畢業設計基于全橋移相的雙極性輸出dc-dc變換器的研究-資料下載頁

【導讀】理論研究型（）；計算機軟件型（）；綜合型（）。將200V~300V的直流電變換為±425V的雙極性直流電。統參數；主電路功率器件實現軟開關。設計閉環控制系統實現穩定的±425V輸出，進行系統閉環仿真。移相全橋軟開關電路由于把PWM控制技術與軟開關技術結合在一起，在中大功率變換器中應用非常廣泛。本文研究了以全橋變換器作為主電路拓。橋軟開關DC/DC變換器。±，控制方案入手，通過理論分析和仿真計算，為了使變換器具有良好的動態和靜態特性，變換器必須實現閉環控制。本文采用電壓反饋的閉環控制，提高了變換器的動態性能和穩態性能?；旧线_到了任務書要求。

　　

【正文】 ，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 的全部信第 3 章 移相全橋 DCDC 變換器的主電路設計與開環仿真 25 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。 v+V o lt a g e M e a s ur e m e nt 2v+V o lt a g e M e a s ur e m e nt 1v+V o lt a g e M e a s ur e m e nt123TS co p e 2S co p e 1S co p eR L 2R L 1P u l s eG e n e r a t o r 4P u l s eG e n e r a t o r 3P u l s eG e n e r a t o r 2P u l s eG e n e r a t o r 1gmDSM o s f e t 4gmDSM o s f e t 3gmDSM o s f e t 2gmDSM o s f e t 1L lkL f 2L f 1D io d e 3D io d e 2D io d e 1D io d ei+C ur r e nt M e a s ur e m e ntC f 3C f 2C4C3C2C1C 1200V燕山大學本科生畢業設計（論文） 26 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 第 3 章 移相全橋 DCDC 變換器的主電路設計與開環仿真 27 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 。 燕山大學本科生畢業設計（論文） 28 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 F E R Q SE TF R E Q SE T CRf ??4 (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 FREQSETR 為 5kΩ， FREQSETC 為 。 (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： KIVCCT oind )( 21 ?? (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第 4 章 移相全橋 DCDC 變換器控制電路設計與閉環仿真 29 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 燕山大學本科生畢業設計（論文） 30 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。直到 VREF 達到 以上時才脫離欠壓鎖定狀態。最好的辦法是接一個 。 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，以檢測第 4 章 移相全橋 DCDC 變換器控制電路設計與閉環仿真 31 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，其基準設置為內部固定 （由 VREF 分壓）。當該引腳的電壓超過 時電流故障動作，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，當 VIN 正常時該引腳通過內部 9μA電流源上升到，如果出現電流故障時該引腳電壓從 下降到 0V，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 1 1 8 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： F R E Q SE TF R E Q SE T CRf ??4 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燕山大學本科生畢業設計（論文） 32 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： R A M PSL P O EX CR VdTdV ?? 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，就決第 4 章 移相全橋 DCDC 變換器控制電路設計與閉環仿真 33 定了鋸齒波的斜率 dv/d t=Vx/RSlOPECRAM，選定 RSlOPE 和 CRAM 就決定了鋸齒波的波形。 RAMP 是 PWM 比較器的一個輸入端，其另一輸入端是誤差放大器的輸出端。在 RAMP 與 PWM 比較器的輸入端之間有一個 的偏置，因此適當地選擇 RSlOPE 和 CRAM 的值，就能使誤差放大器的輸出電壓不超過鋸齒波的幅值，從而實現最大占空比限制。 (5)誤差放大器和軟起動 誤差放大器實際上是一個運算放大器，在電壓型調節方式中，其同相端 E/A+(pin 4)一般接基準電壓，反相端 E/A(pin 3)一般接輸出反饋電壓。 軟起動功能腳 SOFTSTART(pin 6)與信號地之間接一個電容 Css，當SOFTSTART 正常工作時，芯片內有一個 9μA 的恒流源給 Css 充電，SOFTSTART 的電壓線性升高，最后達到 。 SOFTSTART 在芯片內與誤差放大器的輸出相接，當誤差放大器的輸出電壓低于 SOFTSTART 的電壓時，誤差放大器的輸出電壓被鉗位在 SOFTSTART 的電壓值。因此SOFTSTART 工作時，輸出級的移相角從 0176。逐漸增加，使全橋變換器的脈寬從 0 開始慢慢增大，直到穩定工作，這樣可以減少主功率開關管的開機沖擊。 (6)移相控制信號發生電路 它是 UC3875 的核心部分，振蕩器產生的時鐘信號 經過 D 觸發器 2 分頻后，得到兩個 180176?；パa的方波信號。這兩個方波信號從 OUTA(pin 14)和 OUTB(pin 13)輸出，并與振蕩時鐘信號同步，延時電路為這兩個方波信號設置死區。 PWM 比較器將鋸齒波和誤差放大器的信號比較后，輸出一個方波信號，這個信號經邏輯運算后從 OUT C(pin 9)和 OUT D(pin 8)輸出兩個 180176?；パa的方波信號，延時電路為這兩個方波信號設置死區。 OUT C 和 OUT D 分別領先于 OUT B 和 OUTA，之間相差一個移相角，移相角的大小決定于誤差放大器的輸出與鋸齒波的交點。 圖 2 為四個輸出的邏輯時序圖，通過調節移相角可以控制 AD