实验十移相控制全桥零电压开关PwM变换器研究I 验目 (1)掌握移相控制全桥零电压开关PWM变换器的组成,工作原理与波形 (2)熟悉移相控制零电压开关(ZVS)专用集成芯片UC3875的工作原理与使用方法。 (3)掌握移相控制全桥零电压开关PWM变换器的调试方法,主要参数变化对实现ZS的影响。 二.实验系统组成及工作原理 验系统原理框图如图4-35所示。系统采用移相控制方式实现零电压开与关(简称ZVS)。移相控制方式是近年来在全桥变换电路 拓扑中广泛应用的一种软开关控制方式,它是谐振变换技术与常规PwM技术的巧妙结合,既实现了软开关又保持了常规全桥PWM变换电 路所具有的拓扑结构简单、控制方式简单、开关频率恒定、元器件的电压和电流应力小等一系列优点 主电路 12 A 6 8 R3 VecH 本太太 本 -S4 Rio JaIl UC3875 本本本 过流报警⊙复位) RI c1l/ c12 图4-35实验系统原理框图 移相控制方式的基本工作原理为:每个桥臂的两个开关管1800互补导通,两个桥臂的导通之间相差一个相位,即所谓移相角,通 过调节此移相角的大小,来调节输出电压脉冲宽度,从而达到调节输出电压的目的。 移相控制软开关的一个特有现象,也可以说是其主要不足的是存在副边占空比丢失现象,即副边占空比小于原边的占空比,两者 的差值通常用 Loss表示,而且谐振电感越大、负载越大、主电路电压越低则 DRoss越大。 系统工作原理如下:如果能使VT与VT3分别在T2和VT4之前先关断,而后再关断ⅥT2和ⅥT4,即可实现ZVS,为此可称V1与VT3为超 前桥臂,而Ⅵ2与ⅥT4则称滞后桥臂
一．实验目的 （1）掌握移相控制全桥零电压开关PWM变换器的组成，工作原理与波形。 （2）熟悉移相控制零电压开关（ZVS）专用集成芯片UC3875的工作原理与使用方法。 （3）掌握移相控制全桥零电压开关PWM变换器的调试方法，主要参数变化对实现ZVS的影响。 二．实验系统组成及工作原理 实验系统原理框图如图4-35所示。系统采用移相控制方式实现零电压开与关（简称ZVS）。移相控制方式是近年来在全桥变换电路 拓扑中广泛应用的一种软开关控制方式，它是谐振变换技术与常规PWM技术的巧妙结合，既实现了软开关又保持了常规全桥PWM变换电 路所具有的拓扑结构简单、控制方式简单、开关频率恒定、元器件的电压和电流应力小等一系列优点。 图4-35 实验系统原理框图 移相控制方式的基本工作原理为；每个桥臂的两个开关管180o互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即所谓移相角，通 过调节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，从而达到调节输出电压的目的。 移相控制软开关的一个特有现象，也可以说是其主要不足的是存在副边占空比丢失现象，即副边占空比小于原边的占空比，两者 的差值通常用Dloss表示，而且谐振电感越大、负载越大、主电路电压越低则Dloss越大。 系统工作原理如下：如果能使VT1与VT3分别在VT2和VT4之前先关断，而后再关断VT2和VT4，即可实现ZVS，为此可称VT1与VT3为超 前桥臂，而VT2与VT4则称滞后桥臂
两个桥臂开关管的软关断均靠与其并联的吸收电容(C1~C4)实现,因为当开关管导通时,与其并联的吸收电容两端电压为零, 当其关断时,高频变压器原边电流对其充电,这样就限制了该关断管子的电压上升率,从而实现了软关断。 