双端控制开关电源设计毕业论文.doc

双端控制开关电源设计毕业论文目录前言1第1章 绪论21.1开关闭电源简介21.2开关电源的分类31.2.1按驱动方式分类31.2.2按能量转换过程的类型分类31.2.3按输入与输出是否隔离分类31.2.4按功率开关管关断和开通工作条件分类31.3 开关电源的发展方向4第2章 开关器件52.1开关器件概述52.1.1开关器件的特征52.1.2开关器件的组成52.1.3开关器件的分类62.2 不可控器件电力二极管62.2.1电力二极管的符号如图2.1所示72.2.2电力二极管的主要参数72.2.3电力二极管的选用82.2.4电力二极管的主要类型82.3 半控型器件晶闸管92.3.1晶闸管的结构如图2.3所示92.3.2晶闸管的基本特性92.3.3晶闸管的主要参数112.4 典型全控型器件122.4.1电力场效应管（MOSRFET）122.4.2电力MOSFET驱动电路的选择132.5 绝缘栅双极晶体管IGBT142.5.1 IGBT的结构和工作原理142.5.2 IGBT的特性和参数特点152.5.3 IGBT栅极驱动电路15第3章 电力变换电路163.1整流电路163.1.1桥式不可控整流电路163.1.2单相桥式全控整流电路173.2 逆变电路193.2.1逆变电路的基本工作原理193.2.2电压型逆变电路20第4章 UC3524和PWM控制技术224.1 UC3524简介224.2 UC3524引脚介绍及组成的低压开关电源234.3 PWM控制技术254.3.1 PWM集成控制器的基本原理25第5章 ZVSPWM全桥移相开关电源设计275.1电路图设计思路275.2电路图原理27结论30谢 辞31参考文献32附录33外文资料翻译34 第1章 绪论1.1开关闭电源简介所谓开关电源就是利用现代电力电子技术，控制开关管的开通与关断的时间比率，维持稳定的输出电压的电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IGBT和MOSFET构成。伴随电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关电源中主要有二极管、SCR、GTR、IGBT和MOSFET等电力电子器件。在开关电源输入整流电路和软启动电路中少量应用SCR，GTR由于驱动困难、开关频率低，慢慢地被IGBT和MOSFET所取代。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开关电源大致由四部分组成及其主要作用：1.主电路主电路主要包括：（1）冲击电流限幅器：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。（2）输入滤波器：其作用是过滤电网的无用杂波及防止杂波反馈回电网。（3）整流和滤波：把交流电经过整流转换为直流电。（4）逆变：把经过整流的直流电转换为高频的交流电，高频开关电源的核心就在此部分。（5）输出整流和滤波：按照负载的需要，提供可靠稳定的直流电源2.控制电路一是从输出端进行取样，与设定值进行比较，再来控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，二是按照测试电路所提供的数据，经过保护电路的鉴别，使控制电路对电源进行各种保护措施。3.检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和仪表数据。4.辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。1.2开关电源分类1.2.1按能量转换过程的类型1.直流直流（DC-DC）变换器。它把直流电转换成交流电。DCDC变换器是直流开关电源的核心部件，也是隔离式和非隔离式变换器直流电源不可缺少的组成部分。2.直流交流（DC-AC）逆变器。它是把直流电转换为交流电的开关变换器，是不间断电源（UPS）和交流输出开关电源的主要部件。3.开关整流器（AC-DC）。它是把交流电转换成直流电的一种电源装置，这种变换器的变换过程可以理解为交流直流交流直流（AC-DC-AC-DC）。4.交流交流变换器（AC-AC）。它是把一种固定频率的交流电转换成可变频率的交流电或者直接转换成某一恒频的交流电变换装置。 1.2.2按驱动方式1.自激式开关电源。开关管起功率开关和振荡器件的作用。2.他激式开关电源。装设专门的独立的振荡电路，拥有专门的的脉冲调宽控制器，PWM控制芯片便是其中一例。1.2.3按输入和输出是否被隔离1.非隔离式开关变换器。它是在电气上输和与输出不隔离。输入和输出共用一个公共端。此类变换器结构主要有升压型（Boost）变换器，降压型（Buck）变换器，降压升压（Buck-Boost）变换器与它们的组合变形电路，如Zeta变换器，Cuk器，Sepic变换器等。2.隔离式开关变换器。它是将高频变压器的一次侧（输入）与二次侧（输出）隔离。主要有单端正激式变换器、中心抽头式（推挽）变换器、半桥式变换器、全桥式变换器、单端反激式变换器。1.2.4按功率开关管关断与开通工作条件1.硬开关变换器。功率开关器件是在承受电压或者电流的情况下关断或接通的。