ZVS移相全桥变换器设计.docx
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ZVS移相全桥变换器设计.docx
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ZVS移相全桥变换器设计
电气工程学院
课程设计说明书
设计题目:
系别:
年级专业:
学生姓名:
指导教师:
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称:
电力电子与电源综合课程设计
基层教学单位:
电气工程及自动化系指导教师:
朱艳萍
学号
学生姓名
(专业)班级
设计题目
ZVS移相全桥变换器设计
设计技
术参数
输入电压:
DC450V输出电压:
DC24V
输出功率:
200W开关频率:
20kHz
效率:
设计
要求
1、主电路设计:
移相全桥变换器;主功率器件参数、输出滤波器参数、主电路连接导线截面积计算与选择;
2、高频变压器设计:
磁芯计算与选择、原副边匝数计算、漆包线截面积计算与选择。
3、控制电路设计:
电压闭环以实现稳压输出。
4、过电流保护设计
参
考
资
料
1、电力电子技术(第5版)王兆安主编机械工业出版社2009
2、脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术阮新波严仰光科学出版社
3、电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社
4、开关电源原理与设计张占松蔡宣三
周次
第一周
第二周
应完成
内容
完成全部方案设计:
周一、二:
查、阅相关参考资料
周二至周五:
方案设计、完善
周一、二:
完成设计说明书
周三、四:
绘制A1设计图纸
周五:
答辩考核
指导教
师签字
朱艳萍
基层教学单位主任签字
孙孝峰
说明:
1、此表一式三份,系、学生各一份,报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务科
电力电子与电源课程设计组内自评表
题目:
班级:
工作质量排名
姓名
组内分配工作内容
本人签名
1
2
3
4
摘要
第一,本文论述PWMDC/DC变换器的软开关技术,且依照移相操纵PWM全桥变换器的主电路拓扑结构,选定适合于本论文的零电压开关软开关技术的电路拓扑,并对其大体工作原理进行论述,同时给出ZVS软开关的实现策略。
第二,对选定的主电路拓扑结构进行电路设计,给出主电路中各参量的设计及参数的计算方式,包括输入、输出整流桥及逆变桥的器件的选型,输入整流滤波电路的参数设计、高频变压器及谐振电感的参数设计和输出整流滤波电路的参数设计。
然后,论述移相操纵电路的形成,对移相操纵芯片进行选择,同时对移相操纵芯片UC3875进行详细的分析和设计。
对主功率管MOSFET的驱动电路进
最后,基于理论计算,对系统主电路进行仿真,研究其各部份设计的参数是不是合乎实际电路。
搭建移相操纵ZVSDC/DC全桥变换器的实验平台,在系统实验平台上做了大量的实验。
实验结果说明,本文所设计的DC/DC变换器能专门好的实现软开关,提高效率,使输出电压取得稳固操纵,最后通过调整移相操纵电路,可实现直流输出的宽范围调整,具有专门好的工程有效价值。
行分析和设计。
关键词开关电源;高频变压器;移相操纵;零电压开关;UC3875
第1章绪论
初期提出的软开关变换器是谐振变换器,准谐振变换器和多谐振变换器。
实现了开关管的零电压开关或零电流开关,减小了开关损耗,提高了变换器的变换效率,开关频率大大提高,减小了体积和重量。
可是这些变换器的器件应力大,循环能量大,而且要采纳频率调制,无益于优化设计滤波器。
为了保留谐振变换器的优势,实现开关管的软开关,同时采纳PWM操纵方式,实现恒定频率调剂,利于优化设计滤波器,90年代显现了零转换变换器。
