开关电源19、移相控制零电压开关PWM变换器

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=，C2=C4=

1、初始时刻_开关模态0

在时刻，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。

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

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

，D2自然导通，结束这一开关模态。

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。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。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。

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。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。

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，Q1-Q4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。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（TexasInstruments）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。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。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。性能指标：性能指标名称性能指标详述参数名称技术要求备

注稳流精度±1.0%

稳压精度±0.5%

纹波系数≤0.5%当输出电压≥0.2V时工作噪声≤50Db(A)

均流不平衡度±3.0%

效率≥86%额定负载下功率因数≥0.91

直流额定电压12V

直流额定电流1000A

额定交流输入电压380V

软启动时间(3~8)s

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。计算机仿真在开关电源中应用

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（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）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（ElectronicDesignAutomation,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。

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powersystemBlocks(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