电流模式控制移相零电压软开关DCWord下载.docx

1、倍流整流器（CDR）；PSpice 仿真。AbstractThis paper presents a high frequency DC-DC power converter. The control strategy of this converter is current-mode phase-shift PWM control. And it achieves zero voltage switching （ZVS） at a wide variety of loads.In this full bridge phase-shift ZVS DC-DC converter an impr

2、oved topology has been adopted. The main difference of this topology occurs in the secondary side rectifier, which named Current-Doubler Rectifier （CDR）. And this new topology makes ZVS easier to realize. Furthermore, its introducing has simplified the design of the whole converter. Also in this con

3、verter a new current/voltage mode PWM controller named UCC3895 has been used. Through modeling of UCC3895 and every unit of the converter a group of optimized parameters was selected, which followed with the simulation of the whole circuit. Simultaneously the converters stability and operation state

4、 was analyzed at length. In addition, a series of SMPS designed high frequency IGBTs have been applied to improve the converters performance. Finally a prototype was made and some approving waveforms have been obtained.Also in this design some protection and malfunction latching techniques have been

5、 thoughtfully considered. Such means have highly enhanced the converters reliability.At last, the experiment results and waveforms are presented and explored in detail.KEY WORDS: DC-DC converter; current mode control; phase-shift PWM control; zero voltage switching （ZVS）; Current-Doubler Rectifier（C

6、DR）; PSpice simulation.目录0 前言.10.1 概述.10.2 课题所要完成的工作.31 电路及控制方案分析.41.1 移相全桥零电压软开关DC-DC 变换器主电路.41.1.1 基本型移相全桥ZVS DC-DC 变换器主电路.41.1.2 倍流整流器.51.1.3 改进型移相全桥ZVS DC-DC 变换器主电路.81.2 控制方案比较.121.2.1 电压模式PWM 控制.121.2.2 峰值电流模式PWM 控制.141.3 电流模式控制的斜坡补偿.172 DC-DC 变换器电路设计.202.1 主电路设计.202.1.1 开关器件选择.202.1.2 变换器主电路设计

7、.242.2 控制电路设计.262.2.1 控制集成电路.262.2.2 变换器控制电路设计.293 仿真研究.363.1 系统稳定性研究.363.2 电路仿真.413.2.1 仿真软件PSPICE 简介.413.2.2 电路和UCC3895 建模研究.443.2.3 倍流整流器正常工作条件验证.544 电磁兼容设计.574.1 理论分析.574.2 电路EMC 设计.595 实验结果及分析.626 结论.72参考文献.74附录.760 前言0.1 概述 近年来随着计算机技术以及通信事业的飞速发展，市场上对于各种电源的需求更为迫切，人们对于电源的了解与认识也越来越多。其中，开关电源作为一种最为

8、重要的形式得到了公众的广泛关注。同时，各种先进工艺的电子元器件的诞生，新的控制理论、电磁材料和变换技术以及各种辅助设计分析软件的问世也使得开关电源的发展处于一种前所未有的好时机。 但是在前进的道路上也有很多的挑战，最典型的就是所谓的“五高”：高频率、高功率因数、高效率、高功率密度以及高可靠性。同时，像开关电源的抗干扰技术等各种较为严峻的问题也早已引起了专家和研究人员的广泛关注。 为了满足这些要求，软开关技术应运而生，许多学者先后提出了谐振变换器（Resonant converter）、准谐振变换器（Quasi-resonant converter） 和多谐振变换器（Multi-resonant

9、converter）。它们实现了开关管的零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）或零电流开关（Zero Current Switching，ZCS），大大减小了器件的开关损耗，提高了变换器的变换效率和开关频率，并因此减小了体积和重量。 由于单管构成的变换器，如Buck、Boost、Cuk、Forward、Flyback 变换器等一般适用于中小功率的应用场合，而全桥变换器则适用于中大功率应用场合，特别是通讯用一次开关电源和电力系统用开关电源，因此研究其软开关技术具有十分重要的意义。 本课题研究了一种新型的高频DC-DC 开关变换器。该变换器最终将应用在军用充电机上。作为

