（电力电子与电力传动专业论文）模板化航空静止变流器逆变换环节研究.pdf

a b s t r a c t t h et h e s i sf o c u s e do nt h ed cl i n kt o p o l o g yo ft h em o d u l a r i a t i o na v i a t i o ns t a t i cc o n v e r t e rf i r s t ， t h ep u s h p u l lc o n v e r t e ri sd e v e l o p e d t h e n ，t h ep r i n c i p l eo f p u s h - p u l lf o r w a r dc o n v e r t e ri sa n a l y z e di n d e t a i l i th a st h ea d v a n t a g e so fp r e v e n t i n gt h eh i g hv o l t a g es p i k eo ft h es w i t c h e sa n dr e s t r a i n i n g m a g n e t i s md e f l e c t i o no ft h et r a n s f o r m e ri nl o w - v o l t a g e h i g h e b r f e n ts i t u a t i o n s op u s h p u l l f o r w a r d c o n v e g e rc a r lg e th i g h e re f f i c i e n c yt h a np u s h p u l lc o n v e r t e la tl a s t ，an o v e lz v si s o l a t e db o o s t c o n v e l f t e ri sp r e s e n t e d t h i sc o n v e r t e ri se m p l o y e dt h el c ds n u b b e rc i r c u i t sa n dc o u p l e dw i n d i n gi n b o o s ti n d u c t a n c e ，t h es w i t c h e sc a l lr e a l i z ez e r ov o l t a g et u mo f f a n dt h es u r g ev o l t a g eo f s w i t c hi sl o w t h e p r i n c i p l eo f t h i sc o n v e r t e ri sa n a l y z e di nd e t a i l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h a tt h e n o v e ic o n v e r t e ri sf e a s i b l e t h r o u g h t h ec o m p a r i s o no ft h r e es c h e m e s ，t h en o v e lz v si s o l a t e db o o s tc o n v e r t e ri st h eb e s t d cl i n kt o p o l o g yo ft h em o d u l a r i a t i o na v i a t i o ns t a t i cc o n v e r t e r t h i s r e s e a r c h i n gp r o j e c tl a y st h e t e c h n i c a lf o u n d a t i o no nh i g hp o w e rd e n s i t ya n d h i g he f f i c i e n c ya v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e r k e y w o r d ： a v i a t i o ns t a t i ci n v e r er 1p u s h p u l lf o r w a r dc o n v e r t er i s o l a t e ， b o o s tc o n v e r t e r l c l 3s n u b b e r 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 航空静止变流器的现状和发展n 航空静止交流器( a v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e r ，简称a s i ) 是飞机供电系统的一 个重要组成部分，它将飞机上2 7 v 或2 7 0 v 直流电源变换成1 1 5 v 4 0 0 h z 或3 6 v 4 0 0 h z 恒压恒频交流电，作为飞机二次电源使用。