（交通信息工程及控制专业论文）基于移相全桥软开关技术的20A（5～48V）恒流源.pdf

鸯哀羲空靛天文学硬士学像论文 摘要 本文使用一种通过移相控制进行脉宽调制的软开关全桥变换嚣米实现 2 0 a ( 5 4 8 v ) 恒流源，这种全桥变换器利用变聪嚣的漏感、原边串联谐振电感和 凌率管瓣寒生龟容慕实嚣牙关蓉戆零毫垂开逶，鬻诋了开关援耗，握裹了器关频 率，减小了电源体积。本文详细分率斤了该种全娇拓扑方案的前六种工作模悫( 前 半周期) 的工作原理以及一些主簧参数的设计原则，控制方案上使用电压环跟踪 电流环的双琢控制来维持 l l 环的稳定，戳褥至l 瞧窥电流的翰爨。矮i r f p 4 6 0 l c 型 号麓0 s f e t 髂为主功率电桥功率管，u c 3 8 7 5 作控翻芯片，开关频率这鬟1 0 0 k h z ， 避免了噪声污染。该电源输入为单相2 2 0 v 5 0 h z 交流，输出为2 0 a ( 5 4 8 v ) 直流，论文给出了详细的参数设计。同时，也分柝了控制电路、保护电路、辅助 电源等部分熬工 睾爨黧窝主要参数没诗。要努懿稼嚣淫试密了王程撵捉，绘疆了 实验结聚，该样机变撩效率可达到9 2 。 关键词；穆相控制，脉宽调制，全桥变换器，软开关，零电聪开关 基于移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 4 8 v ) 恒流源 a b s t r a c t ap h a s e s h i f t e dc o n t r o l l i n gp w md c d cf u l lb r i d g ec o n v e r t e rw i t hs o f t s w it c hin gisp r o p o s e da n du s e dt or e a liz eac o n s t a n tc u r r e n tp o w e ro f 2 0 a ( 5 4 8 v ) t h i sf u l lb r i d g ec o n v e r t e ru t i l i z e st h et r a n s f o r m e rl e a k a g e i n d u c t a n c e ( o r t h er e s o n a n ti n d u c t a n c ei ns e r i e sw i t ht r a n s f o r m e r s p r i m a r y ) a n d t h ea u t o e c i o u s c a p a c i t a n c e o fm o s f e tt oa c h i e v e z v s ( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ) ，a sar e s u l ti tc a nd e c r e a s et h es w i t c h i n g w a s t e ，i n c r e a s et h es w i t c h i n gf r e q u e n c y ，a n dd i m i n i s ht h ep o w e rb u l k i n t h isp a p e r ，t h ef o r m e r6o p e r a t e dc o u r s e so ft h ef u l1b r i d g et o p o l o g ya r e d e t a i l e da n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fs o m em a i np a r a m e t e r si s g a i n e d i n c o n t r o l l i n gc i r c u i t ，t h ep o w e ru s e sv o l t a g ef e e d b a c kl o o pa n dc u r r e n t f e e d b a c k l o o p i n o r d e rt o g e t c o n s t a n tc u r r e n t o u t p u t ，t h ev o l t a g e f e e d b a c k l o o pt a i l sa f t e rc u r r e n tf e e d b a c kl o o pt om a i n t a i nt h el o o p s t a b i l i z a t i o n u c 3 8 7 5i su s e da sc o n t r o l l i n gi c ，i r f p 4 6 0i su s e da sp o w e r m o s f e ta n dt h e s w i t c h i n gf r e q u e n c y i sl o o k h zt h a ta v o i dt h e b o r i n g y a w p t h ep o w e ri n p u ts p ( s i n g l ep h a s e ) 2 2 0 v 5 0 h za ca n dg e t2 0 a ( 5 - 4 8 v ) d co u t p u t p a r a m e t e r sd e s i g no ft h ep o w e ra r ec a l c u l a t e d ，t h eo p e r a t i o no f t h ec o n t r o l l i n gc i r c u i t s ，t h ep r o t e c t i n gc i r c u i t sa n dt h ea u x i l i a r yp o w e r s u p p l yc i r c u i t sa r ea n a l y z e da l s o i na d d i t i o n 。