移相全桥DCDC变换器技术研究毕业论文开题报告

作者：baboon007 | 发布时间：2021-02-03 07:16:19 收藏本文下载本文

I XXXX 大学毕业设计（论文）移相全桥 DC/DC 变换器的技术研究学院名称信息与通信工程学院专业名称自动化学生学号 XXXX 学生姓名学生姓名指导教师教授姓名助理指导老师老师姓名 202X 年 X 月

II 摘要本文首先介绍了开关电源的发展趋势以及软开关技术，DC/DC 变转换器的工作原理，对相移全桥 DC／DC 变换器的设计了电路中各元件参数，最后在 MATLAB／SIMULINK 中进行了建模仿真，得到的仿真结果论证了参数设计的正确性，为实际电路参数的设计提供了理论依据。

关键词：DC/DC 变换器；参数设计；建模仿真

III Abstract This paper describes the development trend of switching power supplies and soft-switch technology, DC / DC-converter works for phase-shifted full-bridge DC / DC converter design parameters of the components in the circuit, and finally in the MATLAB / SIMULINK in modeling and simulation, the simulation results obtained demonstrate the correctness of the design parameters, providing a theoretical basis for the design of the actual circuit parameters.Keywords: DC / DC converter;parametric design;modeling and simulation

IV 目录摘要.................................................................................................................................................II Abstract...........................................................................................................................................III 第 1 章绪论.....................................................................................................................................1 1.1 开关电源............................................................................................................................1 1.1.1 开关电源的简介....................................................................................................1 1.1.2 开关电源的基本组成..............................................................................................1 1.1.3 开关电源工作原理................................................................................................2 1.1.4 开关电源的技术追求和发展趋势........................................................................2 1.2 软开关技术.........................................................................................................................3 1.2.1 软开关技术..............................................................................................................3 1.2.2 软开关的具体应用..................................................................................................3 第 2 章 DC/DC 变换器.................................................................................................................4 2.1DC/DC 的分类....................................................................................................................4 2.2DC/DC 变换器的应用范围及发展趋势.............................................................................4 第 3 章移相全桥 DC/DC 电路的工作原理.....................................................................................5 3.1 电路原理............................................................................................................................5 3.2 各工作模态分析................................................................................................................6 第 4 章主电路的参数设计.............................................................................................................9 4.1 常数模块和脉冲驱动模块的参数设计............................................................................9 4.2 主电路的参数设计..........................................................................................................10 4.2.1 谐振电感的设计....................................................................................................10 4.2.2 变压器设计............................................................................................................10 4.2.3 副边滤波电感、电容的计算................................................................................11 第 5 章建模与仿真.......................................................................................................................12 第 6 章结论...................................................................................................................................17 参考文献.........................................................................................................................................18 致谢................................................................................................................................................19

1 第 1 章绪论 1.1 开关电源 1.1.1 开关电源的简介伴随着电力电子技术的飞速发展，不管怎样，电子设备都不能离不开可靠的电源，计算机电源在多个方面依据达到了开关的普遍电源化，首先使计算机的电源换代有了新的开始，其次开关电源逐步进入各类电器，非常多的领域已经广泛使用了大功率开关电源，进一步加强了开关电源技术的迅猛发展。

高频开关电源正在扩大，高频开关电源正在变得更小，并使开关电源进入更宽广的利用规模，重点是专注于在高科技领域的运用，促进了高新技术产品的小型化、简捷化。另一方面开关电源的成长与利用在安全管理，节省能源、节省资源以及保护环境卫生等各个方面都具有非凡的意义。

1.1.2 开关电源的基本组成开关电源由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

1、主电路冲击电流限制：冲击电流限制功率瞬态输入侧。

输入滤波器：其功能用是过滤电网上面残留的杂波及阻挡本机产出的杂波回馈给电网。

整流与滤波：在直接整流直流顺利交流电网。

逆变：使整流后的直流电直接转变成为高频交流电，高频开关电源的重点部分就是这个。

输出整流与滤波：依据负载的需要，供应稳定牢靠的直流电源。

2、控制电路首先，将样品从输出端取出来，用于和设定值做对比，然后去控制逆变器，其脉宽或脉频变化时，输出是稳定的。其次，根据测试电路提供的数据，通过对各种保护措施保护电路的识别，控制电路的电源。

