【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于全橋移相的雙極性輸出DCDC變換器的研究王金彪燕 山 大 學(xué)2012年 6 月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于全橋移相的雙極性輸出DCDC變換器的研究學(xué) 院： 里仁學(xué)院 專 業(yè)： 應(yīng)用電子 學(xué)生 姓名： 王金彪 學(xué) 號(hào)： 081203031077 指導(dǎo) 教師： 張純江 答辯 日期： 2012年6月17日 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電氣工程及其自動(dòng)化系學(xué)號(hào)81203031077學(xué)生姓名王金彪專 業(yè)班 級(jí)應(yīng)電084題目題目名稱基于全橋移相的雙極性輸出DC/DC變換器研究題目性質(zhì)：工程設(shè)計(jì) （ √ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。（ ）；（ ）；（ ）。題目類型（ √ ） （ ）題目來(lái)源科研課題（ √ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容將200V~300V的直流電變換為177。425V的雙極性直流電。設(shè)計(jì)全橋移相主電路和控制系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證輸出電壓穩(wěn)定。(1) DC/DC變換器主電路工作原理的分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，利用仿真工具優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)；主電路功率器件實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。(2) 設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的177。425V輸出，進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)仿真。基本要求輸入電壓：200300V（DC） 輸出電壓：425 V（DC）輸出電壓穩(wěn)定度：177。1% 輸出功率：10kW 開關(guān)頻率：20kHz 撰寫論文1本（不少于2萬(wàn)字，字跡工整、語(yǔ)言流暢、圖表規(guī)范），標(biāo)準(zhǔn)A0圖紙一張。參考資料 電力電子技術(shù)（第四版） IEEE transactions on Power Electronics IEEE transactions on Industry Application 電工技術(shù)學(xué)報(bào)、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)等周 次1—4周5—8周9—12周13—16周17—18周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱資料，學(xué)習(xí)理論知識(shí)。了解題目概況、工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成完成主電路和控制電路方案選擇，對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真研究系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)研究整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論比較，撰寫論文指導(dǎo)教師：張純江職稱：教授 2012年1月13日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要摘要移相全橋軟開關(guān)電路由于把PWM控制技術(shù)與軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，在中大功率變換器中應(yīng)用非常廣泛。本文研究了以全橋變換器作為主電路拓?fù)?、以芯片UC3875作為主控芯片、以移相全橋方式作為控制方案的移相全橋軟開關(guān)DC/DC變換器。該變換器輸入電壓為200~300VDC，輸出電壓為177。，控制方案入手，通過(guò)理論分析和仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了該變換器。為了使變換器具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，變換器必須實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本文采用電壓反饋的閉環(huán)控制，提高了變換器的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。本文在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)該變換器進(jìn)行了仿真研究，建立了該變換器的小信號(hào)模型，設(shè)計(jì)了該變換器主電路、控制電路和閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)等各項(xiàng)參數(shù)。本文基本上達(dá)到了任務(wù)書要求。關(guān)鍵詞 移相全橋；軟開關(guān)。 閉環(huán)控制I 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）AbstractPhaseshifted fullbridge softswitching circuit which bined PWM control technology and the softswitching technology, was widely used in the power converters. The paper focuses on a 200~300VDC/425VDC，PhaseShifted FullBridge soft switched DC/DC converter with UC3875 as its kernel controller．To achieve the goal，a converter is designed based on the selection of the main circuit topology and the control method through theoretic analyzing and simulation．To achieve a good performance both statically and dynamically, closed loop control method has to be applied．The paper takes advantage of a voltage closedloop control mode and improves the static and dynamic performance of the converter. Based on the analyzing of the theory ,small signal converter model are built and the parameters of main circuit，control circuit and closedloop part are designed through simulation．Some performances of the converter are also analyzed in the simulation．Therefore，the paper basically mitments to the requirements.Keywords Shiftphase fullbridge 。 Softswitching 。