移相全桥调试方法

实验三十八 移相全桥零电压开关电路实验
（电力电子学—检测技术综合实验）
一、实验原理
1．移相全桥零电压开关电路结构
移相全桥电路是一种软开关电路。

移相全桥电路的基本电路如图38-1所示。

该变换器由四个开关管组成全桥电路，特点是利用变压器原边漏感（或原边串联电感Lr）和开关管的寄生电容来实现零电压开关ZVS，从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰。

R
L
图38-1 移相全桥零电压开关变换器结构
其中的S1，S2称为领先桥臂，其导通利用变压器漏感和滤波电感的能量，滤波电感一般臂变压器漏感大得多，较容易实现零电压开关。

S3和S4组成滞后桥臂，其开通仅能利用变压器漏感和谐振电感获得能量。

电路中开关器件的控制波形采用恒频移相控制方式，每对桥臂的两个开关器件成180°互补导通，而通过改变不同桥臂之间对角开关管的驱动信号移相角α的大小来实现输出电压的调节。

当α＝180°时，S1和S3或S 2和S4 同时导通，输出电压为零；当α＝0°时，S1 和S4或S2 和S3 同时导通，输出电压达到最大值。

图38-2 移相全桥零电压开关电路的控制驱动信号
2. 控制电路核心——UC3875芯片的工作原理简介
(1)芯片电路图和引脚
图38-3 UC3875的内部结构图
UC3875芯片是美国UNITRODE公司生产的移相式PWM控制集成电路, 其核心是相位调制器，其A输出信号与B输出信号反相，C输出信号与D输出信号反相，A、C
输出信号的相位移和B 、D 输出信号相位移相同。

该电路中具有独立的过电流保护，欠电压封锁电路。

A/B 、C/D 两对半桥都有可以单独调整死区时间。

集成电路还内置带宽超过7MHz 的误差放大器，一个5V 基准源，软启动，斜坡电压发生器和斜率补偿电路。

图38-4 移相控制器UC3875引脚图
(2) UC3875引脚和控制电路设计说明
1脚：5V 参考电压输出；
2脚：内部误差放大器的输出端，该引脚输出低于1V 时，驱动信号的移相脚强制设置为；
0o
3脚：运放反向输入端(-),接变换器输出电压作为反馈， 2脚与3脚之间接电容和电阻,形成闭环PI 调节器，稳定输出电压；
4脚：运放同向输入端(+) ,接入给定电压信号,以控制输出电压大小；
5脚：电流检测,可实现过电流保护，芯片内部有一个电流比较器该引脚输入电压超过2.5V ,UC3875自动封锁所有输出引脚，四路输出全部输出低电平;
6脚：软起动，芯片内部在上电后用9uA 恒流源给其充电，可接入一个电容，开机自动充电到4.8V ，实现变换器的软启动;
7脚：C/D 两功率管的延迟，设置滞后桥臂的死区时间，并联接入电容电阻到地：
/(62.512)th delay DS R T V e =−
15脚：A/B 两功率管的延迟信号, 设置滞后桥臂的死区时间，用法同7号脚； 16脚：开关频率设置端，并联接入电容、电阻到地，开关频率公式f = 4/RC 。

(3) 利用UC3875进行保护电路设计
UC3875内部集成比较器（图38-3的左下角部分）可用来封锁脉冲，即5脚输入超过2.5V 时，自动封锁所有脉冲驱动，故可利用该特性设计变换器的保护电路。

利用电流、电压传感器检测变换器的输出，设计成保护动作值，当该检测值超过2.5V 时关断所有主电路开关元件。

实验装置的三相桥实验模块采用IPM 智能模块（具有6个开关元件共3个桥臂，设计中只需让两个桥臂的四个开关元件工作即可），该模块具有输出过流保护，控制电源欠压保护，IPM 错误保护等。

