开关电源设计报告ForwardConverter变换器

1、仅供个人参考For pers onal use only in study and research; not for commercial use开关电源设计报告Forward Con verter变换器学院：电气工程学院组别：XXX组员：XXXXXXXXXXXXX目录1. 题目要求错误！未定义书签。2. 设计步骤错误！未定义书签。3. 具体设计流程错误！未定义书签。3.1. 基本forward-converter主电路设计 错误！未定义书签。工作原理如下： 错误！未定义书签。变压器参数的计算与设计 错误！未定义书签。扼流圈的设计与计算 错误！未定义书签。滤波电容计算（输出电压纹波峰峰值控制

2、在2斛内）错误！未定义书签。开关管，二极管反向峰值电压，通过电流计算 错误！未定义书签。3.2. 控制电路的设计 错误！未定义书签。4. 仿真以及查看设计结果 错误！未定义书签。4.1. 电源波形 错误！未定义书签。4.2. 控制信号波形错误！未定义书签。4.3. 变压器副边电压 Vd波形错误！未定义书签。4.4. 输出电压波形错误！未定义书签。5. 实际控制与保护电路设计 错误！未定义书签。5.1. 控制电路设计 错误！未定义书签。控制芯片选型 错误！未定义书签。驱动电路设计 错误！未定义书签。5.2. 保护电路设计 错误！未定义书签。仅供个人参考过压，欠压及过热保护电路 错误！未定义书签。

3、短路保护错误！未定义书签。过流保护电路 错误！未定义书签。参考文献(References ): 错误！未定义书签。1.题目要求设计一个forward converter 变换器。输出电压为48V,功率为50W其中输入电压为直流 70 30V, 输出电压纹波控制在2%M内。本次设计中，我们设开关频率为50kHz,最大占空比 =0.45。2. 设计步骤(1) 根据基本输入输出参数的关系确定电路相关参数；(2) 根据相关参数选用相应的驱动装置；(3) 添加过压，欠压，短路，过流保护等措施。3. 具体设计流程3.1. 基本forward-converter 主电路设计3.1.1. 工作原理如下：当 和

4、同时导通时，二极管 和反向偏置截止，输入通过变压器向副边侧传输能量，副边侧二极管导通，副边侧电感上电压线性上升，电感开始储能。当 和同时截止时，变压器原边上通过铁芯感应的电压通过二极管和 向输入电源 反馈能量，磁通复位。=50W=48V = 1.04A ,3.1.2. 变压器参数的计算与设计(1) 确定磁芯的材料一般常采用TDK PC40或同等材料，因为正激变换器磁芯单向磁化，所以 B=，在这里，令 B=0.2T(2) 确定磁芯规格根据公式式中，=108.8V, B=0.2T , j=600将上述各个参数带入式子中，0.227。查阅E型磁芯参数，选用 EE25型磁芯，其参数为：, , 。(3)

5、 确定一次侧二次侧匝数一次侧匝数=125 匝二次侧匝数仅供个人参考=60.75询匝3.1.3. 扼流圈的设计与计算扼流圈上通过的直流负载电流和脉动电流其中,=108V在成本限制下，一般按=0.31来设计电感值，即取常用电感值L, =3. 3mH。3.1.4. 滤波电容计算(输出电压纹波峰峰值控制在2河内)取输出电压纹波峰峰值为1.5%，则C 3.9F。由于simulink仿真中变压器为非理想参数，仿真时需取电容值1mF3.1.5. 开关管，二极管反向峰值电压，通过电流计算开关管 和 ：当开关管关断时，每个开关管承受的电压即为一次侧输入电压，故和 所能承受的电压为输入电压最大值 100V,考虑到

6、要有相应的裕量，开关管所能承受的最大电压为150V。开关管导通时，i =,上文已经说明，按一般按=0.31来设计电感值 ，故 =1.53A，考虑到要有相应的裕量，允许通过电流为2A。(2)二极管 和当开关管导通时,和 承受的最大反向电压即为一次侧输入的最大电压,当开关管断开时,和与变压器串联,和 所承受的电压之和为一次侧输入电压和一次侧变压器上的电压,考虑到要有相应的裕量,和 所能承受的最大反向电压分别为150V。开关管导通时，所承受的反向电压为=48.9V，考虑到要有相应的裕量，所承受的最大反向电压应为75V,同理,所承受的最大反向电压应为75V。3.2.控制电路的设计因为电源为40100V

7、,所以占空比需要随电源电压改变而改变，由公式可知：对于Forward变换器，占空比 D 0.5，但是实际电路中存在线路元器件电阻和电感，所以应该保留一定的余量因此当电源电压 Vin二必罰=40V时，设定最大占空比 Dma 0.45。由公式Equ1可知，变比和输出一定时,结合Equ2，可得：经试验发现，变压器副边的波形发生衰变，所以应该再次考虑电路中阻抗，将18提升为18.1 ,仅供个人参考补充被衰减的。因为simulink中的PWN发生器中载波为-1 +1V的三角波，在一个采样周期内，PWM发生器的调制波（输入信号）为常值设为Din，通过列写函数表达式，联立求解可知，PWM发生器输出Dout

