本科毕业设计-RCD箝位正激变换器-开题-第一章

本科毕业设计〔论文〕RCD箝位正激变换器研究学院：专业：学生姓名：学号：指导教师：辩论日期：毕业设计〔论文〕任务书学院：电气工程学院系级教学单位：电气工程及自动化系学号学生姓名专业班级题目题目名称RCD箝位正激变换器研究题目性质1.理工类：工程设计〔√〕；工程技术实验研究型〔〕；理论研究型〔〕；计算机软件型〔〕；综合型〔〕2.管理类〔〕；3.外语类〔〕；4.艺术类〔〕题目类型1.毕业设计〔√〕2.论文〔〕题目来源科研课题〔〕生产实际〔〕自选题目〔√〕主要内容正激变换器因电路简单而广泛应用于中小功率变换场合。但是它的一个固有缺陷是功率晶体管截止期间变压器必须磁复位，因而需要采用附加的复位电路。详细分析RCD箝位正激变换器的工作原理，掌握闭环控制技术；掌握RCD箝位网络的参数设计方法；基本要求输入电压：18-36V直流，输出电压：12V直流，；控制及驱动电路的设计和参数选择；系统闭环仿真；画A0图纸一张。参考资料1． 电源技术，2.陈道炼，陈卫昭，严仰光。RCD箝位正激变换器的分析研究。南京航空航天大学学报，1997,29(2)周次第1～4周第5～8周第9～12周第13～16周第17～18周应完成的内容查阅资料，阅读文献确定方案，设计电路进行仿真，验证可行性撰写论文准备辩论指导教师：职称：讲师系级教学单位审批：年月日摘要正激变换器具有电路拓扑简单，输入输出电气隔离等优点，广泛应用于中小功率电源变换场合。但是，正激变换器在功率晶体管截止期间变压器必须磁复位，需要增加复位电路。正激变换器变压器的磁复位技术有：1.RCD箝位技术。2.有源箝位技术。3.无损LCD缓冲网络技术。4.复位绕组技术。本设计介绍了正激变换器的几种不同磁复位方法，指出了各自的优、缺点。详细的分析了RCD箝位技术的根本原理；推到出箝位电压与参数之间的关系，得到了箝位电容，箝位电阻的计算方法。变压器和电感是开关电源中重要的能量转换器件，本文对他们的选取进行了详细的分析。应用PSIM进行了仿真，观察有箝位网络和没有箝位网络时开关管两端的电压波形，验证出箝位网络能够有效的降低开关管的电压应力。应用小信号方法建立变换器的传递函数。当RCD箝位正激变换器的输入电压从18v到36v变化时，对变换器进行闭环控制，使输出电压能够稳定在12v，输出电流能够稳定在5A。并基于SG3525对变换器进行PI调节，使变换器能够快速稳定的到达需要值。用PISIM对电路进行闭环仿真，验证数值的正确性。关键词RCD箝位正激变换器小信号模型变压器SG3525AbstractTheforwardconverterhassimplecircuittopology,input/outputelectricalisolation,anditiswidelyusedinsuchadvantagesassmallandmedium-sizedpowersourcestransformoccasion.Butthatisaninherentdefecttheforwardconvertermustmagneticresetduringthepowertransistorscut-offandthereforeitneedresetcircuit.Theforwardconverterhasalotoftransformermagneticresettechnology.eg:1.theRCDclampedforwardconverter.2.Activeclamptechnology.3.LCDbuffernetworktechnology.4.resetwindingtechnology.Thisdesignisintroducedseveraldifferenttransformermagneticresettechnology,andpointsouttheirrespectiveadvantagesanddisadvantages.TheprincipleandparametersoftheRCDclampedforwardconverterwereanalyzedandcalculatedindetail.Themaincomponentsisdesigned,includingtheclampcapacitor,theground-clampresistance,transformerandoutputfilter,etc.Theclampnetworkcaneffectivelyreducetheswitchtubevoltagestress.Analysistheforwardconverterwithsmallsignalmodeling,anddeducestransferfunction.SG3525wasselectedtobuildthecontrolcircuit.Wheninputvoltagechangesfrom18vto36v,theconverterwereclosedloopcontrol,tomaketheoutputvoltagecanbestableinthe12v,tostabilizeoutputcurrentin5AFinally,throughthePSIMsoftwaretosimulattheforwardconverter.Theexperimentalresultshaveverifiedthevalidityofthetheoreticalanalysisandsuperiorityoftheconverter．KeywordsRCDtheforwardconverterSmallsignalmodeltransformerSG3525目录摘要....................................................