电力电子课程设计案例

电力电子应用课程设计

课题：50W三绕组复位正激变换器设计

班级电气学号

姓名________________________

专业电气工程及其自动化

系别电气工程系..

指导教师______________

淮阴工学院

电气工程系

2023年5月

一、设计目的

通过本课题的分析设计，可以加深学生对间接日勺直流变流电路基本环节日勺认

识和理解，并且对隔离H'、JDC/DC电路的优缺陷有一定的认识。规定学生掌握单

端正激变换器的脉冲变压器工作特性，理解其复位方式，掌握三绕组复位的基本

原理，并学会分析该电路口勺多种工作模态，及开关管、整流二极管日勺电压电流参

数设计和选用，掌握脉冲变压器的设计和基本的绕制措施，熟悉变换器中直流滤

波电感的计算和绕制，建立硬件电路并进行开关调试。

需要熟悉基于集成PWM芯片的DCDC变换器的控制措施，并学会计算

PWM控制电路口勺关键参数。输入：36〜75Vdc,输出：lOVdc/3A

二、设计任务

1、分析三绕组复位正激变换器工作原理，深入分析功率电路中各点的电压

波形和各支路的电流波形；

2、根据输入输出的参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级，

并给出所选器件的型号，设计变换器的脉冲变压器、输出滤波电感及滤波电

容。

3、给出控制电路口勺设计方案，可以输出频率和占空比可调的脉冲源。

4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。

三、总体设计

3.1开关电源的发展

开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压

电源的主流产品。

开关电源分为DC/DC和AC/DC两大类。前者输出质量较高的直流电，后者输

出质量较高日勺交流电。开关电源日勺关键是电力电子变换器。按转换电能的种类，

可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多

种直流电能日勺变换器；逆变落，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能日勺变

换潜；整流流是将交流电转换成直流电日勺电能变疾器和交交变频落四种。

开关电源的高频化是电源技术发展日勺创新技术，高频化带来的效益是使开关

电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，尤其是在高新技术领

域日勺应用，推进了高新技术产品的小型化、轻便化，此外开关电源日勺发展与应用

在节省资源及保护环境方面都具有深远日勺意义。

3.2DC/DC变换器的基本拓扑

3.2.1概述

直流变换器按输出与输入间与否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离口勺称

为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。

有隔离口勺变换器瓦以实现输入与输出间的电气隔离，一般采用变压器隔离，

变压器自身具有变压的功能，有助于扩大变换器向应用范围。变压器的应用还便

于实现多路不一样电压或多路相似电压的输出。

3.2.2电路拓扑

变换器口勺电路拓扑多达上百种，包括降压式［Buck）变换器、升压式变换器、

升降压式变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器、正激变换器、反激

式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥变换器等。在进行变换器的设计

工作之前，首先要选择电路拓扑。这是一件非常重要口勺工作，其他所有口勺设计选

择、元器件选择、磁芯元件设计、环路赔偿等等都取决于它。假如电路拓扑发生

变化，这些也必须伴随变化。本课题规定研究降压式正激变换落，正激变换器具

有电路构造简朴、输入输出电压隔离、可以多路输出等长处，广泛应用在中小功

率变换场所。

(1)降压式(Buck)变换器

降压式变换器是一种输出电压等于或不不小于输入电压日勺单管非隔离直流

变换器。具有电路简朴，调整以便，可靠性高；对功率晶体管及续流二极管耐

压的)规定低；电源带负载能力强，电压调整率好等长处。但在这种电路中，功

率晶体管和负载直接与整流电源串联，故万一晶体管被击穿时，负载两端H勺电

压便升高到整流电源电压，负载会因承受过电压而损坏。

(2)正激变换器

正激式变换器实际上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，变压器口勺

引入，不仅实现了中.源侧与负载侧间的电气隔离，也使该变换器的J输出电压可

以高于或低于电源电压，还可实现多输出。而Q『、J占空比可在比较合理的范围

内变化，一般选择在0.45上下变化，这时在同样输出功率下，Q口勺计算功率较

小。

这种变换器的长处是：可以便地实现交流电网和直流输出端机架之间的隔

离；能以便的实现多路输出。在占空比的变化范围不能变化口勺状况下，可以便

地通过变化高频变压器的匝比，使之满足交流电网电压在一定范围内变化时能

稳压的规定。

四、单元电路的设计

4.1正激变换器中变压器的设计措施

正激变换器是最简朴的隔离降压式DC/DC变换器，其输出端日勺LC滤波器非

常适合输出大电流，可以有效克制输出电压纹波。因此，在所有的隔离DC/DC

变换器中，正激变换器成为低电压、大电流功率变换器的首选拓扑构造。不过，

正激变换器必须进行磁复位，以保证励磁磁通在每一种开关周期开始时处在初始

值。正激变换器的复位方式诸多，包括第三绕组复位、RCD复位","有源箝位复

位⑶、LCD无损复位us以及谐振复位⑹等，其中最常见的磁复位方式是第三绕组

复位。本文设计的高频开关电源变压器采用第三绕组复位，拓扑构造如图一所示。

图一第三绕组复位正激变换器

开关电源变压器是高频开关电源的关键元件，其作用有三：磁能转换、电压

变换和绝缘隔离。在开关管H勺作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压

器上，经开关电源变压器H勺电磁转换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负

载。开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器自身的发热和效率，并且还会影响

到高频开关电源日勺技术性能和可靠性。因此在设计和制作时，对磁芯材料的选择,

磁芯与线圈日勺构造，绕制工艺等都要守周密考虑。开关电源变压器工作于高频状

态，分布参数日勺影响不能忽视，这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中

流动的趋肤效应。一般根据高频开关电源电路设计日勺规定提出漏感和分布电容限

定值，在变压器的线圈构造设计中实现，而趋肤效应影响则作为选择导线规格的I

条件之一。

4.2主电路拓扑和控制方式

正激变换器实际上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，图二、图三、

图四给出了正激变换器的主电路及其重要波形。开关管Q按PWM方式工作，D.

