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1、硕士学位论文5kW 移相全桥ZVS DC/DC变换器的研究RESEARCH ON 5kW PHASE-SHIFT FULL BRIDGEZVS DC/DC CONVERTER刘鑫哈尔滨工业大学2011年6月国内图书分类号：TM614 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开工学硕士学位论文5kW 移相全桥ZVS DC/DC变换器的研究硕士研究生：刘鑫 导 师：马洪飞教授 申请学位：工学硕士 学科：电气工程所 在 单 位：电气工程及自动化学院答 辩 日 期：2011年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index:TM614 U.D.C:621.3Diss
2、ertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON 5kW PHASE-SHIFT FULL BRIDGEZVS DC/DC CONVERTERCandidate ： Supervisor ： Speciality ：Liu XinAcademic Degree Applied for：Prof.Ma HongfeiMaster of EngineeringPower Electronics and Electric DriversSchool of Electrical Engineering and Automation Jun
3、e, 2011Affiliation ： Date of Defence：Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学硕士学位论文摘 要DC/DC变换器是电力电子领域重要组成部分，在能源紧张的今天，提高DC/DC变换器的效率及功率密度，具有重要的意义。功率器件的发展和软开关技术的提出使变换器高效高功率密度成为可能。移相全桥ZVS DC/DC变换器是一种能够实现软开关和大功率能量变换的变换器。本文围绕移相全桥ZVS DC/DC变换器的特点，分析了其工作原理、占空比丢失、变压器副边整流二极管振荡、滞后臂软
4、开关实现条件等关键问题，并设计和制作了一款5kW 的原理样机。第一章介绍了DC/DC变换器的背景及发展方向，其中包括器件、软开关技术和目前DC/DC变换器研究的热点。同时还介绍了全桥变换器常见的控制策略，以及移相全桥变换器常见的问题和国内外学者提出的改进方法。第二章针对课题内容，分析了移相全桥变换器的工作原理，对各个模态进行了详细的分析，并就移相全桥变换器的几个关键问题进行了详细分析：占空比丢失、ZVS 的实现、损耗分析和整流二极管振荡问题。第三章针对技术指标，设计了一款5kW 的样机，其中包括各器件的选型和相关参数的计算，损耗计算。这些参数计算主要有：全桥开关管电压电流应力的计算与选型、变压
5、器的设计、整流二极管的选择、输出LC 滤波电路的设计、隔直电容的选择、谐振电感电容的选择和死区时间的计算、箝位电路的设计。并根据计算结果使用Saber 软件进行了开环仿真，验证了设计参数的正确性。第四章主要介绍了变换器控制系统分析与设计，其中有控制芯片UCC2895的功能介绍，外围元件的选择与保护与采样电路的设计，移相全桥ZVS DC/DC变换器的小信号模型和利用MATLAB 软件进行反馈回路的补偿设计。第五章给出了实验结果和分析，验证了设计的正确性。关键词 移相全桥；软开关；UCC2895；小信号模型哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractDC/DC converter is a main
6、 part of power electronic converter. As the energy problem increasingly concerned in modern society, improving the efficient and power density have the significant advantages. The developing of power device and invention of soft-switching technique make the high efficient and high power density of D