t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r t h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e rc a ne v e na c h i e v e 9 2 k e yw o r d s ：p s ( p h a s e s h i f t e d ) c o n t r o l ，p _ | v m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) ，f b ( f u l l b r i d g e ) c o n v e r t e r ，s o f ts w i t c h i n g ，z v s ( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 1 1 承诺书 本久郑重声弱：掰呈交鹣学位论文，是本人在导靳指导下，猿立迸行磅究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 疆究残暴不包含任何能人享有著作权的蠹容。对本论文所涉及酶磺究二侔骰出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保裙送交论文的复印件，允许论文被 套溺帮藉阚，霹 噩耨攀位论文熬全部或都势内容编入有关数据痒进行检索，可 以采用影印、缩印或熟他复制手段保存论文。 ( 餐密的学鑫论文在蘩密后适耀本零诺书) 作者签名。i 盈塑炽 鼹 麓：艘芏：列； 南京航空航天大学硕士学位论文 一、缩略词与名称 基本缩略词名称 i g b t m o s f e t p w m 绝缘栅晶体管 金属氧化场效应管 脉宽调制 二、基本符号与名称 基本符号 a b c d e h k m 名称 磁芯面积 磁感应强度 电容 占空比 电压 开关频率 磁场强度 电流 系数 电感 互感 注释表 基本缩略词 z v s 基本符号 n p q r s t u ( v ) n 名称 零电压开关 三端离线式脉宽执 行开关 名称 变压器匝比 匝数 功率 磁芯窗口 电阻 面积 特斯拉；脉宽 电压 气隙 角频率 效率 i 辇羔鳌塑竺鲎蓬茎茎堡查箜! 坠篷：! ! 兰：薹鋈婆 三、主要下标符号和慧义 下括簿譬 a c d e d r i a g 1 e a d m a x 臻l n 懑义 觉流 整漉 整流二极管 滤波 滞厢 超菰 最大 最小 下标符弩 o o f f ( o f ) o n r e f s 意义 输出 关断 开通 愿边 参考 谐波 副边 塞室鳖鐾夔壅鑫兰垂主堂煎垒塞 第一港绪论 ，1 课题醑究黪鹜累 开关电源电路是电力电子电路的一种。通常把电力分为燮流( a c ) 、真流( d c ) 嚣丈类。函忿，基本蛉邀力电子奄路就霹势为聪丈类型，嚣a e 一菠电路、d g 一 矗c 电路、a e a c 窀路、d 一蕊魂路。 顾名恩义，开关电源就是电路中的电力电予器件工作在升兼状态的电源。这 样一来，如果把上述斌大类基本电力电子电路都嚣成电源电路，则所有的魄力电 子电籍逡豁哥鞋看戏开美亳添电路。 在开蓑电源出现之前，线性穗愿电源已经威阁了很长一段时间。而后，开关 电源是作为线性稳压电源的一种替代物出现的。开燕电源这一称谓也是相对于线 性稳压邀源恧产生瓣。美键元器 牟怒谗整警。工幸管时检溪竣戳瞧匿释餮瓯；将其 霸参考奄援o 逶行张较，薅其误麓瓣调整餐豹蘩摄毫瀛避行受反镄控涮。为了 使调整管可以发挥足够的调节作用，调整管必须工作在线性放大状态，且像持一 定的管艨降。因此，这釉电源被称为线性稳压魄源。线性稳压电源螅直流输入电 路逶零是皮工箨在工频下熬整流变瓢嚣f 雾二敬鬻整流藏宅密滤波缓藏。敷予交 流电源魂藤变化范围楫时较大，因此输入电压址的变化范围也较大。此外，= 极 管整流电路所接的滤波电容c 不可能很大，这样，扎就有一定的脉动。但这然都 霹淤逶过潺整淫整警的援簿，爱输感电压谚的精度蠢纹薮舔瀵足较高静簧求。 线褴稳援电源虽然可戳满足所需童流电压鹣离低和供电质量( 精度、绞波等) 豹 要求，但谢两个严重的缺点：一是调攘管工作在线性放大状态，损耗很大，因而 使整个泡潦效率银低；二是需要一个王叛变压嚣羊，使褥电源体积大、重餐墼。 嚣关奄深藏是为了瘫瓣线性稳匿奄添翦簸熹露遗褒豹，箕典登结穆努圈1 1 所示。整流电路是把交流电源直接缝过初级整流电路和初级l c 滤波电路滤波后 得到直流电压u i n ，再豳逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。