1kW移相全橋直流變換器設(shè)計

課設(shè)課程名稱

電力電子技術(shù)課程設(shè)題目名稱1kW相全橋直流變換器設(shè)計專業(yè)班級學生姓名

11級電氣工程及其自動化學

號指導教師二○一四年四月十三目錄1

一，設(shè)計內(nèi)容和要求..................................................................1.1主路參數(shù)..................................................................31.2設(shè)內(nèi)容....................................................................31.3仿波形....................................................................3二，設(shè)計方案........................................................................32.1主路工作原理2.2芯說明....................................................................42.2.1采用芯片說明.........................................................42.2.2UCC3895引說明.......................................................52.2.3UCC3895工原理.......................................................6圖2-4基ucc3895芯的控制電路圖.............................................82.3控制電路設(shè)計.................................................................8三，設(shè)計論述........................................................................83.1電路參數(shù)設(shè)計：...............................................................83.1.1主電參數(shù)：..........................................................83.1.2變壓的設(shè)計..........................................................93.1.3輸濾波電感的設(shè)計..................................................103.1.4功器件的選擇......................................................113.1.5諧電感的設(shè)計......................................................123.1.6輸出波電容和輸入電容和選擇.........................................13四，仿真設(shè)計.......................................................................13五，結(jié)論...........................................................................15六，參考文獻.......................................................................162

1.1主電路參數(shù)1.2設(shè)計內(nèi)容主電路：擇開關(guān)管、整流二極管型號，計算濾波電感感值、濾波電容容值，諧振電感感值、空比、變壓器匝比等電路參數(shù)?？刂齐娐罚篣CC3895芯周邊元器件參數(shù)1.3仿真波形給出仿真電路，得到仿真波形2.1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)計主要使用移相控制。由2-2可，電路結(jié)構(gòu)與普通雙極性PWM變器類似。、D1和Q4、D4成超前橋臂、、D2和Q3組成滯后橋臂；C1～C4分是Q1的諧振電容，包括寄生電容和外接電容是振電感，包括變壓器的漏；T副和DR1組全波整電路Lf、Cf組成輸出濾波器R1是載Q1和Q3分別超前Q4和Q2一相位即移相)，通調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。由2可，在一個開關(guān)周中，移相全橋ZVSPWMDC-DC變換器有12種關(guān)模態(tài)，通過控制4個開管Q1～Q4在A兩得到一個幅值為Vin的流方波壓；經(jīng)過高頻變壓器的隔離變壓后，在變壓器副方得到一個幅值為Vin的交方波電壓，然后通過由和DR2構(gòu)的輸出整流橋，得到幅值為Vin／K的流方波電壓。這個直流方波電壓經(jīng)過Lf組成輸出濾波器后成為一個平直的直流電壓，其電壓值為Uo=DVin／K(D是空比)。Ton是通時間Ts是關(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Uo。3

圖2-2移相控制電路電說：1、與雙極性控制相比，每個開管并聯(lián)一個電容。采用MOSFET時，不需要另外并電容和二極管2、增加一個諧振電感Llk。3、利用電感和電容的諧振實現(xiàn)關(guān)管軟開關(guān)。4、每個開關(guān)管導通時間接近180°同一橋臂兩個開關(guān)管互補導通，Q1為超前橋臂，Q2為滯后橋臂，超前橋臂超前滯后橋臂一定角度。2.2芯片說明UCC3895是美德州儀器公司生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的BCDMOS技高工作頻率可以到控制器將定頻PWM技與電壓開關(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在本功能上與UC3875系列UC3879系移全橋PWM控制相同，只是在控電路、延遲設(shè)置和關(guān)斷功能等方面進行了改進。另外，由于采用4

BCDMOS工，與UC3875和UC3879相比，其偏置電流顯著降低。UCC3895在本功能上與UC3875系列和UC3879系控制器完全同，同時增加了一些新的功能。主要有以下特點：（1）輸出導通延遲時間編程可；（2）自適應(yīng)延遲時間設(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制；（5）軟啟動/軟關(guān)機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)置誤放大器；（8）最高工作頻率達到1MHz；（9）工作電流低，500KHz下的作電流僅為；（10欠壓鎖定狀態(tài)下的電流僅150μA。2.2.2UCC3895引腳說明UCC3895和UCC2895移相諧振全橋開關(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-20CLCC-20兩種封裝形式。下面以PDIP-20為例進行介紹，其腳排列如圖-1所示。圖2-31、20、2：別為運放的反向輸入、同相輸入和輸出端。3:PWM比器的反相輸入端。采用平均電流型控制時，接振蕩器定時電容CT端，采用峰值控5