随着飞机战斗性能的提高以及用电设备 的不断增加，对航空静止变流器的要求也越来越高。对航空静止变流器的基本技术 要求有两类：使用要求和电能质量要求。使用要求主要包括：体积小、重量轻、使 用维护方便、工作可靠等。而电能质量要求主要有：输出频率稳定、输出电压稳定、 动态响应速度快、效率高、输出正弦电压失真度低等。 航空静止变流器经历了三个发展阶段：低频隔离技术，主要有方波逆变器式 电路结构、升压b o o s t 交换器与阶梯波合成逆变桥组合式电路结构；单端反激 f l y b a c k 变换器与正弦脉宽调制s p w m 逆变器组合式电路结构：软开关组合式电路 结构。 美国及一些欧洲先进国家对航空静止变流器，投入经费较大，研究处于较高的 水平。目前美国为多电飞机研制的2 7 0 v 输入、8 k v a 航空静止变流器体积为 1 1 5 x 5 5 5 i n ，重量为1 8 2 晒s 。 国内研制成功的a s i 产品，相当予先进国家八十年代初的技术水平。采用单端 反激f l y b a c k 变换器与正弦脉宽调制s p w m 逆变器组合式电路结构的电路拓扑，其 特点是采用巨型晶体管、硅铁心材料和分立电子器件，开关频率为2 1 6 k h z ，最高 效率为7 4 ，与国外发达国家研制的新代a s i 相比有较大的差距，实用飞行高 度只能达到1 l k m 。国内目前在某型飞机上采用的静止变流器为成都成飞电子设备 厂采用方波逆变器研制的，效率可达到7 6 ，但由于其体积重量大，相应热容量 较大，实用范围较大。采用软开关静止变流器研制成功的静止变流器输入为2 7 0 v ， 输出为3 相l k v a ，效率达到8 5 ，在某外贸机上得到应用。 综观国内的几种静止变流器方案，虽然采用不同的电路拓扑，不同的电能变换 方式，但都没有摆脱能量集中处理方式，这导致：电路的热损耗相对集中，热设计 困难，系统难以优化；电路的功率密度低；电路内任意功率部件损坏系统即不能正 常工作；不能像d c d c 模块一样用芯片模块技术和集成电路的工艺制造。 在吸收国内外静止变流器技术研究的成功经验的基础上，本课题组提出了种 新型模板化静止变流器方案，该研究得到了航空支撑基金资助( 0 2 c 5 2 0 0 9 ) 。 新型静止变流器的总体构成上采用级联型逆变器和高频直流变换器组合而成。 前面的直流环节由四个完全独立、相互隔离、规格一致的直流电源模块构成，每个 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 变换器都有自己独立的一套闭环控制电路；后面的逆变环节主要由驱动功率板，控 制电路和输出交流滤波器组成。具体的系统原理图如图1 1 所示。 图1 1 新型静止变流器的电气原理图 5 v 4 0 0 h z 输出 i k v a 静止变流器由4 个3 0 0 w 直流变换器和4 个2 5 0 v a 逆变器构成，系统内只 有四种功能的电路板( 另二种为控制板和滤波器板) ，实现了功率的分布式变换， 使系统的热源分散、工艺和结构设计简化，而且具有内在的冗余性能，其中任何一 个功率单元故障，系统仍可降1 4 功率后正常使用。 1 2 航空静止变流器前级d c d c 变换器拓扑的选择川t 一 本课题主要研究新型静止变流器直流变换环节。航空静止交流器的直流环节需 要有电气隔离，在此对几种常用的隔离式d c d c 变换器拓扑的特点进行简单的分析。 ( a ) 正激 ( b ) 反激 2 南京航空航天大学硕士学位论文 ( c ) 推挽 v d ) 半桥 ( e ) 全桥( f ) 双管正激 1 2 1 正激变换器 图1 2 常用隔离式d c d c 变换器 如图1 2 ( a ) 所示，正激变换器电路结构简单，常用于中小功率场合。但正激 变换器必须采取附加复位电路来实现变压器铁心磁复位，除采用有源箝位等少数几 种磁复位方式的电路之外，其他的多种复位方式的电路一般都存在以下缺陷：变压 器铁心单向磁化，利用率低，主功率管承受两倍左右的输入电压。主功率管的占空 比一般都不超过0 5 。正激变换器实际上是在降压式b u c k 变换器中插入了隔离变压 器而成。 1 2 2 反激变换器 如图1 2 ( b ) 所示，反激变换器可以看作是带隔离变压器的b u c k b o o s t 变换 器，其电路形式与正激变换器相似，但反激变换器中变压器起着变压器和电感的双 重作用，因此在选用普通材料铁芯时必须有气隙，以保证铁芯不饱和。反激变换器 由于电路简洁，所用元器件少，适合于多输出场合使用。反激变换器不能空载运行。 开差管导通时，能量存储到变压器中，在开关管关断期间，变压器中的能量向负载 传输，能量间接传递，反激变换器通常效率不是很高。 模扳化航空静止变流器直流变换环节研究 i 2 3 推挽变换器 如图1 2 ( c ) 所示，推挽变换器电路结构简单，可以看成两个完全对称的单端 正激变换器的组合，变压器的铁芯是双向磁化，相同的铁芯尺寸，推挽变换器比正 激变换器输出更大的功率。但是电路必须有良好的对称性，否则容易引起直流偏磁 导致铁芯饱和，另外，变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感，从而降低功率管的 关断电压尖峰，这增大了变压器绕制工艺的要求以及对所用功率器件电压定额的要 求。