移相全桥DCDC变换器设计-开题报告

燕山大学里仁学院毕业设计（论文）开题报告课题名称：移相全桥DC-DC变换器设计学院（系）：年级专业：学生姓名：指导教师：完成日期：一、说明选题的依据和意义通信网络技术的快速发展和通信业务的全面展开，各种数据业务、多媒体业务应用日益普及，产品的集成度将会越来越高。

在通信网络的建设和升级过程中，各种室内外设备及各种不同的应用场景，如城市中心区域、各大高校宿舍、铁路沿线，尤其是在偏远地区这种情况下，设备对其运行环境也提出了更加严格的要求，对电源质量的要求也更加苛刻。

直流远供电源系统是通信领域中的重要设备，广泛应用于远程及数据通讯、计算机、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。

DC-DC变换器在通信设备用直流远供电源系统当中发挥着重要的作用。

目前基站存在大量的低效率电源，在网电源即便是比较新的，普遍效率一般也低于90%，在低负载输出时效率则更低。

在网运行超过一定年限又不具备模块休眠功能的老旧电源，其真正的效率只有80%左右。

有些基站建设在城乡或山区，电网环境恶劣，轻则造成系统失效，重则造成系统崩溃、设备损坏。

无论是失效还是崩溃都直接影响了通信信号的稳定和服务质量。

因此，基站供电效率和可靠性问题，成为目前运营商亟待解决的问题。

直流远供电源的优势在于：远程供电方案适于为通信网络中各种低功耗设备、室外型设备和特殊应用场景的设备提供电力，如网络末梢位置分散的小型通信设备等。

远供电源在通讯设备中的应用，不仅能够进一步保障通信设备得正常运行，而且还能更好地解决各种不同的特殊应用场景的供电问题(如小型的UPS供电，电池寿命很难得到保证，并且损坏率较高，蓄电池被盗以及当地接电不便或供电不稳定等)，优化电源设备，提高运行效率，降低建设与维护成本，保障各类通信设备安全、可靠、稳定、经济、绿色的电源供应。

二、本课题国内外研究动态综述在目前现有的DC-DC变换技术当中，可供选择的电路拓扑结构形式有很多种，如：Buck、Boost、Buck-Boost、Fly-back、Forward和Full-Bridge、Half-Bridge等电路。

Buck、Boost等非桥式电路一般应用在小功率场合；正激变换器和反激变换器的变压器单向励磁，利用率低，适合中、小功率电源，像小功率电子设备、计算机设备等。

半桥电路适用于各种工业电源，计算机电源等。

在中、大功率场合一般采用全桥变换器，这是因为全桥DC-DC变换器不仅保持了半桥DC-DC变换器中开关管截止时期间承受电压低的特点，又具有Push-Pull电路具有的输出电压高、输出功率大的优点，变换器功率开关管的电压和电流定额相同的情况下，DC-DC变换器的输出功率通常与所用开关管数量成正比，其输出功率要大于其它电路拓扑结构的输出功率，而且还能够通过变压器实现隔离以及相同或不同的多路电压输出，因此全桥DC-DC变换器更适合高压输入和中大功率的场合，在基站的直流远程供电方案当中也是首选的电路拓扑结构。

电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展，高频化、小型化、轻量化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。

我国自80年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。

为了缩小DC/DC 变换器的体积，提高功率密度，改善动态响应，进一步降低损耗，高频化是DC/DC变换器技术发展的必然趋势。

但高频化又会产生新的问题。

例如，在全桥变换器电路当中，功率开关管在电压不为零时导通或电流不为零时关断，处于硬开关状态，随着开关频率的提高，开关管的开通和关断的损耗会成正比上升，使电路的效率大大降低，变换器处理功率的能力大幅下降开关损耗及无源元件的损耗增大，另一方面，电路存在感性关断和容性开通问题，会对外产生严重的电磁干扰即高频EMI问题等。

为了克服DC/DC变换器在硬开关状态工作下的缺陷，随着科技的进步，软开关技术相继被提出。

软开关技术是20世纪80年代初由美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授首先提出并应用于DC-DC变换器中的。

由于它具有减少开关损耗、降低电磁干扰等优点，使其发展迅速，被广泛地引入各类电力电子变换器中，并逐渐推向应用。

从20世纪80年代以来，国内外电力电子界和电源界不断研究开发高频软开关技术，近些年得到了巨大的发展。

目前在控制方式的选择上应用比较多的是移相控制，该控制方式通过电路自身寄生参数实现软开关过程，开关频率恒定，结构简单，对输出电压可以进行快速调节，以及有较大的输出电压范围等。

基于以上优点，移相控制方式是80年代以来在全桥变换电路中广泛应用的一种软开关控制方式。

硬开关过程是电力电子开关器件在大电压或大电流条件下通过门极的控制实现开通或关断，从而完成能量的变换；而软开关过程是应用谐振原理，通过电感L和电容C的谐振来对开关的开关轨迹进行修整，使开关器件中的电流(或其两端的电压)按正弦或准正弦规律变化，当电压下降到零时，使器件导通，或者当电流过零时，使器件关断。

