基于全橋移相的雙極性輸出dc-dc變換器的研究畢業設計含開題報告、外文翻譯(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 (220)其中，n 為變壓器副邊匝數與原邊匝數的比值；為電感電流平均值。下面通過式(219)來分析對產生影響的因素。(1) 占空比擾動 對的影響由式(219)可得 (221)即占空比擾動對的影響可以近似為。(2) 濾波電感電流擾動對的影響 (222)這里，負號表示在原邊占空比保持不變的情況下，如果濾波電感電流增加，將減小，從而降低輸出電壓，這種影響等效于一個電流負反饋作用。(3) 輸入電壓擾動對的影響 (223) 當時，則有 (224)把上述結果加到BUCK 變換器的平均小信號電路模型中，也就是通過用的總的變化來代替在BUCK 變換器小信號模型的從而獲得移相全橋ZVS 變換器的小信號模型。 (225),的作用由兩個受控源來表示，的作用由兩個獨立源來表示。需要強調的是，來源于電路本身（即和的擾動）且不被控制電路控制。移相全橋變換器小信號模型中顯示BUCK 變換器模型是移相PWM 模型的特例。圖215 移相全橋ZVS變換器的小信號模型可進行小信號分析，推導出移相全橋ZVS 變換器的主電路傳遞函數。(1)輸出濾波器的傳遞函數為： (225)設，則輸出濾波器的輸入阻抗為： (226)輸出濾波器的輸出阻抗為： (227)(2)控制對輸出電壓的傳遞函數：當不考慮輸入電壓變化量時，即時， (228)則由公式（225）可導出： (229)上式即為移相全當橋ZVS 變換器的輸出電壓對輸入占空比的傳遞函數。(3)控制對濾波電感電流的傳遞函數：若忽略濾波電容的串聯電阻，則有 (230)式中，此即為電流環功率的傳遞函數。變換器負載的傳遞函數為 (231)本章首先介紹了移相全橋變換器的基本拓撲結構和控制策略，并分析了其實現軟開關的工作過程。最后對建立了變換器的小信號模型，為設計其控制電路提供了依據。第3章 移相全橋DCDC變換器的主電路設計與開環仿真第3章 移相全橋DCDC變換器的主電路設計與開環仿真 主電路拓撲選擇主電路拓撲選擇副邊利用簡單輔助電路的箝位的FBZVZCSPWM變換器變壓器副邊接為雙極性輸出，兩路輸出的工作情況相似，一般只分析一路的情況。如圖31所示：圖31 復變無源箝位FBZVZCSPWM變換器拓撲此電路副邊由一個簡單輔助電路構成：包括一個小電容和兩個小二極管，結構簡單。該方案不含飽和電感，輔助開關，不產生大的環流，沒有額外的箝位電路，這是因為，副邊整流電壓被箝位于箝位電容電壓與輸出電壓之和（抑制二極管上的電壓尖峰）。所有的元器件均在低電壓、低電流下工作，還有負載范圍寬，占空比損失小等優點，從而使此變換器具有高效率，低成本，解決了目前常見變換器的許多問題[8] 主電路參數設計已知Vin=200~300V，Vo=177。425V，Po=10000W，=90%，fs=20kHz，輸出電壓穩定度：177。1% 所以 (31) (32) (33) (34)(1)變壓器的設計 為了提高高頻變壓器的利用率，減小開關管的電流，降低輸出整流二極管的反向電壓，從而減小損耗和降低成本，高頻變壓器原副邊變比應盡可能的大一些。為了在任意輸出電壓時能夠輸出所要求的電壓，變壓器的變比應按最低輸入電壓Vin(min)選擇。因為，一般，若取。選擇副變得最大占空比為D(max)，則可計算出副邊電壓最小值Vsec(min)為： (35)故變比K是： (36)即。考慮到各種損耗，可將變比K取得大一些，取。(2)輸出濾波電感 在設計Buck變換器的輸出濾波電感時，要求輸出濾波電感電流在某一個最小電流(ccm)是保持濾波電感可以按下式計算 (37)考慮留有一定的余量，取。(3)輸出濾波電容 輸出濾波電容的容量與電源對輸出電壓峰峰值的要求有關，可有下式來計算輸出濾波電容的電容量 (38)。式中的單位是法拉第(F)，與計算輸出濾波電感同樣的道理，所以取留有一定的余量，取20μF。(4)開關管的選擇 MOSFET選用IRF450，Vdss=500V,Cds=300pF。 主電路仿真分析 MATLAB簡介MATLAB是一種科學計算軟件。