移相PWM控制直流变换器的研究的研究
移相PWM控制直流变换器的研究的研究[20200102174039]
近20年来，随着功率开关器件的发展，DC-DC变换器的拓扑和变换技术取得了很大的成就，本文对DC-DC变换器中的主要技术——移相PWM技术进行了介绍。本课题以移相PWM直流变换器控制电路设计为重点。集成PWM芯片UC3875作为主要控制芯片，以实现对逆变电源的PWM控制。本电源选用移相控制全桥零电压开关变换器作为DC/DC变换电路，文中研究了移相全桥零电压PWM DC/DC变换器的工作原理，利用MATLAB /Simulink建立其仿真模型，并以此为基础建立逆变电源的仿真电路。最后，使用移相控制芯片UC3875设计了移相控制电路，介绍了驱动电路的相关设计，完成了硬件电路的设计与调试。本文对移相PWM直流变换的工作原理和参数设计进行了分析，实验结果验证了该系统的有效性。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:直流变换,移相PWM,全桥,UC3875
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 课题研究的目的 2
1.3 本课题研究的内容和要求 2
1.4 论文主要内容 2
2 整体方案分析与选择 2
2.1 数据要求 2
2.2 体统整体结构 2
2.3 PWM DC/DC变换器主电路设计方案 3
2.4 驱动器件与驱动电路的选择 4
2.5 控制电路 5
3 移相全桥零电压软开关变换器主电路与仿真 5
3.1 移相PWM控制直流变换器的工作原理 5
3.2 移相全桥PWM直流变换器的工作过程分析 7
3.3 软件仿真 13
3.3.1 仿真软件简介 13
3.3.2 仿真电路结构模型 13
3.3.3 仿真模型主要参数 14
3.3.4 模型仿真及结果 14
4 控制电路与驱动 15
4.1 控制电路主芯片——UC3875 17
4.1.1 UC3875简介 17
4.1.2 UC3875的电气特点 17
4.1.3 UC3875内部结构图 18
4.2 UC3875外围参数设计 18
4.3 驱动电路 20
4.3.1 IR2110引脚介绍 20
4.3.2 IR2110内部结构图及特点 21
4.3.3 驱动电路的设计与原理 21
4.4 电压电流检测电路 22
4.5 保护电路 24
5 硬件调试 25
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 硬件电路原理图 34
1 绪论
当今社会，电力电子技术正处于快速的发展阶段，其应用愈来愈普遍，电力、电子设备的种类也愈来愈多。如今，任何电力电子设备的正常运行都离不开电源，因此，人们对于电源的性能要求愈来愈高[3]。
提高开关电源的开关频率可使其体积变小，重量减少，但会使开关损耗增加，效率降低。此外，如果只追求开关电源的高频化，电磁干扰也会因此增加。在20世纪80年代初，人们利用谐振技术设计出零电压开关电路和零电流开关电路，实现软开关的功能。20世纪80年代后期，又出现了零电压PWM技术和零电流PWM技术。该技术将ZVS(或ZCS)准谐振变换与PWM变换相结合，既能实现恒频控制，又能实现软开关的特性。这种技术就是本课题的核心技术，即移相PWM技术[4]。
移相PWM技术的使用，既可以减小开关损耗，提高频率，消弱电磁干扰，还有助于开关电源的进一步高频化。
1.1 课题研究的背景和意义
如今，人们用各种电力电子器件控制电能或转换电能，最终，将常规电能变成不同性质、不同用处、不同容量和不同频率的电能，以便适应各类用电装置的需要。
根据当前的习惯，开关电源通常被称作高频开关电源，高频开关电源的电子电子器件工作在高频电压下。开关电源通常被分为交流、直流两大类[1]。
传统的脉宽调制型开关电源处于硬开关工作状态，开关管的电流和电压会产生交叠，导致开关损耗增大，电源系统性能降低。因此，人们通过研究开关过程中的电流和电压，创造出使电流和电压不再发生交叠的技术，称为软开关技术。移相PWM开关就是一种软开关，在移相PWM开关电源电路中，变换的主要对象是电压和电流，该电源中，电力电子器件工作于软开关状态，使开关损耗大大减少。
本课题中采用的移相PWM型功率开关器件，与常规的PWM型功率开关器件相比，开关损耗不再随着开关频率成比例的增大，除了减少开关损耗外，还提高了开关频率和工作效率。此外，还大大降低了开关的噪声影响，减少了开关电源对外界的电磁干扰，提高了变换器工作的可靠性[5]。
1.2 课题研究的目的
直流电源已广泛应用于工业中，根据直流电源的设计，本课题以相移全桥DC-DC变换器的控制电路设计为重点，对控制过程进行分析与仿真研究。以集成PWM芯片作为主要控制芯片实现对直流电源的移相PWM控制，实现直流变换，本课题同时对该直流电源的主电路进行初步设计，完成PCB电路板的制作与调试，掌握相关DC/DC变换电路的研究方法。
