42V/30A輸出電源的設(shè)計(jì)42V/30A輸出電源的設(shè)計(jì)摘要：開(kāi)關(guān)電源技術(shù)這世紀(jì)以來(lái)的發(fā)展越來(lái)越快，但是人們一直在不斷研究高性能、大功率的開(kāi)關(guān)電源。對(duì)于它們的需求也是非常強(qiáng)烈的。三電平直流變換器在電力電子中的直流變換器模塊的使用已經(jīng)變得越來(lái)越廣泛，三電平直流變換器在現(xiàn)在已經(jīng)成為了中大功率變換器的非常重要的攻堅(jiān)方向。三電平直流變換器設(shè)計(jì)出來(lái)的最為主要的目的是為了降低開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力所以在三電平直流變換器方案提出來(lái)之后，變換器的主開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力大體上可以達(dá)到輸入直流電壓的二分之一。在這個(gè)時(shí)候伴隨著軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展,電力電子專(zhuān)家將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)融入進(jìn)三電平直流變換器，變?yōu)檠芯康淖钪匾膯?wèn)題。Barbi教授在這個(gè)時(shí)候提出一種新型的直流變換器稱(chēng)為零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)(ZVZCS)三電平直流變換器。新型三電平直流變換器以耦合電感代替了平時(shí)使用的濾波電感，由于耦合電感感應(yīng)功能感應(yīng)出來(lái)的電壓通過(guò)各種不同的功率變換器再反射回去，這樣可以讓直流變換器在零狀態(tài)時(shí)的不停地循環(huán)電流使電流降低直至電流變?yōu)榱?用這個(gè)方式來(lái)進(jìn)行變換器的零電流調(diào)節(jié)。同時(shí),通過(guò)改變耦合線圈的匝比，可以對(duì)于電壓幅值大小進(jìn)行任何的調(diào)節(jié)從此適應(yīng)不同的條件需求，來(lái)達(dá)到對(duì)于電流調(diào)回0的時(shí)間控制的目的。與傳統(tǒng)的零電壓三電平比較，這個(gè)三電平具有在負(fù)載范圍浮動(dòng)很大的情況下內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)的功能；減小副邊占空比丟失；這個(gè)三電平變換器可以減小輸出二極管的振蕩及電壓尖值波動(dòng)過(guò)大等不同于其他直流變換器的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：三電平；直流變換器；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

Designof42V/30AoutputpowersupplyAbstract:Theswitchingpowersupplytechnologyisbecomingmoreandmorematurewiththedevelopmentofrecentyears.Three-levelconvertersarewidelyusedinpowerelectronicdcconvertersandhavebecomeanimportantresearchdirectionofmedium-powerconverters.Theprimarypurposeofthethree-leveldcconverteristoreducethevoltagestressoftheswitchingtube.Atthesametime,duetotherapiddevelopmentofsoftswitchingtechnology,thefusionofsoftswitchingtechnologyandtri-leveltechnologyhasbecomeahottopic.Barbiproposesazerovoltagezerocurrentsoftswitch(ZVZCS)three-leveldcconverter.Thevoltageinducedbythecouplinginductanceisreflectedbacktotheprimarylevelthroughthepowertransformer,sothatthecirculatingcurrentoftheconverterinthezerostatecanbereducedtozeroandthezerocurrentoftheinnertubecanbeturnedoff.Meanwhile,bychangingtheturnratioofthecouplingcoil,thevoltageamplitudeforcurrentreturntozerocanbearbitrarilysettoadjustthecurrentreturntozerotime.BetweenisaphaseshiftzerovoltageswitchPWMthreeleveldcconverterwithoutputsaturationinductance,comparedwiththetraditionalzerovoltagethreelevel,ithasawideloadrangetoachievezerovoltagesoftswitch;Reducedutycyclelossofside;Itcanreducetheparasiticoscillationandvoltagespikeoftheoutputdiode.KeyWords:Threelevel;Dcconverter;Softswitchingtechnology.PAGE2342V/30A電源設(shè)計(jì)PAGE22目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1. 概述 21.1研究背景 21.2研究意義 31.3設(shè)計(jì)內(nèi)容 42.零電壓零電流開(kāi)關(guān)PWM三電平直流變換器原理 42.1主電路結(jié)構(gòu) 42.2主電路工作原理及模態(tài)分析 53.主電路的設(shè)計(jì) 93.1輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì) 103.3主功率管的選擇 103.3高頻變壓器 113.4濾波電感的設(shè)計(jì) 123.5輸出二極管的選擇 124控制電路驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 134.1控制電路的設(shè)計(jì) 134.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 155.仿真分析 165.1仿真模型的搭建 165.2仿真參數(shù)的設(shè)計(jì) 166.結(jié)束語(yǔ) 19參考文獻(xiàn) 20致謝 21附錄1：主電路圖 22附錄2：控制電路圖 2342V/30A輸出電源的設(shè)計(jì)概述1.1研究背景自上世紀(jì)50年代晶閘管誕生之后,電力電子這門(mén)學(xué)科漸漸變成了一門(mén)非常重要的學(xué)科并且發(fā)展非常迅速。在電力電子這門(mén)技術(shù)中電力電子器件很小集成板塊電力電子系統(tǒng)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。電力電子集成模塊技術(shù)是電力電子技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展的大標(biāo)志。電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,使得電力電子這門(mén)學(xué)科以及這門(mén)學(xué)科的應(yīng)用已經(jīng)涉及了人類(lèi)生活的大部分區(qū)域，而且這門(mén)學(xué)科在變頻器、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)、電子產(chǎn)品系列、鐵路和城市以及鄉(xiāng)村交通、LED燈以及各類(lèi)LED產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及航天航空等行業(yè)的發(fā)展前景都非常的好。在現(xiàn)在我們這個(gè)年代,電力電子這門(mén)學(xué)科正向高頻率、功率密度提高、性能提高等方向不停地發(fā)展,它們發(fā)展以及不斷被研究的意義在于方便將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到大規(guī)模生產(chǎn)上面以及提高這些大規(guī)模生產(chǎn)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),這樣才能滿(mǎn)足我們這代人對(duì)于未來(lái)生活更高生活水平以及未來(lái)市場(chǎng)對(duì)電力電子技術(shù)的巨大需求。電力電子技術(shù)是一門(mén)由電子學(xué)、電力學(xué)、和自動(dòng)以及機(jī)械控制這三門(mén)學(xué)科相互滲透的一門(mén)非常特別的學(xué)科。在現(xiàn)在這個(gè)年代列如石油天然氣那些之前不可再生資源以及今天社會(huì)所需要的越來(lái)越多的綠色無(wú)污染的可再生資源,所以最重要的就是對(duì)于電能轉(zhuǎn)換裝置里面的消耗以及帶來(lái)的污染我們需要相出辦法來(lái)對(duì)于這些想象來(lái)進(jìn)行制止。在這些需求的提出之后對(duì)于開(kāi)關(guān)電源與線性電源的研究就變成了現(xiàn)在研究電力電子的主要研究方向。開(kāi)關(guān)電源是一門(mén)電源技術(shù)，而其中最為關(guān)鍵的部分設(shè)計(jì)是電力電子。