反激变换器设计

1 研研究究生生专专业业课课程程考考试试答答题题册册 学学号号 2011261695 姓姓名名 李纪波 考考试试课课程程 高级电力电子线路设计 考考试试日日期期 2012 9 1 得分 2 要求 要求 直流隔离电源变换器设计直流隔离电源变换器设计 一 目的一 目的 1 熟悉逆变电路和整流电路工作原理 探究 PID 闭环调压系统设计方法 2 熟悉专用 PWM 控制芯片工作原理及探究由运放构成的 PID 闭环控制电 路调节规律 并分析系统稳定性 3 探究 POWER MOSFET 驱动电路的特性并进行设计和优化 4 探究隔离电源的特点 及隔离变压器的特性 二 内容二 内容 设计基于脉冲变压器的 DC AC DC 变换器 指标参数如下 输入电压 24V 36V 输出电压 12V 纹波 1 输出功率 50W 开关频率 20kHz 具有过流 短路保护和过压保护功能 并设计报警电路 具有隔离功能 进行变换电路的设计 仿真 选择项 与电路调试 3 第一章第一章 绪论绪论 隔离式变换器是由标准的 DC DC 变化器拓扑衍生而来的 如广泛应用于小 功率 典型值小于 100W 场合的反激变换器拓扑 其实是用多 绕组电感代替 才常用的单绕组电感的 buck boost 电路 类似地 广泛用于中大功率场合的正 激变换器 是 buck 的衍生拓扑 其中用变压器代替常用电感 扼流圈 反激 变换器电感其实既起电感也起变压器的作用 它不仅能像所有电感一样存储电 磁能量 而且能像变压器一样提供电网隔离 安全需要 而在正激变换器中 能量存储功能通过扼流圈来实现 变压器提供必要的电网隔离 注意到在正激和反激变换器中 变压器除了提供必要的电网隔离外 还起 到另外一个非常重要的作用 即由变压器 匝比 决定的恒比降压转换功能 匝比由输出 二次 绕组匝数除以输入 一次 绕组匝数得到 于是问题就产 生了 理论上 开关变换器可以任意地进行升压或降压变换 为什么我们觉得 有必要基于变压器匝比进行降压转换 只要进行简单的计算原因就显而易见 不需要任何辅助设施 只需一个极小的不现实的占空比值 变换器就可以变 成一个从极高压输入到极低压输出的降压器 注意到世界上有些地方 最高的 电流电网输入可以高达 270V 最坏情况下 所以这样的电流电压用传统桥式 整流电路整流时 就将会有近的直流电压加在其后的 开关变换2270382V 器电路上 但是相应的输出电压可能却很低 5V 3 3V 1 8V 等 于是对于 已给定最小导通时间的各种典型变换器 特别是当开关器件工作在高频时 所 需的电流转换比很难达到要求 所以 在正激和反激变换器中 我们可以直观 地认识变压器就是把输入定比近似地降为一个较小的合适值 而变换器则完成 其余的工作 包括调节功能 第二章第二章 电路拓扑及工作原理电路拓扑及工作原理 2 12 1 主电路组成和控制方式主电路组成和控制方式 图 2 1 给出了反激 Flyback PWMDC DC 转换器的主电路及其工作模式 的电路 它是由开关管 V 整流二极管 D1 滤波电容 Cf 和隔离变压器构成 开关管 V 按照 PWM 方式工作 变压器有两个绕组 初级绕组 W1 和次级绕组 W2 两个绕组是紧密耦合的 使用的是普通磁材料和带有气隙的铁心 以保证 在最大负载电流时铁心不饱和 4 RldCfUi D1 W1 W2 a 主电路拓扑图 RldCfUi D1 W1 W2 b V 导通 RldCfUi D1 W1 W2 c V 关断 图 2 1 2 22 2 电流连续时反激式变换器的工作原理和基本关系 如图 电流连续时反激式变换器的工作原理和基本关系 如图 a a 5 图 2 2 反激变换器线圈电流 1 工作原理工作原理 1 开关模式开关模式 1 0 Ton 在 t 0 瞬间 开关管 V 导通 电源电压 Ui 加在变压器初级绕组 W1 上 此时 在次级绕组 W2 中的感应电压为 其极性 端为正 