PWM控制全桥软开关电源1.docx

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PWM控制全桥软开关电源1

2010届本科毕业设计

PWM控制全桥软开关电源设计

院（系）名称

物理与电子信息学院

专业名称

电气工程及其自动化

学生姓名

张磊

学号

060544129

指导教师

马红梅硕士

完成时间

2010年5月15日

PWM控制全桥软开关电源设计

张磊

物理与电子信息学院电气工程及自动化学号：

060544129

指导教师：

马红梅

摘要：

本论文设计了一种基于PWM控制全桥软开关电源。

设计了高频变压器、控制电路、交流EMI滤波器、输出保护电路等。

本设计得到了一款输出为48V/20A的PWM控制全桥软开关电源。

该电源具有频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等优点。

关键词：

全桥变换器；零电压开关；PWM控制

PWMControlFull-bridgeSoftSwitchingPowerSupply

Zhanglei

ElectronicInformationScienceandTechnologyNo:

060544129

Tutor:

MaHong-mei

Abstract:

Inthisthesis,basedonPWMcontrol,afull-bridgesoftswitchingpowersupplywasdesigned.Anditdesignedahigh-frequencytransformer,controlcircuit,ACEMIfilterandoutputprotectioncircuit.ThisdesignhasbeenaPWMcontroloutput48V/20Aoffull-bridgesoftswitchingpowersupply.Thepowersupplyhasahighfrequency,highefficiency,highpowerdensity,highreliability,etc.

Keywords:

Full-BridgeConverter;ZVS;PWMControl

目录

摘要1

2PWM控制全桥软开关电源系统3

2.1PWM控制全桥软开关电源工作原理3

2.2方案论证4

2.2.1PWM控制全桥软开关电源实现的三种方式4

2.3PWM控制全桥软开关电源单元电路设计4

2.3.1主电路设计4

2.3.2高频变压器的设计7

2.3.3控制电路设计9

2.3.4交流EMI滤波及前级整流滤波电路设计14

2.3.5输出保护电路设计15

3系统调试16

3.1变压器的调试16

3.2测试记录16

3.2.1纹波电压测试16

3.2.2过电压保护（OVP）测试16

3.2.3短路保护测试17

3.2.4过电流保护（OCP）测试17

3.2.5过功率保护（OPP）测试17

3.2.6安全（Safety）规格测试17

3.2.7异常测试18

3.2.8电磁兼容（ElectromagneticCompliance）测试18

3.2.9可靠性（Reliability）测试18

4结束语18

参考文献18

1引言

电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。

从某种程度上来讲，可以看成是系统的心脏。

电源按照不同的方式可以分为多种。

其中，软开关电源是相对于硬开关电源而言的。

硬开关电源的开关器件是在承受电压或电流的情况下接通或断开电路的，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即开关损耗。

开关频率越高，硬开关电源的开关损耗就越大。

此外，开关过程中还会激起电路分布的电感和寄生电容的震荡，带来附加损耗并产生电磁干扰，这就需要采取防止电磁干扰的措施。

软开关电源较好的解决了上述硬开关电源的不足。

软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关；或是通过开关器件的电流为零，即零电流开关。

这种开关方式显著地减小了开关损耗的开关过程中激起的震荡，可以大幅度地提供开关频率，为开关电源小型化及高效率创造了条件。

本设计中采用软开关技术，它利用以谐振为主的辅助换流技术。

软开关技术中,可分为零电压开通、零电流关断以及零电压电流开关共三种实现方式。

本设计采用具有软开关功能的UCC3895集成芯片，设计了一款输出为48V/20A的、具有良好ZVS开关效果的、并能够减少副边占空比丢失的移相控制PWMZVSDC/DC变换器。

2PWM控制全桥软开关电源系统

2.1PWM控制全桥软开关电源工作原理

图1给出了PWM控制全桥软开关电源系统的方框图。

从图1可知，将交流电源输入经整流滤波后转换成直流，通过PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关器件，将经整流滤波而得到的直流电压加到开关变压器初级上，开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载，输出部分通过辅助电路反馈给控制电路，以达到预定输出电压的目的。

PWM控制全桥软开关电源以改变两臂对角线上下驱动电压移相角来调节输出电压，超前臂栅极电压领先于滞后臂栅极电压一个相位。

在控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，并利用变压器漏感和功率管的结电容与寄生电容完成谐振过程以实现零电压开通。

