微网逆变器及电能质量治理综合装置――dcdc升压电路(附件)
上世纪60年代开始起步的PWM功率变换技术出现了很大的发展，但由于其通常采用调频稳压控制方式，使得软开关的范围受到限制，且其设计复杂，不利于输出滤波器的优化设计。本文介绍了由UC3875构成的相移式PWM控制器的工作原理，并在此基础之上进一步设计了由UC3875构成的全桥移相零电压开关（ZVS）PWM开关电源。该电路能以隔离方式驱动功率MOSFET，从而提高了电路的稳定性；由于采用了ZVS技术使电路在高频情况下能够大大减小开关损耗，提高了整个电路的工作效率。阐述了零电压开关技术(ZVS)在移相全桥变换器电路中的应用。分析了电路原理和各工作模态，着重分析了开关管的零电压开通和关断的过程实现条件，并且提出了相关的应用领域和今后的发展方向。本文选择了全桥移相控制ZVS-PWM谐振电路拓扑，阐述了零电压开关技术(ZVS)在移相全桥变换器电路中的应用。分析了电路原理和各工作模态。关键词 零电压开关技术，全桥移相控制，谐振变换器目 录
目 录 1
1 绪论 1
1．1 课题研究背景 1
1．2 课题研究意义 1
1．3 微电网概述 1
1．4 本文主要研究的内容 3
2 变换器的发展现状与前景分析 3
2．1 基本全桥变换器 3
2．2 硬开关式全桥变换器 5
2．3 谐振式全桥变换器 5
2．4 移相式全桥变换器 6
2．5 软开关变换器 7
3移相全桥软开关变换器工作原理 7
3．1移相全桥PWM变换器 7
4软开关DC/DC变换器的设计 15
4．1 系统设计要求 15
4．2 系统总体结构框图 16
4．3 主电路拓扑的选择 16
4．4 高频变压器的设计 17
4．5 开关管的选择 19
4．6 输出滤波电路的设计 20
4．7 控制电路的设计 20
4．8驱动电路 24
4．9 保护电路的设计 25
5 仿真设计 27
5．1 主电路仿真 27
5
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4．3 主电路拓扑的选择 16
4．4 高频变压器的设计 17
4．5 开关管的选择 19
4．6 输出滤波电路的设计 20
4．7 控制电路的设计 20
4．8驱动电路 24
4．9 保护电路的设计 25
5 仿真设计 27
5．1 主电路仿真 27
5．2 仿真结果与分析 28
5．3 本章小节 31
附录A：全桥移相开关电源电路图 35
附录B：UC3875PWM移相控制电路图 36
1 绪论
1．1 课题研究背景
为了使能源供给与能源需求不平衡的问题得到缓解，世界上各个国家都加快发展新能源，特别是清洁和可再生能源的利用研究。清洁能源也可同时改善我们生活的环境，有很大的研究意义。近些年以来，一种发电技术很大程度上受到大家的关注，它就是分布式发电[1~2]。尽管它的优点很多，但它也存在许多的缺点，就是在分布式电源开始使用的时候，它们将会产生巨大的干扰并且会干扰到大电网的运行。为了解决这个问题，研究学者们提出了一个新结构，这就是微电网结构，它一直是专家学者研究的热点[3]。
1．2 课题研究意义
在大电网运行的时候，会接入一个关键设备，它就是微电网逆变器。微电网逆变器是作为分布式电源接入进大电网中，并且起到非常重要的作用，因为它的可靠性和稳定性可以直接影响到整个电网系统的安全性。而分布式电源发电的时候就会向微网中注入大量谐波。这些谐波都是高次谐波，它会使电网中的电压和电流变得不稳定，具体表现就是大电网中的波形会发生畸变，影响到电能的质量。除此之外，它还会造成电路中线路的损耗也会得到增加，设备的稳定性也会降低等问题。而本课题所研究的微电网逆变器就可以抑制上述问题，能够提高大电网的安全性和可靠性，非常有实用意义。
1．3 微电网概述
微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制，其中功率半导体器件和软开关技术促进了其内部电源的发展。
DC/DC变换器作为开关电源中的重要组成部分，其质量好坏对微电网有着重要的影响，例如效率较低，输出不稳定的变换器直接会影响到整个开关电源的性能，从而导致系统的稳定性降低。
1.3.1 功率半导体器件
