1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 一种移相全桥软开关 DC-DC 开关电源设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 软开关技术是指利用谐振的方法 ， 使开关器件中的电流或电压按正弦变化，从而使功率变换器得以高频化的一种技术 。 它相对于硬开关技术，具有零电压开关的特点，损耗低，电磁干扰小。 移相控制零电压开关 PWM 变换器就是软开关PWM 技术中的一种拓扑，它适用于中、大功率 DC-DC 变换场合。 本文比较系统地剖析了移相控制零电压开关 PWM 变换器的基本原理，分析了实现零电压开关的条件和实现策略， 对照实物，详细
2、分析了一种全桥拓扑方案的电路系统，用 IRFP460LC 型号 MOSFET 作为主功率电桥 开关管， UC3895 作移相 PWM 产生芯片，开关频率达到 100KHz，避免了噪声 干扰，该电源输入为单相 380V/50Hz 交流，输出为 200V 直流 ，变换效率可达到 85%以上。 关键词： DC-DC ,移相 PWM， UC3895 II A design of shift in the whole bridge with soft switch DC - DC switch power Abstract Soft-switching technology is the technol
3、ogy ,by using the principle of resonance, which makes the switching device in accordance with sinusoidal current or voltage changes, so that the frequency of the power can converter to high frequency. Compared with the traditional PWM hard-switching technology,it owns zero voltage switching characte
4、ristics, low loss, electromagnetic interference small. Phase-shifted zero-voltage-switching PWM converter (PS-ZVS-PWM converter) is one of the topologies using soft-switching PWM technique, and is suited for middle to high power DC-DC. This dissertation analyzes the operation principle of PS-ZVS-PWM
5、 converter systemically. The realization conditions and ways of ZVS . It makes a detailed analysis on the bridge of some major topological scheme design by according a prodect. UC3895 is used as controlling IC,IRFP460 is used as power MOSFET and the switching frequency is 100KHZ that avoid the borin
6、g yawp. The power input SP(single phade ) 380V/50HZ AC and get 220V DC output . The efficiency of the power can even achieve 85%. Keywords:DC-DC, Phase-shifted PWM,UC3895 III 目录 一种移相全桥软开关 DC-DC开关电源设计 . I 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1引言 . 1 1.2软开关技术国内外发展现状 . 1 1.3概述 . 2 1.3.1开关电源开关损耗的成因 . 2 1.3.
7、2软开关技术 . 3 1.4课题主要研究内容 . 4 2移相控制软开关 PWM DC/DC全桥变换器的基本理论 . 5 2.1 PWM技术 . 5 2.2 移相 PWM . 5 2.3 DC-DC全桥变换器 . 6 2.4移相控制 ZVS PWM DC-DC全桥变换器的工作原理 . 6 3方案设计和总体设计 . 11 3.1方案设计计划 . 11 3.2方案评价 . 11 3.3总体设计 . 12 4各模块设计与实现 . 13 4.1软开关电路 . 13 4.1.1 控制芯片 UC3895及其驱动电路 . 13 4.1.2高频变压器的设计 . 15 4.1.3输入整流滤波电路 . 16 4.1
