1、 燕山大学 毕业设计（论文） 基于 Boost 的零电压转换 PWM 变换器研究 学 院 电气工程学院 年级专业 应用电子技术 03-3 学生姓名 张耀友 指导教师 伞国成 专业负责人 顾和荣 答辩日期 2007 年 7 月 1 日 燕山大学毕业设计（论文）任务书 学院： 电气工程学院 系级教学单位： 电气工程及其自动化 学 号 030103030027 学生 姓名 张耀友 专 业 班 级 应用电子技术03-3 课 题 题 目 基于 Boost 的零电压转换 PWM 变换器研究 来 源 自选 主 要 内 容 采用零电压转换开关，实现 Boost 变换器的工作，实现软开关的同时减小主功率通道能量
2、损耗。完成主电路、控制电路的设计，参数计算及控制方法研究。给出仿真结果。 基 本 要 求 1.了解当前电能变换技术发展概况 2.了解 ZVT-PWM 变换器原理 3.主电路参数设计 4.控制电路设计及控制方法研究 5.系统仿真 6.完成毕业设计论文一份 7.完成 0 号系统图一张 参 考 资 料 1.pspice 编程技术 2.软开关功率变换器及其应用 3.电力电子变流技术 周 次 14 周 58 周 912 周 1316 周 1718 周 应 完 成 的 内 容 查阅资料 ， 了解所做题目内容 确定方案、系统主电路设计 控制电路设计 系统仿真，翻译英文资料 资料整理撰写论文 指导教师： 伞国
3、成 系级教单位审批： 摘要 I 摘 要 高频软开关技术是电力电子学的一个重要的研究方向，它使功率变换器具有 高效率、高功率密度、高可靠性和小的电磁干扰，是实现开关电源装置小型化、 轻重量、低成本的途径。在传统的零电压转换 PWM变换器中，辅助电路在很宽的输入电压和负载变化的范围内以最小的电压和电流应力为主开关 管提供零电压开关，而且辅助电路与主功率电路相并联，大大减小了辅助电路的 损耗，但是辅助开关管是在硬开关下关断，其关断损耗较大。为了减小辅助开关管的关断损耗，提出了一种改进的零电压转换PWM变换器，通过采用几个谐振元件的电路结构实现了主、辅助开关管的零电压和零电流开关。 本文研究内容主要包
4、括三部分 :第一部分文章首先 介绍了软开关技术产生的背景及发展概况，尤其对零转换 PWM技术的发展及其在 DC/DC变换器中的应用作了详细的论述。第二部分是对硬开关、传统的和改进的零电压转换 PWM Boost变换器进行参数设计和仿真分析。 第三部分是控制电路、驱动电路的设计及实验结果的分析。根据上述理论和 仿真分析可以得出主、辅开关管精确的开关时序，主开关管的驱动信号 和辅助开关管的驱动信号 直接由控 制芯片 UC3855供给。 本文最后全面总结了零电压转换 PWM变换器研究的成果，同时对未来的研 究作了初步的展望。 关键词 软开关；零电压转换；开关损耗；辅助开关管；有源功率校正 燕山大学本
5、科生毕业设计（论文） II Abstract High frequency soft-switched technology is an important subject of power electronics,which enables power converters to possess high efficiency、 high power density、 high reliability and little EMI,and it is a powerful approach of low cost and minimization of size and weight of
6、power supplies. At the conventional zero-voltage-transition (ZVT) PWM converter, the auxiliary circuit provides zero-voltage-switching (ZVS) condition for the main switch at wide line and load range with minimum voltage and current stresses. Whats more,the auxiliary circuitis parallel to the power c
7、ircuit, which substantially reduces the loss of the auxiliary circuit,but the auxiliary switch is hardly turned off, the turn-off loss is large.In order to reduce the turn-off loss,an improved zero-voltage-transition PWM converter is proposed,which achieves zero-voltage and zero-current switching fo
8、r both the main switch and auxiliary switch through some resonant components. This paper includes four parts.The first one is the operation principles and theory analysis.Above all,the back ground of soft-switched technique and development survey are introduced, the development and the application o
9、f zero transition technique to the DC/DC converters are discussed in detail.The parameters design and simulation analysis for the hard switching、 conventional and improved ZVT PWM Boost converters are done in the second part.The third part includes the design for the control circuit and drive circui
10、t and the experimental results analysis.The accurate on-off sequence for both the main switch and auxiliary switch is obtained according to theory and simulation analysis mentioned above.The drive signal of the main switch and the auxiliary switch are directly provided by control chip UC3855. This p
11、aper summarizes the research on the ZVT PWM converters,and the prospective work to be done about them is programmed in the end. Keywords Soft Switching； Zero Voltage Transition(ZVT)； Switching Loss；Auxiliary Switch； active power factor correction(PFC) 目录 III 目 录 摘 要 . I Abstract .II 第 1章 绪论 .1 1.1 课
12、题背景 .1 1.2 软开关技术的发展概况 .4 1.3 PFC 技术的发展 .5 1.4 本文的内容及课题的研究目的 .6 第 2章 主电路的研究 .7 2.1 传统的零电压转换变换器的工作原理及特性分析 .7 2.1.1 变换器的工作原理 .7 2.1.2 变换器损耗分析 .10 2.1.3 传统的 ZVT-PWM 变换器的参数设计 .13 2.1.4 仿真电路、仿真结果及分析 .15 2.2 改进型零电压转换 PWM 变换器 .18 2.3 本章小结 .22 第 3章 控制电路的研究 .25 3.1 PFC 技术简介 .25 3.2 UC3855A/B 的内部结构和工作原理 .26 3.