制時，接電流采樣信號（加上斜率補償信號）5：接地端6：振蕩器同步端，多臺電源同工作時使用。7：振蕩器定時電容，產(chǎn)生鋸齒。8：振蕩器定時電阻，40–120kΩ之間，控制定時電容充放電。9、10：分別調(diào)整和B，以及C和D之的死區(qū)時間11：適應(yīng)延時設(shè)定，設(shè)定最大最小可調(diào)輸出延時死去時間的比率，時延時，接地延時最長。12：流采樣端13、14、17：A–D驅(qū)動輸端AB互，接一個橋臂C和互接另一個橋臂，AC之間有相移BD之間有相移15：源端，接左電壓，接1uF路電容到地。16：地端，與5接一。19：啟/關(guān)斷端，當其電壓于0.5V，或ref低于4V，或VDD腳于欠壓封鎖門限電壓時，使3895快速關(guān)斷。啟動時間由外接電阻和電容決定。2.2.3UCC3895工作原理UCC3895是采用工制作的移相全橋PWM控制器，最高工作頻率可以達1MHz?？刂破鲗⒍lPWM技術(shù)與零電壓開關(guān)術(shù)結(jié)合在一起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列移相全橋PWM控制相同只是在控制電路延遲設(shè)置關(guān)斷功能等方面進行了改進。另外，由于采用BCDMOS工，與UC3875和UC3879相，其偏置電顯著降低。6

UCC3895內(nèi)集成了精密基準電源、高頻振蕩器、軟啟動電路、過流保護電路、電流檢測電路、空載比較器、欠壓鎖定電路、驅(qū)動輸出電路、基準電壓監(jiān)測電路、延遲設(shè)置電路、禁止狀態(tài)比器、PWM鎖存器D觸發(fā)等，其原理框圖如圖所示。7

15PC28

VccC23

+V

120K10K

It1013+UCC3895VcR32

C2555p

C30320p

R35

R34

C2447n

R37

C2947n

C27圖-4基于ucc3895芯片的控電路圖如圖2-4所示三，設(shè)計論述3.1電路參數(shù)設(shè)計：3.1.1主電路參數(shù)：in=300VDCo=48VDC，Po=1kW，

輸入電壓Vin：300VDC±20%輸出電壓V：48V8

ss輸出電流

I3.1.2變壓器的設(shè)計1)原邊匝比為了降低輸出整流二極管的反向電壓低原邊開關(guān)管的電流應(yīng)力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，變壓的匝比應(yīng)按輸入電壓最低時來選擇。設(shè)副邊最大占空比為0.425，此時副邊電壓為

V

：V

VoDLf

59.058

(V)(3.1)其中，

V

為變換器的輸出電壓，

VVD

為副邊整流二極管的導通壓降，

Lf

為輸出濾波電感寄生電阻在變換器額定輸出時的直流壓降，

D

e

為變壓器副邊的最大占空比。變壓器的原副邊匝比為：

K

in

30020%)

2)選芯初選新康達錳鋅軟磁鐵氧體鐵芯EE42A，其

235e

2

。3)確原副邊匝數(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)N，由磁感應(yīng)定律有：Vo4Bsme

(3.2)將

V48V，f

3

，T，235me

2

代入上式有：

4

3

480.15235

取匝，又由

Kps

，取

p

匝，為壓器原邊匝數(shù)。4)導的選取導線應(yīng)根據(jù)導線的集膚效應(yīng)的影響來選取導線的線徑，即根據(jù)穿透深度的大小來選取線徑，導線線徑應(yīng)小于兩倍的穿透深度穿透深度根據(jù)下面的公式計算：9

