学校代码：10213
国际图书分类号：621.3 密级：公开
工学硕士学位论文
5kW 移相全桥ZVS DC/DC 变换器的研究
硕士研究生：刘鑫
导师：马洪飞教授
申请学位：工学硕士
学科：电气工程
所在单位：电气工程及自动化学院
答辩日期：2011 年 6 月
授予学位单位：哈尔滨工业大学r the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON 5kW PHASE-SHIFT FULL BRIDGE
ZVS DC/DC CONVERTER
Candidate：Liu Xin
Supervisor：Prof.Ma Hongfei
Academic Degree Applied for：Master of Engineering
Speciality：
Power Electronics and Electric
Drivers
Affiliation：
School of Electrical Engineering and
Automation
Date of Defence：
June, 2011
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学硕士学位论文- I -
摘要
DC/DC 变换器是电力电子领域重要组成部分，在能源紧张的今天，提高DC/DC
变换器的效率及功率密度，具有重要的意义。功率器件的发展和软开关技术的提
出使变换器高效高功率密度成为可能。
移相全桥ZVS DC/DC 变换器是一种能够实现软开关和大功率能量变换的变换
器。本文围绕移相全桥ZVS DC/DC 变换器的特点，分析了其工作原理、占空比丢
失、变压器副边整流二极管振荡、滞后臂软开关实现条件等关键问题，并设计和
制作了一款5kW 的原理样机。
第一章介绍了DC/DC 变换器的背景及发展方向，其中包括器件、软开关技术
和目前DC/DC 变换器研究的热点。同时还介绍了全桥变换器常见的控制策略，以
及移相全桥变换器常见的问题和国内外学者提出的改进方法。第二章针对课题内
容，分析了移相全桥变换器的工作原理，对各个模态进行了详细的分析，并就移
相全桥变换器的几个关键问题进行了详细分析：占空比丢失、ZVS 的实现、损耗
分析和整流二极管振荡问题。第三章针对技术指标，设计了一款5kW 的样机，其
中包括各器件的选型和相关参数的计算，损耗计算。这些参数计算主要有：全桥
开关管电压电流应力的计算与选型、变压器的设计、整流二极管的选择、输出LC
滤波电路的设计、隔直电容的选择、谐振电感电容的选择和死区时间的计算、箝
位电路的设计。并根据计算结果使用Saber 软件进行了开环仿真，验证了设计参数
的正确性。第四章主要介绍了变换器控制系统分析与设计，其中有控制芯片
UCC2895 的功能介绍，外围元件的选择与保护与采样电路的设计，移相全桥ZVS
DC/DC 变换器的小信号模型和利用MATLAB 软件进行反馈回路的补偿设计。第五
章给出了实验结果和分析，验证了设计的正确性。
关键词移相全桥；软开关；UCC2895；小信号模型硕士学位论文
5kW 移相全桥ZVS DC/DC 变换器的研究
RESEARCH ON 5kW PHASE-SHIFT FULL BRIDGE
ZVS DC/DC CONVERTER
刘鑫
哈尔滨工业大学
2011 年6 月哈尔滨工业大学硕士学位论文
- II -
Abstract
DC/DC converter is a main part of power electronic converter. As the energy
problem increasingly concerned in modern society, improving the efficient and power
density have the significant advantages. The developing of power device and invention
of soft-switching technique make the high efficient and high power density of DC/DC converter possible.
The zero-voltage-switching (ZVS) phase-shift full bridge DC/DC converter is an
advanced DC/DC converter with soft-switching technology which can achieve high
power converting. Based on the characteristics of the converter, this paper analyses the
basic operation theory and some typical problems like secondary duty ratio loss and the parasitic oscillation of output rectifier diodes as well as the difficulty for lagging legs
achieve ZVS. The simulation and experiments are also given.
Firstly, this paper introduces the background and development of the converter,
including power device and soft-switching technology and the hot points in
researching DC/DC converter as well as some typical problems and some
improvements. Secondly, this paper analyses the basic operation theory and some
typical problems like secondary duty ratio loss and the parasitic oscillation of output
rectifier diodes and power losses as well as the difficulty for lagging legs achieve ZVS.
Thirdly, this paper calculates the main parameters including the selection of bridge
MOSFET and the design of transformer as well as the output filter and so on. The last
of the third part uses the software SABER to simulate the main circuit to verify the
correction of the calculations. Fourthly, this paper introduces the control system of the converter including the UCC2895 chip, sampling circuit, protection circuit, and the
small signal model of the converter, as well as the compensation of the feedback
loops.
Eventually, the paper explains the experimental result and analyzes the result in
detail.