所谓零转换变换器,确实是只是在开关管开关进程中变换器工作在谐振状态,实现开关管的零电压开关或零电流开关,其他时刻均工作在PWM操纵方式下。
这种变换器适应通信技术和电力系统的进展,对通信开关电源和电力操作电源
本课设所做的具体工作如下:
1.分析移相操纵PWM全桥变换器软开关技术的大体工作原理,并分析实现软开关的条件,和整流二极管的换流情形。
2.对移相操纵PWM全桥变换器的主电路拓扑结构进行电路设计,研究主电路中各参量的设计方式,包括:
输入整流桥、逆变桥、输出整流二极管的选型,输入滤波电路母线支撑电容的设计,高频变压器及谐振电感的设计,输出滤波电路中滤波电感及滤波电容的设计。
3.详细分析移相操纵芯片,对驱动电路进行设计与分析。
4.理论计算和仿真研究设计参数。
第2章PWMDC/DC全桥变换器软开关技术
PWMDC/DC全桥变换器
全桥变换器的大体工作原理
PWMDC/DC全桥变换器的大体电路结构及其波形如下图。
T1-T4是四支主功率管,D1-D4为主功率管的反并联二极管,TR是输出变压器,其原副边绕组匝数比K=N1/N2,VD1和VD2是输出整流二极管,Lf和Cf是输出滤波电感和电容,RL是负载。
输入直流电源电压为Vin,输出直流电压为Vo。
所谓移相操纵方式确实是T1和T2连番导通,各导通180度电角度,T3和T4亦如此,可是T1(或T2)和T4(或T3)不同时导通,二者导通差a电角度,如图(b)所示。
其中T1和T2别离先于T4和T3关断,故称T1和T2组成的桥臂为超前桥臂,T3和T4组成的桥臂为滞后桥臂。
通过操纵T1-T4四只开关管,在AB两点取得一个幅值为Vin的交流方波电压,通太高频变压器的隔离和变压后,在变压器副边取得一个幅值为Vin/K的交流方波电压,然后通过由VD1和VD2组成的输出整流桥,在CD两点取得幅值为Vin/K的直流方波电压。
Lf与和Cf组成的输出滤波器将那个直流方波电压中的高频分量滤去,在输出端取得一个平直的直流电压,其电压值为Vo=DVin/K,其中D是占空比,D=2*Ton/Ts,To是导通时刻,Ts是开关周期,由Vo的公式知,能够
通过调剂占空比来调剂输出电压Vo,又D=2*Ton/Ts=1-a/180,从而能够通过操纵移相角来调剂输出电压Vo.
PWMDC/DC全桥变换器的软开关实现
1.超前桥臂的软开关实现
在图中,T1和T4同时导通,vAB=Vin,变压器一次侧电流流过T1和T4。
在某一时刻先关断T1,原边电流从T1上转移到C1和C2支路上,给C1充电,同时C2被放电。
由于有C1和C2,T1是零电压关断。
在那个进程中,漏感Lrk和滤波电感与串联,而且Lf专门大,因此能够以为原边电流Ip近似不变,类似于一个恒流源。
如此C1的电压线性增大,同时C2的电压线性减小。
当C1的电压上升到Vin时,C2的电压下降到零,T2的反并联二极管D2自然导通,现在开通T2确实是零电压开通。
现在Vab=0,同理于T2关断的情形。
从上面的分析能够取得:
超前桥臂在关断时,输出滤波电感与漏感串联,原边电流是一个恒流源,因此超前桥臂只能实现零电压开关,不能实现零电流开关,而且超前桥臂容易实现零电压开关。
3.滞后桥臂的软开关
1)滞后桥臂的零电压开关
若是续流状态处于恒流模式,原边电流流过D2和T4。
当T4关断时,原边电流从T4上转移到C3和C4支路上,给C4充电,同时C3被放电。
由于有C3和C4,T4是零电压关断。
当C4的电压上升到Vin时,C3的电压下降到零,T4的反并联二极管D4自然导通,现在开通T4确实是零电压开通。
现在vAB=0。
同理于T3关断的情形。
在T4关断后,由于vab=-vc4,vAB,为负电压,使VD2导通,VD1与VD2换流,因此短接了变压器副边,变压器原边电压为零。
现在与C3和C4谐振的能量是由漏感Llk提供的。
由于Llk的电感量很小,若是Llk提供的能量不能使口和C3充放电终止就使得原边电流ip反向,那么C3上的电压就会开始增加,现在开通T3就不能实现零电压开通,而是硬开通。
从上面的分析能够取得:
(1)滞后桥臂实现ZVS的能量是漏感
的能量;
(2)漏感远远小于输出电感,因此滞后桥臂较超前桥臂实现ZVS更困难;(3)漏感能量与负载有关。
负载越大,能量越大;反之越小。
在负载较小时,漏感能量不足以使滞后桥臂实现零电压开关,必需采纳辅助电路来帮忙漏感实现滞后桥臂的零电压开关。
2)滞后桥臂的零电流开关
若是续流状态处于电流复位模式,那么当T4关断时,原边电流为零,T4是零电流关断。
当T3开通时,由于漏感的存在,原边的电流不能突然增加,而是以必然的斜率增加,因此能够以为T3是零电流开通。
同理于T3关断的情况。
从上面的分析能够取得:
(1)在电流复位模式下,滞后桥臂实现zcs;
(2)滞后桥臂开关管两头不能并联电容,不然在开关管开通时,其并联电容上的电压不能为零,其能量将全数消耗在开关管中,使开关管发烧,而且还会在开关管中产生专门大的电流尖峰,造成开关管的损坏;
(3)在续流状态时,原边电流回到零后,不能反向增加。
不然在开关管开通时,就会产生专门大的开通电流尖峰,容易损坏开关管,从而失去了零电流开通的条件。
PWMDC/DC全桥变换器实现ZVS
两个桥臂实现ZVS
1.实现ZVS的条件要实现开关管的零电压开通,必需有足够的能量用来:
1)抽走将要开通的开关管的外部附加电容上的电荷;
2)给同一桥臂关断的开关管的外部附加电容充电;3)考虑到变压器原边绕组电容,还要有一部份能量用来抽走变压器原边绕组寄生电容CTR上的电荷。
也确实是说,要实现开关管的零电压开通,必需知足下式
2.超前桥臂实现ZVS在超前桥臂开关进程中,输出滤波电感与是与谐振电感L;是串联的,现在用来实现零电压开关的能量是滤波电感与与谐振电感Lr中的能量。
另外参与谐振的还有变压器的励磁能量Wmag(相对很小,可忽略),因此要实现超前桥臂的ZVS,只要知足
3.滞后桥臂实现ZVS在滞后桥臂的开关进程中,变压器副边是短路的,现在整个变换器就被分为两部份,一部份是原边电流慢慢改变流通方向,其流通途径由全桥提供;另一部份是负载电流由整流桥提供续流回路,负载侧与变压器原边没有能量传递。
现在用来实现ZVS的能量只是谐振电感L,中的能量,若是不知足(2-22)式,那么就无法实现ZVS。
即
由于输出滤波电感与不参与滞后桥臂ZVS的实现,较超前桥臂而言,滞后桥臂实现ZVS就困宝贵多,因为输出谐振电感比输出滤波电感要小得多。
整流二极管的换流情形
在移相操纵ZVSPWMDC-DC全桥变换器中,输出整流电路一样有两种,一种是全桥整流方式,一种是全波整流方式。
当输出电压比较高,输出电流比较小时,一样采纳全桥整流方式。
当输出电压比较低,输出电流比较大时,为了减少整流桥的通态损耗,提高变换器的效率,一样采纳全波整流方式。
不管采纳何种整流方式,变压器在副边占空比丢失这段时刻里都工作在短路状态,下面分析一下在这一时刻段整流二极管的换流情形。
全波整流方式图给出了副边全波整流方式的电路图及其换流波形。
变压器副边各自电流的参考方向如下图,如此有
在t2时刻,负载电流流经VD1。
在(t2-t5)时段里,变压器原边电流减小,其副边绕组Ls1,的电流也减小,小于输出滤波电感电流,即is1 依照式(2-54)和(2-55),能够明白整流管的换流情形: 1)(t2,t4)时段,ip>0,流过VD1的电流大于流过VD2的电流,即 2)t4时刻,iP=0,两个整流管中流过的电流相等,均为负载电流的一半, 3)(t4,t5}时段,iP<0,流过VD1的电流小于流过VD2的电流,即 4)ts时刻,ip=-iLf/K,VD2中流过全数负载电流,VD1电流为零,即 现在VD1关断,VD2承担全数负载电流,从而完成整流管的换流进程。 本章小结 移相操纵全桥零电压PWM变换器应用普遍,适合大功率、低电压等场合。 该变换器利用变压器的漏感和功率管的寄生电容作为谐振元件,使全桥PWM变换器的四个开关管均在ZVS条件下导通。 