PWM控制全桥软开关电源有效克服了感性关断电压尖峰和容性开通造成的开关管温度过高的缺点，减少了开关损耗与干扰。

图1PWM控制全桥软开关电源系统方框图

2.2方案论证

2.2.1PWM控制全桥软开关电源实现的三种方式

PWM控制全桥软开关电源实现的三种方式为：

1.零电流开关（ZCS）

使开关关断前其电流减小到零，则开关关断时就不会产生关断损耗和噪声，这种方式称为零电流关断。

在很多情况下，直接称其为零电流开关。

该种方式可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、感性关断问题及抑制可能产生的电压尖峰，但是由于器件本身的原因，仍然有两个主要的途径产生噪声。

2.零电压开关（ZVS）

使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种方式称为零电压开通。

与零电流开关相同，也直接称其为零电压开关。

该种方式可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题及抑制可能产生的电流尖峰。

3.零电压零电流开关（ZVZCS）

零电压开通和零电流关断配合应用，就可形成零电压零电流开关。

这种开关方式，可以减小电路总损耗，抑制过电压。

该种方式兼有方式的优点，但实现此种方式的电路较复杂。

2.3PWM控制全桥软开关电源单元电路设计

2.3.1主电路设计

1.图2为主电路原理图：

图2中Q1、D1和Q4、D4组成一对桥臂，Q2、D2和Q3、D3组成另一对桥臂。

两对桥臂的MOSFET管通过芯片UCC3895的控制信号，实现桥臂的互补通断，形成桥式电压型逆变电路。

其输出经高频变压器将电压互感到次级端，再通过后级整流得到直流。

保证D5～D8是输出整流二极管，构成桥式整流：

D5、D8为一桥臂，D6和D7构成另一对桥臂。

L1是输出滤波电感，C5是输出滤波电容。

图2主电路原理图

2.主电路参数设定

输入电压Vin：

Vin=220V

输出电压Vo：

Vo=48V

输出电流Io：

Io=20A

额定输出功率Pop：

Pop=VoIo=1kW

设定整机输出效率η：

η=0.9

开关频率：

f=50kHz

变压器的变压比为：

，取n=5；其中ΔV为输出端整流管的压降，绕组和线路压降的总和，σm为最大占空比。

3.输出整流管D5~D8的选择

最大电流为25A，平均电流为20A，最高反向电压为2

×48=135V

4.主功率开关管Q1～Q4的选择

，VDS=400V

选择IRF460MOSFET。

开关管损耗：

COSS=440pF，RDS（on）=0.27Ω

导通损耗：

开通时间：

td（on）=18ns

关断损耗：

5.滤波电感L1的选择

设负载电流的变化为:

；

设在关断期间，电流下降了满载电流的20%，即4A。

因此有：

6.滤波电容C5的选择

电容器在单位时间内释放出来的能量为：

（1）

其中N每秒内电容器充放电的次数，即输出整流频率。

（2）

要求△Uopp＜0.5V,则

C=1000μF

7.缓冲电容C1～C4的选择

，取Vcbp=15V，则

2.3.2高频变压器的设计

1.常用的变压器的铁芯/磁芯材料包括以下几种：

（1）硅钢片（SiliconSteel）：

按照内部结构不同分无取向硅钢和取向硅钢。

硅钢具有高饱和磁感应强度，三级品已具有1.6T的饱和磁感应强度F。

有较高的相对导磁率，一般都在5000～100000硅钢适合作50赫兹或400赫兹变压器，也适合作滤波电抗器。

因为其电阻率小，不可以在高频下工作。

优点：

价格便宜，加上方便，磁性能较好。

缺点：

不能在高频下工作。

（2）坡莫合金（Permalloy）：

坡莫合金是含镍30%～90%的软磁铁镍合金，初始导磁率约为10000，饱和磁感应强度约为1T。

坡莫合金曾经是高频铁芯材料的重要品种，现应用较少。

优点：

磁性能较好。

缺点：

价格高，高频性能不好，加上设备要求高，难以适应10KHz以上的工作频率。

（3）铁氧体（Ferrite）：

是以铁为主要成分的或几种金属的复合氧化物。

我们经常用到的R2K系列铁氧体既是锰—锌铁氧体。

铁氧体的磁导率较低，饱和磁感应强度也较低。

例如R2K系列铁氧体，其起始磁导率在2000～2500之间，饱和磁感应强度也只有0.3T（少数可达0.5T）。

但铁氧体的电阻率高，这样高频时，交流磁化时的涡流损耗小，目前是应用于高频领域主要的磁性材料。

优点：

价格便宜，成型容易，高频发热较小，高频性能好。

缺点：

易碎，居里温度低。

（4）非晶态合金（Amorphous）:

