利用推挽正激技術(shù)設(shè)計(jì)DCDC開關(guān)電源

1、 應(yīng)用與測(cè)試 低壓電器 (2007 17通用低壓電器篇 孟 赟 (1983 , 女 , 碩士研究生 , 研 究 方 向 為 DC /DC電源及太陽能光伏 發(fā)電系統(tǒng) 。利 用 推 挽 正 激 技 術(shù) 設(shè)計(jì) DC /DC開關(guān)電源孟 赟 1, 王 凱 2, 潘俊民1(1. 上海交通大學(xué) 電氣工程系 , 上海 2. 華北電網(wǎng)有限公司 , 北京 100053摘 要 :DC , 并利用 PS p ice 。 , 該開關(guān)電源輸出穩(wěn)定 、 波形理想 。:; ; 開關(guān)電源:T M 46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B 文章編號(hào) :100125531(2007 1720057204A DC /DCSw itch i n g P

2、ower Supply Ba sed on Push 2PullForward Conversi on Techn i queM EN G Yun 1, WAN G Kai 2, PAN Junm in1(1. Depart m ent of Electrical Engineering, Shanghai J iaot ong University, Shanghai 200240, China;2. North of China Electric Power Grid Co . , L td . , Beijing 100053, China Abstract:A DC /DCs witc

3、hing power supp ly was designed by using push 2pull f or ward conversi on technique .The t opol ogy and structure of s witching power supp ly based on push 2pull for ward conversi on technique was p resen 2ted . The operati on and contr ol p rinci p le of the s witching power supp ly was expounded,

4、and the circuit t opol ogy was si m ulated by PSp ice s oft w are . The experi m ent result shows that the s witching power supp ly s out put is stable with ideal wave .Key words:push 2pull forward; h i gh frequency li n k (HF L ; sw itch i n g power supply 王 凱 (1976 , 男 , 工程師 , 碩士 , 從事繼電保護(hù)工作 。潘俊民 (

5、1947 , 男 , 教授 , 博士生導(dǎo)師 , 研究方向?yàn)殡娏鲃?dòng)及自動(dòng)化 、 智能控制系統(tǒng) 。0 引 言開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源 , 它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 , 現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn) 品 。 由于開關(guān)電源內(nèi)部調(diào)整管工作在高頻開關(guān)狀 態(tài)時(shí) , 其等效電阻很小 , 當(dāng)流過大的電流時(shí) , 消耗 在調(diào)整管上的能量很小 , 故電源效率可達(dá) 70%90%, 比普通的線性穩(wěn)壓電源提高了近 1倍 。同 時(shí) , 利用了高頻鏈技術(shù)的開關(guān)電源體積小 、 重量 輕 、 可靠性高 , 該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高功率密度 、 高變換 效率 、 優(yōu)良綜合性能 DC /DC變換的合理方案 。 圖 1為帶高頻變壓器的 DC /

6、DC變換的結(jié)構(gòu)框圖 。 目前 , 有變壓器隔離的 DC /DC變換技術(shù)在傳圖 1 DC /DC變換器結(jié)構(gòu)框圖統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中較為常用的是推挽變換器和正激變換器 6(見圖 2 。 傳統(tǒng)正激變換器和推挽變換器兩種電路拓?fù)?各有各自的優(yōu)缺點(diǎn) , 但都具有一定的局限性 :單端 正激變換器為了防止變壓器磁芯飽和 , 存在去磁 復(fù)位的問題 , 故對(duì)占空比有一定的限制條件 ; 推挽 變換器功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力高 , 只適用于 低輸入電壓的場(chǎng)合 , 而且開關(guān)管關(guān)斷時(shí)漏感能量75 低壓電器 (2007 17 通用低壓電器篇 應(yīng)用與測(cè)試 (a 推挽變換器拓?fù)?(b 正激變換器拓?fù)鋱D 2 傳統(tǒng) DC /DC變換器

7、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在開關(guān)管上引起高的電壓尖峰 , 給主功率變壓器的繞制提出了很高的要求 , 同時(shí)變壓器的偏磁問 題給器件的一致性和驅(qū)動(dòng)電路脈沖寬度的一致性提出了較高的要求 6。若將兩種電路有機(jī)地結(jié) 合在一起 , 同時(shí)保留兩種電路的優(yōu)點(diǎn) 、 克服它們的 缺點(diǎn)的話 , 所得到的電路將是非常理想的 。通過 一個(gè)無損元件 電容將推挽變換器和正激變換 器結(jié)合在一起的電路即推挽正激變換器 。1 推挽正激變換器主電路圖 3為推挽正激變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。圖 中 , 關(guān)鍵的部分是變壓器 T 和電容 C 。變壓器的 原邊繞組 L p1和 L p2的匝數(shù)是相等的 , 變壓器的副 邊接入了全橋整流電路 。 該電路與推挽電路