7、C/DC converter possible.The zero-voltage-switching (ZVS phase-shift full bridge DC/DC converter is an advanced DC/DC converter with soft-switching technology which can achieve high power converting. Based on the characteristics of the converter, this paper analyses the basic operation theory and som
8、e typical problems like secondary duty ratio loss and the parasitic oscillation of output rectifier diodes as well as the difficulty for lagging legs achieve ZVS. The simulation and experiments are also given.Firstly, this paper introduces the background and development of the converter, including p
9、ower device and soft-switching technology and the hot points in researching DC/DC converter as well as some typical problems and some improvements. Secondly, this paper analyses the basic operation theory and some typical problems like secondary duty ratio loss and the parasitic oscillation of outpu
10、t rectifier diodes and power losses as well as the difficulty for lagging legs achieve ZVS. Thirdly, this paper calculates the main parameters including the selection of bridge MOSFET and the design of transformer as well as the output filter and so on. The last of the third part uses the software S
11、ABER to simulate the main circuit to verify the correction of the calculations. Fourthly, this paper introduces the control system of the converter including the UCC2895 chip, sampling circuit, protection circuit, and the small signal model of the converter, as well as the compensation of the feedba
12、ck loops.Eventually, the paper explains the experimental result and analyzes the result in detail.Keywords phase shift full bridge, soft-switching, UCC2895, small signal model哈尔滨工业大学硕士学位论文目 录摘 要. I Abstract . II第1章 绪 论.11.1 DC/DC变换器背景及发展方向.11.1.1 电力电子器件是主要推动力.11.1.2软开关技术概述.11.1.3 DC/DC变换器的发展趋势.41.2