如此不但形成开关尖峰干扰噪声，且产生大量的开关损耗，需要附加滤波、屏蔽等抗噪声的技术，才能达到高性能、高精度用电设备的要求。2.软开关变换器。功率开关器件是在没有外加电压或者电流的情况下关断或接通的；或者是在开关管上施加的电压是零，称为零电压开关（ZVS）；或是开关管流过的电流是零，称为零电流开关（ZCS）。因为开关的过程中无电流、电压重叠（理想情况），大大降低开关损耗，而且开关噪声小，有利于实现开关变换器的小型化、高频化。1.3 开关电源的发展方向开关电源的发展方向是低耗、高频、高可靠、抗干扰、低噪声和模块化。由于开关电源小、薄、轻的关键技术是高频化，所以国内外各大开关电源的制造商皆努力同步研究开发新型的高智能化、高频化的电力电子元器件，尤其是在减小二次整流的器件的损耗方面，且在功率铁氧体材料方面也投入大量的精力，以获得在磁通密度较大时和高频率下获得较高磁性能。电容器的小型化亦是一项关键的技术。SMT技术的应用让开关电源取得了里程碑式的进展，电路板的两面都可以布置元器件，确保了开关电源的小、轻、薄。对传统的PWM开关技术进行创新是实现开关电源高频化的必经之路，软开关技术（ZCS、 ZVS）已经成为开关电源方面的主流技术，他们大幅度提高了开关电源的工作效率。至于高可靠性的指标，美国有关的生产商是通过让运行电流和结温降低等措施来减小器件所受的应力，使产品的可靠性得到了大大的提高。 开关电源的发展总体趋势是模块化。能够采用模块化的电源构成分布式电源系统，也能设计为N1冗余电源系统，且实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声偏大这一缺点，如果单独追求高频化其噪声必将随着增大，若采用部分谐振转换电路技术，在理论上不但可实现高频化而且可以降低噪声，但是部分谐振转换技术的实际应用还存在着技术问题，因此仍需要在这一领域开展诸多的工作，才能使得该项技术实用化。 不断发展创新的电力电子技术，使得开关电源产业有着广阔的发展前景。想要让我国开关电源产业加快发展速度，技术创新是必走之路，走有中国特色的产、学、研联合发展的道路，为我国国民经济和军事实力的高速发展做出贡献。第2章 开关器件2.1开关器件概述2.1.1开关器件的特征同一般的的电子器件相比，开关器件具有以下特征：1.能处理的功率的大小，也就是承受电流和电压大小的能力是开关器件最重要的参数，开关器件处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。2.开关器件一般工作在开关状态，导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降几乎为零，电流由外电路所决定；阻断时阻抗很大，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。3.开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。做电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关4.电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。5.为保证不至于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电电流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗时开关器件功率损耗的主要成因。当开关器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大，可能成为开关器件功率损耗的主要因素.2.1.2开关器件的组成开关电源系统由控制电路、驱动电路和以开关器件为核心的主电路组成。控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中开关器件的通或断来完成整个系统的功能。开关电源系统中需要有检测电路。广义上往往其他驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说开关电源系统是由主电路和控制电路组成的。主电路的电压和电流一般都比较大，而控制电路的开关器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，驱动电路与控制信号的连接处，或者主电路与监测电路的连接处，一般需要电气隔离，而通过其他手段如光、磁等来传递信号。主电路中常常有电流和电压的过冲，而开关器件通常比主电路中普通元器件昂贵，但承受过过电流和过电压的能力反而差一些，因此必须在控制电路和主电路中附加一些保护电路，以保证整个开关器件和电源系统可靠正常的运行。开关器件一般有三个端子，其中两个连接在主电路中，而第三段被称为控制端或控制极。开关器件的通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。2.1.3开关器件的分类开关器件按其能够被控制的电路信号所控制的程度，分为以下三类：1.半控型器件。