8、的不 同之處就在于兩個(gè)開關(guān)器件 S 1和 S 2中間接入了 圖 3 推挽正激變換器電路結(jié)構(gòu)一個(gè)無損元件 箝位電容 C , 另外兩端接在直流電源的正負(fù)極上 。正是因?yàn)?C 的存在 , 使得整 個(gè)電路工作原理和效果完全不同于推挽電路 , 從 而克服了推挽變換器和正激變換器的缺點(diǎn)6。 在電路穩(wěn)態(tài)的時(shí)候 , 不論是 S 1或 S 2哪一個(gè) 導(dǎo)通 , C 6,所以 , in 。而 in c ds 1U ds 2構(gòu)成一 :U in +U c =U ds 1+U ds 2=2U in式中 , U ds 1和 U ds 2分別為 S 1或 S 2漏源極壓降 。因?yàn)殚_關(guān)管漏源極壓降 U ds 1, 2 0(等于

9、零的 情況出現(xiàn)在漏源極承受電壓為反偏 , 此時(shí)反向并 聯(lián)的二極管導(dǎo)通 , 漏源極電壓被箝位在 0 , 故開 關(guān)管在工作過程中所承受的最大的電壓應(yīng)力是 2U in , 因此 , 加入 C 可消除開關(guān)管的電壓過沖現(xiàn)象 。 同時(shí) , 由于 C 的端電壓具有浮動(dòng)特性 , 如果 選擇合適的箝位電容值 , 即能保證變壓器磁通在 同一周期的兩個(gè)半周期中有相等的伏秒數(shù)和磁芯 的雙向?qū)ΨQ磁化 , 使激磁電流和磁通在周期結(jié)束 時(shí)回到起始點(diǎn) , 無直流偏磁的現(xiàn)象 。所以 , 推挽正激變換器的主要改進(jìn)在于 C , 它 的引入抑制了開關(guān)管的電壓尖峰 , 同時(shí)也抑制了 推挽變換器固有的直流偏磁現(xiàn)象 。推挽正激變換器保持了

10、推挽電路和正激電路 的優(yōu)點(diǎn) , 克服了兩者的缺點(diǎn) , 具有 :抑制變壓器 的磁芯偏磁 ; 變壓器磁芯雙向磁化 ; 抑制開 關(guān)管的關(guān)斷電壓尖峰等優(yōu)點(diǎn) , 在低壓大電流的應(yīng) 用場(chǎng)合中獲得了較高的效率 , 成為該場(chǎng)合較有優(yōu) 勢(shì)的電路拓?fù)湫问?。2 工作及控制原理該電路的原邊 2個(gè)開關(guān)管采用高頻固定占空 比工作, 即 S 1和 S 2交替導(dǎo)通 , 并且它們導(dǎo)通交替 時(shí)有很小的死區(qū)延時(shí) , 避免電源被直通 。經(jīng)過高 頻變壓器的升壓或降壓 , 再通過副邊的整流橋就 形成直流電壓輸出 。由于整個(gè)電路只有 2個(gè)開關(guān)管 , 且以固定占空 比交替導(dǎo)通 , 這就使得電路的控制電路十分簡(jiǎn)單。3 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)仿真原理圖

11、中的各個(gè)元件參數(shù)的設(shè)置如下 :85 應(yīng)用與測(cè)試 低壓電器 (2007 17通用低壓電器篇 開關(guān)管使用 PSp ice 元件庫中提供的開關(guān)管模型 , 它由 1個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管和 1個(gè)反向二極管并聯(lián)組 成。 輸入直流電壓 U in =48V; 輸出直流電壓 U out =15V; 推挽正激箝位電容 C =40F; 副邊電容 C f =1000F; 開關(guān)頻率 f =20kHz 。 系統(tǒng)接電阻性負(fù)載 時(shí) , 利用 PS p ice 記錄下輸出電壓波形如圖 4所示。 系統(tǒng)接電感性負(fù)載輸出波形如圖 5所示。 圖 4帶電阻性負(fù)載時(shí)輸出電壓波形 圖 5 帶電感性負(fù)載時(shí)輸出電壓波形4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 設(shè)定電路輸入電壓為