是 2 2 1 wi W uU W 二极管 D1 截止 负载电流由滤波电容 Cf 提供 此时 变压器的次级绕组开路 只有初级绕组工作 相当于一个电感 其电感量为 L1 因此初级电流从最小 p i 值开始线性增加 其增加率为 minP I 2 1 1 i Udip dtL 在时 电流达到最大值 on tT maxP I maxmin 1 i PPus U IID T L 2 2 在此过程中 变压器的铁心被磁化 其磁通也线性增加 磁通的增加 量为 1 i us U D T W 2 3 2 开关模式 开关模式 2 Ton Ts 在 t Ton 时 开关管 V 关断 初级绕组开路 次级绕组的感应电动势反向 其极性 端为负 使二极管 D1 导通存储在变压器磁场中的能量通过二极管 6 D2 释放 一方面给电容 Cf 充电 另一方面也向负载供电 此时只有变压器的 次级绕组工作 相当于一个电感 其电感量为 L2 次级绕组上的电压为 2wo uU 次级电流从最大值线性下降 其下降速度为 s i maxs I 0 2 Udis dtL 2 4 在时 电流达到最大值 10 12 i D U UU K maxs I maxmax 2 1 o ssus U IID T L 2 5 在此过程中 变压器的铁心被磁化 其磁通也线性增加 磁通的增加 量为 2 1 o us U D T W 2 6 2 基本关系基本关系 在稳态工作时 开光导通铁心磁通的增加量必然等于开关管关断时的 减少量 即 则由式 2 3 和式 2 6 可得 12 21 1 11 ouu iuu UDDW UWDKD 2 7 式中 是变压器初 次级绕组的匝数比 12 1 2 W K W 开关管 V 关断时所承受的电压为 Ui 和初级绕组 W1 中感应电动势之和 即 1 2 U 1 i vio u UW UU WD 2 8 7 在电源电压 Ui 一定时 开关管 V 的电压和占空比 Du 有关 故必须限制 最大占空比 Dumax 的值 二极管 D1 承受的电压等于输出电压 Uo 与输入电压 Ui 折算到次级的电压之和 即 10 12 i D U UU K 2 9 负载电流 Io 就是流过二极管 D1 的电流平均值 即 minmax 1 1 2 ossu IIID 2 10 根据变压器的工作原理 下面的两个表达式成立 1min2min 1max2max ps ps W IW I W IW I 2 11 由以上各式可得 2 max 11 1 max 21 1 12 1 12 i pou us i sou us UW IID WDL f UW IID DWL f 2 11 2 32 3 电流断续时反激式变换器的工作原理和基本关系 如图 电流断续时反激式变换器的工作原理和基本关系 如图 b b 如果在临界电流连续时工作 则式 2 7 仍然成立 此时 初级绕组的 电流最大值为 则 负载电流 max 1 i pu s U ID L f 1 max 21 i su s UW ID W L f 故有临界连续负载电流 max 1 1 2 osu IID 2 1 12 1 2 i oGouu s UW IIDD L f W 12 在 Du 0 5 时 达到最大值 oG I 1 12 8 i oG s UW I L f W 8 2 13 于是式 2 12 可以写成 max 4 1 oGoGuu IIDD 2 14 上式就是电感电流临界连续的边界 在电感电流断续时 不仅与占空比有关 而且还与负载电流有关 o i U U o I 可以求得 2 22 1 2 iu o so UD U L f I 15 第三章第三章 电路设计及参数计算电路设计及参数计算 3 13 1 高频变压器设计高频变压器设计 1 1 确定确定 和匝比和匝比 OR V Z V 最大输入电压时 加在变换器上的直流电压为 36V 我们选用额定值为 200V 的 mosfet 