1kW移相全橋直流變換器設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)課程名稱電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目名稱1kW移相全橋直流變換器設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí) 11級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師二O一四年四月十三日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一，設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 3\o"CurrentDocument"主電路參數(shù) 3\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)內(nèi)容 3\o"CurrentDocument"仿真波形 3\o"CurrentDocument"二，設(shè)計(jì)方案 3\o"CurrentDocument"主電路工作原理 3\o"CurrentDocument"芯片說明 4采用的芯片說明 4\o"CurrentDocument"UCC3895引腳說明 5\o"CurrentDocument"UCC3895工作原理 6圖2-4基于ucc3895芯片的控制電路圖 8控制電路設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"三，設(shè)計(jì)論述 8\o"CurrentDocument"電路參數(shù)設(shè)計(jì)： 8\o"CurrentDocument"主電路參數(shù)： 8\o"CurrentDocument"變壓器的設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"輸出濾波電感的設(shè)計(jì) 10功率器件的選擇 11\o"CurrentDocument"諧振電感的設(shè)計(jì) 12\o"CurrentDocument"輸出濾波電容和輸入電容和選擇 13\o"CurrentDocument"四，仿真設(shè)計(jì) 13\o"CurrentDocument"五，結(jié)論 15\o"CurrentDocument"六，參考文獻(xiàn) 16一，設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求主電路參數(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容主電路：選擇開關(guān)管、整流二極管型號(hào)，計(jì)算濾波電感感值、濾波電容容值，諧振電感感值、占空比、變壓器匝比等電路參數(shù)?？刂齐娐罚篣CC3895芯片周邊元器件參數(shù)仿真波形給出仿真電路，得到仿真波形二，設(shè)計(jì)方案主電路工作原理控制主要有兩種：雙極性控制和移相控制，本設(shè)計(jì)主要使用移相控制。由圖2-2可見，電路結(jié)構(gòu)與普通雙極性PWM變換器類似。Q1、D1和Q4、D4組成超前橋臂、Q2、D2和Q3、D3組成滯后橋臂；C1?C4分別是Q1?Q4的諧振電容，包括寄生電容和外接電容；Lr是諧振電感，包括變壓器的漏感;T副方和DR1、DR2組成全波整流電路，Lf、Cf組成輸出濾波器，R1是負(fù)載。Q1和Q3分別超前Q4和Q2一定相位（即移相角），通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。由圖2可見，在一個(gè)開關(guān)周期中，移相全橋ZVSPWMDC-DC變換器有12種開關(guān)模態(tài)，通過控制4個(gè)開關(guān)管Q1?Q4在A、B兩點(diǎn)得到一個(gè)幅值為Vin的交流方波電壓；經(jīng)過高頻變壓器的隔離變壓后，在變壓器副方得到一個(gè)幅值為Vin/K的交流方波電壓，然后通過由DR1和DR2構(gòu)成的輸出整流橋，得到幅值為Vin/K的直流方波電壓。這個(gè)直流方波電壓經(jīng)過Lf和Cf組成的輸出濾波器后成為一個(gè)平直的直流電壓，其電壓值為U。=DVin/K（D是占空比）。Ton是導(dǎo)通時(shí)間Ts是開關(guān)周期（T=t12-t0）。通過調(diào)節(jié)占空比D來調(diào)節(jié)輸出電壓U。。HU.........0...............LA...............HU.........0...............LA...............一