Keywords phase shift full bridge, soft-switching, UCC2895, small signal model哈尔滨工业大学硕士学位论文
- III -
目录
摘要............................................................................................. I
Abstract .......................................................................................... II
第1 章绪论 (1)
1.1 DC/DC 变换器背景及发展方向 (1)
1.1.1 电力电子器件是主要推动力 (1)
1.1.2 软开关技术概述 (1)
1.1.3 DC/DC 变换器的发展趋势 (4)
1.2 全桥ZVS PWM 变换器的概述 (5)
1.2.1 全桥变换器的控制策略 (5)
1.2.2 移相全桥ZVS PWM 变换器常见的问题和拓扑改进 (6)
1.3 本文研究方向及主要内容 (8)
1.3.1 本文研究方向 (8)
1.3.2 本文主要内容 (9)
第2 章移相全桥ZVS DC/DC 变换器拓扑的研究 (10)
2.1 移相开关ZVS DC/DC 变换器基本的拓扑分析 (10)
2.2 移相全桥ZVS DC/DC 变换器中关键问题的研究 (14)
2.2.1 占空比丢失问题 (14)
2.2.2 超前臂和滞后臂ZVS 的实现 (15)
2.2.3 损耗分析 (16)
2.2.4 整流二极管寄生振荡 (17)
2.3 本章小结 (21)
第3 章5kW 移相全桥ZVS DC/DC 变换器的设计 (22)
3.1 5kW 移相全桥ZVS DC/DC 变换器的技术指标 (22)
3.2 变换器的各器件选型及相关参数计算 (22)
3.2.1 全桥开关管的选择 (22)
3.2.2 主变压器的设计 (22)
3.2.3 整流二极管的选择 (25)
3.2.4 输出LC 滤波电路的设计 (25)
3.2.5 隔直电容的选择 (26)
3.2.6 谐振电感电容的选择和死区时间的计算............................... 27哈尔滨工业大学硕士学位论文
- IV -
3.2.7 箝位电路的设计 (28)
3.3 损耗计算 (29)
3.3.1 MOSFET 的相关损耗计算 (29)
3.3.2 副边整流二极管的通态损耗计算 (30)
3.3.3 箝位电路的损耗计算 (31)
3.4 开环仿真 (31)
3.5 本章小结 (35)
第4 章基于UCC2895 的控制系统的设计 (36)
4.1 控制器UCC2895 介绍及外围元件的选择 (36)
4.1.1 UCC2895 芯片的介绍 (36)
4.1.2 UCC2895 外围元件的选择 (38)
4.1.3 采样和保护电路的设计 (39)
4.2 补偿系统的设计 (41)
4.2.1 移相全桥ZVS DC/DC 变换器的小信号模型 (41)
4.2.2 反馈补偿网络的设计 (46)
4.3 本章小结 (49)
第5 章实验结果及分析 (50)
5.1 测试设备说明 (50)
5.2 测试波形及其分析 (51)
5.2.1 驱动波形及其分析 (51)
5.2.2 主电路测试波形及分析 (52)
5.3 变换器结构设计 (54)
5.4 本章小结 (56)
结论 (57)
参考文献 (58)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (61)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (62)
致谢...........................................................................................63哈尔滨工业大学硕士学位论文
- 1 -
第1 章绪论
1.1 DC/DC 变换器背景及发展方向
目前世界上绝大部分的电力在使用前都要经过电力电子设备的处理，以满足
不同的电压等级和使用环境
[1]
。而作为电力电子设备中不可缺少的一部分，
DC/DC 变换器有着举足轻重的作用。特别是在能源日益紧缺的今天，研究DC/DC
变换器特别是研究其效率及功率密度提升技术有着重大的实际意义。
正因为如此，从1956 年晶闸管问世至今，研究人员对DC/DC 变换器研究的
脚步从未停止过。推动DC/DC 变换器发展的因素主要有以下几点：电力电子器
件的发展、软开关技术的发展和新的拓扑和控制方法等等。
1.1.1 电力电子器件的发展是主要推动力
从早期的不可控器件（PN 结整流管、肖特基势垒二极管等）、半控型器件（晶
闸管和其派生器件等）到现在的全控型器件（GTO、GTR、MOSFET、IGBT 等），
电力电子技术正是随着这些电力电子器件的发明而诞生和发展的。这些新的器件
的问世，使得电力电子变换电路及其控制系统不断的革新。比如脉宽调制（PWM）
电路、零电流零电压软开关谐振电路和高频斩波电路等等，都已经成为电力电子
技术重要的组成部分
[2]
。
在DC/DC 变换器中使用最多的电力电子器件就是MOSFET 和IGBT。尤其是MOSFET，由于其可以在更高的频率下运行，所以在中小功率等级下使用非常广
泛。一方面，由于MOSFET 的制造工艺的不断改进，使得MOSFET 的导通阻抗、
开通关断时间等参数不断地被优化，例如现在流行的CoolMos 等。这些新型
MOSFET 的出现更加有利于开关频率的提高，从而更大程度地减小了无源元件的体
积和重量，提高了DC/DC 变换器的效率和功率密度；另一方面，新材料的出现，
比如使用SiC 材料制造的FET，大大的减小了体二极管的反向恢复时间和损耗、
增加了FET 漏源极的耐压值等等，这些也将会给电力电子领域带来大的飞跃。
1.1.2 软开关技术概述
DC/DC 变换器一般采用PWM 控制方式，开关管在一个周期内开通和关断，
对输入电压进行斩波。在开关变换器提出的初期使用的是硬开关方式，如今大部
分DC/DC 变换器均采用软开关技术，下面对这两种方式原理和优缺点进行阐述。哈尔滨工业大学硕士学位论文
- 2 -
（1）硬开关
功率开关并不是理想开关，在开通和关断时都有一定的过渡时间，这个时间
通常在几十纳秒至几百纳秒。同时，由于变换器电路不可避免地存在着感性和容
性元件以及杂散电感，开关漏源极电压和其导通电流的变化也需要过渡时间（对
应于电感电流不能突变、电容电压不能突变）。所以，在开关管开通和关断时就
出现了如图1-1 的情况。