本章分析了移相操纵方式的DC/DC变换器的大体原理,且能够得出以下结论: 1)移相操纵零电压PWM变换器工作于零电压开关条件下,因此大大减小了开关损耗,有利于提高开关频率,减小变换器的体积和重量; 2)不管副边是全桥整流方式仍是全波整流方式,变压器原副边的电压电流是符合变压器的大体规律的; 3)超前桥臂比滞后桥臂容易实现ZVS; 4)由于谐振电感串联于主回路中,使得原边电流不能突变,因此副边存在占空比丢失的现象。 第3章PWMDC/DC变换器操纵回路设计的设计 移相操纵电路是高频开关电源的重要组成部份,在专门大程度上决定了开关电源的性能,其作用在于使全桥变换器的两个桥臂开关管的导通角错开一个角度,以取得不同的占空比从而调剂输出电压的高低。 借助开关器件的输出电容充放电,在输出电容放电终止(即电压为零)的状态下完成零电压开通。 移相操纵电路原理 开关电源操纵系统的组成结构能够简化成如下图的形式。 关于稳固工作的逆变系统,其输出除受Vg的操纵外,还与Vin和负载的大小有关。 逆变系统输出受in的阻碍程度称为逆变系统的源效应,受负载转变的阻碍程度称为逆变系统的负载效应。 开关电源的操纵电路一样应具有以下功能: (1)频率可在较宽范围内预调的固定频率振荡器; (2)占空比可调剂的脉宽调制功能; (3)死区时刻校准器; (4)一路或两路具有必然驱动功率的输出图腾柱式电路; (5)禁止、软启动和电流、电压爱惜功能等。 移相PWM操纵器是开关电源的核心部份,其大体原理图如下图。 1)基准源: 芯片内大部份电路由它供电,同时也兼做误差放大器的基准电压输入。 2)振荡器: 一样由恒流充电快速放电电路和电压比较器组成,振荡频率由外接RC元件所决定。 3)误差放大器: 将取样电压vout和基准电压比较放大,送至脉宽调制电路输入端。 4)脉宽调制器: 其输入为误差放大器的输出,其输出分为两路,一路送给门电路,另一路送给振荡输入端。 5)分频器: 将振荡器的输入分频后输出,操纵门电路输出脉冲的频率。 6)门电路: 门电路输入别离受分频器和脉宽调制器的输出操纵,输出为PWM脉冲波。 本电源采纳了专用移相操纵芯片UC3879,它能专门好的实现移相操纵,且具有一个独立的过电流关断电路以实现故障的快速爱惜。 移相操纵芯片UC3875 操纵芯片引脚功能介绍 该操纵芯片要紧设计特点是: (1)可实现0~100%占空比操纵; (2)开关频率可达300kHz; (3)两个半桥的输出驱动信号死区时刻可单独设置,最小的死区时刻可设置为0; (4)输出驱动电路采纳图腾柱式输出,最大驱动电流为100mA; (5)可实现电压模式操纵或电流模式操纵; (6)具有逐周期电流限制功能; (7)具有软启动操纵功能; (8)内置10MHz带宽的误差放大器。 UC3875引脚功能简述如下: PIN功能 1VREF基准电压10VCC电源电压 2E/AOUT误差放大器的输出11VIN芯片供电电源 3E/A-误差放大器的反相输入12PWRGND电源地 4E/A+误差放大器的同相输入16FREQSET频率设置端 5C/S+电流检测17CLOCK/SYNC时钟/同步 6SOFT-START软起动18SLOPE陡度 7,15DELAYSETA/B,C/D输出延迟操纵19RAMP斜波 14,13,9,8OUTA~OUTD输出A~D20GND信号地 操纵方案分析 移相全桥ZVSPWMDC/DC变换器电压型操纵方框图如图。 (a)图中Vref、Vf、Ve别离为输出电压的给定值、反馈值和误差。 实际系统中,补偿网络Gv(s)的输入为反馈电压与给定电压的误差量,输出为实际电路的占空比(0 图(a)能够进一步等效为(b)图,输出信号Vo(s)经H(s)取得反馈信号Vf(s),反馈信号Vf(s)与给定值Vref(s)相减取得误差信号Ve(s),然后送入框图G(s)中,最后取得输出信号Vo(s)。 能够取得闭环传递函数的表达式: 操纵电路设计的目标是使开关变换器在各类工况下均能稳固工作,并达到要求的动态性能。 本设计是以输出电压作为反馈的电压模式操纵,采纳PI调剂,误差放大器由UC3875内部提供。 