通过控制信号能控制其导通但不能控制其关断，晶闸管和其大部分派生器件的关断由其在主电路中承受的电流和电压决定。2.全控型器件。通过控制信号即可控制其导通又可控制其关断，又称为自关断器件，如电力场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）。3.不可控器件。不能利用控制信号控制其通断，所以也就不需要驱动电路。比如电力二极管（Power Diode）仅有两个端子，他的通断由其在主电路中承受的电流和电压决定的。按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，不可控器件分为电流驱动型器件和电压驱动型器件。2.2 不可控器件电力二极管将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引线电阻和体电阻，所以当对其施加正向电压，在电流相同的情况下，二极管两端的电压大于PN结上的电压降；也就是说，在外加正向电压相同的情况下，二极管PN结电流要稍大于正向电流。在电流较大的情况下，这种现象更为明显。此外，二极管表面有存在有漏电流，使得外加反向电压时的电流增大。电力二极管的主要知识介绍如下：2.2.1电力二极管的符号如图2-1所示 （a）基本结构 （b）电气符号图2-1电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK和流过管子的电流IA之间的关系称为伏安特性。伏安特性曲线如图2-2所示图2-2 伏安特性曲线2.2.2电力二极管的主要参数1.额定正向平均电流 在规定的环境温度为40和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。 2.反向重复峰值电压 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压。将URRM值取规定的电压等级就是该元件的额定电压。 3.正向平均电压 在规定环境温度+40和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别称为正向平均电压 ，简称管压降，一般在0.451V范围内。2.2.3电力二极管的选用1.选择额定正向平均电流的原则 选用时取相应标准系列值即可。 2.选择额定电压URRM 的原则 =（23）UDM 选用时取相应标准系列值。3.电力二极管的测试及使用注意事项由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意：严禁用兆欧表测试电力二极管。 电力二极管使用时必须保证规定的冷却条件，如不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1/3左右。2.2.4电力二极管的主要类型1.整流二极管整流二极管多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。但其正向电流定额和反向电压定额却很高。 2.快恢复二极管 恢复过程很短 (一般在5s以内)的二极管被称为快恢复二极管。可用于要求很小恢复时间的电路中。 3.肖特基二极管 肖特基二极管反向恢复时间很短(1040ns)，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。多用于200V以下的低压场合；肖特基二极管适用于较低输出电压和要求较低正向管压降的换流器电路中。2.3 半控型器件晶闸管晶闸管Thyristor是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器Silicon Controlled RectifierSCR，以前被简称为可控硅。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的而且工作可靠因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管的主要知识点如下：2.3.1晶闸管的结构如图2-3所示（a）外形 （b）结构 （c）电气符号图2-3从外形上来看晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。从结构上看引出阳极A、阴极K 和门极控制端G 三个联接端，内部是PNPN四层半导体结构。2.3.2晶闸管的基本特性1.静态特性（1）向晶闸管施加正向电压时，只有在门极有触发电流时，晶闸管才能够开通。（2）向晶闸管施加反向电压时，无论门极有没有触发电流晶闸管均不会导通。（3）晶闸管一旦开通，门极便失去了控制作用，无论门极触发电流是否还存在，晶闸管均保持导通。（4）若要使已导通的晶闸管被关断，只有利用外电路的作用和外加电压使流过晶闸管的电流降低到维持电流以下，晶闸管便能关断。2.伏安特性，如图2-4所示（1）正向特性当时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态 只有很小的正向漏电流流过。