1、 武汉理工大学 毕业设计（论文） 题 目 ： 大功率隔离升压型 DC-DC 设计与研究 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 自动化 学生姓名： 指导教师： 武汉理工大学本科生毕 业设计（论文 )任务书 学生姓名 ： 专业班级： 自动化 指导教师： 工作单位： 自动化学院 设计 (论文 )题目 : 大功率隔离升压型 DC-DC 设计与研究 设计（论文）主要内容： 技术参数：研究低电压输入（ 30-80V），高电压输出（ 250-300V）， 纹波电压 1.25V，纹波电流 0.69A， 3kW 以上功率的大升压比、大功率、电压可控型 DC/DC 变换器。设计电路及控制策略。 要求完成的主要任
2、务 : 1学习 MATLAB 在电力电子技术中的应用； 2了解 DC-DC 的结构和工作原理； 3设计隔离 DC-DC 的主电路， 并计算电路中相关元件的参数和选型 ； 4设计 控制电路 ； 5在 MATLAB 中对 电路 进行仿真； 6撰写毕业设计论文，字数不低于 12000； 7完成外文文献翻译，字数约为 5000 左右。 必读参考资料： 1 林飞 ， 杜欣 .电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 .北京： 中国电力出版社， 2009 2 Abraham I.Pressman.开关电源设计 .北京 :电子工业出版社， 2005. 3 王兆安 ，刘进军 .电力电子技术 .北京：机械工业出版
3、社， 2009 4 陈坚 .电力电子学 电力电子变换和控制技术 . 北京：高等教育出版社， 2002. 指导教师签名： 系主任签名： 院长签名 （ 章 ） ： 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用是逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。 DC-DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。 直流 -直流（ DC-DC）变换器 ，能将一种直流电源变换
4、为另一种具有不同输出特性的直流电源，是开关电源的核心。一般按照电路拓扑的不同， DC-DC 变换器分为不带隔离变压器的 DC-DC 变换器和带隔离变压器的 DC-DC 变换器。其中 隔离 DC-DC变换 器 包括桥式、正激、反激、半桥和推挽五种 。 DC-DC 变换器的主要功能变换直流电压等级，隔离变压器则需要选取，其基本的作用是输入输出之间的隔离，也可进行变压。无论是哪一种 DC-DC变换器，主回路使用的元件都是功率半导体器件、电感、电容。目前使用的开关器件主要有 MOSFET、 IGBT 以及二极管等。电感、电容是 储存和传递电能的元件。 DC-DC 变换器的基本手段都是通过开关器件的通断
5、，使带有滤波器的负载线路与直流电源一会接通，一会断开，在负载上得到另一个等级的直流电压。 开关电源具有功率小、效率高、体积小、重量轻。线路形式多样等诸多优点，在信息、航天、家电、军事、交通等领域得到普通的应用，并取得明显的效果。 除计算机外，在各种电子设备中，开关电源应用得十分广泛。可以说，凡是电子设备，总是离不开电源，大凡电源，就用开关电源，这几乎成了规律 。 在中等功率以至较大功率领域，传统相控电源使用较多。但现在，使用开关电源已逐渐成为一 种趋势。由于开关电源的优势十分明显，其在电力操作电源、通信电源的应用也很成功，由于电力MOSFET 并联技术的发展，使它在焊接电源以至电镀电源中发展也
6、很成功，并已为市场所逐步接受。随着人们对开关电源技术研究的不断深入化，不但使小功率开关电源的性能进一步提高，并且在中等功率及以上的范围内使 这一技术大放异彩。目前，开关电源的应用范围越来越广。可以说，除了 很大功率范围以外，凡是用到直流电源的地方，人们都会想到采用开关电源，作为一项基础技术，开关电源技术必将占据更加重要的地位。 2、基本内容和技术方案 查阅文献资料 ，在了解和熟悉 DC-DC转换器的 结构、 功能以及发展现状的基础上，对任务进行相关资料的收集。 本文设计 研究低电压输入（ 30-80V），高电压输出（ 250-300V）， 3kW以上功率的大升压比、大功率、电压可控型 DC-D
7、C变换器 的 电路及控制策略。 首先， 对隔离电路进行分析，根据技术参数从中选出全桥电路作为主电路，将主电路分成逆变电路、变压器和整流滤波电路来分别分析，变压器作为隔离电路的重要部分，对其进行了详细的分析，计算相关元器件的参数。其次，为了减小损耗，逆变电路选择 PWM零电压电路通过 PWM波得变化来控制开关的 关断来产生高频交流方波，控制电路选取移相全桥型软开关电源控制集成芯片 UC3875来控制 PWM波，同时考虑相关的驱动、比较和保护电路。最后对电路进行了仿真，给出仿真波形。 完成字数不少于 1.2万字的毕业论文 。 3、进度安排 第 1 2周： 查阅资料，收集关于 DC-DC 的资料 ；
8、 第 3 4周： 翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告； 第 5 6周： 确定最终方案，并进行可行性分析； 第 7 9周： 完成电路的设计 ； 第 10 11 周： 仿真调试 ，根据结果完善系统； 第 12 15 周： 完成论文撰写； 第 16 周： 论文答辩； 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 武汉理工大学毕业设计（论文） 目 录 摘要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 开关电源主要类型 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 开关电源技术的发展及现状 . 2 1.1.2 开关电源技术发展趋势 . 3 1.3 主要研究内容 . 4 2
9、隔离 DC-DC 电路拓扑结构设计 . 5 2.1 五种隔离电路原理 . 5 2.1.1 正激电路 . 5 2.1.2 反激电路 . 6 2.1.3 半桥电路 . 7 2.1.4 全桥电路 . 9 2.1.5 推挽电路 . 10 2.2 主电路比较与选型 . 11 2.2.1 电路的比较和应用分析 . 11 2.2.2 整流电路的比较与分析 . 11 3 隔离 DC-DC 电路的参数设计 . 12 3.1 变压器的设计 . 12 3.1.1 变压器的相关参数 . 12 3.1.2 变压器参数的计算 . 14 3.2 输出整流电路的设计 . 15 3.2.1 输出整流电路相关参数 . 15 3.