ffNs

(3.3)式中

為交變角頻率，

r0

為導線的磁導率，

為導線的電導率(此

f

，

r

，

H，

/

)，過計算，可得0.1975mm導線直徑d應(yīng)小于的銅皮，選取電流密度為

J3.5/mm

，變壓器原邊的導電面積：Sp

Pomin

33.585%

2所以原邊選用一層

的銅皮繞制。此處

V

為模塊輸入電壓的最小值。同理變壓器副邊繞組的導電面為

s

IoJ2

4.24mm3.52

2

實選用

0.25

的銅皮一層繞制。5)窗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120.153.8

mm，小于

EE

mm，選磁芯完全適合3.1.3輸出濾波電感的設(shè)計1.電值的選取濾波電感的經(jīng)驗設(shè)計是使電感電流的脈動為額定輸出電流的

20%

就是說要使電感電流為額定輸出的

10%

時電感電流是臨界連續(xù)的為個模塊的額定輸出為

所應(yīng)設(shè)定電感電流輸出2.1A時電感電流是臨界連續(xù)的，那么有：f

Ts/K

(3.4)Lf

12f/Kinmax

(3.5)若考慮整流管壓降

V

D

和輸出濾波電感寄生電阻而引起的直流壓降V，則：Lf(12Vsmax

o/DLf

)

(3.6)其中

是模塊輸入電壓的最大值。將

V48V

、

100

、

K

、0

mmin

300、V、DLf

、A

代入上式，可計算得

L

f

43uH

。2.濾電感的設(shè)計濾波電感的設(shè)計步驟：1)根功率容量和工作狀態(tài)，選用磁芯，磁芯的有效導磁面積為A。2)初氣隙，根據(jù)公式：

Ae

(3.7)可得繞組匝數(shù)=18.9，N，實際氣隙。3)核磁芯最高工作磁密B。據(jù)公式：NI0

(3.8)其中

IoLf

23.2A

，可得=0.29T。EE42的和密B=0.39T，B設(shè)計符合要求。4)導的選取。濾波電感電流有效值的最大值

I

Lfmax

I223.2Lf

，取電流密度為4A/mm，則需的導線截面積為

I

Lfmax

/5.82

mm

的銅皮單層繞制。5)窗面積核算，磁芯符合設(shè)計需要。3.1.4功率器件的選擇1)開管的選擇FB-ISOP組變換器的開關(guān)管的電壓應(yīng)為每個模塊的輸入電壓，是總的輸入電壓的一半可得

ds

max

300電應(yīng)力I為個塊輸出電流折射到原邊的電流值s得

I

/

，考慮裕量，可選用IXYS公司的)。2)輸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，二極管的最大電壓應(yīng)力

dmax

2V300(1+20%)-max=K

=180

。二極管最大電流應(yīng)力

I

dmax

為I

omax

I

o

16.337AI

是每個模塊輸出電流的最大值?？紤]一定的電1

rlagrrlagr壓電流裕量，選用IXYS公司的共陰極二極管DSEC60-04AC/23.1.5諧振電感的設(shè)計1電值的選取考慮到諧振電感的選用必須滿足由于：Dlossmaxemax

30。

(3.9)max

VoDLfVmin

300/3

0.6275因此DDlossmax

=0.3725選擇選擇最大占空比丟失為

Dloss

，可以得到諧振電感量為：KDLmin4Ifo

(3.10)。根據(jù)原理樣機的性能要求，選IRF460作主開關(guān)管，在V＝25V時其結(jié)電容

C'

870pF

。MOSFET輸電容是非線性的，等電容值與有

C

V

的關(guān)系

，此：C

25/270265(pF)

(3.11)滯后管開關(guān)時變器副邊是短的實軟開關(guān)的能量只有L能量因此為了實現(xiàn)軟開關(guān)，必須滿足下式：4I2LC3

2

(3.12)由此，可以得到：I

lagmin

VossinLr

2

A

(3.13)此時對應(yīng)的負載電流為

0

(A)，是滿載電流的11.86％，就是說，當負載電流大于滿載電流的11.86％，滯后管可以實現(xiàn)軟開關(guān)。超前管的驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間設(shè)置為t=200ns死區(qū)時間內(nèi)將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：2

mmimin

Cossin0.398()td()

(3.14)該電流對應(yīng)于負載電流為

0.398)

是載電流的5.7%也是說當負載電流大于滿載電流的5.7%，超前管可實現(xiàn)軟開關(guān)。2諧電感的設(shè)計1)根功率容量和工作狀態(tài)，選用磁芯，磁芯的有效導磁面積為A。2)初氣隙，根據(jù)公式：

Ae

(3.15)可得繞組匝數(shù)，=11，則實際氣隙。3)核磁芯最高工作磁密B。據(jù)公式：NI0

(3.16)其中求。

I/25.8o4)導的選取。

可=0.2T。EE33的飽和磁B=0.39T<B設(shè)計合要諧振電感電流有效值的最大值

I

r

5.8A

，取電流密度為4A/mm，需要導線的面積為

r

/

。這里選用