移相全桥软开关电源论文29501.doc
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1、摘要 随着电力电子技术的发展,对电源的要求也越来越高。模拟电路固有的精度差、温度漂移大以及器件老化等问题,使得它在一些要求较高或者对接口、兼容要求高,温度、噪声敏感的场合难以达到令人满意的效果。而随着电路集成技术的提高,各种高性能微处理器的迅猛发展,已经可以满足实时控制的要求;体积小重量轻,可用于小型化、便携电源;而其价格的降低,使得数字控制系统有了更为普及的应用。本文采用Microchip公司的16位dsPIC33F系列单片机作为移相全桥软开关电源的主控制芯片。通过片内的A/D转换单元,将电流、电压的采样值转换为数字量,利用增量式PID控制算法进行反馈,通过片内PWM输出控制高频开关,从而实
2、现基准值与采样值之间的误差调节。本设计实现的是一款为输入单相交流220V;输出直流电压0100V连续可调;最大输出电流为10A;最大输出功率为1000W的开关电源。本文首先简单介绍一下系统整体结构,然后深入研究移相全桥ZVS PWM变换器原理和分析相关问题;接着是1000W开关电源的主电路硬件设计,包括主电路的拓扑结构,功能电路以及各电路参数的计算与元器件的选择;最后研究移相全桥电源的数字控制方案,包括软硬件的设计。本设计方案稳定可靠,控制精度高,纹波系数小,能够满足应用的需要。关键词:移相全桥;软开关;开关电源;PID控制;dsPIC33FAbstract第1章 绪论1.1 课题研究背景及意
3、义随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源,它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。目前,在DC/DC变换器中,全桥移相控制软开关PWM变换器的研究十分活跃。它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一,尤其是在中、大功率的应用场合。国内外对全桥移相零电压软开关变换器的研究比较成熟,但目前研究热点已转向同时实现零电压零电流软开关。在数字控制方面,据文献看来基本是DSP比较多,而用Microchip公司的DSC高性能16位数字控制器在控制方面
4、可以比DSP更优越。因此移相全桥软开关电源还有更大的研究空间。本课题基于dsPIC33F的移相全桥软开关电源能够达到以上优点,损耗小、感性关断电压尖峰和容性开通电流尖峰小、电磁干扰轻微、便于控制、低成本和高精度等,是目前研究的热点课题。1.2移相全桥零电压PWM(PSC FB ZVS-PWM)变换器在移相控制基础上,利用功率MOSFET的输出电容和输出变压器的漏感作为谐振元件,使FB PWM变换器四个开关管依次在零电压下导通,实现恒频开关,称为PSC FB ZVS-PWM变换器。由于减少了开关过程损耗,可保证变换器效率达80-90%,并且不会发生开关应力过大的问题。现在FB ZVS-PWM开关
5、变换器已广泛应用于通信AC-DC一次电源、分布式军用电源系统中。PSC FB ZVS-PWM变换器的优点:开关管在ZVS条件下运行,开关损耗小,可实现高频化;控制简单(脉宽恒定,只控制移相);恒频运行;无需吸收电路;电流、电压应力小,类似PWM变换器。PSC FB ZVS-PWM变换器的缺点:当负载很轻时尤其是滞后桥臂开关管的ZVS条件难以满足;原边有较大环流,使导电损耗增大;输出整流二极管不能实现零开关,其开关损耗大。早在1988年GE公司R.A.Fisher等就报导了三路输出(5V、15V、25V)的250W FB ZVS-PWM 开关电源变换器,fa=500kHz,功率密度37W/,效率
6、90%。1989年IBM公司Walters、Polivka等报导了在分布式军用计算机电源中高密度模块使用 FB ZVS-PWM DC-DC变换器,输出220W ,5V,输入 270V。开关频率200KHz。设计要求功率密度10W/。MTBF17000小时。对损耗的分析有如下结果:总损耗约55W,包括:功率MOS管及驱动电路9.3W;磁元件8.5W;肖特基二极管27W;输出滤波器1.5W;控制电路1.4W;其它3.7W。满载时变化器效率分析值为79.8%,实验值为77%。1993年美国Unitrode公司报导研制了 FB ZVS-PWM DC-DC变换器,输出48.8V,500W,输入360V,
