开关电源19、移相控制零电压开关PWM变换器

Matlab语言是目前国际上最为流行的软件之一，其在电源仿真 中应用方法可分为:(l)运用Matlab强大的计算功献求解电源变换器方 程式:(2)运用Matlab频域分析的工具研究变换器系统的控制性能;(3) 运用Matlab的Simulink.ToolBox工具仿真变换器系统。Simulink是 Matlab软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模 和仿真的动态分析系统。在电力电子领域，通常利用Simulink建立电 力电子装置的简化模型(如基频模型)并连接成系统，即可直接进行控 制器的设计和仿真。同时Matlab在power system Blocks (PSB)模 块库中建立了专门用于电力电子仿真的器件模型，包括理想开关、二 极管、晶闸管、门极可关断晶闸(GTO)和功率场效应晶体管MOSFET 等。借助于Simulink工具箱，使用Matlab可以在simulink环境下， 进行系统的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可以观察 仿真的执行过程，仿真结果的后处理非常方便。 Saber是美国Analogy公司开发的面向混合信号的仿真软件。由 于Saber所具有的混合信号、混合技术和混合层次的处理能力，它允 许被仿真的系统同时包含数字和模拟信号器件，以及机械、液压、热 学、电磁学和光学等领域的器件，使其广泛地应用在军事、航空航天、 舰船、汽车、电力电子、通信等领域。Saber的仿真模型库和仿真器 是分开的，用户可以根据.
CAN_H CAN总线
CAN_L
CAN收发器
CAN收发器
CAN收发器
CAN接口 主机DSP
CAN接口 第一台从机DSP
CAN接口 第N台从机wenku.baidu.comSP
232接口
485接口
232接口
485接口
232接口
485接口
性能指标：
性能指标名称 性能指标详述
参数名称 稳流精度 稳压精度
技术要求 ±1.0% ±0.5%
1、初始时刻_开关模态0 在时刻 t0 ，Q1和Q4导通。原边电流由电源经Q1，谐振电感，变压 器原边绕组以及Q4，最后回到电源负。副边电流回路是：副边绕组 的正端，经整流管DR1,输出滤波电感，输出滤波电容与负载，回到 的负端。
2、开关模态1 (t0-t1) 在t0时刻关断Q1，原边电流从Q1中转移到C3和C1支路中，给C1充电， 同时C3被放电。由于有C1，Q1是在零电压关断。在t1时刻，C3的电 压下降到零，Q3的反并联二极管D3自然导通，从而结束开关模态1。
7、开关模态6 (t5-t6) 在这段时间里，电源给负载供电。在t6时刻，Q3关断，变换器开始 另一半周期的工作，其工作情况类似与上述半个周期。
全数字化1000A/12V高频开关电镀电源研制
1、项目意义： （1）、本项目研制全数字化1000A/12V高频开关电镀电源，同时具备数 字化控制和高频开关电源的优点，是现有可控硅电镀电源的更新换代 产品，在需要高品质电镀的场合具有十分广阔的应用前景和市场前景。 （2）、本项目研发中所获得的关键技术可用于其它产品的研发，如基 于DSP的数字控制技术可用于其它产品的数字化改造中，所研发的数 字化高频开关电源与其它用途的开关电源（如通讯电源、电弧焊电源、 电解电源等）有相同的结构、原理和控制方式，可为相关产品的研发 作技术储备。 （3）、通过本项目的实施，期望建立北京交通大学电气工程学院与椿 树公司的长期合作关系，以期发挥各自的优势，达到互利互惠、共同 发展的目的。
K
KUo + Vr
电压 调整 器
Uo Vi+ 电流 调整 器
VE
驱动
全桥变换 器
负 载
BIo1
B 电流 调整 器
Io1
全桥变换 器
+ -
VE
驱动
BIo2
B
Io2
5、通信接口 多台设备之间的通信由DSP内置的CAN模块经CAN收发器完成，CAN总 线是一种有效支持分布式控制的现场总线，它传输数据可靠，并且有 很好的误差检测机构。多台设备经过CAN总线连接，构成了一个小型 的局部网络。每台设备还留有232和485串行接口，以便将来能够与工 业控制机(上位机)相连接，实现遥控、遥测和遥显的功能。
备 注
纹波系数
工作噪声 均流不平衡度 效率 功率因数
≤0.5%