3、检测电路供给保护电路中正在运转中各类参数和仪表数据。

4、辅助电源达成电源的软件驱动，为了保证电路和控制电路工作提供电源。

2 1.1.3 开关电源工作原理开关电源的操作是非常容易理解的，在线性电源中，使功率晶体管工作在线性形式下，线性功率是有差别的，在功率晶体管工作下的 PWM 开关电源是接通和关断形态，在两个条件下，再加上对伏安产品功率晶体管非常小的力量，这力量是一种损失的功率半导体器件。

和线性的电源类比，通过“斩波”PWM 型的开关电源更加有效果，就是把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来完成的。控制器的开关电源可用于调整脉冲的占空比。如果输入电压被切碎成交流方波，通过变压器可以增加或减少的幅度增大电压的输出值能够通过增大变压器二次绕组数。同时交换波形经过整流滤波就能够获取直流的输出电压。

保证输出电压的稳定性是一个控制器的主要目的，有许多相同的地方和线性控制器工作过程。例如，控制器的功能块，该参考电压误差放大器，可以转化为一个具有相同的控制器，它们之间的区别是，在必须误差放大器的输出电压/前通过脉冲宽度转换单元功率管。

1.1.4 开关电源的技术追求和发展趋势 1、小型化，薄型化，轻量化，高频率：开关电源的体积重量最主要是由能量储存器的再建确定的，是以开关电源的小型化，大大减小成为保存元件的体积。在特殊范围内，开关频率加多时，不只可以有效率地减弱变压器的电感和电容的大小，此外还遏制干扰，强化了系统的动态性能。

2、高可能性：开关用于在一个小的次数比连续供电，从而提高可靠性的电源组件。从生活的角度，电解电容器，光电耦合器和排气风机等设备的寿命决定了电源的使用寿命。因此，从设计的角度，尽量使用元件少，同时提高系统的集成。

3、低噪声：开关电源的其中一个弊端就是噪声特别大。一如既往地寻求高频化，噪声也会变得更大。原则上的谐振变换器的电路技术，不仅可以提高频率，噪声也可以被降低。因此，开关电源的发展趋势之一是降低噪声。

4、采纳了计算机辅助设计控制：最新变换拓扑结构和参数优化由 CAA 和 CDD 技术设计，开关电源具有结构简单和最佳状态。计算机检测与控制电路，介绍的是一种多功能监测系统，实时检测，自动报警，记录。

开关电源技术的发展始终与半导体元件和磁性元件的发展联系在一起。高频，高速半导体器件和高频电磁元件的性能要求较高。功率 MOSFET，IGBT 等新型高速器件，高频低损耗磁性材料的发展，提高磁性元件的结构和设计的发展，开关电源的小型化起着

3 重要的。

总之，人们在开关电源技术，低消耗电路技术和尖端研究开发新的组件领域，两者相加，以促进和推动开关电源市场每年两位数的增长速度高于高小，薄，高频，低噪声，高可靠性方向发展。

1.2 软开关技术 1.2.1 软开关技术软开关技术能够让率变换器变成高频化的重要技术之一, 它利用了振的原理, 使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通), 从而减少开关损耗。它不仅可以解决问题，在硬开关转换器电容开关损耗，感应关断和二极管的反向恢复问题，同时也解决了硬开关的电磁干扰问题。当开关频率增加到 MHz 范围内，抑制或低频开关可以忽略应力和噪声，将很难接受。谐振变换器虽然能够给开关供应零电压开关和零电流开关状态, 但是工作时将会产出较大的循环能量, 导电损耗因此更多。为了不在同一时间，增加循环的能量，一种软开关条件下开关，大量的 PWM 软开关技术的发展。谐振某种形式他们使用软化的切换过程中，切换回正常的 PWM 方法后，但谐振电感与它的主要电路系列，所以零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围相关在轻载下有可能失去零开关条件。为了改进零开关条件, 人们将谐振网络并联在主开关管上, 从而发展成零转换 PWM 软开关变换器, 它不仅克服了硬开关 PWM 技术和谐振软开关技术的缺点, 又结合了它们的优点。现在无源无损缓冲电路将成为完成软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了普遍的运用。

