反激變換器設(shè)計(jì)(推薦文檔)

1、研究生專業(yè)課程考試答題冊(cè)得分：學(xué)號(hào)2011261695姓名李紀(jì)波考試課程高級(jí)電力電子線路設(shè)計(jì)考試日期2012-9-11要求：直流隔離電源變換器設(shè)計(jì)一、目的1熟悉逆變電路和整流電路工作原理，探究PID 閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。2熟悉專用 PWM 控制芯片工作原理及探究由運(yùn)放構(gòu)成的PID 閉環(huán)控制電路調(diào)節(jié)規(guī)律，并分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。3探究 POWER MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路的特性并進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。4探究隔離電源的特點(diǎn)，及隔離變壓器的特性。二、內(nèi)容設(shè)計(jì)基于脈沖變壓器的DC-AC-DC 變換器，指標(biāo)參數(shù)如下：輸入電壓： 24V36V；輸出電壓： 12V，紋波 1%；輸出功率： 50W開關(guān)頻率： 20kHz具

2、有過流、短路保護(hù)和過壓保護(hù)功能，并設(shè)計(jì)報(bào)警電路。具有隔離功能。進(jìn)行變換電路的設(shè)計(jì)、仿真（選擇項(xiàng)）與電路調(diào)試。2第一章緒論隔離式變換器是由標(biāo)準(zhǔn)的 DC-DC變化器拓?fù)溲苌鴣淼摹?如廣泛應(yīng)用于小功率（典型值小于 100W）場(chǎng)合的反激變換器拓?fù)?。其?shí)是用多 繞組電感代替才常用的單繞組電感的 buck-boost 電路。類似地，廣泛用于中大功率場(chǎng)合的正激變換器，是 buck 的衍生拓?fù)?，其中用變壓器代替常用電感（扼流圈?。反激變換器電感其實(shí)既起電感也起變壓器的作用，它不僅能像所有電感一樣存儲(chǔ)電磁能量，而且能像變壓器一樣提供電網(wǎng)隔離（安全需要） 。而在正激變換器中，能量存儲(chǔ)功能通過扼流圈來實(shí)現(xiàn)，變壓

3、器提供必要的電網(wǎng)隔離。注意到在正激和反激變換器中， 變壓器除了提供必要的電網(wǎng)隔離外， 還起到另外一個(gè)非常重要的作用，即由變壓器“匝比”決定的恒比降壓轉(zhuǎn)換功能。匝比由輸出（二次）繞組匝數(shù)除以輸入（一次）繞組匝數(shù)得到。于是問題就產(chǎn)生了，理論上，開關(guān)變換器可以任意地進(jìn)行升壓或降壓變換， 為什么我們覺得有必要基于變壓器匝比進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換？只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算原因就顯而易見不需要任何輔助設(shè)施， 只需一個(gè)極小的不現(xiàn)實(shí)的占空比值， 變換器就可以變成一個(gè)從極高壓輸入到極低壓輸出的降壓器。 注意到世界上有些地方， 最高的電流電網(wǎng)輸入可以高達(dá) 270V（最壞情況下），所以這樣的電流電壓用傳統(tǒng)橋式整流電路整流時(shí)，就將會(huì)

4、有近2270382V 的直流電壓加在其后的開關(guān)變換器電路上，但是相應(yīng)的輸出電壓可能卻很低（ 5V、3.3V、1.8V 等）。于是對(duì)于已給定最小導(dǎo)通時(shí)間的各種典型變換器， 特別是當(dāng)開關(guān)器件工作在高頻時(shí)， 所需的電流轉(zhuǎn)換比很難達(dá)到要求。所以，在正激和反激變換器中， 我們可以直觀地認(rèn)識(shí)變壓器就是把輸入定比近似地降為一個(gè)較小的合適值，而變換器則完成其余的工作（包括調(diào)節(jié)功能）。第二章電路拓?fù)浼肮ぷ髟?.1 主電路組成和控制方式圖 2-1 給出了反激（ Flyback）PWMDC/DC 轉(zhuǎn)換器的主電路及其工作模式的電路。它是由開關(guān)管 V 、整流二極管 D1、濾波電容 Cf 和隔離變壓器構(gòu)成。開關(guān)管 V