8、.4输出整流滤波电路 . 16 4.1.5器件的选择 . 18 4.2保护电路与辅助电源 . 18 4.2.1测试点选择 . 18 4.2.2反馈电路 . 19 4.2.3过压保护 . 20 4.2.4过流保护 . 20 4.2.5辅助电源的设计 . 21 5实验结果 . 23 5.1实验数据采集 . 23 IV 5.2硬件实物照片 . 23 结论 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 错误 !未定义书签。 一种移相全桥软开关 DC-DC 开关电源设计 1 1 绪论 1.1 引言 近年来，随着计算机的普及和航空航天技术、数据交换系统、邮电通信等事业的迅速发展，人们对电源装置的需求量越来越大，
9、并且对电源装置的性能、效率、体积、可靠性也有了更高的要求。开关电源以其体积小、效率高、可靠性好的优点慢慢取代了传统的线性电源。但是要实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性并减小体积和重量，就必须实现开关电 源的高频化。而开关频率越高，产生的损耗也越大。软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或者加于其上的电压为零，或者加于其上的电流为零，或者电压电流都为零。 软开关技术是指利用谐振的原理 , 使开关器件中的电流或电压按正弦规律变化，从而使功率变换器得以高频化的一种技术。 它相对于硬开关技术，具有零电压开关的特点，损耗低，电磁干扰小。 它可以解决硬开关变换器中的感性关断、硬开关损耗、容性开通及
10、二极管反向恢复性能等问题，而且还能避免由硬件开关引起的 EMI 等问题 1。这种开关方式显著地减小了开关损耗在开关过程中的震荡 ，可以大幅度地提高开关频率，为开关电源小型化、高效率创造了条件。 1.2 软开关技术国内外发展现状 开关电源的课题中，做了大量的理论研究和工程实践，取得了非常丰硕的成果。国外很早就开始研究高频开关电源变压器，研究频率在八十年代就已经在 1 10MHz， 现在国外 0.53MHz 的高频开关电源已实用化，文献 2报道的2MHz、 50W 变压器的几何线度只有 1.3cm 左右。目前，我国研究的大部分开关变压器在 500kHz 以下，只有少数几个单位研究频率在 500kH
11、z 以上 3。已有的研究表明，除了要有适于高频 (0.53MHz)工作的磁芯材料之外，高频开关电源变压器的设计对其性能有极其重要的影响。这对我国的高频开关电源和整机系统的发展都是至关重要的。 国内高校和科研单位对该领域进行了深入的研究，西安交通大学王兆安教授对高频零电压 DC-DC 全桥变换器进行研究并做出了实验样机；江苏大硕士学位论文 ZVZCS PWM DC-DC 全桥功率变换器样机，对此些问题都进行了比较深入的探讨。严仰光教授课题组于 1996 年做出了实物 4。遗憾的是，国内大多是对国外的先进拓扑进行改进，少有基于新的思路的全新拓扑 5。 一种移相全桥软开关 DC-DC 开关电源设计
12、2 目前从国内外对全桥高频 软开关 DC-DC 变换器的研究来看，高频软开关DC-DC 变换器大致可分为三类 ： 一是全桥零电压开关 PWM DC-DC 变换器即FB-ZVS-PWM； 二是全桥零电流开关 PWM 变换器即 FB-ZCS-PWM；三是全桥零电压零电流开关 PWM 变换器即 FB-ZVZCS-PWM。第一类拓扑存在滞后桥臂零电压困难和原边环流大以及变压器占空比丢失等问题；第二类拓扑是全桥四只开关管都采用零电流开关但是目前该类拓扑仍处于实验室样机试验阶段，未见成熟地应用于实践中；第三类拓扑仍存在少许占空比丢失、超前臂零电流开关实现难和输出整流管电压 过冲以及振荡问题。 总结国内外的
13、研究成果，未来软开关全桥 PWMDC-DC 变换器发展趋势主要有 ： 1)四只能实现零电流开关管是高压大功率全桥 PWM 变换器的趋势； 2)针对传统控制系统的不可靠性，采用数字控制的方法，利用 DSP 信号处理器的运算速度快、计算精度高、性价比高、编程灵活等特点，可以满足对高质量变换器的可靠性和实时控制的要求 ； 3)无谐振网络的软开关功率变换器； 4)应用一些诸如滑模变结构等优良的控制算法 4。 1.3 概述 1.3.1 开关电源开关损耗的成因 广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一 种直流电压转变为另一种直流电压的主电路都叫做开关变换器电路 ( Converter )，转变时用自动控