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_3__....圖2-2移相控制電路電路說明：1、與雙極性控制相比，每個(gè)開關(guān)管并聯(lián)一個(gè)電容。采用MOSFET時(shí)，不需要另外并電容和二極管。2、增加一個(gè)諧振電感Llk。3、利用電感和電容的諧振實(shí)現(xiàn)開關(guān)管軟開關(guān)。4、每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間接近180°，同一橋臂兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，Q1、Q3為超前橋臂，Q2、Q4為滯后橋臂，超前橋臂超前滯后橋臂一定角度。芯片說明UCC3895是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的移相諧振全橋軟開關(guān)控制器，該系列控制器采用了先進(jìn)的BCDMOS技術(shù)。最高工作頻率可以達(dá)到1MHz。該控制器將定頻PWM技術(shù)與零電壓開關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起,使變換器在高頻下的轉(zhuǎn)換效率大大提高。UCC3895在基本功能上與UC3875系列和UC3879系列移相全橋PWM控制器相同，只是在控制電路、延遲設(shè)置和關(guān)斷功能等方面進(jìn)行了改進(jìn)。另外，由于采用BCDMOS工藝，與UC3875和UC3879相比，其偏置電流顯著降低。UCC3895在基本功能上與UC3875系列和UC3879系列控制器完全相同，同時(shí)增加了一些新的功能。主要有以下特點(diǎn)：(1)輸出導(dǎo)通延遲時(shí)間編程可控；(2)自適應(yīng)延遲時(shí)間設(shè)置功能；(3)雙向振蕩器同步功能；(4)電壓模式控制或電流模式控制；(5)軟啟動(dòng)/軟關(guān)機(jī)和控制器片選功能編程可控，單引腳控制;(6)占空比控制范圍0%?100%；(7)內(nèi)置7MHz誤差放大器；(8)最高工作頻率達(dá)到1MHz；(9)工作電流低，500KHz下的工作電流僅為5mA；(10)欠壓鎖定狀態(tài)下的電流僅為150UA。UCC3895引腳說明UCC3895和UCC2895移相諧振全橋軟開關(guān)控制器采用SOIC-20、PDIP-20、TSSOP-20和PLCC-20四種封裝形式，UCC1895采用CDIP-20和CLCC-20兩種封裝形式。下面以PDIP-20為例進(jìn)行介紹，其引腳排列如圖2-1所示。EANEAOUTREFEANEAOUTREFGNIDSYNCCTRTDELABDELCDEARSSDISBOUTACUTSPGNDVDOOUTCOUTDCSADS圖2-31、20、2：分別為運(yùn)放的反向輸入、同相輸入和輸出端。PWM比較器的反相輸入端。采用平均電流型控制時(shí)，接振蕩器定時(shí)電容CT端，采用峰值控制時(shí)，接電流采樣信號(hào)（加上斜率補(bǔ)償信號(hào)）5：接地端6：振蕩器同步端，多臺(tái)電源同步工作時(shí)使用。7：振蕩器定時(shí)電容，產(chǎn)生鋸齒波。8：振蕩器定時(shí)電阻，40-120kQ之間，控制定時(shí)電容充放電。9、10：分別調(diào)整A和B,以及C和D之間的死區(qū)時(shí)間11：自適應(yīng)延時(shí)設(shè)定，設(shè)定最大和最小可調(diào)輸出延時(shí)死去時(shí)間的比率，接CS時(shí)不延時(shí)，接地延時(shí)最長(zhǎng)。12：電流采樣端13、14、17、18：A—D驅(qū)動(dòng)輸出端，A和B互補(bǔ)，接一個(gè)橋臂，C和D互補(bǔ)接另一個(gè)橋臂，AC之間有相移，BD之間也有相移。15：電源端，接15V左右電壓，另接1uF旁路電容到地。16：接地端，與5接在一起。19：軟啟動(dòng)/關(guān)斷端，當(dāng)其電壓低于0.5V,或ref腳低于4V,或VDD腳低于欠壓封鎖門限電壓時(shí)，使3895快速關(guān)斷。啟動(dòng)時(shí)間由外接電阻和電容決定。UCC3895工作原理UCC3895是采用BCDMOS工藝制作的移相全橋PWM控制器，最高工作頻率可以達(dá)到1MHz。該控制器將定頻PWM技術(shù)與零電壓開關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，使變換器在高頻下的轉(zhuǎn)換效率大大提高。UCC3895在基本功能上與UC3875系列和UC3879系列移相全橋PWM控制器相同，只是在控制電路、延遲設(shè)置和關(guān)斷功能等方面進(jìn)行了改進(jìn)。另外，由于采用BCDMOS工藝，與UC3875和UC3879相比，其偏置電流顯著降低。

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LJCm^pAFgICJHH4-OISIONOLdOTJUIQI*TOH^￡>—HtrtRENCt；OfKMMF3HATd尺ouiADHLjMUUIHn『i「」<=M『PPC^gAd柱口廠rGMOrlU-l-wee圖2UCCSIS95樂唯幽UCC3895內(nèi)部集成了精密基準(zhǔn)電源、高頻振蕩器、軟啟動(dòng)電路、過流保護(hù)電路、電流檢測(cè)電路、空載比較器、欠壓鎖定電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路、基準(zhǔn)電壓監(jiān)測(cè)電路、延遲設(shè)置電路、禁止?fàn)顟B(tài)比較器、PWM鎖存器、D觸發(fā)器等，其原理框圖如圖所示。

15P圖2-4基于ucc3895芯片的控制電路圖如圖2-4所示三，設(shè)計(jì)論述電路參數(shù)設(shè)計(jì)：主電路參數(shù)：Vin=300VDC，Vo=48VDC，Po=1kW，f輸入電壓Vin：300VDC±20%輸出電壓V:48V