1.2.2 软开关的具体应用目前软开关变换器一般采用了谐振原理, 在电路中并联或串联谐振网络, 一定产生谐振损耗, 并且使电路受到固有问题的影响。所以, 人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。在软切换其余费用由无损吸收网络的实现，吸收的能量回收电路取代 ZCT，ZVT 谐振电路，主管的其余软开关则是由无损耗吸收网络来加以实现, 吸收能量恢复电路被 ZCT、ZVT 谐振电路所取代, 一种软开关辅助管电压，电流自然过零的无损吸收网络的实现。换句话说，该电路可以具有零电压导通，可以有一零个电流开关，也可以包含零电流开通，也可以包含零电压开关，是这四个州中的任何组合。因此，一种新的软开关技术的无损耗缓冲技术是通过谐振技术相结合形成将成为新的发展趋势。

4 第 2 章 DC/DC 变换器 2.1DC/DC 的分类开始，介绍了占空比的含义，在其中一个周期 T 内，开关的导通时间 ton 所占全部周期 T 的比例，称作导通占空比 D，D=ton/T；断开时间 toff 所占 T 的比例，称为断开占空比 D1，D1=toff/T。但一般来说占空比都是指导通占空比。显而易见，占空比的增加，负载上的电压会变得更高；1/T=f 是开关频率，较高的 f 也可以获得更高的电压。此类开关在特定的固定频率下操作，脉宽调制法是指通过调节开关的导通时间，即使在负载变化情况下输出电压也能够保持稳定的方法。这种调制方法的特点是由脉冲控制打破电子开关，无连接电路和两个控制和开关的电压称为硬开关。另一类已知的软开关开关，其特征在于，所述控制方法是用一个电子开关，当电压变为零电流或零电流时，该开关是关闭的，这样的交换机被称为所谓的软开关，理想的软开关开通和断开损耗为零。

2.2DC/DC 变换器的应用范围及发展趋势（1）DC/DC 转换器，在一个固定的直流电压转换成直流电压变为可用，这项技术广泛应用于无轨列车，地铁列车，电动汽车无级变速器和控制，在加速稳定和快速反应能力的同时，控制，直流斩波器只起调节作用，而且也为网格有效地抑制谐波电流测量噪声。

（2）DC / DC 转换器可以有用达成 DC 到 DC 功率改动混合集成功率器件，一般采纳的高频电源转换技巧，直流电压为高压大功率开关器件，和输入和输出之间完全隔离。发展的主要方向是：采用多芯片模块技术及衬底的新的高导热性，进一步提高了功率密度和输出功率，频率 1MHZ，效率为 90 ％以上，智能混合集成的多通道直流/直流转换器组件。

（3）DC / DC 变换器被广泛用于远程控制和数据通信和计算机办公自动化的配置，设计，工业设备，武器，航空航天工业和其他领域。

5 第 3 章移相全桥 DC/DC 电路的工作原理 3.1 电路原理 Vin 是输入直流电压。Si（i=1,2,3,4）的参数为相同的 MOS 开关的第 i 个功率。Di 和 Gi（i＝1，2，3，4）是相对应的体二极管，结电容，输出漏感 LR 的结电容和输出变压器的体二极管，电源开关的谐振元件，以使四个开关的零电压导通，实现恒频软开关。