14、制闭环稳定输出，并有保护环节则称开关电源 (Switching-power-supply ) 6 。 半导体开关器件的开关过程不是瞬时完成的，需要一定时间。在这个时间内，在开关器件两端出现既有电压又有电流的状态，电压和电流有一个交叠区，从而产生损耗，称之为开关损耗。 一般的开关电源组成：交流输入电压经过输入滤波器（防电磁干扰），通过整流、滤波后变为直流电压，此直流电压通过开关器件 即 DC-DC 变换，变为高频 脉冲 AC 电压，高频脉冲电压经过高频变压器进行隔离、变压，然后经过二次整流与输出滤波的平滑后变为直流电压输出。通过比较电路，把直流输出电压与基准电压进行比较，其电压差通过运算放大器、
15、占空比调制电路控制开关元件的开通 /关断时间，从而调节输出直流电压。 一种移相全桥软开关 DC-DC 开关电源设计 3 1.3.2 软开关技术 所谓软开关，通常是指零电压开关（ ZVS）和零电流开关（ ZCS）。理想的软启动过程是电压先下降到零，然后电流慢慢上升至通值，因此开通损耗接近零。因为器件开通前电压已经下降到零，器件结电容上的电压也为零，所以很好地处理了容性开通问题。理想的软关断 过程是电流先下降，直到为零，电压再缓慢上升到断值，所以关断损耗也为零。由于关断前功率管电流已经下降到零，即线路电感中的电流也为零，所以解决了感性关断问题 7。 软开关包括软启动和软关断 ： 软启动指零电流启动
16、和零电压启动 ;软关断指零电流关断和零电压关断，可通过驱动脉冲的时序进行判断。 零电压关断 ： 在 t1 时刻，给出关断命令，开关器件的电流从通值下降到断值后，端电压从通值上升到断值，功率管截止。在 t2 前，开关器件的端电压约等于零。 零电流关断 ： 在 t2 时刻或 t2 后，给出关断命令，开关器件端电压从通值上升到断值， 功率管截止。 零电流启动 ： 在 t1 时刻，给出开启命令，开关器件端电压从断态值下降到通态值以后，电流从断值上升到通值，功率管导通。在 t2 前开关器件电流约等于零。 零电压启动 ： 在 t2 时刻或 t2 后，给出开启命令，开关器件电流从断值上升到通值，功率管导通。
17、在 t2 以前，开关器件端电压必须下降到零，并在电流上升到通值以前维持在零。 图 1.1 软开关 Mosfet 的理想波形和硬开关波形 一种移相全桥软开关 DC-DC 开关电源设计 4 1.4 课题主要研究内容 本文研究的内容及要解决的问题分为五章来阐述 ： 第一章绪论。介绍开关电源 开关损耗的成因 ， 软开关技术，以及 软开关技术国内外发展现状。 第二章移相控制软开关 PWM DC/DC 全桥变换器的基本理论。介绍了基本的全桥 PWM 变换器的工作原理及移相控制 ZVS PWM 全桥变换器的基本特点。 第三章 PWM 方案设计与总体设计。给出了方案设计及其评价，以及总体设计结构框图。 第四章
18、 各模块设计与实现 。详细介绍了主电路模块，控制电路模块以及辅助电源模块的组成和参数选用。 第五章实验结果。给出实验结果并对本文的工作进行了小结，并提出了一些难点及今后进一步要做的工作。 一种移相全桥软开关 DC-DC 开关电源设计 5 2 移相控制软开关 PWM DC/DC 全桥变换器的基本理论 2.1 PWM 技术 所谓 PWM( Pulse-width-modulation)技术，就是在周期不变的条件下，利用改变脉冲波形的宽度（或用占空比表示），甚至可以将脉冲波形斩切为若干段，以达到抑制谐波目的一种方法。采用 PWM 构成的变换器，输入为固定不变的直流电压，通过 PWM 在同一个变换器中
19、实现调压和恒频。这种变换器只有一个可控的功率级，简化了主电路和控制电路的结构，因而具有体积小、重量轻、可靠性高的特点。又因为它即能调压又能恒频，所以调节速度快、动态响应好。此外，采用 PWM 技 术不仅能提供较好的变换器输出电压和电流的波形，而且提高了变换器对交流电网的功率因数。 PWM 开关技术以其电路简单，控制方便而获得广泛的应用。 2.2 移相 PWM 移相式 PWM 控制器能在传统 PWM 基础上加以改进，通过移相使全桥的四个开关管轮流导通（共 2 种，每次 2 个开关管）。在同一桥臂的两个开关管轮流导通过程中，可以通过开关管的输出寄生电容和变压器漏感特性组成谐振源使电容上的电压快速速
20、度放电，确保开关管处于零电压开关状态（ ZVS），从而防止开关工作过程中电压和电流的重叠 8。在移相全桥开关电路中，驱动信息不 仅需要要驱动全桥对角臂，还要使两个对角桥臂的导通有一定的时间延时，有效占空比一般由延迟时间控制。因为两个桥臂的开关元件不是同时被驱动，需要精确地设置“移相”导通波形之间的延迟时间，延迟时间受调与谐振腔控制电路的电压回路，最后充当两个驱动信号的移相信号，此时变压器上串联的两个开关管的上半桥或下半桥一般处于导通状态，变压器在开关管（一般是MOS 管）导通时的电压为零，即变压器的初级端处于短接状态，并钳位初级的电流火电压也保持原值。当半桥中的一个开关管经适当的延迟关断后，变压器的初级电流再次流回该开关管的输出寄生电 容，从而与开关器件的漏极电压谐振，因为反向电压的作用，使对角臂开关上的电压为零，从而保证了零电压开关工作状态。