若正向电压超过临界极限电压也就是正向转折电压 ，漏电流将急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的 增加，正向转折的电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，这个电流称为维持电流。（2）反向特性他的伏安特性类似于二极管的反向特性。当晶闸管在反向阻断状态时，只有很小的反向漏电流流过。若反向电压超过某一限度，到反向击穿电压后，外电路如果没有限制措施，则反向漏电流快速增大，会导致晶闸管因发热而损坏。图2-4 晶闸管的伏安特性3.动态特性，如图2-5所示（1）开通过程由于晶闸管内部正反馈过程需要时间，外电路的电感电流的变化有限制作用，晶闸管受到触发后，因此阳极电流的增长不会是瞬时的。延迟的时间 (0.5-1.5s)，上升时间(0.5-3s)，开通时间。延迟时间会随着门极电流的增大反减小,上升时间除了反映晶闸管本身特性外，还受到外电路的电感的严重影响。延迟时间和上升时间的缩短可以通过提高阳极电压来实现。图2-5 晶闸管的开通和关断过程波形（2）关断过程由于外电路电感的存在原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。反向阻断恢复时间,正向阻断恢复时间,关断时间,关断时间约几百微秒。在正向阻断恢复时间内,如果重新对晶闸管施加正向电压,晶闸管会重新正向导通,而不是受门极电流控制而导通。2.3.3晶闸管的主要参数1.电压定额（1）断态重复峰值电压。断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。国标规定重复率为50HZ，每次持续时间不超过10ms。规定断态重复峰值电压为断态不重复峰值电压的90%，断态不重复峰值电压应低于正向转折电压。（2）反向重复峰值电压，反向重复峰值电压是指在门极断路但结温是额定值时，可以重复加在器件上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压为反向不重复峰值电压，即反向最大瞬态电压的90%。反向不重复峰值电压应该低于反向击穿电压。（3）通态峰值电压UT，通态峰值电压是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的和 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时常取额定电压为正常工作时晶闸管所能够承受的峰值电压的三分之二。2.电流定额（1）通态平均电流，国标规定：通态平均电流是晶闸管在环境温度为40度和在规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等，即有效值相等的原则所得计算结果的1.5-2倍。（2）维持电流，维持电流是指使晶闸管维持导通所需要的最小电流。一般为几十毫安到几百毫安。结温越高则越小。（3）擎住电流，擎住电流是晶闸管刚刚从断态进入通态并移除触发信号后，能维持导通所需要的最小电流。约为的2-4倍。（4）浪涌电流，指电路由于异常情况引起的并使结温超过额定值的不重复性最大正向过载电流。3.动态参数除开通时间和关断时间外，还有：（1）断态电压对的临界上升率。当额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态转换为通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大使充电电流足够大就会使晶闸管误导通。（2）通态电流的临界上升率。在规定条件下晶闸管能够承受且无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。2.4 典型全控型器件在晶闸管问世后不久门极可关断晶闸管就已经出现。它将电力电子技术带入了一个崭新的时代。门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双击型晶体管就是全控型电力电子器件的典型代表。目前门极可关断晶闸管和电力晶体管早已被性能更优越的电力场效应管和绝缘栅双极晶体管所取代，因此，下面这要介绍电力场效应管和绝缘栅双击型晶体管。2.4.1电力场效应管（MOSRFET）1.电力场效应管的结构和工作原理电力MOSFET的结构电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有：驱动电路简单；需要的驱动功率小；开关速度快工作频率高；热稳定性优于GTR；电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。电力MOSFET按导电沟道可分为N沟道和P沟道，器结构和电力符号如图2-6所示，其中（b）图中左边为N沟道，右边为P沟道。（a）内部刨面示意图 （b）电气图形符号 图2-62.电力MOSFET的原理截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导通：在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当大于某一电压值时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。