由于人耳可嘶瓢 匏音频鹣范匿大体上海2 0 h z 2 0 k h z ，逆变器豹嚣蒺凝率大多农2 0 k h z 驭上， 这样就避免了令人颓燥的噪声污染。逆变器输如缝黼频变压器茧隔离并换戚潦当 的交流电聪。再经过整流和滤波变成所需要的直溅输出电压妒、。 当交滚输入电压、受裁等变纯时，直流辕爨溆匿配也会燮健。这瑟搴霹激潺 苇逶交嚣输蠢懿方波辣渖毫压藩宽度，缓壹瀛输搦亳莲玩绦挎稳定。递交寇路 是开关电源的核心部分。 基丁移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 , - 4 8 v ) 恒流源 工频交 流输入 初级整流滤波卜_ 叫逆变电桥卜_ 叫高频变压器卜_ 叫后级滤波整流 教t 鳘齑篆 图1 1 开关电源的典型结构 开关电源电路结构比线性稳压电源复杂，但却有几个突出的特点。首先，该 电路中起调节输出电压作用的逆变电路中电子器件都工作在开关状态，损耗很 小，使得电源的效率可达到9 0 以上，甚至9 5 以上。其次，电路中起隔离和电 压转换作用的变压器t 是高频变压器，其工作频率多为2 0 k h z 以上。因为高频 变压器体积可以做得很小，从而使整个电源的体积大为缩小，重量也大大减轻。 当然，由于工作频率高，滤波器的体积也大为减小。 电源由于有高频变压器隔离，因而属于隔离型开关电源。 还有一大类常见的直流电源，就是由晶闸管控制的相控电源，和开关电源相 同，相控电源中的电力电子器件也是工作在丌关状态，只是其工作频率是工频 5 0 h z ，而不是高频。它的主要缺点是也要使用一个工频变压器t ，使得整个电源 的直流输出电压纹波频率仅是工频的几倍( 单相全控桥为2 倍，三相全控桥为6 倍) ，需要较大的滤波器才有较好的滤波效果。而开关电源直流输出电压的纹波 频率很高，常在2 0 k h z 以上，因此只需要很小的滤波器就可以了。由于相控电 源的开关频率低，其对控制的响应速度也比开关电源要慢。 按照目前的习惯，开关电源是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，开关电源也常被称为高频开关电源，而相控电源则不包括在开关 电源之内”。 1 2 开关电源的发展和趋势 开关电源的前身是线性稳压电源。各种电子装置、许多电气控制设备的工作 电源都是直流电源。在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性稳压 电源。由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，它们的体积却 越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就 成了开关电源技术发展的强大动力。 新型电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。2 0 世纪6 0 年代末， 垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管( 亦称巨型晶体管，b j t 、g t r ) 的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本 结构一直沿用至今。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 开关频率的提高有助于开关电源的体积减小，重量减轻。早期的开关电源的 开关频率仅为数千赫，随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率也 逐步提高。但当频率达到1 0 k h z 左右时，变压器、电感等磁性元件发出的噪声 就变得很刺耳。为了减小噪声，并进一步减小体积，在2 0 世纪7 0 年代，开关频 率终于突破了人耳听觉极限的2 0 k h z 。这一变化甚至被称为“2 0 k h z 革命”。后 来，随着电力m o s f e t 的应用，开关电源的开关频率进一步提高，使得电源体积 更小，重量更轻，功率密度更进一步提高。 由于和线性稳压电源相比，开关电源在绝大多数性能指导标上都具有很大的 优势。因此，日前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已 经全面取代了线性稳压电源。计算机、电视机、各种电子仪器的电源几乎都已是 开关电源的领地。 作为电子装置的供电电源，线性稳压电源主要用于小功率范围。因此，在 2 0 世纪8 0 年代以前，作为线性稳压电源的更新换代产品，开关电源也主要用于 小功率场合。那时，中大功率直流电源仍以晶闸相控整流电源为主。但是，2 0 世纪8 0 年代起。由于新型开关元器件的不断改良，如绝缘栅晶体管 i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t e r ) 的出现，功率场效应晶体管m o s f e t 性能的改善，打破了这一格局。与传统的g t r 相比，i g b t 、m o s f e t 工作频率更 高，更易于驱动，具有突出的优点而没有明显的缺点。因此，它们迅速地取代了 g t r ，成为开关电源的主流器件。 在通信领域，早期的4 8 v 以上输出的基础电源几乎都是采用晶闸管相控电 源，现在已逐步被开关电源所取代。