是输出整流二极管，D,是续流二极管，L是输出滤波电感，C是输出滤波电容。

变压器有三个绕组，原边绕组副边绕组％,复位绕组1%,图中绕组符号“产

号的一端，表达是该绕组的始端。D：,是芨位绕组心的串联二极管。

图二

图三图四

4.3正激变换器的原理

4.3.1为了分析其工作原理，作如下假设：

(1)、变换器已经到稳态；

(2)、所有开关器件均为理想器件；

(3)、在换流过程中电感电流没有变化，相祢于一种恒流源。

4.3.2设计原理

1、磁复位技术

使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯怎样在每个脉动工作磁通之后都能恢

复到磁通起始值，这是产生的新问题，称为去磁复位问题。由于线圈通过的是单

向脉动激磁电流，假如没有每个周期都作用口勺去磁环节，剩磁通的累加也许导致

出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电压很高，导致开关器件的损

坏。剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，怎样使此能量转移到别处，就是殿芯

复位的任务。

详细的磁芯复位线路可以提成两种：

一种是把铁芯残存能量自然日勺转移，在为了复位所加的电子元件上消耗掉,

或者把残存能量反馈到输入端或输出端；

另一种是通过外加能量日勺措施强迫铁芯日勺磁状态复位。详细使用那种措施,

可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特性而定。本课题采用第一种磁复位措施。

图五经典FI勺两种磁芯磁滞特性曲线

如图五所示，在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。

图(a)的剩余磁感应强度Br比图(b)小，图(a)一般是铁氧体、铁粉磁芯和非

晶合金磁芯，图(h)一般为无气隙的晶粒取向锲铁合金铁芯。

对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法。转移损耗法有

线路简朴、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度Br较高的铁芯，一般使用强

迫复位法。强迫复位法线路较为复杂。

简朴的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管构成，稳压管和二极管

与变压那原边绕组或和变压潜副边绕组并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击

穿导通而损耗，它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯

残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的I漏电感（寄生电感）存在，

这个电感中也有存储的能量，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联

连结。这种电路只合用于小功率变换器中。

2、磁复位日勺方式分为：第三线圈复位法、RCD复位、有源钳位、双管正激。

本次课题采用第三绕组复位法。

第三绕组复位法的长处：

技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。

缺陷：

附加的磁复位绕组使变压器的构造和设计复杂化；

开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来克制，

尤其是变压器满载脚：

开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在宽输入电压范围

时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率MOSFET的导通电阻较大，从而导致

导通损耗较大；

Uin二Uinmax时，占空比d二dmin很小，不易于大功率输出。

4.4原理阐明

