同时具有较好的瞬态响应性能。

关键词：低压差线性稳压器汽车电子宽输入范围快速瞬态响应米勒调零补偿零点补偿