全桥移相开关电源设计毕业论文.doc

毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 1 页 装 订 线 全桥移相开关电源设计毕业论文全桥移相开关电源设计毕业论文 目 录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 引言 4 1 1 开关电源简介 4 1 2 开关电源的发展动向 4 1 3 本设计的主要内容 5 第二章 相关电力电子器件介绍 6 2 1 二极管 6 2 2 双极型晶体管 7 2 3 光电三极管 8 2 4 场效应管 8 第三章 UC3875 原理和应用 10 3 1 UC3875 简介 10 3 1 1 uc3875 各个管脚简要说明 10 3 1 2 uc3875 的特点 12 3 2 UC3875 的应用 12 第四章 PWM 控制技术 14 4 1 PWM 控制 14 4 1 1 PWM 控制的基本原理 14 4 1 2 PWM 控制具体过程 15 4 1 3 PWM 控制的优点 15 4 1 4 几种 PWM 控制方法 16 4 2 PWM 逆变电路及其控制方法 18 4 2 1 计算法和调制法 18 4 2 2 异步调制和同步调制 21 第五章 电力变换电路介绍 23 5 1 整流电路 23 5 1 1 桥式不可控整流电路 23 5 1 2 单相桥式全控整流电路 24 5 2 逆变电路 25 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 2 页 装 订 线 5 2 1 逆变电路的基本工作原理 26 5 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 28 6 1 电路图设计 28 6 2 电路图原理 28 总 结 32 致 谢 33 参考文献 34 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 3 页 装 订 线 第一章 引言 1 1 开关电源简介 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 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 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 4 页 装 订 线 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 N 1 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 PWM 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 5 页 装 订 线 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 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 6 页 装 订 线 稳压管有着与普通二极管相似的伏安特性 其正向特性为指数曲线 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 7 页 装 订 线 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 8 页 装 订 线 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 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 ur uc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 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 io 0 V1和 V4 通 如 io 0 VD1和 VD4通 uo Ud 当 ur uc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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 19 页 装 订 线 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 20 页 装 订 线 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 21 页 装 订 线 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 22 页 装 订 线 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 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 23 页 装 订 线 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加触发脉冲使其开通 ud u2 