称为开启电压或阈值电压。超过越多，导电能力越强，漏极电流越大。2.4.2电力MOSFET驱动电路的选择1.IR2011和IR221X系列主电路的电力MOSFET开关频率要达到100KHZ，而早期的IR21系列的最短开通关断时间是1.35us，达不到100KHZ的开关要求。IR最新的驱动IC已经突破这一限制，如IR2011、IR221X系列均可工作在100KHZ以上。同类型的高压板桥驱动IC有很完善的保护机制，可以很好地应用于半桥、全桥、三项全桥等拓扑结构。2.应用隔离驱动光耦电路应用隔离驱动光耦电路是为了让频率达到要求，在开关频率较高时，会产生显著的延时，而且需要一组独立的驱动电源。若用告诉光耦，则驱动能录不足。3.脉冲驱动变压器脉冲驱动变压器的延时较小，但是输出驱动波形不易控制，输出驱动脉冲的宽度不能大范围调节，而且输出脉冲时脉冲变压器容易饱和，因此主要应用于开关频率较高的电路。2.5 绝缘栅双极晶体管IGBT电力晶体管GTR的特点是：双极型，电流驱动，由点到调制效应，通流能力很强开关速度较低，所需的驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点是：单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性号，所需的驱动功率小且驱动电路简单。结合二者的优点而成的复合器件就是绝缘栅双极晶体管IGBT。他目前已经取代了GTR和一部分的MOSFET，成为电源中小功率电力电子设备的主导器件。其结构和图形符号如图2-8所示（a）内部刨面结构示意图 （b）电气图形符号图2-82.5.1 IGBT的结构和工作原理IGBT为三端器件，分别为栅极G、集电极C和发射极E。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是场控器件，其通断由栅极电压决定。需要导通时，大于开启电压，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；导通时有一压降，电导调制效应使电阻减小，使通态压降减小；需要关断时，栅射极施加反压或者不加信号，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2.5.2 IGBT的特性和参数特点1.开关损耗小、速度高。当电压为1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET管相当。2.相同电流和电压定额时，安全工作区域比GTR大，并且有耐脉冲电流冲击能力。3.输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。4.通态压降比MOSFET低，特别是电流较大的区域。5.与GTR和MOSFET相比，通流和耐压能力还可进一步提高，同时保持了开关频率高的特点。2.5.3 IGBT栅极驱动电路1.IGBT栅极驱动模块的选用IGBT栅极驱动模块M57962L、EXB841均可用于驱动1200V系列400A以内的IGBT模块，并具有过流检测和保护功能。M57962L在外部利用文雅二极管产生-9V负偏压，关栅可靠性比EXB841的高；EXB841内部产生-5V负偏压且不可调。M57962L的保护动作时间，即从出现过流到栅压降为0V的时间仅为6.3us。EXB841的保护动作时间是16us且关栅电压不能降到-2V，使IGBT炸管的危险性比M57962L的大。因此IGBT栅极驱动模块应选用M57962L。2.驱动模块外围电路改进在IGBT关断时，管子的发射极和集电极之间产生的电压上升率可高达30000V/us。过高的电压上升率会产生较高的位移电流，且会导致产生很大的集电极脉冲浪涌电流，很容易使IGBT产生动态擎柱现象。想要避免IGBT发生这样的误动作，需要在IGBT栅极加负电压。3.IGBT模块与滤波电容的连接IGBT的输入特性与MOSFET想类似，输入阻抗高。如果驱动电路失去电压，则IGBT的栅极失去负偏压，对发射极成高阻态。此时，一旦有干扰窜至IGBT的栅极，则IGBT模块的上下两管易同时导通。如果IGBT模块直接与数千微发的滤波电容连接，那么滤波电容存储的能量会通过IGBT模块上的上下管直接释放，易导致IGBT模块损坏。因此，设计大功率电源时应考虑加入控制电路，以使在开机时先接通控制、驱动部分电路的电源，后将IGBT模块与滤波电容连接。在关机时先将IGBT模块与滤波电容断开，后关断控制、驱动部分电路的电源。18洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 电力变换电路3.1整流电路整流电路把交流电压变换为单极性电压的电路。大多数整流电路由整流主电路、变压器和滤波器等组成。整流电路在发电机的励磁调节、直流电动机的调速、电镀、电解等领域得到了广泛的应用。整流电路一般由和变压器、主电路和滤波器组成。到1970年代以后，主电路大多用硅整流二极管与晶闸管组成。滤波器连接在主电路和负载之间，用来滤掉脉动直流电压中的交流成分。变压器的设置与否看具体情况而定。