移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高 开关频率。如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源？请见 下文详解。 主电路分析 这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A.采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实 现ZCS.电路结构简图如图1,VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后 臂VT3、VT4的ZCS,Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由 VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。 图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图 其基本工作原理如下： 当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开 关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4,而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4,在关断 VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其 值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电 压关断。 由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时 开通VT2,则VT2即是零电压开通。
移相全桥ZVZCSDC/DC变换器综述 河北秦皇岛燕山大学朱艳萍电源技术应用 摘要：概述了9种移相全桥ZVZCSDC/DC变换器，简要介绍了各种电路拓扑的工作原理，并对比了优缺点，以供大家参考。 关键词：移相控制；零电压零电流开关；全桥变换器 1概述 所谓ZVZCS，就是超前桥臂实现零电压导通和关断，滞后桥臂实现零电流导通和关断。ZVZCS方案可以解决ZVS方案的故有缺陷，即可以大幅度降低电路内部的循环能量，提高变换效率，减小副边占空比丢失，提高最大占空比，而且其最大软开关范围不受输入电压和负载的影响。 滞后桥臂零电流开关是通过在原边电压过零期间使原边电流复位来实现的。即当原边电流减小到零后，不允许其继续反方向增长。原边电流复位目前主要有以下几种方法： 1）利用超前桥臂开关管的反向雪崩击穿，使储存在变压器漏感中的能量完全消耗在超前桥臂的IGBT中，为滞后桥臂提供零电流开关的条件； 2）在变压器原边使用隔直电容和饱和电感，在原边电压过零期间，将隔直电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件； 3）在变压器副边整流器输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容上的电压反射到原边作为反向阻断电压源，使原边电流迅速复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件。 2 电路拓扑 根据原边电流复位方式的不同，下面列举几种目前常见的移相全桥ZVZCSPWMDC/DC 拓扑结构，以供大家参考。 1）NhoE.C.电路如图1所示[1]。该电路是最基本的移相全桥ZVZCS变换器，它的驱动信号采用有限双极性控制，从而实现超前桥臂的零电压和滞后桥臂的零电流开关。这种拓扑结构的缺陷是L1k要折衷选择，L1k太小，在负载电流很小时，超前桥臂不能实现零电压开关；L1k太大，又限制了iL1k的变化速度，从而限制了变换器开关频率的提高。变换器给负载供电方式是电流源形式，电感L1k电流交流变化，输入电流脉动很大，要求滤波电容很大。该电路可以工作在电流临界连续状态，但必须采用频率控制，不利于滤波器的优化设计。
移相全桥大功率软开关电源的设计 移相全桥大功率软开关电源的设计 1引言 在电镀行业里，一般要求工作电源的输出电压较低，而电流很大。电源的功率要求也比较高，一般都是几千瓦到几十千瓦。目前，如此大功率的电镀电源一般都采用晶闸管相控整流方式。其缺点是体积大、效率低、噪音高、功率因数低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等。 本文介绍的电镀用开关电源，输出电压从0~12V、电流从0~5000A连续可调，满载输出功率为60kW.由于采用了ZVT软开关等技术，同时采用了较好 的散热结构，该电源的各项指标都满足了用户的要求，现已小批量投入生产。 2主电路的拓扑结构 鉴于如此大功率的输出，高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构，整个主电路，包括：工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。 隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值，防止偏磁的。考虑到效率的问题，谐振电感LS只利用了变压器本身的漏感。因为如果该电感太大，将会导致过高 的关断电压尖峰，这对开关管极为不利，同时也会增大关断损耗。另一方面，还会造成严重的占空比丢失，引起开关器件的电流峰值增高，使得系统的性能降低。 图1主电路原理图 3零电压软开关 高频全桥逆变器的控制方式为移相FB2ZVS控制方式，控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关，滞后桥臂在75%以上负载范围内实现了零电压软开关。图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形，可以看出实现了零电压开通。