8、二 .5Din 1要使得Dout二D，由上式可得 Din =2D -1，即PWM发生器输入信号为2D -1。以上控制电路在实际中可采用单片机软件编程实现，详见5.1.控制电路的设计。4. 仿真以及查看设计结果我们采用的是 matlab中simulink模块进行仿真，仿真电路图如下图所示：本次仿真采用离散算法仿真，采样时间为1 10 s，已达到更为反映真实情况的目的。4.1. 电源波形电源为DC 70V叠加上AC 30V,波形如下：4.2. 控制信号波形控制电路的波形以特殊电压值为例。如下图所示：当电源电压为 40V时，占空比为 0.4525。当电源电压为 70V时，占空比为 0.2586。当电

9、源电压为100V时，占空比为0.181。由于开关管采用 PWM进行控制，从上图中可以看出开关管同时导通同时关断。4.3. 变压器副边电压 Vd波形如下图所示：放大其中一部分波形如下：由上图可以看出，变压器副边电压 Vd发生畸变，有效值小于理论计算值，所以应对其进行补偿。4.4. 输出电压波形最终输出电压波形如下图所示：输出电压有效值为： 48.02V。放大其中一部分波形如下：由图可知，电压波动范围在46.08 48.94V之间。输出电压纹波明显大于2%t波电压的要求。因此，调整电容大小至 100卩F。获得波形如下：输出电压有效值为： 48.02V。放大其中一部分波形如下：由图可知，电压波动范围

10、在47.87 48.14V之间。输出电压纹波小于2%满足文波电压的要求。仅供个人参考5. 实际控制与保护电路设计5.1. 控制电路设计5.1.1. 控制芯片选型本次控制信号的发生主要由单片机来实现。 通过对电源电压 Vs 进行采样， 单片机对电源电压进行 计算，求得占空比。具体计算：利用单片机发出频率为 50kHz且占空比为D的PWM信号。5.1.2. 驱动电路设计由于单片机所发出的 PWM信号最高只能到达 5V,未能完全驱动IGBT,所以设计了一个较为简洁 的驱动电路。如下图所示：单片机发出信号控制开关管的通断，达到控制输出较高电压PWM波的目的。5.2. 保护电路设计5.2.1. 过压，欠

11、压及过热保护电路进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害， 主要表现在器件因承受的电压及电流能力超出正常 使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有 所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。温度是影响电源设备可靠性的最重 要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2C,可靠性下降10%温升50C时的工作寿命只有温升25C时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电 路。上图是仅用一个 4比较器LM339及几个分立元器件构成的过压、欠压、过热保护电路。取样电压 反映输入电源电压的变化，比较器共用一

12、个基准电压，N1.1 为欠压比较器， N1.2 为过压比较器，调整R1可以调节过、欠压的动作阈值。N1.3为过热比较器，RT为负温度系数的热敏电阻，它与R7构成分压器，紧贴于功率开关器件IGBT的表面，温度升高时，RT阻值下降，适当选取 R7的阻值，使N1.3 在设定的温度阈值动作。 N1.4 用于外部故障应急关机，当其正向端输入低电平时，比较器输出 低电平封锁PWM驱动信号。由于4个比较器的输出端是并联的，无论是过压、欠压、过热任何一种故 障发生，比较器输出低电平，封锁驱动信号使电源停止工作，实现保护。如将电路稍加变动，亦可使 比较器输出高电平封锁驱动信号。5.2.2. 短路保护开关电源同其

13、它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠 性的重要因素。IGBT （绝缘栅双极型晶体管）兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶 体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器 件。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几卩s至几十 卩s。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使 IGBT击穿。因此， 当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。为了实现IGBT

14、的短路保护，则必须进行过流检测。上图是利用IGBT过流时Vce增大的原理进行保护的电路，用于专用驱动器 EXB841 EXB841内部电路能很好地完成降栅及软关断，并具有内部延迟功能，以消除干扰产生的误动作。含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的集电极电压监视脚 6，而是经快速恢复二极管 VD1,通过比较器IC1仅供个人参考输出接至EXB841的脚6，其目的是为了消除 VD1正向压降随电流不同而异，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。如果发生过流，驱动器EXB841的低速切断电路慢速关断IGBT,以避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。5.2.3. 过流保护电路上图所示的是比

15、较常用的过流保护电路。如图 较器（比较器的正端接基准电压 ），PMOS管 流过调整管 的输出电流 进行取样，因此，2 所示， 为调整管，过流保护电路的主体由比，采样电阻 和晶体管 组成。 取样管 对 的漏电流 反映了 的变化。 A 点电压： =+ 正常工作情况下， A 点电压 ，比较器输出变为低电平， 管导通，调整管 的栅极电位被拉高，输出电流被钳制在一定值，从而达到过流保护 的目的。参考文献（ References ）：1 张占松，张心益 . 高频开关变换技术教程 M. 机械工业出版社， 20102 普利斯曼，莫瑞 . 开关电源设计 （第三版 ）M. 电子工业出版社， 20103 赵同贺 . 开关电源设计技术与应用实例 M. 人民邮电出版社， 2007仅供个人参考仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu ko