13、全桥ZVS PWM变换器的概述.51.2.1 全桥变换器的控制策略.51.2.2 移相全桥ZVS PWM变换器常见的问题和拓扑改进.61.3本文研究方向及主要内容.81.3.1 本文研究方向.81.3.2 本文主要内容.9第2章 移相全桥ZVS DC/DC变换器拓扑的研究. 102.1 移相开关ZVS DC/DC变换器基本的拓扑分析. 102.2移相全桥ZVS DC/DC变换器中关键问题的研究. 142.2.1 占空比丢失问题. 142.2.2 超前臂和滞后臂ZVS 的实现. 152.2.3 损耗分析. 162.2.4 整流二极管寄生振荡. 172.3 本章小结. 21第3章 5kW 移相全桥
14、ZVS DC/DC变换器的设计. 223.1 5kW移相全桥ZVS DC/DC变换器的技术指标. 223.2 变换器的各器件选型及相关参数计算. 223.2.1 全桥开关管的选择. 223.2.2 主变压器的设计. 223.2.3 整流二极管的选择. 253.2.4 输出LC 滤波电路的设计. 253.2.5 隔直电容的选择. 263.2.6 谐振电感电容的选择和死区时间的计算. 27哈尔滨工业大学硕士学位论文3.2.7箝位电路的设计. 283.3损耗计算. 293.3.1 MOSFET的相关损耗计算. 293.3.2 副边整流二极管的通态损耗计算. 303.3.3箝位电路的损耗计算. 313
15、.4 开环仿真. 313.5 本章小结. 35第4章 基于UCC2895的控制系统的设计. 364.1 控制器UCC2895介绍及外围元件的选择. 364.1.1 UCC2895芯片的介绍. 364.1.2 UCC2895外围元件的选择. 384.1.3采样和保护电路的设计. 394.2 补偿系统的设计. 414.2.1移相全桥ZVS DC/DC变换器的小信号模型. 414.2.2 反馈补偿网络的设计. 464.3 本章小结. 49第5章 实验结果及分析. 505.1 测试设备说明. 505.2测试波形及其分析. 515.2.1驱动波形及其分析. 515.2.2 主电路测试波形及分析. 525
16、.3 变换器结构设计. 545.4 本章小结. 56结 论. 57参考文献. 58攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果. 61哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明. 62致 谢. 63哈尔滨工业大学硕士学位论文第1章 绪论1.1 DC/DC变换器背景及发展方向目前世界上绝大部分的电力在使用前都要经过电力电子设备的处理，以满足不同的电压等级和使用环境1。而作为电力电子设备中不可缺少的一部分，DC/DC变换器有着举足轻重的作用。特别是在能源日益紧缺的今天，研究DC/DC变换器特别是研究其效率及功率密度提升技术有着重大的实际意义。正因为如此，从1956年晶闸管问世至今，研究人员对DC/DC
17、变换器研究的脚步从未停止过。推动DC/DC变换器发展的因素主要有以下几点：电力电子器件的发展、软开关技术的发展和新的拓扑和控制方法等等。1.1.1 电力电子器件的发展是主要推动力从早期的不可控器件（PN 结整流管、肖特基势垒二极管等）、半控型器件（晶闸管和其派生器件等）到现在的全控型器件（GTO 、GTR 、MOSFET 、IGBT 等），电力电子技术正是随着这些电力电子器件的发明而诞生和发展的。这些新的器件的问世，使得电力电子变换电路及其控制系统不断的革新。比如脉宽调制（PWM ）电路、零电流零电压软开关谐振电路和高频斩波电路等等，都已经成为电力电子技术重要的组成部分2。在DC/DC变换器中
18、使用最多的电力电子器件就是MOSFET 和IGBT 。尤其是MOSFET ，由于其可以在更高的频率下运行，所以在中小功率等级下使用非常广泛。一方面，由于MOSFET 的制造工艺的不断改进，使得MOSFET 的导通阻抗、开通关断时间等参数不断地被优化，例如现在流行的CoolMos 等。这些新型MOSFET 的出现更加有利于开关频率的提高，从而更大程度地减小了无源元件的体积和重量，提高了DC/DC变换器的效率和功率密度；另一方面，新材料的出现，比如使用SiC 材料制造的FET ，大大的减小了体二极管的反向恢复时间和损耗、增加了FET 漏源极的耐压值等等，这些也将会给电力电子领域带来大的飞跃。1.1
19、.2软开关技术概述DC/DC变换器一般采用PWM 控制方式，开关管在一个周期内开通和关断，对输入电压进行斩波。在开关变换器提出的初期使用的是硬开关方式，如今大部分DC/DC变换器均采用软开关技术，下面对这两种方式原理和优缺点进行阐述。哈尔滨工业大学硕士学位论文（1）硬开关功率开关并不是理想开关，在开通和关断时都有一定的过渡时间，这个时间通常在几十纳秒至几百纳秒。同时，由于变换器电路不可避免地存在着感性和容性元件以及杂散电感，开关漏源极电压和其导通电流的变化也需要过渡时间（对应于电感电流不能突变、电容电压不能突变）。所以，在开关管开通和关断时就出现了如图1-1的情况。 图1-1硬开关时开关电压电