电力系统的操作用直流电源，以前也是采用 晶闸管相控电源，目前开关电源已经成为其主流电源。此外，电焊机、电镀装置 等传统的晶闸管相控电源的应用范围，也逐步在被开关电源所替代。 如前所述，开关频率的提高可以使电源体积减小、重量减轻，但却使得开关 损耗增大，电源效率降低。另外，开关频率的提高也使得电源的电磁干扰问题变 得突出起来。为了解决这一问题，2 0 世纪8 0 年代，出现了采用准谐振技术的零 电压开关电路和零电流开关电路，这种技术被称为软开关技术。采用软开关技术， 在理想情况下，可使开关损耗降为零，提高效率，使得电源进一步向体积小、重 量轻、效率高、功率密度大的方向发展。经过近2 0 年的发展，对于软开关技术 的研究至今仍十分活跃，它也已经成为应用于各种电力电子电路和一项基础性技 术。但是，迄今为止，软开关技术应用最为成功的领域仍然是在开关电源领域。 开关电源和交流电网连接的电路通常都是二极管整流电路，这种电路的输入 电流已不再是正弦波，而含有大量的谐波，这也使得电源的功率因数很低。当公 用电网上接有大量的开关电源负载时，就会对电网产生严重的谐波污染。最近几 基于移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 4 8 v ) 恒流源 年行内常提到“绿色电源”这个名词。这里所说的“绿色”，主要就是对电网不 产生谐波污染，对环境不产生电磁干扰，当然也包括不产生噪声”。 随着人们对开关电源技术研究的不断深化，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不断向前发展。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。基于这个背景，本人在参阅了大量前人的研究资料后，结 合市场上的需求，经过综合恒量，决定采用移相全桥软开关技术研制1 0 0 0 w 恒流 源用于某种重型车载设备的大功率蓄电池充电器，使用软开关技术可以解决开关 管工作在硬丌关状态下丌关损耗大的问题，而1 0 0 k h z 的开关频率可以使样机的 体积大大减小，噪声也能为人耳所接受。研制成功可以改善蓄电池的充电环境， 大大延长蓄电池的使用寿命。 1 3 本文主要内容 本文的主要章节安排如下： 第一章绪论。主要介绍高频开关电源的一些基本概念、目前的状况，本课题 研究的主要意义以及研究内容。 第二章z v s p w m d c d c 全桥变换器介绍。介绍本课题所选用的主拓扑方案、 其工作原理分析以及设计过程中的全桥上的一些应该考虑的问题。 第三章2 0 a ( 5 - 4 8 v ) 恒流源设计。本章是本文的重点。主要介绍各部分功能 电路的设计、一些主要功率元器件的选用以及磁性元件的绕制等。 第四章实验结果。列出实验过程中对主功率管、辅助电源、空载与带载情况 下的实验结果波形。 第五章结束语。对本人的研究成果进行了系统的总结和概括，并就进一步研 究提出建议和展望。 煮豪靛空靛炎大学疆攀短论文 2 凝述 第二颦z v s - p w m - d c d c 全桥变换器介绍 在d c d c 变换器中，单管构成的变换器如b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、 c u k ，s p e c 、z e t a 、f o r w a r d 、f l y b a c k 等燕羚方案遥常赐予中小功率场台。薅在 孛大功率场合，一般采瘸全褥交换器，常雳静全轿变换器眷缀多，霹蘸磷究麓毙 较多的鼹移相控制方式，其优点报突出，可以实现零电压、零电流、以及零电压 零电流三种软开关方式。率电源采用的是零电压穆耀控案4 全褫变换器，其主魄路 与主要波形参鋈2 以及露2 。2 。 莲2 ，i z v sp w md c d c 全橇变换嚣主电路 i d 0 1| i ii | q 3 il i iii i q lli iil l i l jl i 一 lll，l 雠 l， | 貔! i l 辩 l 。 “ 毒霹+ 寺霹+ 寺c 蠢霹= c i 霹+ 寺鹾 ( 2 1 2 ) 毒束靛空簸天大学硬士学健论文 其中：c l ；c i “= c 慨 纂超裁揆甓实现z v s 超莳轿臂容易蜜蕊z v s 。在越瀚轿臂开关过程中，输出滤波电感三，燕与谐振 电感厶串连的，此时用来实现零电压切换的能嫩是滤波电感与谐振电感中的能 量。一般来说，滤波电感很大，在超前臂开关过程中，其电流近似不变，类似于 一令毽浚滚。这个熬爨缀容荔瀵楚上式。 豢滞后桥臂实现z v s 滞艏桥臂要实现z v s 比较困难。在滞后桥臂的开关过程巾，变压器副边是短 路的，就薅整个交换器靛技分巍鼹部分，一部分楚原边电滚逐溪改变流遴方向， 英流通路径幽全耢掇供；另一部分怒负载电流国熬流桥提供续流回路，负载侧与 变压器原边没有关系。此时用来实现z v s 的能爨只是谐振电感中的能量，如果不 满足2 。1 3 式，那么就无法实现z v s 。 i l o j 2 2 ( k 霹+ i 1 。m 2 ( 2 。1 3 ) 由于输出滤波电感三，不参与滞后桥臂z v s 的实现，较超前桥臂而言，滞后 桥臂实现z v s 就匿难得多，因为输如谐振电感魄输蹬滤波电感要小锝多“”。 