微网逆变器及电能质量治理综合装置DCDC升压电路
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究课题的技术应用及其发展 1
1.3 课题主要研究内容 2
2 该课题总体设计方案 3
2.1 系统框图 3
2.2 光伏升压移相全桥DC/DC变换电路拓扑结构的选择与确定 3
2.3 控制芯片的选择 14
3 主电路参数设计 15
3.1 高频变压器的设计 15
3.2 输入滤波电容设计 17
3.3 功率开关管参数设计 17
3.4 滞后桥臂串联二极管的选择 18
3.5 超前桥臂并联电容的选择 18
3.6 阻断电容和谐振电感的设计 18
3.7 超前桥臂及滞后桥臂死区时间 19
3.8 副边整流二极管的选择 19
3.9 输出滤波电感及电容的设计 19
4 控制系统的硬件电路设计 21
4.1 UC3875简介 21
4.2 PWM控制电路设计 23
4.3 电压反馈与电流反馈电路设计 24
4.4 驱动电路设计 25
4.5 保护电路的设计 26
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录 系统硬件原理图 32
1 引言
1.1 课题背景
当今，工业文明大力发展，人们对能源的需求也越来越大。传统的化石能源已经没法再满足人们的长远需求，为了能够防止能源枯竭的局面出现，探求优质的替代能源断然成为了人们当前应该密切关注的热点问题之一[1]。而在如今21世纪，太阳能成了最有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
价值的能源形式之一；在能源技术领域中，光伏发电技术成了最热门的能源技术之一，它也是解决未来人类能源危机的重要举措之一。
太阳能与其他能源相较而言有它的优势：
(1) 太阳能是取之不尽，用之不竭的，它的成本极低，应用较为广泛；
(2) 太阳能是一种安全、无害的清洁能源，不会释放任何放射性物质；
(3) 晶体硅太阳能电池可使用20年以上即其寿命是很长；
(4) 可靠性比较高，系统运行时是适合无人值守的；
(5) 兼容性好并且通用性强，光伏发电能够搭配别的能源共同来进行利用；
(6) 储量的无限性以及存在的普遍性使得其逐渐显露出自身的经济价值所在，同时促进了开发利用技术的迅猛发展，是极为理想的替代能源[2]。
在太阳能的有效利用中，光伏发电系统也是近些年来说发展得特别迅速的，同时它也成为了极具活力和价值的研究领域。因此，在本课题中，将结合光伏发电系统，对DC/DC升压环节进行较为深入的研究，此应用前景广阔。
1.2 研究课题的技术应用及其发展
关于DC/DC升压环节方面应用到的具体技术上的发展，1955年，自激振荡推挽晶体管单变压器的直流变换器的研制成功已然成为了能够对高频转换控制电路进行实现的开端[3]。然而之后从20世纪60年代起，DC/DC功率变换技术又得到了一定的发展与应用,该技术实质上就是一种硬开关技术。等后来又到了70年代初期,这种技术在先进国家普遍被采用了。到了80年代初的时候，英国也随之运用了上述的原理,最终顺利地开发出了第一套完备的48V成套电源,即开关电源或者开关整流器。开关电源的相关技术在不断地向前发展。
近些年来,为了能够减小开关变换器的体积与重量,提高与改进它的功率密度、动态响应以及开关频率,因此高频化便成了一种趋势。然而高频化还会随之产生不少的新问题:首先,开关损耗及无源元件的损耗将可以由此而增大；其次,还会增大高频寄生参数影响以及高频电磁干扰问题的持续严重化[4]。所以,采用了软开关技术之后从而会使得损耗得到减小的,而且还能提高其工作效率的,这种技术包括了无源无损软开关技术，有源软开关技术等。
开关电源的一系列相关技术都处在迅速发展的阶段并且往小型化和轻量化方向持续不断地发展着,所以，高频化便而成为了开关电源的主要发展方向之一。在一定的范围之内,提高它的开关频率,不仅仅可以有助于电容、电感及变压器尺寸的减小,并且还能够有助于抑止干扰及改善电源系统的动态性能[5]。开关电源有一个缺点就是产生的电磁干扰较大。然而，软开关技术应用,不仅能够提高频率,也能够降低噪声,达到较好的动态性能。这一系列发展的技术能够对微网电能质量进行治理，提高微网供电质量，降低损耗，从而提高微网运行的安全性、可靠性。