超前桥臂当ⅥTl关断后,线路电感与开关管并联电容C1、C2谐振,使C1充电,C2放电,当C2上电压下降到零时,变压器原边电流通 过Ⅶ3与Ⅵ4续流,显然这时ⅥT3管两端电压近似为零,如果在续流期间开通Ⅵ3,VT3就实现了零电压开通 ⅥT3开通后,在变压器原边电流续流期间如果关断ⅥT4,这时谐振电感与电容C2、C4发生谐振,即将原通过Ⅵ4的原边电流转移到C2 与C4支路中,即给C4充电,同时给C2放电,当C4两端电压充电到主电路电源电压时(此时C2两端电压则放电到零),与ⅥT2反并联的 极管Ⅶ2自然导通,即这时原边电流通过Ⅶ2、ⅦD3续流,如果在此期间开通ⅥT2,即实现了滞后桥臂ⅥT2的零电压开通 控制电路主要由芯片UC3875与相关外围器件构成,UC3875是美国 UNITRODE公司专门为移相控制软开关所设计的,称为移相谐振控 制器。芯片主要功能包括工作电源、基准电源、振荡器、锯齿波、误差放大器和软启动、移相控制信号发生电路、过流保护、死区时 间设置、输出级等 在芯片UC3875频率设置端(16脚)与信号地GN之间接一个电容和电阻,即可设置振荡频率,从而设置输出级的开关频率(注意 输出开关频率为振荡频率的1/2)。 锯齿波斜率设置端(18脚)与5V基准电源(1脚)之间接一个电阻,再在锯齿波电压产生端(19端)与GN间接一个电容,即可设 置锯齿波的幅值。 误差放大器的同相输入端(4脚)接从基准电压处分压后得到的一个固定电压,反相端(3脚)接由输出电压处分压后得到的反馈 电压,误差放大器的输出(2脚)接到P比较器的一端,与锯齿波电压相比较,以调节移相角的大小,从而达到调节输出电压的目 的。可见,这样的接线构成了一个电压闭环的自动调压系统,调节反馈电压的大小,即可方便地调节输出电压的大小 芯片的14与13脚输出一对互补的方波信号OUTA与OUTB,而9与8脚则输出另一对互补的方波信号oUTC与OUTD,且在相位上后者领先 于前者,两者相差一个移相角。该移相角的大小决定于误差放大器的输出与锯齿波的交截点 为了防止同一桥臂的两个开关管同时导通,同时给开关管提供软开关时间,两个开关管的驱动信号之间应该设置一个死区时间。 如果在芯片的15脚、7脚与GN之间接一个电阻和电容,就可以分别为两对互补的输出 OUTA-B、 OUTC-D设置死区时间 三.实验内容 (1)实验系统面板布置并连接实验线路,构成一个实用的移相控制全桥零电压开关PWM变换器 (2)UC3875的波形与性能测试 (3)变换器波形测试。 (4)参数变化对实现零电压开关性能影响的测试 四.实验设备和仪器 (1)MCL现代运动控制技术实验台主控屏。 (2)软开关技术实验挂箱 (3)数字式万用表 (4)双踪记忆示波器。 五.思考题 (1)两个桥臂的开关管如何实现零电压关断
两个桥臂开关管的软关断均靠与其并联的吸收电容（C1～C4）实现，因为当开关管导通时，与其并联的吸收电容两端电压为零， 当其关断时，高频变压器原边电流对其充电，这样就限制了该关断管子的电压上升率，从而实现了软关断。 超前桥臂当VT1关断后，线路电感与开关管并联电容C1、C2谐振，使C1充电，C2放电，当C2上电压下降到零时，变压器原边电流通 过VD3与VT4续流，显然这时VT3管两端电压近似为零，如果在续流期间开通VT3，VT3就实现了零电压开通。 VT3开通后，在变压器原边电流续流期间如果关断VT4，这时谐振电感与电容C2、C4发生谐振，即将原通过VT4的原边电流转移到C2 与C4支路中，即给C4充电，同时给C2放电，当C4两端电压充电到主电路电源电压时（此时C2两端电压则放电到零），与VT2反并联的二 极管VD2自然导通，即这时原边电流通过VD2、VD3续流，如果在此期间开通VT2，即实现了滞后桥臂VT2的零电压开通。 控制电路主要由芯片UC3875与相关外围器件构成，UC3875是美国UNITRODE公司专门为移相控制软开关所设计的，称为移相谐振控 制器。芯片主要功能包括工作电源、基准电源、振荡器、锯齿波、误差放大器和软启动、移相控制信号发生电路、过流保护、死区时 间设置、输出级等。 在芯片UC3875频率设置端（16脚）与信号地GND之间接一个电容和电阻，即可设置振荡频率，从而设置输出级的开关频率（注意： 输出开关频率为振荡频率的1/2）。 