ⅠAbstract..................................................Ⅱ第1章绪论1.1课题背景.....................................................1开关电源的开展趋势.........................................11.3开关电源电路拓扑的分类及其特点.........................31.4正激变换器的研究现状......................................41.5正激变换器的磁复位方法...................................51.6小结...........................................................9第2章空间飞行器姿态表示和运动方程2.1RCD箝位正激变换器稳态分析...............................10RCD箝位正激变换器工作理............................102.1.2RCD箝位正激变换器电压增益.........................132.1.3RCD箝位正激变换器电感电流连续的条件............142.RCD箝位正激变换器占空比确实定.....................142.2RCD箝位正激变换器变压器..................................152.RCD箝位正激变换器变压器磁复位条件...............162.2.2变压器参数计算........................................162.3RCD箝位正激变换器的输出滤波电路.......................202.4RCD箝位正激变换器二极管和开关管的选取...............212.5RCD箝位正激变换器箝位电路的计算.......................23.......................................................23第三章RCD箝位正激变换器闭环参数3.1RCD箝位正激变换器传递函数................................243.2RCD箝位正激变换器闭环校正.......................253.3控制电路SG3525..................................263.4光耦隔离器......................................303.515v辅助电源.....................................323.6本章小结........................................34第四章RCD箝位正激变换器仿真............................354.1变换器开环仿真..................................354.2变换器闭环仿真..................................374.3变换器闭环仿真..................................384.2本章小结........................................40结论....................................................41参考文献................................................42致谢....................................................44附录1...................................................45附录2...................................................50附录3...................................................53附录4...................................................59附录5...................................................67附录6...................................................71第1章绪论1.1课题背景随着科学技术的高速开展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。进入80年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成电源换代。进入90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域。程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源等都己广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速开展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关器件开通和关断的时间比率，维持输出电压稳定的一种电源。和传统采用工频变换技术的相控电源相比，开关电源在技术上是一次飞跃，它可以方便的得到不同的电压等级，甩掉了笨重的工频变压器。