移相式pwm直流电源的设计(附件)
近年以来，随着电子、通讯等行业不断快速发展，对开关电源的要求也越来越严格。在诸多领域中，体积小、耗能低、高效率的逆变电源逐渐取代传统线性电源。高效逆变电源的未来发展方向：高频化、高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性、高智能化。本文介绍了移相谐振控制器UC3875 的电气特性与基本功能, 并着重讲解了DC/DC变换器的工作原理和工作过程，详细分析了以UC3875 作为控制核心设计移相式ZVS PWM 软开关直流电源, 并运用Matlab 进行了仿真, 给出了该电源控制电路、主电路基本电路拓扑, 列出了相关参数的仿真波形与实验波形。最后，将硬件电路的测试数据与仿真模型的理论数据进行对比，得到本课题的正确结果。
关键词 移相全桥ZVS-PWM变换器，Simulink仿真，UC3875芯片
目 录
1 绪论 1
1．1 课题研究的目的 1
1．2 课题研究的背景和意义 1
1．3 本课题研究的内容 2
2 移相式DC电源的原理分析 2
2．1 原理分析 2
2．2 仿真与验证 10
3 移相式DC电源设计 12
3．1 技术指标 12
3．2 总体设计 12
3．3 功率电路设计 13
4 控制电路 17
4．1 UC3875外围电路的设计 17
5 检测电路及保护电路 20
5．1 电压电流检测电路 20
5．2 保护电路 22
6 调试过程 23
总结 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论
随着社会的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
不断发展与进步，电能已成为人类社会发展的基石，与社会生活的各个方面紧密相连。这样也促使人类解决许许多多有关电能的重大问题，例如如何合理分配电能，如何高效率地利用电能，如何在故障情况下准备定位故障并实现自动检测等等。在这一过程中，电力电子技术的产生，很大程度上改变了电能的使用与分配方式。在当代电源技术中，电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和电磁技术等技术[1]在其中的综合运用十分广泛。准确的来说，要想使得电源获得高质量、高效率、高可靠性等性能，就必须采用现代电力电子技术。
随着电子、通信等技术的不断进步，对电源的各方面性能要求也非常严格。因此，高效逆变电源不断朝着轻、小、薄、高效率[2]方向发展，并被广泛应用于家用电器、计算机、通信和自动控制等设备中。逆变电源一般采用晶闸管等半导体器件作为开关器件，通过控制其占空比达到控制输出电压目的。与传统的线性电源相比，高效逆变电源具备轻、小、薄、低耗能、高效率等优点，因而可以逐渐取代线性电源[3]。
1．1 课题研究的目的
逆变电源在工业场合得到了较多的应用，针对逆变电路的设计，本课题以三相逆变电源的控制电路设计为重点，以集成PWM芯片作为主要控制芯片实现对逆变电源的PWM控制，本课题同时对逆变电源的主电路进行初步设计，完成逆变电源的实验样机的制作。通过本课题的学习，学生需掌握逆变电源的分析方法、逆变电源中的PWM控制技术、Protel软件及其如何绘制电路原理图、PCB图的绘制，以及构建实验样机，最后并进行实验与分析。
1．2 课题研究的背景和意义
国外的PWM逆变电源技术开始于20世纪70—80年代，在上世纪80年代进入我国后，高效率逆变器涌入中国的电信和电力行业领域，发展迅速，市场潜力巨大。高效逆变电源又可以称得上是绿色能源[3]，原因是其轻、小、薄，节约了大量的有色金属，同时其转换效率一般高于传统电源10%以上。目前，通讯行业已大规模使用高效逆变电源集成系统，淘汰了传统的大而笨重的相控电源。最近几年，高效逆变电源随着农网改造的不断深入而不断发展，不断涌现出新技术、新产品。而在一些传统的工矿企业中，如电解、冶炼等诸多领域，就目前情况来说，还是硅整流相控电源[3]占主导地位。随着中国产业结构的不断升级与转型，高效逆变电源终将取代传统电源，这也将会成为电源领域中的一项重要革命。
21世纪以来，对电源的要求也越来越严格，其三大基本要求[4]是:可靠性高、效率高、电磁干扰低。经过20多年的发展，传统工频硅整流技术已被淘汰，高效逆变电源在各行各业中不断革新发展，如今开始进入高频时期。在高频化的过程中，有两个阶段：初期阶段，即硬开关PWM阶段；第二阶段，即软开关PWM阶段。