7、开关频率200kHz。1990年VPEC J.A.Sabate等设计试验了输出2kW、360V的 FB ZVS-PWM DC-DC变换器。输入600V,开关频率100kHz,效率94.5%。总损耗113W,包括:功率MOSFET46.3W;二极管21.8W;磁元件24.6W;吸收网络和控制电路等20W。设计参数如下:Dmax=0.8,D=0.67。Cmax=82pF,C1=100pF,Llk=52uF;负载小于额定值48%时,变化器失去ZVS条件。1994年加拿大北方电信公司开发 FB ZVS-PWM DC-DC变换器型开关整流器。输出1.5kW,54V;输入电压175-264V AC;输入端
8、功率因数0.99.电流谐波畸变率(THD)0.9,重7kg,功率密度1.95W/。与同类PWM开关整流器相比,尺寸、重量下降40%。我国台北Delta(台达)电子公司推出FB ZVS-PWM型100A/48V AC-DC开关整流器,主要技术指标如下:开关频率50kHz,重30kg,功率密度183W/kg,效率90%,输入端功率因数0.9,噪音2mV,输出纹波28mV(pp),MTBF约10万小时。1.3 本文内容安排本文分为四章。第一章绪论中主要介绍本文的研究的背景及意义,同时介绍了研究的重点拓扑:移相全桥零电压变换器以及它国内外发展。第二章简单介绍一下电源系统的整体结构。第三章研究了移相全桥
9、ZVS PWM变换器原理,两种不同的谐振过程是本章分析的重点,从中得出了实现零电压开关的条件,为选择电路元器件提供依据。第四章是1000W移相全桥零电压开关电源的主电路硬件设计,包括主电路的拓扑结构,功能电路以及各电路参数的计算与元器件的选择。第五章研究移相全桥电源的数字控制方案,包括软硬件的设计。主要采用Microchip公司的16位dsPIC33F系列单片机作为移相全桥软开关电源的主控制芯片。通过片内的A/D转换单元,将电流、电压的采样值转换为数字量,利用增量式PID控制算法进行反馈,通过片内PWM输出控制高频开关,从而实现基准值与采样值之间的误差调节。第2章 系统总体方案 2.1 系统整
10、体结构在中大功率的开关电源电路中,一般采用全桥变换器,它的控制方式比较多。本设计实现的是一款为输入单相交流220V;输出直流电源0100V可调;最大输出电流为10A;最大输出功率为1000W的开关电源,因此其DC/DC拓扑结构设计为全桥。系统的结构框图如图2.1所示。 整流滤波EMI保护DC/DC全桥变换器输出滤波负载驱动电路dsPIC33F164GP206输出电压电流反馈辅助电源 AC 220V DC 50HZ PWM1 PWM2 图2.1 系统结构框图2.2 系统总体设计概述和总电路图 2.2.1 系统总设计概述DC/DC全桥变换器由四个功率开关管构成,主变压器只需要一个原边绕组,通过正反
11、向的电压得到正反向磁通,变压器铁芯和绕组得到最佳的利用,使效率和功率密度得到提高。本设计通过软件设置PWM波形,利用PWM波形交替驱动功率开关管导通与关断的时间,完成对输出电压的稳定,通过A/D转换完成对开关电源输出电压和电流的采样。开关电源工作时,采用电压反馈由PWM控制实现对输出电压的稳压功能。为了精确控制开关电路的电压输出,把单片机的高频脉冲信号分频后变成适宜的开关脉冲信号,作为dsPIC33F的计数脉冲和门控信号,单片机把给定值与采集的信号进行比较,产生误差信号。根据增量式PID算法设置dsPIC33F产生不同占空比的方波信号,经过驱动电路控制开关调整输出电压,以达到电压的稳定。2.2
12、.2 移相全桥软开关电源总电路图 基于dsPIC33F164GP206的移相全桥软开关电源总电路图见附录。 第三章 移相全桥电路基本原理3.1 移相全桥零电压PWM软开关电路的工作原理3.1.1 基本结构及工作过程图2.1示出移相全桥型电路。Ui为直流输入电压,Uo 为输出电压。与普通全桥电路相比,电路中增加了一个谐振电感Lr 和与四个开关(S1S4) 并联的电容(C1 C4) ,它不仅是独立的电容元件,还包括开关器件中寄生的结电容。图2.2 示出S1S4 的开关控制波形。除死区时间外,电路中总有两个开关同时导通,其组合为S2和S3、S3和S1、S1和S4、S4和S2 ,周而复始,其中S2和S
13、3、S1和S4组合时,全桥电路输出能量;S3和S1、S4和S2 组合时,全桥电路处于续流状态,不输出能量。改变这两类组合的时间比例,即改变移相角,就能实现输出电压的调节。图3.1 移相全桥型电路 图3.2 开关控制波形 根据输出滤波电感Lo的电流是否连续,电路的工作模式可分成连续和不连续两种。在不连续工作模式下,S1S4 都不能实现零电压开通,开关损耗大,这是应该尽量避免的一种情况。鉴于在通常应用(如开关电源、逆变焊机)中,Lo 的电流基本上都能连续,因此本文的讨论仅限于连续工作模式。另外,在分析中假定开关、电容、电感和变压器都是理想的。 谐振是移相全桥型电路实现开关的零电压开通的关键。电路的
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