推挽变换器通常用于中小功率场合。 l - 2 。4 半桥变换器 如图1 2 ( d ) 所示，半桥变换器相当于两个正激变换器的另一种组合，铁芯双 向磁化，利用率高，且不存在偏磁。功率管上最大电压只有吒，而推挽和正激变换 器中功率管上最大电压为2 ，所以半桥变换器功率管电压应力低。但变压器原边 在导通时只有一半电源电压，不适合低输入电压场合，因此半桥变换器通常用于高 输入电压中功率场合。 i 2 5 全桥变换器 如图1 2 ( e ) 所示，全桥变换器铁心双向磁化，利用率高，易采用软开关工作 方式。功率管承受电源电压，电压应力低。但全桥变换器功率器件较多，控制及驱 动较复杂，并且变压器铁心存在直流偏磁现象，桥臂存在直通现象。比较适合大功 率场合。 i 2 6 双管正激变换器 如图1 2 ( f ) 所示，双管正激变换器电路结构简洁，通过两个二极管来提供励 磁电流回路，实现铁芯磁复位，去除了复杂的磁复位电路，励磁能量回馈给电源， 减小了损耗。功率管只承受输入电源电压，电压应力低。但为了保证可靠的磁复位， 占空比只能小于0 5 ，变压器工作于磁化曲线的第一象限，铁芯利用率低，同时在 相同条件下与全桥变换器相比，输出滤波电感的体积也较大。双管正激变换器适合 于中大功率场合。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 本文的研究内容 本课题为模板化航空静止变流器直流环节的研究。为了提高模板化航空静止变 流器整体性能，前级直流环节必须选择合适的电路拓扑，以提高直流环节的效率， 减小体积。 本文研究的主要内容如下： 1 为了满足级联型航空静止变流器原理验证的要求，我们首先采用成熟的技术， 前级选用推挽变换器拓扑，制作实验样机。 2 为了克服推挽电路的缺点，进一步提高直流变换器的效率，研究了推挽正激电 路，实验结果验证了推挽正激电路的优点，实现了静止变流器的较高效率。 3 。深入研究了一种适合于输入低压大电流场合了隔离型b o o s t 变换器，分析了它 的优点和缺点以及目前实现方案存在的问题。在此基础上提出了一种新型隔离 型z v sb o o s t 变换器，详细分析了它的工作原理，仿真和实验结果验证了方案 的正确性。 4 通过对三种电路方案的比较，确定了新型隔离型z v sb o o s t 电路是模板化航空 静止变流器直流环节的最佳拓扑方案。 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 第二章推挽变换器研制 推挽变换器结构简单，技术成熟，适合于低电压输入中小功率场合，因此可选 为本航空静止变流器前级拓扑。本章对推挽变换器进行了简单的分析，给出了样机 的参数设计和样机的实验结果。 2 1 推挽变换器 2 1 1 工作原理 推挽变换器电路如图2 1 所示。电路中，两个开关管q 1 、q ：接在带有中心抽 头的变压器初级线圈两端，此电路可以看成完全对称的两个单端正激变换器组合而 成。d 。、d 2 为副边整流二极管，l 、c 为输出滤波电感和滤波电容。 图2 1 推挽变换器 图2 2 推挽变换器主要波形 ， 6 南京航空航天大学硕士学位论文 推挽变换器的主要波形如图2 2 所示。q i 导通时，输入电压加在变压器原边上 端绕组，玖承受两倍的输入电压，变压器副边上端绕组电压为i 1 r 。，整流二极管日 导通，此期间电源向负载提供能量；q ，关断、鲮仍未导通，整流管d ，中电流逐渐 减小，d ：中电流逐渐增大，直到两管中电流相等( 忽略变压器激磁电流) ，此时变 压器可以看作被短路，两开关管承受电源电压，输出功率由输出电容提供； 导通、 q l 关断时，输入电压加在变压器原边下端绕组上，q 承受两倍的输入电压，变压器 副边下端绕组电压为n 一。，整流二极管d ：导通，此期间电源向负载提供能量；q ，关 断、q 仍未导通，整流管d ：中电流逐渐减小，d 中电流逐渐增大，直到两管中电 流相等( 忽略变压器激磁电流) ，此时变压器可以看作被短路，两开关管承受电源 电压，输出功率由输出电容提供。 2 1 2 基本关系 1 、电压传输比 输出电压与输入电压的关系为 卫t 2 = 2 n d ( 2 1 ) ，m d 为单管导通占空比( 本文中出现的占空比都是指单管导通占空比) ，。为变压 器匝比，n = 。 2 、开关管的电压电流应力 当开关管关断时，开关管上的稳态最高电压是2 吃。当开关管导通时流过开关 管的电流是经变压器变换后的负载电流，其有效值是 i o = n l 。4 d ( 2 2 ) 3 、副边整流管的电压电流应力 对于副边全波整流结构，副边整流二极管的电压应力是变压器副边单绕组电压 的两倍，即2 竹。 流过整流管电流的有效值为 i d u = 1 。