5、按照 PWM 方式工作。變壓器有兩個(gè)繞組， 初級(jí)繞組 W1 和次級(jí)繞組 W2，兩個(gè)繞組是緊密耦合的。 使用的是普通磁材料和帶有氣隙的鐵心。 以保證在最大負(fù)載電流時(shí)鐵心不飽和。3W1 W2D1UiCfRld（ a）主電路拓?fù)鋱DW1 W2D1UiCfRld（ b）V 導(dǎo)通W1 W2D1UiCfRld（ c） V 關(guān)斷圖 2-12.2 電流連續(xù)時(shí)反激式變換器的工作原理和基本關(guān)系（如圖（a）4圖 2-2 反激變換器線圈電流1.工作原理1） 開關(guān)模式 1（ 0-Ton）在 t=0 瞬間，開關(guān)管 V 導(dǎo)通，電源電壓 Ui 加在變壓器初級(jí)繞組W1 上，此時(shí)，在次級(jí)繞組 W2 中的感應(yīng)電壓為 uw2W2 U

6、i ，其極性“ * ”端為正，是二極W1管 D1 截止，負(fù)載電流由濾波電容Cf 提供。此時(shí)，變壓器的次級(jí)繞組開路，只有初級(jí)繞組工作，相當(dāng)于一個(gè)電感，其電感量為L1 ，因此初級(jí)電流 i p 從最小值I P min 開始線性增加，其增加率為：dipU i（2-1）dtL1在 tTon 時(shí)，電流達(dá)到最大值I P max 。U iDu TsI P m a x I P m i nL1（2-2）在此過程中，變壓器的鐵心被磁化，其磁通也線性增加。磁通的增加量為：( )U i DuTsW1（2-3）2）開關(guān)模式 2（Ton-Ts）在 t=Ton 時(shí)，開關(guān)管 V 關(guān)斷，初級(jí)繞組開路，次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向，其

7、極性“ * ”端為負(fù)，使二極管 D1 導(dǎo)通存儲(chǔ)在變壓器磁場(chǎng)中的能量通過二極管 D2 釋放，一方面給電容 Cf 充電；另一方面也向負(fù)載供電。此時(shí)只有變壓器的次級(jí)繞組工作，相當(dāng)于一個(gè)電感，其電感量為L2.次級(jí)繞組上的電壓為uw 2U o ，5次級(jí)電流 is 從最大值 I smax 線性下降，其下降速度為：disU 0dtL2（ 2-4）在UD1 U0U i 時(shí)，電流達(dá)到最大值 I smax 。K12U oI sm a xI s m a xL2( 1 Du ) Ts（2-5）在此過程中，變壓器的鐵心被磁化，其磁通 也線性增加。磁通 的增加量為：( )U o (1 Du )TsW2（2-6）2.基本關(guān)

8、系在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，開光導(dǎo)通鐵心磁通的增加量() 必然等于開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的減少量()，即()( ) ，則由式（ 2-3）和式（ 2-6）可得U oW 2Du1DuU i.W 1 1 DuK12 1 Du（2-7）W1式中， K12是變壓器初、次級(jí)繞組的匝數(shù)比。開關(guān)管 V 關(guān)斷時(shí)所承受的電壓為Ui 和初級(jí)繞組 W1 中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和，即U v U iW1 U oU iW21 Du（2-8）在電源電壓 Ui 一定時(shí)，開關(guān)管 V 的電壓和占空比 Du 有關(guān)，故必須限制最大占空比 Dumax 的值。二極管 D1 承受的電壓等于輸出電壓 Uo 與輸入電壓 Ui 折算到次級(jí)的電壓之和，即U iUD1U0K12（

9、 2-9）負(fù)載電流 Io 就是流過二極管D1 的電流平均值，即6I o1 (I s min I smax ).(1 Du )2（2-10）根據(jù)變壓器的工作原理，下面的兩個(gè)表達(dá)式成立：W1I p m i n W I s2mW1I p m a x W I s2m a x（2-11）由以上各式可得W21I oU iDuI p max1 Du2L1. fsW11W1U iDuI smaxI oW22L1. f s1 Du（2-11）2.3 電流斷續(xù)時(shí)反激式變換器的工作原理和基本關(guān)系（如圖（b）如果在臨界電流連續(xù)時(shí)工作，則式（2-7）仍然成立。此時(shí)，初級(jí)繞組的電流最大值為U iDu ，則 I smaxW

10、1U iDu ，負(fù)載電流 I o1I smax (1 Du ) ，L1. fsW2L1. f sI p max2故有臨界連續(xù)負(fù)載電流：I oGI oU iW1 Du (1 Du )（ 2-12）2L1. fs W2在 Du=0.5 時(shí)， IoG 達(dá)到最大值U iW1IoG8L1 . f s W2（2-13）于是式（ 2-12）可以寫成I oG4I oG max Du (1 Du )（2-14）上式就是電感電流臨界連續(xù)的邊界。在電感電流斷續(xù)時(shí)， U o 不僅與占空比有關(guān)， 而且還與負(fù)載電流 I o 有關(guān)。可 U i以求得U i 2 .Du 2U o（ 2-15）2L1 . f s.I o7第三章