13、3 主要设计特点和电器参数 .27 3.4 利用 UC3855 作为控制电路芯片构成零电压转换变器 .28 3.5 本章小节 .29 结 论 .31 参考文献 .33 附录 1 .35 附录 2 .39 燕山大学本科生毕业设计（论文） IV 附录 3 .41 附录 4 .45 致谢 .49 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 电力电子学是研究电能变换 原理与变换装置的综合性学科，它利用半导体功率器件和无源功率元件、微处理器及大规模集成电路、变换理论、传感与信息处理技术、现代控制理论、 计算机仿真与辅 助设计技术，以功率变换电路为核心对电能进行变换和控制。电力电子技术经数十年的工程实践不断得
14、到发展和完善。以相控理论和 晶闸管 (SCR)为基础的大功率相控制整流和有源逆变装置，以脉宽 调制技术 (PWM、 SPWM)，计算机技术和高频功率器件为基础的无 源逆变装置、变频装置、高功率因数整流器、高频 DC/DC变换装置等己进入众多工业应用领域。以谐振理论为基础的超高频软开关变 换技术研究逐步达到实用阶段。 1.1 课题背景 传统 PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制 )DC/DC变换 器的基本电路主要包括 : 1 无电气隔离的 DC/DC变换器 :如降压式 (Buck)变换器、升压式 (Boost)变换器、升降压式 (Buck/Boost)变换器、 Cuk
15、变换器、 Zeta变换器和 Sepic变换器等。 2 有电气隔离的 DC/DC变换器 :如正激式（ Forward） 变换器、 反激式(Flyback)变换器、推挽 (Push-pull)变换器、半桥 (Half-bridge)变换器和全桥(Full-bridge)变换器等。 上述 PWM DC/DC变换器以其拓扑结构简洁、控制方式简单己在各输出功率的开关稳压电源上得到广泛应用。但传统 PWM DC/DC变换器中的功率开关器件均处于硬 开 关 (Hard switching)的工作方式，即功率开关器件的开通或关断是在功率开关器件的电压或电流不等于零 的状态下进行的。因此，该种工作方式会带来以下
16、缺点 : (1)开关损耗大 :图 1 1是硬开关工 作状态下功率开关器件的电 压电流波形图。从图中可以看到，功率开关器件在开通和关断时存在 电压和电流的交叠区，分别对应产生开通损耗 Ploss(on)和关断损耗 Ploss(off)，开通损耗与关断损耗总和称为开关损耗 (Switching loss)。 在一定条件下，变换器的功率开关器件在每个开关周期中的开关损耗 是恒定的，因此变换器的开关频率越高，功率开关器件的开关损耗就越大，变换器的效率也就越低。 燕山大学本科生毕业设计（论文 ） 2 (2)感性关断问题 :变换器电路中不可避免的存在感性元件，如 变压器漏感等寄生电感或实体电感。当功率开关
17、器件关断时，由于通 过 感性元件的di/dt很大，会产生很高的尖峰电压 u=Ldi/dt加在功率开关 器件的两端，容易造成功率开关器件电压击穿。 (3)容性开通问题 :变换器中的功率开关器件在关断时两端有电 压，这个电压取决于电源电压或负载电压。在功率开关器件中存在寄 生电容， 功率开关器件关断时的电压使寄生电容充电储存能量 221CUP当功率开关器件突然开通时，储藏在功率开关器件寄生电 容中的能量 P将瞬间全部耗散在功率开关器件内，容易引起功率开关 器件过热损坏。而且由于电压变化快，将产生严重的开关噪声。 (4)二极管反向恢复问题 :二极管在反向恢复其间，仍处于导通 状态，若与其串联的功率开
18、关器件此时立即开通，容易造成直流电源 的瞬时短路，产生很大的冲击电流。 (5)电磁干扰严重 :功率开关器件工作在硬开关状态时会产生高 di/dt 和dv/dt，导致严重的电磁干扰。 V cei c0 tt0P loss P loss(on)P loss(off)图 1 1 硬开关电压和电流波形图 与此同时，高频化、小型化和模块化是开关变换器的重要发展方 向之一，其中高频化是小型化和模块化的基础。开关变换器的高频化 可以使变换器中的变压器、电感等磁性元件和电容的体积、重 量大大 减小，提高变换器的功率密度。而硬开 关工作状态严重限制了开关变换器的高频化发展。为了实现变换器的 高频化，就必须使变换
