毕业论文（设计）-基于UC3895的移相全桥变换器设计

坍 糸玫 工f虼 毕业 设计 （论 文） 选编 （ 20彳 0届）基于UC3895的移相全桥变换器设计自 动化 专业 刘荣 辉指 导教 师荣 军讲 师摘 要： 本文 分析 了移 相全 桥变 换器 的基 本工 作原 理， 以及 完成 了移 相全 桥变 换器 主要 元件 参数 的设 计。 同时 设计 了 基于 UC3895的大 功率 移相 全桥 零电 压变 换器 的电 路。 基于 OrCAD/PSpice仿 真平 台对 相关 电路 的仿 真进 行了 分析 。 实 验结 果验 证了 参数 设计 的正 确性 和移 相全 桥软 开关 变换 器的 可行 性。关 键词 ：移 相全 桥变 换器 ；参 数设 计； 仿真 ； UC3895Abstract: Based on the analysis of the principle of phase-shift full-bridge converters, the paper has finished the design of the main components of phase-shifted full-bridge converters. Meanwhile, a kind of circuit with high power PS-FB Zero-Voltage Switching converter is designed based on the UC3895. On the basis of the OrCAD/PSpice simulation platform, the simulation of related circuits is analyzed. The experiment results verify the proper design of parameter and the feasibility of phase-shifted full-bridge soft switched converterKey words: Phase-shifted full-bridge converter; design of parameter; simulation; UC38951绪论1.1开关 电源 概述1.1.1开 关电 源的 定义 和意 义随 着电 力电 子技 术的 发展 ，电 力电 子设 备与 人们 的工 作、 生活 的关 系日 益密 切， 而电 子设 备都 离不 开可 靠的 电源 。 进 入 20世 纪80年代 计算 机全 面实 现了 开关 电源 化， 率先 完成 计算 机的 电源 换代 ，进 入 20世 纪90年代 ，开 关电 源在 电 子 、电 气设 备、 家电 领域 得到 广泛 的应 用， 开关 电源 技术 进入 了快 速发 展时 期 。电 源是 电子 设备 不可 或缺 的组 成部 分， 所有 电子 电路 均是 在电 源的 支持 下工 作的 【 2】 。电 子设 备使 用的 电源 大致 有线 性 电源 、开 关电 源两 大类 ，这 两类 电源 由于 各自 的特 点而 被广 泛应 用。 开关 电源 是开 关稳 压电 源的 简称 ，就 是利 用电 子 开 关器 件（ 如晶 体管 、场 效应 管、 可控 硅闸 流管 等） ，通 过控 制电 路， 使电 子开 关器 件不 停地 “接 通”和“关断 ”， 让电 子开 关 器件 对输 入电 压逬 行脉 冲调 制， 从而 实现 DC/AC、DC/DC电 压变 换， 以及 输出 电压 可调 和自 动稳 压【 3】。线 性电 源的 优点 是稳 定性 好、 可靠 性高 、输 出电 压精 度高 、输 出纹 波电 压小 。它 的不 足之 处是 要求 采用 的工 频变 压 器 和滤 波器 ，它 们的 重量 和体 积都 很大 ，并 且调 整管 的功 耗比 较大 ，使 电源 的效 率大 大降 低， 一般 情况 不会 超过 50%。 