4 1 一d ( 2 3 ) 2 2 推挽变换器的参数设计川【6 1 f 7 】 样机的技术指标如下： 输入电压：1 8 3 2 v 直流输入 输出电压：4 8 v 直流输出 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 功 率：3 0 0 w 开关频率：1 0 0 k h z 纹波： i v l 、主功率变压器的设计 ( 1 ) 占空比和变压器变比的确定 由于推挽变换器存在直流偏磁问题，为了克服这缺点，选用电流型控制芯片， 以限制流过器件的电流。控制芯片选用u c 3 8 4 6 ，试验中它可以输出最大占空比d 为 o 4 5 ，开关频率设计在1 0 0 k h z 。在输入电压最低为1 8 v d c 时，保证输出电压可以达 到4 8 v 。由公式： f o = 2 n d “ ( 2 4 ) 可得变压器变比n = n ：，1 = 2 9 6 ，考虑到实际电路会有一定的占空比丢失，可 以选取变比h = 3 5 。 ( 2 ) 磁心的选取 根据公式： d s o = 二l 一1 0 8 ( 2 5 ) 2 b 嘏k c k 。j 选择变压器磁心。 上式中各个参数的单位是：只一蟛p c m 2 ，pc m 2 ，b m 一白，一硎2 ，对 于铁氧体磁芯k 。= 1 ，取k 。= 0 3 。选用高频铁氧体材料r 2 k b d ，其饱和磁密b 。为 5 1 0 0 g s ，b 。可以选定为b 。= 1 7 0 0 g s 。结构选为e e 4 2 型，其有效磁一i i , 截面积s 为 l _ 8 c m 2 ，窗口面积q 为2 6 3 c m 2 。 由公式( 2 5 ) 计算得： s 9 = 雨丽丽丽意丽丽x 1 0 8 = 1 0 9 而e e 4 2 铁芯的s q = 4 7 3 ，可以选择e e 4 2 型磁心。 ( 3 ) 匝数的设计 对双向矩形脉冲的变压器有 。：u i , t o ”x 1 0 8 ：! ! ! ! 耋! ! g 1 0 e ：1 3 2 ( 匝) ( 2 6 ) 2 b 蝌占 3 4 0 0 x 1 s 选取原边单绕组为2 匝。根据变比要求，取副边单绕组匝数为7 匝，即变压器 的绕组匝数为：2 ：2 ：7 ：7 。 ( 4 ) 绕组的设计 导线中流过交变电流时会产生集肤效应，即导线横截面上的电流分布不均匀， 使导线有效截面积减少，电阻增大。在高频工作时，必须加以考虑。当开关频率为 南京航空航天大学硕士学位论文 l o o k h z 时，穿透深度为： 扣南= 、 2 n 1 0 0 x 1 0 3x 4 2 1 0 - 7 x5 8 x 1 0 6 一n z o s 粥锄莉 眩t ， 导线线径应小于穿透深度的两倍。 首先计算原副边绕组电流有效值。满载工作时，不考虑流过变压器副边，和 滤波电感的电流纹波，则流过，的电流幅值等于流过电感电流的平均值，即负载 电流，。，则流过变压器原副边电流的有效值，。、，：分别为： d 一： 塑 ：0 3 8 2 1 8 3 5 d 。： ! ! ；0 2 1 2 x 3 2 3 5 ，2 ：厶、厅历二：5 3 3 ( a ) ，l = 胁万：= ：1 2 9 5 ( a ) 选取电流密度j = 3 a m m 2 ，则变压器原边截面积s 。= 1 2 9 5 3 = 4 3 2 m m 2 ，副边 截面积s 。2 = 5 3 3 3 = 1 7 8 m m 2 ，因此原边可以用0 ，3 2 4 r a m 的铜皮，副边用0 1 2 4 r a m 的铜皮。 铜皮总厚度为： ( 0 3 2 + 0 1 7 ) x 2 = 2 6 m m e e 4 2 的窗口宽度为8 7 5 m m ，能够绕下。 2 、开关管的选取 开关管的最高电压应力是两倍的最高输入电压，即6 4 v 。但推挽变换器由于变 压器漏感的存在，在开关管关断时有较大的电压尖峰，因此要考虑较大的电压裕量。 开关管的电流定额： 坛旷薏压“5 1 可选取i r f p l 5 0 型号的m o s f e t 。 3 、副边整流管的选取 副边整流二极管承受的最大电压应力为2 行k 。= 2 x3 5 3 2 = 2 2 4 v ，考虑1 5 倍的裕量，可以选取耐压为4 0 0 v 的功率整流管。 流过整流二极管的晶大电流为为副边绕组的最大电流，考虑2 倍的裕量： l d = 2 1 2 = 1 0 7 ( a ) d s e l 3 0 0 6 型号的功率二极管满足要求。 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 4 、滤波电感的设计 ( 1 ) 电感值设计 滤波电感的设计根据变换器的输出额定功率3 0 0 w 设计。根据最小临界连续电 流来选取滤波电感值： l ：墼 ( 28 ) ，p 其中，( 。舡) = ( o 5 一) r = 2 9 , u s ，! 警坠= 1 s ，代入式( 2 8 ) 得： = 5 5 6 8 儿日 可以选取滤波电感值为6 0 a r 彳。 ( 2 ) 铁心的选择 选用高频铁氧体材料r 2 k b d 制成的e 1 3 3 铁芯，其饱和磁密为5 1 0 0 g s 。 s c = c d = 9 7 x 9 7 = 1 2 3 2 r a m 2 q = ( b c ) g = ( 2 3 6 9 7 ) 1 9 = 2 6 4 1 m m 2 初选气隙占= l m m ，则： = f6 0 1 0 。