輸出電流I。：21A變壓器的設(shè)計(jì)1）原副邊匝比TOC\o"1-5"\h\z為了降低輸出整流二極管的反向電壓，降低原邊開關(guān)管的電流應(yīng)力，提高高頻變壓器的利用率，高頻變壓器原副邊匝比應(yīng)盡可能大一些。為了在輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出所要求的電壓，變壓器的匝比應(yīng)按輸入電壓最低時(shí)來選擇。設(shè)副邊最大占空比為0.425,此時(shí)副邊電壓為V ：secmin(3.1)V+V+V(3.1)V=j__D__f=59.058(V)secmin 2Demax其中，V為變換器的輸出電壓，V=1.2V為副邊整流二極管的導(dǎo)通壓降，V=1V為輸出濾波電o D Lf感寄生電阻在變換器額定輸出時(shí)的直流壓降，D 為變壓器副邊的最大占空比。emax"V300X（1-20%） -C變壓器的原副邊匝比為：K=7-=----=4.063V 59.058secmin2）選磁芯初選新康達(dá)錳鋅軟磁鐵氧體鐵芯EE42A，其A=235mm2。e3）確定原副邊匝數(shù)匝數(shù)的確定可以先確定原邊,也可先確定副邊,但由于原邊的電壓是變化的,可根據(jù)輸出是固定的來先確定副邊匝數(shù)Ns，由電磁感應(yīng)定律有：(3.2)V(3.2) o 4fBAsme將V=48V，f=100x103Hz，B=0.15T，A=235mm2代入上式有：os m e48N二 二3.404s4X100X103X0.15X235X10-6取匝，又由N=KxN=12.189，取N=12匝，N為變壓器原邊匝數(shù)。ps p p4）導(dǎo)線的選取導(dǎo)線應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線的集膚效應(yīng)的影響來選取導(dǎo)線的線徑，即根據(jù)穿透深度的大小來選取線徑，導(dǎo)線線徑應(yīng)小于兩倍的穿透深度A，穿透深度根據(jù)下面的公式計(jì)算：

(3.3)式中3為交變角頻率，N=NN為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率，Y為導(dǎo)線的電導(dǎo)率(此處3=2兀f,日=1,r0 sr旦=4kX10-7H/m,Y=58x106/Q.m),經(jīng)過計(jì)算，可得A=0.1975mm,導(dǎo)線直徑d應(yīng)小于02Amm的銅皮，選取電流密度為J=3.5A/mm2，變壓器原邊的導(dǎo)電面積：P o jvninP o jvnin-min3.5X300X(1-20%)X85%=1.4mm2所以原邊選用一層0.15x20mm2=1.4mm2同理，變壓器副邊繞組的導(dǎo)電面積為SsI_21J\2同理，變壓器副邊繞組的導(dǎo)電面積為SsI_21J\2~3.5v2=4.24mm2，實(shí)際選用0.25x20mm2的銅皮一層繞制。5)窗口面積核算變壓器的原副邊都采用銅皮繞制,所以只需核算一下磁芯的窗口寬度即可。窗口中銅皮的厚度為原副邊的銅皮厚度之和：12x0.15+0.25x4x2=3.8mm，小于EE42Amm，所選磁芯完全適合3.1.3輸出濾波電感的設(shè)計(jì)電感值的選取濾波電感的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)是使電感電流的脈動(dòng)為額定輸出電流的20%，也就是說要使電感電流為額定輸出的10%時(shí)電感電流是臨界連續(xù)的，因?yàn)槊總€(gè)模塊的額定輸出為21A，所以應(yīng)設(shè)定電感電流輸出2.1A時(shí)電感電流是臨界連續(xù)的，那么有：LXAILXAIf(V/K-Vin-max o(3.4)(3.5)(3.6)(3.5)(3.6)L=—Vo—11——V—f2fxAII V/K)s in-max若考慮整流管壓降匕和輸出濾波電感寄生電阻而引起的直流壓降Vj，則:TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"——o—(1 o )2fxAI V/K-V-Vs in-max DLf其中V. 是模塊輸入電壓的最大值。將V=48V、f=100X103Hz、K=4、\o"CurrentDocument"in-modmax o sV=300X(1+0.2)V、V=1.2V、V=1V、AI=4.2A代入上式，可計(jì)算得L=43uH。in-max D Lf 于濾波電感的設(shè)計(jì)濾波電感的設(shè)計(jì)步驟：1)根據(jù)功率容量和工作狀態(tài)，選用EE42磁芯，磁芯的有效導(dǎo)磁面積為A=182mm2。e初選氣隙，根據(jù)公式：(3.7)可得繞組匝數(shù)N=18.9,取N=19,則實(shí)際氣隙。3)核算磁芯最高工作磁密Bm。根據(jù)公式：(3.8)其中I=I+Ai/2=23.2A，可得B=0.29T。EE42的飽和磁密B=0.39T，B<B設(shè)計(jì)符合要求。oLf m s ms4)導(dǎo)線的選取。濾波電感電流有效值的最大值I =Io+Ai/2=23.2A，取電流密度為4A/mm2,則需要的Lfmax Lf導(dǎo)線截面積為S=I /J=5.8mm2xmm2的銅皮單層繞制。Lfmax5)窗口面積核算xmm,該磁芯符合設(shè)計(jì)需要。3.1.4功率器件的選擇開關(guān)管的選擇FB-ISOP組合變換器的開關(guān)管的電壓應(yīng)力V,為每個(gè)模塊的輸入電壓，是總的輸入電壓的一半，可得V —V =300X1.2—360V,電流應(yīng)力I為每個(gè)模塊輸出電流折射到原邊的電流值，可d,max in-max ,得I=I/K=5.25A，考慮裕量，可選用IXYS公司的IRFP460(540V/20A)。,maxo輸出整流二極管的選擇變壓器副邊采用全波整流,因此輸出整流二極管承受的電壓為兩倍的變壓器副邊電壓,二極管2V 2x300x(1+20%)的最大電壓應(yīng)力V =—nmax= =180V。二極管最大電流應(yīng)力I 為dmaxK4 dmaxI Ix(1+10%)omodmax=omod'_ =16.337A,I 是每個(gè)模塊輸出電流的最大值。考慮一定的電,；2 。2 o-m0dmax