2 3 2 蜜糯x v s 的繁酶及副边占窝魄的丢失 2 3 2 1 实现z v s 的策略 超辑甓容易实浚z v s ，嚣潞纛疆甓要困漆魑。只要满足祭传使涝爱键实现 z v s ，那么超前桥瞽静定就能实现z v s 。弱此移鞠全桥实瑷z v s 的关键在予滞寿 桥臂。滞后桥臂实现z v s 的条件就怒式( 2 1 3 ) ，从式( 2 1 3 ) 可以看出，耍满 足它，要么增加三，要么增加厶。 增翻獭磁恕流 澍于一定的谐振电感，必须有一个最小的，2 的值，2 。；。来保证式 妄最。 霹+ 去岛霹褥到满足扶薅实现z v s ，逶常有用增加励磁电溅k 救 办法来蜜现零电压开必，这实质上就是提高厶嘶e 但是增加励磁电流如通常能 带来另一个问题，因为原边电流在负载电流的基础上多了一份励磁电流，因而增 加了它豹最大电滚值，瞧使逶态损耗增大。同融，聚磁电流煎擞大，增大了变压 器的损耗。困_ l 篼在藏磁奄瀛靛选取主，应充分考愆器箨嚣交藤器损耗。 一增大谐振电感 由于励磁电流与负载无关，因此在轻载时，变换器的效攀很低。实现z v s 的 吴一穆方式霹璞翔港援逛感。要袭定煞受载落阑肉实囊z v s ，藏毒鞋稚遴一令 基丁移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 4 8 v ) 恒流源 最小的负载电流，根据这个电流，忽略励磁电流，可得到1 2 的最小值1 2 一，利用 式( 2 1 3 ) 可计算出所需的最小谐振电感“。 2 3 2 2 副边占空比的丢失 副边占空比丢失是本电源移相全桥变换器中的个非常重要的现象。所谓副 边占空比的丢失，就是说副边占空比珐小于原边占空比d ，即：珐 d ，其 差值就是副边占空比丢失巩。，即： d l = 研一d s ( 2 1 4 ) 产生副边占空比丢失的原因是：原边电流的换向时间( 即从正向变化到负向 或从负向变化到正向的时间) ，在这个时间段里虽然原边有正电压方波( 或负电 压方波) ，但原边不足以提供负载电流，因为副边整流桥的两二极管都是导通状 态的，负载虽然仍在续流，但是两端电压被二极管钳位在零电压。在这段时间内 副边就相应的丢失了部分电压方波。而这部分时间与二分之一开关周期的比值就 是副边占空比丢失d 。，即： 2 荔 2 1 5 ) 而k ：尘区掣( 2 1 6 ) 那么，有 嘧丛糍幽 眨 从式中可以知道：t 越大，d 一越大；负载越大，。越大；e c 越低， q 0 岱越大。 d ，| 。的产生使珐减小，为了得到所要求的输出电压，就必须减小原副边匝 比。而匝比的减小，带来两个问题：原边电流增加，开关管峰值电流也要增加， 通态损耗加大；副边整流桥的耐压只要加大。为了减小轨。，提高珐，可以 采用饱和电感的方法，就是将谐振电感改为饱和电感，但还是存在d 。“。 2 3 3 整流二极管的换流情况 在z v s 移相全桥变换器中，副边占空比丢失这段时间里，变压器工作在短路 状态。如果忽略励磁电流，变压器原副边的电流和电压的关系为： “，= “。n ( 2 1 8 ) i r = t n ( 2 1 9 ) 鬻京蕊空航哭太攀矮士学稳谂文 豫、0 梵戮边电压、溆流；甜，、为舔选电蓬帮斑流。 下黼给出了副边全波熬流方式的电路图，备个魄漉参考方向如匿2 。9 所示， 遮稃鸯； 淞l f l ； 7 5 l | 中 帮太嘲： 。l1 4 、i l f 弛戮 i 稳，3 0 ) ( 2 3 1 ) 酞2 辍整鼹瓣f b ) 毫淀波形 匿2 。# 企渡整流蠢式下的整潍= 穰镲静换流情况 在如时粼，受载电流滚经d r l t 褒【毫，】瓣段爨，变艨器裰迭电流减小， 麓裁逮绕缀毛；魏毫浚毽城枣，枣予输爨滤波建慧窀漉，黎，蚕爨疆鼹 供受载穗流，就 亨d r 2 馨邋，交鑫撩浚缝，：露受载撵供不是熬癸黪窀滚+ 帮 0 l + b o a ( 2 3 2 ) 爱蘧器刹迭魄潍关系是； 岛+ 毛l 薪器0 2 ； & 对藜，f 。= 爵，瑟巾蘩溅管串溅懑戆惫藏耪替，瓣笼受载壤滚瓣一半； 岛，f 6 】肘段，f ，0 ，流过d r l 的电流小于流避d r 2 的电流* 即l d r 。0 2 ； 国辩刻，* 蠡i n ，d r 2 中流遘盒辩受载毫滚，d r l 孛嚣魄濂必零，戴对d r l 关鼗，豁2 承箍全零囊羧惫浚，麸嚣宠娥整藏饕麴换溅过疆辩 。 弋j 基于移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 4 8 v ) 恒流源 第三章2 0 a ( 5 4 8 v ) 恒流源设计 本章采用上一章提出的z v s p w m d c d c 全桥变换器拓扑研制高频软开关电 子变压整流器工程样机，主要技术指标如下： 输入交流电压：单相2 2 0 圪，2 0 ，5 0 h z 输出电流：2 0 a 恒流 输出电压：5 4 8 ， 开关频率：l o o k h z 整机效率：卵9 2 工作温度：0 摄氏度十7 0 摄氏度 输出功率：1 0 0 0 w 3 1 主电路结构 本样机主电源结构包括( 1 ) 输入输出整流滤波电路；( 2 ) 移相全桥主功率 电路；( 3 ) 高频变压器及阻断电容；( 4 ) 输出整流、滤波电路等组成。 3 1 1 输入整流滤波电路 本电路将单相2 2 0 v 5 0 h z 交流输入进行整流和滤波，得到三百伏左右的直流 电压，供给后级d c d c 全桥变换器，参图3 i ( a ) 。