电气工程硕士论文-基于移相全桥软开关PWM变换器的数字开关电源的研究与设计.pdf

1736064

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U D C.

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CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

硕士学位论文

论文题目：基于移相全桥软开关PWM变换器的数字开关电源的研究与设计

学科、专业： 电气工程

研究生姓名：

导师姓名及

专业技术职务： (教授、博导)

摘要

随着社会的不断发展和进步，电子设备已经广泛地应用于各行各业中，电子设备安全、可靠运行的关键在于电源系统。经过多年的发展，开关电源以其高性能、高效率、高功率密度等优点，已经取代了传统的线性调整器电源，成为电子设备中电源系统的首选。同时，新材料、新技术等的发展，推动着开关电源朝着高频化、数字化、分布式电源系统、系统集成等方向发展。

本文在研究了开关电源的发展历程和研究热点后，以开关电源的拓扑结构作为切入点，对移相全桥ZVSPWM变换器进行了深入的研究，在前人研究的基础上提出了一种新的移相全桥ZVSPWM变换器。新的变换器不仅可以在全负载范围内实现所有开关器件的零电压开关，将占空比丢失减少到最小程度，抑制输出整流二极管上的电压振荡，并通过在电路中增加一个双向开关，控制在续流期间为滞后桥臂开关管的零电压开关提供的能量，在满足所有开关器件在全负载范围内实现零电压开关的前提下，减少了续流期间的环流及其带来的损耗，提高了整个变换器的效率。同时，还对有源功率因数校正技术、数字控制技术等进行了研究。在此基础上，设计了一款1200W、工作频率为120KHz的开关电源。该电源采用TI公司生产的基于平均电流控制模式的UCC28019实现有源功率因数校正，用TMS320F2812实现移相全桥 ZVS PWM变换器的数字控制，并引入了模糊自适应PID控制以获得更好的动态性能。

本文研究和设计并重，在研究的基础上进行了详细的电路设计，并通过相关的仿真实验研究验证了上述研究成果的正确性和优越性。

关键词：移相全桥，软开关，功率因数校正，数字控制，模糊自适应PID

I

ABSTRACT

Now with the social develops and advances constantly, electronic devices are used widely in many areas. The key of electronic devices work safely and reliably is the power supply system. After many years' development, switching power supply has replaced the conventional linear regulator power supply and become the first choice of the power supply system in electronic devices. At the same time, development in new material, technology and other areas promotes switching power supply developing towards high frequencies, digital control, distributed power systems and system integration, etc.

In this paper, a breakthrough point is found in switching power supply topology after researching switching power supply's development history and hot topic. In-depth research on phase-shifted full-bridge ZVS PWM converter is done and a new phase- shifted full-bridge ZVS PWM converter is proposed basing on predecessors' research. The new converter, adding a bidirectional switch, not only achieves all switches ZVS in an extended load, reduces loss of the duty cycle, restrains voltage ringing on the output rectifier diode, but also reduces the circulating current and power loss which are caused by the circulating current and improves the converter's efficienty through controlling the energy which is supplied to the lagging leg for ZVS in the freewheeling by the adding bidirectional switch on the premise of the ZVS of all switches in any load. Meanwhile, APFC, digital control and other technologies are researched Basing on these researches, a 120K switching power supply of 1200W is designed. The power supply uses UCC28019 produced by TI working in average current mode to achieve APFC and TMS320F2812 to fulfil the digital control of the phase-shifted full-bridge ZVS PWM converter. In order to get more excellent dynamic performance, fuzzy adaptive PID control is introduced.

The paper is focused on research and design, detailed circuit design is based on correlative research, and some simulation research is done to verify its correctness and effectiveness.

III

KEY WORDS: phase-shifted full-bridge, soft-switching, PFC, digital control, fuzzy adaptive PID