利用IPM 送来的保护信号，以及传感器检测电路送来的信号可以实施各种保护：
输出过流保护使用电流传感器检测输出电流，该信号与LM311预置的门槛电压进行比较，过流则LM311输出高电平信号；
控制电源欠压保护，由于UC3875自带欠压封锁功能，控制电源欠压保护不需要过多设计。

UC3875的11脚接控制电源即可；
IPM 内部有多种故障检测电路，出现故障时，IPM 的经过光耦输出低电平，所以经一个非门后形成保护电路的逻辑信号。

o F o F 3、采用UC3875的控制电路图
见本实验附录图。

4、变压器原边串联谐振电感的设计原则
参见附录一的参考文献。

二、 实验目的
1. 了解、掌握移相全桥零电压开关电路基本工作原理。

了解电路中的两条桥臂（超前桥臂和滞后桥臂）实现零电压（ZVS ）的条件的差异。

了解移相全桥零电压开关电路的优缺点。

2. 了解、掌握UC3875集成电路的使用和外围电路（包括保护电路）设计方法；掌握移相全桥电路输出电压的闭环控制设计方法。

3. 掌握软开关电路谐振参数设计方法。

4. 通过传感器检测电路，观察软开关工作过程，学会分析电力电子电路开关损耗的方法。

5. 通过实验和设计，掌握电力电子系统的设计和调试方法。

三、实验内容
1. 了解实验电路参数，完成移相全桥电路实验系统有关部分设计（包括谐振电感设计、闭环稳压电路设计和保护电路设计）。

2. 完成移相全桥电路实验，观察软开关实现情况。

3. 对实验结果进行分析（在不同谐振参数和不同负载下进行比较）。

四、实验设备
1. 电力电子实验装置及相关实验模块；实验控制电路板；功率供电电源、控制电源；传感器模块；滤波模块；负载模块，检测显示仪表，等
2. 示波器
3. 计算机以及相应的分析软件
五、实验步骤
1. 设计移相全桥电路实验方案，并选择相应的实验挂箱搭建实验系统。

2. 完成输入电压变化（例如100±20V）和负载变化（空载Io=0到满载200W）时的输出电压测量，根据上述实验内容要求，自行拟定实验步骤和测量记录表格。

3. 参考实验步骤：见附录。

六、实验报告
1．画出移相全桥主电路图，分析并叙述该电路能实现软开关工作方式的原理。

2．设计确定谐振电感参数。

3．在以上设计的基础上完成实验（自行设计实验数据记录表格）。

4．对实验结果进行归纳、总结和讨论。

5. 对实验中观察到的问题，提出改进意见或思路。

七、实验思考题
1. 移相全桥电路中，实现DC/DC变换为什么需要4个开关管？
2. 在移相全桥零电压开关PWM电路中,如果没有谐振电感Lr，电路的工作状态将发生哪些变化,哪些开关仍是软开关,哪些开关将成为硬开关?
3. 怎样观察各开关工作在软开关工作状态？
4. 改变负载电流大小，对软、硬开关工作方式的开关损耗有什么影响？
附录
附录一参考文献
[1] 陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术. 北京：高等教育出版社，2002
附录二参考实验步骤
1. 了解实验电路原理，熟悉各个模块的大致功能。

2. 控制电路实验:
±电源，用对应的接
(1) 控制电路板(移相全桥DC/DC变换控制电路B04)接入12V
插件(DB9)从控制电源接口接到试验箱，然后再从实验箱转接到控制板上，控制电路上电。