与 线性 稳压 电源 相比 ，开 关电 源功 耗小 ，效 率高 ；体 积小 ，重 量轻 ；稳 压范 围宽 ；可 靠性 好； 成本 低的 优势 。当 然， 开 关 电源 的主 要缺 点是 电路 比较 复杂 ，输 出电 压的 纹波 较高 ，瞬 态响 应差 ，电 源输 入端 的滤 波如 果做 得不 好， 会对 电网 产 生 开关 干扰 。因 此， 目前 除了 对直 流输 出电 压的 纹波 要求 极高 的场 合以 外， 开关 电源 己取 代了 线性 稳压 电源 。随 着微 电 子 技术 和计 算机 技术 在通 信设 备中 的广 泛应 用， 各类 先进 设备 对电 源装 置的 要求 也越 来越 高。开 关电 源的 基本 组成 可以 用图 1-1表 示交 流电 压 流 电 压 也 流 屯 压整 流 电 路 - 脉 冲 方 式 的 电 压 变 换 电 路 - 滤 波 电 路272图 1-1开 关稳 压电 源结 构图1.1.2开 关电 源的 发展 方向高 效率 、小 型化 、集 成化 、智 能化 以及 高可 靠性 是开 关电 源发 展的 大势 所趋 ，也 是今 后的 主要 发展 方向 。而 要达 到这 要 求， 必然 要求 提高 开关 电源 的工 作频 率、 功率 密度 以及 元件 的集 成化 。开 关电 源高 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。 为了 实现 开关 电源 高功 率密 度， 必须 提高 转换 器的 工作 频率 ，从 而减 小电 路中 储能 元 件 的体 积和 重量 。高 频化 、高 功率 密度 和高 效率 是开 关电 源技 术发 展进 步的 重要 标志 。模 块化 是开 关电 源发 展的 另一 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 N + 1冗 余电 源系 统 ，并 实现 并联 方式 的容 星扩 展。 模块 化可 以显 着地 提高 开关 电源 的可 靠性 和使 用灵 活性 ，简 化了 生产 和使 用。 模块 化 开 关电 源的 并联 、串 联和 级联 既便 于用 户使 用， 也方 便于 生产 。1.1.3开 关电 源分 类根 据开 关器 件在 电路 中连 接的 方式 ，目 前比 较广 泛使 用的 开关 电源 ，大 体上 可分 为： 串联 式开 关电 源、 并联 式开 关 电 源、 变压 器式 开关 电源 等三 大类 。其 中， 变压 器式 开关 电源 还可 以进 一步 分成 ：推 挽式 、半 桥式 、全 桥式 等多 种； 根 据 变压 器的 激励 和输 出电 压的 相位 ，又 可以 分成 ：正 激式 、反 激式 、单 激式 和双 激式 等多 种； 如果 从用 途上 来分 ，还 可 以 分成 更多 种类 。1.2硬开 关变 换器目 前开 关电 源普 遍采 用脉 宽调 制技 术 (Pulse Width Modulation, PWM),凡 用脉 宽调 制方 式控 制电 子开 关的 开关 变换 器 ，称 为 PWM开关 变换 器， 它是 以使 用“硬开 关”为主 要特 征的 。 所谓 “硬 开关 ”是 指功 率开 关管 在导 通或 关断 时， 其上 的 电压 或电 流不 为零 ，即 开关 管是 在控 制信 号的 强制 控制 下变 换状 态的 。在 这种 硬开 关变 换器 中， 开关 器件 在高 电压 ，大 电流 下导 通关 断。 如图 1-2所 示是 硬开 关开 通和 关断 的电 压和 电流 波 形。 由于 开关 管在 开通 时开 关管 的电 压不 是立 即下 降到 零， 而是 有一 个下 降时 间， 同时 它的 电流 也不 是立 即上 升到 负 载 电流 ，而 是有 一个 上升 时间 。在 这段 时间 里， 电流 与电 压有 一个 交叠 区， 产生 损耗 ，我 们称 之为 开通 损耗 。