目前，高频化、高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性、高智能化[3]是高效逆变电源的未来发展方向。在我国电源研制的起步晚，整体落后于世界步伐，其发展大致历程：先引进技术；后合资生产；再自主研发。从时间划分，上世纪80年代左右，开始引进技术并联合生产，如广州珠江电信设备制造有限公司、挪威亿达，依利安达集团的合作与发展。这些历程，都对我国的电源的研制、开发、生产等等起了一定的促进作用。因为高效逆变电源的市场前景好、产品附加值高，所以国内不少的科学院、商家投入大量的物力、人力、财力，不断对高效逆变电源进行优化升级，以获得高性能，让其世界市场中占有了一席之地。
1．3 本课题研究的内容
通过大量的文献收集与解析，文章对ZVS-PWM控制系统进行了分析与设计，从理论上剖析了逆变电源的电路，其中包括主电路和控制电路。控制电路主要以UC3875控制芯片为核心，从而实现了逆变电源的闭环控制。根据设计要求，给出合理的设计方案，对逆变电源的电路进行策划与调试。在上述实验基础上构造了实验仿真系统，对控制过程进行了仿真与研究，得到相应的控制波形，进而进行了相关原理的验证。用MATLAB软件对逆变电源系统进行的仿真，可以得到精确的仿真结果和系统分析。
2 移相式DC电源的原理分析
2．1 原理分析
一、移相全桥ZVS PWM变换器的电路原理图
原理图如图2.1所示，输入直流电压Udc，选择的功率开关器件N沟道MOSFET，分别为VT1、VT2、VT3、VT4，VDl、VD2、VD3、VD4为采用的反馈二极管，输出电容为C1、C2、C3、C4，漏电感为Lr。负载两端的电压由变压器二次侧电压通过带阻感负载的桥式整流电路来提供。实现零电压开通（ZVS）条件工作原理[5][6]：正常情况下，该器件启动时，开关管两端承受很大的电压，不利于导通；并联电容后，变压器漏感Lr与电容发生串联谐振，相当于一根导线，漏感储能，电容释放能量。这样可以让开关管承受的电压降为零，有利于其安全导通。
图2.1 移相控制全桥ZVS PWM变换器主电路原理图
图2.2中，(UG1、UG2、UG3、UG4)为驱动信号，通过加在开关管的栅极，来控制其导通还是关断。也就是说，可以通过对驱动信号的占空比进行调节，就可以控制输出电压的大小。这就是所谓的移相式控制技术[5]：通过调节导通角α来控制输出电压大小。
如下图所示，驱动电压UG1和驱动电压UG2的相位相反，由它们驱动导通的开关管VT1和VT2构成超前桥臂，△t1 为二者死区时间之差。驱动电压UG3和驱动电压UG2的相位相反，由它们驱动导通的开关管VT3和VT4构成超前滞后桥臂，△t2 为二者死区时间之差[6]。根据图可以看出，全桥电路中的四个开关管中，VT1驱动电压UG1超前VT4的驱动电压UG4一个相位(移相角α)，VT2驱动电压也超前VT3的驱动电压一个相位(α)。
（2.1）
1 绪论 1
1．1 课题研究的目的 1
1．2 课题研究的背景和意义 1
1．3 本课题研究的内容 2
2 移相式DC电源的原理分析 2
2．1 原理分析 2
2．2 仿真与验证 10
3 移相式DC电源设计 12
3．1 技术指标 12
3．2 总体设计 12
3．3 功率电路设计 13
4 控制电路 17
4．1 UC3875外围电路的设计 17
5 检测电路及保护电路 20
5．1 电压电流检测电路 20
5．2 保护电路 22
6 调试过程 23
总结 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论
随着社会的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
不断发展与进步，电能已成为人类社会发展的基石，与社会生活的各个方面紧密相连。这样也促使人类解决许许多多有关电能的重大问题，例如如何合理分配电能，如何高效率地利用电能，如何在故障情况下准备定位故障并实现自动检测等等。在这一过程中，电力电子技术的产生，很大程度上改变了电能的使用与分配方式。在当代电源技术中，电力电子技术、自动控制技术、计算机技术和电磁技术等技术[1]在其中的综合运用十分广泛。准确的来说，要想使得电源获得高质量、高效率、高可靠性等性能，就必须采用现代电力电子技术。
随着电子、通信等技术的不断进步，对电源的各方面性能要求也非常严格。因此，高效逆变电源不断朝着轻、小、薄、高效率[2]方向发展，并被广泛应用于家用电器、计算机、通信和自动控制等设备中。逆变电源一般采用晶闸管等半导体器件作为开关器件，通过控制其占空比达到控制输出电压目的。与传统的线性电源相比，高效逆变电源具备轻、小、薄、低耗能、高效率等优点，因而可以逐渐取代线性电源[3]。
1．1 课题研究的目的