10、2.2 整流二极管参数 . 15 3.3 滤波电路的设计 . 16 3.3.1 输出滤波电路的设计 . 16 3.3.2 输出滤波电路参数 . 18 3.4 逆变电路的设计 . 18 3.4.1 功率开关器件的选型 . 19 3.4.2 开关元件的设计 . 19 4 控制电路的设计 . 20 4.1 移相 PWM 控制芯片 UC3875 的特性 . 20 武汉理工大学毕业设计（论文） 4.2 驱动电路设计 . 22 4.3 反馈电路结构 . 22 4.4 保护电路的设计 . 23 5 电路的仿真 . 24 5.1 逆变电路仿真 . 24 5.2 总电路的仿真 . 25 总结与展望 . 27 参
11、考文献 . 28 附录 1：电路图 . 29 附录 2：逆变电路仿真模型 . 30 附录 3：电路仿真模型 . 31 致谢 . 32 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘要 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源 。 直流 -直流变换器，能将直流电 变换为其他形式的电 ， 一方面将直流电变成交流电以供使用，另一方面将直流电变成所需要的不同特性的直流电。 是开关电源的核心。 本文 设计 研究低电压输入（ 30-80V），高电压输出（ 250-300V）， 3kW 以上功率的 大升压比、大功率、电压可控型 DC/DC 变换器 的 电路及控制策略。
12、 首先， 对隔离电路进行分析， 根据技术参数 从中选出全桥电路作为主电路，分析 逆变电路、变压器和整流滤波电路。其次， 为了减小损耗 ，逆变电路选择 PWM 零电压电路 通过 PWM 波得变化来控制开关的关断来产生高频交流方波，变压器作为隔离电路的重要部分，文中对其进行了详细的分析和设计，并进行相关的数据计算和分析。最后对电路进行了仿真，给出仿真波形 。 关键词 ：开关电源 ； 大功率 ； 隔离 ； 变压器 武汉理工大学毕业设计（论文） II Abstract Switching power supply is the use of modern power electronics, cont
13、rol switches on and off time ratio of the output voltage to maintain a stable power supply. DC - DC converter, able to transform into other forms of direct current electricity, while the direct current into alternating current for use, on the other hand will need to direct current into direct curren
14、t of different characteristics. Is the core switching power supply. In this paper the design of low voltage input (30-80V), high-voltage output (250-300V), 3kW or more power than the big boost, power, voltage controllable DC / DC converter circuits and control strategies. Analysis of the isolation c
15、ircuit, according to the technical parameters to choose the full-bridge circuit as the main circuit of inverter circuits, transformer and rectifier filter circuit, To reduce the loss, zero voltage PWM inverter circuit selected by the change of PWM wave control switch was turned off to generate high
16、frequency AC square wave, transformer isolation circuit as an important part of this paper were carried out detailed analysis and design, and associated data calculation and analysis. Finally, circuit simulation, the simulation waveform. Keywords： switching power supply； power； isolation； transforme
17、r武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 电源是所有用电设备的心脏，为设备提供动力。开关电 源处于电源技术的核心地位，近十年来有了突飞猛进的发展。按照目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源，因此，开关电源也称为高频开关电源 1。 直流开关电源是各种电源中应用范围最广和市场最大的一种，包括 AC/DC 和 DC/DC。直流开关电源经过几十年的发展，集中了许多高新技术，包括新型功率半导体器件、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术，已经形成高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性等为特征的现代直流开关电源。 近年来，许多领域，如邮电通讯
18、、军事装备、 交通设备、仪器设备、工业设备、家用设备等方面越来越多地应用开关电源并取得显著效益。开关电源的迅速发展得益于巨大的市场需求。此外，电子器件，磁性材料，变换技术，控制理论等技术的发展及仿真软件的不断涌现与日趋完善，也使得开关电源的研发制造水平大大提高。 1.1 开关电源主要类型 现代开关电源 有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。 主 要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源，如市电电源或 蓄电池 电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电 源 1。 直流开关电源的核心 是DC-DC 转换器 。因 此直流开关电源的分类是依赖 DC-DC 转换器分类的。