1 x 1 0 3 2 1 石五护i 西丽 = 1 9 7 ( 2 9 ) 选取n = 2 0 匝 此时 艿：型：1 0 3 2 m 。z 满载时 ，l ( 。“) = 。+ f = 7 2 a 因此：b 。：! 单：0 1 7 5 3 7 1 ( 3 ) 导线的选取 考虑到集肤效应，线径小于两倍穿透深度，故选用0 4 0 m m 的高强度聚酯漆包 线，其截面积为0 1 2 5 7 m m 2 。 电感中电流的有效值可以近似看作负载电流，即i o = 善= 6 2 5 a ，取电流密度 p 。 - ，= 4 a m m 2 ，蝇= 竿- 1 5 6 2 5 耐。 采用1 5 股0 4 0 m m 的漆包线并绕，s 。= o 1 2 5 7 x1 5 = 1 , 8 8 5 5 m m 2 校核窗口面积： 1 0 压 南京航空航天大学硕士学位论文 k 产型翌些兰! 旦：0 2 8 5 6 0 3 0 5 2 6 4 1 可以绕得下。 5 、滤波电容的设计 滤波电容的设计根据变换器的输出平均功率3 0 0 w 设计。在输出的直流电压中， 包含有高频纹波和很小的二次纹波成分。由于高频成分较多，必须选用低阻抗高频 电解电容，选取主要依据输出纹波满足要求。利用公式： ，一) 2 d ( i 一2 埘 。1 赢而面_ 他1 0 ) c眦=羔弩蔫黑斋罴=142386 0 x 1 021 0 0 1 0 3 ) 2 1 胪 。咖 x “f 一 掣 实际电路中，滤波电容采用1 0 0 0 - f 6 3 v 的电解电容。 6 、控制电路关键参数设计 推挽变换器电路如图2 3 所示。 图2 3 推挽变换器电路图 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 由于推挽变换器存在着直流偏磁问题，为了克服这缺点，选用电流型控制芯 片f 8 i ，以限制流过器件的电流。我们选用u c 3 8 4 6 作为控制芯片。 ( 1 ) 频率设定 频率由8 脚c 与9 脚r ，值决定。开关频率为l o o k h z ，内部振荡频率为2 0 0 k h z ， 可确定：r r = 1 2 k ，c r = 1 0 0 0 p f 。 ( 2 ) 死区时间设定 当碍很大时，0 = 1 4 5 c r = o 1 4 5 t s ， ( 3 ) 电流信号取样 采用电阻取样，将电阻串于输入主电路中，如果取样电阻阻值较大，损耗也会 增大，从而影响变压器的效率，因此选用一段阻值为1 5 所q 的康铜丝作取样电阻。 7 、隔离电压取样电路的设计 采用t l 4 3 i 与光藕4 n 2 5 配合构成隔离电压取样电路。 8 、保护电路设计 本变换器设有输入过压保护电路和输出过压保护电路，它们的保护信号经锁存 器输入到u c 3 8 4 6 的第1 6 脚。 2 3 实验结果 1 、实验波形 以下的实验波形是变换器工作在满载时功率电路中的主要波形。 图2 4 开关管的d s 电压波形 图2 5 变压器原边电压波形 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 6 取样电阻上电压波形图2 7 整流管电压波形 2 、实验数据 表2 1 是推挽变换器在1 8 v 、2 4 v 、2 8 v 、3 2 v 输入时的数据。不同输入电压时 效率曲线如图2 8 所示。2 8 v 输入电压，额定输出功率时整机效率为8 4 4 。 表2 1 推挽变换器测试数据 吃( v )l ( a )圪( w )v o ( v )i 。( a )p o ( w )町 1 8 0o 3 56 3 2 4 0o 2 56 0 2 8 o0 2 05 6 4 8 00 0 00 o 3 2 oo 1 85 8 1 8 01 6 02 8 80 6 8 4 2 4 01 2 53 0 0 4 8 o0 4 11 9 7 0 6 5 7 2 8 01 1 03 0 80 6 4 0 3 2 0l0 03 2 ，o0 6 1 6 1 8 03 0 05 4 o 0 7 4 6 2 4 02 3 55 6 4 4 8 00 8 44 0 3 0 7 1 5 2 8 o2 0 55 7 40 7 0 2 3 2 01 8 55 9 20 6 8 1 1 8 o 4 1 0 7 3 80 8 0 6 2 4 0 3 1 0 7 4 8 4 8 01 2 45 9 5 0 7 9 5 2 8 02 7 07 5 60 7 8 7 3 2 02 4 07 6 80 7 7 5 1 8 05 5 09 9 ，00 8 1 9 2 4 04 2 01 0 0 8 4 8 01 6 98 1 1 0 8 0 5 2 8 03 6 01 0 0 8 0 8 0 5 3 2 ，03 2 01 0 2 4 0 7 9 2 1 8 06 8 01 2 2 40 8 2 4 2 4 o5 1 01 2 2 4 4 8 02 1 01 0 0 8 0 8 2 4 2 8 o4 4 01 2 3 2 o 8 1 8 3 2 o3 8 51 2 3 2 0 8 1 8 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 