20、流波形和损耗开关损耗是在开通和关断期间形成的，所以在单位时间内，开通与关断的次数越多，开关损耗也越大。由于开关器件的温度限制，所以开关频率不能再提高3,4。硬开关电路结构虽然简单，但只能在低频情况下使用。在硬开关状态下，接入感性负载时，开通和关断瞬间，电流和电压会出现一定的尖峰，如图1-1所示。这些尖峰会导致开关管的电流和电压应力增加。若超出了开关管的电压与电流限制，则会损坏开关管。同时，硬开关时会产生很大的du di 和，对电路造成EMI 干扰。 dt dt针对以上硬开关的种种弊端，李泽元等人于上个世纪80年代提出了软开关概念，并成功应用于DC/DC变换器中，取得了非常优越的效果。开启了电力
21、电子变换器的软开关时代。（2）软开关由上面分析可知，开关损耗主要原因在于电流电压在开关时刻有重叠部分导致出现了热损耗。如果在开关动作之前，能将电流或者电压变为零，则开关损耗即变为零，如图1-2所示。哈尔滨工业大学硕士学位论文 a 零电压开关 b 零电流开关图1-2软开关时开关电压电流波形和损耗对于零电压开关，具体的实现办法一般是利用并联在开关漏源极两端的电容，与电路中感性元件，在开关开通前将电容两端电压谐振至零，开关漏源极电压亦为零，此刻开通开关，则实现了零电压开通。零电压开关一般使用在MOSFET 上，因为MOSFET 的开关损耗主要由开通损耗构成。对于零电流开关，具体的实现办法一般是利用串
22、联在电路中的电感和电容，在开关关断前，将开关中电流谐振至零，从而实现零电流开关。零电流开关主要使用在IGBT 上，因为IGBT 在关断时会出现电流拖尾现象（这也是IGBT 开关频率一般限制在20kHz 的原因），其开关损耗主要由关断损耗构成6。DC/DC变换器中软开关的类型一般可以分为以下几类4,5：（1）全谐振变换器（Resonant converters） 该类变换器的谐振方式与负载有直接的关系，对负载变化敏感。一般采用PFM 调制方式，在谐振过程中，谐振电感电容全程参与谐振。在以前还缺乏对EMI 噪声理解的时代，这种软开关形式得到人们的追捧，但是，近年来，由于对EMI 噪声的重视，全谐振
23、变换器不再得到人们的青睐。（2）准谐振变换器(Quasi-resonant converters, QRCs和多谐振变换器(Multi resonant converters, MRCs 这两种谐振的提出，是软开关技术的一个飞跃，这类变换器特点是谐振元件并不是全程参与谐振，只在某个阶段参与谐振。多谐振变换器一般实现零电压开关，其控制方式大多采用PFM 调制方法。（3）零开关PWM 变换器（Zero switching PWM converters） 此类变换器分为零电压开关PWM 变换器和零电流PWM 变换器。此类变换器即在QRCs 上加入一个辅助开关管，控制谐振元件参与谐振的过程。一般采用P
24、WM 方式控制。（4）零转换PWM 变换器(Zero transition converters 此类变换器分为零电压转换PWM 变换器和零电流转换PWM 变换器。其软开关谐振过程即在开关动作前后参与谐振，而其他时间内不工作。从而减小了谐振元件的损耗。一般采用PWM 方式控制。 哈尔滨工业大学硕士学位论文1.1.3 DC/DC变换器的发展趋势DC/DC变换器作为电设备的供电部分，人们对其性能、重量、体积、效率和稳定性提出了越来越高的要求，DC/DC变换器的未来发展方向也是追寻着这一目标，即高效率、高功率密度和高可靠性。为了达到这些目标，DC/DC变换器不断发展的技术主要有以下几种：（1）同步整
25、流技术 同步整流技术主要是为提高变换器效率而提出。其基本原理就是使用导通电阻极低的开关MOSFET 代替二极管,从而极大的降低了电路的通态损耗。所谓同步，即是MOSFET 上的驱动信号和被整流的电压相位是同步的7。这项技术已经在业界大范围的推广，特别是用于低压大电流领域，取得了良好的效果。各大芯片厂商也针对这一技术，推出了具有同步整流功能的芯片。 （2）数字化 由于模拟电路存在参数整定困难、移植性差、容错性不高等缺点，数字化电源的概念备受业界人士关注。数字化电源除了可以解决以上的问题，还具有强大的通信能力，各个电源模块之间可以互相协作工作，提高整体的工作效率8。除此之外，数字化还可以实现一些高