10、项目的先期研究工作，该课题在整个项目的发展规划中有着极其重要的意义。由于应用领域的特殊性，因此对于该电源的可靠性要求较高，同时要求具有一定的技术创新。因此本课题采取了一种全新的电路拓扑，并选取了一种不同于以往的方法步骤来进行实际电路的设计工作。 在过去对电路的性能进行规划和验证时，我们通常都采用两种方法：数学公式方法和物理方法。也就是用物理定律和元件的特征方程求解的方法以及根据实际电路进行测试这两种方法。但是随着电路规模的增大以及元器件数目的增多，这些方法已越来越难以满足当前电子工业发展的要求。目前，以电子计算机辅助设计（Computer Aided Design，即CAD）为基础的电子设计自

11、动化（Electronic Design Automation, 即EDA）技术已经渗透到电子电路系统和专用集成电路设计的各个环节。 模拟电路的仿真工具，是众多EDA 工具中的一个重要的组成部分。它是以电路理论、数值计算方法和计算机技术为基础实现的；它采用数字模型和仿真算法，利用计算机的计算、存储和图形处理的高速和高效率，以电路理论为依据，无需任何实际元器件，用预先设计出的各种功能的应用程序，取代大量的仪器仪表。电路设计工作者可以通过这些应用程序对电路进行各种分析、计算和校验。它为电路设计者提供了一个创造性的工作环境，不仅能使设计者的设计达到高质量、高可靠性，而且降低了成本，缩短了开发周期，同

12、时它使设计者有更多的时间和机会更充分地发挥其聪明才智，从而使设计精益求精。由于模拟电路在性能上的复杂性以及电路结构上的多样性，因此对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。国际上公认的模拟电路通用仿真工具是美国加利福尼亚大学伯克利（University of California, Berkeley）分校开发出来的SPICE 程序，目前享有盛誉的EDA 公司的模拟电路仿真工具，都是以SPICE 为基础实现的。其中以美国Meta Software 公司的HSpice 和Microsim 公司（已被Cadence 公司收购）的PSpice 最为流行。PSpice 程序由于收敛性好

13、，适于做系统及电路级仿真，又有微机版本，在国内外的应用十分广泛。0.2 课题所要完成的工作 本课题研究的是一种电流模式控制移相全桥零电压软开关（ZVS）DC-DC 功率变换器，它的副边采用倍流整流器电路。 在该论文中，首先简单讨论了全桥移相零电压软开关的基本电路工作原理，随后就所采用的新型电路的特点以及由此所产生的一些全新的情况作了较为全面的分析。接下来就目前最为常见的几种控制模式进行比较，采取了一种较为合适的方案作为该DC-DC变换器的控制策略。在这部分，作者还讨论了一些有关斜坡补偿的问题。 接下来，作者运用EDA 仿真工具PSpice 对该电路进行了细致的仿真研究。首先进行的是系统的数学建

14、模，并通过传递函数的仿真仔细地研究了系统的稳定性问题。然后，再运用PSpice 对控制芯片UCC3895 和整个电路系统进行了电路级仿真。根据分析和仿真的结果选取了一组优化参数，并在实验室做出了一台实验样机。 最后，通过对硬件电路进行调试验证了前面分析和仿真所得出的一些结论，并解决了一些仿真所不能发现的问题。最终，该样机已经能在实验室较为稳定可靠的工作了。 该DC-DC 功率变换器的主要参数指标如下： 输入直流电压：250V-360V 输出直流电压：110V1% 输出功率： 1KW 效率： 85%1 电路及控制方案分析1.1 移相全桥零电压软开关DC-DC 变换器主电路1.1.1. 基本型移相

15、全桥ZVS DC-DC 变换器主电路 PWM DC/DC 移相全桥零电压软开关（ZVS）变换器利用变压器的漏感或/和原边串联电感和开关管的外接或/和寄生电容之间的谐振来实现零电压软开关。基本电路拓扑结构及其主要波形如图1-1所示。在图1-1（a）中，Vin 是输入直流电压,Q1 Q4 构成两个桥臂：其中Q1 和Q3 构成超前桥臂，Q2 和Q4 组成滞后桥臂。图中与开关管MOSFET 并联的二极管和电容是其寄生或外接二极管和电容。LS 是变压器漏感和外接谐振电感的等效，DS1 和DS2 , Lf 和Cf 以及变压器Tr 组成全波整流和滤波电路；R 和VOUT分别是负载电阻和直流输出电压。图1-1