开关频率选择20kHz,这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗，另一方面又可以兼顾高频化，使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。 图2IGBT驱动电压和集射极电压波形图 4容性功率母排 在最初的实验样机中，滤波电容C5与IGBT模块之间的连接母排为普通的功率母排。在实验中发现IGBT上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡，图3为满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。原因是并联在IGBT模块上的突波吸收电容与功率母排的寄生电感发生了高频谐振。满载运行一小时后，功率母排的温升为38℃，电容C5的温升为24℃。 图3使用普通功率母排时变压器初级电压、电流波形 为了消除谐振及减小功率母排、滤波电容的温升，我们最终采用了容性功率母排，图4为采用容性功率母排后满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。从图中可以看出，谐振基本消除，满载运行一小时后，无感功率母排的温升为11℃，电容C5的温升为10℃。 图4使用容性功率母排后变压器初级电压和电流波形 5采用多个变压器串并联结构，使并联的输出整流二极管之间实现自动均流为了进一步减小损耗，输出整流二极管采用多只大电流（400A）、耐高电压（80V）的肖特基二极管并联使用。而且，每个变压器的次级输出采用了全波整流方式。这样，每一次导通期间只有一组二极管流过电流。同时，次级整流二极管配上了RC吸收网络，以抑止由变压器漏感和肖特基二极管本体电容引起 的寄生震荡。这些措施都最大限度地减小了电源的输出损耗，有利于效率的提高。 对于大电流输出来说，一般要把输出整流二极管并联使用。但由于肖特基二极管是负温度系数的器件，并联时一般要考虑它们之间的均流。二极管的并联方
移相全桥 移相全桥ZVS 变换器由于其充分利用了电路本身的寄生参数，使开关管工作在软开关状态，降低了开关管的开关噪声和开关损耗，提高了变换器的效率，近年来在中大功率场合得到广泛应用。随着微处理器价格的不断下降和计算能力的不断提高，采用数字控制已经成为中大功率开关电源的发展趋势，许多数字控制方法相继提出。但对于DC/ DC 变换器这种强非线性系统，传统的基于线性系统理论的控制方法并不能获得理想的动态特性。 该文在建立移相全桥变换器模型的基础上，提出一种新的模糊PID 预测控制策略，将传统控制方法与智能控制方法相结合，通过模糊控制对传统PID 控制器进行增益调节，同时采用预测控制以补偿数字控制系统中的时延。这种控制策略比较简单，易于数字控制器的实现，该文采用MA TLAB 方法进行了仿真研究。 2 移相全桥变换器小信号模型的建立 一般建立DC/ DC 变换器的小信号模型的方法是状态空间平均法，但对于移相全桥ZVS 变换器来说，用状态空间平均法建模是一项十分复杂的工作。因为这种变换器具有12种开关状态，因此列写状态空间方程式是一个非常复杂的工作。 根据移相全桥ZVS PWM 变换器源于BUCK 变换器的事实，从电路工作的描述中可以 看出变压器副边的有效占空比^ off off off d D d =-，变压器原边电压的占空比d 而且依靠输出滤波电感电流L i ，漏感lk L ，输入电压in V 和开关频率s f ，所以移相全桥变换器小信号传递 函数也将取决于漏感lk L ，开关频率s f ，滤波电感电流扰动^ L i ，输入电压扰动^in V ，和变压 器原边占空比扰动^ d 等因素。为了精确地建立移相全桥变换器的动态特性模型，找出lk L ， s f ，^ L i ，^in V 和^ d 对^ off d 的影响是必要的。这些影响可以加入到PWM BUCK 变换器的小 信号电路模型中（图1），从而获得移相全桥PWM 变换器的小信号模型（图2）。 我们知道由于谐振电感lk L 和变压器副边整流二级管的影响，移相全桥变换器存在占空比丢失的现象，副边有占空比为：off D D D =-? 即()()221/21lk off L o in nL D D I D V T L V T =- --???? 移相全桥变换器输出电压增益为： ()()2 221/22o lk off L o in in V n L nD nD I D V T L V V T ==- --???? 其中，n 为变压器副边匝数与原边匝数的比值；L I 为电感电流平均值。 下面通过式（l ）来分析对off D 产生影响的因素。 l ）占空比扰动^ d 对off D 的影响^ d d 由式（l ）可得
具有功率因数校正的全桥移相软开关电源设计 付贤松1，张远1，2，牛萍娟1 （1.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研发中心，天津300387；2.天津工业大学电子与信息 工程学院，天津 300387） 摘要：传统高频电源效率较低且对电网造成了污染，运用功率因数校正技术和软开关技术可实现高效率和低污 染.对功率因数电路和全桥电路进行了理论设计和参数估算，设计出了一款2kW 的电源样机，并给出了样机的功率因数和移相全桥ZVS 的实验波形.结果显示设计可行，样机性能指标基本满足设计要求. 关键词：功率因数校正；零电压开关；移相控制中图分类号：TN86 文献标志码：A 文章编号：１６７１－０２４Ｘ（２０15）０4－００63－０5 Design of switching power with PFC and phase-shifted full-bridge soft switching techniques FU Xian-song 1，ZHANG Yuan 1，2，NIU Ping-juan 1 （1.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ；2.School of Electronics and Information Engineering ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ） Abstract ：Traditional switching power supply has low efficiency and pollution on the grid ，power factor correction （PFC ） technology and soft switching technology is used to achieve high efficiency and low pollution.The main circuit and control circuit were theoretically designed and their parameters were estimated.The switching power proto 鄄type with 2kW is designed ，and the power factor of the prototype and experimental waveforms of phase-shifted full-bridge ZVS were gived.The result shows that this design is practicable and its performance can meet the de 鄄sign requirements. Key words ：power factor correction （PFC ）；zero voltage switching ；phase-shifted control 收稿日期：2015-01-26 基金项目：科技型中小企业技术创新资金资助项目（13ZXCXGX31700） 通信作者：付贤松（1976—），男，博士，副教授，研究方向为数模混合集成电路设计和LED 驱动设计.E-mail ：fuxians@https://www.doczj.com/doc/4e1289724.html, 近年来，高频开关电源技术在理论研究和生产应 用方面都取得了相当多的成果，其研究涉及电力电子、自动控制等众多技术领域[1].