发布时间 : 星期六 文章5kw移相全桥ZVS DCDC变化器(开关电源)的研究要点更新完毕开始阅读c28bfa65b80d6c85ec3a87c24028915f804d84be
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r the Master Degree in Engineering RESEARCH ON 5kW PHASE-SHIFT FULL BRIDGE ZVS DC/DC CONVERTER
Candidate： Liu Xin
Supervisor： Prof.Ma Hongfei
Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality：
Power Electronics and Electric Drivers
Affiliation：
School of Electrical Engineering and Automation Date of Defence： June, 2011
Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学硕士学位论文 - I - 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 BRIDGE ZVS DC/DC CONVERTER
刘鑫
哈尔滨工业大学
2011 年 6 月哈尔滨工业大学硕士学位论文 - II - Abstract
DC/DC converter is a main 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 DC/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 some 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 power 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 output 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 SABER 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 feedback 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 - III - 目 录
摘 要 ............................................................................................. I
Abstract .......................................................................................... II
第 1 章 绪 论 ..................................................................................1 1.1 DC/DC 变换器背景及发展方向 ..................................................... 1 1.1.1 电力电子器件是主要推动力 ............................................... 1 1.1.2 软开关技术概述 ............................................................... 1 1.1.3 DC/DC 变换器的发展趋势 .................................................. 4
1.2 全桥 ZVS PWM 变换器的概述 ..................................................... 5 1.2.1 全桥变换器的控制策略 ..................................................... 5
1.2.2 移相全桥 ZVS PWM 变换器常见的问题和拓扑改进.................. 6 1.3 本文研究方向及主要内容............................................................ 8 1.3.1 本文研究方向 ................................................................. 8 1.3.2 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 ...........................10 2.1 移相开关 ZVS DC/DC 变换器基本的拓扑分析 ............................... 10 2.2 移相全桥 ZVS DC/DC 变换器中关键问题的研究............................. 14 2.2.1 占空比丢失问题 ............................................................ 14 2.2.2 超前臂和滞后臂 ZVS 的实现 ............................................ 15 2.2.3 损耗分析 ..................................................................... 16 2.2.4 整流二极管寄生振荡 ...................................................... 17 2.3 本章小结 .............................................................................. 21
第 3 章 5kW 移相全桥 ZVS DC/DC 变换器的设计 ...........................22 3.1 5kW 移相全桥 ZVS DC/DC 变换器的技术指标 ............................... 22 3.2 变换器的各器件选型及相关参数计算 .......................................... 22 3.2.1 全桥开关管的选择 ......................................................... 22 3.2.2 主变压器的设计 ............................................................ 22 3.2.3 整流二极管的选择 ......................................................... 25 3.2.4 输出 LC 滤波电路的设计 ................................................. 25 3.2.5 隔直电容的选择 ............................................................ 26
3.2.6 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 - IV -
3.2.7 箝位电路的设计 ............................................................. 28 3.3 损耗计算............................................................................... 29 3.3.1 MOSFET 的相关损耗计算................................................. 29 3.3.2 副边整流二极管的通态损耗计算........................................ 30 3.3.3 箝位电路的损耗计算 ....................................................... 31 3.4 开环仿真 .............................................................................. 31 3.5 本章小结 .............................................................................. 35
第 4 章 基于 UCC2895 的控制系统的设计 ......................................36 4.1 控制器 UCC2895 介绍及外围元件的选择 ..................................... 36 4.1.1 UCC2895 芯片的介绍 ...................................................... 36 4.1.2 UCC2895 外围元件的选择 ................................................ 38 4.1.3 采样和保护电路的设计 .................................................... 39 4.2 补偿系统的设计 ..................................................................... 41
4.2.1 移相全桥 ZVS DC/DC 变换器的小信号模型 ......................... 41 4.2.2 反馈补偿网络的设计 ...................................................... 46 4.3 本章小结 .............................................................................. 49 第 5 章 实验结果及分析 ................................................................50 5.1 测试设备说明 ........................................................................ 50 5.2 测试波形及其分析................................................................... 51 5.2.1 驱动波形及其分析 .......................................................... 51 5.2.2 主电路测试波形及分析 ................................................... 52 5.3 变换器结构设计 ..................................................................... 54 5.4 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 - 1 -
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 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、