此时保留 30V 的裕量 此种情况下 漏极电压不能超过 170V 由上分析知 漏极电压为 于是有 inZ VV 36170 17036134 inZZ Z VVV VV 式 3 1 因为为保证最大占空比小于 0 5 需选择标准 24V 稳压管 若以为 Z OR V V 函数画出上述钳位损耗曲线可发现 在所有情况下 1 4 均为消耗曲线 Z OR V V 上的明显下降点 因此选择此值作为最优比 则有 0 70 7 2416 8 1 4 Z ORZ V VVV 式 3 2 假设 12V 输出二极管正向压降为 1V 则匝比为 9 16 8 1 4 12 OR oD V n VV 式 3 3 2 2 一次电感设计一次电感设计 由负载功率和电压 可以得到 30 2 5 12 o IA 式 3 4 一次输出电压为 负载电流为 其中 OR V OR I 2 5 1 786 1 4 o OR I IA n 式 3 5 假定设计效率为 80 则可以得到输入功率 30 37 5 80 0 8 o IN P PW 式 3 6 于是可以得到平均输入电流 37 5 2 08 18 IN IN IN P IA V 式 3 7 平均输入电流与实际占空比 D 直接相关 因为一次电流斜坡中心值 IN I D 且其值与相等 于是有 LR I 1 INOR II DD 式 3 8 解得 2 08 0 446 2 08 1 786 IN INOR I D II 式 3 9 10 二次电流斜坡中心值为 4 17 7 53 11 0 446 o L I IA D 式 3 10 一次电流斜坡中心值为 7 53 5 84 1 29 L LR I IA n 式 3 11 根据以上值 可得所选电流纹波率情况下的峰值电流 LR I 1 1 1 25 7 539 41 PKLR IIA r 式 3 12 伏秒数为 3 24 0 446 535 20 10 onon EtVtVus 式 3 13 设计离线式变压器时 因需降低高频铜耗 减小变压器体积等各种因素 通常将 值设定为 0 5 左右 根据 规则一次电感为rLI 1535 183 2 5 84 0 5 p LR Et LH Ir 式 3 14 3 3 磁芯选择磁芯选择 设计磁性元件与特制或成品电感不同 须加气隙以提高磁芯的能量存储能 力 若无气隙 磁芯一旦存储少许能量就容易达到饱和 但对应所需 r 值 还应确保 L 值大小 若所加气隙太大 则必然导致匝数 增多 这将增大绕组的铜耗 另外 增加匝数将使绕组占用更大的窗口面积 故此时必须进行折中选择 通常采用如下公式 一般应用于铁氧体磁芯 且适 用于所有拓扑 2 3 2 0 7 IN e Pr Vcm rf 式 3 15 其中 f 的单位为 kHz 则前例可得 11 2 3 20 5 62 5 0 727 34 0 520 e Vcm 式 3 16 于是开始选取这个体积 或接近 磁芯 在 U67 27 14 中可以找到 其等 效长度和面积在他的规格中已给出 2 2 04 18 54 e e Acm lcm 则可得其体积为 3 2 04 18 5437 82 eee VAlcm 式 3 17 基本满足要求 下面设计匝数 电压相关方程 LI BT NA 式 3 18 使 B 与 L 相关联 由于给定频率的 r 和 L 表达式等效 故结合这些公式 磁通 密度变化取最大值 通过 r 即可得到非常有用的关于 r 的电压相关方程式 2 1 2 ON PKe VD N rBAf 适用于所有拓扑 式 3 19 所以若无材料的磁导率 磁 等信息 只要已知磁芯面积 Ae 与其磁通密度变换范围 仍能得到所求的匝数 值 对于大多数的铁氧体磁芯 不管有无磁隙 磁通密度变化都不能超过 0 3T 所以求解 N 为 一次绕组匝数 43 224 0 446 n1 21 86 0 52 0 3 2 04 1020 10 p 匝 式 3 20 