全桥移相开关电源设计(2)

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1、摘 要上世纪60年代开始起步的PWM功率变换技术出现了很大的发展，但由于其通常采用调频稳压控制方式，使得软开关的范围受到限制，且其设计复杂，不利于输出滤波器的优化设计。本文介绍了由UC3875构成的相移式PWM 控制器的工作原理，并在此基础之上进一步设计了由UC3875构成的全桥移相零电压开关（ZVS）PWM 开关电源。该电路能以隔离方式驱动功率MOSFET，从而提高了电路的稳定性；由于采用了ZVS 技术使电路在高频情况下能够大大减小开关损耗，提高了整个电路的工作效率。阐述了零电压开关技术(ZVS)在移相全桥变换器电路中的应用。分析了电路原理和各工作模态，着重分析了开关管的零电压开通和关断的过

2、程实现条件，并且提出了相关的应用领域和今后的发展方向。本文选择了全桥移相控制ZVS-PWM谐振电路拓扑，阐述了零电压开关技术(ZVS)在移相全桥变换器电路中的应用。分析了电路原理和各工作模态。关键词：零电压开关技术、全桥移相控制、谐振变换器Abstract60s of last century to start the PWM power conversion technology had major development, but because of its frequency regulator control method commonly used to make soft-swi

3、tching range is limited, and the complexity of its design is not conducive to optimal design of output filter. This article describes the composition of the UC3875 phase shift PWM controller works, and on this basis for further design composed by the UC3875 phase shift full-bridge zero voltage switc

4、hing (ZVS) PWM switching power supply. To isolate the way the circuit can drive the power MOSFET, thereby enhancing the stability of the circuit; As a result of high-frequency ZVS technology to the circuit in case of switching losses can be greatly reduced, improving the efficiency of the entire cir

5、cuit. Zero-voltage switching technology described (ZVS) phase shifted full bridge converter in the circuit application. Analysis of the circuit and the working mode. Analyzes the zero-voltage switch turn on and off conditions of the process of implementation. And put forward the relevant application

6、 areas and future development direction. This selected phase shift control full bridge ZVS-PWM resonant circuit topology, zero voltage switching technology described (ZVS) phase shifted full bridge converter in the circuit application. Analysis of the circuit and the working mode. Key words: zero-vo

7、ltage switching technology， full-bridge phase-shifting control，resonant converter 目 录摘 要1ABSTRACT2第一章 引言41.1开关电源简介41.2开关电源的发展动向41.3本设计的主要内容5第二章 相关电力电子器件介绍62.1 二极管62.2双极型晶体管72.3光电三极管82.4场效应管8第三章 UC3875原理和应用103.1 uc3875简介103.1.1 uc3875各个管脚简要说明103.1.2 uc3875的特点123.2 UC3875的应用12第四章 PWM控制技术144.1 PWM控制144

8、.1.1 PWM控制的基本原理144.1.2 PWM控制具体过程154.1.3 PWM控制的优点154.1.4 几种PWM控制方法164.2 PWM逆变电路及其控制方法184.2.1 计算法和调制法184.2.2 异步调制和同步调制21第五章 电力变换电路介绍235.1整流电路235.1.1 桥式不可控整流电路235.1.2 单相桥式全控整流电路245.2 逆变电路255.2.1逆变电路的基本工作原理265.2.2电压型逆变电路26第六章 ZVS-PWM全桥移相开关电源设计286.1 电路图设计286.2电路图原理28总 结32致 谢33参考文献34第一章 引言1.1开关电源简介开关电源是利用

9、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，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发

10、展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。 开关电源的三个条件1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频 3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC

11、和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。1.2开关电源的发展动向开关电源在发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技

12、术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低

13、噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。1.3本设计的主要内容利用相移脉宽调制零电压谐振技术和相移脉宽调制谐振控制器UC3875的性能及在其在功率变换中的应用。采用UC3875 设计全桥零电压软开关功率变换电路,控制电路简单,性能稳定可靠,效率达90%。本文第二、三、四章介绍了相关电力电子期间，整流、逆变电路基础知识，UC3875的特性以及P

14、WM控制技术。第五章系统的阐述了本设计的全部内容，重点介绍了ZVS逆变电路的各个状态的工作模式，系统的分析了UC3875控制电路设计原理，并对电压检测反馈电路和过电流保护进行了设计和分析，使电路的稳定性和安全性进一步提高。第二章 相关电力电子器件介绍在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路被称为主电路。电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。同我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。但是，自20世纪50年代以来，除了在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用真空管外

15、，基于半导体材料的电力电子器件已逐步取代了以前的汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为电能变换和控制领域的绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。与普通半导体器件一样，目前电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。2.1 二极管将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。与PN结一样，二极管具有单向导电性。但是，由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流；在大电流情

16、况下，这种情况更为明显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的电流增大。实测二极管的伏安特性时发现，只有在正向电压足够大时，正向电流才从零隋端电压按指数规律增大。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压UON。当二极管所加反向电压的数值足够大时，反向电流为Is。反向电压太大将使二极管击穿，不同型号二极管的击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏。稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。稳压管有着与普通二极管相似的伏安特性，其正向特