(2) 用示波器观察控制电路波形。

CH1观察vg1、vg2、vg3、vg4测试点的波形，记录波形频率（控制电路正常工作下波形为20KHz方波。

方波的低电平代表开关器件的导通）。

(3) 拔出控制板上的JP1，JP2跳线帽，控制电路工作在开环模式下，调节调节电位器RP2，使EA/OUT测试点输出电压大约达到2～3.5V。

(4) 对角桥臂信号观察。

示波器CH1接vg1，CH2接vg4，观察对角桥臂的驱动信号相位差。

调节电位器RP2,观察驱动信号相位差的变化,根据移相全桥电路的原理和试验电路，对角开关器件驱动信号(vg1和vg4，vg2和vg3)同时出现低电平代表全桥电路的导通。

o
(5) 死区时间观察。

示波器CH1接vg1，CH2接vg2，观察到波形为180互补的方波。

此时，vg1和vg2的死区时间应该在2.8us到3.5us之间。

如果死区波形不正确或死区时间不正确，不能进行下面的试验。

3.主电路开环工作实验
(1) 三相IGBT桥模块A3接线（参见图38-5）：
z转接线(DB37)连接三相IGBT桥的驱动电源插座到试验台控制电源模块；
z转接线(DB15)连接三相IGBT桥的控制电路插座1到控制电路板B04；
z用电源线连接三相IGBT桥到试验台工作电源，P接V＋，N接V－；
z移相全桥谐振电感处接入10uH电感，并将一端连接到U，从电感另一端接到5uF/150V AC的电容(隔直作用)；
z三相桥V端和电容另一端将接入到变压整流滤波电路模块A6。

图38-5 三相IGBT桥模块A3接线接线图
(2) 变压整流滤波电路模块A6接线（参见图38-6）
z将IGBT的引出线接到高频变压器的N1绕组，N2绕组接单相整流桥；
z单相整流桥接电感电容组成LC滤波器，滤波电感选择1mH，滤波电容选择220u 和0.01u；
z滤波后的输出端V o,GND引出到负载、传感器和电压电流表。

图38-6 变压整流滤波电路模块接线图
(3) 主电路通电试验
z检查线路，待老师检查后方可开始试验；
z控制电路先通电工作；
z变换器输出V o、GND之间接入500Ω/50W负载电阻和电流表
z在自耦变压器调到最小的情况下打开工作电源，用两个万用表打到直流电压挡分别测量工作电源直流母线P、N间电压，变换器输出V o、GND之间电压；z旋转自耦变压器，升高母线电压，观察输出电压之间的变化
z以前面调节控制板电位器RP2的办法，示波器CH1测vg1，CH2测vg4，改变驱动信号的相位差，记录两个万用表的电压测量数据和示波器上的波形数据：
负载电阻（Ω） 500 200 100 50
直流母线电压(V) 100
变换器电压(V) 负载电流（mA ）
负载电阻（Ω） 500
200
100
50
直流母线电压(V) 100
变换器电压(V)
驱动信号周期(s) 每周期对角导通时间(s) 直流母线电压(V) 变换器输出电压(V)
打开工作电源，调节母线电压到100V ，调节控制板电位器RP1，改变输出电压，调节输出电压到到50V 。

并以前面所述的步骤更换不同的电阻并记录试验数据。

4. 移相全桥电路的闭环试验
(3) 主电路实验
观察在不同的占空比下的输入与输出电压。

z 合上JP1、JP2跳线帽，JP1接12，控制板RP2电位器尽量调大。

此时控制电
路工作在闭环模式下。

z 信号检测插座接到控制板B04的对应插座；
(2) 控制板实验操作
z 注意:电流传感器串联接入到负载，电压传感器并联接入到负载。

z 电压传感器选择LEM5，150V 档，OUT 端串入200Ω电阻; z 电流传感器选择LEM1，5匝挡，OUT 端串入200Ω电阻; z 驱动电源插座接入实验台的控制电源模块；
(1) 传感器检测箱模块A7接线
导通的占空比为：
z 开环带负载试验，自耦变压器调零，工作电源断电，更换负载电阻，再次打开工作电源，并将母线升高到100V ，控制电路固定一个导通角，反复操作，记录不同负载下的试验数据，并观察在不同负载下开环输出电压的变化。

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华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书
附录三控制板B04电路原理图
R25。