（电力电子与电力传动专业论文）反激变换器的应用研究.pdf

垦塑壅垫矍堕生塑堡塑 a b s t r a c t f l y b a c k c o n v e r t e rb a s e do n p e a k c u r r e n t - c o n t r o lt e c h n i q u ei sd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e f i r s t l y ，d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e so ff l y b a c kc o n v e r t e ra r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ， t e c h n i q u eo f r c d c l a m p i nf l y b a c kc o n v e r t e ri sr e s e a r c h e d s e c o n d l y t h es t e a d yp r i n c i p l e o ft w o t r a n s i s t o rf l y b a c kc o n v e r t e ra n dt h ed e s i g ng u i d el i n ef o rp a r a m e t e r so ft h i sk i n d o fc o n v e r t e ra r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e n ，t h es m a l ls i g n a lm o d e lf o rf l y b a c kc o n v e r t e ra s w e l la si t sc o n 臼o ls c h e m ei sd e v e l o p e da n di su s e dt oo p t i m i z e r e g u l a t o r sp a r a m e t e r s r c d c l a m pf l y b a c kc o n v e r t e ra n dt w o t r a n s i s t o rf l y b a c kc o n v e r t e ra r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e db a s e do nt h e o r i e sd i s c u s s e da b o v e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e da n d t h er e s u l t so fr c dc l a m pf l y b a c kc o n v e r t e ri nb o t hc c mm o d ea n dd c mm o d ea r e c o m p a r e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e i d e n t i c a lw i t ht h e o r ya n a l y s i s k e y w o r d s ：f l y b a c k c o n v e r t e l p e a l ( c u r r e n t - c o n t r o lt e c h n i q u e ，r c dc l a m p t w o - t r a n s i s i t o rf l y b a c k 第一章绪论 电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的 技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源， 由于开关电源在体积、重量、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源有显著减少，而且 对整机多项指标有良好影响，因此它广泛应用于邮电通信、军事装备、交通设施、仪 器仪表、工业设备、家用电器等领域，正朝高功率密度、高变换效率、高可靠性、无 污染的方向发展。所以寻求高性能的开关电源是电力电子技术重要的研究内容。 d c d c 变换器可分为两类：非电气隔离型d c 份c 变换器，包括b u c k 变换器、 b o d j ，变换器、b u c k - b o o s t 变换器、丘克( c l ) 变换器，这类变换器适用于升降范 围窄、输入输出间无须电气隔离的场合；电气隔离型d c d c 变换器，包括反激、 j 下激、推挽、半桥及全桥变换器，这类变换器适用于升降范围宽、输入输出间需要电 气隔离的场合。 