则 12V 输出的二次绕组匝数为 匝 21 86 16 95 1 29 p s n n n 式 3 21 分别取整数为 22 匝和 17 匝 12 磁隙 最后 必须要考虑到材料的磁导率 L 与磁导率相关的方程有 2 1 oe e A LN H zl 式 3 22 其中 z 为气隙系数 eg e ll z l 式 3 23 求得 74 22 62 112000 4102 04 10 22 182 1018 54 10 oe e A zN Ll 式 3 24 所以 3 6z 式 3 25 最后 求解气隙长度 18 542000 3 60 241 18 54 g g l zlmm 式 3 26 导线选择 选择一导线 使其交流 AC 电阻和直流 DC 电阻之间的关系为 1 即 1 AC DC R R 式 3 27 趋肤深度 是 6 626 62 0 0468 20000 cm f 式 3 28 则导线的直径为 13 22 0 04680 0936 l Dcm 式 3 29 则裸线面积 Aw 为 22 3 14 0 0936 0 00688 44 w D A 式 3 30 查导线规则表可得 用 20 导线比较合适 3 23 2 驱动电路设计驱动电路设计 1 1 UC3845UC3845 简介简介 UC3845 为美国 Unitrode 公司生产的单端输出脉宽调制器 采用 dip 8 封装 管脚排列如图 3 1 所示 图 3 1 UC3845 管脚图 UC3845 最大占空比为 50 采用固定工作频率脉宽调整方式 内部有 5v 精密基准电压 具有完善的欠电压 过电压及过流保护 图 3 2 所示为 UC3845 的内部电路框图和引脚图 UC3845 的启动电压阀值为 8 4v 关闭电压阀值为 7 6v 14 图 3 2 UC3845 内部电路框图 UC3845 的振荡器工作频率由脚 4 外接电阻 Rt 及电容 Cr 决定 其频率为 1 72 orc Tr f R C 式 3 31 2 驱动电路设计驱动电路设计 驱动电路原理图如图 3 3 所示 电路的工作频率由 4 脚外接的电阻 R8 和电 容 C17 决定 UC3845 的电流采样回来串电阻 R6 把采样电压接至 3 脚 当 3 脚 的采样电压小于 1v 时 脉宽调制器正常工作 当脚 3 的电压等于或大于 1v 时 电流采样比较器输出高电平使 PWM 锁存器置 0 而使输出封锁 若故障消失 下一个时钟脉冲到来时将使 PWM 锁存器自动复位 15 图 3 3 驱动电路原理图 本文设计的电路频率为 20KHz 且占空比 Dmxa 50 则 UC3845 的振荡 器工作频率为 40KHZ 电阻 R8 一般取 10k 则电容 C17 由式 3 31 计算可得为 4 3nF 电容 C18 取为 0 1uF 稳压管 VZ2 和电阻 R3 是为了防止脉冲信号电压 过高而照成开关管的损坏 对电路进行稳压 考虑到开关所能承受的电压 选 取 15V 的稳压管 电阻 R3 20k 电阻 R15 和电容 C13 组成 RC 滤波器对 6 脚 输出的脉冲电压进行滤波 所有 R15 15 欧姆 C13 4700pF 通过电容 C414 和电阻 R6 接至 UC3845 的 3 脚电流检测端构成前沿电路 此电路的主要作用是 在开关管导通和截止的瞬间 会在前端产生一个尖脉冲 此脉冲会产生大于 1V 的电压 而 3 脚电压大于 1V 时控制芯片 UC3845 无法正常工作 为了防止 3 脚检测到尖脉冲的波形 检测后端加了一耳光 RC 的延时电路 选 C14 470pF R5 1k 因此延时时间为 t 47ns 由式 3 12 知 峰值电流为 9 41A 则 6 1 0 106 P1 9 419 41 9 41 p p V RV IW I A其功耗为 式 3 32 R6 取0 1 10W 3 3 反馈电路设计反馈电路设计 反馈电路是通过输出电压引