负载中有电感存在使负载电流不能突变 电感对负载电流起平波作用 假设负载电 感很大 负载电流 id连续且波形近似为一水平线 其波形如图 5 1 2 d 所示 u2 过零变负时 由于电感的作用晶闸管 VT1和 VT4中仍流过电流 id 并不关断 至 wt 时刻 给 VT2和 VT3加触发脉冲 因 VT2和 VT3本已承受正电压 故两管导 通 VT2和 VT3导通后 u2通过 VT2和 VT3分别向 VT1和 VT4施加反压使 VT1和 VT4关 断 流过 VT1和 VT4的电流迅速转移到 VT2和 VT3上 此过程称为换相 亦即换流 至下一周期如此循环下去 ud波形如图 5 1 2 d 所示 图 5 1 2 c 带阻感负载单相桥式电路图 d 波形图 5 2 逆变电路 与整流相对应 把直流电变成交流电称为逆变 当交流侧接在电网上 即交流 侧接有电源时 称为有源逆变 当交流侧直接和负载连接时 称为无源逆变 逆变 电路的应用非常广泛 在已有的各种电源中 蓄电池 干电池 太阳能电池等都是 直流电源 当需要这些电源向交流负载供电时 就需要逆变电路 另外 交流电机 调速用变频器 不间断电源 感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛 其电路 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 24 页 装 订 线 的核心部分都是逆变电路 变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移 这就是 换流 换流方式在逆变电路中有突出的地位 逆变电路可以从不同的角度进行分类 如可以按换流方式分 按输出的相数分 也可按直流电源的性质分 若按直流电源 的性质分 可分为电压型和电流型两大类 5 2 1 逆变电路的基本工作原理 以图 5 2 1 a 的单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理 图中 S1 S4 是桥式电路的 4 个桥臂 它们由电力电子器件及其辅助电路组成 当开关 S1 S4 闭合 S2 S3 断开时 负载电压 U0为正 当开关 S1 S4 断开 S2 S3 闭和时 U0 为负 其波形如图 5 2 1 b 所示 这样就把直流电变成了交流电 改变两组开关 的切换频率 即可改变输出交流电的频率 这就是逆变电路最基本的工作原理 当负载为电阻时 负载电流 i0和电压 u0的波形形状相同 相位也相同 当负载 为阻感时 i0相位滞后于 u0 两者波形的形状也不同 图 5 2 1 b 给出的就是阻 感负载时的 i0波形 设 t1时刻以前 S1 S4导通 u0和 i0均为正 在 t1时刻断开 Sl S4 同时合上 S2 S3 则 u0的极性立刻变为负 但是 因为负载中有电感 其 电流方向不能立刻改变而仍维持原方向 这时负载电流从直流电源负极流出 经 S2 负载和 S3流回正极 负载电感中储存的能量向直流电源反馈 负载电流逐渐减 小 到 t2时刻降为零 之后 i0才反向并逐渐增大 S2 S3断开 S1 S4闭合时的情 况类似 上面是 S1 S4均为理想开关时的分析 实际电路的工作过程要复杂一些 图 5 2 1 a 单相逆变电路 b 波形图 5 2 2 电压型逆变电路 图 5 2 2 a 所示电路是电压型逆变电路 其特点主要是 1 直流侧为电压 源 或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无脉动 直流回路呈现低阻 抗 2 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 并且与负载 阻抗角无关 而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 3 当 交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量的作用 为了 给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂都并联了反馈二极管 它共有 4 个桥臂 可以看成由两个半桥电路组合而成 把桥臂 1 和 4 作为一对 桥臂 2 和 3 作为另一队 成对的两个桥臂同时导通 两对交替各导通 1800 在阻感 负载时 还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压 这种方式称为移相调 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 25 页 装 订 线 压 移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度 在图 2 2 2 b 的单相全桥逆 变电路中 各 IGBT 的栅极信号仍是 1800正偏 1800反偏 并且 V1 和 V2 的栅极信 号互补 V3 和 V4 的栅极信号互补 但 V3 的基极信号不是比 V1 落后 1800 而是只 落后 0 1800 也就是说 V3 V4 的栅极信号不是分别和 V2 V1 的栅极 信号同相位 而是前移了 1800 这样 输出电压 U0就不再是正负各为 1800的脉 冲 而是正负各为 的脉冲 各 IGBT 的栅极信号 UG1 UG4及输出电压 u0 输出电流 