功率因数校正、软开关、电磁兼容性都是开关电源的研究方向[2].目前市场上普通的大功率高频开关电源噪音大、功率因数低、稳定性差[3]，并且会产生大量谐波，进而污染电网.高频开关电源内部应用了软开关技术和功率因数校正（PFC ）技术，具有体积小、效率高、绿色节能、稳定性好等优点[4]，是当前通信电源行业研究发展的主流方向.本文运用功率因数校正技术和全桥移相软开关技术，研制了一款大功率、低功耗、低噪音的高性能开关电源，并对样机进行了实验分析. 1整体设计 本文根据设计指标研制了一款大功率高性能开 关电源.该电源分为前级和后级，前级为采用BOOST 结构的有源功率因数校正电路，控制芯片选取TI 公司的UC3854；后级为采用移相控制软开关技术的全桥变换器，控制芯片选取TI 公司的UCC3895.主电路主要包括单相交流输入电源、整流滤波电路、功率因数电路、移相全桥变换电路、高频变压器、输出整流滤波电路[5]，系统框图如图1所示. 过压、过流保护 直流输出 电网输入 EMI 滤波 输入整流滤波电路 功率因数校正电路 全桥移相逆变电路 输出整流滤波 电路 高频变压器 输入电压电流反馈驱动电路输出电压反馈电压电流检测 驱动电路UC3854功率因数控制电路 UCC3895PWM 移相控制电路 图1总体结构框图 Fig.1Block diagram of overall structure 天津工业大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＩＡＮＪＩＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 第34卷第4期２０15年8月 Vol.34No.4August 2015 DOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2015.04.013
工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE 雷连方 哈尔滨工业大学 2006年12月
国内图书分类号 : TM92 国际图书分类号: 621.38 工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 硕士研究生：雷连方 导师：刘瑞叶 教授 副导师：肖连存 高工 申请学位：工程硕士 学科、专业：电气工程 所在单位：中国科工集团第三总体设计部 答辩日期：2006年12 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TM92 U.D.C: 621.38 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE C a n d i d a t e：Lei Lianfang Supervisor：Prof. Liu Ruiye Associate Supervisor：Senior Engineer Xiaolianchun Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Electrical Engineering Affiliation：The 3rd Headquarters of China Aerospace Science Industry Company Date of Defence：December,2006 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of technology
移相全桥ZVZCS DC/DC变换器综述 [导读]移相全桥ZVZCS DC/DC变换器综述摘要：概述了9种移相全桥ZVZCSDC/DC 变换器，简要介绍了各种电路拓扑的工作原理，并对比了优缺 关键词：变换器 移相全桥ZVZCS DC/DC变换器综述 摘要：概述了9种移相全桥ZVZCSDC/DC变换器，简要介绍了各种电路拓扑的工作原理，并对比了优缺点，以供大家参考。 关键词：移相控制；零电压零电流开关；全桥变换器 1 概述 所谓ZVZCS，就是超前桥臂实现零电压导通和关断，滞后桥臂实现零电流导通和关断。ZVZCS方案可以解决ZVS方案的故有缺陷，即可以大幅度降低电路内部的循环能量，提高变换效率，减小副边占空比丢失，提高最大占空比，而且其最大软开关范围不受输入电压和负载的影响。 滞后桥臂零电流开关是通过在原边电压过零期间使原边电流复位来实现的。即当原边电流减小到零后，不允许其继续反方向增长。原边电流复位目前主要有以下几种方法： 1）利用超前桥臂开关管的反向雪崩击穿，使储存在变压器漏感中的能量完全消耗在超前桥臂的IGBT中，为滞后桥臂提供零电流开关的条件； 2）在变压器原边使用隔直电容和饱和电感，在原边电压过零期间，将隔直电容上的电压作为反向阻断电压源，使原边电流复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件； 3）在变压器副边整流器输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容上的电压反射到原边作为反向阻断电压源，使原边电流迅速复位，为滞后桥臂开关管提供零电流开关的条件。 2 电路拓扑 根据原边电流复位方式的不同，下面列举几种目前常见的移相全桥ZVZCS PWM DC/DC拓扑结构，以供大家参考。 1）Nho E.C.电路如图1所示[1]。该电路是最基本的移相全桥ZVZCS变换器，它的驱动信号采用有限双极性控制，从而实现超前桥臂的零电压和滞后桥臂的零电流开关。这种拓扑结构的缺陷是L1k要折衷选择，L1k 太小，在负载电流很小时，超前桥臂不能实现零电压开关；L1k太大，又限制了i L1k的变化速度，从而限制了变换器开关频率的提高。变换器给负载供电方式是电流源形式，电感L1k电流交流变化，输入电流脉动很大，