在電子產(chǎn)品、通信、電力方向、可再生能源的研究、航空航天以及家常用電等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)在都已經(jīng)非常常見(jiàn)了。而開(kāi)關(guān)電源和線性電源相互之間比較的時(shí)候,開(kāi)關(guān)電源具有更加明顯電能之間的相互轉(zhuǎn)換效率，而且開(kāi)關(guān)電源的體積非常小、重量輕，所以在使用方面更加的廣闊。并且開(kāi)關(guān)電源更加易于控制，在進(jìn)行某些控制的時(shí)候開(kāi)關(guān)電源有著更好的精度。開(kāi)關(guān)電源與線性電源與眾不同的地方讓人民更加原因在小型的電力電子設(shè)計(jì)中取使用開(kāi)關(guān)電源,并且隨著社會(huì)的需求這就讓開(kāi)關(guān)電源非常迅速的被研究向中大功率電力電子器件，由于晶閘管相控整流電路的復(fù)雜以及本身的不方便，所以開(kāi)關(guān)電源很快就代替了它們。脈沖寬度調(diào)制(PWM技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù))在電力電子技術(shù)的發(fā)展將開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品有了，更加好的穩(wěn)定性以及更加好的操控性并且會(huì)使電子器件對(duì)于不同的電磁之間的不兼容問(wèn)題、電子器件之間轉(zhuǎn)換的電能損耗、提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)等問(wèn)題都有著非常好的解決方法。并且使得開(kāi)關(guān)電源正向功率因數(shù)、高標(biāo)準(zhǔn)化、頻率提高和機(jī)械智能化方向發(fā)展。而其中直流變換器的發(fā)展也是非常迅速的。直流變換器的功能是將整流過(guò)后的或者一開(kāi)始就不能調(diào)節(jié)的直流電壓轉(zhuǎn)變成人為可以調(diào)控的直流電壓，這是一個(gè)變換電路它的電能是由開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)來(lái)控制的，這種使用開(kāi)關(guān)控制電能的技術(shù)現(xiàn)在被廣泛使用于各種開(kāi)關(guān)電源、醫(yī)用設(shè)備、軍事通訊、風(fēng)能供電等新型可再生能源領(lǐng)域。功率開(kāi)關(guān)電子器件在上個(gè)世紀(jì)快速發(fā)展，這樣會(huì)使直流變換器的各種不同電路和各個(gè)電子器件之間的相互轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)到了百家爭(zhēng)鳴的地步，并且由于各種不同競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)技術(shù)的已經(jīng)發(fā)展到了非常成熟的地步。1980年，A.Narbal在這些直流變換器的電路拓?fù)渲绿岢隽艘环N不同于三電平變換器的新型直流變換器，該變換器不同于其他的變換器的本質(zhì)就是中點(diǎn)鉗位逆變器(NPC-INV)的一個(gè)橋臂。1992年，Pinheiro和Barbi首先提出了零電壓開(kāi)關(guān)三電平直流變換器的介紹，將新發(fā)展的軟開(kāi)關(guān)電力電子技術(shù)與三電平直流變換器的發(fā)展一起融入起來(lái)，使得三電平直流變換器的發(fā)展朝著多方面的技術(shù)進(jìn)發(fā)。該電路不同于其他電路最重要的地方是輸出開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力只是當(dāng)時(shí)輸入直流電壓的二分之一，對(duì)于輸入電功率非常大的場(chǎng)合和輸入電壓很高的情況下非常適合使用。在最近這幾年技術(shù)的提高，又出現(xiàn)了很多不同的三電平電路結(jié)構(gòu)。F.Canales在這個(gè)時(shí)期提出了一種與眾不同的三電平直流變換器。該變換器稱(chēng)為零電壓零電流變換器。該變換器采用PWM移相電力電子控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸出開(kāi)關(guān)管的電壓僅僅為直流電壓的二分之一，但是這個(gè)電路是在太過(guò)于復(fù)雜導(dǎo)致了參數(shù)設(shè)計(jì)以及電子元件的設(shè)計(jì)非常麻煩。這也是這個(gè)電路的缺點(diǎn)。1.2研究意義進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，由于測(cè)試設(shè)備和醫(yī)用設(shè)備、電力電子產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)如何顯示和軍事系統(tǒng)各個(gè)方面的需求以及現(xiàn)代化快速發(fā)展直接造成了直流變換器在社會(huì)的各個(gè)方面的使用。