1 8 08 1 0 1 4 5 80 8 2 6 2 4 06 0 0 1 4 4 o 4 8 02 5 11 2 0 5 0 8 3 7 2 8 05 2 0 1 4 5 ，608 2 8 3 2 04 ，5 5 1 4 7 2 o 8 1 9 1 8 0 9 3 51 6 8 3 o 8 2 7 2 4 0 6 8 51 6 6 80 8 3 5 4 8 02 9 01 3 9 2 2 8 0 5 9 51 6 6 60 8 3 6 3 2 o 5 2 51 6 8 0 0 8 2 9 1 8 0 1 9 7 01 9 2 6 0 8 2 2 2 4 o 7 ，9 01 8 9 60 8 3 5 4 8 0 3 3 01 5 8 4 2 8 0 6 8 01 9 0 4 0 8 3 2 3 2 0 6 0 01 9 2 0 0 8 2 5 1 8 ，0 1 2 1 02 1 7 8 0 8 3 2 2 4 0 9 ，0 0 2 1 6 o 0 8 3 9 4 8 03 7 8 1 8 1 2 2 8 0 78 02 1 8 4 0 ，8 3 0 3 2 0 6 8 52 1 9 2 0 8 2 7 1 8 o 1 3 2 02 3 7 6 o 8 3 8 z 4 ，o 9 ，9 52 3 8 808 3 4 4 8 04 1 51 9 9 2 2 8 0 8 5 5 2 3 9 408 3 2 3 2 0 7 5 02 4 0 008 3 0 1 8 0 1 4 6 02 6 2 8 0 8 3 6 2 4 0 1 1 0 02 6 4 0 0 8 3 3 4 8 0 4 。5 82 l g 。8 2 8 0 9 ，4 52 6 4 6o 8 3 l 3 2 0 8 3 0 2 6 5 60 8 2 8 1 8 0 1 5 9 02 8 6 20 8 3 9 2 4 0 1 1 9 52 8 6 8 0 8 3 7 4 8 o5 0 0 2 4 0 o 2 8 0 1 0 。2 52 8 7 。0o 8 3 6 3 2 0 9 0 52 8 9 6 08 2 9 1 8 o 1 7 4 53 1 4 1 0 8 3 3 2 4 0 1 2 9 53 1 0 8 0 8 4 2 4 8 05 4 52 6 1 6 2 8 ，o 1 1 1 03 1 0 8 0 8 4 2 3 2 o 9 7 53 1 2 0 0 8 3 8 1 8 0 1 8 9 03 4 0 2 0 8 3 0 2 4 ，0 1 3 ，9 03 3 3 6 o 8 4 6 4 8 0 5 8 82 8 22 2 8 0 1 1 9 53 3 4 6 0 8 4 3 3 20 1 0 4 53 3 4 4 0 。8 4 4 1 8 0 2 0 2 53 6 4 54 8 06 2 73 0 1 o 0 8 2 6 2 4 0 1 4 9 03 5 7 6 0 8 4 2 南京航空航天大学硕士学位论文 2 8 o 1 2 7 53 5 7 0o 8 4 3 3 2 0 1 1 2 03 5 8 40 ，8 4 0 1 8 0 2 1 9 03 9 4 20 8 1 8 2 4 o 1 6 1 03 8 6 40 8 3 5 4 8 06 7 23 2 2 6 2 8 o 1 3 8 03 8 6 40 8 3 5 3 2 0 1 2 1 03 8 7 2 0 8 3 3 2 4 小结 图z 8 推挽变换器效率曲线 推挽变换器拓扑结构简单，铁芯双向磁化，可以用作模板化航空静止变流器直 流环节。但推挽变换器存在以下缺点： 变压器漏感的存在，在开关管关断时有较大的电压尖峰，这不仅限制了开 关管的选取，而且带来了很大的损耗。 输入电流断续，输入平波电容器上损耗较大。 变压器存在直流偏磁问题，通常采用电流型控制以限制电路中电流。电路 中采用取样电阻，增大了损耗。 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 第三章推挽正激变换器的研究 推挽变换器存在变压器铁芯偏磁、开关管关断时漏感能量在开关管上引起高的 电压尖峰等问题，样机效率较低。为了进一步提高效率，我们选用了一种新的电路 拓扑推挽正激电路p 1 ，它集中了正激电路和推挽电路的优点，同时克服了二种 电路的缺点，具有：a ) 抑制变压器的铁芯偏磁；b ) 变压器磁芯双向磁化：c ) 抑 制开关管两端的关断电压尖峰等优点。本章详细分析了推挽正激变换器的工作原 理，并在此基础上制作了实验样机，实验结果验证了该变换器较推挽变换器的优越 性。 3 1 推挽正激变换器的工作原理【1 0 j f 川1 3 j 6 如图3 1 所示，推挽正激变换器与推挽变换器相比在变压器原边的同名端间增加 了电容c ，两个初级绕组暇、有相同的匝数。阳，、：是场效应功率晶体管的体 二极管。副边采用全波整流结构”7 】i ”1 。 图3 ，1 推挽正激电路图 如上图所示，输入电源、电容c 、开关管p ，q l 和矿q ：组成一个回路。 等于输入电压。该回路满足等式： i + 2 = 2 吃 因为开关管两端电压v 女，v 女2 o ( 若电压反偏，则体二极管导通， 在零) ，所以开关管两端电压的最大值为两倍的输入电压。 