毕业论文-脉宽调制移相全桥变换器设计.docx
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atmosphericparticulate大气粒子;大气微粒
acceptablecharacteristic可接受特性
本科毕业设计(论文)
脉宽调制移相全桥变换器设计
‘‘
燕山大学
2015年6月
摘要
本论文研究了一种新型的ZVZCSPWMDC/DC全桥变换器。
该变换器以全桥变换器为主电路,来实现超前桥臂的零电压开关以及滞后桥臂的零电流开关。
控制电路以UC3875为主要控制芯片,来实现移相控制方式,并最终达到软开关目的。
该变换器的输入电压为450VDC,输出电压为24VDC。
本文通过对ZVZCS移相全桥DC/DC变换器的分析研究,改进了传统的主电路拓扑,优化了电路系统参数,完善了电路控制方案,通过理论分析与模拟仿真,设计并制作了改变换器的试验样机,并验证了其工作原理和性能特点。
论文以全桥变换器作为主电路拓扑。
全桥电路拓扑结构简单,控制容易,广泛应用于高质量要求及大功率场合。
众所周知,功率密度的提高意味着开关频率的提高,随之而来的是开关管的损耗,这便要求在工作工程中能够实现开关管的软开关。
论文在传统通过在变压器副边加入一个电容Cc和两个二极管Dc,Dh组成的简单辅助电路,使得超前桥臂实现了ZVS,滞后桥臂实现了ZCS,而且对副边整流桥进行钳位,降低了开关管的开关损耗和电路中的环流损耗,从而大大提高了变换器的工作效率。
为了使该变换器具有良好的稳态性能,变换器采用电压闭环控制。
并通过U3875芯片实现了输出过电流保护和输入欠电压保护。
论文通过理论分析,设计了该变换器的主电路拓扑,控制电路,保护电路及反馈电路的各项参数,最终对该变换器通过PSIM软件进行模拟仿真,并给出了实验结果。
关键词:
DC/DC变换器;移相全桥;零电压开关;零电流开关;软开关;谐振;UC3875芯片。
ABSTRACT
ThispaperstudiedanewkindofZVZCSPWMDC/DCfullbridgeconverter.Theconverterisgivenprioritytowithfullbridgeconvertercircuit,torealizetheadvancedbridgearmzerovoltageswitchandzerocurrentswitchlagbridgearm.ControlcircuitUC3875asthemaincontrolchip,toachievephase-shiftingcontrolmode,andultimatelyachievesoftswitch.Theconverterinputvoltageis450VDC,theoutputvoltageis24VDC.ThisarticlethroughtotheZVZCSphase-shiftfullbridgeDC/DCconverterofanalysisandresearch,improvedthetraditionalmaincircuittopology,circuitsystemparameterwasoptimizedandimprovedthecircuitcontrolsystem,throughthetheoreticalanalysisandsimulation,thedesignandconstructionoftheconverterinsteadofexperimentalprototype,andverifyitsworkingprincipleandperformancecharacteristics.
Paperstothefullbridgeconverterasthemaincircuittopology.Thewholebridgecircuittopologystructureissimple,easycontrol,arewidelyusedinhighqualityrequirementandhighpoweroccasion.Asisknowntoall,theimprovementofpowerdensitymeanstheimprovementofswitchingfrequency,followedbythewastageoftheswitchtube,thisrequirementcanbeachievedintheengineeringworkoftheswitchtubesoftswitch.Papersintraditionalbyjoiningattheedgeofthetransformer,viceaDccapacitorCcandtwodiodes,Dhconsistingofasimpleauxiliarycircuit,makesthebridgearmrealizesZVSinadvance,thelagbridgearmrealizedZCS,andvicesideofrectifierbridgeforclamping,reducethelossoftheswitchoftheswitchtubeandcirculationlossinthecircuit,thusgreatlyimprovingtheworkefficiencyoftheconverter.
Inordertomaketheconverterhaveagoodsteady-stateperformance,voltageconverteradoptsclosedloopcontrol.AndthroughU3875chiptoachievetheoutputovercurrentprotectionandinputundervoltageprotection.
Basedontheoreticalanalysis,thispaperdesignsthemaincircuitoftheconvertertopology,controlcircuit,protectioncircuitandfeedbackcircuitparameters,finallyusingthepsimsimulationtotheconverter,andgavetheexperimentalresults.
Keywords:
DC/DCconverter;Phase-shiftfullbridge;zero-voltageswitching;ZCS;Softswitch;Resonance;UC3875chip.