逆变电源在工业场合得到了较多的应用，针对逆变电路的设计，本课题以三相逆变电源的控制电路设计为重点，以集成PWM芯片作为主要控制芯片实现对逆变电源的PWM控制，本课题同时对逆变电源的主电路进行初步设计，完成逆变电源的实验样机的制作。通过本课题的学习，学生需掌握逆变电源的分析方法、逆变电源中的PWM控制技术、Protel软件及其如何绘制电路原理图、PCB图的绘制，以及构建实验样机，最后并进行实验与分析。
1．2 课题研究的背景和意义
国外的PWM逆变电源技术开始于20世纪70—80年代，在上世纪80年代进入我国后，高效率逆变器涌入中国的电信和电力行业领域，发展迅速，市场潜力巨大。高效逆变电源又可以称得上是绿色能源[3]，原因是其轻、小、薄，节约了大量的有色金属，同时其转换效率一般高于传统电源10%以上。目前，通讯行业已大规模使用高效逆变电源集成系统，淘汰了传统的大而笨重的相控电源。最近几年，高效逆变电源随着农网改造的不断深入而不断发展，不断涌现出新技术、新产品。而在一些传统的工矿企业中，如电解、冶炼等诸多领域，就目前情况来说，还是硅整流相控电源[3]占主导地位。随着中国产业结构的不断升级与转型，高效逆变电源终将取代传统电源，这也将会成为电源领域中的一项重要革命。
21世纪以来，对电源的要求也越来越严格，其三大基本要求[4]是:可靠性高、效率高、电磁干扰低。经过20多年的发展，传统工频硅整流技术已被淘汰，高效逆变电源在各行各业中不断革新发展，如今开始进入高频时期。在高频化的过程中，有两个阶段：初期阶段，即硬开关PWM阶段；第二阶段，即软开关PWM阶段。
目前，高频化、高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性、高智能化[3]是高效逆变电源的未来发展方向。在我国电源研制的起步晚，整体落后于世界步伐，其发展大致历程：先引进技术；后合资生产；再自主研发。从时间划分，上世纪80年代左右，开始引进技术并联合生产，如广州珠江电信设备制造有限公司、挪威亿达，依利安达集团的合作与发展。这些历程，都对我国的电源的研制、开发、生产等等起了一定的促进作用。因为高效逆变电源的市场前景好、产品附加值高，所以国内不少的科学院、商家投入大量的物力、人力、财力，不断对高效逆变电源进行优化升级，以获得高性能，让其世界市场中占有了一席之地。
1．3 本课题研究的内容
通过大量的文献收集与解析，文章对ZVS-PWM控制系统进行了分析与设计，从理论上剖析了逆变电源的电路，其中包括主电路和控制电路。控制电路主要以UC3875控制芯片为核心，从而实现了逆变电源的闭环控制。根据设计要求，给出合理的设计方案，对逆变电源的电路进行策划与调试。在上述实验基础上构造了实验仿真系统，对控制过程进行了仿真与研究，得到相应的控制波形，进而进行了相关原理的验证。用MATLAB软件对逆变电源系统进行的仿真，可以得到精确的仿真结果和系统分析。
2 移相式DC电源的原理分析
2．1 原理分析
一、移相全桥ZVS PWM变换器的电路原理图
原理图如图2.1所示，输入直流电压Udc，选择的功率开关器件N沟道MOSFET，分别为VT1、VT2、VT3、VT4，VDl、VD2、VD3、VD4为采用的反馈二极管，输出电容为C1、C2、C3、C4，漏电感为Lr。负载两端的电压由变压器二次侧电压通过带阻感负载的桥式整流电路来提供。实现零电压开通（ZVS）条件工作原理[5][6]：正常情况下，该器件启动时，开关管两端承受很大的电压，不利于导通；并联电容后，变压器漏感Lr与电容发生串联谐振，相当于一根导线，漏感储能，电容释放能量。这样可以让开关管承受的电压降为零，有利于其安全导通。
图2.1 移相控制全桥ZVS PWM变换器主电路原理图
图2.2中，(UG1、UG2、UG3、UG4)为驱动信号，通过加在开关管的栅极，来控制其导通还是关断。也就是说，可以通过对驱动信号的占空比进行调节，就可以控制输出电压的大小。这就是所谓的移相式控制技术[5]：通过调节导通角α来控制输出电压大小。
如下图所示，驱动电压UG1和驱动电压UG2的相位相反，由它们驱动导通的开关管VT1和VT2构成超前桥臂，△t1 为二者死区时间之差。驱动电压UG3和驱动电压UG2的相位相反，由它们驱动导通的开关管VT3和VT4构成超前滞后桥臂，△t2 为二者死区时间之差[6]。根据图可以看出，全桥电路中的四个开关管中，VT1驱动电压UG1超前VT4的驱动电压UG4一个相位(移相角α)，VT2驱动电压也超前VT3的驱动电压一个相位(α)。
（2.1）
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