1.3 本课题研究的内容和要求
1、分析直流PWM电源的工作原理，并进行相应的理论与仿真分析。
2、建立三相直流PWM电源的拓扑结构，推导其数学模型，讨论PWM逆变控制策略的实现，并进行相应的仿真研究，建立在PSCAD/EMTDC或者MATLAB/SIMULINK环境下的仿真模型，对提出的控制算法进行仿真分析。
3、用PWM控制芯片完成三相直流PWM电源的控制电路设计，并进行相应实验验证。
1.4 论文主要内容
本课题针对当前移相PWM软开关的现状和进展，通过大量的文献收集与分析，对移相全桥ZVS-PWM控制系统进行了设计，对直流变换器的主电路和控制电路进行了理论分析。在此基础上利用MATLAB软件对所设计的电源系统仿真与分析，对相关原理进行验证，最终得到较为准确的仿真结果，为实物电路板的制作奠定了良好的基础。选用控制芯片UC3875为核心芯片设计控制电路，实现了逆变电源的闭环控制，并给出了设计方案，对硬件电路进行了设计与调试。
2 整体方案分析与选择
2.1 数据要求
原始数据：三相交流220V输入，直流32V输出，电流0~5A，精度5%以内。
2.2 体统整体结构
系统整体框图如下图2.1所示
图2.1 系统整体框图
电源主电路由AC/DC转换电路、全桥移相电路、高频变压器、整流滤波电路等组成。主要功能：将220V/50Hz的交流电通入EMI滤波器之后，由三相整流器将交流电转化成直流电，然后通过滤波电感和电容构成的滤波器对转换后的直流电进行滤波处理[8]。
控制电路的作用：根据需要，调节脉冲宽度，使主电路得以正常运行。根据电路所需输出量，调整脉冲的宽度，使电路输出适合的输出电压，实现稳压，稳流以及各种保护等功能[8，9]。
2.3 PWM DC/DC变换器主电路设计方案
在开关电源中，DC/DC变换属于实现功率变换的部分。在大功率场所，对于DC/DC变换器拓扑的选择，首选全桥变换器。变换器的输出功率通常随开关管数量增加而增大，故全桥变换器的输出功率最大。
近年来移相全桥零电压开关脉宽调制技术倍受关注，它将PWM技术与软开关结合在一起，具有开关频率恒定的优点，降低了开关损耗，提高了系统的可靠性。图2.2是移相PWM控制直流变换器的主电路原理图和控制信号关系图[4，9]。
近20年来，随着功率开关器件的发展，DC-DC变换器的拓扑和变换技术取得了很大的成就，本文对DC-DC变换器中的主要技术——移相PWM技术进行了介绍。本课题以移相PWM直流变换器控制电路设计为重点。集成PWM芯片UC3875作为主要控制芯片，以实现对逆变电源的PWM控制。本电源选用移相控制全桥零电压开关变换器作为DC/DC变换电路，文中研究了移相全桥零电压PWM DC/DC变换器的工作原理，利用MATLAB /Simulink建立其仿真模型，并以此为基础建立逆变电源的仿真电路。最后，使用移相控制芯片UC3875设计了移相控制电路，介绍了驱动电路的相关设计，完成了硬件电路的设计与调试。本文对移相PWM直流变换的工作原理和参数设计进行了分析，实验结果验证了该系统的有效性。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:直流变换,移相PWM,全桥,UC3875
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 课题研究的目的 2
1.3 本课题研究的内容和要求 2
1.4 论文主要内容 2
2 整体方案分析与选择 2
2.1 数据要求 2
2.2 体统整体结构 2
2.3 PWM DC/DC变换器主电路设计方案 3
2.4 驱动器件与驱动电路的选择 4
2.5 控制电路 5
3 移相全桥零电压软开关变换器主电路与仿真 5
3.1 移相PWM控制直流变换器的工作原理 5
3.2 移相全桥PWM直流变换器的工作过程分析 7
3.3 软件仿真 13
3.3.1 仿真软件简介 13
3.3.2 仿真电路结构模型 13
3.3.3 仿真模型主要参数 14
3.3.4 模型仿真及结果 14
4 控制电路与驱动 15
4.1 控制电路主芯片——UC3875 17
4.1.1 UC3875简介 17
4.1.2 UC3875的电气特点 17
4.1.3 UC3875内部结构图 18
4.2 UC3875外围参数设计 18
4.3 驱动电路 20
4.3.1 IR2110引脚介绍 20
4.3.2 IR2110内部结构图及特点 21
4.3.3 驱动电路的设计与原理 21
4.4 电压电流检测电路 22
4.5 保护电路 24
5 硬件调试 25
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 硬件电路原理图 34