由于采用高频功率变换，显著减小了电源装置的体积和重量，并且使电性能得到进一步提高。因此，开关电源取代线性电源和相控电源是必然的开展趋势。为满足产品设计需要，用户总是希望电源产品能够体积更小、重量更轻、价格更廉价。模块电源作为此种需求的解决方案，广泛应用在各个领域。模块电源主要分为DC-DC、AC-DC、DC-AC三种。其中DC-DC模块占据了绝大局部的市场份额，AC—DC和DC-AC所占份额较少。DC-DC模块电源从80年代末期出现已有十几年历史，市场和产品均趋成熟，应用广阔。DC-DC模块电源体积小，转换效率高，适用于对电源体积、效率等要求都很高的场合。在其它领域如工业控制、电力系统、铁路信号、移动通信基站等设备上也有所应用。1.2开关电源的开展趋势近年来，随着新的半导体器件，磁性材料，变换技术，控制理论以及软件的不断出现，开关电源得到了飞速的开展。在重量、体积、能耗等方面，开关电源与线性电源相比都有突出的优势，已经在许多领域如邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、工业设备、家用设备中得到了广泛应用，产生了非常可观的经济效益和社会效益。当前，电源正在向以下“四化”的方向开展：〔1〕高频化理论分析和实践经验说明，电气产品的体积和重量随其供电频率的平方根成反比地减小，所以当我们把频率从工频50赫兹提高到几千几兆赫兹的时候，用电设备的体积和重量都将大幅度地减小。同时，由于各种超大规模集成电路技术的开展，再加上电源设备的小型化，使得整机产品体积更小，使用更方便，生产本钱更低。〔2〕模块化(集成化)早期的开关电源都是由开关器件、二极管、电容、电感等别离元件组成的。对于这种结构的电源，各种寄生电感、寄生电容以及电磁干扰对电源的输出性能和工作可靠性等的影响很大。为了提高系统的可靠性，一些生产厂商陆续开发出了智能功率模块和“用户专用”功率模块(ASPM)．智能功率模块是将开关器件的驱动电路以及各种过压、过流、过热和欠压保护电路都封装在里面。这样缩小了整机的体积，方便了整机的设计与造。ASPM是把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件间不再有传统的引线连接，再经过严格的热、电、机械方面的计，到达优化完善的境地。它类似于微处理器芯片。电源的集成化可以带来诸多好处，譬如电源体积小型化、简化了设计与制造、降低了生产本钱以及提高了电路的可靠性等等。因此，电源的集成化将是未来电源技术的重点开展方向。1997年前后美国政府、军方及电力电子技术领域的一些著名学者共同提出了电力电子积(PowerElectronicBuildingBtock—PEBB)的概念，明确了集成化未来的开展方向，并将电力电子集成技术的研究推向高潮。我国的国家自然科学基金委员会也已经在2003年初批准了由浙江大学、西安交大等单位承当的“电力电子系统集成的理论与关键技术研究”重点工程，标志着我国电力电子集成技术研究的正式启动。〔3〕数字化在传统开关电源技术中，控制局部是按模拟信号来设计和工作的。随着数字信号处理技术日臻完善和成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理和控制，防止模拟信号的传递畸变失真，减少杂散信号的干扰，抗干扰能力强，便于软件调试和遥感、遥测，也便于自诊断、容错等技术的应用。〔4〕绿色化许多开关电源设备会对电网产生以下污染：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。所以必须对此加以治理。近年来各种有源滤波技术和功率因数校正技术的不断开展，为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了根底。1.3.开关电源电路拓扑的分类及其特点开关电源主电路拓扑种类繁多，根据电路是否具备电能回馈能力、输出端与输入端是否电气隔离及电路的结构形式三个原那么进行分类，如图：图1．1开关电源电路拓扑的分类各种不同的电路有各自不同的特点和应用场合。总的说来，非回馈型电路比回馈型电路结构简单、本钱低，而绝大多数应用不需要开关电源具备回馈能力，因此非回馈型电路应用远比回馈型电路广泛。非隔离型电路比隔离型电路结构简单、本钱低，但多数应用需要开关电源的输出端与输入端隔离，或需要多路相互隔离的输出，所以隔离型电路的应用较广泛。根据各种电路拓扑的特点以及实际使用经验，一般来说，小功率电源(1～100w)宜采用电路简单、本钱低的反激型电路；要求电源功率在lOOW以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，那么应采用正激型电路；对于功率大于500W，工作条件较好的电源，那么采用半桥型或全桥型电路较为合理；如果对本钱要求比拟严，可以采用半桥型电路；如果功率很大，那么应采用全桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。另外，在主电路中是否采用软开关技术也是一个值得考虑的问题。事实上，在众多的软开关电路中，具有实际应用价值的并不多，目前较为成熟的是零电压和零电流准谐振电路、移相全桥型零电压开关PWM电路和零电压、零电流转换PWM控制电路等。现阶段，在一些情况下采用硬开关电路仍然是合理的选择，而对效率、体积和重量的要求非常高时，应根据实际情况，采用相应的软开关电路。需要说明的是，以上所说的各种隔离型电路拓扑的特点、输出功率和应用范围等都不是绝对的。因为电源的拓扑不仅多样，而且还有许多变种，例如正激型包括单管正激和双管正激等。同是半桥有PWM、PFM等，而PFM又有多种工作模式，再如全桥有硬开关型、有串联谐振串联负载、有串联谐振并联负载、有移相、有不对称PWM方式等等。