≤50Db(A) ±3.0% ≥86% ≥0.91
当输出电压≥0.2V时
额定负载下
直流额定电压
直流额定电流 额定交流输入电压 软启动时间
12V
1000A 380V (3~8)s
计算机仿真在开关电源中应用
• 在一个有特定用途的电源的研制过程中，为了使系统的性能最佳，必 须进行反复的设计，试制，调试。但是实物的试制和调试是一项复杂 艰苦的工作，使得系统的开发周期长，而且成本非常昂贵。 • 随着大规模集成电路，电子计算机的迅速发展，电源的计算机仿真彻 底改变了以往电源系统设计完全靠人工计算，电路实验，实物试制和 调试的传统设计方法。将现代仿真技术与计算机结合起来，通过建立 系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对已存在的 系统或设想中的不同方案进行模拟分析，从而优化元件参数，提高系 统品质。与实物试制与调试相比它大大降低了成本和产品的研制周期。 • 电源的计算机仿真主要用于设计方案的验证，系统性能的预测，新产 品潜在问题的发现以及问题的解决方法的评价。
5、开关模态4 （t3-t4) 在t3时刻，D2自然导通，将Q2的电压箝位在零点，此时就可以开通 Q2,Q2是零电压开通。虽然此时Q2以开通，但是Q2不流过电流，原 边电流由D2流通。
6、开关模态5 (t4-t5) 在t4时刻，原边电流过零，并且向负方向增加，此时Q2和Q3为原边 电流提供通路。由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由 两个整流管提供回路。 到t5时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流值，该开关模态结 束。此时整流管DR1关断，DR2流过全部负载电流。
a
1
b c
L2 C1
C3 C2 C4 C5
Q1
Q3
Q2
Q4
Cb Tr Lr L0 C0 负 载
3、控制电路硬件结构 DSP核心控制器采用美国德州仪器公司（Texas Instruments）开发的 DSP芯片TMS320LF2407，其运算速度快（40MIPS 即4千万次指令/每 秒），能够对多路电压、电流输入信号进行实时处理。主要特点为： l 控制功能强大、集成度高，能够使控制系统设计结构紧凑，有利于提 高系统的可靠性； l 运算速度快，事件管理能力强，内含16通道的数模转换电路，可以实 时处理16路输入信号，实现复杂控制功能； l 具有丰富的通信接口（SCI 标准232串口、SPI高速串行接口、CAN总 线），可以与上位机进行通信，实现在线参数修改、参数实时显示、 运行状态指示以及运行状态记录等功能； l 具有64位加密位，可以对芯片进行加密，防止非授权用户对芯片进行 非法操作，增加了安全性。
电镀电源普遍采用可控硅整流器，存在许多缺点：设 备过于笨重复杂；效率低、功率大；提供的直流源品质不 高，纹波大。这些固有的缺陷影响了电镀表面质量的提高。 目前高品质、高效率、小体积的新型高频开关电镀电源取 代传统电镀电源成为一种趋势。高频开关电源由于变换器 在高频状态下进行能量转换，使其甩掉了传统电源中笨重 的工频变压器，不仅提高了生产效率，而且大大减小了电 源的体积和重量。
常用仿真软件
随着电源仿真技术的发展，各种适用于电源的计算机仿真软件近 年来一直不断涌现，并且软件的版本不断升级，越来越好地满足用户 对电源产品开发设计的要求，其中最常用的电路仿真软件有 Pspice,MATLAB和Saber等。 Pspice是由SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路程序， 1988年SPICE被定为美国国家工业标准，Pspice是由EDA （Electronic Design Automation,电子工业自动化）界著名的 Microsim公司于1984年首次推出的，是目前最受欢迎的子电路仿真 软件。它不仅能够灵活地仿真纯模拟或纯数字电路，而且能高效地仿 真模拟数字混合电路，在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大 的。