i0的波形如图 5 2 2 b 所示 下面对其工作过程进行具体分析 设在 t1 时刻前 V1和 V4导通 输出电压 U0为 Ud t1 时刻 V3和 V4栅极信号反向 V4截止 而因负载电感中的电流 i0不能突变 V3不能立刻导通 VD3导通续流 因 为 V1和 VD3同时导通 所以输出电压为零 到 t2时刻 V1和 V2栅极信号反向 V1截 止 而 V2不能立刻导通 VD2导通续流 和 VD3构成电流导通 输出电压 Ud 到负 载电流过零并开始反向时 VD2和 VD3截止 V2和 V3开始导通 U0仍为 Ud t3时刻 V3和 V4栅极信号再次反向 V3截止 而 V4不能立刻导通 VD4导通续流 U0再次为 零 以后的过程和前面类似 这样 输出电压 U0的正负脉冲宽度就各为 改变 就可以调节输出电压 在纯电阻负载时 采用上述移相方法也可以得到相同的结果 只是 VDl VD4不 再导通 不起续流作用 在 u0为零的期间 4 个桥臂均不导通 负载也没有电流 显然 上述移相调压方式并不适用于半桥逆变电路 不过在纯电阻负载时 仍 可采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压 这时 上下两桥 臂的栅极信号不再是各 1800正偏 1800反偏并且互补 而是正偏的宽度为 反偏 的宽度为 3600 二者相位差 1800 这时输出电压 u0也是正负脉冲的宽度各位 图 5 2 2 a 单相全桥逆变电路 b 波形图 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 26 页 装 订 线 第六章 ZVS PWM 全桥移相开关电源设计 6 1 电路图设计 由VD1 VD2 VD3 VD4组成全桥整流电路 其中L1 L2 C2 C3是滤波电路 由 VT1 VT2 VT3 VT4组成全桥逆变电路 图6 1中C6 C7 C8 C9和变压器漏感组成谐 振电路 在逆变开关过程中产生零电压软开关 在逆变器输出负载回路中 串入电 流互感器T2检测负载电流 用于过电流保护 输出变压器的二次侧整流电路由 VD9 VD10 L3 C10 R2组成 由 T2 R3 C11 C12 VDR1 VDR2 VDR3 VDR4 C13 C14 VS1 RP1组成过电流检测电路 R3将互感器T2的交流电流变成交流电压 经VDR整流变换成直流电压 经C13 C14滤波 变成平稳的直流电压 在VS1 RP1上形成阈值电压 当电流超过阈值时 VS1被击穿 RP1上产生高电平 经R8连接到UC3875的5脚过电流封锁 由 VS2 VS3 R30 R31 R32 RP2 RP3 U1组成输出电压检测电路 VS2是稳压电路 U1 是线性光耦合电路 工作在线形放大状态 当输出电压偏高时 光耦电路的输出电 流增大 在RP3上的电压增加 当输出电压偏低时 光耦的输出电流减少 在RP3上的 电压降低 UC3875是设计移相零电压谐振PWM开关电源的控制器件 它可对全桥开关的相位 进行相位移动 实现全桥功率级定频脉宽调制控制 通过功率开关器件的输出电容 充 放电 在输出电容充 放电结束 即电压为零 时实现零电压导通 有关 UC3875的功能结束请参见第三章相关内容 相位控制的特点体现在UC3875的4个输出 端分别驱动A B D C两个半桥 可单独进行导通延时 即死区时间 的控制 在该 死区时间内确保下一个功率开关器件的输出电容放电完毕 为即将导通的开关器件 提供电压导通条件 在全桥模式下 移相控制的优点得到充分体现 6 2 电路图原理 1 输入整流电路 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 27 页 装 订 线 AC 是交流电源 TH1是热敏电阻 当电流突然增大 电流经过热敏电阻必然发 热 从而它电阻也增大 起到保护电路的目的 F1是保护电阻 当电流过大是 F1熔 断 保护电路 C1起电容滤波作用 电容器是一个储存电能的仓库 在电路中 当 有电压加到电容器两端的时候 便对电容器充电 把电能储存在电容器中 当外加 电压失去 或降低 之后 电容器将把储存的电能再放出来 充电的时候 电容器 两端的电压逐渐升高 直到接近充电电压 放电的时候 电容器两端的电压逐渐降 低 直到完全消失 电容器的容量越大 负载电阻值越大 充电和放电所需要的时 间越长 这种电容带两端电压不能突变的特性 正好可以用来承担滤波的任务 L1 C2 L2 C3是 LC 滤波电路 其滤波效能很高 几乎没有直流电压损失 适用于 负载电流较大 要求纹波很小的场合 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 28 页 装 订 线 图6 1 ZVS PWM全桥移相开关电源图 VD1 VD2 VD3 VD4组成不可控整流电路 当 C4上的电压上正下负时 电流通 过 VD1 C5 VD4回路流通 此时 C5上正下负 当 C4上的电压上负下正时 电流通过 VD3 C5 VD2回路流通 此时 C5同样是上正下负 故 C4上的交流压电通过不可控整 流电路转化为直流电压 2 全桥逆变电路 C5上的直流电通过由 VT1 VT2 VT3 VT4 VD5 VD6 VD7 VD8 VD9 VD10 C6 C7 C8 C9组成的移相控 制全桥逆变电路 C5作为输入电压 VTi i 1 2 3 4 为第 i 个参数相同的功率 