MATLAB是Matrix Laboratory (矩陣實驗室)的縮寫，這是一種以矩陣為基礎的交互式程序計算語言。由于它使用方便、輸入便捷、運算高效、適應科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴展的空間，因此特別受到用戶的歡迎，使它成為在科技界廣為使用的軟件，也是國內外高校教學和科學研究的常用軟件。SIMULINK為MATLAB提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴展的、內容豐富的模塊庫，為系統的仿真提供了極大便利。在SIMULINK平臺上，拖拉和連接典型模塊就可以繪制仿真對象的模型框圖，并對模型進行仿真。在SIMULINK平臺上，仿真模型的可讀性很強，這就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函數仿真時，需要熟悉記憶大量M函數的麻煩。在 SIMULINK 環境下用電力系統模塊庫的模塊，可以方便地進行 RLC 電路、電力電子電路、電機控制系統和電力系統的仿真。通過電力電子電路和電機控制系統的仿真，不僅展示了 MATLAB/SIMULINK 的強大功能，并且可以有效的學習控制系統仿真的方法和技巧，研究電路和系統的原理和性能。 開環仿真電路的建立在simulink窗口中建立如圖31所示的仿真電路圖。雖然變換器最終實現了雙極性輸出，但是我們可以將其變壓器副邊的全橋整流視為兩個全波整流器的并聯，只觀察和分析其中一路輸出的情況就能的到兩路輸出的全部信息。依據之前計算所得的系統參數設置器件參數，并設置軟件的仿真參數。之后對其進行仿真。圖31移相全橋變換器的開環仿真電路圖 開環仿真波形 對于仿真結果，給出以下三組波形，可以幫助分析電路的工作過程并進一步優化電路的結構和參數。圖32四個開關管的驅動波形依次為Q1,Q2,Q3,Q4，圖33高頻變壓器原邊電壓波形圖34變換器輸出電壓隨時間變化的波形 本章小結本章開始選取了ZVZCS PWM DC/DC全橋變換器的一種拓撲為主電路，并對其工作原理進行分析，最后對主電路參數進行選取，并將所得參數代入仿真電路中，通過不斷的調節，最終得到所需的波形。由仿真波形可知，當輸入電壓為穩定的直流電壓時，輸出的電壓能基本穩定在要求的電壓值，但是存在超調量很大，調整時間過長的問題，系統的穩定性和快速性都不能令人滿意。并且這種設計只是針對輸入電壓恒定的情況，本課題要求輸入為200~300V,所以有必要對系統進行校正，采取閉環控制以實現穩壓輸出。第4章 移相全橋DCDC變換器控制電路設計與閉環仿真第4章 移相全橋DCDC變換器控制電路設計與閉環仿真 控制電路的設計(1)振蕩器頻率的設定 UC3875芯片內部高頻振蕩器的振蕩頻率取決于接在該腳和信號地之間的電阻和電容值,即 (51)而開關管頻率為20kHz,又振蕩器產生的時鐘信號經過D觸發器2分頻后，從D觸發器輸出端的到方波信號以驅動MOSFET，故f為40kHz。可設為5kΩ。(2)死區時間的設置 為了防止同一橋臂的兩個開關管同時導通，兩個開管關的驅動信號之間要有一個死區設置且應滿足： (52)其中C1=C2=300pF，Vinm=300V，Io=P/Vo=5000/425=，K=3，代入上式，得到死區時間大于46ns。為了保證有足夠的余量實現可靠性，選取死區時間為100ns。 主要芯片介紹本電路控制芯片采用UC3875，功率開關管的驅動芯片為IR2110。 UC3875芯片的引腳簡介和功能簡介UC3875是美國Unitrode公司針對移相控制方案推出的PWM控制芯片，適用于全橋變換器中驅動四個開關管，四個輸出均為圖騰柱式結構，可以直接驅動MOSFET或經過驅動電路放大，驅動大功率MOSFET或IGBT。由于該器件設計巧妙，構成電路所需外圍元件較少，是一種應用前景較好的控制芯片。Unitrode公司的UC3875芯片，它有4個獨立的輸出驅動端可以直接驅動四只功率MOSFET管，其中OUTA和OUTB相位相反，OUTC和OUTD相位相反，而OUTC和OUTD相對于OUTA和OUTB的相位θ是可調的，也正是通過調節θ的大小來進行PWM控制的。