S1 和 S3 超前臂，S2 和 S4 的滞后臂。为了避免短路桥臂伸直，添加人工死区时间△S1 和 S3，S2 和 S4，这是毫不迟延地按照在开口和闭口同样的死区时间延迟的原则确定 T 之间。S1 和 S4 的启动记号的存在，S2 和 S3 之间的相位角的大小，通过变换角度，输出电压的大小可以调整，以达成电压掌控。

C2D2S2C1D1S1AES3 C3D3BC4D4S4LDDC RL 移相控制全桥 ZVS-PWM 变换器原理图变压器的次级电压 V0 和下面的工作模态下分析变压器初级电路总是假设：

（1）所有的电源开关是理想的，忽略了正向压降和开关时间；（2）4 开关的输出结电容成正比，即 CI＝CS，CS = 1、2、3、4，CS 是一个常数；（3）忽略变压器绕组和寄生电阻；（4）滤波电感足够大。

6 3.2 各工作模态分析（1）初级电流的正半周期的功率输出的过程。前 S1 和 S4 T0，保持开启，S1 和 S4的传导（S2 和 S3 T0-T1），关闭。C2 和 C3 的输入电容器充电电源。输入电压变压器低压侧，功率传输到负载变压器的初级侧。在功率输出时，软开关相移全桥控制电路的工作状态和相同的普通 PWM 硬开关电路。

vms3D3C3LS2D2C2(a)(t0-t1)（2）（t1-t2）：在共振过程中的死区时间超前臂。适用于驱动脉冲 S1 变低，S1 的传导。电容器 C1 和 C3，分别快速充放电，等效电感（LR+ n2Lf）在共振器的端部串联谐振（t2 之前），使中心电压的前臂迅速下降至 0.7V，从而使导通立即 D3，零电压开通就绪 S3。

vms3D3C3LS2D2C2D1C1S1(b)(t1-t2)

7（3）（t2-t3）：上半周续流结束初级电流的过程。

S3 后开始脉冲变高，可以实现零电压导通，因为在主电路之前 D3 提供的续流电流，但电压臂是零，但基于初级电流方向改变的开始。

vms3D3C3LS2D2C2S1D1C1(c)(t2-t3)（4）（t3-t4）：S4 关掉的滞后臂谐振进程中，当施加电压时的启动脉冲低于 T3、S4、S4，主要电流损失是在主渠道的。C4 和 C2 开始充电和放电，谐振电感 Lr 和串联谐振。D2 传导持续的 S2 制备零电压导通流。变化的初级电流最大速率从正峰值迅速下降。

8 vms3D3C3LS2D2C2S1D1C1S4D4C4(d)(t3-t4)（5）（t4-t5）：在网格上回环电感储能。T4 的时刻，D2 传导续流，电流冲击，回到通过 D2 断电 EC，在电力系统中的全桥电路补偿功率消耗。要结束的滞后臂死区时间。初级电流为零。

vms3D3C3LS2D2C2S1D1C1S4D4C4(e)(t4-t5)（6）（t5-t6）：开始负越过零后的初级电流增加。

S2 和 S3 是打开的，一个新的电流回路的输出功率，开始一个新的过程。然而，这两个次级侧整流二极管导通，而快速转变过程中，次级电压被钳位在低电平，则处理占空比损失发生。因此，死区时间滞后臂设计是关键。

9 vms3D3C3LS2D2C2S1D1C1S4D4C4(f)(t5-t6)电路各时段工作模态等效电路第 4 章主电路的参数设计 4.1 常数模块和脉冲驱动模块的参数设计为了得到 4 路脉冲信号，将常数模块 U*的设定值设置为 0.25，而将 PWM Generator模块的参数设置如下图 1 所示，其驱动信号图如图 2 所示，从上到下依次为 VT1-VT4 的驱动脉冲，设定占空比为 0.75。