移相全桥为主电路的软开关电源设计详解 2014-09-11 11:10 来源：电源网作者：铃铛 移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。 主电路分析 这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T 为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。 图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图 其基本工作原理如下： 当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。 由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。 当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb 充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、
移相控制全桥ZVS—PWM变换器的分析与设计 摘要：阐述了零电压开关技术(ZVS)在移相全桥变换器电路中的应用。分析了电路原理和各工作模态，给出了实验结果。着重分析了主开关管和辅助开关管的零电压开通和关断的过程厦实现条件。并且提出了相关的应用领域和今后的发展方向。关键词：零电压开关技术；移相控制；谐振变换器 0 引言 上世纪60年代开始起步的DC／DC PWM功率变换技术出现了很大的发展。但由于其通常采用调频稳压控制方式，使得软开关的范围受到限制，且其设计复杂，不利于输出滤波器的优化设计。因此，在上世纪80年代初，文献提出了移相控制和谐振变换器相结合的思想，开关频率固定，仅调节开关之间的相角，就可以实现稳压，这样很好地解决了单纯谐振变换器调频控制的缺点。本文选择了全桥移相控制ZVS-PWM谐振电路拓扑，在分析了电路原理和各工作模态的基础上，设计了输出功率为200W的DC／DC变换器。 1 电路原理和各工作模态分析 1．1 电路原理 图1所示为移相控制全桥ZVS—PWM谐振变换器电路拓扑。Vin为输入直流电压。Si(i=1．2．3，4)为第i个参数相同的功率MOS开关管。Di和Gi(i=l，2，3，4)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Lr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。S1和S3构成超前臂，S2和S4构成滞后臂。为了防止桥臂直通短路，S1和S3，S2和S4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。S1和S4，S2和S3之间的驱动信号存在移相角α，通过调节α角的大小，可调节输出电压的大小，实现稳压控制。Lf和Cf构成倒L型低通滤波电路。 图2为全桥零电压开关PWM变换器在一个开关周期内4个主开关管的驱动信号、两桥臂中点电压VAB、变压器副边电压V0以及变压器原边下面对电路各工作模态进行分析，分析时时假设：
电力电子课程设计说明书 全桥型开关稳压电源设计 摘要 本次课程设计了一台输出电压为48V稳压范围宽、大功率的全桥型开关稳压电源、并给出了设计波形图。 该课程设计主要运用了软开关PWM技术。给出了全桥整流电路、逆变电路驱动电路、控制电路的具体设计方法。本全桥型开关稳压电源最大功率达1000W，输出电流约为20A，设计采用了AC／DC／AC／DC变换方案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经全桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。 在设计中首先画出主电路图，主电路图由整流电路、逆变电路组成。全桥电路的开关元件使用的是MOSFET。全桥移相电路采用UC3875控制芯片，并作数据处理，MATLAB仿真作出了不同角度的仿真波形图。并说明其工作原理，再通过基本计算，选择触发电路和保护电路的结构以及晶闸管的型号和变压器的变比及容量，完成本设计的任务。 关键词：开关电源；全桥；PWM控制电路；整流；逆变；高频变压器 ABSTRACT
The curriculum design a output voltage 48V voltage wide range, high power full bridge switch regulated power supply and given the waveform diagram is designed. This course design mainly uses the soft switch PWM technology. The design method of the circuit and the control circuit of the whole bridge rectifier circuit and the inverter circuit are given.. The full bridge switch regulated power supply maximum power up to 1000W, output current is about 20a, designed using AC / DC / AC / DC converter scheme. A rectified DC voltage, by means of active power factor correction link to improve the power factor of the system, again after full bridge converter inverter circuit, by the high frequency transformer isolated buck. Finally, the output DC voltage. In the design, the main circuit diagram is drawn, the main circuit diagram is composed of the rectifier circuit and the inverter circuit.. The switching element of the whole bridge circuit is MOSFET. The full bridge phase shifted circuit uses UC3875 control chip, and data processing, MATLAB simulation to make a different angle of the simulation waveforms. And explain its working principle, again through the basic calculation, select trigger circuit and protection circuit structure and thyristor model and transformer ratio and capacity, complete the design task. Key words switching power supply; full bridge; PWM control circuit; rectifier; inverter; HF transformer 目录