其中，( s c r ) b t m 2 6 0 0 和 压敏电阻5 d 1 8 组成防浪涌电路，缓冲开机时出现过大电流，启动完成后，高频 变压器的控制绕组产生脉冲电压经二极管d 2 6 、c 2 4 、c 2 5 、r 3 2 ( 参图3 1 ( c ) ) 触发b t a l 2 0 6 导通，将5 d 1 8 短路。软启动完成。 图3 1 ( a )输入滤波整流电路 开关电源的主要缺点在于干扰大、噪声大。在有些场合下输入的交流电会有 很大的干扰，例如开关电源的输入和很多接触器开关接在起时，电源的输出会 4 南京航空航天人学硕士学位论文 产生很大的纹波。这是系统使用过程中不希望出现的缺陷。这些干扰和噪声主要 有功率管的快速切换产生，通过电磁辐射、传导、感性耦合和容性耦合等方式向 外传播。为了抑制这些干扰，制作过程中必须采取措施，将它们降低到f c c ( 美 国联邦通讯委员会) 、v d e ( 德国电器技师协会) 等规定的e m i r f l 9 ( 电磁干扰 射频干扰) 标准所允许的极限之内。就抑制传导干扰而言，输入、输出端安装滤 波器是行之有效的办法。在本电源的设计上采用在输入端增加低通输入滤波器的 方法来抑制噪声。这种滤波器可以让5 0 h z 或低频电流顺利流过，而对高频电流 产生非常高的阻抗。本电源在e m c e m i 上的考虑参看图3 1 ( a ) ，在整流桥输入 端两电容c 。，c ：主要用来抑制常模噪声( 电源输入线之间的噪声) ，共模电感 l 3 、l 4 以及c 5 、c 6 主要用来抑制共模噪声( 电源线对地的噪声) 。l 3 、l 4 线圈 以使磁通相互抵消的方式绕在磁芯上，因此，可用比较小的铁氧体磁芯。图3 1 ( a ) 中电容必须在高频时也有效，连接电容器的导线应很短，使它的高频电感尽可能 小。此外，抑制噪声的电容器还必须承受最高工作电压，抑制噪声的扼流圈还必 须能通过最大的工作电流。 l 3 、l 4 线圈抑制共模噪声的原理可参图3 1 ( b ) 来说明：大小相等、方向相 反的平衡电流流过这两个绕组时，磁芯中没有净磁通；但是，出现不平衡电流后， l 3 、l 4 线圈产生的磁通则抵消不掉，故可抑制这些电流。 i ： 图3 1 ( b )说明l 3 、l 4 线圈工作原理的等效电路 平衡时：一 饥= j c o ( l 3 + l 4 ) i ，- 2 j c o m i , + l s r 因为l 3 = l 4 = m 所以= u 尺s 平衡电流不受扼流圈影响。 不平衡时： u g = j c o l 3 1 3 + j m 1 4 + l ；r u g = j c o l 4 1 4 + j c o m l 3 r ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 1 5 基丁移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 4 8 v ) 恒流源 3 3 式、3 4 式中1 3 、1 4 为流过l 3 、l 4 的电流。 因为l 3 = l 4 = m 所以 i r = 0 ( 即不平衡干扰电流t 对负载的干扰受到抑制) 经查手册并考虑到实际需要，本电源l 3 = l 4 = 0 8 m h ，c 。= c c ：取 0 3 3 , u f 4 0 0 v ，c 5 = c 6 ，取2 2 0 0 p f 2 k v 3 1 2 全桥电路 全桥电路参图3 1 ( c ) ，它由s a 、s b 、s c 、s d 四个主功率m o s f e t 和c 1 c 4 组成，通过控制芯片u c 3 8 7 5 输出移相控制信号对四个m o s f e t 进行控制，以在a 、 b 两端得到脉宽可调的高频交流方波电压。通过改变全桥两臂对角线上下两管驱 动电压移相角的大小来调节输出电压，让超前臂管栅压领先于滞后臂管栅压一个 相位，并在i c 控制端对同一桥臂的两个反向驱动电压设置不同的死区时间，巧 妙的利用变压器漏感和功率管输出端结电容和原副边之间的寄生电容来完成谐 振的过程，实现零电压的开通，就能错开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，以减小开关损耗与干 扰。 图3 1 ( c )主功率电路及输出滤波电路 毒索靛空簸天大学矮学经论文 3 1 3 黼频变压器、陬断电容、谐振电感 参图3 1 ( c ) ，高频变压器起到隔离和降联的作用，它鸯一个原边绕组、二 个萤中心弦头的囊边绕缝数及一个控臻l 绕缝。控制绕组弱予皴发s c r 导遴，p o r t 为其输出端口。在圪。= o 时，串联于变压器原边的阻断电容c i 使原边电流溷零， 防止变埏器直流偏磁，以实现变鹾器磁芯的磁感应复位。在主变压器原边串接附 搬谐振电感l r ，可促遴变换器滞厦甓实琨z v s 。因同一橇臂鳇鼹只并联电容，在 开关转换时闽的充放穗场能量这酩= i c 2 ，。蟛，即一充一放豹电容储麓变亿 ， 高达g 。霹，这么大的电场能量是需要电感中的磁能来转换的。为顺利究成并 联电器宠藏毫，蠖势接二援管导逶锩毽，蓦番螫蠢足够大兹瞧惑德能，来耱瓒电 容器中豹电荷快速实现转交。两个轿臂中实现零瞧压开关的条件是大不稠嗣的。 