设计的重点确实是PI参数的确信。 经常使用的电压调剂器是PI调剂器和PID调剂器。 通常电压调剂器都采纳PI调剂器,参数简单,设计整定容易。 PI调剂器电路如图所示,Vref是电压给定信号,Vf是电压反馈信号,R1、R2和C1组成PI补偿网络,传递函数为: 依据图,加上PI环节后,电压环操纵系统方框图如图所示。 第4章仿真与参数设计 4、1参数设计 主电路参数设计 本变换器要紧的设计指标如下: 输入直流电压: 450V; 输出功率: 200w; 开关频率: 20kHz; 输出功率: 200W; 主电路设计参数: 滤波电容: = 滤波电感: C= 开关器件选择 当前应用最普遍的两种全控型功率开关管是IGBT和MOSFET。 与IGBT相较,IGBT是一种高耐压、低导通阻抗、慢速的开关管。 正因如此,MOSFET大量用于高频、低压、中小功率的场所;而IGBT更多用于低频、高压、大功率场所。 综合考虑两种器件的特点和本项目的实际要求,选择MOSFET作为主电路的功率开关管。 高频变压器的设计 高频变压器是移相全桥变换器的一个核心器件,因此它的设计和加工超级关键。 设 计变压器第一要选择磁心,第二依照功率和电压确信原副方匝比,然后依照工况选择缠 绕线,最后校核窗口面积及温升,确认设计的可行性。 1、磁芯的选择 本装置设计开关频率f=100kHz,变压器工作在高频,为减小损耗,能够选择铁氧体材料。 磁心几何尺寸的选择经常使用面积乘积(AP)法来选择 变压器次级电压: 其中: VD为整流二极管导通压降,取为; VLf为滤波电感压降,取为2V; 考虑到死区和占空比丢失的因素,取D= 变压器次级绕组输出功率: P2=200W 变压器功率计算: 其中,η为变压器效率,通常取为98﹪。 依照传输功率,查表《电子变压器手册》计算,选择EE42磁芯。 2、原副边匝数的计算 为了提高高频变压器的利用率,减小开关管的电流,降低输出整流二极管的反向电压,从而减小损耗和降低本钱,高频变压器原副边变比n应尽可能的大一些。 计算出副边电压最小值Vs(min)为 式中Vo是输出电压,VD是输出整流二极管的通态压降,VLf是输出滤波电感上的直流压降。 故变压器的原副边变比n为 考虑到移相操纵方案的副边占空比丢失现象,咱们选择副边的最大占空比为,那么由式可计算出副边电压Vs(min)为 N=300/=15因此,选择变比n=15。 依照传输功率选择EE42磁芯。 开关频率为20kHz,最高工作磁密Bm=,如此副边匝数可由下式决定 其中,Ae为磁芯的有效导磁截面积。 查得,EE42B的有效截面积Ae=178mm2。 Ds(max)=,Vs(min)=。 依照上式计算出副边匝数为取Wsec=18,变压器变比为15,因此原边匝数为270匝。 3、、确信原边绕组导线线径和股数 在选用绕组的导线线径时,要考虑导线的集肤效应,一样要求导线线径小于两倍穿透深度。 穿透深度和频率有关,可按下式计算 式中,f为工作频率,单位为赫兹(Hz)。 本设计中,变压器的工作频率为20kHz,在此频率下的铜导线的穿透深度为Δ=,因此绕组应选线径小于的铜导线。 变压器原边电流最大值为 式中,Po(max)为变压器的最大输出功率,ηtr为变压器的效率,Vin(min)为输入直流电压的最小值。 那个地址取ηtr=,按式计算,Ip(max)=500/×200)=。 在输入电压最低时,取电流密度为J=5A/mm2[2],那么原边导线总面积为Sp=5A/mm2=。 那个地址选用5股线径为的漆包线并绕,5股线总的导电面积为 需要5股线径为的线1根。 4、确信副边绕组导线线径和股数 变压器副边整流方式采纳全波整流电路,因此副边每组绕组的最大电流有效值。 取电流密度为J=mm2,那么副边导线总面积为Ss=mm2=。 那个地址选用9股线径为的漆包线并绕,9股导线的导电面积为 因此,需要4根9股并绕的漆包线。
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