17、性为指数曲线。当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时则击穿，击穿区的曲线很陡，几乎平行于纵轴，表现出很好的稳压特性。只要控制 流不超过一定值，管子就不会因为过热而损坏。稳压管的符号如图2.1所示。 图2.1 二极管符号2.2双极型晶体管双极型晶体管（BJT）又称晶体三极管、半导体三极管等，后面简称晶体管。晶体管分为小功率管，中功率管，大功率管。根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成晶体管。采用平面工艺制成的NPN型材料晶体管为于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度很低；位于上层的N区是发射区，掺杂浓度很高；位于下层的N去是集电区，因而集电结面积很大；晶体

18、管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关。它们所引出的三个电极分别为基极b、发射极e和集电极c。图2.2(a)所示为NPN型管和PNP型管的符号。 图 2.2(a) 晶体管符号放大是对模拟信号最基本的处理。在生产实际和科学实验中，从传感器获得的信号都很微弱，只有经过放大后才能作进一步的处理，或者使之具有足够的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的核心原件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。图2.2（b）所示为基本的放大电路，Ui为输入电压信号，它接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极-发射极回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的

19、公共端，故称该电路为共射放大电路。因为晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置，所以在输入回路应加基极电源VBB；在输出回路应加集电极电源VCC。VBB和VCC的极性应如图2.2(b)所示，且VCC大于VBB。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。 图2.2（b）基本共射放大电路2.3光电三极管光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小,其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连,并仅引出集电极与发射极。如图2.3(a)所示,其符号如图(b)所示,常见外形如图(c)所示. 图2.3（a）等效电路图 (b) 符号 (c)实物图光电三极管与普通三极管

20、的输出特性曲线想类似，只是将参变量基极电流IB用入射光照度E取代，如图2.3（d）所示。无光照时的集电流称为暗电流ICEO，他比光电二极管的暗电流约大两倍；而且受温度的影响很大，温度每上升25。ICEO上升约10背。有光照时的集电极电流称为光电流。当管压降UCE足够大时,ic几乎仅仅决定于入射光照度E。对于不同型号的光电三极管，当入射光照度E为1000lx时，光电流从小于1000mA到几毫安不等。使用光电三极管时，也应特别注意其反向击穿电压、最高工作电压、最大集电极功耗等极限参数。 图2.3（d）光电三极管的输出特性曲线图2.4场效应管场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半

21、导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高达107-1012，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，且比后者耗电省，这些优点使之从60年代诞生起就广泛地应用于各种电力电路之中。如果在制造MOS管时，在SiQ2绝缘层中掺人大量正离子，那么即使UGS=0，在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层，即漏一源之间存在导电沟道，只要在漏一源间加正向电压，就会产生漏极电流，如图2.4(a)所示。并且UGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，iD增大；反之，UGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，iD减小

22、。而当UGS从零减小到一定值时，反型层消失，漏一源之间导电沟道消失，iD=0。此时的UGS称为夹断电压U(off)。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值；但是，前者只能在UGSuc时使V4通，V3断，uo=Ud，当uruc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，V1保持断，V2保持通，当uruc时使V3断，V4通，uo=0，虚线uof表示uo的基波分量。波形见图4.2.1（b）。双极性PWM控制方式（单相桥逆变）：在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件

23、通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud，当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。波形见图4.2.1（c）。图4.2.1（a）单相桥式PWM逆变电路 图4.2.1（b）单极性PWM控制方式波形 图4.2.1（c）双极性PWM控制方式波形4.2.2 异步调制和同步调制载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调

24、制：1、异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称的不利影响都较小，当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。2、同步调制同步调制N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲

25、数固定。三相，公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。当N=9时的同步调制三相PWM波形如图4.2.2（a）所示。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除，fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制的方法。3、分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。图4.2.2（b），分段同步调制一例。为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调

26、制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。图4.2.2（a）同步调制三相PWM波形图4.2.2（b）分段同步调制方式举例第五章 电力变换电路介绍5.1整流电路整流电路把交流电压变换为单极性电压的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视

27、具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。 整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样。 按其组成器件可分为不控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。其中，半控整流电路和全控整流电路按其控制方式又可分为相控整流电路和斩波整流电路（见电力电子电路）。相控整流电路由于采用电网换相方式，不需要专门的换相电路，因而电路简单、工作可靠，得到广泛应用。但相控整流电路在控制用较大时，功率因数较低，网侧电流谐波含量较大。因而在大功率调速传动中，低速运行时，采用斩

28、控整流电路可解决功率因数变坏的问题。 按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为单拍电路和双拍电路；实用电路是上述的组合结构。5.1.1 桥式不可控整流电路如图5.1.1所示桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。 半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。 桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导

29、通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。 桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步。桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。 图5.1.1桥式整流器5.1.2 单相桥式全控整流电路1、带负载时的工作情况在图5.1.2（a）所示的单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周(即a点

30、电位高于b点电位)，若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VTl、VT4串联承受电压u2，设VTl和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在u2负半周，仍在触发角处触发VT2和VT3（VT2和VT3的=0位于wt=处），VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环地工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1和VT4两端电压波形分别如图5.1.2（b）所示。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u2一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉冲整流电路。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，如图5.1.2（b）所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。 图5.1.2（a）带电阻负载单相桥式电路图 （b）波形图2、带阻感负载的工作情况电路图如图5.1.2（c）所示。为便于讨论假设电路已工作于稳态。在u2正半周期，触发角处给晶闸管VT1和VT4