壓電流裕量，選用IXYS公司的共陰極二極管DSEC60-04AC(234V/2義30A)。3.1.5諧振電感的設(shè)計(jì)1電感值的選取考慮到諧振電感的選用必須滿足由于：D+2D壓電流裕量，選用IXYS公司的共陰極二極管DSEC60-04AC(234V/2義30A)。3.1.5諧振電感的設(shè)計(jì)1電感值的選取考慮到諧振電感的選用必須滿足由于：D+2D<1lossmax emax(3.9)—V+V+V48+1.2+12D =*D/JL= =0.6275，因此D <1-2D =0.3725,選擇選擇emax V/K300x0.8/3 lossmax emaxin-min最大占空比丟失為D =0.3，可以得到諧振電感量為：lossVKDL=inmin lossr 4Ifos(3.10)NH。根據(jù)原理樣機(jī)的性能要求，選IRF460作為主開關(guān)管，在V=25V時(shí)，其結(jié)電容。=870pF。dc oMOSFET輸出電容是非線性的，等效電容值與V有C=。x,-'25/V的關(guān)系支，因此：dsosso飛 dsC=870x、；25/270=265(pF)oss(3.11)滯后管開關(guān)時(shí)，變壓器副邊是短路的，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的能量只有Lr的能量。因此為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，必須滿足下式：14I2L>-CV22lagr3ossin(3.12)由此，可以得到：IlagminLr3ossin=0.083(A)(3.13)此時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流為0.083x3=0.249(A),是滿載電流的11.86%,也就是說，當(dāng)負(fù)載電流大于滿載電流的11.86％時(shí)，滯后管可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。超前管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間設(shè)置為td(lead)=200ns,在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，將即將開通的超前管的結(jié)電容電荷全部抽光所需要的電流為：

CV(3.14)i =—ossin=0.398(A)(3.14)leadmintd(lead)該電流對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流為0.398義3=1.192(A),是負(fù)載電流的5.7%,也就是說，當(dāng)負(fù)載電流大于滿載電流的5.7%，超前管可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。諧振電感的設(shè)計(jì)1)根據(jù)功率容量和工作狀態(tài)，選用EE33磁芯，磁芯的有效導(dǎo)磁面積為A=n1mm2。e初選氣隙,根據(jù)公式：(3.15)可得繞組匝數(shù)N=11.08,取N=11,則實(shí)際氣隙。3)核算磁芯最高工作磁密Bm。根據(jù)公式：(3.16)+Ai+Ai/2)/K=5.8Ao-mod Lf可得B=0.2T。EE33的飽和磁密B=0.39T，B<B設(shè)計(jì)符合要ms求。導(dǎo)線的選取。諧振電感電流有效值的最大值Irmax=I=5.8A，取電流密度為4A/mm諧振電感電流有效值的最大值IrmaxS=