11、電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1 高頻變壓器設(shè)計(jì)1 確定 VOR 、VZ 和匝比最大輸入電壓時(shí)，加在變換器上的直流電壓為36V，我們選用額定值為200V的 mosfet，此時(shí)保留 30V的裕量。此種情況下，漏極電壓不能超過 170V。由上分析知，漏極電壓為 VinVZ ，于是有VinVZ36VZ 170VZ17036 134V（式 3-1）因?yàn)闉楸ＷC最大占空比小于0.5，需選擇標(biāo)準(zhǔn) 24V穩(wěn)壓管。若以 VZ為函VOR數(shù)畫出上述鉗位損耗曲線可發(fā)現(xiàn)， 在所有情況下， VZ=1.4 均為消耗曲線上的VOR明顯下降點(diǎn)。因此選擇此值作為最優(yōu)比。則有VZ0.7VZ0.7 2416.8VVOR1.4假設(shè) 12V 輸

12、出二極管正向壓降為 1V ，則匝比為（式 3-2）nVOR16.8Vo VD1.412（式 3-3）2 一次電感設(shè)計(jì)由負(fù)載功率和電壓，可以得到I o302.5A12（式 3-4）一次輸出電壓為 VOR ，負(fù)載電流為 I OR ，其中I ORI o2.5n1.786A1.4（式 3-5）假定設(shè)計(jì)效率為80%，則可以得到輸入功率PINPo3080%37.5W0.8（式 3-6）8于是可以得到平均輸入電流I INPIN37.52.08 AVIN18（式 3-7）平均輸入電流與實(shí)際占空比D 直接相關(guān)。因 I IN 為一次電流斜坡中心值，D且其值與 I LR 相等，于是有I INI ORD1D（式 3-

13、8）解得DIIN2.08I OR2.080.446I IN1.786（式 3-9）二次電流斜坡中心值為I LI o4.171 D7.53A1 0.446（式 3-10）一次電流斜坡中心值為I LRI L7.535.84An1.29（式 3-11）根據(jù)以上 I LR 值，可得所選電流紋波率情況下的峰值電流I PK1(1 ) I LR 1.25 7.53 9.41Ar（式 3-12）伏秒數(shù)為EtVonton240.446 20 103 535Vus（式 3-13）設(shè)計(jì)離線式變壓器時(shí)，因需降低高頻銅耗、減小變壓器體積等各種因素，通常將 r 值設(shè)定為 0.5 左右。根據(jù)“ L I ”規(guī)則一次電感為1E

14、t535Lpr183.2 HI LR5.84 0.5（式 3-14）3 磁芯選擇設(shè)計(jì)磁性元件與特制或成品電感不同，須加氣隙以提高磁芯的能量存儲(chǔ)能力。若無氣隙，磁芯一旦存儲(chǔ)少許能量就容易達(dá)到飽和。9但對(duì)應(yīng)所需 r 值，還應(yīng)確保 L 值大小。若所加氣隙太大，則必然導(dǎo)致匝數(shù)增多這將增大繞組的銅耗。另外，增加匝數(shù)將使繞組占用更大的窗口面積。故此時(shí)必須進(jìn)行折中選擇， 通常采用如下公式 （一般應(yīng)用于鐵氧體磁芯， 且適用于所有拓?fù)洌￢e(2 r )2PIN30.7fcmr（式 3-15）其中 f 的單位為 kHz。則前例可得Ve(20.5)262.530.70.52027.34cm（式 3-16）于是開始選

15、取這個(gè)體積（或接近）磁芯。在 U67-27-14 中可以找到，其等效長度和面積在他的規(guī)格中已給出Ae2.04cm2le18.54cm則可得其體積為VeAele2.0418.5437.82cm3=（式 3-17）基本滿足要求。下面設(shè)計(jì)匝數(shù)電壓相關(guān)方程B LI T NA（式 3-18）使 B 與 L 相關(guān)聯(lián)。由于給定頻率的 r 和 L 表達(dá)式等效，故結(jié)合這些公式，磁通密度變化取最大值（通過 r），即可得到非常有用的關(guān)于 r 的電壓相關(guān)方程式N(12)VOND(適用于所有拓?fù)洌﹔2 BPKAef（式 3-19）所以若無材料的磁導(dǎo)率、磁等信息，只要已知磁芯面積Ae 與其磁通密度變換范圍， 仍能得到所求