MOS 开关管 VD5 VD6 VD7 VD8和 C6 C7 C8 C9为相应的体二极管和输出结电容 功率开关管的输出结电容和输出变压器的漏电感 T2作为谐振元件 使 4 个开关管依 次在零电压下导通 实现恒频软开关 VT1和 VT2构成超前臂 VT3和 VT4构成滞后臂 为了防止桥臂直通短路 VT1和 VT2 VT3和 VT4之间人为地加入了死区时间 t 它 是根据开通延时和关断不延时原则来设置同一桥臂死区时间 VT1和 VT4 VT2和 VT3 之间的驱动信号存在移相角 通过调节 角的大小 可调节输出电压的大小 实现稳压控制 VT1 VT2 VT3 VT4 0 T0 t1t2t3 图 6 2 移相全桥电路工作波形 各工作模态分析 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 29 页 装 订 线 在 t0之前 VTl和 VT4已导通 在 t0 t1 内维持 VT1和 VT4导通 VT2和 VT3截 止 电容 C7和 C8被输入电源充电 变压器原边电压为 Vin 功率由变压器原边传送 到负载 在功率输出过程中 软开关移相控制全桥电路的工作状态和普通 PWM 硬开 关电路相同 t1 t1 超前臂在死区时间内的谐振过程 加到 VT1上的驱动脉冲变为低电平 VT1由导通变为截止 电容 C6和 C7迅速分别充放电 与等效电感串联谐振 在谐振 结束前 t2 之前 使前臂中心电压快速降低到 0 7V 使 VD6立即导通 为 VT2的零 电压导通作好准备 t1 t3 原边电流止半周箝位续流过程 VT2在驱动脉冲变为高电平后实现了 零电压导通 由于 VD6已提前提供了原边电流的左臂续流回路 虽然两臂中点电压 为零 但原边电流仍按原方向继续流动 逐步衰减 t3 t4 VT4关断后滞后臂谐振过程 t3 时加到 VT4的驱动脉冲电压变为低电平 VT4由导通变为截止 原边电流失去主要通道 C8和 C9开始充放电 与谐振电感串 联谐振 VD7导通续流 为 VT3的零电压导通作好准备 原边电流以最大变化率从正 峰值急速下降 t4 t5 电感储能回送电网期 t4 时刻 VD7已导通续流 下冲的电流经 VD7返回 到电源 补偿了电网在全桥电路上的功耗 滞后臂死区时间应该在该时间段内结束 原边电流下冲到零点 t5 t6 原边电流下冲过零后开始负向增大 VT2和 VT3都已导通 形成新的电 流回路 开始新的功率输出过程 但副边两整流二极管正是同时导通和急剧变换的 过程 副边电压被箝位在低电平 出现占空比丢失过程 因此滞后臂死区时间设计 是关键 至下一周期重复上述过程 如此循环下去 实现零电压逆变 3 输出整流滤波电路 输出变压器的二次侧采用单相全波不可控整流电路 产生 U0输出电压 变压器 T1带中心抽头 当 T1上正下负时 VD9工作 变压器二次侧绕组上半部分流过电流 当 T2上负下正时 VD10工作 变压器二次侧绕组下半部分流过反方向的电流 L3 C10是 LC 滤波电路 R2用于空载和轻载时给滤波电容一个放电回路 4 过电流保护电路 由 T2 R3 C11 C12 C13 C14 VDR1 VDR2 VDR3 VDR4 VS1 RP1 R8组成过电 流检测电路 R3将互感器 T2的交流电流变成交流电压 经 VDR 整流变换成直流电压 经 C13 C14滤波 变成平稳的直流电压 在 VS1 RP1上形成阈值电压 当负载回路 的电流超过阈值时 VS1被击穿 对应的 RP1上的电压高于 2 5V 经 R8连接到 UC3875 的 5 脚过电流封锁端 封锁输出驱动脉冲 5 输出电压检测反馈电路 由 VS2 VS3 R30 R31 R32 RP2 RP3 U1组成输出电压检测电路 VS3是稳压电 路 是一个基准电路 U1是线性光耦合电路 工作在线性放大状态 当输出电压偏 毕业设计 论文 说明书 共 33 页 第 30 页 装 订 线 高时 光耦的输出电流增加 在 RP3上的电压增加 当输出电压偏低时 光耦输出 电流减少 在 RP3上的电压降低 UC3875 的 1 脚是基准电压输出端 经 R5 R6分压 接 4 脚误差放大器的同相输 入端 作为输出给定电压基准 3 脚误差放大器的反相端接 RP3 对应输出电压反馈 值 2 脚 3 脚 4 脚将内部误差放大器结成 PI 调节器 差值经放大送至移相脉宽 控制器 控制 A B 与 C D 之间的相位 最终调整输出电压波形占空比 是电源稳 定在预定值上 当输出电压正常时 RP3上的电压和 4 脚的给定电压相等 UC3875 的 8 脚 9 脚和 13 脚 14 脚两个桥臂输出的驱动脉冲对应于给定移相脚 当输出电 压偏低时 RP3上的电压低于 4 脚的给定电压 UC3875 的 8 脚 9 脚和 13 脚 14 脚 两个桥臂的输出的驱动脉冲对应的移相角减少 使输出电压增加到稳定值 6 全桥开关电源的驱动电路 UC3875输出电路采用图腾柱式输出 最大电流可达2 A 并可直接驱动功率晶体 管和场效应管 为确保UC3875和开关器件工作在安全状态 在设计中增加了 NPN PNP驱动电路 变压器驱动隔离电路等外围辅助电路 例如在t0时OUT A输出高 电平 OUT B输出低电平 OUT C输出低电平 OUT D输出高电平 使VT1导通 VT2关断 VT3关断 VT4导通 R12 R19是限流电阻 VD11 VD18是续流二极管 脉冲变换器的一次 侧串接电容C2