由于現(xiàn)代對(duì)于CPU的快速識(shí)別的要求，直流變換器由低功率已經(jīng)不太適合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，所以直流變換器的發(fā)展必須要達(dá)到中高功率的需求，所以251W～750W的直流變換器的研究以及應(yīng)用會(huì)變得非常廣泛，這主要是它用于服務(wù)性的醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、電力電子產(chǎn)品、軍事通訊、及發(fā)送設(shè)備，直流變換器在通訊方面以及遠(yuǎn)程控制方面有著廣闊使用前景。近代社會(huì)，我國(guó)現(xiàn)代化的高速發(fā)展，普通的直流變換器已經(jīng)不能滿(mǎn)足社會(huì)的需求了。在直流輸入電壓很低的情況下直流變換器的技術(shù)已經(jīng)非常成熟所以直流三電平變換器應(yīng)用對(duì)高輸入電壓的情況應(yīng)該是現(xiàn)在主要的研究問(wèn)題。而為了三電平更好的實(shí)現(xiàn)高電壓輸入，對(duì)于多電平變換器的研究顯得在現(xiàn)代社會(huì)非常重要，而三電平直流變換器又是其中非常常見(jiàn)的變換器，對(duì)于它的研究非常有意義。本文采用的三電平直流變換器是一種新型的移相PWM控制的三電平直流變換器，與之前的那些低壓情況下變換器，它能適應(yīng)在各種很寬的負(fù)載之間進(jìn)行零電壓與零電流開(kāi)關(guān)；而且副邊占空比會(huì)大大減少；對(duì)于電路里的二極管震蕩和電壓最高值都有可能減少。而且這個(gè)新型變換器在初始狀態(tài)時(shí)解決了開(kāi)關(guān)管在負(fù)載很低的電路不能實(shí)施軟開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。所以這種三電平全橋直流變換裝置,具有高頻特性良好,承受電壓等級(jí)高以及傳輸效率高等優(yōu)勢(shì)本模塊電源設(shè)計(jì)技術(shù)可推廣應(yīng)用于醫(yī)療型設(shè)備、電力電子設(shè)備、太陽(yáng)能領(lǐng)域、直流調(diào)速等場(chǎng)合。1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)輸出42V/30A電源，采用移相控制ZVZCSPWM三電平直流變換器是本模塊電源優(yōu)選的電路拓?fù)洹?1)設(shè)計(jì)主電路，由輸入整流濾波電路、單相逆變橋、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成，主功率管選用MOSFET和IGBT；(2)選擇（或設(shè)計(jì)）主電路所有元器件；(3)設(shè)計(jì)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路；2.零電壓零電流開(kāi)關(guān)PWM三電平直流變換器原理2.1主電路結(jié)構(gòu)本文提出一種新穎ZVZCSPWMTL變換器,這個(gè)新型的直流變換與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，它的控制方式是PWM移相控制法,其主電路原理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示?？梢钥吹綀D中在最前面有兩個(gè)電容Cd1和Cd2，這兩個(gè)電容的名字叫做分壓電容,它們兩個(gè)電容的值都一樣,并且它們的電容值容量很大,它們兩個(gè)電容平均分配了輸入電壓Vin,所以VCd1VCd2的電壓值為Vin的一半。可以看到圖中有一個(gè)電壓器，而Llk是本圖中變壓器的一次漏感,在圖中中間的兩個(gè)二極管VD5和VD6，這兩個(gè)二極管叫做箝位二極管,VQ1和VQ4在圖中叫做是超前管,而VQ2和VQ3這兩個(gè)晶閘管被稱(chēng)作為是滯后管,C1和C4分別為超前管VQ1和VQ4的并聯(lián)電容。Css為聯(lián)結(jié)電容,將前面兩只超前管和滯后管的開(kāi)關(guān)聯(lián)系過(guò)程組合起來(lái)。在這個(gè)變換器直流變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí),電容Css的電壓恒定為直流輸出電壓的一半。為了使變壓器輸入側(cè)線圈的電流在零狀態(tài)時(shí)減小到零增加了一個(gè)電容叫做阻斷電容,是圖中的Cb3從而實(shí)現(xiàn)滯后管VQ2和VQ3的ZCS。為了防止一次電流在零狀態(tài)時(shí)減小到零后繼續(xù)反方向流動(dòng),在滯后管中分別串入二極管VD2和VD3。