课程设计论文基于C8051F120的全数字移相全桥电路.doc
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1、 目录一绪论 6二硬件部分2.1 系统功能及技术指标72.2 系统方框图72.3 移相全桥电路设计72.4电路功能说明82.5 控制电路92.6 D/A数模转换模块102.7放大模块112.8保护模块12三软件部分3.1 C8051F120简介133.2 定时/计数器模块简介143.3程序框图简介163.4 PWM波形生成方法173.5 控制原理及调试方式17四系统输出结果及总结4.1 输出波形仿真184.2 结论194.3 总结19四参考文献20绪 论移相全桥PWM控制方式是谐振变换技术与常规的PWM技术的结合。基本工作原理为:每个桥臂的两个开关管180互补导通,两个桥臂的导通之间相差一个相
2、位,即为移相角。通过调节此移相角的大小,来调节输出电压的脉冲,在变压器的副边得到占空比D可以调节的正负半周对称的交流方波电压,从而达到调节相应的输出电压的目的。移相PWM控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件,利用高频变压器漏感储能对功率开关管两端输出电容的充放电来使开关管两端电压下降为零,使全桥变换器的四个开关管一次在零电压下导通,在缓冲电容的作用下零电压关断,从而有效地降低了电路的开关损耗和关断噪声。本系统由c8051f120单片机控制,通过PCA计数器控制输出,产生移相全桥电压波形,加在IGBT上,从而控制其通断,使其能达到开关频率25KHz,效率不低于93%的目的。
3、开题研究背景及意义随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,任何电子设备都离不开可靠的电源,对电源的要求也越来越高。传统的线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点,但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管的功耗较大,电源效率很低,一般只有45左右。另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的需要。开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源,通过控
4、制开关的占空比来调整输出电压。它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源形式。开关电源现已应用到所有电子设备上,取代了连续控制式的线性电源。开关电源功率变换电路和控制电路的非线性、时变性使得系统的稳定性分析与设计比线性电路更为复杂。尤其现在的集成电路发展迅速,一个设计中可能包含很多个的晶体管,传统制作的电路板来验证的方式已经完全不可行了。开关电源的分析、研究和设计已广泛采用计算机仿真技术。使用该技术可以在制作实际电路之前先建立一个模拟的实验环境,根据预先建立的电路模型构造出系统的仿真模型,
5、然后对系统进行稳态、动态特性分析,寻求满足设计性能要求的元件参数,优化系统的设计方案,减少开发过程的盲目性、复杂性,缩短开发周期,降低设计成本。硬件部分2.1系统功能及技术指标本课题基于移相全桥原理,设计一台高效直流变换器,通过零压开通ZVS实现开关损耗的降低。要求:1、 输入直流电压范围320400V,输出220V2、 开关频率25KHz3、 用C8051F120单片机移相与稳压控制,负载调整率5%.4、 效率不低于93%2.2系统方框图 系统框图1 2.3移相全桥电路设计移相全桥原理图特点是开关频率固定,便于控制。为了提高变换器的功率密度,减少单位输出功率的体积和重量,需要将开关频率提高到
6、25kHz级水平。为避免开关过程中的损耗随频率增加而急剧上升,在移相控制技术的基础上,利用功率MOS管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件,使全桥PWM变换器四个开关管依次在零电压下导通,实现恒频软开关,这种技术称为ZVS零电压准谐振技术。由于减少了开关过程损耗,可保证整个变换器总体效率达93以上2.4电路功能说明可以看到其一个周期分为12个工作模态,由于下半周期的六个工作模态和上半周期类似,所以,只分析上半周期的工作情况。为便于分析: (1)各开关管为理想开关管; (2)输出滤波电感Lf1=Lf2; (3)输出电容Coss1=Coss2=Clead、Coss3=Coss4=Clag;
7、(4)电容Cb上的电压VcbV0;模态分析:(各模态波形如上图所示) (1)t0t1t1之前,Q1、Q4开通,副边整流二极管D1截止、D2导通。Lf1上电流由于承受正压而上升,Lf2的电流由于承受副的输出电压而线性减小。Q1在t1时刻关断,原边电流给Coss1充电、Coss2放电。 (2)t1t2t1时刻,Q1关断,Coss1的存在使得Q1为零电压关断。此时,副边电流就是Lf1中的电流。Lf1中的储存的能量折射回原边以及储存在漏感中的能量给Coss1充电、Coss2放电。由于Lf1比较大、储存在其中的能量比较大,所以,有足够的能量给Coss1、Coss2充放电。在此期间,可认为原边电流保持不变
8、。这样,Coss1、Coss2上的电压分别为:Vc1=Ip(t1)(t-t1)/2CleadVc2=Vi-Ip(t1)(t-t1)/2Clead在t2时刻,Coss2的电压下降到0,Q3的反并二极管导通,此时,Q3可实现零电压开通。此模态到此结束。这段时间为2*Vi*Clead/Ip(t1) (3)t2t3这个模态中,iLf2的电流变向(此对实现滞后管的零电压开通有意义),那么D2中的电流将降到0,自然关断。D1中流过iLf1和iLf2中的电流之和。iLf2的电流变向,将被反射回原边,进入下一个模态。 (4)t3t4中,Q2的反并二极管和Q4导通,Cb上的电压由于电流始终对其充电而持续上升。副
9、边中,D2关断,D1导通流过全部负载电流。Lf1、Lf2都承受负的输出电压,其上电流线形减小。此模态方程仍为:iLf1=I1(t2)-V0*(t-t2)/Lf1iLf2=I2(t2)-V0*(t-t2)/Lf1所不同的是,iLf2的电流是反向的,折射回原边有:ip(t)=-iLf2/n。此模态中,iLf2反向增加,原边电流又开始增大。 (5)t4t5t4时刻,关断Q4,漏感能量和Lf2的能量给Coss3放电、Coss4充电。由于Coss4的存在,Q4是零电压关断。Cb上电压因为原边电流的继续充电而继续上升。Lf1上的电流通过D1续流,变压器副边电流即是iLf2上的电流。假设此模态中,ip近似不