变压器的作用是实现直流输出电压与交流输入电压间的匹配和交流电网与整流电路间的电隔离（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。3.1.1桥式不可控整流电路如图3-1所示桥式整流电路是利用二极管的单向导通性进行整流的电路，一般用来把交流电转换为直流电。桥式整流电路是对二极管半波整流电路的一种改进。 半波整流电路是利用二极管的单向导通特性，当输入是标准正弦波的情况下，输出只能获得正弦波的正半部分，负半部分完全损失掉。 桥式整流电路是利用四个二极管，两两对接。当输入正弦波为正半部分时，有两只管子导通，得到正的输出；当输入正弦波的负半部分时，另外两只管子导通，因为这两只管子是反向连接的，所以输出仍然得到正弦波的正半部分。 桥式整流电路对输入正弦波的利用效率比半波整流电路高一倍。 桥式整流电路是交流电转换成直流电的第一步。它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3-1 桥式不可控整流电路3.1.2单相桥式全控整流电路1.带电阻负载时的工作情况在图3-2（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，也为零，VTl、VT4串联承受电压，设VTl和VT4的漏电阻相等，则各承受的一半。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。当过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在负半周，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，整流电压和晶闸管VT1和VT4两端电压波形分别如图3-2（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3-2（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。2.带阻感负载的工作情况电路图如图3-2（c）所示。为便于讨论假设电路已工作在稳态。在正半周期，在触发角处给晶闸管VT1和VT4施加触发脉冲使他们开通，。由于负载中有电感存在使得负载电流不能突变，电感能够对负载电流起到平波的作用，若是负载电感非常大大，负载电流的波形近似为一水平线且连续不间断，波形图如3-2（d）所示。过零变为负时，由于电感的作用使晶闸管VT1和VT4中仍流过电流，并不会关断。到wt=+时刻，给VT2和VT3施加触发脉冲，因VT2和VT3本来已经承受正向电压，因此两个管子导通。VT2和VT3导通后，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，波形如图3-2（d）所示。图3-2（a） 图3-2（b）图3-2（c） 图3-2（d）3.2 逆变电路逆变电路与整流相对应，把直流电转变成交流电则称为逆变。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。逆变电路的应用极其广泛，现在的各种电源中，干电池、太阳能电池、蓄电池等都是直流电源，若要使这些电源为交流负载供电，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用得变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用也非常广泛，逆变电路都是其核心组成部分。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。可以从不同的角度将逆变电源进行分类。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。3.2.1逆变电路的基本工作原理如图3-3（a）是最简单的单相桥式逆变电路，下面就以其为例说明逆变电路最基本的工作原理。图中的S1-S4是电路的4个桥臂，由电力电子器件和其辅助电路构成。当开关S1、S4断开，S2、S3闭和时，为负；当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压为正。其波形见图3-3（b）所示。这样直流电就变成了交流电，输出的交流电的频率可由两组开关的频率决定。上述即是逆变电路的基本工作原理。若负载是电阻性负载时，负载和电压和负载电流的波形和相位完全相同。若负载是阻感性负载时，相位超前于，两者波形形状也不相同，阻感负载时i0的波形如图3-3（b）。设t1时刻前S1和S4导通，和都为正。时刻断开Sl和S4，同时S2、S3闭合，则的极性立即转为负。不过，由于负载中电感的存在，电路中电流的方向不会立即改变，仍维持原来的方向。这时负载的电流由直流电源的负极流出，经S3、S2和负载流回正极，负载的电感中存有的能量向直流电源反馈，负载中的电流慢慢减小，至t2时刻减小零，之后i0开始反向且渐渐增大。S2与S3断开，S1和S4闭合时跟S2与S3闭合，S1和S4断开的情况类似。