26、级的控制方案，这也是模拟电路难以比拟的。正是因为以上的种种优点，数字化电源在一些对价格不敏感的领域已经广泛应用。（3）无源元件的磁集成 在开关频率越来越高的今天，变压器的漏感、寄生电容等寄生参数在电路中的作用越来越突出，某些研究人员提出通过选择合适的材料和结构，把一些难以消除的寄生量利用起来去实现电路中的某些参数，从而减轻寄生参数对电路性能的影响9。另外，无源元件的重量占了变换器重量的很大比例，通过集成化技术，也可以提高变换器的功率密度。无源元件的集成包括：磁元件和磁元件集成、磁元件和电容元件集成、电容元件和电阻元件的集成等。（4）平面化和集成化 平面化概念的提出也是为了提高变换器的功率密度1
27、0。其主要途径就是在设计中使用平面元件，特别是变压器和电感。这样有利于降低变换器的高度，合理的利用空间。对于变压器和电感，平面磁芯还有助于提高频率、改善散热和减小杂散参数。对于开关器件，可以根据要求选择合理的封装结构，利于集成和散热。此类技术在高频模块电源中应用较多。（5）多电平技术 多电平技术大多用在高压大功率场合，与传统的两电平变换器相比，多电平变换器具有开关管电压应力小，滤波器较小，电磁兼容特性较好的特点。（6）交错并联技术 交错并联技术是指将单个拓扑进行并联使用，一般用在功率等级较大的场合。其优点也非常明显，即可以减小变换器的输入输出纹波，哈尔滨工业大学硕士学位论文提高EMI 性能，提
28、高功率密度和效率，相比单个拓扑，其冗余性能好，提高了系统的可靠性。1.2 全桥ZVS PWM变换器的概述DC/DC变换器的拓扑结构有很多，比如buck 、boost 、flyback 、forward 等等，这些变换器有各自的应用功率等级。一般认为，功率等级和开关器件的数量是成正比的。在中大功率领域，全桥PWM 变换器是被使用最多的一种拓扑11-15。而为了实现高效和高可靠性，普遍采用零电压软开关技术。1.2.1 全桥变换器的控制策略全桥ZVS DC/DC变换器的的控制策略有很多，主要有以下四种：双极性控制（硬开关）、移相控制、下管调制法和有限双极性控制16。目前具有实用价值并已经被芯片厂商所
29、使用的有移相控制(如UCC2895芯片和下管调制法(如ISL6752芯片。 （1）移相控制法17四个开关管均使用50%占空比驱动，同一桥臂的驱动电压互补，相位相差180度，而超前臂和滞后臂之间相差一个相位角，通过调节该相角大小来调节输出电压，即所谓的移相控制。如图1-3（b ）所示。 V a 拓扑结构 b ）移相控制图1-3 移相控制全桥PWM 变换器移相控制方式可以实现开关管的ZVS 软开关，软开关主要利用在同一桥臂驱动信号的死区时间内主电路电感电容谐振实现。同一桥臂某一开关管关断时，该桥臂即进入死区时间，此时原边的电流和这一桥臂的另一开关管并联（寄生的）电容进行谐振。当电容谐振至零时，打开
30、该开关管，即实现了该开关管的ZVS 开通。由于超前臂在开通时，原边电流是和副边耦合的，所以电流能够很快将串并联电容上电流抽走并通过寄生二极管将其电压箝位至零，所以超前臂很容易实现哈尔滨工业大学硕士学位论文ZVS 开通。而滞后臂在开通时，变压器的原边和副边解耦。要实现滞后臂ZVS，全部靠原边谐振电感能量对并联电容进行充放电。一般情况下，为了防止占空比丢失过大，该电感取值较小。所以滞后臂的软开关不容易实现，这就造成了在没有实现软开关时滞后臂的两个开关管发热比超前臂严重。 （2）下管调制法如图1-4所示，全桥的上两个开关管Q 1和Q 2是按50%占空比轮流导通，并没有死区时间，通过调节下管Q 3和Q
31、 4驱动电压的下降沿，实现输出电压的调节，即所谓的下管调制法。 a ）拓扑结构 b ）下管调制法图1-4 下管调制法控制全桥PWM 变换器下管调制法实现软开关的过程与移相控制法是类似的。只是其下管控制没有移相控制中死区时间的概念。所以，引入了一个谐振延时td 。谐振延时的概念和移相控制中的死区时间概念一致。在下管调制法中，上面的两个开关管Q 1和Q 2容易实现ZVS ，对应于移相控制的超前桥臂，下面两个管子Q 3和Q 4对应于滞后桥臂的开关管，其实现ZVS 软开关比较困难。下管调制法是intersil 公司2005的科技成果，并成功应用于ISL6752芯片。它不仅可以使得全桥变换器中全桥实现Z