19、器的功率开关器件不工作在硬开第 1 章 绪论 3 关状态，即实 现功率开关器件的软开关工作方式。 20世纪 70年代开始，人们将谐振技术用到高频开关中， 80年代 初美国VPEC(Virginia Power Electronic Center)的李泽元 (F.C.Lee)教授等人提出了软开关 (Soft switching)概念。软开关技术，简单说是指实现了功率开关器件在开通或关断的过程中，其上的电压或电流 等于零，其应用 谐振原理，使功率开关器件的电流和电压按正弦或准正 弦规律变化，实现功率开关器件的零电压开关 (Zero-voltage-switching简称 ZVS)或零电流开关(Ze
20、ro-current-switching简称 ZCS)，从而降低功率开关器件的开关 损耗。图 1-2是零电压开关和零电流开关的电压电流波形示意图。 从图 1-2中可以看到 : (1)在功率开关器件开通时，保持其上的电流为零，或者限制其 上电流的上升率 (如图 1-2.a)，可以实现功率开关器件的零电流开通， 从而减小了电流和电压的交叠区，减小开通损耗 ;同样在功率开 关器 件开通前，使其上电压下降到零 (如图 1-2.b)，可以实现功率开关器件的零电压开通，从而使开通损耗基本减小到零。如能同时实现零电流开通和零电压开通，功率开关器件的开通损耗将减小甚至完全消除。 (2)在功率开关器件关断前，使
21、其上的电流减小到零 (如图 1-2.a)，可以实现功率开关器件零电流关断，从而使关断损耗基本减小到零 ;同样在功率开关关断时，保持其上的电压为零，或者限制其 上电压的上升率 (如图 1 2.b)，可以实现功率开关器件零电压关断， 从而减小电流和电压的交叠区，减少关断损耗。如能同时实现零电流 关断和零电压 关断，功率开关器件的关断损耗将减小甚至完全消除 . 可见软开关技术是降低功率开关器件的开关损耗，实现变换器高频化的一种有效办法。理想情况下，软开关工作方式可以使开关损耗降为零，从而使开关频率的提高不再受开关损耗的限制。同时在软开 关方式中，功率开关器件开通前电压己下降到零，其上寄生电容上的 电
22、压也为零，从而解决了容性开通问题 ;同样，功率开关器件关断前电流己下降到零，线路电感中电流也为零，从而解决了感性关断问题。 另外，软开关工作方式使硬开关电路中的缓冲电路成为多余，减小了 变换器的电磁干扰 (EMI)，减小了功 率开关器 件的散热体积，提高了变换器工作的可靠性与效率。可以说软开关技术解决了硬开关状态下产生的诸多问题。因此软开关技术一经提出立即在电力电子领域引起了极大的兴趣和普遍重视，并随之发 展出多种软燕山大学本科生毕业设计（论文 ） 4 开关工作方式及各种具体的软开关电路。 tttP loss开通 关断v bev ce00v bev ce00tttP loss开通 关断 (a)
23、零电流开关 (b)零电压开关 图 1 2 软开关电压和电流波形图 1.2 软开关技术的发展概况 自 70年代以来，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软开技 术 。 软开关技术大致可以分为以 下几类 : (1)谐振变换 (ResonantConverters,RC)； (2)准谐振变 (QRC)和多谐振变换器 (MRC)； (3)零电压开关 (Zero-Voltage Switching,ZVS)PWM变换器 和零电流开关(Zero-Current Switching,ZCS)PWM变换器； (4)零电压转换 (Zero-Voltage-Transition,ZVT)PWM变换器和零电
24、流转换(Zero-Current-Transition,ZCT)PWM变换器。 各种高频软开关变换技术的发展过 程如表 1一 1.下 面大致介绍软开关技术的发展情况。 表 1-1 高频软开关变换技术的发展过程 序号 时间 名称 应用 1 70 年代 串联或并联技术 半桥或全桥电路 2 80 年代中 准谐振或多谐振技术 单端或桥式变换器 3 80 年代末 ZCSPWM 或 ZVSPWM 技术 单端或桥式变换器 4 80 年代末 移相全桥 ZVSPWM 技术 全桥变换器 250w 以上 5 90 年代初 ZCTPWM 或 ZVTPWM 技术 单端或桥式变换器 零转换 PWM技术比其它软开关具有很多突出的优点，因此零转换 PWM