非晶态的内部结构就像是液态结构的冻结，它不像晶体那样内部有各种规则的晶体结构，所以非晶态合金既具有金属性质，又像玻璃那样是非晶态的固体。

非晶体从前来看是一种性能优异的磁性材料，饱和磁感应强度可达1.25T（铁基），剩磁低，矫顽力小。

而且导磁率很高，20kHz约为20000以上，是未来最有前途的磁性材料之一。

优点：

损耗小，电阻率高，要求的激磁电流小。

缺点：

价格偏高，长期工作时的稳定性还很不了解。

产品一致性还没有把握。

2.高频变压器参数设计

根据变压器设计的要求，选用PQ50/50铁氧体磁芯，先给出主功率变压器原边绕组匝数的设计公式和计算过程。

考虑到采用UC系列PWM脉冲发生器的最佳工作频率，又因为采用高频开关性能良好的MOSFET功率管，所以选择开关频率为50KHz。

PQ50/50铁氧体的有效中心柱截面积为AQ=4.18cm2，因此PQ50/50的乘积为：

根据式（3）可以计算出变压器的原边绕组匝数：

（3）

其中：

Vin变压器直流输入电压。

Kf波形系数，为有效值与平均值之比，方波是为4。

fs开关工作频率。

Bm工作磁通密度。

Ae磁芯有效截面积，等于磁芯长与宽的乘积。

因此

取原边绕组48匝。

副边绕组匝数按照公式（4）和（5）来进行计算：

（4）

（5）

其中，输出电压：

Vo=48V；

整流二极管压降：

VD=1.2V；

输出滤波电感压降：

VL=0.2V

由（3）式得：

再将Vop代入（4）式中得：

因此副边绕组匝数取9匝。

实际绕制时原边为48匝，副边为9匝。

2.3.3控制电路设计

1.震荡参数及死区时间

震荡参数：

主电路开关频率f：

f=500KHz

死区时间：

死区时间τ：

τ≈500ns

2.UCC3895移相控制器

实现移相控制软开关电源的芯片有多种，如UC386X（61～68）系列、UCC3802、UCC38XX系列等。

本设计采用UCC3895芯片。

下列是该芯片的有关资料：

UCC3895是Unitrode公司生产的一种高性能PWM移相式控制器。

它保留了UCC3875/6/7/8系列和UCC3879的功能，又对该控制器系列做了改进，增加了一些特性：

如增加了自适应死区设置，以适应负载变化时不同的准谐振软开关要求。

另外增加了PWM软关断能力，同时由于它采用了BCDMOS工艺，使它的功耗更小，工作频率更高等。

它主要用于定频脉宽调制，同时配合零电压开关工作以实现在高频时的局部软开关功能。

其主要功能如下：

可调节的输出导通延迟；

恰当的延迟设定；

双向作用的振动器同步化；

能工作在电压或电流模式控制；

可编程的软启动与软停止，能用单脚控制让芯片不工作；

占空比控制达0~100%；

7MHz单位增益带宽（VGB）的误差放大器；

工作频率达1MHz；

低的有效电流消耗仅约5Ma（在500kHz下）；

具有极低的过电压锁定电流消耗，典型值为150μA。

3.UCC3895引脚图

图3UCC3895引脚图示

4.UCC3895的封装有20角，其引脚排列如图4所示。

它采用恒频脉宽调制，结合谐振式零电压开关，提供高频时的高效率工作。

5.UCC3895的内部结构框图如图5所示：

由UCC3895内部结构框图可知，该芯片内部主要由震荡信号产生电路、电压及电流信号比较电路、输出脉冲信号产生电路、自适应延时脉冲产生电路及保护电路等几部分组成。

6.UCC3895的极限参数：

最高输入电压：

17V（IDD＜10mA）

最大输入电流：

30mA

基准（REF）参考电流：

15mA

最大输出电流：

100mA

EAP、EAN、EAOUT、RAMP、SYNC、ADS、CS、SS/DI、SB脚的最大模拟输入电压范围为-0.3V～（REF）0.3V

最大功耗:

TA=250C时，N封装为1W，D封装为0.65W

结温范围：

-550C～1250C

引线温度：

+3000C。

图4UCC3895引脚形式

7.移相控制原理:

移相控制全桥零电压软开关变换器电路虽然具有高频零电压软开关运行、易实现移相控制、电流和电压应力小、巧妙利用寄生元件等突出优点，但是，它又存在着滞后桥臂软开关范围较窄、占空比损失较大、整流二极管电压震荡、初级有环流损耗等方面的问题。

滞后臂难于实现零电压开关，其根本原因是：

当滞后臂换流时，功率变压器正处于无源状态，即续流状态，输出电感和励磁电感都不能参与滞后臂的谐振换流。

励磁电感参与全桥变换器谐振换流的充要条件是器件换流期间变压器处于能量输出状态或纯电感状态。

因而，改进这种软开关电路的基本原理是：

在滞后桥臂换流时使变压器由续流状态转化为纯电感状态，从而启用激励电感参与滞后桥臂的串联谐振。

8.控制电路原理图

UCC3895及外围电路如图6所示：

电源电压VCC（脚15）为芯片内部逻辑与模拟电路提供电源，在该脚与之间应接一个1.0μF的低ESR和ESL电路；基准电压REF（脚4）提供一个5V±1.2%的基准电压，它与地之间连接一只1.0μF分别为除输出级外所有电路接地端和IC输出端接地端。

9.UCC3895振荡器

CT（脚7）和RT（脚8）分别为振荡器定时电容和定时电阻。

振荡器通过由该电阻编程的固定电流对该电容充电工作。

由RT调节的充电电流固定不变，流过RT的电流为：

。

软启动充放电电流也由IRT编程。

在电容CT上的波形为锯齿波，峰值电压是2.35V，振荡器电路如图7所示：

图5UCC3895内部结构框图

振荡器周期计算公式为：

式中，CT的单位是F，RT的单位是Ω，tosc单位是秒。

本设计中取CT=220pF，可得RT=431KΩ，即设置开关频率为100kHz，输出信号频率为50kHz。

大的CT与小的RT的组合将引起CT波形下降时间的延长，该延长的下降时间增大同步信号SYNC的脉宽，从而限制4路输出脉冲之间的最大相移，并限制变换器的最大占空比。

SYNC（脚6）为振荡器同步脚，它是双向的，在本设计中将其悬空。

图6UCC3895及外围电路

10.软启动与失效脚

（1）失效模式：

芯片的快速关闭是由下列任何一种方法来实现的，在外部迫使SS/DISB低于0.5V；在外部强迫VREF低于4V，VDD降到低于UNLO欠压锁定门限电平；或者过流信号被传感（VGS=2.5V）。

（2）软启动模式：

在故障之后或无效条件过去后，VDD高于启动门限电平，或者在软停止期间，SS/DISB（脚19）低于0.5V，SS/DISB将转变到软启动模式，该引脚现在的电源电流将等于IRT，在SS/SISB脚，由用户选择的1只电容，确定了软启动的时间，当其正常工作时片内有90μA恒流源向其充电，最后可达4.8V，以决定软启动时间为1ms，所以CSS=18.75nF。