图 1 PWM Generator 模块的参数设置

10 图 2 常数模块取值为 0.25 时 VT1-VT4 的驱动信号图 4.2 主电路的参数设计设移相全桥电路设计技术指标如下：

基本条件：电路形式全桥移相变压器工作频率：50kHz 变压器输入电压：380V 输出电压：48V 输出电流：5A 整流方式：中心抽头全波整流 4.2.1 谐振电感的设计由于开关管的漏极与源极间电容为 24pF，2Lfi A  ，根据公式有：

212 2(max)2 288 24 10 4820.33 3 7.02Q inrC VL FI    (4.1)4.2.2 变压器设计当输入电压设定为 380V 时，最低输入电压为(min)342inV V ，占空比经计算为 0.75，此时输出电压oU 达到需求值，即 2 *48DF oU D U U V   (4.2)式中，DFU 是变压器的副边整流二极管和线路压降的和，取 2V，由上式能计算出2U=67V。从而变压器变比 n=342/67=5。

11 由上面的变压器变比得出：设变压器原边绕组匝数为1N =380，那么变压器副边绕组匝数2N =77。

4.2.3 副边滤波电感、电容的计算在副边的电感电流临界连续时，这时候输出的平均得到的电流oI 与电感电流的纹波峰峰值Li  的 1/2 是相同的。因此有：

令输出电压是 48V，电流为 5A 时，LR =9.6 。当变压器的原边电压取 380V 时，占空比是 0.75，为了确保在输出电流为 5A 时，电感电流连续，根据式（4.4）L 应满足：

设sU 为纯直流电压，而输出的电压纹波一般是器件开关工作过程所引起的。易知，当变压器的原边电压取 380V，且占空比为 0.75 时，这时滤波电感的电流纹波是最大的，输出电压的纹波也是最大的。

桥式变化器输出电压的纹波峰峰值oU  可以表示为：

因设计的要求oU   0.24V，故电容为：

应该点出，以上计算是将滤波电容看成理想电容，而实际电容都存在等效并联电阻，并且允许经过有限波纹电流。因此，实际应用时常运用几个电容的并联来减弱等效电阻的影响，以此增强通过的波纹电流能力。

(1)2 4S S LoLDU D D U T iInR nL   (4.3)(1)4LD TRL(4.4)0.75 0.05 9.60.14L H  (4.5)2(1)8oD DUUnf LC （4.6）62(1)1 1 108oD DUC Fnf L U  (4.7)

12 第 5 章建模与仿真为了正确选择验证转换器的设计和参数的可行性，因此，对主电路的仿真使用MATLAB 软件，仿真模型如下图所示，该模型的二管整流器和滤波电容器电路直接与直接电源来替代，以减少模型的复杂性，和逆变器 VT1~VT4 使用通用桥模块。在 SIMULINK模型库中没有模块相应的开关电源，所以使用两个PWM发生器模块中的新型脉冲的产生，并通过常数模块 U*的设定来调节脉冲宽度，设定值设定为 0.25。在第二个 PWM Generator 模块前加放大器 Gain,并取得放大倍数-1,起信号倒相作用。从仿真波形中可以很清楚看到输出电流为 5A,输出电压为 48V,与理论计算一致，这说明主电路元器件参数设计完全正确。

（1）仿真主电路图如下：

13 MATLAB/SIMULINK 仿真主（2）当常数模块值取 0.25 时的主要波形图如下：

14 图 1 变压器一次变换波形图 2 变压器二次波形图图 1、图 2 为变压器一、二次电压的仿真波形图，两个波形图中，变压器的一次电压幅值和二次电压幅值与设定时的要求一致，达到了隔离和降压的作用；

15 图 3 滤波电感 L 上的电压波形图图 4 滤波电感 L 上的电流波形图图 3、图 4 为滤波电感 L 的仿真电流和电压波形图，从图中可以看出，电感 L 达到了滤波的作用；

16 图 5 负载电阻 R 上的电压波形图图5为负载电阻R电压波形图，从图中可以看出其输出电压也达到了预定的数值48V；但不同模块的恒定值，可以实现逆变电路输出电压的脉冲宽度调节，能满足原设计要求。