由于反激变换器具有高可靠性、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升降范围 宽、易于多路输出等优点。因此，反激交换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑。 1 1 反激变换器的发展与现状 反激变换器中隔离变压器起着电感和变压器的双重作用，变压器磁芯处于直流偏 磁状态，为防止磁芯饱和，需要较大气隙，因此漏感较大，电感值相对较低。当功率 开关关断时，由漏感储能引起的电流突变引起很高的关断电压尖峰，功率管导通时， 电感电流变化率大，电流峰值大，c c m 模式整流二极管反向恢复引起功率开关管开 通时高的电流尖峰。因此，必须用筘位电路来限制反激变换器功率开关电压、电流应 力。电力电子技术研究人员对此进行了大量的研究。 目前反激变换器的箝位电路主要有：有损r c d 箝位电路，双晶体管、双二极管 箝位电路，l c d 筘位电路和有源筘位电路。 1 1 1 有损r c d 箝位电路 瓜1 d 箝位电路是加在变压器原边两端，而加在开关管两端的称为r c d 缓冲，两 者可以组合使用。 rd i 曲一 图】- 】r c d 箝位电路 图1 - 2r c d 缓冲电路 垦苎壅垫璺塑丝里堕窒 一一 该电路的优点是：电路拓扑简单，电路实现容易。 该电路的缺点是：漏感能量消耗在电阻r 上，变换效率较低。 1 1 2 双晶体管、双二极管筘位电路 该电路的优点是：由于每个功率开关管上施加的电压幅值不超过输入电压u ， 适合于高输入电压场合。 该电路的缺点是：需多用三只器件，且占空比d 11 一 l 。，1 。j 酗4 - 1 反激变换器等效电路 幽4 - 2 反激变换器等效受控源电路模型 设变换器在稳态工作点附近存在小信号扰动，即“。= u i n + 以、d = d + d 、，： 9 垦塑壅垫矍堕堡旦! 垄一 ，+ 0 、“。：u 。+ 。、= o + 乏，把这些量代入图4 2 中，将稳态量与动态量分离， 考虑到二。 1 、0 d l 、0 ， 1 、女。u o j ：。? ：。= ：o 1 0 1 e 1 0 6“ 矿1 0 f m _ n c yl 曲q 幽4 1 0 电雁环频率响应 图4 1 0 的频率曲线中，幅频曲线在低频段的增益大，其相角裕度_ r = 4 5 。、幅值 裕度h = 7 2 3 d b ，截止频率= 2 5 k h z 。截止频率附近的斜率不大，过了截止频率之 后迅速下降，相频曲线在低频时相角改变不大。系统具有很好的稳定性和很强的抗干 扰能力。 2 6 、 r一 。 一二 一 矗暑叫譬f 输入音频衰减函数的频率特性 目标函数为：a = 矗 誓 差 ：& ! ! 竺：生曼垒2 1 二& 2 1 鱼丝尘! i ( 5 ) ：o 2 + 嘞( 砀c f d l + f a c f d 2 ) 2 镏尝趟二= 乏z 。l - 3 b o 、 、 、 6 4 0 r 。 一一一一一一- 一一j ，c 1 l o 、 | 笙| 4 - 1 1 音频衰减 如图4 1 1 所示，输入音频衰减的幅频曲线低，系统的抗输入扰动能力强，系统输 出电压的低频纹波小。 闭环输出阻抗的频率特性 目标函数为：z 刎= ：= f u 1 ，2 ( a + f m 。f a c f d 2 ) - f u 2 2 f a ，c f m f d i i ( s ) ：o 2 + 锄( f o c f 0 1 + f a c f d 2 ) 一一一 1 璺i4 1 2 闭环输出阻抗 一 幻一嘶 fap)i室 了： 一 | 如b 一霉一墨i主 星堂皇垫堂堕坐旦竺垄 如图4 - 1 2 所示，在低频段，闭环输出阻抗很小，说明系统输出电压随负载变化 的很小，输出电压精度高、纹波小。 4 2 用p s p i c e 进行时域仿真 p s p i c e 8 0 是使用非常广泛的实时电路仿真软件，可以对电路进行直流分析、瞬 念分析、交流小信号分析等。在p s p i c e 8 0 的元件库里有很多基本元件的模型，但是 没有集成控制芯片的模型。根据u c 3 8 4 2 的工作原理，利用一些基本的模拟、数字器 件来模仿其工作过程。 图4 1 3 是反激变换器系统仿真电路，其中仿真参数为4 1 1 3 节中系统优化后的参 数，l m 3 2 4 为u c 3 8 4 2 中电压反馈的误差放大器，l m 3 1 l 将电压环输出与电流检测 电压进行比较，然后通过尺s 触发器来控制开关s 2 。 