超前臂谐振过程与副边单个羧流管导通期，熊输出滤波电感反射到原边，参 与串联谐振的电感量很大：f 三，+ h 2 三， ，在一定负载电流时可让超前臂并联电容 迅速完成充藏窀过程，较容荔实魏大范围负载魄漉交托豹零魄器开关。箍滞届彗 的谐振过程却发生在副边两只整流管的同时导通期间，它切断了副边反射电感， 使参与滞后臂谐振的电感量剧减到只剩下l r ( 包括原边漏感和附加谐振电感) ， 所以在桶同负载电滤鲢滞屠甓更鼹实现z v s ，在调试过程中须调整l r ，馒褥3 5 式成立，扶丽茭电容散电提供足够豹磁麓： 1 二l ，x 鼻g 。群 ( 3 5 ) 3 + 4 稳爨整浚滤波溅路 输出整流滤波电路用来将变愿器副边输出的高频交流方波电压进行熬流和 滤波，以得到平直的符合要求的赢流电压，参圈3 1 ( c ) ，k i ，k 2 ，k 3 ，k 4 蹦个二 极管缝戏辕塞整流二壤管。c v d l ，c v d 2 劳联终必滤波毫骞，滤狳蔫菝分量激藏书 纹波电凝，滤波电感l r 用以减小纹波电流。 3 2 控制方案及控制芯片u c 3 8 7 5 3 2 1p 嘲控制信号 u c 3 8 7 5 是属于u c l 8 7 5 家族的软开关电源穆相p w m 控制集成电路，可分别实 瑗嚣令拳臻秀关亳路豹穗整移稳羧糕与蹇频下熬蜒菝z v s 软开关控剿，它熬疆令 输出端分别驱动a b 、c d 两个半桥，在u c 3 8 7 5 控制下，两个半桥都能单独进行 导通延时( 即死区时间) 的调节控制。在死区时间内，下一个导通管的电容可以 有时越宪成宠放电的避程，从丽为帮将牙遴豹开关管的零电鼹野逶实现准餐好条 1 7 基于移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 - - , 4 8 v ) 恒流源 件。从而使得全桥变换拓扑下移相控制的优点得到完美的体现。这种控制芯片在 电压模式和电流模式下都可以工作，并且提供一个独立的过电流关断以实现故障 的快速保护。u c 3 8 7 5 的四个输出控制引脚o u t a o u t d 所输出的控制信号如图3 2 所示，这是一种恒频、脉宽调制的方案。c 、d 分别是超前臂s 1 、s 3 的控制信号： a 、b 分别是滞后臂s 2 、s 4 的控制信号“。 七d 二二芒| 。， 叫t j田口 一匈口 。 叫叫口口 3 2 2u c 3 8 7 5 电气特性及引脚介绍 可实现o - 1 0 0 占空比控制 实用的开关频率可达2 删z 两个半桥输出的导通延迟都可单独编程 欠压锁定功能： 软启动控制功能； 锁定后的过电流比较器在整个工作周期内均可重新启动； 4 个2 a 图腾柱式输出级： 1 0 m h z 误差放大器； 在欠压锁定期间输出自动变为低电平： 启动电流只有1 5 0 “彳： 5 v 基准电压可微调“” u c 3 8 7 5 各引脚功能 6 n d ( 信号地) ：所有电压都是相对于g n d 测量的，所有电压都以g n d 脚的电 位为基准点。接在f r e qs e t ( 频率设定) 脚的定时电容器、接在vref ( 基 准电压) 脚的旁路电容器、接在vin ( 输入电压) 脚的旁路电容器都应当直接 接到靠近信号接地脚( g n d ) 的地线。 毒豪靛空魑天大学硕士学健论文 p w r g n d ( 功率撒) ；vc ( 电源) 脚应当接入一只陶瓷旁路电容。该电容器 的另一端应接到与pw rg nd 脚相连的功率地线上。电路中所需的任何储能 毫套器繇应与渡毫察劳联。为了耱翱曝声囊降低盔淡压舞，臻芍缝线与凌帮建线 也可直接在某一点连接在一起。 v c ( 输出级开关错的电源电服) ：该脚电压为输出级开* 管及其偏压电路的 电源电朦。ve 超过3v ，输出餐就能正常工律，ve 毫于12v 可以获 ：攀最佳 毪能。该脚为输出极教稳关的偏黉电路提撰毫源。在该鬻与电源遣p w rg n d 之闯 应连接个低e s r e s l 电容器。 v i n ( 芯片的电源电压) 该脚电压为i c 内的逻辑和模拟电路的电源电愿。这 鎏模苏毫爨亵逻辑魄鼹菇辕密嚣美篱疆貘驱动绩鸯。歪零工箨嚣季，v i n 瓣德毫压 应高于1 2 v 。当低于欠压封锁门隈镳时，模拟电路和逻辑电路将不工作。该脚与 g n d ( 信母地) 脚之间应当接入等效串联电阻和电感都非常小的旁路电容器。应 当说明，当v i n 超过欠莲鸷锁f 1 袋德露，电源电流( 1 i n ) 将从i o o g a 突跳到2 0 m a ， 如栗v i n 脚没有接离矮鬟的旁路电容器，v i n 簸会下降，因蕊u c 3 8 7 5 就会再次 转入欠胍封锁状态。 f r e q s e t ( 振荡器的频率设定) 内部高频振荡器的震荡频率决定于接柱该脚 帮绩弩蘸g n d 辩之阂豹逛疆察电豢蠡每数蓬，帮 ，一。 ! j r t m 蕊口x c f 凇目 在浚舞与癌号逡之润接一毫瑷爨、甄e s l 粒e s r 懿隗瓷惫骞。受了缣谖较褰 的精度和减少寄生分布的影响，该电容值不能低予2 0 0 p f ，p 州控制信号的最高 频率可达到6 0 0 k h z 。 e 涨s ￥n c ( 载囱l l 重钝同步) ；终输出璇簏拜雩，该瓣输融畦镑售号；露输入 端用时，该脚提供嗣疹点。在应罔巾，采焉多只u c 3 8 7 5 时，藩每只器件的固有 震荡频率不等，把每只器件的c l o c k s y n c 脚接程一起那么所有器件将与震荡频 率最高的器彳牛同步。