软开关技术又分为零电压开关ZVS(Zero Voltage Switching)和零电流开关ZCS(Zero Current Switching)。

开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，会使器件的开关损耗在理论上降为零。

软开关技术的应用提高了电力电子变换器效率和可靠性，并有效的减小电能变换装置体积、重量和引起的电磁污染和噪声以及开关损耗。

实际上，在80年代初，我国科学家研究员方资端在美国完成一项逆变器研究课题时已经实现了3kW，150kHz，移相全桥DC/AC变换器模块。

对于移相全桥DC-DC变换器有两种软开关方式，即ZVS方式和ZVZCS方式。

ZVS方式主要是通过自身电路电感和电容之间的谐振使两个桥臂的开关管在开通时处于两端零电压的状态，这就消除了开关管的开通损耗，但是它的缺点也是比较明显的，像占空比丢失及轻载时滞后桥臂很难实现ZVS。

ZVZCS软开关方式指的是超前桥臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS。

与ZVS 方式相比，它几乎没有占空比丢失情况，但是需要加入复杂的辅助电路。

进入20世纪90年代，各种软开关技术，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全桥ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的开发和应用都有较大的发展。

移相全桥ZVS-DCDC变换器和全桥移相ZVSZCS-DCDC变换器是目前内外电源界研究的热门课题，并已得到了广泛的应用。

常规的移相全桥软开关变换器，功率开关器件电压、电流额定值小，功率变压器利用率高等，但是它们却也存在着各种各样的缺点。

比如有的难以适用于大功率场合,有的要求很小的漏感,有的电路较为复杂且成本很高。

1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”，就DC-DC及AC-DC功率变换器的发展趋势与需求进行探讨，指出高功率密度DC-DCZVS开关变换器与器件性能、无源元件、封装技术等有很大关系。

与1994年对比，2000年，在保证可靠性增加一倍的基础上，这种变换器功率密度提高一倍，成本降低一半。

2008年以来，控制技术和器件技术的进步使得更合理的拓扑得以应用，以整流器效率高于96%为显著标志的第四代电源产品开始商用。

主流厂商现都可以生产高效率开关电源产品，部分行业领先的厂家已经推出了峰值效率高于96%的整流模块。

2017年以前世界上大型2G设备将退网，4G时代已经到来，新一代高性能的基站也提出了更高的供电要求：单板及系统的功耗更低、单板上元件密度更大、系统中电路板密度更大；无线设备单位载频功耗的耗电量上也有比较明显的下降，体积小、重量轻、壁挂式安装需要高防护等级及散热效果；在通讯设备上，由于现时所需的容量增加、4G发展、宽频应用等，造成所需的电源功率大大增加，其它问题也相应提出，必须在整体设计上考虑EMI、防干扰、浪涌、瞬态保护、散热设计等重要因素。

三、研究的基本内容，拟解决的主要问题本毕业论文从全桥DC-DC变换器的基本理论入手，设计适用于大功率场合的移相全桥软开关变换器。

需要研究的内容以及解决的问题主要有以下几点：1、掌握传统移相全桥DC-DC变换器的工作原理；通过仿真分析其开关瞬态通断过程中的工作过程，以及从轻载到满载变化时，软开关的实现情况。

2、分析实现软开关的关键因素与解决办法；对比全桥DC-DC变换器的ZVS和ZVZCS两种软开关技术，分析实现软开关的关键因素，寻找抽走将要开通的开关管的结电容上的电荷或者给同一桥臂关断的开关管的结电容充电以及在续流期间将原边电流复位至零的办法。

3、设计一台1kW的通信远供电源，包括主电路、控制电路、驱动电路设计；输出容量达到如下指标要求：（1）直流输入300V，直流输出48V；（2）输出直流电流20.83A；（3）输出电压稳定精度 1%；（4）输出纹波电压和尖峰电压VPP小于200mV；（5）具备短路保护、过压保护和瞬态过流保护功能；四、研究步骤、方法及措施1.查阅相关文献资料，掌握移相全桥DC-DC变换器的原理，了解其最新的发展现状。

2.查阅相关书籍，掌握UC3875的特性及其使用方法。

3.设计全桥变换器的主电路结构，超前桥臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS。

4.设计驱动和控制电路，选择适当的调节器结构和参数，优化变换器的输出性能。

5.利用PSPICE进行仿真，分析仿真结果，给出结论。

五、研究工作进度安排第1-2周查阅并消化理解远供电源DC-DC变换器，掌握移相全桥变换器的基本工作原理和设计方案的选择。

ZVS移相全桥变换器利用高频变压器的漏感或者串联电感与功率管的寄生电容或者附加并联的电容发生谐振的原理来实现超前臂和滞后臂的零电压开关。

通过阅读相关文献，发现移相ZVS DC-DC全桥变换器存在以下缺陷：(1)变压器存在循环电流，降低了变换器的效率；(2)变压器的副边在电流换向时存在整流管同时导通的情况，造成占空比丢失最大占空比利用不充分；(3)副边的整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大且有较大的开关噪音；(4)轻载时滞后臂ZVS实现困难。

针对全桥ZVS软开关方案的问题，决定采用ZVZCS方案，即超前桥臂实现零电压开关(ZVS)，滞后桥臂实现零电流开关(ZCS)。

第3周了解实现全桥软开关的关键因素与解决办法实现ZVZCS的条件：1、抽走将要开通的开关管的结电容（或附加电容）上的电荷；2、给同一桥臂关断的开关管的结电容充电；3、抽走变压器原边绕组寄生电容上的电荷；4、在续流期间将原边电流复位至零。

第4周开题报告答辩。

第5-7周设计、计算电路有关参数。

第8-10周利用PSPICE仿真软件进行电路的额定工作点开环仿真。

第11-15周分析仿真结果。

给出全部工程图纸和元器件表撰写论文。

第16-17周绘画A0大图、准备答辩。