当 开关 管 关 断时 ，开 关管 的电 压不 是立 即从 零上 升到 电源 电压 ，而 是有 一个 上升 时间 ，同 时它 的电 流也 不是 立即 下降 到零 ，而 是 有 一个 下降 时间 。在 这段 时间 里。 电压 和电 流也 有一 个交 叠区 ，产 生损 耗， 我们 称之 为关 断损 耗。 因此 在开 关管 开关 工 作 时， 要产 生开 通损 耗和 关断 损耗 ，统 称为 开关 损耗 。如 图 1-3所 示。硬 开关 电路 和硬 开关 的电 压、 电流 波形 如下 两图 所示 ：图 1-2硬 开关 电路W糸 ff工 f屹毕 业设 计（ 论文 ）选 编（ 20彳0届 ）图 1-3硬 开关 时开 关管 的电 压、 电流 波形在 一定 条件 下， 开关 管在 每一 个开 关周 期的 开关 损耗 是恒 定的 ，变 换器 总的 开关 损耗 与开 关频 率成 正比 ，开 关频 率 越 高， 总的 开关 损耗 越大 ，变 换器 的效 率就 越低 。开 关损 耗的 存在 限制 了开 关频 率的 提高 ，从 而限 制了 变换 器的 小型 化 和 轻虽 化。 同时 由于 受到 开关 器件 的寄 生电 容和 变压 器漏 感的 影响 ，开 关器 件受 到较 大的 du/dt和 di/dt， 工作 中产 生较 强 的电 磁干 扰。 另外 ，只 要传 统 PWM变换 器中 的开 关器 件工 作在 硬开 关状 态下 ，硬 开关 就有 开通 和关 断损 耗大 、感 性 关 断问 题、 容性 开通 问题 及二 极管 反向 恢复 等四 大缺 陷， 妨碍 开关 器件 工作 频率 的提 高 5】 。1.3软开 关技 术为 解上 述硬 开关 的问 题， 出现 了在 开关 过程 中开 关器 件的 电压 和电 流波 形不 相交 叠的 技术 ，即 所谓 零电 压开 关（zero voltage switching, ZVS )和 零电 流开 关（zero current switching, ZCS )技 术， 总称 为软 开关 技术 （相 对于 PWM硬 开关 技 术而 言） 。软 开关 的开 通、 关断 损耗 理想 值为 零， 除了 减小 开关 损耗 以外 ，应 用软 开关 技术 还可 以大 大降 低开 关的 噪 声 ，以 及减 小了 开关 电源 对外 界的 电磁 干扰 ，提 高了 开关 电源 的频 率及 功率 水平 6】。开 关损 耗和 开关 噪声 的降 低则 使开 关器 件的 工作 频率 能大 幅度 提升 。软 开关 技术 在近 十年 的到 迅猛 发展 ，并 已应 用 于 DC/DC变换 器电 路中 ，使 开关 电源 的性 能有 了很 大的 提高 。1.3.1软 开关 的原 理变 换器 的软 开关 技术 实际 上是 利用 电感 和电 容来 对开 关的 开关 轨迹 进行 整形 ，如 图 1-4所 示， 通过 在原 来的 硬开 关 电 路中 增加 很小 的电 感 L、 电容 C等谐 振元 件， 构成 辅助 换流 网络 ，在 开关 过程 前后 引入 谐振 过程 。开 关开 通前 后电 压 先 降为 零， 或关 断前 电流 先降 为零 ，就 可以 消除 开关 过程 中电 压、 电流 的重 叠， 降低 它们 的变 化率 ，从 而大 大减 小甚 至 消 除损 耗和 开关 噪声 ，这 样的 电路 称为 软开 关电 路。 即开 关器 件的 导通 和关 断都 在零 电流 和零 电压 条件 下逬 行， 能够 减 少 了开 关器 件的 损耗 及电 磁干 扰， 提高 开关 电源 的频 率及 功率 水平 。. 图 1-4有 LC复 合缓 冲的 软开 关电 路 .最 理想 的软 开关 开通 过程 ：电 压先 下降 到零 ，电 流再 缓慢 的上 升到 通态 值， 所以 开通 损耗 近似 为零 。另 外， 因器 件 开 通前 电压 已经 下降 到零 ，器 件结 电容 上的 电压 亦为 零， 故解 决了 容性 开通 的问 题， 这意 味着 二极 管已 经截 止， 其反 向 恢 复过 程结 束， 因此 二极 管反 向恢 复问 题亦 不存 在。 