功率半导体器件在刚被提出的时候，还只是单极性器件，后来发展为双极性器件，晶闸管的出现更是大大加快了它的发展，同时也快速的推动了开关电源的发展，因为在开关电源中，该器件是非常重要的组成部分，它的好坏对开关电源的性能有着极大的影响[4~6]。在功率半导体器件中，有一种开关速度极快也能够实现自关断的开关管，就是功率MOSFET管，因其能够快速的实现开通与关断让高频化的开关电源有了实现的可能。
1.3.2 软开关技术的出现
目前的功率半导体元器件可以工作在更高的开关频率，在工作频率升高的同时，对其制作工艺极其材料的要求也更高了[7]。当开关频率升高到一定程度的时候，传统的DC/DC变换器就无法正常工作，因为当开关频率很高时，开关管开通与关断时所承受的电压与电流应力也相应提高，产生了很大的开关损耗，在开关频率比较低时可以忽略不计，但现在因损耗的加大会影响负载电流与电压，也会影响电路的稳定性与安全性，同时也会造成很强的电磁干扰（EMI）[8]，影响电路的正常使用。
为了使上述问题得到解决，研究学者们提出了一项新技术，那就是软开关技术。当电路工作在高频状态时，使用软开关技术可以解决DC/DC变换器在硬开关工作情况下产生的诸多问题，因此软开关的使用越来越普遍[9]。当软开关技术刚被提出的时候，还并不够完善，是通过谐振变换器实现开关管在零电流或零电压时关断的，此方式需要通过频率调制来控制[10~11]。后来，为了让软开关技术的控制方式得到改善，研究学者们提出了一种同时具有软开关功能也能实现PWM控制的软开关技术，就是ZVS-PWM变换器和ZCS-PWM变换器[12]。
当在硬开关工作条件下时，开关管的关断与开通会产生开通损耗与关断损耗，这两种损耗合称为开关损耗，开关损耗实质上是开关管的电压和电流并没有同时产生和消失，他们有一个重叠部分，那就是开关损耗。由于开关频率的提高，在同一个时间内，这个损耗就会更多。
（a）硬开关的开通过程 （b）硬开关的关断过程
图1.1 软开关工作过程：
从上述图中可知，当开关频率工作在比以前更高的时候，其损耗也会比以前更多，所以软开关技术就被提出了。
电路在谐振中的时候，有电压过零或电流过零的特点，软开关技术就是很巧妙的利用了这个特点，当电压过零或电流过零的时候，通过控制开关管的信号使开关管开通或关断，就可以实现软开关。
（a）软开关的开通过程 （b）软开关的关断过程
图1.2 软开关工作过程：
1．4 本文主要研究的内容
在开始研究本课题的时候，可以通过大量的文献收集与解析，确定本次设计中的整体的思路。本课题中要求输入电压为直流24V；输出电压为直流400V；具有保护
目 录 1
1 绪论 1
1．1 课题研究背景 1
1．2 课题研究意义 1
1．3 微电网概述 1
1．4 本文主要研究的内容 3
2 变换器的发展现状与前景分析 3
2．1 基本全桥变换器 3
2．2 硬开关式全桥变换器 5
2．3 谐振式全桥变换器 5
2．4 移相式全桥变换器 6
2．5 软开关变换器 7
3移相全桥软开关变换器工作原理 7
3．1移相全桥PWM变换器 7
4软开关DC/DC变换器的设计 15
4．1 系统设计要求 15
4．2 系统总体结构框图 16
4．3 主电路拓扑的选择 16
4．4 高频变压器的设计 17
4．5 开关管的选择 19
4．6 输出滤波电路的设计 20
4．7 控制电路的设计 20
4．8驱动电路 24
4．9 保护电路的设计 25
5 仿真设计 27
5．1 主电路仿真 27
5
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
4．3 主电路拓扑的选择 16
4．4 高频变压器的设计 17
4．5 开关管的选择 19
4．6 输出滤波电路的设计 20
4．7 控制电路的设计 20
4．8驱动电路 24
4．9 保护电路的设计 25
5 仿真设计 27
5．1 主电路仿真 27
5．2 仿真结果与分析 28
5．3 本章小节 31
附录A：全桥移相开关电源电路图 35
附录B：UC3875PWM移相控制电路图 36
1 绪论
1．1 课题研究背景