d 3 u i n r 6 r 7 l m j i il w j 2 4 图4 - 1 3 反激变换器系统仿真电路图 4 2 1 动态响应 图4 - 1 4 所示是参数优化后的系统突加负载时的动态响应。从图4 - 1 4 ( a ) 中可以看 出系统在轻载焉= 1 七q 时，从启动到稳定需3 0 0 肿。在，= 5 0 0 f l s 时突加到满载，则输 出电压，跌落，误差放大器输出电压u ，。增大，而此时由于原边电流还未及 时变化，即电流反馈不变，j d 陟m 比较器使占空比增大，输出电压，上升，在下 2 r 个周期到来时，u 。”。减小，u 矿也减小，占空比又发生了新的变化，在经过8 0 0 s 后系统达到新的稳定。所以参数优化后系统突加负载的动态响应比较快，仅8 0 0 z s 。 、一一一一一一一一一一 ， o ? _n 0-tot0 _ v fl m j t 37 i t ( a ) 突加负载后输出电压的变化情况 ( b ) 突加负载时系统中各点的变化情况 图4 1 4 优化后系统突加负载的动态响应 ，一 ，r 第五章样机设计与实验 5 1 概述 本章分别介绍了1 5 w2 7 v d c + 1 2 v ( 1 0 a ) 、1 2 v ( 0 2 5 4 ) 机内稳压电源和1 0 8 0 w 2 7 0 v d c 1 8 0 v d c ( 鲋) d c 仍c 变换器的设计与试验。两者均采用电流控制方式，功 率电路分别采用r c d 箝位( c c m , d c m 模式) 单端反激变换器；双管反激变换器。 ( 】) 】5 w 2 7 v d c + 1 2 v ( 1 0 a ) 、1 2 v ( o 2 5 a ) f 2 ) 1 0 8 0 w 2 7 0 阳c y l 8 0 肋c ( 6 1 ) 机内稳压电源的设计技术指标为： 输入电压：1 8 3 6 v d c 输出电压两组：+ 1 2 v ( 1 0 a ) 、1 2 v ( 0 2 5 a ) 工作频率：3 0 0 k h z 最大占空比：d m 。= 0 4 5 效率：1 术7 5 10 8 0 w d c d c 双管反激变换器设计指标为 输入电压：2 4 0 3 0 0 v d c 输出电压两组：l8 0 v ( 6 a ) 工作频率：5 0 k h z 最大占空比： d m 。= 0 4 5 ( 9 效率：r 术9 0 5 2 基于电流控制r c d 箝位单端反激变换器机内稳压电源 5 2 1 电路组成 功率电路如图5 1 所示，控制电路以u c 3 8 4 2 为核心，配以少量的外围器件。c c m 和d c m 模式反激变换器电路组成基本相同，不同之处为：变压器原边漏感能量不同， r ( d 箝位支路参数不同；变压器铁芯工作状念不同，变压器型号大小也不同。 3 0 图5 - 1 基于电流控制r c d 箝位反激变换器机内稳压电源电路组成 5 2 2 c c m 模式反激变换器功率电路设计 5 2 2 1 变压器设计 1 确定铁芯材料和型号 因铁氧体较便宜，电阻率p 高，铁损小，特别是当工作频率高于l o o k h z 时，尤 为此。而罐型铁芯的漏感小，线圈间耦合紧密，电磁干扰小。故选用软磁铁氧体 r 2 k b d 、罐型铁芯。 r 2 k b d 的饱和磁感应强度b s = 5 i k g s ，考虑到高温时段会下降，选定工作最 大磁感应强度e ，= l 2 b s ；设在巧。期间铁芯磁感应强度的变化量为b ，工作磁感应 强度为b ，c c m 模式时铁心工作于第三种工作状态，电流临界连续时输出功率 p ，。= k = l 6 & 。，则吃= b + a b 2 = ( 1 + k ) b = 7 6 b = 2 6 0 0 g s ，b = 2 2 2 8 5 7 g s ， a b 2 2 k b 。7 4 2 8 6 g s ，尽= 3 0 0 k h z ，瓦= 3 3 3 y s ，正。= d 疋= 1 5 雕。取铁填充系数 收一1 ，窗口利用系数j 印= o 3 ，导线电流密度j = 4 0 0 a c m 2 ，根据下式确定铁芯型号。 s o _ ：继烈。1 0 s ：! 墨唑玉螋x l o s a e n , k ：k 。j b h k ，k 。j j = 罢丝煞x 1 0 8 - 0 0 6 7 3 伽t (5-1)7428 607 5 x 1 0 3 4 0 0 。 、。17 故选用g u 2 2 罐型铁芯该铁芯的 s = s r 三( 9 4 2 “4 2 ) = 5 4 1 9 m m 2 = 0 5 4 1 9 c m 2 ( 5 - 2 ) 垦堂壅垫堡塑丝旦竺兰一 q ：( 1 7 8 9 4 1 4 6 = 3 8 6 4 r a m 2 = 0 3 8 6 4 c m 2 s q = 0 2 0 9 4 c m 4 0 0 6 7 3 c m 4 2 绕组计算 ( 1 ) 计算电感电流临界连续时原边电感l 。 