17 第 6 章结论本文主要研究了移相全桥 DC/DC 变换器。首先查阅了大量的文献资料，从而了解开关电源的技术现状，掌握全桥移相技术的基本工作原理。然后运用所学知识对电路主要元器件的参数进行设计，比如变压器参数的设计和谐振电感的设计，经过一段时间的调试，确定了可行的参数，再将理论运用于仿真实验当中。在本文中，使用 MATLAB 软件的 Simulink 模块模型的电路结构，MATLAB 是一种科学计算软件，是一种广泛使用的软件，该软件用于教学和科研。然后根据计算的相关参数来进行仿真，以验证理论结果与电路设计及参数选择的准确性。虽然历经很多坎坷，但最后根据从本文的仿真结果图及波形分析可知，电路参数设计完全正确，为实际电路设计打下了坚实的基础。

18 参考文献 [1] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M];电子工业出版社，2001.9.[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M];电子工业出版，2004.9． [3] 李定宣.开关稳定电源设计与应用[M];中国电力出版社，2006． [4] 余家春.Protel99SE 电路设计实用教程[M];中国铁道出版社，2003.[5] 赵修科，“实用电源技术手册.磁性元器件分册”[M];沈阳：辽宁科学技术出版社，2002． [6] 张立等.现代电力电子技术[M];北京:科学出版社，1992． [7] 李宏，赵家贝.浅析高频开关电源的发展[J];电气应用，2011 年 04 期 [8] 刘志英.标准 DC/DC 开关电源设计[J];数字技术与应用，2009 年 08 期 [9]刘福才，王猛.基于高频谐振变换器的高压充电电源设计[J];电力电子技术 2012（10）[10]邱剑，刘克富.高频高压脉冲电源充电软开关技术[J];高电压技术 2006（4)[11]李文磊,刘士荣.MATLAB 在自动控制理论实验中的应用[J];实验技术与管理;2006 年 02 期 [12]孙宇新.MATLAB 仿真实验在电气专业教学中的应用[J];实验技术与管理;2002 年 01 期 [13]张卫平.电流控制型 PWM 开关变换器的稳定性研究[J];电力电子技术;1999 年 05 期 [14]梁颖.新型移相全桥 ZVS-PWM 变换器设计[J];成都航空职业技术学院学报;2005 年 02 期 [15]陆春华.移相式零电压零电流高频软开关的研究与应用[J];电焊机;2003 年 03 期 [16]阮新波.零电压零电流开关 PWMDC/DC 全桥变换器的分析[J];电工技术学报，2000 年 02 期 [17]蒋珉,刘彬,;“自动控制原理”的 MATLAB 软件实验平台[J];电气电子教学学报;2004 年 01 期 [18]李俊川,李钟慎,林永忠;利用 MATLAB 辅助自动控制原理实验[J];福建电脑;2002 年 09 期 [19]刘子建;MATLAB 在自动化专业毕业设计中的应用[J];邵阳高等专科学校学报;2002 年 01 期 [20]孙宇新;MATLAB 仿真实验在电气专业教学中的应用[J];实验技术与管理;2002 年 01 期

19 致谢在这次毕业设计中，开始我遇到了一些问题，比如，在仿真时没波形图，参数设计时遇到了麻烦，但我始终没有放弃，而是及时调整好自己的心态，虚心的向老师和同学请教，在 X 老师的耐心指导和同学们的帮助下，经过长时间努力，终于完成了毕业设计。在学习的过程当中，同学之间互相帮忙，帮助别人的同时自己也在加深印象。在做这次毕业设计的过程当中，有坚韧耐心和毅力是特别重要的。这次毕业设计的顺利完成，特别要感谢我的指导老师荣老师，X 老师的鼓励是极大的帮助，而且多次指出我论文的不足，教会我很多知识，以提高毕业设计的质量。在此，我想 X 老师说声真挚的感谢。

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