所以具体选用哪种拓扑一定要考虑周全，包括可靠性、本钱、效率、平安、电磁兼容等多方面因素都要综合考虑到，应深入分析待设计的电源的技术指标，要最适合电源参数的要求。正激型变换器由于具有电路结构简单，本钱低，可靠性高，驱动电路简单等特点，在中小功率场合得到了广泛的应用；但由于其有变压器单向励磁，利用率低，开关管电压应力高。并且正激变换器存在一个固有的缺陷，就是变压器必须磁复位，否那么变压器的磁通将不断增加，最后导致磁芯饱和。磁复位的根本要求是变压器原边绕组在激磁和去磁过程中所加的电压伏一秒面积相等，极性相反。近年来，关于正激变换器磁复位技术的研究很多，出现了多种磁复位方法，主要有复位绕组法、RCD箝位法、谐振复位法以及有源箝位法等等，。随着各种软开关技术在单管正激型变换器中的成功应用，解决了一般正激型变换器变压器利用率低、高频损耗大的缺点，使得正激型变换器的应用场合更加广阔，尤其在需要低电压大电流输出的各种微处理器、IC芯片和数字信号处理器中，正激型变换器被认为是最适宜的拓扑之一，再加上同步整流技术，效率变得更高，可达95％以上，因而具有更强的竞争力。但是这些技术也存在着很多问题，比方RCD箝位技术效率低，谐振复位技术结构复杂，同步整流管的驱动困难，而有源箝位技术虽然能实现主开关管和辅助开关管的软开关，但是在轻载时软开关条件很容易丧失，而且整个电路的控制、驱动复杂，本钱显著增加，等等。双管正激型软开关变换器技术也得到了迅速的开展。各种并串联、串并联、并并联和三电平等软开关双管正激型变换器相继出现，使得在中大功率应用场合，具有与移相全桥变换器相同的性能，而且可靠性比移相全桥更高。(1)复位绕组法图1．2带复位绕组的正激变换器它实际上是在Buck变换器中插入隔离变压器而成，与反激变换器相比，正激变换器的变压器增加了一个复位绕组N3，并在该复位绕组回路中增加了一个复位二极管D3，副边增加了输出滤波电感Lo和续流二极管D2。在工作原理上，正激变换器与反激变换器有着本质的区别，其变压器不再起电感作用，而是一个完全意义上的变压器，只起输入输出隔离和电压变换的作用，只储存变压器激磁所需的少量能量。当开关管S开通时，变换器通过副边整流二极管D1向负载提供能量，当s关断时，变换器副边由输出滤波电感Lo的储能通过续流二极管D2向负载提供能量，原边通过复位绕组N3和复位二极管D3对变压器磁芯进行磁复位，将变压器激磁时储存的能量回馈到变换器输入端。图1．2所示的方法是最早采用的复位方法。复位时，激磁电流流过复位绕组和复位二极管，将激磁电感中储存的能量回馈到输入电源端。采用这种方法时，开关的电压应力为：Vs=(1+n1/n3)ViVs为开关电压应力，Vi为输入电压，n1和n3分别为变压器原边绕组和复位绕组的匝数。在实际应用中为了降低开关管的电压应力，提高变换器工作占空比，一般使复位绕组的匝数与原边匝数相等，即n1=n3，这样开关管的电压应力为两倍的输入电压。这种磁复位方法简单，但是变压器的结构和设计比拟复杂，本钱和体积增加，而且还有以下缺点：(1)开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制；(2)开关管承受的峰值电压与输入电压成正比，当输入电压范围较宽时，必须采用高耐压开关管，而高耐压开关管的导通电阻较大，从而导致较大的导通损耗。(2)有源箝位技术图1.3两种有源箝位正激变换器如图1．3所示的是采用有源箝位技术的两种不同连接方法的正激变换器，它们都能够减小开关管的电流应力和通态损耗。有源箱位网络由原边筘位开关Sc(其上并联有反并二极管Dc)和箝位电容Cc组成。它们的工作原理为：由于箝位电容Cc容量相对较大，因此相当于一个电压源，当开关管开通时，变换器向负载提供能量，当开关管关断后，首先由负载电流向开关管的结电容Cs充电，当开关管电压到达输入电压时，变压器原边电压过零，激磁电感与开关管结电容Cs谐振，当开关管电压到达输入电压与箝位电容电压之和时，筘位开关管的反并二极管Dc导通，箝位电容电压作为负电压加在变压器原边，变压器激磁电感电流线性下降，变压器复位，在反并二极管导通的时候，零电压开通箝位开关，变压器可以在箝位电容电压作用下反向激磁。变换器箝位电容电压和开关管电压分别如式(1-1)和(1-2)所示：有源箝位的正激变换器的优点为：(1)变压器双向对称磁化，磁芯工作在一、三象限，利用率高；(2)变压器的磁化能量和漏感能量可重复利用，提高了电路的工作效率；(3)工作占空比可以大于0．5；(4)开关管电压应力低，而且开关管电压根本与输入电压无关；(5)可以实现ZVS-PWM工作方式，使工作效率得到进一步提高。其主要缺乏是电路增加了有源开关器件，因此电路和控制复杂，本钱增加，另外开关管的开通为容性开通，存在开通损耗。(3)谐振复位技术采用谐振复位技术的正激变换器一般需要变频控制，开关纹波和谐波随着工作频率的变化而变化，变压器及滤波元件设计困难，而且需要复杂的辅助谐振电路。为此，一些学者提出了可以在固定频率模式工作的谐振正激变换器。例如，ZVT—PWM正激变换器，如图1．4所示：该变换器在原边增加了由谐振开关Sc及其反并二极管Dc、谐振电感Lc和谐振电容Cc组成的谐振网络它的工作原理为：在主开关管开通之前先开通谐振开关，通过谐振将主开关结电容上的电荷抽光，在主开关管反并二极管导通之后开通主开关就能够实现零电压开通。图1．4ZVT—PWM正激变换器ZVT-PWM正激变换器的优点为：(1)主开关管是零电压开关的；(2)主开关管的结电容可以使变压器反向激磁，但是幅度很小；(3)激磁能量和漏感储能均回馈到电源端；(4)无需另加磁复位电路。它的缺点为：(1)主开关管电压应力高，如果输入电压范围为35V～75V，电压应力将接近200V；(