16、的匝數(shù)值。對(duì)于大多數(shù)的鐵氧體磁芯，不管有無磁隙，磁通密度變化都不能超過 0.3T。所以求解 N 為（一次繞組匝數(shù)）n p（1+2)20.3240.4462010321.86匝0.52.0410 4（式 3-20）則 12V 輸出的二次繞組匝數(shù)為10np21.86匝ns16.95n1.29（式 3-21）分別取整數(shù)為 22 匝和 17 匝。磁隙最后，必須要考慮到材料的磁導(dǎo)率，L 與磁導(dǎo)率相關(guān)的方程有L1oAe)N2H(lez（式 3-22）其中， z 為氣隙系數(shù)lel gzl e（式 3-23）求得1oAe)N212000 410 7 2.04 10 4)2z(le18210 6(18.54 1

17、0 222L（式 3-24）所以z3.6（式 3-25）最后，求解氣隙長度18.54 2000l g0.241mmz 3.6l g18.54（式 3-26）導(dǎo)線選擇選擇一導(dǎo)線，使其交流（AC ）電阻和直流（ DC）電阻之間的關(guān)系為1，即RAC1RDC趨膚深度，是6.626.62（式 3-27）0.0468(cm)f20000（式 3-28）則導(dǎo)線的直徑為Dl 22 0.0468 0.0936( cm)（式 3-29）11則裸線面積 Aw 為D 23.14 0.09362Aw40.006884（式 3-30）查導(dǎo)線規(guī)則表可得，用20#導(dǎo)線比較合適。3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1 UC3845 簡(jiǎn)介UC3

18、845 為美國 Unitrode 公司生產(chǎn)的單端輸出脈寬調(diào)制器。 采用 dip-8 封裝，管腳排列如圖 3-1 所示。圖 3-1 UC3845 管腳圖UC3845 最大占空比為50%。采用固定工作頻率脈寬調(diào)整方式，內(nèi)部有5v精密基準(zhǔn)電壓。具有完善的欠電壓、過電壓及過流保護(hù)。圖3-2 所示為 UC3845的內(nèi)部電路框圖和引腳圖。 UC3845 的啟動(dòng)電壓閥值為 8.4v，關(guān)閉電壓閥值為7.6v。圖 3-2 UC3845 內(nèi)部電路框圖UC3845 的振蕩器工作頻率由腳4 外接電阻 Rt 及電容 Cr 決定，其頻率為：12f orc1.72RTC r（式 3-31）2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖

19、3-3 所示。電路的工作頻率由4 腳外接的電阻 R8 和電容 C17 決定。 UC3845 的電流采樣回來串電阻R6 把采樣電壓接至 3 腳。當(dāng) 3 腳的采樣電壓小于1v 時(shí)，脈寬調(diào)制器正常工作；當(dāng)腳3 的電壓等于或大于1v 時(shí)，電流采樣比較器輸出高電平使 PWM 鎖存器置 0 而使輸出封鎖。 若故障消失， 下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)將使 PWM 鎖存器自動(dòng)復(fù)位。圖 3-3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖本文設(shè)計(jì)的電路頻率為 20KHz ，且占空比 Dmxa=50%，則 UC3845 的振蕩器工作頻率為 40KHZ 。電阻 R8 一般取 10k，則電容 C17 由式 3-31 計(jì)算可得為4.3nF。電容 C18 取

20、為 0.1uF。穩(wěn)壓管 VZ2 和電阻 R3 是為了防止脈沖信號(hào)電壓過高而照成開關(guān)管的損壞，對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)壓，考慮到開關(guān)所能承受的電壓，選取15V 的穩(wěn)壓管，電阻 R3=20k。電阻 R15 和電容 C13 組成 RC 濾波器對(duì) 6 腳輸出的脈沖電壓進(jìn)行濾波，所有 R15=15 歐姆， C13=4700pF。通過電容 C414 和電阻 R6 接至 UC3845 的 3 腳電流檢測(cè)端構(gòu)成前沿電路。此電路的主要作用是：在開關(guān)管導(dǎo)通和截止的瞬間，會(huì)在前端產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖，此脈沖會(huì)產(chǎn)生大于1V 的電壓，而 3 腳電壓大于 1V 時(shí)控制芯片 UC3845 無法正常工作，為了防止 3 腳檢測(cè)到尖脈沖的波形， 檢測(cè)后端加了一耳光 RC 的延時(shí)電路。選 C14=470pF，R5=1k。因此延時(shí)時(shí)間為 t=47ns。由式 3-12 知，峰值電流為9.41A，則V11 9.41 9.41WR60.106 , 其功耗為 P V I pI p9.4113（式 3-32）R6 取 0.1/10W3 反饋電路設(shè)計(jì)反饋電路是通過輸出電壓引起光電耦合器 PC817