1 绪论
当今社会，电力电子技术正处于快速的发展阶段，其应用愈来愈普遍，电力、电子设备的种类也愈来愈多。如今，任何电力电子设备的正常运行都离不开电源，因此，人们对于电源的性能要求愈来愈高[3]。
提高开关电源的开关频率可使其体积变小，重量减少，但会使开关损耗增加，效率降低。此外，如果只追求开关电源的高频化，电磁干扰也会因此增加。在20世纪80年代初，人们利用谐振技术设计出零电压开关电路和零电流开关电路，实现软开关的功能。20世纪80年代后期，又出现了零电压PWM技术和零电流PWM技术。该技术将ZVS(或ZCS)准谐振变换与PWM变换相结合，既能实现恒频控制，又能实现软开关的特性。这种技术就是本课题的核心技术，即移相PWM技术[4]。
移相PWM技术的使用，既可以减小开关损耗，提高频率，消弱电磁干扰，还有助于开关电源的进一步高频化。
1.1 课题研究的背景和意义
如今，人们用各种电力电子器件控制电能或转换电能，最终，将常规电能变成不同性质、不同用处、不同容量和不同频率的电能，以便适应各类用电装置的需要。
根据当前的习惯，开关电源通常被称作高频开关电源，高频开关电源的电子电子器件工作在高频电压下。开关电源通常被分为交流、直流两大类[1]。
传统的脉宽调制型开关电源处于硬开关工作状态，开关管的电流和电压会产生交叠，导致开关损耗增大，电源系统性能降低。因此，人们通过研究开关过程中的电流和电压，创造出使电流和电压不再发生交叠的技术，称为软开关技术。移相PWM开关就是一种软开关，在移相PWM开关电源电路中，变换的主要对象是电压和电流，该电源中，电力电子器件工作于软开关状态，使开关损耗大大减少。
本课题中采用的移相PWM型功率开关器件，与常规的PWM型功率开关器件相比，开关损耗不再随着开关频率成比例的增大，除了减少开关损耗外，还提高了开关频率和工作效率。此外，还大大降低了开关的噪声影响，减少了开关电源对外界的电磁干扰，提高了变换器工作的可靠性[5]。
1.2 课题研究的目的
直流电源已广泛应用于工业中，根据直流电源的设计，本课题以相移全桥DC-DC变换器的控制电路设计为重点，对控制过程进行分析与仿真研究。以集成PWM芯片作为主要控制芯片实现对直流电源的移相PWM控制，实现直流变换，本课题同时对该直流电源的主电路进行初步设计，完成PCB电路板的制作与调试，掌握相关DC/DC变换电路的研究方法。
1.3 本课题研究的内容和要求
1、分析直流PWM电源的工作原理，并进行相应的理论与仿真分析。
2、建立三相直流PWM电源的拓扑结构，推导其数学模型，讨论PWM逆变控制策略的实现，并进行相应的仿真研究，建立在PSCAD/EMTDC或者MATLAB/SIMULINK环境下的仿真模型，对提出的控制算法进行仿真分析。
3、用PWM控制芯片完成三相直流PWM电源的控制电路设计，并进行相应实验验证。
1.4 论文主要内容
本课题针对当前移相PWM软开关的现状和进展，通过大量的文献收集与分析，对移相全桥ZVS-PWM控制系统进行了设计，对直流变换器的主电路和控制电路进行了理论分析。在此基础上利用MATLAB软件对所设计的电源系统仿真与分析，对相关原理进行验证，最终得到较为准确的仿真结果，为实物电路板的制作奠定了良好的基础。选用控制芯片UC3875为核心芯片设计控制电路，实现了逆变电源的闭环控制，并给出了设计方案，对硬件电路进行了设计与调试。
2 整体方案分析与选择
2.1 数据要求
原始数据：三相交流220V输入，直流32V输出，电流0~5A，精度5%以内。
2.2 体统整体结构
系统整体框图如下图2.1所示
图2.1 系统整体框图
电源主电路由AC/DC转换电路、全桥移相电路、高频变压器、整流滤波电路等组成。主要功能：将220V/50Hz的交流电通入EMI滤波器之后，由三相整流器将交流电转化成直流电，然后通过滤波电感和电容构成的滤波器对转换后的直流电进行滤波处理[8]。
控制电路的作用：根据需要，调节脉冲宽度，使主电路得以正常运行。根据电路所需输出量，调整脉冲的宽度，使电路输出适合的输出电压，实现稳压，稳流以及各种保护等功能[8，9]。
2.3 PWM DC/DC变换器主电路设计方案
在开关电源中，DC/DC变换属于实现功率变换的部分。在大功率场所，对于DC/DC变换器拓扑的选择，首选全桥变换器。变换器的输出功率通常随开关管数量增加而增大，故全桥变换器的输出功率最大。
近年来移相全桥零电压开关脉宽调制技术倍受关注，它将PWM技术与软开关结合在一起，具有开关频率恒定的优点，降低了开关损耗，提高了系统的可靠性。图2.2是移相PWM控制直流变换器的主电路原理图和控制信号关系图[4，9]。
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