1.3 课题主要研究内容
1.3.1 研究目的及意义
该课题的研究对象不仅具备分布式电源功能，向微网供电，也可对微网电能质量进行治理，提高微网供电质量，提高微网运行的安全性、可靠性，一机多功能，目前市场上的产品只具备逆变电源功能。
DC-DC升压电路属于一种直流升压的开关电路，其能够实现输出电压比输入电压高的这个功能。微网中分布式电源发电时经过逆变器接入电网时要经DC-AC而产生方波，再通过高频脉宽调制信号进而能够来对开关管实现控制，再把直流加至开关变压器的初级，从而进行隔离升压。开关变压器的次级在它感应出了高频电压之后，再经过整流即AC-DC的过程，又接着进行滤波的过程，从而最后供给负载。因为整流器本身是很严重的一个谐波源，此外，微网中的非线性负荷和那些电力电子器件以及开关电源等的大量使用都会向微网中注入大量谐波，这些谐波不仅会造成其他电气设备不能正常运行，而且还会使继电保护装置误动作，从而能够实现降低微网的安全可靠性。所以，我们需接入滤波器进行减弱或消除谐波，并且运用控制集成芯片结合全桥电路对此逆变器进行控制，从而实现boost电路变换。
1.3.2 课题的研究内容及设计要求
(1) 从项目的具体要求出发，研究确定整个DC/DC升压电路的设计方案，从而有设计指标为：
① 输入直流电压：48V±10%；
② 输出直流电压：400V±5%；
③ 隔离输出；
④ 功率电路运行可靠；
⑤ 控制电路抗干扰能力强，双闭环控制；
⑥ 辅助功能：过流，过压等保护。
(2) 研究DC-DC升压变换器功率电路，要对整个系统进行仿真分析，对理论设计相应地进行修正，最终保证系统的设计可行，各方面基本满足设计的要求。
(3) 完成电路硬件设计与调试，并要求设计完善的硬件保护电路，实现硬件上系统的成功运行。
2 该课题总体设计方案
2.1 系统框图
方波 400V(DC)
图2.1 原理框图
图2.3 移相式ZVZCS PWM全桥变换主电路结构
0 ωt
T4 T3 T4
图2.6 硬开关与软开关过程的对比
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究课题的技术应用及其发展 1
1.3 课题主要研究内容 2
2 该课题总体设计方案 3
2.1 系统框图 3
2.2 光伏升压移相全桥DC/DC变换电路拓扑结构的选择与确定 3
2.3 控制芯片的选择 14
3 主电路参数设计 15
3.1 高频变压器的设计 15
3.2 输入滤波电容设计 17
3.3 功率开关管参数设计 17
3.4 滞后桥臂串联二极管的选择 18
3.5 超前桥臂并联电容的选择 18
3.6 阻断电容和谐振电感的设计 18
3.7 超前桥臂及滞后桥臂死区时间 19
3.8 副边整流二极管的选择 19
3.9 输出滤波电感及电容的设计 19
4 控制系统的硬件电路设计 21
4.1 UC3875简介 21
4.2 PWM控制电路设计 23
4.3 电压反馈与电流反馈电路设计 24
4.4 驱动电路设计 25
4.5 保护电路的设计 26
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录 系统硬件原理图 32
1 引言
1.1 课题背景
当今，工业文明大力发展，人们对能源的需求也越来越大。传统的化石能源已经没法再满足人们的长远需求，为了能够防止能源枯竭的局面出现，探求优质的替代能源断然成为了人们当前应该密切关注的热点问题之一[1]。而在如今21世纪，太阳能成了最有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
价值的能源形式之一；在能源技术领域中，光伏发电技术成了最热门的能源技术之一，它也是解决未来人类能源危机的重要举措之一。
太阳能与其他能源相较而言有它的优势：
(1) 太阳能是取之不尽，用之不竭的，它的成本极低，应用较为广泛；
(2) 太阳能是一种安全、无害的清洁能源，不会释放任何放射性物质；
(3) 晶体硅太阳能电池可使用20年以上即其寿命是很长；
(4) 可靠性比较高，系统运行时是适合无人值守的；
(5) 兼容性好并且通用性强，光伏发电能够搭配别的能源共同来进行利用；