19、也就是说，直流开关电源的分类 与 DC-DC 转换器的分类是基本相同的， DC-DC 转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类 。 直流 DC-DC 转换器按输人与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是没有隔离的称为非隔离式 DC-DC转换器 ； 另一类有隔离的称为隔离式 DC-DC转换器 2。 非隔离式 DC-DC转换器， 根据电路形式的不同，可以分为 降压式 （ Buck） DC-DC转换器 ，升压式（ Boost） DC-DC转换器、升压降压式 （ Buck Boost） DC-DC转换器、丘克（ Cuk） DC-DC转换器 等 2。 隔离式 DC-DC 转换器可以按有源功率器件的个
20、数来分类。单管的 DC-DC 转换器有正激式和反激式两种。双管 DC-DC 转换器有双管正激式，双管反激式、推挽式和半桥式四种。四管 DC-DC 转换器就是全桥 DC-DC 转换器 。 隔离 离式 DC-DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常 采用变压器 来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出 。 在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关 管的数量成正比。所以开关管数越多， DC-DC 转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的 1/4。 武汉理工
21、大学毕业设计（论文） 2 DC-DC 转换器也可以分为自激式和他控式。 按照开关管的开关条件， DC-DC转换器又可以分为硬开关（ Hard Switching）和软开关（ Soft Switching）两种。 1.2 国内外 研究 现状 1.2.1开关电源技术的发展及 现状 1955 年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端。 1957 年美国查赛发明了自激式推挽双变压器。在 1964 年美国科学家 提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到 1969 年终于做成了 25 千赫的开关电源。 这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研
22、究成了国际会议的热 门课题 2。 自 20世纪 60 年代开始得到发展和应用的 DC-DC 功率变换技术，其实是一种硬开关技术。 60 年代中期，美国已研制成 20kHz DC-DC 变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了 50Hz 工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅度减小，电源效率和输出直流电的质量得以提高。到 70年代初期，这种技术已在先进国 家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件的非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在 1977 年左右进入控制电路集成化阶段。这标志着开关电源的重大进步。 80年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的 48V
23、成套电源，即目前所谓的开关电源(SMP-Switch Mode Power)或开关整流器 (SMR-Switch Mode Rectifier)。 70 年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软开关技术。在 70 年代，最先出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器 (Resonan converters)。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器 (Series resonant converters,SRCs)和并联谐振变换器 (Parallel resonant converters PRCs)两类。此类变换器一
24、般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直处于谐振工作状态，参与能量变换的全过程。准谐振变换器 (Quasi-resonant converters,QRCs)和多谐振变换器 (Multi resonant converters,MRCS)出现在 80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。 80年代末出现了零开关 PWM 变换器 (Zero switching PWM converters)，它可以分为零电压开关 PWM 变换器 (Zero-voltage-sw
25、itching PWM converters)和零电流开关 PWM 变换器(Zero-current-switching PWM converters)两种。它们采用的 是 PWM 控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的 1/10-1/50。 90 年代初出现了零转换 PWM 变换器 (Zero transition converters)。它也分为零电压转换 PWM 变换器 (Zero-voltage-transition converters)和零电流转换 PWM 变换器（ Zero-current-transition converters)两种 2。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作在 PWM 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时 间则停止工作。其损耗
