有源钳位正激变换器设计释心分享

本次毕业设计完成了以下几个方面的内容一是分析了正激变换器的工作原理以及正激变换器磁复位的方法；二是分析了有源钳位正激变换器的工作原理并且完成了主电路元件的参数计算；三是对主电路进行了小信号模型分析，对系统传递函数进行了分析，完成了补偿环节PI调节器的设计；四是完成了变换器的开环与闭环仿真；第1页/共48页第一页，共49页。五是对电路的硬件进行了设计；六是用Protel绘制出了电路原理图；七是完成了一篇外文翻译工作。第2页/共48页第二页，共49页。第一部分单端正激变换器当开关S闭合时，电源电压加在高频变压器原边绕组N1上，建立起励磁磁通。只要磁心不饱和，副绕组N2上就会感应电势第3页/共48页第三页，共49页。正激变换器磁复位的方法多谐振复位技术RCD钳位技术有源钳位技术……第4页/共48页第四页，共49页。优缺点对比优点缺点多谐振复位技术输入电流波形较为平滑，EMI（电磁干扰）性能好主开关管漏-源极电压应力达到输入电压的3—4倍，MOSFET的导通损耗大大增加，给器件选择带来了困难RCD钳位技术电路设计简单，成本低，在对变换效率要求不是很高的场合具有较高的使用价值大部分能量消耗在钳位电阻上，降低了效率，带来了散热设计的问题有源钳位技术变压器可以双向对称磁化，磁芯利用率高，钳位管零电压开通，励磁能量和漏感能量回馈到电网电路复杂性增加，主开关管需要隔离驱动第5页/共48页第五页，共49页。自激式同步整流电路第6页/共48页第六页，共49页。第二部分自激式有源钳位正激变换器第7页/共48页第七页，共49页。开关模态1（T0-T1）：向负边传输能量阶段第8页/共48页第八页，共49页。开关模态2（T1-T2）：Coss充电阶段Im和负载电流Io给Coss充电T2时刻，Q1漏源极电压升至VinQR驱动电压降为零，关断Io在DR上流通第9页/共48页第九页，共49页。开关模态3（T2-T3）：DF续流阶段T2时刻后，Coss电压升高于VinIo由DR换流至DF,通过DF续流Lm、Lr和Coss谐振T3时刻，Coss充至Vin+Vc第10页/共48页第十页，共49页。开关模态4（T3-T4）：Q2的零电压开通阶段T3后D2导通，Im通过D2给Cc充电QF导通，Io通过QF续流T3-T4某一时刻，Q2零电压开通第11页/共48页第十一页，共49页。开关模态5（T4-T5）：变压器磁心反向磁化阶段T4时刻，Im将为零T4之后，在Vc作用下变压器反向磁化T4之后，Im反向，Io通过QF续流第12页/共48页第十二页，共49页。开关模态6（T5-T6）：Im和Coss再次谐振阶段T5时刻，Q2关断Im不能突变，给Coss放电Q1漏源极电压降为Vin，部分实现了软开关第13页/共48页第十三页，共49页。开关模态7（T6-T7）：开关管的续流二极管换流阶段T6时刻，QF关断负载电流由DF换流至DR第14页/共48页第十四页，共49页。主开关管的选取

在有源钳位去磁电路中，无论是硬开关模式，还是软开关模式，变压器的激磁电感在一个开关周期内始终遵循伏•秒平衡关系，在忽略漏感影响的情况下，伏•秒平衡的关系式为，由于此文设计的主电路采用钳位电容与高频变压器的原边绕组并联的形式，在复位周期内有，第15页/共48页第十五页，共49页。根据对电路工作过程的分析可知，在开关管断开期间，变压器原边绕组的电压极性会反向，因此，主开关管承受的电压力为输入电压和变压器原边绕组上的电压之和，可以清楚的看出VDS的最大值为，第16页/共48页第十六页，共49页。通过对电路工作过程的分析，流过主开关管的电流由两部分组成，一部分是变压器激磁电流的值，另一部分是副边电流折射到原边的值。由于计算激磁电流时需要用到激磁电感值，而激磁电感值得大小不容易通过计算求出，需要通过测量的方法来测出具体的数值，因此采用如下公式计算最大漏极电流为，第17页/共48页第十七页，共49页。又因为额定电流一般为实际电流的1.5-2倍，因此，充分考虑欲量可求得开关管所承受的最大电流值为，