绝大部分高频开关电源仍然采用模拟控制系统，有以下缺点： l 控制电路结构复杂；需要使用较多的元器件，体积庞大； l 模拟器件特性必然存在差异，致使电源一致性差； l 模拟器件的工作点漂移，会导致系统参数的漂移灵活性不够； l 硬件一旦设计完成，控制策略就不能改变。 克服以上缺点的方法是采用数字控制系统，基于数字控制的高频开关电 源具有许多优点： l 数字电源基本上不受元件性能变化的影响，电源一致性好，可靠性高； l 数字化信号处理和控制，可避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂 散信号的干扰； l 硬件电路的功能由软件形式的数值计算所取代，因此控制电路的硬件 结构可简化； l 可实现开关电源智能化，结合网络通讯，容易实现远程“三遥”－遥 控、遥测、遥显。 l 便于系统调试，可以在同样的硬件环境下尝试不同的控制策略、寻求 最优控制方案，极大地方便了开发人员的工作。 l 通过更改软件程序，方便地实现新的数字电源的功能。
主电路
控制电路
2、主电路 三相交流输入经二极管桥式整流和EMI滤波后在电容C5上得到约530V直流电 压，Q1-Q4为四个开关器件IGBT，各自含有内部寄生二极管和寄生电容，Q1Q4与谐振电感Lr、高频变压器Tr的漏感构成全桥软开关变换电路，该电路利 用电感Lr、变压器Tr的漏感和IGBT寄生电容实现IGBT在零电压情况下的开通 或者关断。采用软开关变换电路可以有效地降低损耗，减小电磁干扰。电路 的控制方式采用移相PWM控制，每个桥臂的两个功率管成180º 互补导通，两个 桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角大小可以调节输出 电压。 L
3、开关模态2 (t1-t2) D3导通以后，开通Q3。虽然这时候Q3被开通，但Q3并没有电流流 过，原边电流由D3流通。由于在D3导通时开通Q3，所以是零电压开 通。
4、开关模态3 (t2-t3) t2时刻，关断Q4，原边电流由C2和C4两条路径提供，也就是说，原 边电流用来抽走C2上的电荷，同时又给C4充电。由于C4的存在， Q4是零电压关断。此时 vAB vc 4 , 变为负值，变压器副边绕组电势下 正上负，整流二极管DR2导通，副边绕组中开始流过电流。整流二极 管DR1和DR2同时导通，将变压器的副边绕组短接。在t3时刻，当 C4的电压上升到 Vin ，D2自然导通，结束这一开关模态。
4、稳压、稳流控制和多台设备并联后的均流方法 控制算法采用了电压电流双闭环结构。内环为电流控制环，外环为电压控 制环。输出电压Uo与电压给定值Ur进行比较，生成电压误差信号，经过电压 调节器构成电压控制外环。电压调节器的输出作为电流内环的给定信号，与 输出电流采样信号比较，经电流调节器输出PWM移相角，改变移相角的大小， 即可改变输出电压实现稳压功能。该结构可以实现稳压、稳流自动转换。 多台设备并联时，采用“主从式均流法”实现均流，一台设备为主机，其 余设备为从机，每台主、从机有各自的电流环，电压环共用一个并设置于主 机中，主机的电压环输出信号Vi经过DSP通讯接口传输从机，在从机中实现 内环电流控制，达到均流的功能。
1、总体硬件结构 设备硬件结构由两部分组成：主电路和控制电路。如图1所示， 输入为380V/50Hz三相交流电，输出为所需的12V/1000A直流电源。图 中上半部分虚线框内为主电路，包括四部分：整流及滤波电路、全桥 变换电路、高频变压器和高频整流电路。下半部分虚线框内为控制电 路结构图，包括DSP核心控制器、检测电路、保护电路、隔离驱动电 路等。
12V/1000A电镀开关电源研制
移相控制零电压开关PWM变换器
利用变压器漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容或外界电容 来实现零电压开关。 主电路中D1~D4分别是Q1~Q4的内部二极管，C1~C4分别是 Q1~Q4的寄生电容或外接电容。Lr是谐振电感，它包括了变压器的 漏感。每个桥臂的两个功率器件180度互补导通，两个桥臂的导通相 角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角来调节输出电压。Q1 和Q3分别超前于Q4和Q2一定相位，称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥 臂，Q2和Q4组成的为滞后桥臂。 C1=C3= Clead ，C2=C4= Clag