圖41 UC3875芯片的管腳示意圖圖42 UC3875芯片內部原理框圖UC3875的管腳功能UC3875有20腳和28腳兩種，這里僅介紹20腳的UC3875的管腳功能。 UC3875各個管腳的使用說明管腳1可輸出精確的5V基準電壓，其電流可以達到60mA。當VIN比較低時，芯片進入欠壓鎖定狀態VREF消失。管腳2為電壓反饋增益控制端，當誤差放大器的輸出電壓低于1V時實現0176。相移。管腳3為誤差放大器的反相輸入端，該引腳通常利用分壓電阻檢測輸出電源電壓。管腳4為誤差放大器的同相輸入端，該引腳與基準電壓相連，以檢測E/A（－）端的輸出電源電壓。管腳5為電流檢測端，該引腳為電流故障比較器的同相輸入端，（由VREF分壓）。，輸出被關斷，軟起動復位，該引腳可實現過流保護。管腳6為軟起動端，當輸入電壓（VIN）低于欠壓鎖定閾值（）時，該引腳保持地電平，，該引腳可實現過壓保護。管腳15為輸出延遲控制端，通過設置該引腳到地之間的電流來設置死區，加于同一橋臂兩管驅動脈沖之間，以實現兩管零電壓開通時的瞬態時間，兩個半橋死區可單獨提供以滿足不同的瞬態時間。管腳118為輸出OUTA～OUTD端，該引腳為2A的圖騰柱輸出，可驅動MOSFET和變壓器。管腳10為電源電壓端，該引腳提供輸出級所需電源，Vcc通常接3V以上電源，最佳為12V。該引腳應接一個旁路電容到電源地。管腳11為芯片供電電源端，該引腳提供芯片內部數字、模擬電路部分的電源，接于12V穩壓電源。為保證芯片正常工作，在該引腳電壓低于欠壓鎖定閾值（）時停止工作。該引腳應接一旁路電容到信號地。當電源電壓超過欠壓鎖定閾值時，電源電流（IIN）從100μA猛增到20mA。如果接一旁路電容，它就很快脫離欠壓鎖定狀態。管腳12為電源地端。其它相關的阻容網絡與之并聯，電源地和信號地應一點接地以降低噪聲和直流降落。管腳16為頻率設置端，該腳與地之間通過一個電阻和電容來設置振蕩頻率，具體計算公式為：管腳17為時鐘/同步端，作為輸出，提供時鐘信號；作為輸入，該腳提供一個同步點。最簡單的用法是：具有不同振蕩頻率的多個UC3875可通過連接其同步端，使它們同步工作于最高頻率。該腳也可使其同步工作于外部時鐘頻率，但外部時鐘頻率需大于芯片的時鐘頻率。管腳18為陡度端，該腳接一個電阻Rs將產生電流以形成斜波，連接這個電阻到輸入電壓將提供電壓反饋。管腳19為斜波端，該腳是PWM比較器的一個輸入端，可通過一個電容CR連接到地，電壓以下式陡度建立：該腳可通過很少的器件實現電流方式控制，同時提供陡度補償。管腳20為信號地端，GND是所有電壓的參考基準。頻率設置端（FREQSET）的振蕩電容(Cf)，基準電壓（VREF）端的旁路電容和VIN的旁路電容以及RAMP端斜波電容(CR)都應就近可靠地接于信號地。功能實現UC3875主要包括以下九個方面的功能：工作電源、基準電源、振蕩器、鋸齒波、誤差放大器和軟起動、移相控制信號發生電路、過流保護、死區時間設置、輸出級。其內部結構框圖如圖1所示。(1)工作電源 UC3875工作電源分為兩個：Vin(pin 11)和Vcc(pin 10)，其中Vin供給內部邏輯電路用，它對應于信號地GND(pin20)，Vcc供給輸出級用，它對應于電源地PWR GND(pin 12)。 Vin設有欠壓鎖定輸出功能(簡稱UVLO)，其門檻電壓為10．75V，當電壓低于門檻電壓，輸出級全部被封鎖，當Vin電壓高于門檻電壓，輸出級才會開啟。通常為使芯片更好地工作，減少噪音干擾和直流壓降，將Vin和Vcc接至同一個直流電源。(2)基準電源 UC3875提供一個5V精密基準電壓源Vref(pin 1)，可為外部電路提供大約60mA的電流，該電壓在Vin欠壓鎖定時消失。(3)振蕩器 芯片內有一個高速振蕩器，在頻率設定腳FREQ SET(pin 16)與信號地之間接一個電容和電阻可以設置振蕩頻率，從而設置輸出級的開關頻率。(4)鋸齒波 斜率設置腳SLOPE(pin l8)與Vx(5V基準電壓Vref與Vin工作電壓)之間接一個電阻RSlOPE ，為鋸齒波腳RAMP(pin 19)提供一個電流為Vx/RSlOPE的恒流源。在RAMP與信號地之間接一個電容CRAM，就決定了鋸齒波的斜率dv/d t=Vx/RSl