目录
摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
第一章 绪论 1
§1.1课题背景及意义 1
§1.2 国内外DC/DC变换器技术的发展历程 1
§1.3课题方案选择与设计 2
§1.3.1主电路拓扑的选择 2
§1.3.2控制方式的选择 2
§1.4课题的主要研究工作 3
第二章移相全桥ZVZCS变换器 3
§2.1常规全桥电路工作原理分析 3
§2.2ZVZCS变换器工作特点与变换器性能分析 4
§2.2.1主电路拓扑 4
§2.3变换器软开关实现的条件 11
第三章电路参数设计 12
§3.1主电路拓扑设计 12
§3.1.1逆变全桥部分 12
§3.1.2变压器隔离部分 12
§3.1.3整流桥部分 13
§3.2辅助网络及输出滤波电路设计 13
第四章模拟仿真及分析 13
§4.1PSIM9.0简介 13
§4.2仿真模型的建立 13
§4.2.1主电路模型建立 14
§4.2.2移相PWM脉冲的生成 14
§4.2.3反馈电路构成闭环 16
§4.3仿真结果及其分析 16
§4.3.1电路各工作模式仿真 17
§4.3.2超前桥臂零电压开关的实现 19
§4.3.4系统整体分析 20
第五章功率器件参数设计及选择 20
§5.1主电路设计 20
§5.1.1逆变桥部分的设计 20
§5.1.2输入滤波电感的选择 21
§5.1.3隔离变压器的设计 21
§5.1.4整流二极管的选取 21
§5.1.5输出滤波电感的选取 22
§5.1.6输出滤波电容的选取 23
§5.2辅助电路设计 23
§5.2.1钳位电容的选取 23
§5.2.2二极管DcDh的选取 23
§5.3控制电路 24
§5.3.1UC3875的简介 24
§5.3.2芯片外围电路的设置 27
§5.3.3闭环控制电路的设计 28
§5.4检测电路设计 28
§5.5保护电路设计 29
§5.6驱动电路设计 29
第六章结论 30
参考文献 32
致谢 34
附录1开题报告 36
附录2中期报告 41
第一章 绪论
§1.1课题背景及意义
直流-直流变换器(DC/DC)变换器作为电力电子电能变换技术的一个重要研究方向,越来越受到世界各国的重视。
它可以将输入的直流电压经过高频逆变后,再通过整流和滤波环节,转换成所需要的直流电压。
DC/DC变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域,涉及到国民经济的各行各业。
随着开关电源技术的日益发展,实际生产生活对直流变换器的要求也越来越高。
这便要求变化器拥有较高的效率和较大的功率密度。
高频化是开关电源技术的重要发展方向之一。
大功率场效应管(MOS管)和功率绝缘栅晶体管(IGBT管)在中大功率场合中的广泛应用,使开关电源的工作频率越来越高,但是由于功率器件的开关损耗与其开关频率成正比,即开关频率越高,开关损耗就越大,电路效率也会越低,并且随着开关频率的提高,电路中的di/dt和dv/dt也会越来越高,由此电路所产生的电磁干扰也会越来越强,最终会影响系统控制和驱动的稳定性,因此我们必须想办法减小开关损耗,软开关技术因此孕育而生。
由于移相全桥ZVZCS变换器能够实现超前臂的零电压开关和滞后臂的零电流开关,可以减小功率损耗,从而发展成为中大功率DC/DC变换器的主流。
ZVZCS方案可以解决传统变换器方案的故有缺陷,即可以大幅度降低电路内部的循环能量,提高变换器效率,减小副边占空比丢失,提高最大占空比,而且其最大软开关范围不受输入电压和负载的影响。
本论文正是针对直流变换器开关管效率提高这一背景提出来的
§1.2 国内外DC/DC变换器技术的发展历程
在大容量化和高频化方面,国内外对DC/DC变换器的研究均取得了可喜的发展。
DC/DC变换器中软开关技术的普遍应用,已经逐渐取代传统的硬开关技术。
最初的软开关技术是在电路中增加有源或无源的缓冲网络,然后出现了谐振软开关变换器,既包括传统的串联谐振变换器(SRC)和并联谐振变换器(PRC),又有准谐振变换器(QRC)和多谐振变换器(MRC)。
准谐振变换器出现在上世纪80年代中期,包括零电流开关准谐振(ZCSQRC)和零电压开关准谐振(ZVSQRC)。