closed loop control methodII 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 開關(guān)變換器的分類 1 常見開關(guān)變換器的比較 2 軟開關(guān)直流變換器的發(fā)展 3 本次研究的主要內(nèi)容 5第2章 移相全橋DCDC變換器的工作原理 6 移相全橋變換器的基本結(jié)構(gòu)和主要電量 6 7 10 17 21第3章 移相全橋DCDC變換器的主電路設(shè)計(jì)與開環(huán)仿真 22 主電路拓?fù)溥x擇 22 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 23 主電路仿真分析 24 MATLAB簡(jiǎn)介 24 開環(huán)仿真電路的建立 24 開環(huán)仿真波形 25 本章小結(jié) 27第4章 移相全橋DCDC變換器控制電路設(shè)計(jì)與閉環(huán)仿真 28 控制電路的設(shè)計(jì) 28 主要芯片介紹 28 UC3875芯片的引腳簡(jiǎn)介和功能簡(jiǎn)介 28 IR2110芯片的簡(jiǎn)介 34 控制電路及驅(qū)動(dòng)電路 38 閉環(huán)仿真 40 本章小結(jié) 41結(jié)論 42參考文獻(xiàn) 43致謝 45附錄1 46附錄2 52附錄3 56附錄4 66附錄5 72III第1章 緒論第1章 緒論 課題背景電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)。電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、電力系統(tǒng)、現(xiàn)代軍事、交通運(yùn)輸、航空航天以及新能源系統(tǒng)等。如何提高電源的質(zhì)量和可靠性，減小電源的體積，減輕電源的重量，一直是倍受人們重視的研究課題。能源危機(jī)之后，各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來(lái)越受到重視。其中太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快。但是，這些發(fā)電方式容易受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，通常需要儲(chǔ)能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要應(yīng)用到相關(guān)的開關(guān)變換器技術(shù)等。 開關(guān)變換器的分類開關(guān)變換器是電能轉(zhuǎn)換的核心裝置。按轉(zhuǎn)換前后電能的種類，開關(guān)變換器可分為四類：(1)直流變換器(DCDC），將一種直流電能轉(zhuǎn)換為另一種或是多種直流電能的變換器，是直流開關(guān)電源的主要部件；(2)逆變器(DCAC），將直流電能變換為交流電能的電能變換器，是交流開關(guān)電源和不間斷電源的主要部件；(3)整流器(ACDC)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電能變換器；(4)交交變頻器(ACAC)，將一種頻率的交流電轉(zhuǎn)換為另一種頻率可變的交流電，或是將一種頻率可變的交流電轉(zhuǎn)換成某一種頻率的交流電的電能變換器。這四類變換器可以是單向的也可以是雙向的。直流變換器按照其輸入端與輸出端是否電氣隔離可分為兩類：非隔離型變換器和隔離型變換器。非隔離型變換器按照開關(guān)器件個(gè)數(shù)分為單管、雙管和四管變換器三類。單管變換器有六種，即降壓式(Buck)變換器、升壓式(Boost)變換器、升降壓式(Buck/Boost)變換器、Cuk變換器、Zeta變換器和Sepic變換器。在這六種單管變換器中，Buck和Boost變換器是最基礎(chǔ)的，另外四種是從其中派生的。隔離型變換器采用變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，不僅實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的電氣隔離，還可以實(shí)現(xiàn)電壓變換和多路輸出。隔離型變換器也可以按照開關(guān)器件個(gè)數(shù)分類。單管的有正激(Forward)和反激(Fly back)變換器兩種。雙管的有雙管正激(Double transistor forward)和雙管反激(Double transistor Fly back)、半橋(Halfbridge)和推挽(Pushpull)變換器，四管的是全橋(Fullbridge)變換器。在開關(guān)器件電壓電流定額相同的條件下，變換器的輸出功率和所用開關(guān)管的個(gè)數(shù)成正比，即四個(gè)管的變換器輸出功率最大，單管變換器輸出功率最小。 常見開關(guān)變換器的比較開關(guān)變換器是的優(yōu)點(diǎn)是輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大；缺點(diǎn)是輸出紋波大，易產(chǎn)生電磁干擾。按照開關(guān)管的數(shù)量和器件的組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，表11 常見的PWM開關(guān)變換器的住拓?fù)浔容^拓?fù)涔β史秶?WVin范圍/V輸入輸出隔離典型效率(%)相對(duì)成本Buck電路0~10005~40無(wú)70Boost電路0~1505~40無(wú)80BuckBoost電路0~1505~40無(wú)80正激式電路0~1505~500有78反激式電路0~1505~500有80推挽式電路100~100050~1000有75半橋電路100~50050~1000有75全橋電路400~2000+50~1000有73開關(guān)電源的硬開關(guān)方式，因開關(guān)損耗大，限制了開關(guān)頻率的提高。90年代中期出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)能使得開關(guān)電壓和電流波形不交疊，大大降低了開關(guān)損耗，較好地解決了這個(gè)矛盾。軟開關(guān)技術(shù)擴(kuò)大了各種DC/DC變換器的輸出功率范圍，促進(jìn)了開關(guān)電源高效率和輕型化。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景，開關(guān)電源的干擾和性價(jià)比也正在不斷地得到改善。 軟開關(guān)直流變換器的發(fā)展高頻化、小型化、輕量化是現(xiàn)代開關(guān)變換器的發(fā)展趨勢(shì)。而開關(guān)變換器中的開關(guān)管一般工作在硬開關(guān)狀態(tài)，在開關(guān)過(guò)程中容易產(chǎn)生開關(guān)損耗(Switching loss)，并且隨著頻率的增加成正比增加，嚴(yán)重影響變換器的轉(zhuǎn)換效率和功率密度的提高。而且開關(guān)頻率越高，電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)愈嚴(yán)重，容易使開關(guān)管開關(guān)軌跡超出安全工作區(qū)而損壞。為了減小變換器的體積和重量，必須實(shí)現(xiàn)高頻化。要提高開關(guān)頻率，必須解決上述開關(guān)管的硬開關(guān)問(wèn)題，因此，軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛應(yīng)用在半橋、全橋變換器中。近幾十年來(lái)，軟開關(guān)技術(shù)已得到很大的發(fā)展，而且一直是開關(guān)變換器的主要研究方向之一。表12 軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展過(guò)程提出時(shí)間軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)電源中的應(yīng)用20世紀(jì)70年代串聯(lián)或并聯(lián)諧振半橋或全橋20世紀(jì)80年代初有源鉗位ZVS主要是單端20世紀(jì)80年代中準(zhǔn)諧振或多諧振單端或橋式20世紀(jì)80年代末ZVS/ZCSPWM單端或橋式20世紀(jì)80年代末移相全橋ZVSPWM全橋20世紀(jì)90年代初ZVT/ZCTPWM移相全橋混合ZVS/ZCSPWM全橋軟開關(guān)電源的變換技術(shù)一般可以分為以下幾類：(1)全諧振變換器，一般稱之為諧振變換器(Resonant converters)。該類變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器(Series resonant converters，SRCs)和并聯(lián)諧振變換器(Parallel resonant converters，PRCs)兩類。按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類：一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負(fù)載(或串聯(lián)輸出)諧振變換器(Series lo