IV

目录

摘要.
ABSTRACT
目录
第一章绪论.
1.1 课题的研究背景..
1.2 开关电源的发展概述...
1.3 我国电源行业的发展和面临的挑战...
1.4 开关电源的研究热点...
1.5 论文的主要研究内容...
第二章 功率因数校正技术....
2.1 概....
2.2 功率因数校正的方法... ..10
2.3 无源功率因数校正技术 10
2.4 有源功率因数校正技术.. .11
2.4.1 有源功率因数校正电路的拓扑结构. .11
2.4.2 Boost 型有源功率因数校正电路的控制策略... ....13
2.5 有源功率因数校正电路的设计 ..15
2.5.1 UCC28019 简介.. .15
2.5.2 基于UCC28019 的功率因数校正电路的设计. ..16
2.5.3 电路参数的计算..... ..16
2.6 小结… ...23
第三章 移相全桥 ZVS PWM 变换器的研究... ..24
3.1 移相全桥 ZVS PWM 变换器的概述... ...24
3.1.1 传统的移相全桥 ZVS PWM 变换器.... ...24
3.1.2 加钳位二极管的移相全桥 ZVS PWM 变换器..... .....225
3.1.3 副边加缓冲吸收回路的移相全桥 ZVS PWM 变换器26
3.1.4 加入辅助换流支路的移相全桥 ZVS PWM 变换器227
3.2 移相全桥 ZVS PWM 变换器的改进.... ...28
3.2.1 两种变换器的工作过程的分析... ....29
3.2.2 两种电路的效率分析.... ..33
3.3 仿真结果... .35
3.4 小结... ..36
第四章 1200W 开关电源的整体实现 37
4.1 开关电源性能指标的确定. .37
4.2 高频变压器的设计.... ..37
4.3 EMI 输入滤波器的设计. ..40
4.4 功率开关器件的选择... ..41
4.5 输出滤波电路的设计... ..42
4.6 MOSFET 驱动电路的设计 ..44
4.7 输出电压电流检测电路的设计.. ..47
4.8 辅助电源的设计.... ..49
4.9 小结...... ..50
第五章 移相全桥软开关 PWM 变换器的数字控制.. ..51
5.1 开关电源数字控制技术概述 ..51
5.2 DSP 数字信号控制芯片简介. ...51
5.3 TMS320F2812 双供电电源的设计 ...52
5.4 移相全桥变换器控制信号的生成.. ...54
5.5 移相全桥变换器的建模和反馈环路的补偿... ...55
5.5.1 移相全桥变换器的建模.. ..55
5.5.2 反馈环路的补偿... ..57
5.6 模糊自适应 PID 控制器的设计. ..58
5.6.1 模糊控制的基本原理... ..59
5.6.2 模糊自适应 PID 控制器的设计... ..61
5.7 系统的 MATLAB 仿真.... ..65
5.8 小结... ..66
总结... ..68
参考文献.. .69
致谢... .73
攻读学位期间主要的研究成果.. .74

V

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

随着当今社会的飞速发展，电子系统的应用越来越广泛，种类也越来越丰富。电子设备已成为人们的工作、生活中必不可少的一部分。作为电子设备的“心脏”，电源系统给电子设备提供所需要的能量，起着至关重要的作用。电源系统良好的安全性和可靠性是电子设备正常运行的重要保障。同时，通信、航天、军事、汽车、计算机、办公和家用电器等行业的飞速发展，对电源系统也提出了越来越高的要求。传统的电源系统由于性能的限制，在一定程度上制约了其他行业的发展。

近年来，国内的各大电源厂商、研究机构、高等院校都投入了大量的人力物力，在新材料、拓扑结构、控制方法、加工工艺等方面进行了深入的研究，并取得了一系列的成果，但离实际应用还有一段距离。因此，对高性能电源系统的进一步研究具有重要的意义和广阔的前景。

1.2 开关电源的发展概述

上世纪六十年代初期以前，线性调整器一直占据着电源市场的主要份额。线性调整器由一个工作在线性区的晶体管与负载串联构成，结构简单，整个回路中不存在开关损耗。但是，线性调整器效率低，只能降压，输出与输入之间有公共部分，且其初始直流输入电压一般由工频变压器次级整流获得，而工频变压器的体积和重量限制了它的推广应用。

上世纪六十年代初期，PWM技术的出现极大地改变了直流变换器的设计方式，不仅降低了开关电源的体积和重量，还提高了电源的功率因数和效率，很快就取代了线性调整器的位置。

上世纪六七十年代是半导体技术飞速发展的时期，新的功率器件不断涌现，如门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）、电力场效应管（MOSFET)等全控型器件，以及在八十年代异军突起的绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)。这些器件不仅可以工作在更大的电压电流定额下，而且开关速度得到了极大的提高。同时，非晶、微晶磁芯和高频铁氧体等磁性材料的研究也取得了进展[2]。因此，开关电源可以工作在越来越高的频率，从而使开关电源向着高频化、小型化、高功率密度的方向发展[3]。

开关电源的高频化也会带来一些问题。由于开关器件不是理想化的，在其开通和关断时，加在开关器件上的电压和流过开关器件的电流不能突变而使电压和电流发生交叠，从而产生开关损耗。工作频率越高，开关管上的损耗也越高，整个变换器的效率也就越低。同时，工作在硬开关状态下的开关管还会产生较高的电压和电流变化率，从而产生较大的电磁干扰[4]。

中南大学硕士学位论文

第一章绪论

1

上世纪七十年代出现的软开关技术是解决开关器件工作于硬开关时遇到的问题的有效措施。准谐振电路是最早提出的软开关电路，准谐振电路通过改变开关频率来调节输出电压，当输入电压和负载变化范围比较大时，开关频率变化范围也比较大，变压器和滤波器的设计比较困难。因此，有人将准谐振变换器和常规PWM变换器相结合，提出了ZVS-PWM、ZCS-PWM变换器电路[3]。ZVS-PWM、ZCS-PWM变换器电路通过加入有源开关，利用它的钳位作用来阻断电路换流时的谐振过程，使电路在一个周期的部分时间内按准谐振方式运行，其余时间按PWM方式运行。但谐振电感串联在主电路中，增加了通态损耗。另外，电感储能与输入电压和输出负载有很大关系。为解决这些问题，提出了ZVTPWM变换器和ZCTPWM变换器。在这种电路中，辅助谐振电路与功率开关管并联，电路中的环流很小，且实现软开关的条件跟输入电压和输出负载的变化无关[5]。