正激变换器如图二所示，开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管,

D2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器有三个绕组,

W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。

电路的工作过程为：如图六（a）所示，开关管Q1导通，电源电压Ui加在

原边绕组上，变压器绕组N1两端日勺电压上正下负，与其耦合日勺绕组N2两端的电

压也是上正下负。因此，整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过滤波电

感L的电流增长。

图六（a）Ql导通

如图六（b）所示，S关断后，电感L通过D2续流，D1关断，L日勺电流逐

渐下降，直到减小为电流最小值。此时，变压器日勺励磁电流通过绕组N3和D3

流回电源，励磁电流逐渐减小，直到减为零。变压器磁复位完毕后，电流通路即

为如图六（c）所示。此外，为了保证下一次开通时励磁电流降为零，需使断态

时时间不小于开通区I时间。

图六（b）Q1关断、变压器磁复位

图六（c）Ql关断

五、器件选择

5.1变压器（ETD49）

在开关电源中的I变压器其重要的）目日勺是传播功率，将一种将电源的能量瞬时.

地传播到负载。此外，变压器还提供其他重要的功能：

（1）通过变化初级与次级匝比，获得所需要的输出电压：

（2）增长多种不一样的匝多次级，获得不一样的I多路输出电压;

(3)为了安全，规定离线供电或高压和低压不能共地，变压器以便地提供安

全隔离。

在正激变换器中，变压器日勺重要作用不是储存能量而是纯粹日勺变压功能(即

对输入电压进行升压或降压)。需要综合考虑占空比和匝比来进行设计。虽然储

能能力常常是选择电感密的重要根据，但变压器储能仅是单纯的励磁能量，与负

载电流无关，只随输入电压的变化而变化。保证变压器复位也是一种问题，它限

制了变压器日勺占空比要保持低于0.45o

本设计规定输入电压为直流48V,波动值为36V-75V,输出电压为10V,输出

电流为5A,功率规定为50W。

一N2

变压器输入输出电压关系式为：UQ=DU*=

N\

N2

一般选择占空比D为0.45,因此有10^=0.45x48—，则N2/N525:54.所

N\

认为了使变压器在输入电压波动范围内都保持工作，因此变压器的匝比但愿选择

25:54o下面计算变压器的参数：

(1)确定最大磁感应强度

考虑高温时饱和磁感应强度及会下降，同步为减少高频工作时磁芯损耗，工

作最大磁感应一般为2023-2500Gso

(2)根据输出功率选择磁芯

面积乘积的粗略预算公式：

Pc士

AP=AeAw=(---------------尸c?〃4

KxABxf

注：Ae---磁芯有效截面积；

Aw----线圈窗口面积;

Po一一输出功率郃);

△B——磁通密度变化量(T)；

f——变压器工作频率(HZ)：

k一—正激变化器中值为0.014；

________504

代入公式得:AP=(=0.253c/

0.014x0.2x50xlO3y

查附表1选择P型2616的J磁芯，A。=0.948mm",A尸0.407mm,

V=3.53cm\P=123.5W,f=200KHZo

查附表2得到磁芯尺寸(mm)：dl=25.5,d2=21.2,d3=11.5,d4=5.4,

hl=16.0,h2=ll.0,a=18.0,b=3.8,le=37.6mm,I/A=0.4mm工

(3)计算副边匝数

周期丁=上=2幻0一”,最大占空比为0.45,

f

ton=9X10$

计算输出电压加上满载时二极管和次级IR压降:

(70=10+0.4=10.4V

由电磁感应定律可得：

U.T=生△①

乂="吐贮10.4x9x10^

--4=4.9367=5

△①ABxA,0.2x0.948xl0

⑷计算原边匝数

变压器输入输出电压关系式为:

(/0=D(/.x—

M

因此—》——3——

NI力maxUimin

10.452

0.45x36-87

^0.64

由变压器的性质得：

“M

n=—

N?