圖2-1原理結(jié)構(gòu)圖2.2主電路工作原理及模態(tài)分析圖2-2-1圖2-2-2圖2-2-3圖2-2-4圖2-2-5圖2-2-62.1開(kāi)關(guān)狀態(tài)0在t0時(shí)刻，VQ1和VQ2導(dǎo)通，VAB=Vin/2，一次電流ip給阻斷電容Cb充電。變壓器輸入側(cè)線圈的電流為Ip0=Io/K，在這個(gè)公式當(dāng)中Io是經(jīng)電路之后的輸出電流，而其中K為變壓器的匝數(shù)比。阻斷電容Cb電壓為VCb2.2開(kāi)關(guān)狀態(tài)1在t0時(shí)刻關(guān)斷VQ1，一次電流給超前管的并聯(lián)電容C1充電，在這個(gè)時(shí)候電路通過(guò)電容Css給C4放電。由于有C1和C4，Q1在這個(gè)時(shí)候的功能是零電壓關(guān)斷。此時(shí)Llk這個(gè)電感和濾波電感Lf的連接關(guān)系是串聯(lián)在一起的，而實(shí)際中Lf的電感值一般都是很大的，而一次電流的值近似不變，與定值的電流源一樣，一次電流的大小為Ip0=Io/K，一次電流繼續(xù)給Cb充電，C1的電壓有規(guī)律的升高，C4的電壓有規(guī)律的降低。在t1時(shí)刻，并聯(lián)電容上C1上的電壓值上升到輸入電壓的一半時(shí)，另一個(gè)并聯(lián)電壓C4的電壓下降到0，A點(diǎn)電位值為輸入電壓的一半，此時(shí)VD5會(huì)直接導(dǎo)通，自此為止開(kāi)關(guān)模態(tài)1結(jié)束，這時(shí)vAB=0。開(kāi)關(guān)模態(tài)1的持續(xù)時(shí)間為t01=CrVin/2.3開(kāi)關(guān)模態(tài)2當(dāng)VD5自然導(dǎo)通之后，C4的電壓會(huì)被固定它的值為0，因此這個(gè)電路的其中之一的功能就可以實(shí)現(xiàn)VQ4就會(huì)被零電壓導(dǎo)通。VQ4與VQ1驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間td>t01。在這段時(shí)間里，VD5和VQ2導(dǎo)通，vAB=0。這個(gè)時(shí)候變壓器一次繞組上的電壓跟L1K上的電壓一樣值變?yōu)閂cb，此時(shí)一次電流開(kāi)始降低，在降低之后它的值沒(méi)又足夠的值取供給負(fù)載，所以負(fù)載電流會(huì)不夠，負(fù)載會(huì)停止。因此兩個(gè)整流二極管VDR1和VDR2同時(shí)導(dǎo)通，這種情況的出現(xiàn)會(huì)使變壓器的原邊副邊的電壓值變?yōu)?。此時(shí)vCb全部加在Llk上，ip減小，vCb上升。由于Llk的電感值非常小，但是Cb的值會(huì)變得很大，因此可認(rèn)為在這個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)中，vCb的值幾乎是不會(huì)改變的，ip正常情況下式有規(guī)律的減少，即:2.4開(kāi)關(guān)模態(tài)3在開(kāi)關(guān)模態(tài)3中，ip=0，vB=Vin/2，vA=Vin/2+VCbp。VDR1和VDR2同時(shí)導(dǎo)通，均分負(fù)載電流。2.5開(kāi)關(guān)模態(tài)4在t3時(shí)刻,VQ2的狀態(tài)是不導(dǎo)通的，由VQ2是關(guān)斷的所以不會(huì)有電流流過(guò)，因此VQ2是零電流關(guān)斷。有一段時(shí)間的延后，VQ3的狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通，但是Llk的一直存在對(duì)電流有著許多的影響其中比較重要的就是使一次電流不能變換很快，這樣會(huì)實(shí)現(xiàn)另一個(gè)功能就是VQ3的導(dǎo)通情況，是零電流導(dǎo)通的。由于一次電流的值仍然不夠負(fù)載電流的流通，但是在此時(shí)VDR1和VDR2依然一起處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以變壓器的原邊副邊值仍然為0。此時(shí)加在Llk上的電壓為-Vin2+VCbp，ip從零開(kāi)始開(kāi)始逆著正方向有規(guī)律的增加。2.6開(kāi)關(guān)模態(tài)5從t4時(shí)刻開(kāi)始，一次側(cè)為負(fù)載電路提供可它運(yùn)行的電流電壓以及能量，并且在這個(gè)時(shí)候給Cb進(jìn)行充電并且是逆著正方向的。VDR1關(guān)斷，所有負(fù)載電流均流過(guò)VDR2。在這個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)中vCb(t)=VCbp-Ip0Cb(t-t4)在t5時(shí)刻VCb(t5)=VCbp-Ip0Cbt45阻斷電容上的電壓為下一次VQ3零電流關(guān)斷和VQ2零電流開(kāi)通作準(zhǔn)備。