上面是S1S4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3-3（a）逆变电路图3-3（b）工作波形3.2.2电压型逆变电路图3-4所示电路是电压型逆变电路及其波形。图3-4（a）单相全桥逆变电路图3-4（b）波形图其特点主要是1.如果交流侧是阻感负载，则需要提供无功功率，直流侧电容能够缓冲无功能量。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。2.由于直流电压源的钳位作用，交流侧的输出电压的波形为矩形波，与负载的阻抗角没有关系。但交流侧输出的电流的相位和波形因负载的阻抗情况的不同亦不同。3.直流侧是并联有大电容的电压源，相当恒压于电压源。电压大小基本没有脉动，直流回路为低阻抗。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180度。在阻感负载时，还能实用移相方式来控制逆变器输出电压，这种方式被称为移相调压。所谓移相调压，实际上就是控制输出电压的脉冲宽度。在单相全桥逆变电路中，各个IGBT栅极端信号依然是180度正偏，180度反偏，并且V1和V2栅极端信号能够互补，V3和V4栅极端信号也互补，但V3的基极端信号没有比V1滞后，落后的角度为（0180。即V2、V1的栅极端信号并不是分别和V3、V4栅极端信号相位相同，而是与其相比前移了。这样，输出的电压U0便再不是正负各为180度的脉冲，而是正负各为的脉冲，各个IGBT的栅极信号UG1-UG4和输出电压、输出电流的波形如图3-4（b）所示，以下是对其工作过程的进行具体分析。设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压为，t1时刻V3和V4栅极信号方向相反，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，导致V3不能够立刻导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，因此输出电压为零。到t2时刻V1和V2栅极信号方向相反，V1截止，而V2不能够立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流导通，输出电压-Ud。至负载电流过零且开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，U0仍为-Ud。t3时刻V3和V4栅极信号再次方向相反，V3截止，而V4不能够立刻导通，VD4导通续流，U0再次为零。以后的每个周期都与前边类似。这样，输出电压U0的正脉冲和负脉冲宽度就各为。改变，就能够调节输出电压的大小。当电路为纯电阻负载时，采用上述移相方法也能够得到相同的结果，只是VDlVD4不导通，没有续流作用。在u0为零的期间，4个桥臂均不导通，负载也没有电流。 显然，以上所说移相调压方式不适用于半桥逆变电路。但是在纯电阻负载时，仍然可以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。这时的输出电压u0也是正负脉冲的宽度各位。25 第4章 UC3524和PWM控制技术4.1 UC3524简介双端输出驱动器UC3524以其优良的性能获得了广泛运用，无论是低压变压器还是大功率开关电源，都可由其组成可靠性较高的电路。双端输出驱动器的内部电路结构如图4-1所示。图4-1 UC3524内部电路结构UC3524内部振荡器的周期T=RTCT，电容CT的取值范围为1000pF-0.1uF，RT的取值范围为1.8-100K欧姆，其最高振荡频率问300KHZ。死去时间与CT的容量有关，当CT为1000uF时，死区时间为0.4us，当CT为0.01uF时，死区时间为2us，当CT为0.1pF时，死区时间为10us，因此当改变CTRT设定震荡频率时，首先设定CT的值，以保证有适当的死区时间，再选用RT值改变振荡器的输出频率。UC3524内部还设有驱动脉冲电路，通过控制PWM比较器的输出，使集成电路处于关闭状态，无驱动脉冲输出。UC3524的两组驱动输出级也采用集电极、发射极开路的NPN型双极型三极管，以便于单端或推挽电路的驱动。两路输出脉冲，每路输出最大脉宽为45%。驱动推挽电路时，刺激电路得到两组正向脉冲分别使内部放大管轮流导通，其最大脉宽为90%。因为两组极性输出相同，只是在时间上出现的序列不同，所以可以将两驱动输出脉冲并联，并将输出最大脉宽90%的单端驱动脉冲用于单端变换器。分成两路输出时，开关频率为振荡器频率的两倍，单端并联运用时开关频率等于振荡频率。UC3524每路输出驱动电流的峰值为100mA，当组成大功率开关电源时，可外加驱动脉冲放大器提高驱动能力。此种方法可使UC3524驱动500W以上输出功率的开关电源。UC3524也可以组成几瓦到几十瓦的小功率稳压电源。4.2 UC3524引脚介绍及组成的低压开关电源UC3524组成的低压开关电源如图4-2所示图4-2 UC3524组成的低压开关电源该电源中UC3524的各引脚功能和外围原件的作用如下：管脚1为内部差分放大器A的反向输入端。稳压器的5V输出经R1、R2进行2:1分压输入1脚。