10、变,则Coss3、Coss4上的电压分别为:Vcoss3=Vi-Ip(t4)*(t-t4)/2ClagVcoss4=Ip(t4)*(t-t4)/2Clag在t5时刻,Coss3上的电压下降到0,模态结束。此模态持续时间为:2Vi*Clag/Ip(t4) (7)t6t7 Coss3电压降到0后,Q3的反并二极管自然导通。此时,Q2、Q3的反并二极管都导通,变压器的原边承受反向输入电压。Lf2 承受正的电压,Lf1的电压为负的输出电压。iLf1电流减小、iLf2电流增大(从负的最大值开始回升),原边电流减小。直到t6时刻,原边电流减小到 0,此模态结束。 (7)t6t7t6时刻原边电流减小到0,Q
11、2、Q3同时导通,原边电流流经Q2、Q3、Cb、变压器。这段时间里,电源给负载提供能量。Cb上电压开始下降,Lf2电流增加,开始储能。到t7时刻,Q1关断,进入另一个半周期。与上述各模态类似。2.5 控制电路单片机采样输出电压和电感电流,采用电压单闭环,以实现稳压并且提高系统的性能。PWM模块可以输出4路PWM波,非常适用于控制。由于PI调节器算法简单、可靠性高,一直被广泛应用于工业控制,所以本文也采用数字PI调节,将电压环的输出作为电流环的给定。同时,为防止可能出现的积分饱和的情况,在算法中加入了抗饱和环节。2.6 D/A数模转换模块DAC0832介绍: DAC0832是8分辨率的D/A转换
12、集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。 DAC0832结构: D0D7:8位数据输入线,TTL电平,有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错); ILE:数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效; CS:片选信号输入线(选通数据锁存器),低电平有效; WR1:数据锁存器写选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1,当LE1为高电平时,数据锁存器状态随输入数据线变换,LE1的负跳
13、变时将输入数据锁存; XFER:数据传输控制信号输入线,低电平有效,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效; WR2:DAC寄存器选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2,当LE2为高电平时,DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化,LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。 IOUT1:电流输出端1,其值随DAC寄存器的内容线性变化; IOUT2:电流输出端2,其值与IOUT1值之和为一常数; Rfb:反馈信号输入线,改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度; Vcc:电源输入端,Vcc的范围为+5V+15V; VREF:基
14、准电压输入线,VREF的范围为-10V+10V; AGND:模拟信号地 DGND:数字信号地 DAC0832的工作方式: 根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式,DAC0832有三种工作方式:直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。2.7放大模块电压放大器的任务是对输入的电压信号进行放大。要放大的信号通常是由传感器送来的,模拟某个物理量随时间变化的微弱电信号,利用放大器可以将这些微弱的电信号放大到足够的强,并将放大后的信号输送到驱动电路,驱动执行机构完成特定的工作。执行机构的驱动信号通常是变化量,所以放大电路放大的对象通常也是变化量。电压放大器电路的组成如图所示。图中的VCC
15、是为放大器提供能量的直流电源;Rb是偏流电阻,该电阻的作用是为晶体管提供适当的偏置电压,使三极管工作在放大区;RC为集电极电阻,RL为负载电阻;C0和C1为耦合电容,它们的作用是隔离放大器的直流电源对信号源与负载的影响,并将输入的交流信号引入放大器,将输出的交流信号输送到负载上。2.8保护模块1. IGBT驱动保护电路选择本设计采用日本富士公司的EXB841(日本富士公司的EXB系列混合集成电路是生产的IGBT专用驱动芯片)高速集成芯片去驱动。它本身具有驱动电流放大能力,同时具有使控制电路和IGBT所在主电路间实现电流隔离的功能,还具有过电流保护功能。驱动芯片EXB841的控制原理EXB841
16、的驱动主要有三个工作过程:正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。14和15两脚间外加PWM控制信号,当触发脉冲信号施加于14和15引脚时,在GE两端产生约16V的IGBT开通电压;当触发控制脉冲撤销时,在GE两端产生-5.1V的IGBT关断电压。过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的,Uce由二极管Vd7检测。当IGBT开通时,若发生负载短路等发生大电流的故障,Uce会上升很多,使得Vd7截止,EXB841的6脚“悬空”,B点和C点电位开始由约6V上升,当上升至13V时,Vz1被击穿,V3导通,C4通过R7和V3放电,E点的电压逐渐下降,V6导
17、通,从而使IGBT的GE间电压Uce下降,实现软关断,完成EXB841对IGBT的保护。射极电位为-5.1V,由EXB841内部的稳压二极管Vz2决定。其典型接线图如下:图2-19 M57962L型IGBT驱动器的原理与接线图三软件部分3.1 C8051F120简介C8051F12x系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU 芯片,具有64 个数字I/O 引脚(100 脚TQFP 封装)下面列出了一些主要特性; 1 高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核(100MIPS 或50MIPS) 2 真正12 位或10 位、100 ksps 的ADC,带PGA 和8 通道模拟多路开关
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