电容c 的电压 ( 3 1 ) 电压被钳位 下面分析推挽正激变换器的工作原理，其稳态时工作原理波形如图3 2 所示。 在分析之前，作出如下的假设： 所有的开关管、二极管均为理想元件； 疵 南京航空航天大学硕士学位论文 电感、电容均为理想元件； 输出滤波电感三，足够大，工，、c i 、r 可以看成一个电流为i o 的电流源。 在一个开关周期中，有8 种开关模态，如图3 a n 示，各开关模态的工作情况描述 如下： k 叼苛t 赢tt糍4 ， 1 ii l i l l l l f of i 21f ef ：f 7 8 f 9 图3 2 工作原理波形 鞫 图3 3 各个开关状态的等效电路 l 2 l z 1 2鲈舻hb镭戥m如出啊峰矗厶“抽眇伽 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 1 、开关模态1 ( t ，t ：) 开关管旧导通，p 致关断。这期间电容上电压是输入电压，电源电压加在绕组 彬上，电容电压圪加在绕组上，这时初级相当于两个正激电路并联。 流过初级的电流i 为： f l ( f ) = 1 。+ i o n 2 + 2 ( 3 2 ) 流过初级暇的电流i ，为： f 2 q ) = i 。一，d n 2 一f 。2 ( 3 3 ) 流过开关管的电流i ，为： i ，l ( f ) - i l i 2 = i o h + j w ( 3 4 ) 输入电流，。等于： 。p ) = f l = ，。+ j o 诈，2 + j 。堙，2 ( 3 5 ) 式中：厶负载电流 f 一变压器磁化电流 l 漏感平均电流 漏感平均电流的值由占空比和负载电流决定【1 9 】，z 为变压器次级线圈和初级线圈 的变比。输入电流的峰值与1 2 负载电流成正比。当开关管旧，关断时，此模态结束。 r 2 时刻，和i ：分别为： f i ( ，2 ) = l + i o n 2 + d t 2 l ，。 ( 3 6 ) i 2 ( r 2 ) = l i o n 2 一d t 2 l 。g ( 3 7 ) 式中上。磁化电感 2 、开关模态2 ( f ，t ，) 这期间变压器漏感能量释放。由式( 3 2 ) 、式( 3 3 ) 可知，在f 】期间，一 直大于f 2 ，旧关断时，因为i ，大于f 2 ，慨的体二极管导通，为漏感能量提供释放 回路。此期间，输入电压加在上，电容c 与彬并联，漏感能量释放，给电容充 电。整个期间，。被箝位在2 ，v d s ：为零。流过初级彬、的电流、f ：分别为： i i ( ，) = 1 。+ l o n 2 + d r 2 三。一o t 2 ) l ， 如( f ) = 1 0 l o n 2 一圪d t 2 l 。+ ( ，一t 2 ) 易 式中0 变压器初级漏感( 设两漏感相等) 当、i ，相等时，此模态结束。此模态持续时间为： ，2 3 = 0 ( 厶+ d t l 。g ) 2 ( 3 8 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 3 、开关模态3 ( t 3 ，t 4 ) 在这期间，旧和憾都关断。设电容c 上的电压为稳定的输入电压k 。( 电容取足 够大) 。漏感平均电流经过电源、c 和，由于电源电压和电容电压相等，漏感 平均电流保持不变。当开关管y q ：导通时此模态结束。 4 、开关模态4 ( t 。，f 。) ，时刻啊和的漏感电流相等，当开关管叼：导通时，此期间电源电压加在 上，电容电压加在m 上，流过变压器原边绕组的电流f 。、i ：分别为： i l ( ，) = l 一吃( ，一t 4 ) 乞 ( 3 9 ) i 2 ( f ) = l + k 。0 一，。) 三。( 3 1 0 ) 2 ( ，) = i 2 一i l = 2 ( f t 4 ) l 。( 3 1 1 ) 此模态持续时间为： f 4 ，= 工。( 。+ d t 上。啦) 2 f 。 ( 3 t 2 ) 下半个开关周期的工作模态和上半个周期基本相同，不再赘述。 3 2 参数设计 样机的技术指标如下： 输入电压：1 8 3 2 v 直流输入 输出电压：4 8 v直流输出 功率：3 0 0 w 开关频率：l o o k h z 纹波： i v 3 2 1 主电路设计 主电路参数设计时，考虑稳态时各元器件的电压电流关系。 1 、主功率变压器的设计 ( 1 ) 占空比和变压器变比的确定 变压器的选取与推挽变换器中类似。 控制芯片选用电压控制型芯片s g 3 5 2 5 ，试验中它可以输出最大占空比d 为 0 4 5 ，开关频率设计在l o o k h za 在输入电压最低为1 8 v d c 时，保证输出电压可以达 到4 8 v 。由公式： v o = 2 n d v a , 3 1 3 ) 蔓堡垡堕窒登生壅堕堂皇壅奎堡窭芏竺茎一 一 _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ l _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ 一 可得变压器变比以= n ：n 。