16、（a）移相全桥零电压软开关DC-DC 变换器主电路拓扑图1-1（b）移相全桥零电压软开关DC-DC 变换器主电路波形 由于超前桥臂和滞后桥臂实现零电压软开关ZVS 的条件不尽相同，导致了滞后桥臂实现零电压软开关ZVS 的难度比超前桥臂要大得多；输出整流二极管换流时关断的二极管反向恢复会引起次级较大的电压尖峰；并且还存在较为严重的副边占空比丢失的情况19。因此在实际的电路设计中该基本型电路有一定的缺陷，为了解决这些问题，以下提出了一种改进型的电路拓扑结构。其电路拓扑如下图1-2 所示。图1-2 改进型移相全桥零电压软开关DC-DC 变换器主电路 容易看出改进型的电路拓扑与基本型电路的主要差别在于

17、副边整流电路， 该整流电路被称为倍流整流器（Current-Doubler Rectifier，CDR），是目前应用的热点之一。下面首先介绍一下该整流电路。1.1.2 倍流整流器 倍流整流器的常见电路拓扑结构如图1-3和图1-4所示，它们的构成元件是相同的，只是其中二极管和电感元件的位置有所不同，但两个电路的功能是等效的。倍流整流器适用于推挽及桥式功率变换器变压器副边的高频整流。在图1-3中，变压器的副边绕组产生对称的高频正负方波电压。当副边绕组的上端电压为正时，副边电流经过L1、C 和R、D2 再回到副边绕组; 当副边绕组的下端电压为正时，副边电流经过L2、C 和R、D1 再回到副边绕组。倍

18、流整流器按照这一过程，将高频交流方波电压整流为直流输出电压。图1-4电路的工作原理与图1-3相同。与全波整流相比，倍流整流器的高频变压器副边绕组仅需一个单一绕组，不用中心抽头。与桥式整流相比，倍流整流器使用的二极管数量少一半。所以说，倍流整流器是结合全波整流和桥式整流两者优点的新型整流器。当然，倍流整流器要多使用一个输出小滤波电感。但此电感的工作频率及输送电流均比全波整流器的要小一半，因此可做得较小，另外双电感也更适合于分布式功率耗散的要求。图1-3 共阳二极管接法电路拓扑 图1-4 共阴二极管接法电路拓扑 倍流整流器的具体工作波形参照图1-5 中的符号，在图1-6中示出。由波形可以看出： 图

19、1-5 倍流整流器标注符号图 图1-6 倍流整流器的工作波形 高频变压器副边平均输送电流仅为输出负载电流的一半。 滤波电感平均输送电流仅为输出负载电流的一半,输出负载电流由两个电感同时分担，每个滤波电感的工作频率等于高频变压器工作频率。 当一个电感在高频变压器副边的电压驱动下通过副边输送一半负载电流时，另一个电感也输送着相对于输出负载电流相同方向的另一半续流电流，且此续流电流不通过副边绕组。由于此续流电流仅为输出负载电流的一半，当变压器副边电压再次改变极性时，此续流二极管的反向恢复尖峰电流较小。两个二极管上的续流电流在死区期间是均衡分布的。 倍流整流器应用具有如下的一些特点： 倍流整流器正常工

20、作条件： a.无效整流纯电感回路的工作抑制条件： （1-1） 其中L 为L1 或L2 , 为开关频率f 的2倍,即=2f。 b.要有足够大的电感值,以保证电感纹波电流起伏波动值不大。同时两个滤波电感中的电流要均等变化。 . 倍流整流器拓扑的优缺点： 优点： a. 高频变压器的副边仅需单一绕组，不需要变压器中心抽头，而且变压器仅需输送近似一半的输出负载电流，使得变压器的设计趋于简单。 b. 在开关死区时，副边输出（电感）电流基本上不通过高频变压器的副边绕组续流。而且不会影响原边性能，包括对占空比变化的影响。 c. 具有两种等效的电路拓扑结构可供选择。 共阳二极管接法特别适合于VDMOS 的同步整流应用场合,将两个二极管替换为VDMOS,而它们正好是共源极连接,很适合用在高频主变压器上的辅助带中心抽头绕组来同步驱动，如图1-7所示。图1-7 采用VDMOS 同步整流的倍流整流器电路 d. 输出滤波电感可以做得较小,较适合于分布式功率耗散。 缺点： a. 需要两个输出电感（比全波及桥式整流多用一个电感）。 b. 需要采用电流模式控制来保证两个滤波电感中的电流均等。 c. 在副边侧，存在一个不通过输出负载的无效整流电感回路。因此倍流整流器存在一个正常工作条件（）。2.1.3 改进型移相全桥ZVS DC-DC 变换器主电路 以下我们来研究一下改变整流电路后变换器主电路的工作状况有什么不同