基于正激變換器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 NCP1562控制芯片的引腳功能，工作原理，完成外圍電路的搭建。 3）主電路所用器件參數計算公式的推導及器件的最終選型，還可以結合閉環(huán)反饋回路的設計對電源的輸出進行校正。 4） MATLAB仿真電路的搭建，電源性能指標的測定，工程圖紙、元器件列表的繪制。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 正激變換器 正激變換器（ Forward Converter）可以看成是由 Buck 變換器演化而來的，它在開關閉合期間實現能 量的傳遞。在正激變換器中 ，變壓器的原、副繞組同時工作，副繞組中的電流產生的磁通將抵消原繞組 電流所產生的磁通（勵磁磁通除外），因此可以傳遞更大的功率。這是正激變換器的特點。 在正激變換器中，繞組流過的是單向脈動激磁電流，如果沒有每個周期都發(fā)揮作用的去磁環(huán)節(jié)，剩余磁通就會積累導致飽和。因此必須設法使變壓器磁芯的磁通恢復到上一個周期開始時的數值。這一要求稱作變壓器的磁化狀態(tài)復位條件。這也是正激變換器能正常工作的條件。針對變壓器磁復位有多種拓撲，可以比較它們的優(yōu)缺點。 傳統單端正激變換器 帶復位 繞組的單端正激變換器 帶復位繞組 [3]的正激變換器技術成熟可靠，磁化能量可以無損的回饋到直流側。其拓撲如圖 21： 圖 21 帶復位繞組的正激變換器 T 1L fVD1VD 2C f R LViSN 1N 3VD 3N 2第 2章 正激變換 器 7 變壓器的磁復位由繞組 N3 和二極管 VD3(上圖虛線框中所示 )來完成 ，在開關 S 斷開期間，變壓器的磁能經過繞組 N3 和回饋二極管 VD3向電源端饋送，完成勵磁能量的轉移并同時使磁芯的磁化狀態(tài)復位。但這種復位技術主要存在如下缺點： (1)復位繞組 N3 使得變壓器結構和設計復雜化 (2)在開關器件 S 關斷時，變壓器漏感引起的關斷電壓尖峰需要 RC 緩沖電來吸收，電路在滿載運行 時表現尤為突出。 (3)開關器件 S 承受的電壓 UDS(公式 21)與輸入電壓 Vi 成正比，當電路 (21) 工作在寬輸入時，須采用高壓功率 MOSFET，而高壓功率 MOSFET導通阻抗大，因而導通損耗大。 (4)當 Vi=Vimax時，占空比 d=dmin 很小，不易于大功率輸出。 RCD 箝位單端正激變換器 該變壓器 磁復位拓撲工作過程可以分為五個 階段，由此分析得到拓撲優(yōu)缺點，其主要缺點在于部分磁化能量消耗在箝 位電阻 R 中，因此電源 效率相對較低。 通過對其工作過程的分析可以推導出箝 位電壓 UC 為： (22) 式中 n變壓器變比 Lm磁化電感 fs 開關頻率 LIK一次側和二次側 的 漏感 Cs晶體管輸出電容、箝位二極管結電容、整流二極管折算到一次側 的結電容和變壓器繞組電容的總 和 131DS i NUV N????????? ? 122 202020 222C s s I Kmsmsn U Rn U R IU R C f L RL f nLC???? ??? ? ? ? ????? ????????燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 RCD 箝位 [4]拓撲結構如圖 22 所示 ,虛線框中部分即為箝位電路 : 圖 22 RCD 箝 位單端正激變換器 由式 (22)可知 ： UC 與 Vi 無關；增大 Lm可降低 UC；增加 Cs可降低 UC，這可以在 開關器件 S 的漏 — 源極間并聯電容來完成，然而這樣將會增加開關器件的容性開通損耗；減小 LIK 可降低 UC，這是降低箝位電壓的關鍵因素。 和采用復位繞組的單端正激變換器相比， RCD 箝 位單端正激變換器 優(yōu)點如下： (1)磁復位電路簡單 (2)開關管電壓應力較低 (3)占空比 d 可以大于 ，適合較寬范圍電壓輸入 它的缺點是大部分磁化能量消耗在箝位電阻 R 中，電源效率較低。 因此，該拓撲 適用于價廉、效率要求不高的場合。 T 1L fVD1VD 2C fR LV iSN 1RVD 3N 2CC sI 0U 0第 2章 正激變換 器 9 LCD 箝位單端正激變換器 LCD箝位單端正激變換器 [5]能夠將變壓器的激磁能量反饋回電網，使變壓器磁通復位，還能夠有效抑制開關器件關斷時由于漏感能量所造成的電壓尖峰。其拓撲結構如圖 23所示，虛線框中部分可以完成變壓器磁通復位。 圖 23 LCD 箝 位單端正激變換器 通過對其工作過程的分析可以發(fā)現開關器件 S是硬開通的，開通時結電容能量將完全消耗在內部，如此減小其開通前結電容電壓將大大減小器件開通損耗。 總之， LCD箝 位單端正激變換器 能無損的把激磁能量和漏磁能量全部回饋給直流側，能夠實現高效率。但是，開關 頻率 sf 30kHZ時， LC諧振電流太大，使得導通損耗增加。因此，這種方法通常適用于 sf =20kHZ，且當輸入電壓高的時候，電感體積過大。 