在t5進(jìn)行的時(shí)候，關(guān)斷VQ4處于的狀態(tài)時(shí)是關(guān)斷的，在此之后電路開(kāi)始t5，t10]的下一個(gè)周期，在這個(gè)周期內(nèi)三電平直流變換器它在穩(wěn)態(tài)工作情況與[t0，t5]的情況相差不多。3.主電路的設(shè)計(jì)輸入電源：三相工頻交流電源（380V±20%）輸出電壓：42V輸出電流：30A最大輸出紋波電壓：200mV工作頻率：20kHz效率：大于88%3.1輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)為了將380V（±20%）的三相工頻交流電整流成直流電，采用三相橋式不控整流電路對(duì)交流電進(jìn)行整流，供給逆變橋電路。a）整流二極管輸入三相交流電：Vline(min)~Vline(max)=304~456V相電壓U2=220V（±20%）三相橋式不控整流電路輸出平均電壓：Ud=（2.34~2.45）U2=（515~539）V（±20%）所以取額定輸出直流平均電壓為530V（±20%）二極管承受最大反向電壓：考慮（2~3）倍的電壓裕量，選擇VRRM=2000V的二極管，選用高頻整流二極管ZP50-2000V，其承受最大反向電壓2000V，正向最大電流50A。b）濾波電容根據(jù)輸入交流電壓的變化范圍，可得線電壓的峰值變化范圍為：三相輸入整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值：Vpp=429×7%=30V整流濾波后的輸入直流電壓Vin(min)~Vin(max)：399~614V輸入功率式中，P0為輸出功率，n為電源轉(zhuǎn)換效率。每個(gè)周期內(nèi)Cin提供的能量Win約為：其中A為輸入交流電的相數(shù)，由于輸入為三相交流電，所以A為3。因此，輸入濾波電容容量：所以選擇1000μF的CD13H電容，其耐壓值為630V，采用兩個(gè)CD13H電容串聯(lián)。3.3主功率管的選擇1.超前橋臂MOSFET管的額定電壓和額定電流在上面的內(nèi)容有過(guò)了解，超前橋臂晶閘管的電壓峰值為Vin，在經(jīng)過(guò)整流濾波電路之后的電壓的直流電壓最高為380V，所以在電路中選用500V的管子即可。由于電路的整流電路中輸出濾波電感有10%的紋波，所以流過(guò)電感的電壓為120A，因此流過(guò)變壓器輸入側(cè)線圈一次電流的最大值為ipmax=120/6=20A，可選取30A左右的管子。實(shí)際超前橋臂MOSFET管選用美國(guó)萬(wàn)代公司的MOSFET管MMBT2222A1P，其額定電壓500V額定電流32A。2.滯后橋臂IGBT管的額定電壓和額定電流滯后臂IGBT管上的電壓應(yīng)力最大值為Vin+Vcbp，約為1.2Vin，即最大為456V。同樣，IGBT管上流過(guò)的電流最大輸出電流可以達(dá)到30A。滯后橋臂的功能是零電流開(kāi)關(guān)控制，為了響應(yīng)號(hào)召減少電子器件之間的損耗，選用的是IGBT管，由于選取功率管要根據(jù)電壓電流，所以根據(jù)上面的電流電壓計(jì)算值，選用英飛凌的FT150R12KE3G，其額定電壓500V，額定電流50A。3.超前橋臂并聯(lián)電容超前橋臂的開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)電容是為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，以減小關(guān)斷損耗。由公式得：一般t01取MOSFET關(guān)斷時(shí)間tf的（2-3）倍，這里取t01=3tf。查手冊(cè)，IXFH32N50的關(guān)斷時(shí)間為tf=26ns，Ip0=20A，Vin取最大值380V，代入上式，可得：Cr=2.05nF，實(shí)際取4.7nF。4.選擇串聯(lián)在滯后橋臂二極管滯后橋臂中串聯(lián)的二極管所承受電壓應(yīng)力最大值為Vcbp，選Vcbp=20%Vin，則串聯(lián)二極管電壓應(yīng)力為：38020%V。實(shí)際選用IXYS公司的MUR10100AC，其額定電流和電壓值為：30A/400V5.阻斷電容的選取在之前討論的時(shí)候提到，一般在思考如何獲得阻斷電容電壓的峰值時(shí)我們是在滿(mǎn)載的時(shí)候：Vcbp=0.2Vin因?yàn)殡娫措妷簽?80V，所以Vcbp=76V,所以有下式得：這里，D為原邊占空比，取D=0.85，fs=50KHz,Ipomax=100/6=16.7,代入上式得Cb=1.1μF，實(shí)際取1uF/400V的無(wú)感電容。3.3高頻變壓器1.變比為了電壓滿(mǎn)足各方面需求不管是輸入電壓還是輸出電壓,變壓器的匝數(shù)比選擇的時(shí)候應(yīng)該選取輸入電壓最小的時(shí)候。假設(shè)變壓器副邊最大占空比為0.85,在這種情況下副邊電壓Vm計(jì)算出來(lái)為:其中:V0是電路中最終的輸出電壓,VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降,Vlf是輸出濾波電感上的直流壓降。