这两种电路虽然能使主开关管在零电压或零电流下导通和关断,但却需要采用频率调制技术,给实际应用造成较大不便,并且开关管的电流或电压应力较大为了消除因频率调制而造成的不便,IvoBarbi在上世纪90年代提出了ZCS-PWM和ZVS-PWM变换器概念。
ZVSPWM和ZCSPWM变换器是PWM电路与QRC的结合,在基本的ZVS和ZCS电路中增加了一个辅助开关。
该辅助开关一方面以通过谐振来为主功率管创造零电压或零电流开关的条件,另一方面还可以阻断谐振过程,在这段时间中让主功率开关管按PWM方式工作。
因此,ZCS-PWM和ZVS-PWM变换器既有软开关的特点,又有PWM恒频占空比调节的特点。
但上述多种软开关变换器均存在以下欠缺:
由于开关管的电流或电压应力过大,而造成电路损耗的增加;谐振电感和电容因为应力的增大而造成变换器体积的增大;谐振电感串联在主功率回路中会导致环流变大进而增加了整体损耗,此外,软开关的工作条件还极大地依赖输入电压和输出负载的变化,因此电路也很难在一个较宽的范围内实现软开关。
为了解决以上问题,G.C.Hua在90年代提出了零电压转换(ZVT)和零电流转换(ZCT)的概念。
其基本思想是将辅助谐振网络从主功率通路中移开,与主功率开关管相并联。
在主功率器件变换的一段
很短的时间间隔内,使辅助谐振网络工作,为主功率开关管创造ZVS
或ZCS条件;转换过程结束后,电路返回常规PWM工作进程,因此,环流能量相对于谐振电路即可保持在较小的数值,而且软开关动作的实现没有受到输入电压和输出负载变化的影响。
当代的谐振技术已经取得了较大发展,其中ZVS和ZCS技术广泛应用于中功率变换,而零转换技术则适用于大功率变换场合。
ZVZCS的中心思想就是将PWM控制技术与谐振变换器结合起来,来实现功率开关管的软开关,是直流直流变换器技术发展的重要方向之一。
§1.3课题方案选择与设计
§1.3.1主电路拓扑的选择
在大中功率场合,一般采用全桥变换器;本论文所研究的DC/DC变换器是将输入直流电压450V变换成24V直流低电压,输入输出差别相对较大,故采用带有变压器隔离的DC/DC电路;DC/DC全桥变化电路分为电压型和电流型两类电路,器代表分别为BUCK电路和BOOST电路。
BUCK电路结构简单,控制方便,BOOST电路的电感位于输入侧,可用于功率因数校正电路。
综上,本论文采用的是带有隔离变压器的BUCK型DC/DC变换器。
§1.3.2控制方式的选择
本变换器采用移相全桥脉宽调制技术。
移相PWM控制技术是近几年广泛应用于中大功率全桥变换器中的一种技术,这种技术实际上是谐振技术与PWM技术的结合。
移相全桥软开关电路不仅降低了电路的开关损耗和开关噪声,还减少了器件在开关过程中产生的电磁干扰,为变换器装置提高开关频率和效率降低尺寸及重量提供了良好的条件.同时,它还保持了传统的常规PWM电路的拓扑结构简单,控制方式方便,开关频率固定,元器
件的电压和电流应力较小等诸多优点。
§1.4课题的主要研究工作
①450V直流输入,24V直流输出。
选择变换器的主电路拓扑。
②移相全桥控制。
确定移相PWM控制方案。
③超前桥臂实现ZVS,滞后桥臂实现ZCS。
确定辅助电路及其参数。
④仿真软件进行试验仿真,给出试验结果。
⑤有输出过电流保护,输入欠电压保护。
确定输出电压闭环反馈,设计保护电路。
第二章移相全桥ZVZCS变换器
§2.1常规全桥电路工作原理分析
通过控制四只开关管,在AB两点得到一个幅值为Vin的交流方波电压,经过高频变压器的隔离和变压,在变压器副边得到一个幅值为Vin/K的交流方波电压,然后在通过由DR1和DR2构成的输出整流桥,在CD两点得到幅值为Vin/K的直流方波电压。
Lf和Cf组成的输出滤波电路将该直流方波中的高频分量滤去,在输出端得到期望输出的直流电压。
(a)全桥逆变器主电路
(b)电阻负载时变压器原边电压和副边电流
移相全桥PWM(Phase-ShiftedFullBridgePWM)控制方式的基本思想是:
同一桥臂的开关管互补工作,但两个桥臂之间的导通差一个相位(移相角)。