通過對以上三種傳統磁復位拓撲優(yōu)缺點的比較可以發(fā)現，它們都不是很好，對于本次設計相對來說有源箝位正激變換器較理想，應該可以很好滿足設計性能指標。 T 1L fVD1VD 2C fR LV iSN 1LVD 3N 2CC sVD 4燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 有源箝位單端正激變換器 有源箝 位單端正激變換器 [6]和傳統的磁復位變換器相比有許多優(yōu)點： (1)變壓器雙向對稱勵磁，可 以工作在磁滯回線的第一和第三象限，變壓器可以得到充分利用，同時占空比 d 可以 大于 ，開關器件承受電壓較低，適用于輸入電壓范圍較寬的場合。 (2)箝位開關管是零電壓開關 (3)勵磁能量和漏感能量全部無損回饋到電網側 但有源箝位正激變換器也有缺點，拓撲中多用了一個箝位開關管，使得驅動電路的設計變得復雜，而且主開關管是硬開通，存在開通損耗。 有源箝位單端正激變換器工作原理 由于正激 DC/DC 變換器具有電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離，電壓升、降的范圍寬，易于多路輸出等特點，已經被廣泛應用于中小功率電源 變換場合。 其電路拓撲如圖 24 所示： 圖 24 有 源箝 位單端正激變換器 T 1C fCL fR LVD 1VD 2S 1S 2C sVDU 0V iL mU C第 2章 正激變換 器 11 為了更好的分析主電路工作過程，我們給出如下圖 25 所示主要工作波形圖 ，進而完成對主拓撲的工作狀態(tài)的研究。 圖 25 拓撲主要工作波形 為簡化分析，假設輸出濾波電感 Lf足夠大，可以用一個恒流源 I0 表示。假設所有半導體器件都是理想器件。變壓器等效為勵磁電感 Lm(漏電感忽略 )和匝數比為 n=Np/Ns 的理想變壓器，如上圖 24 所示。考慮主開關器件 S1的 漏 源極之間的電容 Cs，其它的寄生參數忽略。箝位開關器件 S2考慮反并聯二極管 VD， 忽略其它寄生參數。結合主電路拓撲圖 24 和圖 25 拓撲主要工作波形，把一個開關周期 Ts 分成七個工作狀態(tài)來對此變換器工作原理進行分析。 S1S2UCSipimicttttttT1T2 T 3T4T5T6T7UCViT0onont1t2燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 (1)開關狀態(tài) 1 T0 時刻開關器件 S1 導通 ， 二次側的 二極管 VD1 導通， VD2 處于截止狀態(tài)。功率通過變壓器傳輸到二次側，同時，正的輸入電壓 Vi 加到變壓器一次側，勵磁電流 im 從 IM 開始線性增加。 S1 導通 時，開關電流 is1 等于一次側電流 ip 和勵磁電流 im之 和 。勵磁電流和一次側電流分別為 (23) (24) T1時刻，勵磁電流為 (25) T01是開關器件 S1的開啟時間 Ton， S1的開關周期是 Ts，占空比是 D，則有 (26) (2)開關狀態(tài) 2 開關器件 S1在 T1時刻被零電壓關斷時， 二極管 VD1繼續(xù)導通。于此同時折算到一次側的負載電流 I0/n 和勵磁電流 im同時給 開關器件 S1的結電容Cs 充電。由于充電電流很大， Cs 相對較小，此過程可看作一個線性充電階段， US1快速上升到 Vi。結電容兩端電壓為 (27) 勵磁電流為 (28) ? ? ? ? ? ?0MmmiVi t I t TL?? ? ?? ? ? ? ? ?001 0Ms immVIIi nni t I t TL?? ? ? ? ??? ? ? ? 011 M imm VTTLiI ???01 on sT T D T??? ? ? ?0 11CSSIU t t TCn??? ? ? ? ? ? ? ? 201 1 112imm m m sVIi t i T t T t TL L C n? ? ? ? ?第 2章 正激變換 器 13 T2時刻，當 Cs電壓上升到輸入電壓 Vi，狀態(tài) 2 結束。持續(xù)時間為 (29) 這時，勵磁電流達到了最大值 IM(+) (210) (3)開關狀態(tài) 3 在這個階段，由于 Cs的電壓 (UCS)繼續(xù)上升，加在變壓器一次側繞組上的電壓變負，因此，二次繞組的電壓也變?yōu)樨摗６O管 VD1 截止， VD2 導通繼續(xù)維持負載電流，但此時變壓器不再向負載傳輸能量，一次側也只有勵磁電流。結電容 Cs 開始同勵磁電感 Lm 發(fā)生諧振， UCS 繼續(xù)上升， IM(+)開始減小，電容兩端電壓和勵磁電流分別為 (211) (212) 式中 mZ 勵磁電感與結電容的特征阻抗， m m sZ L C? m? 勵磁電感與結電容諧振的角頻率， 1m m sLC? ? 在 T3時刻，結電容電壓上升到 CS i CU V U?? ，開關狀態(tài) 3 結束。持續(xù)時間為 (213) 此時勵磁電流為 (214) (4)開關狀態(tài) 4 T3時刻 ,結電容 Cs電壓 UCS上升到輸入電壓 Vi 和箝位電容 C 上的電壓總和，反并聯箝位二極管