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) 3.2UC3875的应用 (12) 第四章 PWM控制技术 (14) 4.1PWM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) 4.2PWM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)
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)
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。
课程设计 课程名称电力电子技术课程设计 题目名称1kW移相全桥直流变换器设计专业班级11级电气工程及其自动化学生姓名 学号 指导教师 二○一四年四月十三日 目录
一，设计内容和要求 (3) 1.1 主电路参数 (3) 1.2 设计内容 (3) 1.3 仿真波形 (3) 二，设计方案 (3) 2.1 主电路工作原理 (3) 2.2 芯片说明 (4) 2.2.1采用的芯片说明 (4) 2.2.2 UCC3895引脚说明 (5) 2.2.3 UCC3895工作原理 (6) 图2-4 基于ucc3895芯片的控制电路图 (8) 2.3控制电路设计 (8) 三，设计论述 (8) 3.1电路参数设计： (8) 3.1.1 主电路参数： (8) 3.1.2 变压器的设计 (9) 3.1.3 输出滤波电感的设计 (10) 3.1.4 功率器件的选择 (11) 3.1.5 谐振电感的设计 (12) 3.1.6 输出滤波电容和输入电容和选择 (13) 四，仿真设计 (14) 五，结论 (15) 六，参考文献 (16)
一，设计内容和要求 Vin=300VDC，Vo=48VDC，Po=1kW，fs=100kHz，输出电压纹波为0.1V 1.2 设计内容 主电路：选择开关管、整流二极管型号，计算滤波电感感值、滤波电容容值，谐振电感感值、占空比、变压器匝比等电路参数。 控制电路：UCC3895芯片周边元器件参数 1.3 仿真波形 给出仿真电路，得到仿真波形 二，设计方案 2.1 主电路工作原理 控制主要有两种：双极性控制和移相控制，本设计主要使用移相控制。由图2-2可见，电路结构与普通双极性PWM变换器类似。Q1、D1和Q4、D4组成超前桥臂、Q2、D2和Q3、D3组成滞后桥臂；C1～C4分别是Q1～Q4的谐振电容，包括寄生电容和外接电容；Lr是谐振电感，包括变压器的漏感；T副方和DR1、DR2组成全波整流电路，Lf、Cf组成输出滤波器，R1是负载。Q1和Q3分别超前Q4和Q2一定相位(即移相角)，通过调节移相角的大小来调节输出电压。由图2可见，在一个开关周期中，移相全桥ZVS PWM DC-DC变换器有12种开关模态，通过控制4个开关管Q1～Q4在A、B两点得到一个幅值为Vin的交流方波电压；经过高频变压器的隔离变压后，在变压器副方得到一个幅值为Vin／K的交流方波电压，然后通过由DR1和DR2构成的输出整流桥，得到幅值为Vin／K的直流方波电压。这个直流方波电压经过 Lf和Cf组成的输出滤波器后成为一个平直的直流电压，其电压值为Uo=DVin／K(D是占空比)。Ton是导通时间Ts是开关周期(T=t12-t0)。通过调节占空比D来调节输出电压Uo。
摘要 上世纪60年代开始起步的PWM功率变换技术出现了很大的发展，但由于其通常采用调频稳压控制方式，使得软开关的范围受到限制，且其设计复杂，不利于输出滤波器的优化设计。本文介绍了由UC3875构成的相移式PWM 控制器的工作原理，并在此基础之上进一步设计了由UC3875构成的全桥移相零电压开关（ZVS）PWM 开关电源。该电路能以隔离方式驱动功率MOSFET，从而提高了电路的稳定性；由于采用了ZVS 技术使电路在高频情况下能够大大减小开关损耗，提高了整个电路的工作效率。 阐述了零电压开关技术(ZVS)在移相全桥变换器电路中的应用。分析了电路原理和各工作模态，着重分析了开关管的零电压开通和关断的过程实现条件，并且提出了相关的应用领域和今后的发展方向。本文选择了全桥移相控制ZVS-PWM谐振电路拓扑，阐述了零电压开关技术(ZVS)在移相全桥变换器电路中的应用。分析了电路原理和各工作模态。 关键词：零电压开关技术、全桥移相控制、谐振变换器
Abstract 60s of last century to start the PWM power conversion technology had major development, but because of its frequency regulator control method commonly used to make soft-switching range is limited, and the complexity of its design is not conducive to optimal design of output filter. This article describes the composition of the UC3875 phase shift PWM controller works, and on this basis for further design composed by the UC3875 phase shift full-bridge zero voltage switching (ZVS) PWM switching power supply. To isolate the way the circuit can drive the power MOSFET, thereby enhancing the stability of the