最理 想的 软开 关关 断过 程： 电流 先下 降到 零， 电压 再缓 慢上 升到 断 态 值， 所以 关断 损耗 近似 为零 。由 于器 件关 断前 电流 已经 下降 到零 ，即 线路 电感 中的 电流 亦为 零， 所以 感性 关断 的问 题 也 得到 解决 7】。 软开 关的 开通 与关 断过 程如 图 1-5所 示。软 开 关 硬 开 关关 断波 形U1/tl ll u开 通波 形u丨厂* 1 (lu3274图 1-5软 开关 的开 关过 程这 种应 用软 开关 技术 的变 换器 是一 种把 准谐 振变 换器 和 PWM变换 器的 各自 优点 结合 在一 起的 新型 软开 关变 换器 ， 它 的特 点是 ：( 1 )谐 振阶 段只 发生 在功 率器 件开 关转 换过 程中 ，从 而保 证功 率开 关器 件的 软开 关工 作条 件， 只承 受较 低的 电压 和 电流 应力 。(2)能 量传 输的 主要 形式 采用 了 PWM变 换技 术的 特点 ，避 免了 较大 的谐 振通 态损 耗。(3)它 的零 电压 、零 电流 开关 条件 不受 电压 和负 载变 化的 影响 。1.3.2软 开关 电路 的分 类软 开关 技术 问世 以来 ，经 历了 不断 的发 展和 完善 ，前 后出 现了 许多 种软 开关 电路 ，直 到目 前为 止， 新型 的软 开关 拓 扑 仍不 断的 出现 。由 于存 在众 多的 软开 关电 路， 而且 各自 有不 同的 特点 和应 用场 合， 因此 对这 些电 路进 行分 类是 很有 必 要 的【 81。根 据电 路中 的主 要的 开关 元件 是零 电压 开通 还是 零电 流关 断， 可以 将软 开关 电路 分成 零电 压电 路和 零电 流电 路两 大 类 。通 常， 一种 软开 关电 路要 幺属 于零 电压 电路 ，要 幺属 于零 电流 电路 。根 据软 开关 技术 发展 的历 程可 以将 软开 关电 路 分 成准 谐振 电路 、零 开关 PWM电 路和 零转 换 PWM电路 。1.3.3移 相全 桥的 软开 关技 术移 相全 桥电 路是 目前 应用 最广 泛的 软开 关电 路之 一， 它的 特点 是电 路很 简单 ，与 硬开 关的 全桥 电路 相比 ，并 没有 增 加 辅助 开关 等元 件， 而是 仅仅 增加 了一 个谐 振电 感。 电路 引入 了辅 助开 关来 控制 谐振 的开 始时 刻， 使谐 振仅 发生 于开 关 过 程前 后， 使四 个开 关器 件都 在零 电压 的条 件下 开通 ，实 现了 软开 关的 功能 。电 路在 很宽 的输 入电 压范 围内 和从 零负 载 到 满载 都能 工作 在软 开关 状态 。电 路中 无功 功率 的交 换被 削减 到最 小， 这使 得电 路效 率有 了进 一步 提高 。移 相全 桥软 开关 控制 技术 逐渐 应用 于电 力操 作电 源中 ，因 为它 不但 可以 减少 电源 的开 关损 耗、 电磁 干扰 ，还 能改 善 电 路的 输出 特性 ，提 高电 路的 效率 、稳 定性 和可 靠性 。移 相全 桥 (Full-Bridge, FBjPWM变换 器是 一种 应用 广泛 ，适 用于 较 大 功率 、低 电压 等场 合的 变换 器。 该变 换器 采用 PWM移 相控 制， 在不 附加 其他 额外 元器 件， 电路 成本 和复 杂程 度基 本 不 变的 情况 下， 利用 变压 器的 漏感 和功 率开 关管 的结 电容 进行 谐振 ，功 率管 实现 零电 压开 关 (ZVS),从 而减 小了 开关 损 耗 ，变 换器 的效 率可 大于 80% ,并 且开 关电 压应 力的 减小 使得 开关 频率 可以 进一 步得 到提 高， 可达 到 100kHz 500kHz。1.4本论 文的 研究 内容 和研 究意 义1.4.1本 论文 的研 究内 容本 文简 单介 绍了 开关 电源 概况 ，硬 开关 和软 开关 的基 本概 念。 