目前，软开关技术已获得了广泛的应用，如移相全桥ZVS变换器，因为它有功率开关管电压、电流应力小，功率变压器利用率高等优点，根据其供电方式可分为电压型和电流型，控制方式一般采用移相PWM控制。这种控制技术实际上是谐振变换技术和常规PWM变换技术的结合，利用功率开关管的结电容、高频变压器的漏电感和串接的换向电感作为谐振元件，谐振电感对功率开关管两端的输出电容充放电，使开关管两端的电压下降为零，从而有效地降低了电路的开关损耗和噪声干扰[6][7]。移相全桥软开关PWM变换器也存在一些问题：1、输出整流管上存在电压尖峰和电压震荡；2、在电路的续流期间环流比较大；3、副边存在占空比丢失的问题；4、无法在整个负载范围内实现所有器件的软开关。为了解决这些问题，很多学者正在进行相关的研究，并提出了一些方案。到上个世纪末，已经有很多成功的商业应用了。然而，要想实现更高频率级别软开关电源的实用化，仅依靠电路的开发是很困难的，还需依靠电力电子器件性能的改善、器件封装技术的提高等。虽然，软开关的研究已经进行了将近四十年，但仍有继续研究的现实意义。例如，新型开关器件的出现及开关器件性能的改善，需要研究最佳的软开关变换器电路，对于过去已开发而未得到应用的电路，在新的条件下，应用于高频软开关技术的可能性也要重新评估[4]。

开关电源中的谐波问题也是人们比较关注的。开关电源直接接入电网的应用已经很普遍，特别是在离线式应用中。开关电源中用到了很多非线性的器件，如功率开关管，如不进行功率因数校正，开关电源输入电流将发生严重的畸变，谐波含量非常大，功率因数不能满足要求，对电网的污染比较严重[8]。随着用电设备越来越多，谐波问题已引起了越来越广泛的关注，在开关电源中使用功率因数校正技术是一个有效的解决谐波问题的方法。

中南大学硕士学位论文

第一章 绪论

2

最先通过在电路中加大电感和大电容来实现功率因数校正，称为无源功率因数校正。这种方法电路简单、实现容易，但也存在只能固定地补偿无功、对负载变化的适应性差、滤波器的体积和重量较大等明显的不足[9。

有源功率因数校正技术是解决开关电源谐波问题的最佳方法。通过在电路中引入电流反馈，把输入电流的波形从窄脉冲变为接近于正弦波，有源功率因数校正电路能实现输入电流的波形跟踪输入电压的波形，并维持直流输出电压的稳定[10]。

晶闸管在早期的有源功率因数校正电路中应用十分广泛。有源功率因数校正技术在上世纪七十年代末进入了飞速发展的时期，从此跨入了现代有源功率因数校正技术的时代。这一时期在有源功率因数校正技术上取得了很多的研究成果，加上可以工作在更高的开关频率，此时有源功率因数校正电路已具有体积小、重量轻、效率高、功率因数接近于1等优点。

这个时期的有源功率因数校正技术是基于Boost变换器的，且Boost变换器工作在连续导通模式(CCM)下，大多采用“乘法器”原理来实现其控制。连续导通模式下的功率因数校正技术传输的能量比较大，但因为这种方式比较复杂，不太适用于大量应用的200W以下的中小功率容量的电源。80年代末提出了利用工作在不连续导通模式(DCM)下的变换器进行功率因数校正的方法，其输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，可自动实现功率因数近似为1。这种方法的控制比较简单，但一般不能应用于功率较大的场合[9]。

有源功率因数校正技术在九十年代进入了全新的发展阶段，PESC在1992年设立单相功率因数校正专题更被看作是有源功率因数校正技术发展史上的一座里程碑0。近年来，一些新的控制算法被应用于有源功率因数校正电路的控制，如单周期控制、滑模控制、模糊控制和神经网络控制，同时功率因数校正原理和拓扑结构等方面也有一些进展[11][12]。以前提出的基于Boost变换器的有源功率因数校正电路的结构分为两级，前一级主要实现功率因数的校正，后一级主要提供一个稳定的输出给负载。这种校正电路的校正效果是比较理想的，但存在元件多、费用高、电路效率低等问题。

为解决两级有源功率因数校正电路存在的问题，近十多年中提出了很多单级功率因数校正电路，希望将功率因数校正级和功率变换级结合到一起，能量只被处理一次，用一个控制器就能同时完成输入功率因数校正和输出电压调节[13][4]。但这种电路的输入电流不是非常接近正弦波，还有待进一步研究。

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第一章 绪论

3