(6) 储量的无限性以及存在的普遍性使得其逐渐显露出自身的经济价值所在，同时促进了开发利用技术的迅猛发展，是极为理想的替代能源[2]。
在太阳能的有效利用中，光伏发电系统也是近些年来说发展得特别迅速的，同时它也成为了极具活力和价值的研究领域。因此，在本课题中，将结合光伏发电系统，对DC/DC升压环节进行较为深入的研究，此应用前景广阔。
1.2 研究课题的技术应用及其发展
关于DC/DC升压环节方面应用到的具体技术上的发展，1955年，自激振荡推挽晶体管单变压器的直流变换器的研制成功已然成为了能够对高频转换控制电路进行实现的开端[3]。然而之后从20世纪60年代起，DC/DC功率变换技术又得到了一定的发展与应用,该技术实质上就是一种硬开关技术。等后来又到了70年代初期,这种技术在先进国家普遍被采用了。到了80年代初的时候，英国也随之运用了上述的原理,最终顺利地开发出了第一套完备的48V成套电源,即开关电源或者开关整流器。开关电源的相关技术在不断地向前发展。
近些年来,为了能够减小开关变换器的体积与重量,提高与改进它的功率密度、动态响应以及开关频率,因此高频化便成了一种趋势。然而高频化还会随之产生不少的新问题:首先,开关损耗及无源元件的损耗将可以由此而增大；其次,还会增大高频寄生参数影响以及高频电磁干扰问题的持续严重化[4]。所以,采用了软开关技术之后从而会使得损耗得到减小的,而且还能提高其工作效率的,这种技术包括了无源无损软开关技术，有源软开关技术等。
开关电源的一系列相关技术都处在迅速发展的阶段并且往小型化和轻量化方向持续不断地发展着,所以，高频化便而成为了开关电源的主要发展方向之一。在一定的范围之内,提高它的开关频率,不仅仅可以有助于电容、电感及变压器尺寸的减小,并且还能够有助于抑止干扰及改善电源系统的动态性能[5]。开关电源有一个缺点就是产生的电磁干扰较大。然而，软开关技术应用,不仅能够提高频率,也能够降低噪声,达到较好的动态性能。这一系列发展的技术能够对微网电能质量进行治理，提高微网供电质量，降低损耗，从而提高微网运行的安全性、可靠性。
1.3 课题主要研究内容
1.3.1 研究目的及意义
该课题的研究对象不仅具备分布式电源功能，向微网供电，也可对微网电能质量进行治理，提高微网供电质量，提高微网运行的安全性、可靠性，一机多功能，目前市场上的产品只具备逆变电源功能。
DC-DC升压电路属于一种直流升压的开关电路，其能够实现输出电压比输入电压高的这个功能。微网中分布式电源发电时经过逆变器接入电网时要经DC-AC而产生方波，再通过高频脉宽调制信号进而能够来对开关管实现控制，再把直流加至开关变压器的初级，从而进行隔离升压。开关变压器的次级在它感应出了高频电压之后，再经过整流即AC-DC的过程，又接着进行滤波的过程，从而最后供给负载。因为整流器本身是很严重的一个谐波源，此外，微网中的非线性负荷和那些电力电子器件以及开关电源等的大量使用都会向微网中注入大量谐波，这些谐波不仅会造成其他电气设备不能正常运行，而且还会使继电保护装置误动作，从而能够实现降低微网的安全可靠性。所以，我们需接入滤波器进行减弱或消除谐波，并且运用控制集成芯片结合全桥电路对此逆变器进行控制，从而实现boost电路变换。
1.3.2 课题的研究内容及设计要求
(1) 从项目的具体要求出发，研究确定整个DC/DC升压电路的设计方案，从而有设计指标为：
① 输入直流电压：48V±10%；
② 输出直流电压：400V±5%；
③ 隔离输出；
④ 功率电路运行可靠；
⑤ 控制电路抗干扰能力强，双闭环控制；
⑥ 辅助功能：过流，过压等保护。
(2) 研究DC-DC升压变换器功率电路，要对整个系统进行仿真分析，对理论设计相应地进行修正，最终保证系统的设计可行，各方面基本满足设计的要求。
(3) 完成电路硬件设计与调试，并要求设计完善的硬件保护电路，实现硬件上系统的成功运行。
2 该课题总体设计方案
2.1 系统框图
方波 400V(DC)
图2.1 原理框图
图2.3 移相式ZVZCS PWM全桥变换主电路结构
0 ωt
T4 T3 T4
图2.6 硬开关与软开关过程的对比
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