Q1和Q3分别先于Q4和Q2导通,故称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂,Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。
通过调节此移相角的大小,可以在变压器副边得到占空比为D可调的正负半周期对称的交流方波电压,从而达到调节相应的输出电压的目的。
§2.2ZVZCS变换器工作特点与变换器性能分析
§2.2.1主电路拓扑
本论文采用ZVZCSPWM移相全桥变换器,利用增加辅助网络的方法使变压器原边电流复位来实现了超前臂的零电压开关(ZVS)和滞后臂的零电流开关(ZCS)。
该电路拓扑可以看成是由基本Buck电路衍生出来,并且与ZVSFB-PWM电路类似。
但是在后面的分析可以看出,它们的电路特性有明显区别。
这种区别是由其移相特性和引入的辅助电容形成的。
(Ⅰ)全桥ZVZCS变换器主电路拓扑
§2.2.2工作状态分析
变换器在半个工作周期内有七种工作状态。
在进行状态分析前,我们做出如下假设:
为了简化分析,作如下假定:
1.所有器件都是理想的。
;
2.C1=C3=Clead,C2=C4=Clad;
3.变压器的变比N=n1/n2,n1为变压器原边匝数,n2为变压器副边匝数;
4.输出滤波电感Lo很大,因此输出滤波的电流在工作周期内是常量;
5.输出滤波电容Co很大,因此输出电压在整个周期中近似为常数;
6.辅助电容Cc数值比较小,副边整流桥电压可以在开关导通周期内升至谐振峰值;电路的占空比比较小,Vcc能够在续流阶段下降到零。
模式一[t0-t1]
[to-t1]
初始状态原边电流为零,变压器原边电流为零。
整流二极管全部断开,Cc经过L0和dh为整个负载续流。
此时,Q4导通。
该闭合过程因为原边漏感的存在所以是零电流导通。
原边电流ip线性增加(Il为副边滤波电感电路),电容电流ic持续减小为零。
整理桥电压等于辅助电容电压Vcc.
ipt=Vin-nVcLk(t-t0)
(1)
ict=Il-nVin-nVcLkt-t0
(2)
Vrec=Vcc(3)
到t1时刻,ip达到Iln。
该开关状态的时间为:
t10=LkIln(Vin-nVc) (4)
模式二[t1-t2]
[t1-t2]
t1时刻,dh关断,dc导通。
电容Cc通过dc和C0进行充电。
输入能量经过原边漏电感,开关管Q1和Q4传送到输出端。
原边电流ip和电容电压Vcc及整流桥电压Vrec的公式如下:
ipt=nnVin-Vo-Vcc(t)]Zasinωt+Iln(5)
Vcct=nVs-V0-nVs-Vo-Vcct1cosωt (6)Vrect=Vcct+Vo(7)
上式中,ω=1√n²LkCcZa=n²LkCc
模式三[t2-t3]
[t2-t3]
Dc断开。
整流器电压回落到nVs。
这时候,原边近似为恒流值,能量仍从输入端传递到输出端。
ipt=Il/n (8)
Vrect=Vinn (9)
t23=DT2-Πω-LkIlnVin(10)
D为原边电路占空比,T为整个工作周期,T/2为半个工作周期
模式四[t3-t4]
[t3-t4]
S1断开,因为电感电流不突变,所以电流ip从S1中转移到C1和C3上,即原边漏感Lk和C1C3发生谐振,C1进行充电,而C3发生放电。
因为C1的存在,所以S1是零电压关断。
在该过程中,原边漏感Lk与输出滤波电感L0相当于串联,所以变压器原边电压和副边电压以同样的速率线性下降,直到副边电压降到辅助电容电压Vcc。
Vabt=Vin-nIlC1+C3t(11)
Vc1t+Vc3t=Vin(12)Vc1t=ip(t)2Cleadt(13)
ic1t-ic3t=ip(t)(14)
Vrect=Vinn-Il(t-t30n²(C1+C3)(15)
t=n²(C1+C3)(2U0-VinnIl(16)
在该模式中,可做如下近似:
输出滤波数值较大,副边电流相
对于原边电流的下降速率很小,又C1C3的充电放电时间很短,在
这么短的时间内,原边电流可以认为恒定不变,即ip(t)=Ip。
电容C1
两端电压线性上升,同时,电容C3两端电压线性下降,二者斜率均
为Ip2Clead,斜率与负载的大小成正比,与Clead的大小成反
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