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1、自动化专业基于UC3895的移相全桥变换器设计自动化专业刘荣辉指导教师荣军讲师摘要：本文分析了移相全桥变换器的基本工作原理，以及完成了移相全桥变换器主要元件参数的设计。同时设计了基于UC3895的大功率移相全桥零电压变换器的电路。基于OrCAD/PSpice仿真平台，对相关电路的仿真进行了分析。实验结果验证了参数设计的正确性和移相全桥软开关变换器的可行性。关键词：移相全桥变换器；参数设计；仿真；UC3895Abstract: Based on the analysis of the principle of phase-shift full-bridge converters, the pap
2、er has finished the design of the main components of phase-shifted full-bridge converters. Meanwhile, a kind of circuit with high power PS-FB Zero-Voltage Switching converter is designed based on the UC3895. On the basis of the OrCAD/PSpice simulation platform, the simulation of related circuits is
3、analyzed. The experiment results verify the proper design of parameter and the feasibility of phase-shifted full-bridge soft switched converter.Key words: Phase-shifted full-bridge converter; design of parameter; simulation; UC38951 绪论1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的定义和意义随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设
4、备都离不开可靠的电源。进入20世纪80年代计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到广泛的应用，开关电源技术进入了快速发展时期1。电源是电子设备不可或缺的组成部分，所有电子电路均是在电源的支持下工作的2。电子设备使用的电源大致有线性电源、开关电源两大类，这两类电源由于各自的特点而被广泛应用。开关电源是开关稳压电源的简称，就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可
5、调和自动稳压3。线性电源的优点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。它的不足之处是要求采用的工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗比较大，使电源的效率大大降低，一般情况不会超过50%。与线性稳压电源相比，开关电源功耗小，效率高；体积小，重量轻；稳压范围宽；可靠性好；成本低的优势。当然，开关电源的主要缺点是电路比较复杂，输出电压的纹波较高，瞬态响应差，电源输入端的滤波如果做得不好，会对电网产生开关干扰。因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源己取代了线性稳压电源。随着微电子技术和计算机技术在通信设备中的广泛应用,各类先进设备对电源装置的
6、要求也越来越高。开关电源的基本组成可以用图1-1表示图1-1开关稳压电源结构图1.1.2 开关电源的发展方向高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是开关电源发展的大势所趋,也是今后的主要发展方向。而要达到这一要求，必然要求提高开关电源的工作频率、功率密度以及元件的集成化。开关电源高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。为了实现开关电源高功率密度，必须提高转换器的工作频率，从而减小电路中储能元件的体积和重量。高频化、高功率密度和高效率是开关电源技术发展进步的重要标志。模块化是开关电源发展的另一总体趋势，可以采用
7、模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。模块化可以显着地提高开关电源的可靠性和使用灵活性，简化了生产和使用。模块化开关电源的并联、串联和级联既便于用户使用，也方便于生产。1.1.3 开关电源分类根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。1.2 硬开关变换器目前开关电源普遍采
8、用脉宽调制技术(Pulse Width Modulation, PWM)，凡用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器，称为PWM开关变换器，它是以使用“硬开关”为主要特征的4。所谓“硬开关”是指功率开关管在导通或关断时，其上的电压或电流不为零，即开关管是在控制信号的强制控制下变换状态的。在这种硬开关变换器中，开关器件在高电压，大电流下导通关断。如图1-2所示是硬开关开通和关断的电压和电流波形。由于开关管在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，而是有一个上升时间。在这段时间里，电流与电压有一个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗。当开关管关断
