PWM控制全桥软开关电源1

2010届本科毕业设计

PWM控制全桥软开关电源设计

院 （系） 名 称 物理与电子信息学院

专 业 名 称 电气工程及其自动化

学 生 姓 名 张磊

学 号 060544129

指 导 教 师 马红梅硕士

完 成 时 间 2010年5月15日

1 PWM控制全桥软开关电源设计

张磊

物理与电子信息学院 电气工程及自动化 学号：060544129

指导教师：马红梅

摘要：本论文设计了一种基于PWM控制全桥软开关电源。设计了高频变压器、控制电路、交流EMI滤波器、输出保护电路等。本设计得到了一款输出为48V/20A的PWM控制全桥软开关电源。该电源具有频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等优点。

关键词：全桥变换器；零电压开关；PWM控制

PWM Control Full-bridge Soft Switching Power Supply

Zhang lei

Electronic Information Science and Technology No: 060544129

Tutor: Ma Hong-mei

Abstract: In this thesis, based on PWM control, a full-bridge soft switching power supply was designed.

And it designed a high-frequency transformer, control circuit, AC EMI filter and output protection circuit.

This design has been a PWM control output 48V/20A of full-bridge soft switching power supply. The

power supply has a high frequency, high efficiency, high power density, high reliability,etc.

Key words: Full-Bridge Converter; ZVS; PWM Control 2 目 录

摘要 ..................................................................... 1

2 PWM控制全桥软开关电源系统 .............................................. 3

2.1 PWM控制全桥软开关电源工作原理 ........................................ 3

2.2 方案论证 ............................................................. 4

2.2.1 PWM控制全桥软开关电源实现的三种方式 ................................ 4

2.3 PWM控制全桥软开关电源单元电路设计 .................................... 4

2.3.1 主电路设计 ......................................................... 4

2.3.2 高频变压器的设计 ................................................... 7

2.3.3 控制电路设计 ....................................................... 9

2.3.4 交流EMI滤波及前级整流滤波电路设计 ................................ 14

2.3.5 输出保护电路设计 .................................................. 16

3 系统调试 .............................................................. 16

3.1 变压器的调试 ........................................................ 16

3.2 测试记录 ............................................................ 16

3.2.1 纹波电压测试 ...................................................... 16

3.2.2 过电压保护(OVP)测试 ............................................... 16

3.2.3 短路保护测试 ...................................................... 17

3.2.4 过电流保护(OCP)测试 ............................................... 17

3.2.5 过功率保护(OPP)测试 ............................................... 17

3.2.6 安全(Safety)规格测试 .............................................. 17

3.2.7 异常测试 .......................................................... 18

3.2.8 电磁兼容(Electromagnetic Compliance)测试 .......................... 18

3.2.9 可靠性(Reliability)测试 ........................................... 18

4 结束语 ................................................................ 18

参考文献 ................................................................ 18 3 1 引言

电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。从某种程度上来讲，可以看成是系统的心脏。电源按照不同的方式可以分为多种。其中，软开关电源是相对于硬开关电源而言的。硬开关电源的开关器件是在承受电压或电流的情况下接通或断开电路的，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即开关损耗。开关频率越高，硬开关电源的开关损耗就越大。此外，开关过程中还会激起电路分布的电感和寄生电容的震荡，带来附加损耗并产生电磁干扰，这就需要采取防止电磁干扰的措施。

软开关电源较好的解决了上述硬开关电源的不足。软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关；或是通过开关器件的电流为零，即零电流开关。这种开关方式显著地减小了开关损耗的开关过程中激起的震荡，可以大幅度地提供开关频率，为开关电源小型化及高效率创造了条件。

本设计中采用软开关技术，它利用以谐振为主的辅助换流技术。软开关技术中,可分为零电压开通、零电流关断以及零电压电流开关共三种实现方式。本设计采用具有软开关功能的UCC3895集成芯片，设计了一款输出为48V/20A的、具有良好ZVS开关效果的、并能够减少副边占空比丢失的移相控制PWM ZVS DC/DC变换器。

2 PWM控制全桥软开关电源系统

2.1 PWM控制全桥软开关电源工作原理

图1给出了PWM控制全桥软开关电源系统的方框图。

从图1可知，将交流电源输入经整流滤波后转换成直流，通过PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关器件，将经整流滤波而得到的直流电压加到开关变压器初级上，开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载，输出部分通过辅助电路反馈给控制电路，以达到预定输出电压的目的。

PWM控制全桥软开关电源以改变两臂对角线上下驱动电压移相角来调节输出电压，超前臂栅极电压领先于滞后臂栅极电压一个相位。在控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，并利用变压器漏感和功率管的结电容与寄生电容完成谐振过程以实现零电压开通。PWM控制全桥软开关电源有效克服了感性关断电压尖峰和容性开通造成的开关管温度过高的缺点，减少了开关损耗与干扰。

4

图1 PWM控制全桥软开关电源系统方框图

2.2 方案论证

2.2.1 PWM控制全桥软开关电源实现的三种方式

PWM控制全桥软开关电源实现的三种方式为：

1. 零电流开关(ZCS)

使开关关断前其电流减小到零，则开关关断时就不会产生关断损耗和噪声，这种方式称为零电流关断。在很多情况下，直接称其为零电流开关。该种方式可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、感性关断问题及抑制可能产生的电压尖峰，但是由于器件本身的原因，仍然有两个主要的途径产生噪声。

2. 零电压开关(ZVS)

使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种方式称为零电压开通。与零电流开关相同，也直接称其为零电压开关。该种方式可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题及抑制可能产生的电流尖峰。

3. 零电压零电流开关(ZVZCS)

零电压开通和零电流关断配合应用，就可形成零电压零电流开关。这种开关方式，可以减小电路总损耗，抑制过电压。该种方式兼有方式的优点，但实现此种方式的电路较复杂。

2.3 PWM控制全桥软开关电源单元电路设计

2.3.1 主电路设计

1. 图2为主电路原理图：

图2中Q1、D1和Q4、D4组成一对桥臂，Q2、D2和Q3、D3组成另一对桥臂。两对桥臂的MOSFET管通过芯片UCC3895的控制信号，实现桥臂的互补通断，形成桥式电压型EMI滤波器 整流 开关器件 变压器 整流 滤波

输出保护

采样电路 基准电源

比较放大 PWM软开关 振荡器 基极驱动