锯齿波斜率设置端（18脚）与5V基准电源（1脚）之间接一个电阻，再在锯齿波电压产生端（19端）与GND间接一个电容，即可设 置锯齿波的幅值。 误差放大器的同相输入端（4脚）接从基准电压处分压后得到的一个固定电压，反相端（3脚）接由输出电压处分压后得到的反馈 电压，误差放大器的输出（2脚）接到PWM比较器的一端，与锯齿波电压相比较，以调节移相角的大小，从而达到调节输出电压的目 的。可见，这样的接线构成了一个电压闭环的自动调压系统，调节反馈电压的大小，即可方便地调节输出电压的大小。 芯片的14与13脚输出一对互补的方波信号OUTA与OUTB，而9与8脚则输出另一对互补的方波信号OUTC与OUTD，且在相位上后者领先 于前者，两者相差一个移相角。该移相角的大小决定于误差放大器的输出与锯齿波的交截点。 为了防止同一桥臂的两个开关管同时导通，同时给开关管提供软开关时间，两个开关管的驱动信号之间应该设置一个死区时间。 如果在芯片的15脚、7脚与GND之间接一个电阻和电容，就可以分别为两对互补的输出OUTA-B、OUTC-D设置死区时间。 三．实验内容 （1）实验系统面板布置并连接实验线路，构成一个实用的移相控制全桥零电压开关PWM变换器。 （2）UC3875的波形与性能测试。 （3）变换器波形测试。 （4）参数变化对实现零电压开关性能影响的测试。 四．实验设备和仪器 （1）MCL现代运动控制技术实验台主控屏。 （2）软开关技术实验挂箱。 （3）数字式万用表。 （4）双踪记忆示波器。 五．思考题 （1）两个桥臂的开关管如何实现零电压关断
(2)为了可靠实现滞后桥臂的零电压开通应如何改变电路参数 (3)当主电源电压或负载大小变化时,试简述系统的闭环调节过程 (4)试分析副边占空比丢失与哪些参数有关,并对试验现象进行理论分析。 六.实验方法 1.UC3875的波形与性能测试 合上控制电源SW3后即可进行下述测试 (1)测量22端的波形,读取该波形的最大与最小值及其周期时间。 (2)测量14端的波形,读取锯齿波的峰点与谷点电压及其周期时间 (3)将12端与10端对地短接,并用数字万用表和双踪示波器测量: 1)11端的电压:18、19端与地及20、21端与地的波形,读取脉冲幅值、死区时间与周期时间:18与21端及19与20端的波形,记录 其相位时序关系及占空比r值(即18与21端同为高电平的时间与半个周期时间之比)。 (4)将12端对地的短接线去掉,用万用表和示波器测量: 12、13端的电压:18与21端及19与20端的波形,记录其相位时序关系及此时的最大占空比。 2.变换器波形测试 将10端与地间的连线断开并与9端相连,再将6与7端相连,并将开关SⅥ1与Sw2断开。合上控制电源SW3与主回路电源SW0,观察系统 工作是否正常,待系统工作正常后,合上SW1,调节反馈电位器RP1,使输出(即C与D两端)电压为5V左右。 (1)将示波器的地线接S3端,其他两个探头分别接G3与A端,测量与描绘超前桥臂ⅥT3的驱动波形与其漏源电压波形,仔细观察 超前桥臂的零电压开与关的过程。 (2)用示波器测量与描绘滞后桥臂VT4的驱动与其漏源电压波形,仔细观察滞后桥臂的零电压开与关的过程 3)示波器地线接A端,另两个探头分别接7与B端,即可测量与描绘输出电压uAB与输出变压器原边电压uT1波形,仔细观察两个 波形的脉冲宽度,其差值即为副边脉冲丢失部分 (4)测量与描绘输出变压器副边整流后的8与D端电压以及C与D端输出直流电压波形 (5)示波器地线接B端,另两端分别接A端与4端,即可同时测量与描绘输出电压uAB与原边电流i的波形。 4.电路参数变化对实现零电压开关性能影响的测试 系统工作在开环状态(即9与10端的连续断开),分别在下列情况下测量uAB与原边电压uI1、uAB与原边电流P以及滞后桥臂VT4的 驱动与漏源电压波形。 (1)改变谐振电感,即谐振电感用L1+12或L2时 (2)改变负载大小,即将开关SW2合上或断开时 (3)改变主回路电源电压,即将开关SW1合上或断开时。 六.实验报告 (1)UC3875芯片16、19脚的实测波形,注明锯齿波的峰点、谷点电压与周期时间