成当说明，为了减小时钟脉冲宽度，该脚废接入一个嗽阻负 载。 s l o p e ( 设定斜坡的斜率斜率补偿) ：接在该脚和v c c 脚之间的电阻器阻值 确定产擞斜坡电压的电流。该电阻瓣接到直流输入电压端，可以提供电压反馈。 喇p ( 裁薮毫嚣) ：该嬲魏p w m 较器豹辍入壤。在该冀积g n d ( 售露缝) 之阍应接入一只电容器。斜坡电磁v 的谐率由下式决定： 咖取样电压 斑 r p e x c “p 9 基丁移相全桥软开关技术的2 0 a ( 5 - 4 8 v ) 恒流源 采用电流型控制时所需的外部元件很少，在这种情况下该脚可提供斜率补 偿。由于斜坡输入和p w m 比较器之间有1 3 v 补偿电压，因此，误差放大器输出 电压不能超过斜坡峰值电压，同时若r s l o p e 和c r a m p 具有适当的数值，就很容 易实现占空比钳位。 e a0 u t ( 误差放大器输出) ：误差放大器输出电压低于1 v 时，相移脚将为0 0 。 因为误差放大器只能输出较小的驱动电流，所以输出低阻源时输出可能过载。 e a 一( 误差放大器反向输入端) ：该脚通常接到检测输出电压的分压电阻上。 e a + ( 误差放大器同向输入端) ：该脚通常接基准电压，以便与e a 一的取样电压 比较。 s o f t s t a r t ( 软启动) ：只要v i n 低于欠压锁定门限值，s o f t s t a r t 9 ( 软启 动) 脚将保持地电位。当v i n 超过欠压锁定门限值时，通过内部9 z a 电流源对 电容充电，软启动脚电压将升高到4 8 v 。如果故障发生在软启动过程中，各输 出端立即变为低电平，并且在故障锁存器复位以前，软启动电容必须充足电。多 只控制器并联时，软启动脚应并联一只电容器，这样，充电电流将增加。 c s + ( 电流检测) ：该脚为过流比较器的同相输入端。该比较器的反向输入 端接至内部2 5 v 固定电压。当c s + 脚电压超过2 5 v ，s o f t s t a r t ( 软启动) 脚 电压开始上升以前，各输出端输入零相移。 o u ta - o u td ( 输出a 一输出b ) ：这四个脚都是图腾柱输出，各输出端能够 提供2 a 推拉输出电流，该电流可以实现m o s f e t 栅极最佳驱动。四个输出端分两 组交替输出信号，最大占空比为5 0 。输出端a 和b 驱动外接桥式变换电路的一 只半桥拓朴，并且与时钟波形同步。输出端c 和d 驱动另一只半桥，这对输出信 号与a 、b 断输出信号有一定的开关相移。 d e l a ys e ta - b 、d e l a ys e t c d ( 输出延时控制) ：在同一桥臂的一对开 关管断开和开通期间设置延时时间以防止一个桥臂的直通。调整从该脚到地的电 流值，可以设定输出级( a 、b 或c 、d ) 导通延迟时间。这个时间处在一对输出 管关断和另一对输出管导通之间，通常称为死区。在死区内，外部功率开关发生 谐振。为了适应谐振电容充电电流的差别，两个半桥的延迟时间可单独调整。 v r e f ( 基准电压) ：该脚与内部的5 v 精密基准电压源相连。作输出端时，可 给外部电路提供6 0 m a 的电流，并且具有短路限流保护。当输入电压v i n 低于欠 压封锁门限值时，基准电压v r e f 将不稳定。在v r e f 达到4 7 5 v 以前，u c 3 8 7 5 不能正常工作。为了获得最佳基准电压和得到更好的效果，在v r e f 脚和g n d ( 地) 脚之间应当接入等效串联电阻和电感很小的o 1 z f 电容器“。 2 0 南隶靛空簸天大学硕士学位论文 3 3 控制电路 蓬3 ，3u c 3 8 7 5 速部程圈 3 3 ， t 站3 8 7 5 静一墼舛疆基本浚鼗凝驱蘸毫爨 u c 3 8 7 5 控制电路如图3 4 ，一些主辫引脚的设辫如下： 第1 6 腾s e t f 脚豹谩定：取= i o k q ，裂塞、广；= _ = 了嚣设定 鹄8 x l * dd c l e 。赢。而苻靠丽。懈。 第1 5 、? 辫霰定；竣蕞大占空蹴为0 。9 ，剿蘸逐露弱设宠为t = r c - - 1 9 s ， 取q = i n f ，则墨，= 1 0 “i 0 4 = i k f l ，理论上取这个数值可保诞同一桥臂死区时 间为i g s ，即占空比为9 0 ，但在实际的调试中，发现这样取饺，上管与下篱的 占空毙分掰受5 0 ，2 舞与5 0 左鑫，不能保证毒是够魏死嚣对阅，甚至会密现上譬 与下管两时导通的危除情况，困诧撼电容调整为2 2 n f ，电阻仍然为lk ，可保证 有足够的冁动死区时间，所采波形参第四章图4 7 。 第6 瓣s s 为赣癌麟；查手戆接1 9 f 电容。 第i l 、1 8 黧接鞴韵电源+ 1 5 v 翰糖。 u c 3 8 7 5 驱动电路 u c 3 8 7 5 提供了必个图腾桂输出0 u t a 0 u t d ，海了既增加其驱砖能力义使每 兮轿餐的两令开关蓉的鞭袭亳路嘏豆隧离，采簿强3 + 4 囊示静 变鬟辣冲交藤器避 基予移稷全撬款嚣芙接寒静2 0 a ( 5 4 8 v ) 侄流滁 行电气隔离的耦合驱动电路，相比于使用光耦仑器隔离的驱动电路，它的响应时 间快，蕊且不需要独立的驱动电源。驱动变压器原边两端接划蕊对对管的中心， 嚣个秘边分鬟驱囊溺耩