因此选用IR公司的IRF740作为开关管，其规格为：最大反向电压400V，最大导通电流10A，导通电阻为0.550Ω。第18页/共48页第十八页，共49页。第三部分小信号模型的分析有源钳位正激变换器的等效模式采用一个周期内平均化的方法来给功率级电路建立一个线性模型第19页/共48页第十九页，共49页。可以求出控制对输出的传递函数为谐振点频率为第20页/共48页第二十页，共49页。系统结构框图第21页/共48页第二十一页，共49页。可以得到系统的开环传递函数为当Gc(s)=1时第22页/共48页第二十二页，共49页。Tu(s)的伯德图第23页/共48页第二十三页，共49页。对于本次设计，补偿器只是为了提高静态增益，只需要在原点处产生一个极点，所以选择最简单的补偿即可满足设计要求，选取单零单极补偿电路。补偿电路网络如下图所示，反馈回路为0.4，即Ry/（Rx+Ry）=0.4，取Ry=4kΩ，则Rx=6kΩ。第24页/共48页第二十四页，共49页。在Tu(s)的伯德图上已经看出在10kHz处的增益为-1.62dB，因此，Gc(s)在10kHz处的增益为1.62dB，即设计中希望补偿电路的零点为1/2f0可以求出R2=7.23kΩ可以求出C2=44nF。第25页/共48页第二十五页，共49页。可以得到补偿器的传递函数为第26页/共48页第二十六页，共49页。补偿器的伯德图第27页/共48页第二十七页，共49页。加入补偿器后的伯德图第28页/共48页第二十八页，共49页。Matlab绘制伯德图的部分指令>>Vg=80;L=12*10^-6;C=2000*10^-6;fs=200*10^3;R=0.5;Vm=2;H=0.4;Rc=0.038G0=tf([C*Rc*Vg*H/VmVg*H/Vm],[L*CL/R1])figure(1)margin(G0);Rc=0.0380Transferfunction:0.001216s+16-----------------------------2.4e-008s^2+2.4e-005s+1>>num=[3.18e-41];den=[2.64e-40];Gc=tf(num,den);figure(2)bode(Gc);G=series(Gc,G0);figure(3)margin(G)第29页/共48页第二十九页，共49页。使用PSpice对主电路进行开环仿真研究第四部分第30页/共48页第三十页，共49页。输出稳定时滤波电感电流的波形第31页/共48页第三十一页，共49页。输出电压和电流波形第32页/共48页第三十二页，共49页。主开关管和辅助开关管的驱动信号波形第33页/共48页第三十三页，共49页。钳位管实现了零电压开通第34页/共48页第三十四页，共49页。主开关管实现了零电压开通第35页/共48页第三十五页，共49页。变压器副边电压波形图第36页/共48页第三十六页，共49页。使用PSIM对电路进行闭环仿真第37页/共48页第三十七页，共49页。仿真输出电压波形第38页/共48页第三十八页，共49页。突加输入电压时的输出电压波形第39页/共48页第三十九页，共49页。UCC2891D的应用

如图所示为UCC2891在Protel中绘制的原理图。该芯片共有16个引脚，其中引脚13和12分别作为主开关管和钳位开关管的控制源信号输出端口。其中振荡器的设计通过引脚2和3来实现，延迟的设计通过引脚1实现。第五部分第40页/共48页第四十页，共49页。在控制器设计时，以下几个主要的运行参数必须设置好：开关频率(fs)；最大运行占空比(Dmax)；软起动持续时间(tss)；门极驱动开启延时(tDEL)；第41页/共48页第四十一页，共49页。振荡器的设计：软起动的设计：延时设计：第42页/共48页第四十二页，共49页。Protel原理图的绘制

第六部分第43页/共48页第四十三页，共49页。

第44页/共48页第四十四页，共49页。设计中的不足之处因为缺少设计经验，对于电路参数计算中的一些经验值无法正确给出；因为对元器件的实际大小等没有具体认识，因此对于元器件的选择存在与实际不相符合的地方，需要改进；对于仿真软件的使用不够熟练，仿真分析出现了困难；毕业论文撰写时，对于office的高级应用有所欠缺，出现了各种各样的撰写格式问题。第45页/共48页第四十五页，共49页。对于以上困难的解决办法A. 向老师请教关于经验值设计是否合理，以及器件选型是否合理的问题，并且得到了解决；B. 通过阅读仿真课本和向老师请教，现在能够基本熟练的完成设计电路的仿真，并对仿真结果进行了一定的分析；C. 通过查阅器件手册，对所选器件的大小有了初步的认识；通过老师的指导和同学之间的互相探讨以及网络查找相关资料，解决了office高级应用使用不熟练的问题，论文撰写满足了格式要求。第46页/共48页第四十六页，共49页。谢谢第47页/共48页第四十七页，共49页。感谢您的观看！第48