针对 移相 全桥 变换 器的 设计 要求 ，在 巩固 电路 、电 力 电 子知 识的 基础 上进 一步 分析 了移 相全 桥变 换器 的工 作原 理， 并在 此原 理上 完成 移相 全桥 变换 器主 电路 的元 件参 数的 计 算 。用 TI公司 控制 芯片 UC3895完成 了移 相全 桥变 换器 控制 电路 的设 计。 基于 OrCAD/PSpice软 件对 相关 的电 路逬 行 了 仿真 和分 析， 验证 了参 数设 计的 正确 性和 可行 性丨 9】。1.4.2本 文的 研究 意义移 相全 桥的 软开 关技 术研 究对 减小 开关 损耗 以外 ，和 对提 高开 关电 源的 频率 及功 率水 平都 有重 要的 意义 。移 相全 桥 PWM变 换器 是一 种应 用广 泛， 适用 于较 大功 率、 低电 压等 场合 的软 开关 变换 器。 该变 换器 适应 当今 开关 电源 高频 化、 高 效化 的发 展趋 势， 尤其 在大 功率 模块 电源 领域 ，有 广阔 的应 用前 景。 所以 研究 移相 全桥 变换 器对 推动 我国 经济 的发 展 以 及提 高我 国在 大功 率开 关电 源市 场的 竞争 力都 具有 深远 的意 义。2移 相全 桥变 换器 主电 路的 设计2.1移相 全桥 变换 器的 主电 路的 原理 分析2.1.1主 电路 的拓 扑结 构以 传统 的移 相全 桥零 电压 开关 （ PS不 B-PWM丨 变换 器的 作分 析， 主电 路简 化图 如下 图 2-1所 示， 它是 大功 率 DC/DC 变 换器 的理 想拓 扑之 一， 功率 管 S!S4构 成了 全桥 型电 路的 4个功 率开 关， CS1 同 一半 桥中 两个 开关 不同 时处 于通 态， 每个 开关 关断 到另 一个 开关 开通 都要 经过 一定 的死 区时 间。 互 为对 角的 两对 开关 Si、S4和 S2、 S3， S1的 波形 比 S4超 前0 7/2时 间， 而 S2的 波形 比 S3超 前 0 5/2时 间， 因此 称 Si和S2为超 前的 桥臂 ，而 称 S3和 S4为 滞后 的桥 臂。2.1.2主 电路 的工 作原 理在 分析 工作 过程 中， 假设 开关 器件 都是 理想 的， 并忽 略电 路中 的损 耗。 电路 的基 本工 作原 理是 ：采 用调 节输 出电 压 的 方法 ，来 改变 全桥 两臂 对角 线上 下管 驱动 电压 移相 角的 大小 ，让 超前 臂管 栅压 领先 于滞 后臂 管栅 压一 个相 位， 并在 L、 C控 制端 对同 一桥 臂的 两个 反相 驱动 电压 设置 不同 的死 区时 间； 它利 用了 开关 变压 器漏 感和 功率 管输 出端 结电 容及 开关 变 压器 原、 副边 之间 的寄 生电 容来 产生 谐振 ，并 实现 零电 压开 通； 它错 开了 功率 器件 大电 流与 高电 压同 时出 现的 硬开 关 状 态， 抑制 感性 关断 电压 尖峰 和容 性开 通时 管温 过高 ，减 少了 开关 损耗 与干 扰。表 2-1移 相全 桥变 换器 的一 个周 期运 行过 程时 段 k t h-h 6 6 h-U U-h k-ti tr 导 通 管 Su S4 S4 S4、 VDS2 VDS2、 VDSS S2、 S3 S3 S3、 VDsi VDSK VDS4ZVS次 序 VDS2 S2 S3 一 VDsi Si S4工 作过 程分 析如 下：工 作模 式 1 ( zb-/!时 段） ：设 在 0时 刻， 直到 /1时刻 Si关断 ，开 关 Si与 S4进 入了 同时 导通 状态 ， A、 B两点 间的 电 压为 6(，故 谐振 电感 L和隔 离变 压器 原边 绕组 中流 有不 断上 升电 流 /7,且 电容 CS2上 的电 压为 “， 方向 为上 正下 负。 同 时， 经隔 离变 压器 耦合 ，副 边绕 组 W22所接 的整 流二 级管 VD2导 通， 将电 感 L折 算至 原边 绕组 中。