图7振荡器电路图

（3）输出级：

OUTA（脚18），OUTB（脚17），OUTC（脚14），OUTD（脚13），它们是100mA的互补式MOS驱动器的四个输出脚。

A-B、C-D分别是完全互补的，它们在接近50%的占空比和

的振动器频率上工作，分别通过高频隔离变压器加以隔离放大后接到专用的MOSFET驱动芯片IXDD414以驱动一个MOSFET。

2.3.4交流EMI滤波及前级整流滤波电路设计

1.EMI滤波及前级整流滤波电路如图8所示：

图8交流EMI滤波及前级整流滤波电路

2.交流EMI滤波器

交流EMI滤波器主要作用是抑制开关电源进出的电磁干扰，具有双向抑制性。

开关电源EMI滤波器的基本网络如图9所示。

图9交流EMI滤波器

图9中差模抑制电容为CX，共模电感为T。

滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。

其基本原理为：

（1）利用电容通高频隔低频的特性，将电源正极和负极高频干扰电流导入地线，或将电源正极高频干扰导入电源负极。

（2）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源。

图2中差模抑制电容Cx1和Cx2的范围是0.1～0.47μF；模抑制电感L1范围5~25mH。

设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即

该设计中开关频率为50kHz，符合要求。

3.前级整流滤波电路

开关电源的前级整流滤波电路采用的是单相桥式不可控整流电容滤波电路。

（1）输出平均电压Uo=0.9U2，输出平均电流

。

二极管上的平均电流为：

。

（2）二极管上的最高反向电压：

UDRM=

U2

（3）开关电源的滤波电路采用的是电容滤波电路。

对于电容滤波，它的优点有：

输出电源高，在小电流时滤波效果较好。

但电容滤波也有缺点，它的负载能力差，电源接通瞬间充电电流很大，整流管要承受很大正向浪涌电流。

它实用负载电流较小的场合。

2.3.5输出保护电路设计

本电源变换器设置有两个保护功能和一个告警功能：

输出过压保护，开关管过流保护和输出欠压告警。

保护电路如图10所示：

图10保护电路图

3系统调试

3.1变压器的调试

变压器计算好后，按照计算数值对变压器进行绕制，我们对其进行测试，我们会发现测试数值和计算数值有误差，这就需要我们反复增加或减少绕组进行修正，直到调到所需电压。

3.2测试记录

3.2.1纹波电压测试

纹波电压是指叠加在输出电压上的交流分量，一般为mV级。

可将其放大后，用示波器观测其峰峰值。

也可以用交流电压表测量其有效值，由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定的误差。

纹波电压测试如图11所示：

3.2.2过电压保护（OVP）测试

当电源供应器的输出电压超过其最大的限定电压时，会将其输出关闭（Shutdown）以避免损坏负载之电路组件，称为过电压保护。

过电压保护测试系用来验证电源供应器当出现上述异常状况时（当电源供应器内部之回授控制电路或零件损坏时，有可能产生异常之输出高电压），能否正确地反应。

过电压保护功能对于一些对电压敏感的负载特别重要，如CPU、记忆体、逻辑电路等，因为这些贵重组件若因工作电压太高，超过其额定值时，会导致永久性的损坏，因而损失惨重。

图11文波电压测试图

3.2.3短路保护测试

当电源供应器的输出短路时，则电源供应器应该限制其输出电流或关闭其输出，以避免损坏。

短路保护测试是验证当输出短路时（可能是配线连接错误，或使用电源之组件或零组件故障短路所致），电源供应器能否正确地反应。

3.2.4过电流保护（OCP）测试

当电源供应器的输出电流超过额定时，则电源供应器应该限制其输出电流或关闭其输出，以避免负载电流过大而损坏。

又若电源供应器之内部零件损坏而造成较正常大的负载电流时，则电源供应器也应该关闭或限制其输出，以避免损坏或发生危险。

过电流保护测试是验证当上述任一种状况发生时，电源供应器能否正确地反应。

3.2.5过功率保护（OPP）测试

当电源的输出功率（可为单一输出或多组输出）超过额定时，则电源应该限制其输出功率或关闭其输出，以避免负载功率过大而损坏或发生危险。

又若电源内部零件损坏而造成较正常大的负载功率时，则电源也应该关闭或限制其输出，以避免损坏。

过功率保护测试是验证当上述任一种状况发生时，电源能否正确地反应。

本项测试通常包含两组或数组输出功率之功率限制保护，因此较上述单一输出之保护测试（OVP、OCP、Short）稍具变化。

3.2.6安全（Safety）规格测试

（1）输入电流、漏电电流等。

（2）耐压绝缘：

电源输入对地，电源输出对地；电路板线路须有安全间距。

（3）温度抗燃：

零组件需具备抗燃之安全规格，工作温度须于安全规格内。

（4）机壳接地：

需于0.1欧姆以下，以避免漏电触电之危险。

变压输出特性：

开路、短路及最大伏安（VA）输出。

3.2.7异常测试

散热风扇停转、电压选择开关设定错误。

3.2.8电磁兼容（ElectromagneticCompliance）测试

电源供应器需符合CISPR22、CLASSB之传导与辐射的4dB馀裕度。

3.2.9可靠性（Reliability）测试

老化寿命测试：

高温（约50-60度）及长时间（约8-24小时）满载测试。

4结束语

经实验证明，采用UCC3895芯片做成的PWM控制全桥软开关电源，不仅可以提高电源的工作效率，减少能源损耗，还可以对电源输出状况进行监控，而且有效实现了软开关，减少了因高频开通与关断而产生的能量损失。

参考文献

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