12、 48V , 輸出為 15V 。 圖 6為主電路正常工作時(shí)利用示波器記錄的 控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形 。圖中 , 示波器通 道 2所示為主電路下面開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形 , 示波 器通道 4所示為主電路上面開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形。 圖 6 控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)波形 在主電路正常工作的情況下 , 用示波器記錄 開關(guān)管柵源極電壓 U gs 和漏源極電壓 U ds , 如圖 7所示 。 通道 2是 U gs , 通道 4是 U ds。圖 7 主電路正常工作時(shí) U gs 和 U ds 的波形 可以看出 , U gs 呈現(xiàn)高電平 , 即開關(guān)管導(dǎo)通時(shí) , U ds 近似為零 , 即開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)壓降很小 ; U gs

13、 呈現(xiàn) 低電平 , 即開關(guān)管關(guān)斷時(shí) , U ds 為 2倍的電源電壓 , 這是由電路拓?fù)錄Q定的 , 說明電路工作是正常的。利用示波器記錄原邊的箝位電容電壓波形圖 如圖 8所示。 原邊箝位電容電壓始終保持與電源 電壓相等。 電路正常工作時(shí) , 輸出電壓的波形圖如 圖 9所示。 由圖可見 , 輸出電壓約為 15V, 電壓十 分平穩(wěn) , 毛刺很小 , 波形很理想 , 證明逆變器開關(guān)電源的實(shí)驗(yàn)是成功的。圖 8原邊箝位電容電壓波形圖 9 輸出電壓波形5 結(jié) 語本文在研究推挽正激變換器的基礎(chǔ)上 , 對(duì)推挽正激變換器的主電路拓?fù)溥M(jìn)行了仿真 , 并進(jìn)一95 低壓電器 (2007 17 通用低壓電器篇 應(yīng)用與測(cè)

14、試 步設(shè)計(jì)制作了樣機(jī) , 測(cè)定了實(shí)際工作中電路的各點(diǎn)電壓值 , 證實(shí)了推挽正激變換技術(shù)可以得到非 ?？煽康姆€(wěn)定直流電壓輸出 。【 參 考 文 獻(xiàn) 】1 G OP I N AT H R, KI M S, W E BSTER M , et al . Devel op 2ment of a Lo w Cost Fuel Cell I nverter Syste m with DSP Contr olJ .I EEE PES C, 2002(19 :125621262. 2 Z HOU Xun wei, Y ANG Bo, A MORAOS O Luca, et al . Novel High 2in

15、put 2v oltage, High sient Voltage . .(1 :2. 3 Y AMAT N, MATS UDA Y, et al .H igh Frequency L ind DC 2AC Converter for UPS with a Ne w Voltage Cla mper C /I EEE Power Electr onics Specialists Conference, PES C 90ke wrd, 1990:7492756.4 張占松 , 蔡宣三 . 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) (修訂版 M.北京 :電子工業(yè)出版社 , 2004.5 陳道杰 . .:上海交, 20

16、05.M H, 陳建業(yè) . 電力電子技術(shù)手冊(cè) M.北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2004.收稿日期 :2007201224(上接第 25頁 圖 2 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的主界面器端啟動(dòng)瀏覽批注工具 Aut oVue, 打開接觸板的三維設(shè)計(jì)圖 ; 審核者作為客戶器端啟動(dòng)瀏覽批注 工具 Aut o Vue, 連接服務(wù)器得到模型圖 ; 然后 , 審 核者就可以提出自己對(duì)該設(shè)計(jì)的意見了。 圖 3 應(yīng)用實(shí)例 同時(shí) , 還采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)模擬郵件系統(tǒng) , 在系 統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)郵件發(fā)送等操作 。 通過使用系統(tǒng)的個(gè) 人郵件模塊 , 用戶可以方便地向任何一位用戶發(fā) 送郵件 。 圖 4為郵件系統(tǒng)的實(shí)例圖。圖 4 郵件系統(tǒng)3 結(jié) 語網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 技術(shù)的結(jié)合 , 代表了信息時(shí)代設(shè)計(jì)方式的發(fā)展方 向 , 實(shí)時(shí)協(xié)同是目前該領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn) 。本文 通過對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的研究 , 開發(fā)了一個(gè)基于網(wǎng) 絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng) , 并通過接觸板設(shè)計(jì)實(shí)例 , 給出 了系統(tǒng)的運(yùn)行情況 ?！?參 考 文 獻(xiàn) 】1 王魁生 , 李人厚 , 李