= 2 9 6 ，考虑到实际电路会有一定的占空比丢失，可 以选取变比 = 3 5 。 ( 2 ) 磁心的选取 选用高频铁氧体材料r 2 k b d ，其饱和磁密e 为5 1 0 0 0 s ，b 。可以选定为 三昱，：1 7 0 0 g s 。结构选为e e 4 2 型，其有效磁心截面积s 为1 8 c ，窗口面积q 为 3 2 6 3 c m 2 。 ( 3 ) 匝数的设计 对双向矩形脉冲的变压器有 n i ：堡坠1 0 8 ：1 8 。4 5 x 1 0 - 6 1 0 8 ：1 3 2 ( 匝) ( 3 1 4 ) 2 肼 3 4 0 0 1 8 选取原边单绕组为2 匝。根据变比要求，取副边单绕组匝数为7 匝，即变压器 的绕组匝数为：2 ：2 ：7 ：7 。 ( 4 ) 绕组的设计 导线中流过交变电流时会产生集肤效应，即导线横截面上的电流分布不均匀， 使导线有效截面积减少，电阻增大。在高频工作时，必须加以考虑。当开关频率为 l o o k h z 时，穿透深度为： 阿厂了 - _ 南。j 丽丽而彘瓣- o - 2 0 8 9 8 锄莉 ( 3 1 5 导线线径应小于穿透深度的两倍。 首先计算原副边绕组电流有效值。不考虑流过：和滤波电感的电流纹波，则 流过，的电流幅值等于流过电感电流的平均值，即负载电流l 。 d 。： 塑 ：0 3 8 2 x 1 8 3 5 d 。： ! ! ：0 2 1 2 3 2 3 5 2 ：而、厅历i ：5 3 3 ( a ) 1 i ：月o 瓜= 1 2 9 5 ( a ) 选取电流密度j = 3 a 巩m 2 ，则s 。1 = 1 2 9 5 3 = 4 3 2 t i m 2 ，s 。2 = 5 3 3 3 = 1 7 8 l n m 2 ， 因此原边可以用0 3 2 4 r a m 的铜皮，副边用0 1 x 2 4 r a m 的铜皮。 铜皮总厚度为： ( o 3 x 2 + o 1 x 7 ) 2 = 2 ，6 掰n e e 4 2 的窗口宽度为8 7 5 r a m ，能够绕下。 2 、开关管的选取 推挽正激电路的一大优点就是克j e t 推挽电路在开关管关断时电压尖峰问题， 南京航空航天大学硕士学位论文 因此开关管的最高电压应力是两倍的最高输入电压，即6 4 v 。 开关管的电流定额： 矿舞瓜娟爿 可选取i r f p l 5 0 型号的m o s f e t 。 3 、副边整流管的选取 副边整流二极管承受的最大电压应力为2 n p r 胁= 2 x3 5 3 2 = 2 2 4 v ，考虑1 5 倍的裕量，可以选取耐压为4 0 0 v 的功率整流管。 流过整流二极管的最大电流为为副边绕组的最大电流，考虑2 倍的裕量： j = 2 x 1 2 = 1 0 7 ( a ) d s e l 3 0 0 6 型号的功率二极管满足各种定额。 4 、滤波电感的设计 滤波电感的设计也与推挽变换器类似。 ( 1 ) 电感值设计 滤波电感的设计根据变换器的输出额定功率3 0 0 w 设计。根据最小临界连续电 流来选取滤波电感的电感值： 2 l ：_ v o 磊- f o f f ( m “) ( 3 1 6 ) 1p 、一 - 。o ( m m ) 其中，( 。) = ( o 5 一d 。) r = 2 9 z s ，三笋= i 1 ，代入上式得： l = 5 5 6 8 “ i 可以选取滤波电感值为6 0 时。 ( 2 ) 铁心的选择 选用高频铁氯体材料r e k b d 制成的e 1 3 3 铁芯，其饱和磁密为5 1 0 0 g s 。 s = c d = 9 7 x 9 7 = 1 2 3 2 r a m 2 q = ( 占一c ) e = ( 2 3 6 9 7 ) 1 9 = 2 6 4 1 m m 2 初选气隙艿= i m m ，则： n = ：j 善氅安黑：1 9 ， ( 31 7 ) v4 石1 0 叫1 2 3 2 1 0 咱 。 选取= 2 0 匝 此时 d ：皑：1 0 3 2 坍m 2 工 雁 模板化航空静止变流器直流变换环节研究 满载时i l ( 一) = j 。+ 去f _ 7 2 a 因此：b 一：丝坐盟。0 1 7 5 3 t ( 3 ) 导线的选取 考虑到集肤效应，线径小于两倍穿透深度，故选用0 4 0 r a m 的高强度聚酯漆包 线，其截面积为0 1 2 5 7 m m 2 。 电感中电流的有效值可以近似看作负载电流，即争= 6 2 5 a ，取电流密度 0 ，：4 爿m 坍2 ，故毛：鱼芋：1 5 6 2 5 m m 2 。 采用1 5 股0 4 0 m m 的漆包线并绕， s 。= 1 8 8 5 5 m m 2 校核窗口面积 可以绕下。 k 。：些掣堂垡：0 2 8 5 6 0 3 02 8 5 6 03 “2 一2 o 5 ) ，由上式可以看到隔离型b o o s t 变换 器输出电压至少为输入电压的2 月倍，而推挽变换器和推挽正激变换器电压传输比均 为2 d n ( d 时，开关模态4 的持续时间大 2 于开关模态5 的持续时间。 工作原理波形图5 1 0 中是以开关模态4 的持续时间小于开关模态5 的持续时 6 、外关模