k 栌争印= 茄蔫悉杀x 0 7 5 = 3 2 8 4 胛 ( 2 ) 计算铁芯所开气隙的长度j 万= 2 k r l $ 1 0 =。b 2 吖 = 0 0 0 9 3 c 历 ( 3 ) 计算原边绕组匝数 n 2 0 4 万1 5 x3 3 3 1 0 “ 2 x 0 6 ) 0 7 5 x 0 5 4 1 9 x 2 2 2 8 5 7 2 x 1 0 8 取n ，= 7 匝。 ( 4 ) 计算匝比，确定各副边绕组匝数 = 6 7 0 ( 5 - 3 ) ( 5 - 5 ) = 等= 两t j o n m a x u 万m m i n 而= 揣5 5 1 21 - 1 1 3 2 9 p 7 ) “v 2( 7 一正。) ( 乩2 + ，) 0 ( + ) 式中为输出整流二极管压降，同理可得：月，3 = 1 1 3 2 9 ，n 。= o 8 5 6 2 。 所以各副边绕组的匝数为 n ：盟：l ：6 1 8 二r 1 2 1 1 3 2 9 取n ，= 6 匝 司理可得：n ，= 6 匝，n 。= 8 匝。 r 5 ) 根据。来校核原边电感 “= 掣x l o - s = 0 丛怒产川“u w y j ( 5 8 ) 查塞堕至堕圣查堂堡! ：兰竺堡；! ! ! ； = 3 5 8 8 p h 3 2 ，8 4 u h ( 6 ) 计算变压器原副边绕组电流有效值 由原副边匝比关系可求得原副边磁化电流 = 鼍 ；器一o ，s a i p 2 = m n i1 圹扣，s = o 扔爿 同理计算得1 s = o 8 7 5 a ，1 。4 = 0 6 5 6 a 。原副边电流峰值为 ，= ，：+ 1 ：1 。= 志+ 圭，= 丁j ：；焉+ 圭。，s = 2 8 4 a 1 2 p 而1 0 2 + 1 2 1 ，。_ - i 1 丽0 + j 1 0 8 7 5 = 2 2 5 6 爿 同理计算得，3 ，= 0 8 9 2 a ，4 ，= 0 6 9 2 a ( k 取0 2 a ) 。原副边电流有效值为 1 =厢雨= 厩瓦丽 ，2 = = 1 6 6 a ( 5 9 ) ( 5 10 ) ( 5 1 1 ) f 5 1 2 1 ( 5 - 1 3 ) ( 5 - 1 4 ) 厣瓦i 五孓乩。s z p 同理计算得，= 0 3 8 6 a ，。= 0 3 0 4 3 。 ( 7 ) 确定原副边导线线径和股数 取导线电流密度j = 4 a m m 3 ，根据s = i j 得原副边导线截面积分别为 q = o 4 1 5 0 m m 。，= 0 3 4 0 5 m m 3 ，岛= 0 0 9 6 5 m m 7 ，& = 0 0 7 6 0 r a m 。考虑到高频集肤效应， 1 t 关频率为只= 3 0 0 k h z 时，铜导线的穿透深度为 3 3 垦堂壅垫壁塑丝生竺坚l 一 ：三： 2 o t l 2 肼m ( 5 1 6 ) 扣j 石2 、2 x x 3 0 0 x 1 0 3x 4 n - x 1 0 - 7x5 8 x 1 0 6 一u m ”2 u 因此所选线径不能超过0 2 4 m m ，选用d = - o 2 3 r a m 的导线，其截面积为0 0 4 1 5 m m 2 。n i 并绕根数= o 4 1 5 0 0 0 4 1 5 = 1 0 根，取1 0 根；n 2 并绕根数= 0 3 4 0 5 0 0 4 1 5 2 8 2 0 根，取8 根；n ，并绕根数= 0 0 9 6 5 0 0 4 15 = 2 3 3 根，取2 根；n 4 并绕根数= 0 0 7 6 0 0 0 4 1 5 = 1 8 3 根，取2 根。 ( 8 ) 校核窗口系数 k 。，：s i n i + s 2 n 2 + = s 3 n 3 + s 一4 n 4 ：0 1 5 8 8 3 6 6 q ， r 1 1 上的功耗基本为漏感能量通过电容转化而来，功耗值为 b 。= 丢“，o ，、= 丢0 5 8 1 0 一。2 8 4 ：3 0 0 1 0 ，；o 7 0 2 w ( 5 - 2 5 ) 取r 1 1 为3 9 0 q 1 w 金属膜电阻。 二极管d 4 上通过的峰值电流，。= k = 2 8 4 a ，其上承受的电压应力为 “+ ( 川2 ) 2 = 5 i 1 7 v ，所以选用肖特基二极管s r 5 0 6 ( 5 a 6 0 v ) 。 5 2 31 ) c m 模式反激变换器功率电路设计 5 2 3 1 受j 盘器设计 1 确定铁芯材料和型号 仍选用软磁铁氧体r 2 k b d 、罐形铁芯。