管脚2为差分放大器A的正相输入端，将管脚16输出的内部基准电压经R3、R4进行2:1分压作为误差检测的基准电压。当1脚取样电压升高时，差分放大器输出电压降低，送至PWM比较器B，使输出脉冲占空比减小。差分放大器的输出电压与输出脉冲占空比有近似线性关系，当输出电压为3.5V时，脉冲占空比为45%；当输出电压降为1.5V时，占空比降为10%；当输出电压降为1V时，脉冲占空比降为零，无驱动脉冲输出。1、2脚共模输出电压在1.8-3.4V范围内。管脚3为内部振荡器锯齿波输出端。管脚4、5分别为开关电流限制放大器“+”、“-”取样输入端。开关电流通过外接电流取样电阻R7，变成与电流成正比的取样电压，输入4、5脚。当取样电压上升到200mV时，输出脉冲占空比降为最大占空比的25%；当取样电压升到210mV时，占空比变为零，驱动脉冲被关断。图中原设计R7为0.1，所以VT1、VT2的电流被限制在2.1A。4、5脚共模输入电压在-0.7+1V范围内。管脚6为外接RT端，设定RT的充电电流也即控制RT的充电时间。管脚7为外接CT端，CT（uF）的值和RT（K）共同决定振荡周期：Tms=RTCT。同时CT还与死区时间有关。按图示C2、R5的数值，其周期为30us，锯齿波频率为33KHZ，死区时间为0.7us。管脚8为接地端。管脚9为差分放大器的输出端，用以接入C2、R5组成的相位校正器，以稳定差分放大器的工作状态，防止高频自激。管脚10为PWM脉冲输出控制端。当此端输入1V以上的高电平时，将差分放大器输出端（即PWM比较器B的输入端）电平钳位于0.3V，使输出脉冲占空比为零，驱动脉冲被关断。此高电平关断特点即可用于认为控制电源的开关，也可用于过电压保护等电路。管脚11和14为内部两路驱动级NPN双极型三极管的发射极引出端。管脚12和13为内部两路驱动级NPN管的集电极引出端。为了驱动外电路NPN开关管VT1、VT2，两管集电极由点去R8、R9提供工作电压，两管发射极经点去R10、R11接地。因此，内部驱动级构成射极输出端，使其有较低的内阻、较强的驱动能力，同时输出正向的驱动脉冲驱动VT1、VT2。管脚15为电源输入端。管脚16为5V基准电压输出端。最大电流为50mA，在输入电压允许范围内其误差小于1%。如果外设保护电路，也可以组成高稳定度的5V电源。4.3 PWM控制技术PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。PWM控制于逆变电路中的应用极其广泛，对逆变电路的影响也极其深刻。现今大量应用的很多逆变电路中，很大一部分都是PWM型逆变电路。可以这样说，PWM控制技术是在逆变电路的应用中，才发展得以比较成熟，确定了它在电力电子技术中的重要地位。正因为如此，本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。实际上，离开了PWM控制技术，逆变电路的介绍就是不完整的。4.3.1 PWM集成控制器的基本原理PWM集成控制器通常分为电流型控制器和电压型控制器两大类。电压型控制器仅有电压反馈控制，可以满足稳定电压的要求，电流型控制器又增加了电流反馈控制，不但能够稳定输出电压外，还具有以下优点:1. 若开关管流过的电流大于或等于给定值时，开关自动关断；2. 自动除去纹波电压，且当输出端3OOHZ以下的交流电时纹波电压极低，因此能够减小输出滤波的电容容量；3. 具备更快的负载动态响应；4. 多台开关电源并联工作时，PWM开关控制器具有内在的均流能力。图4-3 (a) PWM集成控制器框图图4-3 PWM集成控制器波形图在常用的脉宽调制(PWM)型集成控制器中。采样反馈信号和基准电压通过误差放大器比较放大后，输出的差值信号与锯齿波(或者三角波)比较，然后改变输出脉冲宽度，实现稳压。有的控制器只有一个输出端，但是多数控制器均设有用“与”门电路和触发器构成的相位分离器，用它将单一脉冲变换成交替变化的二路脉冲输出，用来驱动桥式和推挽变换器中的功率开关管，此时变换器的工作频率相当于控制器内部锯齿波振荡频率的一半。当然也可把控制器的两路输出并联起来驱动单端变换器或者串联调整型开关稳压电源中的功率开关管，这时开关稳压电源的工作频率就相当于控制器内部的锯齿波振荡器的频率。30第5章 ZVSPWM全桥移相开关电源设计5.1电路图设计思路全桥不可控整流电路由VD1,、VD2、VD3、VD4组成，把常用50HZ的交流电变为直流电，其中L1、L2、C2、C3组成滤波电路。因为UC3524原有的两路驱动输出电路输出电流仅为100mA，不足以驱动开关管。为了达到增大输出功率的目的，我在UC3524的11脚和14脚输出端分别加入推挽驱动放大器VT105、VT106，使UC3524可以驱动输出功率为500W以上的开关电源，并且开关变换电流采用全桥开关变换电路，由于任何导通时刻都有两个管子串联，因此加在每个管子上的电压都只有推挽开关变换电路的1/2，这非常适合大电流低电压开关管的应用。并且有利于开关变换电路上输出功率的增大，使得全桥开关电源适合用于千瓦级的大功率开关电源中。5.2电路图原理UC3524组成的高压开关电源为无工频变压器的全桥移相电管电源，次级输出稳定的24V电压，有+24V经二次稳压输出+12V和+