9、时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，而是有一个下降时间。在这段时间里。电压和电流也有一个交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗。因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。如图1-3所示。硬开关电路和硬开关的电压、电流波形如下两图所示：图1-2硬开关电路图1-3硬开关时开关管的电压、电流波形在一定条件下，开关管在每一个开关周期的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。同时由于受到开
10、关器件的寄生电容和变压器漏感的影响，开关器件受到较大的du/dt和di/dt，工作中产生较强的电磁干扰。另外，只要传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态下，硬开关就有开通和关断损耗大、感性关断问题、容性开通问题及二极管反向恢复等四大缺陷，妨碍开关器件工作频率的提高5。1.3 软开关技术为解上述硬开关的问题，出现了在开关过程中开关器件的电压和电流波形不相交叠的技术，即所谓零电压开关（zero voltage switching, ZVS）和零电流开关（zero current switching, ZCS）技术，总称为软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言）。软开关的开通、关断损耗理想值为
11、零，除了减小开关损耗以外，应用软开关技术还可以大大降低开关的噪声，以及减小了开关电源对外界的电磁干扰，提高了开关电源的频率及功率水平6。开关损耗和开关噪声的降低则使开关器件的工作频率能大幅度提升。软开关技术在近十年的到迅猛发展，并已应用于DC/DC变换器电路中，使开关电源的性能有了很大的提高。1.3.1 软开关的原理变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行整形，如图1-4所示，通过在原来的硬开关电路中增加很小的电感L、电容C等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程。开关开通前后电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它
12、们的变化率，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。即开关器件的导通和关断都在零电流和零电压条件下进行，能够减少了开关器件的损耗及电磁干扰，提高开关电源的频率及功率水平。图1-4有LC复合缓冲的软开关电路最理想的软开关开通过程：电压先下降到零，电流再缓慢的上升到通态值，所以开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压已经下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通的问题，这意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题亦不存在。最理想的软开关关断过程：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已经下降到零，即线路
13、电感中的电流亦为零，所以感性关断的问题也得到解决7。软开关的开通与关断过程如图1-5所示。图1-5软开关的开关过程这种应用软开关技术的变换器是一种把准谐振变换器和PWM变换器的各自优点结合在一起的新型软开关变换器，它的特点是：（1）谐振阶段只发生在功率器件开关转换过程中，从而保证功率开关器件的软开关工作条件，只承受较低的电压和电流应力。（2）能量传输的主要形式采用了PWM变换技术的特点，避免了较大的谐振通态损耗。（3）它的零电压、零电流开关条件不受电压和负载变化的影响。1.3.2 软开关电路的分类软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，直到目前为止，新型的软开关
14、拓扑仍不断的出现。由于存在众多的软开关电路，而且各自有不同的特点和应用场合，因此对这些电路进行分类是很有必要的8。根据电路中的主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。1.3.3 移相全桥的软开关技术移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路很简单，与硬开关的全桥电路相比，并没有增加辅助开关等元件，而是仅仅增加了一个谐振电感。电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生
15、于开关过程前后，使四个开关器件都在零电压的条件下开通，实现了软开关的功能。电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。移相全桥软开关控制技术逐渐应用于电力操作电源中，因为它不但可以减少电源的开关损耗、电磁干扰，还能改善电路的输出特性，提高电路的效率、稳定性和可靠性。移相全桥(Full-Bridge, FB)PWM变换器是一种应用广泛,适用于较大功率、低电压等场合的变换器。该变换器采用PWM移相控制，在不附加其他额外元器件，电路成本和复杂程度基本不变的情况下，利用变压器的漏感和功率开关管的结电容进行谐振，功率管实现零电压开关(ZVS)，从而减小了开关损耗,变换器的效率可大于80，并且开关电压应力的减小使得开关频率可以进一步得到提高,可达到100kHz500kHz。1.4 本论文的研究内容和研究意义1.4.1 本论文的研究内容本文简单介绍了开关电源概况，硬开关和软开关的基本概念。针对移相全桥变换器的设计要求，在巩固电路、电力电子知识的基础上进一步分析了移相全桥变换器的工作原理，并在此原理上完成移相全桥变换器主电路的元件参数的计算。用TI公司控制芯片UC3895完成了移相全桥变换器控制电路的设计。基于OrCAD/PSpice软件对相关的电路进行了仿真和分析，验证了参数设计