Q1

贝ijv=nxN,=—x4.9367=7.69^8

~52

假如取5匝，将大大增长了伏/匝、磁感应变化量和磁芯损耗。假如取6匝,

减少了磁芯损耗，不过增长了线圈损耗。由于以二成果靠近5匝，选用5匝。此

时由Uo=U*x2,0=0.33。

,N

副边电流有效值为：

(5)/2=ZOX7F=5XVO33=2.87A

(6)原边电流有效值为：/,/72)M]*(]+0.05)=1.9568A

IN\)

(7)选择线径：根据导线的电流密度JFA/m/

因此原边绕组所选截面积为：人=3.57/4=0.8925mm2

J

副边绕组所选截面积约为:k=5.66/4=1.415mm2

J

5.2电感

电感常为储能元件，其特点是流过其上的电流有很大的惯性，换句话说，由

于磁通持续性，电感上的电流必须是持续日勺，否则将产生很大日勺电压尖峰波。它

是磁性元件，存在磁饱和日勺问题。在开关电源中有一种不可忽视的问题，电感的

绕线所引起两个分布参数日勺现象。其一是绕线电阻，这是不可防止日勺，其二是分

市式杂散电容，随绕制工艺、材料而定。

由于是直流电感，MPP（铝坡莫合金磁粉芯）或者铁粉芯是比较适合的。为

了做到小体积，选择MPP,其中匕,=%,一%

仁

Vinr1-D

10x0.33

因此L==11.217//H

0.5X105X14.71X0.4

,WNBA

L=—=----------=N2G

iLH/N

22

L=yl（I1+I2）+D=9.24m

L=+=2.138/77

£3=/1+/2=9.23m

L4=/1—/2=2.09.71

根据电流有效值选择导线的线径，由于/=/°J方=5XV5M=2.87A,因此

选择导线的I截面积约为0.7175mm）电流较大时，仍需采用多股并绕，但由于电

感中的交流成分较小,必要时可选用较粗的导线绕制。

5.3电容

由经验公式得:

1%UO=AI--

WC

1

即1%UO二△I

际

AI_031。=_____0.3x5

因此

2疔xl%U02灯xO.OlUo-2x3.14x50x0.01x10

二C.0478F

5.4电阻

5.5二极管

D1为整流二极管、D2为续流二极管。其所承受的电压为相等，为：

y=lk^2=48x-=31.l7V

N18

电流分别为：//)1=/0J5=5XJ5M=2.87A

Jl)2=/。7^而=5xVO67=4.09A

D3为复位二极管。其电流、电压如下

V”3=48V

W357A

D1选用5EQ100类型的二极管，D2、D3选用10YQ045类型日勺二极管。

5.6开关管

开关电源中所出现日勺故障中约百分之六十是功率开关管损坏引起H勺。开关电

源中采用的开关管是MOSFET管，有些还采用IGBT管以及GTO管。1GBT重要用

在高功率大输出的场所，GTO重要用于中功率较，,、输出的J场所，而MOSFET直要

用于小功率小输出的场所，该设计是I00W双管正激变换器日勺设计，输出功率只

有100队输入电压为48伏，输出电压为10伏，为小功率小输入小输出，因此

在此处采用MOSFET管已经足够。

MOSFET是一种电压控制日勺单极型器件。具有驱动电路简朴，需要日勺驱动功

率小；开关速度快，工作频率高等长处，广泛应用于开关电源中。分