故變壓器原副邊變比K為:其中Vmin為輸入三相交流電壓為最小時(shí)，整流輸出后的直流電壓，Vmin=380V*80%=304V。所以K的實(shí)際值取6。2.開(kāi)關(guān)頻率由于電路功能實(shí)現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS,可以讓軟開(kāi)關(guān)頻率提高非常之多。但是另一個(gè)橋臂上的器件不停關(guān)斷與導(dǎo)通所以器件會(huì)存在很多損耗,因此,軟開(kāi)關(guān)控制時(shí)肯定會(huì)出現(xiàn)損耗。與此同時(shí),在變壓器內(nèi)部也存在著很多損耗,所以本電路取f=50kHz。3.選磁芯選EE65A型磁芯,磁芯有效面積A=538mm2,窗口面積S=537mm2。磁芯的最高工作磁密取Bm=0.15T。4.確定匝數(shù)副邊匝數(shù)的確定：其中，V0為直流輸出電壓，將V0,fs,Bm,Ae帶入上式：Ns=3所以副邊匝數(shù)18匝。3.4濾波電感的設(shè)計(jì)輸出濾波電感電流的脈動(dòng)在電力電子中一般選擇為為最大輸出電流的20%,這樣本電源的輸出濾波電感電流的脈動(dòng)可選為6A,也就是當(dāng)輸出電流在3A時(shí)輸出濾波電感電流應(yīng)該是不斷地持續(xù)輸出,所以輸出濾波電感就可以用下面公式的計(jì)算:得Lf=0.3mH濾波電容的設(shè)計(jì)如果規(guī)定輸出電壓的紋波值最大為V=200mV,則可由下式確定輸出濾波電容的

大?。旱肅f=8.753.5輸出二極管的選擇額定電壓所以耐壓值取二倍余量為350V。額定電流在上圖中的全波整流電路中,圖中的二極管在一個(gè)開(kāi)關(guān)控制周期內(nèi)流過(guò)電流的有效值為：在滿(mǎn)載時(shí)I0=30A,則l=21.2A。選擇江蘇佑風(fēng)公司的超快恢復(fù)二極管模塊

RS2GA-SMA,其電壓和電流額定值為:50A600V。4控制電路驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)4.1控制電路的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，輸入電壓是在一定范圍內(nèi)變化的，為了保證輸出電壓保持穩(wěn)定不變，需要對(duì)電路進(jìn)行電壓反饋控制設(shè)計(jì)，用來(lái)維持輸出恒定。圖4-1在圖中，PC817光電耦合器（后文中簡(jiǎn)稱(chēng)光耦）起著初級(jí)與次級(jí)電路電氣隔離和信號(hào)隔離的做用，光耦PC817三極管的集電極Ucomp接SG3525的反相輸入端1腳。在該反饋電路中，R4作為PC817的限流電阻保護(hù)光耦發(fā)光二級(jí)管不因過(guò)流而燒毀。[查閱文獻(xiàn)]PC817技術(shù)手冊(cè)可知光耦的原邊電流If的工作線性區(qū)為3～5mA，為方便計(jì)算取If=5mA，CTR=80%,光耦發(fā)光二極管的壓降一般為1.1V，輸出電壓VO=14V,故R4的取值計(jì)算如下：R5為反饋電阻，它的作用是采樣出隔離后的反饋電壓送給SG3525控制芯片，當(dāng)輸出電壓為14V時(shí)Ucomp=2.5V,SG3525芯片內(nèi)部的參考電壓為5.1V，前面已經(jīng)設(shè)定PC817光耦的電流傳輸比CTR為80%，因此可以計(jì)算出R5的值。4.1.1芯片介紹SG3525PWM脈寬調(diào)制芯片采用DIP雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)，總共有16只引腳其封裝圖主要引腳接線如下圖所示。圖4-2隨著現(xiàn)代社會(huì)電子器件之間轉(zhuǎn)換的技術(shù)發(fā)展非常快速，所以廣泛使用功率MOSFET在開(kāi)關(guān)變換器中。工作電壓范圍寬：8～35V。內(nèi)置5．1V±1．0％的基準(zhǔn)電壓源。芯片內(nèi)振蕩器工作頻率寬100Hz～400kHz。具有振蕩器外部同步功能。管腳1-2接地等于屏蔽了誤差放大器，可調(diào)電壓由管腳9進(jìn)入。這樣做的壞處是不清楚誤差放大器的輸出狀態(tài)，可能可行也可能有問(wèn)題，不建議。管腳1-9短接，調(diào)節(jié)管腳2，這和參考設(shè)計(jì)是一致的，不過(guò)外圍請(qǐng)參照規(guī)格書(shū)，1和9之間加電阻，不要直接短接，9腳輸出加電容。4.1.2外部電路的設(shè)計(jì)圖4-3在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩電阻RT、振蕩電容CT和死區(qū)電阻RD可以設(shè)定PWM的死區(qū)時(shí)間和占空比。電路的PWM工作頻率fs=50KHz,在則SG3525三角載波頻率為2倍的fs，100kHz。