circuit; As a result of high-frequency ZVS technology to the circuit in case of switching losses can be greatly reduced, improving the efficiency of the entire circuit. Zero-voltage switching technology described (ZVS) phase shifted full bridge converter in the circuit application. Analysis of the circuit and the working mode. Analyzes the zero-voltage switch turn on and off conditions of the process of implementation. And put forward the relevant application areas and future development direction. This selected phase shift control full bridge ZVS-PWM resonant circuit topology, zero voltage switching technology described (ZVS) phase shifted full bridge converter in the circuit application. Analysis of the circuit and the working mode. Key words: zero-voltage switching technology，full-bridge phase-shifting control，resonant converter
第 45卷第 9期 2011年 9月 电力电子技术 Vol.45, No.9September 2011 Power Electronics 图 2主电路图 定稿日期 :2011-05-16 作者简介 :石宏伟 (1978-, 女 , 江苏江阴人 , 讲师 , 研究方向为电子技术应用和高频开关电源的设计与应用。 1引言 近年来, 随着数字技术的不断发展, 数字控制
越来越多地被引入开关电源的设计中。数字控制克服了以往全桥移相 PWM 开关电源 DC/DC电路中模拟控制芯片存在的误差、老化、温度影响、漂移、非线性不易补偿等缺点,提高了电源的灵活性、适应性和可靠性 [1]。在此对全桥移相 PWM 开关电源的数字化控制方案进行了研究,在分析主电路和控制电路各环节理论的基础上设计了一款数字控制方式的 20kHz 全桥移相 PWM 开关电源,并应用 Pspice 仿真软件对开关电源主电路的运行情况进行了仿真,仿真和实验结果均表明系统设计可行, 性能指标基本可以满足设计要求。 2PWM 开关电源的 DSP 实现方案 该开关电源主要由主电路和以 DSP 为核心的 控制电路组成。控制电路主要包括 DSP 数字控制 器、 IGBT 驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路, 如图 1所示。 2.1主电路的设计 图 2示出主电路 [2]。 U dc 为 220V 单相交流电源 经整流滤波后的输出直流电压,经由 VT 1~VT 4构成的逆变电路产生高频开关脉冲,再经高频变压器, 在次级线圈感应出交变的方波脉冲, 由全波整流电路和 LC 滤波器消除高频成分、电流冲击并减小电路的纹波系数, 得到所需的恒定直流电压。 逆变电路采用单相全桥逆变器结构, 4个功 率开关器件 IGBT 在 DSP 控制回路作用下作周期性的开关动作,将直流电压逆变成频率为 20kHz 的脉冲电压。采用 PWM 方式保持开关频率不变, 全桥移相 PWM 开关电源的数字化控制方案
学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 工学硕士学位论文 5kW 移相全桥ZVS DC/DC 变换器的研究 硕士研究生：刘鑫 导师：马洪飞教授 申请学位：工学硕士 学科：电气工程 所在单位：电气工程及自动化学院 答辩日期：2011 年6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学r the Master Degree in Engineering RESEARCH ON 5kW PHASE-SHIFT FULL BRIDGE ZVS DC/DC CONVERTER Candidate：Liu Xin Supervisor：Prof.Ma Hongfei Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality： Power Electronics and Electric Drivers Affiliation： School of Electrical Engineering and Automation Date of Defence： June, 2011 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学硕士学位论文- I - 摘要 DC/DC 变换器是电力电子领域重要组成部分，在能源紧张的今天，提高DC/DC 变换器的效率及功率密度，具有重要的意义。功率器件的发展和软开关技术的提 出使变换器高效高功率密度成为可能。 移相全桥ZVS DC/DC 变换器是一种能够实现软开关和大功率能量变换的变换 器。本文围绕移相全桥ZVS DC/DC 变换器的特点，分析了其工作原理、占空比丢 失、变压器副边整流二极管振荡、滞后臂软开关实现条件等关键问题，并设计和 制作了一款5kW 的原理样机。 第一章介绍了DC/DC 变换器的背景及发展方向，其中包括器件、软开关技术 和目前DC/DC 变换器研究的热点。同时还介绍了全桥变换器常见的控制策略，以 及移相全桥变换器常见的问题和国内外学者提出的改进方法。第二章针对课题内 容，分析了移相全桥变换器的工作原理，对各个模态进行了详细的分析，并就移 相全桥变换器的几个关键问题进行了详细分析：占空比丢失、ZVS 的实现、损耗 分析和整流二极管振荡问题。第三章针对技术指标，设计了一款5kW 的样机，其 中包括各器件的选型和相关参数的计算，损耗计算。这些参数计算主要有：全桥 开关管电压电流应力的计算与选型、变压器的设计、整流二极管的选择、输出LC 滤波电路的设计、隔直电容的选择、谐振电感电容的选择和死区时间的计算、箝 位电路的设计。并根据计算结果使用Saber 软件进行了开环仿真，验证了设计参数