为了使能源供给与能源需求不平衡的问题得到缓解，世界上各个国家都加快发展新能源，特别是清洁和可再生能源的利用研究。清洁能源也可同时改善我们生活的环境，有很大的研究意义。近些年以来，一种发电技术很大程度上受到大家的关注，它就是分布式发电[1~2]。尽管它的优点很多，但它也存在许多的缺点，就是在分布式电源开始使用的时候，它们将会产生巨大的干扰并且会干扰到大电网的运行。为了解决这个问题，研究学者们提出了一个新结构，这就是微电网结构，它一直是专家学者研究的热点[3]。
1．2 课题研究意义
在大电网运行的时候，会接入一个关键设备，它就是微电网逆变器。微电网逆变器是作为分布式电源接入进大电网中，并且起到非常重要的作用，因为它的可靠性和稳定性可以直接影响到整个电网系统的安全性。而分布式电源发电的时候就会向微网中注入大量谐波。这些谐波都是高次谐波，它会使电网中的电压和电流变得不稳定，具体表现就是大电网中的波形会发生畸变，影响到电能的质量。除此之外，它还会造成电路中线路的损耗也会得到增加，设备的稳定性也会降低等问题。而本课题所研究的微电网逆变器就可以抑制上述问题，能够提高大电网的安全性和可靠性，非常有实用意义。
1．3 微电网概述
微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制，其中功率半导体器件和软开关技术促进了其内部电源的发展。
DC/DC变换器作为开关电源中的重要组成部分，其质量好坏对微电网有着重要的影响，例如效率较低，输出不稳定的变换器直接会影响到整个开关电源的性能，从而导致系统的稳定性降低。
1.3.1 功率半导体器件
功率半导体器件在刚被提出的时候，还只是单极性器件，后来发展为双极性器件，晶闸管的出现更是大大加快了它的发展，同时也快速的推动了开关电源的发展，因为在开关电源中，该器件是非常重要的组成部分，它的好坏对开关电源的性能有着极大的影响[4~6]。在功率半导体器件中，有一种开关速度极快也能够实现自关断的开关管，就是功率MOSFET管，因其能够快速的实现开通与关断让高频化的开关电源有了实现的可能。
1.3.2 软开关技术的出现
目前的功率半导体元器件可以工作在更高的开关频率，在工作频率升高的同时，对其制作工艺极其材料的要求也更高了[7]。当开关频率升高到一定程度的时候，传统的DC/DC变换器就无法正常工作，因为当开关频率很高时，开关管开通与关断时所承受的电压与电流应力也相应提高，产生了很大的开关损耗，在开关频率比较低时可以忽略不计，但现在因损耗的加大会影响负载电流与电压，也会影响电路的稳定性与安全性，同时也会造成很强的电磁干扰（EMI）[8]，影响电路的正常使用。
为了使上述问题得到解决，研究学者们提出了一项新技术，那就是软开关技术。当电路工作在高频状态时，使用软开关技术可以解决DC/DC变换器在硬开关工作情况下产生的诸多问题，因此软开关的使用越来越普遍[9]。当软开关技术刚被提出的时候，还并不够完善，是通过谐振变换器实现开关管在零电流或零电压时关断的，此方式需要通过频率调制来控制[10~11]。后来，为了让软开关技术的控制方式得到改善，研究学者们提出了一种同时具有软开关功能也能实现PWM控制的软开关技术，就是ZVS-PWM变换器和ZCS-PWM变换器[12]。
当在硬开关工作条件下时，开关管的关断与开通会产生开通损耗与关断损耗，这两种损耗合称为开关损耗，开关损耗实质上是开关管的电压和电流并没有同时产生和消失，他们有一个重叠部分，那就是开关损耗。由于开关频率的提高，在同一个时间内，这个损耗就会更多。
（a）硬开关的开通过程 （b）硬开关的关断过程
图1.1 软开关工作过程：
从上述图中可知，当开关频率工作在比以前更高的时候，其损耗也会比以前更多，所以软开关技术就被提出了。
电路在谐振中的时候，有电压过零或电流过零的特点，软开关技术就是很巧妙的利用了这个特点，当电压过零或电流过零的时候，通过控制开关管的信号使开关管开通或关断，就可以实现软开关。
（a）软开关的开通过程 （b）软开关的关断过程
图1.2 软开关工作过程：
1．4 本文主要研究的内容
在开始研究本课题的时候，可以通过大量的文献收集与解析，确定本次设计中的整体的思路。本课题中要求输入电压为直流24V；输出电压为直流400V；具有保护
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