根據(jù)公式可以得出RD、RT、CD取值：t1為CT充電時(shí)間，t2為CT放電時(shí)間（即死區(qū)時(shí)間）一般取，則實(shí)際的電容充電時(shí)間，首先選取電容CT，取常見(jiàn)的10nF容量，則可以計(jì)算出RD為128Ω，取150Ω。根據(jù)下面公式可以計(jì)算出RT為692Ω，取700歐。因此PWM信號(hào)頻率約為70kHz。軟起動(dòng)功能引腳（8腳）所接的起動(dòng)電容取C7=4.7uF，當(dāng)電容C7充滿(mǎn)電時(shí)SG3525的8腳為高電平芯片才能工作。為了得到穩(wěn)態(tài)誤差較小，反應(yīng)速度快的穩(wěn)定工作系統(tǒng)，所以要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)主要由SG3525內(nèi)部的反相比較器的補(bǔ)償信號(hào)輸入端（9腳）與反相輸入端（1腳）之間的電阻R9、R10、電容C8、C9等器件組成的典型二型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)圖所示。參考同等雙管正激勵(lì)變換器的同等輸出功率大小的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)[車(chē)載雙管正激直流變換器的設(shè)計(jì)],選擇電阻R9=10kΩR10=10Ω，C8=100pF,C9=3nF。同相輸入端（2腳）上的參考電壓是由（16腳）上的5.1V精準(zhǔn)電壓經(jīng)分壓電阻R7、R8分壓后得到的，故R7與R8的阻值比為R7：R8=26：25，取R7=2.6kΩ，R8=2.5kΩ。4.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)MOSFET為三端電壓控制型開(kāi)關(guān)器件器件，按基本結(jié)構(gòu)來(lái)分它主要有N溝道型MOSFET和P溝道MOSFET，按導(dǎo)電溝道的形成機(jī)理來(lái)分可以分為增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型MOSFET，本設(shè)計(jì)中使用的是N溝道增強(qiáng)型MOSFET。驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示:圖4-3本驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理為:利用變壓器的電磁感應(yīng)原理將一路脈沖信號(hào)耦合成兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用來(lái)分別驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管S1、S2，使開(kāi)通關(guān)斷。在該驅(qū)動(dòng)電路中，VCC為提供電源，C11、R15、D14組成MOSFET開(kāi)關(guān)管S3的反向電路，R15與R16、R7同為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電阻，對(duì)長(zhǎng)走線引起的寄生電感與開(kāi)關(guān)管極間電容產(chǎn)生的振蕩起一定的阻尼作用，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。R17、R19作為開(kāi)關(guān)管的極間電容的放電電阻。5.仿真分析5.1仿真模型的搭建圖5-15.2仿真參數(shù)的設(shè)計(jì)圖5-2整流二極管參數(shù)圖5-3電容C1參數(shù)圖5-4主電路二極管參數(shù)圖5-5Mosfet參數(shù)設(shè)計(jì)圖5-6電感參數(shù)設(shè)計(jì)圖5-7電容參數(shù)設(shè)計(jì)圖5-8電阻參數(shù)設(shè)計(jì)5.3仿真波形圖5-9原邊電壓的波形圖5-10Mosfet管波形圖5-11輸出電壓波形圖5-11阻斷電容波形6.結(jié)束語(yǔ)在這兩個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了許多困難。尤其是在三電平的認(rèn)知上非常迷茫，對(duì)于三電平由淺入深的理解，從一開(kāi)始對(duì)于三電平的電路的不熟悉慢慢到對(duì)于三電平各部分元件的具體了解以及各個(gè)部分電流的流向，電壓的值，以及電阻電容的參數(shù)的設(shè)計(jì)都有了較深的理解。在設(shè)計(jì)當(dāng)中涉及到的整流濾波電路，高頻變壓器以及逆變橋電路都做了很多思考。在設(shè)計(jì)中也涉及到許多不足，未能解決。在對(duì)于最后進(jìn)行仿真的時(shí)候?qū)τ贛ATLAB的使用一開(kāi)始的時(shí)候也非常陌生，但是漸漸的對(duì)于各個(gè)模塊的使用，各個(gè)器件的擺放以及最后的參數(shù)設(shè)計(jì)都熟練了很多。

參考文獻(xiàn)[1]