此时铁芯工作于第二种工作状态，取铁芯 磁感应强度的变化量柚= 1 3 b n = 1 7 0 0 g s ，将1 w 。= d , , a 。t s = 1 5 芦、p 。：1 5 w 、 r = 7 5 、k ( = 1 、k 。= 0 3 、j = 4 0 0 a c m 3 代入式( 5 1 ) ，得 阳= 裔特圳8 - o 4 耐 c s - z s ， 选用g u l 8 罐形铁芯，该铁芯的 s = s ，= 詈( 7 8 2 - 2 9 2 ) = 4 1 1 8 r a m 2 s0 4 11 8 c m 2(5-27) q = ( 14 6 7 8 ) 3 6 = 2 4 4 8 r a m 2 = 0 2 4 4 8 c m 2 f 5 2 8 ) s q = 0 4 1 1 8 x o 2 4 4 8 = 0 1 0 0 8 c m 4 0 0 2 9 4 c m 4 2 绕组计算 ( 1 ) 计算变压器初级电感量 d c m 模式在最大输出功率时，电流临界连续，所以 k 。= 簪n = 器翳黠0 7 5 = 5 4 7 旧 z ， ( 2 ) 计算铁芯上所丌气隙的长度6 “一造争= 华枷 限s 。， 堕塞堕至堕墨查兰堡兰兰兰坐翌l 一 曲= 卷导 根据( 5 3 1 ) 、( 5 3 2 ) 式可得铁芯上所开气隙长度6 为 ( 5 - 3 1 ) s = 器= 需篇淼一o c 聊 侉s z ， ( 3 ) 计算原边绕组匝数 n = 取v 。= 4 匝，则原边电感 厶。烈 ：监。1 0 ： 6 垒! ：塑：! ：! ! ! g 1 0 s o 0 1 4 1 = 3 8 6 = 5 8 7 9 h 5 4 7 a h 说明气隙取o 0 1 4 1 c m 不可行，故重取气隙8 = 0 0 1 6 c m ，则 b =：乜坐：塑：! ! ：! ：芝 v0 0 1 6 0 4 11 8 x 0 7 5 1 0 ” = 1 5 9 3 8 7 g s 1 7 0 0 傩 m = 脬= 。黑5 4 7 x 1 磊0 “x 0 巧0 1 6 x 1 0 8 “， 取n ，= 4 匝。 ( 4 ) 计算匝比，确定各副边绕组匝数 ( 5 - 3 3 ) r 5 3 4 ) ( 5 3 5 ) 托，：盟： 玉m 婺匕凹 ：! ：! ! ：! ! ：1 1 3 2 9 ( 5 3 6 ) “2( 7 _ 一正w 。) ( u 0 2 + u ，) )0 5 5 x ( 1 2 + 1 ) 、 式中为输出整流二极管压降。同理求得n 。，= 1 1 3 2 9 ，h 。= o 8 5 6 2 ，副边绕组匝 数为n 2 = n ln 1 2 = 4 1 1 3 2 9 = 3 5 3 ，取4 匝，”1 2 = l ：n 3 = n l 加1 3 = 4 1 1 3 2 9 = 3 5 3 取4 匝，h i 3 = 1 ；n 。取5 匝，h i 4 i o 8 。 ( 5 ) 根据l 来校核原边电感 垦塑奎垫塑塑生旦婴塞 k = 华1 0 - s = 塑胬攀 = 5 1 7 曲 2 5 3q 。根据标称值及试验调试选c 9 为6 8 0 0 p f 1 0 0 v c b b 电容，月1 1 为 3 0 0 q 2 盒属膜电阻，二极管d 5 选用肖特基二极管s r 5 0 6 ( 5 a 6 0 v ) 。 5 2 4 控制电路的设计 一般脉宽调制器是采用电压控制技术来调节脉宽的，即仅以输出电压作为反馈信 号，实现单闭环控制，而电流控制型脉宽调制器是采用电流控制技术来调节脉宽。电 流控制技术与传统的电压控制技术相比，在电路结构上增加了一个电感电流反馈，此 电流反馈就作为p w m 的斜坡函数，因此不再需要锯齿波( 或三角波) 发生器。反馈的 电感电流，其电流变化率d i ，a t 直接跟随输入电压和输出电压的变化而变化，电压反 馈回路中误差放大器的输出作为电流给定信号，与反馈的电感电流比较，直接去控制 功率开关通断的占空比，使功率开关的蜂值电流受电流给定信号控制。由于结构上有 电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响 应特性都有所提高，是目前比较理想的新型的控制器。美国u n i t r o d e 公司电流控制型 ，c 芯片u c 3 8 4 x ( u c 3 8 4 2 3 4 5 ) 系列。该系列芯片只有8 个引脚，外电路接线简单， 所用元器件少，并且性能优越，成本低廉，驱动电平非常适合于驱动m o s 场效应管， i 幺系列中u c 3 8 4 2 3 的最大占空比可达1 0 0 ，u c 3 8 4 4 5 最大占空比为5 0 ；u c 3 8 4 2 4 启动关闭电压阀值分别为1