（2）为了可靠实现滞后桥臂的零电压开通应如何改变电路参数。 （3）当主电源电压或负载大小变化时，试简述系统的闭环调节过程。 （4）试分析副边占空比丢失与哪些参数有关，并对试验现象进行理论分析。 六．实验方法 1．UC3875的波形与性能测试 合上控制电源SW3后即可进行下述测试： （1） 测量22端的波形，读取该波形的最大与最小值及其周期时间。 （2） 测量14端的波形，读取锯齿波的峰点与谷点电压及其周期时间。 （3） 将12端与10端对地短接，并用数字万用表和双踪示波器测量： 1）11端的电压；18、19端与地及20、21端与地的波形，读取脉冲幅值、死区时间与周期时间；18与21端及19与20端的波形，记录 其相位时序关系及占空比τ值（即18与21端同为高电平的时间与半个周期时间之比）。 （4） 将12端对地的短接线去掉，用万用表和示波器测量： 12、13端的电压；18与21端及19与20端的波形，记录其相位时序关系及此时的最大占空比。 2．变换器波形测试 将10端与地间的连线断开并与9端相连，再将6与7端相连，并将开关SW1与SW2断开。合上控制电源SW3与主回路电源SW0，观察系统 工作是否正常，待系统工作正常后，合上SW1，调节反馈电位器RP1，使输出（即C与D两端）电压为5V左右。 （1） 将示波器的地线接S3端，其他两个探头分别接G3与A端，测量与描绘超前桥臂VT3的驱动波形与其漏源电压波形，仔细观察 超前桥臂的零电压开与关的过程。 （2） 用示波器测量与描绘滞后桥臂VT4的驱动与其漏源电压波形，仔细观察滞后桥臂的零电压开与关的过程。 （3） 示波器地线接A端，另两个探头分别接7与B端，即可测量与描绘输出电压uAB与输出变压器原边电压uT1波形，仔细观察两个 波形的脉冲宽度，其差值即为副边脉冲丢失部分。 （4） 测量与描绘输出变压器副边整流后的8与D端电压以及C与D端输出直流电压波形。 （5） 示波器地线接B端，另两端分别接A端与4端，即可同时测量与描绘输出电压uAB与原边电流iP的波形。 4．电路参数变化对实现零电压开关性能影响的测试 系统工作在开环状态（即9与10端的连续断开），分别在下列情况下测量uAB与原边电压uT1、uAB与原边电流iP以及滞后桥臂VT4的 驱动与漏源电压波形。 （1） 改变谐振电感，即谐振电感用L1+L2或L2时。 （2） 改变负载大小，即将开关SW2合上或断开时。 （3） 改变主回路电源电压，即将开关SW1合上或断开时。 六．实验报告 （1）UC3875 芯片16、19脚的实测波形，注明锯齿波的峰点、谷点电压与周期时间
(2)测的UC3875芯片的2、3、4、5脚电压及超前与滞后桥臂的死区时间 (3)画出波形 1)最小移相角(即2脚电压为零)时的14、13、9、8脚与地间波形。 2)在最大移相角(即2脚电压为最大)时的14、13、9、8脚与地间波形 3)超前桥臂ⅥT3与滞后桥臂VT4的驱动及其漏源电压波形 4)不同电路参数时的逆变桥输出电压UAB、输出变压器原边电压uT1与原边电流P波形。 5)输出变压器副边整流后的电压与输出直流电压波形。 (4)实验的收获、体会与改进意见
（2）测的UC3875芯片的 2、3、4、5脚电压及超前与滞后桥臂的死区时间。 （3）画出波形 1）最小移相角（即2脚电压为零）时的14、13、9、8脚与地间波形。 2）在最大移相角（即2脚电压为最大）时的14、13、9、8脚与地间波形。 3）超前桥臂VT3与滞后桥臂VT4的驱动及其漏源电压波形。 4）不同电路参数时的逆变桥输出电压UAB、输出变压器原边电压uT1与原边电流iP波形。 5）输出变压器副边整流后的电压与输出直流电压波形。 （4）实验的收获、体会与改进意见