276图 2-2移 相全 桥电 路在 /bA阶 段的 等效 电路 图工 作模 式 2( /1 6时 段） ： A时 刻开 关 3!关 断后 ，电 容 CS1、 CS2与 电感 心、 Z构 成谐 振回 路。 谐振 开始 时， 电容 CS2释放 其存 储的 电能 ，经 谐振 电感 Cb为隔 直电 容， 用以 防止 高频 变压 器产 生磁 饱和 而 损坏 开关 管。2.2.2输 出整 流滤 波电 路输 出滤 波电 路用 来将 高频 变压 器副 边的 交流 方波 电压 整流 和滤 波， 得到 直流 输出 电压 。其 中 DR1和 DR2为 输出 整流 二 极管 ， R1和 C5、 R2和 C6分 别是 DR1和 DR2的 缓冲 电路 ； U和 C为输 出滤 波电 感和 滤波 电容 。2.3主电 路的 参数 设计 设 移相 全桥 电路 设计 技术 指标 如下 ：基 本条 件： 电路 形式 全桥 移相 变 压器 工作 频率 ： 100kHz 变 压器 输入 电压 ： 380V 输 出电 压： 48V 输 出电 流： 20A 整 流形 式： 中心 抽头 全波 整流 2.3.1高 频变 压器 的设 计选 择( 1 )原 副边 匝数 比 /?的 计算 ：假 设输 入电 压波 动 10%，按 照设 计指 标要 求， 已知 输入 电压 为 380V，最 低输 入电 压 为 K_n=342V，选 择副 边的 最大 占空 比为 叫 =0.85则可 计算 出副 边电 压最 大值 为5(min)VLf 48 + 1.5 + 0.5D(max)0.85= 58.8F式 中 14是 输出 电压 ， l/D是 揃出 整流 二极 営的 通态 压降 ，吣 是揃 出滤 波电 感上 的直 流压 降， 所有 电压 单位 均为 伏特(V)。坍 糸玫 工f屹 毕业 设计 （论 文） 选编 （ 20彳 0届）故 变压 器的 原边 与副 边之 比 /7为(2-2)代 入数 值计 算得 /?为5.8(2)确定 变压 器原 边和 副边 匝数 ：首 先根 据开 关频 率为 100KHZ要 求和 文献 10】 资料 知， 变压 器采 用 PQ50/50磁 芯 时， 所以 A=3.1416cm2，这 样原 边匝 数可 由下 式决 定叫 xlQS _ 418xlQ84/A.Bm 4X100X103X1000X3.1416= 33.26取 整得 34圈 。(3)副边 绕组 匝数NS=- = 5M(2-3)2-4)故 副边 绕组 匝数 为 6 ,所 以 K=34/6=5.67 2.3.2原 边功 率MOSFET管的 设计 选择功 率 MOSFET管 的选 择要 考虑 两个 重要 的参 数： 漏源 极击 穿电 压 VDSS，额 定电 流 ID。本 设计 中给 出的 全桥 移相 变 换 器， 开关 管两 端输 入电 压为 380V ,而 变压 器原 边电 流值 为 2.632A。 根据 这两 个参 数， 以及 开关 管工 作在 软开 关状 态， 可 选择 IRFP460MOSFET 管 ， VDSS 为 500V， lD 为 20A , Coss 为 870pF。2.3.3谐 振电 感的 设计 选择谐 振电 感是 帮助 滞后 桥臂 实现 零电 压开 关， 为开 关管 的零 电压 开关 提供 足够 的能 量。 超前 桥臂 容易 实现 零电 压开 关， 滞 后桥 臂比 较难 实现 零电 压开 关。 为了 实现 滞后 桥臂 的零 电压 开关 ，必 须满 足下 面的 式子 11】 ：Ki2cQvl实 际运 用中 用以 下式 子：56式 子中 心为 谐振 电感 ，丨 是滞 后桥 臂开 关管 关断 时原 边电 流的 大小 ， O)是 开关 管漏 一源 极间 电容 ，为 输入 电压 。 谐 振电 感 ( 2 )考 虑 1/2满 载以 上时 可靠 实现 零电 压开 关； （ 3 负 载电 流为 20A时 滤波 电感 h的电 流心 临界 连续 。 心 的脉 动量 A0为 10%x20=2A 在 1/2负 载时 有：/ +