反激變換器設(shè)計(jì)

1、研究生專業(yè)課程考試答題冊得分：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 2012-9-1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：n 輸入電壓：24V36V；n 輸出電壓：12V，紋波1%；n 輸出功率：50Wn 開關(guān)頻率：20k

2、Hzn 具有過流、短路保護(hù)和過壓保護(hù)功能，并設(shè)計(jì)報(bào)警電路。n 具有隔離功能。n 進(jìn)行變換電路的設(shè)計(jì)、仿真（選擇項(xiàng)）與電路調(diào)試。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?。如廣泛應(yīng)用于小功率（典型值小于100W）場合的反激變換器拓?fù)洹Ｆ鋵?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)有近的直流電壓加

4、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W

5、2，兩個(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。（a） 主電路拓?fù)鋱D（b）V導(dǎo)通 （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）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，其極性“*”端為正，是二極管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)電流從最小值開始線性增加，其增加率為： （2-1） 在時(shí)，電流達(dá)到

6、最大值。 （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： （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)勢反向，其極性“*”端為負(fù)，使二極管D1導(dǎo)通存儲(chǔ)在變壓器磁場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，次級(jí)電流從最大值線性下降，其下降速度為： （2-4） 在時(shí)，電流達(dá)到最大值。 （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： （2-6）2.基本關(guān)系在穩(wěn)態(tài)工作

7、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 （2-7） 式中，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)勢之和，即 （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 （2-9） 負(fù)載電流Io就是流過二極管D1的電流平均值，即 （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： （2-11） 由以上各式可得 （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)

8、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，則，負(fù)載電流，故有臨界連續(xù)負(fù)載電流： （2-12） 在Du=0.5時(shí)，達(dá)到最大值 （2-13） 于是式（2-12）可以寫成 （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)，不僅與占空比有關(guān)，而且還與負(fù)載電流有關(guān)?？梢郧蟮?（2-15）第三章 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、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，于是有 （式3-1）因?yàn)?/p>

9、為保證最大占空比小于0.5，需選擇標(biāo)準(zhǔn)24V穩(wěn)壓管。若以為函數(shù)畫出上述鉗位損耗曲線可發(fā)現(xiàn)，在所有情況下，=1.4均為消耗曲線上的明顯下降點(diǎn)。因此選擇此值作為最優(yōu)比。則有 （式3-2）假設(shè)12V輸出二極管正向壓降為1V，則匝比為 （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 （式3-4）一次輸出電壓為，負(fù)載電流為，其中 （式3-5）假定設(shè)計(jì)效率為80%，則可以得到輸入功率 （式3-6）于是可以得到平均輸入電流 （式3-7）平均輸入電流與實(shí)際占空比D直接相關(guān)。因?yàn)橐淮坞娏餍逼轮行闹?，且其值與相等，于是有 （式3-8）解得 （式3-9）二次電流斜坡中心值為 （式3-10）一次電流斜坡中心值

10、為 （式3-11）根據(jù)以上值，可得所選電流紋波率情況下的峰值電流 （式3-12）伏秒數(shù)為 （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，通常將值設(shè)定為0.5左右。根據(jù)“”規(guī)則一次電感為 （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。但對應(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?（式3-15）其中f的單位為

11、kHz。則前例可得 （式3-16）于是開始選取這個(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)格中已給出則可得其體積為 =（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（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（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，仍能得到所求的匝數(shù)值。對于大多數(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)）（式3-20） 則12V輸出的二次繞

12、組匝數(shù)為匝（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（式3-22）其中，z為氣隙系數(shù)（式3-23）求得（式3-24）所以（式3-25）最后，求解氣隙長度（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（式3-27）趨膚深度，是（式3-28）則導(dǎo)線的直徑為（式3-29）則裸線面積Aw為（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簡介UC3845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 U

13、C3845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： （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

14、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6腳輸出的脈沖電壓進(jìn)行濾波，所有R15=15歐姆，C13=4700pF

15、。通過電容C414和電阻R6接至UC3845的3腳電流檢測端構(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腳檢測到尖脈沖的波形，檢測后端加了一耳光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 （式3-32）R6取3 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PC817二極管-三極管上的電流變化取控制UC3845，調(diào)節(jié)占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路核心器件PC817和TL431.輸出

16、經(jīng)過TL431（可控分流基準(zhǔn)）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處于電源高壓主邊的光耦感光部分得到反饋電壓，用來調(diào)整一個(gè)電流模式的PMW控制器的開關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。電流工作過程：當(dāng)輸出電壓有變大趨勢時(shí)，Vref隨之增大導(dǎo)致流過TL431的電流增大，于是光耦發(fā)光加強(qiáng)，感光端得到的反饋電壓也就越大。UC3845在接受這個(gè)變大反饋電壓后，在其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，減小占空比，即減少M(fèi)OSFET的開關(guān)時(shí)間，是輸出電壓隨改變而回落。上面的過程在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到平衡，平衡時(shí)Vref=2.5V，又有WR1=R13，所以輸出為穩(wěn)定的12V。圖3-4 反饋電路原理圖4 電路仿