32、VS 软开关，同时克服了全桥移相不能确保次级ZVS 同步整流的不足18。在带同步整流的全桥ZVS PWM变换器的控制芯片中,ISL6752(系列是上佳的选择。1.2.2 移相全桥ZVS PWM变换器常见的问题和拓扑改进移相全桥ZVS PWM变换器虽然可以实现功率开关管的零电压开关，但是为了实现软开关，也要付出相当的代价，即占空比会出现丢失。占空比丢失主要和原边的谐振电感值有关，谐振电感越大，变压器原边电流在换流时时间越长，占空比丢失越严重，那么同样的输入输出环境下，原边的电流峰值和输出整流二极管的电压应力都会相应的增加。所以在设计时会适当的控制原边谐振电感的大小。但是若原边谐振电感选取过小，则
33、滞后臂开关管的ZVS 难以实现。哈尔滨工业大学硕士学位论文针对这一矛盾，很多学者提出了改善的方案。文献19提出了使用饱和电感代替普通电感的方案，该方案利用饱和电感能够存储更多能量、但又能在一定电流时饱和的特性，缓和了占空比丢失和滞后臂软开关难以实现的矛盾，在轻载时提高了变换器的效率。但是饱和电感的储能有限，而且饱和电感在进入饱和和退饱和时会有比较大的能量损耗，导致饱和电感发热，不过尽管如此，该方法在实际中仍然有比较大的应用价值。有些研究人员提出了使用辅助网络的方法扩大滞后臂开关管实现软开关的范围20-26。有在变压器原边加辅助网络20-21，如图1-5；也有在滞后桥臂加辅助网络22-26，如图
34、1-6。这几种方法的优点在于能够减小占空比、提高滞后臂软开关的范围。但是缺点也非常明显，即增加额外的无源器件，参数设计复杂，实际使用价值小。 图1-5 在变压器原边加入辅助网络的主电路拓扑图 图1-6 在滞后臂上加入辅助网络的主电路拓扑图此外，由于整流二极管存在寄生电容，变压器副边电压建立时，变压器的漏感与该电容发生谐振，在V rec 端产生高频振荡。该振荡会使整流二极管电压应力增加从而导致损坏，并且会产生EMI 问题。所以必须加以抑制或改善。目前常用的措施包括：整流管两端并联阻容吸收回路（见图1-7），方法简单，但在大功率场合电阻损耗大，吸收效果不理想；在变压器原边加箝位二极管27（图1-8
35、），这样做可以改善变压器副边整流管上的电压振荡，但是不能完全消除 振荡。在整流二极管处加有源箝位网络的方法28，该方法可以完全消除整流端振荡，并且能够将吸收的能量全部释放至负载。主要的缺点是增加额外的开关管和驱动电路。在电压被整流后的电路中引入饱和电抗器29，如图1-10哈尔滨工业大学硕士学位论文所示。使用饱和电抗器抑制电压振荡，该方法比较简单，但是饱和电抗器会发热，抑制效果不完全。 图1-7 采用阻容吸收的无源箝位电路图1-8 变压器原边加二极管箝位电路 图1-9 整流端加有源箝位电路 图1-10 整流侧串入饱和电抗器1.3本文研究方向及主要内容1.3.1 本文研究方向本文主要目的是制作一款
36、5kW 的DC/DC电源。主电路采用移相全桥ZVS DC/DC变换器，采用了如下的设计：哈尔滨工业大学硕士学位论文（1）为了减少无源器件的数量，谐振电感利用了变压器的漏感。（2）为了防止变压器饱和，在原边串入一隔直电容。（3）为了防止占空比丢失过大，谐振电感即原边漏感值较小。（4）由于ZVS 是按照满载或者重载设计的，因此会存在轻载时变换器的效率较低的问题，但是此时，变换器的散热完全能够满足要求，所以相对于变换器的重量限制，轻载时的效率并不是那么重要。因为若要扩大滞后臂软开关的范围，必然要加入辅助网络，这也必然会导致系统的重量的增加。（5）针对变压器副边整流二极管振荡问题，采用了有源箝位的方式
37、，如图1-9所示。该方式可以完全消除振荡，效率高，结构简单，只需要一个MOSFET 和一个无感电容，并不会给系统增大多少重量。在控制系统中，本文采用TI 的专用芯片UCC2895，该芯片集成度高，功耗小，功能强大，完全满足本系统的要求。同时，针对系统的动态性能，在闭环系统中加入PI 补偿环节，提高系统的稳态精度和动态性能，由于本文的负载变化并不剧烈，所以只采用单电压环进行控制。1.3.2 本文主要内容本文主要研制输入125V195V、输出16010V 、最大功率输出5kW 的移相全桥ZVS DC/DC变换器。本文分析了变换器的原理，给出了相关参数的计算。同时建立了小信号模型，对闭环系统进行了仿真。在此基础上制作了实验样机。论文主要进行了以下的工作：（1）对移相全桥ZVS PWM变换器进行了模态分析。并给出了实现ZVS 的（2）通过详细的计算，完成了器件的选型、变压器的制作、谐振电感感量和隔直电容容值的确定、输出LC 滤波电路数值的确定、损耗的分析。最后使用Saber 软件给出了开环的仿真，验证了各参数计算的正确性。（3）对变换器的控制环路进行设计。并给出了变换器的小信号模型，在此基础上进行了PI 补偿，以提高系统的稳态和动态性能。（4）给出
