50W正激变换器
电力电子应用课程设计
课题:50W三绕组正激变换器
班级
姓名
系别指导教师淮阴工学院
自动化学院
2017年3月
一、应用背景和研究设计的意义
随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源。进入80年代,计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。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、控制设备电源均广泛采用了开关电源,促进了开关电源技术的迅速发展。
电力电子技术中,高频开关电源的设计主要分为两部分,一是电路部分的设计,二是磁路部分的设计。相对电路部分的设计而言,磁路部分的设计要复杂得多。磁路部分的设计,不但要求设计者拥有全面的理论知识,而且要有丰富的实践经验。在磁路部分设计完毕后,还必须放到实际电路中验证其性能。由此可见,在高频开关电源的设计中,真正难以把握的是磁路部分的设计。高频开关电源的磁性元件主要包括变压器、电感器。
为此,本课题将对高频开关电源变压器的设计,特别是正激变换器中变压器10Vdc/5A二、任务及要求
(一)设计任务要求
(1)分析基本三绕组复位正激电路工作原理,深入分析功率电路中各点的电波形和各支路的电流波形;
(2)根据输入输出的参数指标,计算功率电路的关键器件电压电流等级,并选取实际功率器件,设计正激变换器中脉冲变压器,包括原副边绕组匝数计算,导线选取,磁芯选择等;
(3)应protel、saber等软件作出线路图,建立硬件电路并调试。
(二)报告任务要求
(1)报告中应该包含单端正激变换器的应用背景和研究设计的意义;
(2)给出三绕组复位正激变换器电感电流连续和断续方式下,电路的工作状态和相关波形,分析输入输出电压关系;
(3)结合设计要求,给出主电路的关键元件的参数设计,并给出半导体元件的选型;给出开环PWM 控制电路,并设计关键参数;
压
(4)给出电路的调试波形,记录输入、输出的电压与占空比的数据,并和理论分析对比,分析理论和实践的差别;
(5)总结本次课程设计的心得体会,以及遇到的问题和解决方案,指出最终解决的效果。
三、工作原理分析及参数计算
3.1正激式变换器分析
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,变压器的引入,不仅实现了电源侧与负载侧间的电气隔离,也使该变换器的输出电压可以高于或低于电源电压,还可实现多输出。而Q 的占空比可在比较合理的范围内变化,通常选择在0.45上下变化,这时在同样输出功率下,Q的计算功率较小。
这种变换器的优点是:可方便地实现交流电网和直流输出端机架之间的隔
主电路图
三绕组复位正激变换器主电路及关键波形
(1)开关模态一[0,Ton]
在t=0时开关管q 导通,电源ui 加在原边绕组w1上,即uw1=ui固铁芯磁化铁芯磁通
增长
在此开关模态中铁芯磁通
的增长量为变压器的励磁电流
开始线性增加:
(式子中L M 为励磁电感)
副边绕组W2
上的电压为
式子中k12为原副边匝数比
此时整流二极管D1导通,续流二极管D2截止滤波电感电流线性增加与buck 变换器意一样,只是电压为
ui/k12
根据变压器工作原理,原边电流i
为折算到原边的复边电流之和,即
(2)开关模态二[Ton,Tr]
在ton 时刻q 关断原边绕组与副边绕组中没有电流流过,此时变压器通过复位绕组进行复位,励磁电流通过w3经过二极管d3回馈到输入电源中去。复位绕组上的电压为
这样原边绕组和副边绕组上的电压为
式子中
此时整流管d1关断滤波电感电流通过续流管续流,与buck 变换器类似。在此开关模态中,加在q
上的电压
电源电压反相加在复位绕组w3
上固铁芯去磁,铁芯磁通减少
磁通减少量为
式子中
励磁电流im 丛原边绕组中转移到复位绕组中,并且开始线性减少
。在tr 时刻iw3=im=0,变压器完成复位。
(3)开关模态三[]
在此模态中,所有绕组中军没有电流,他们电流均为0。滤波电感电流继续经过续流二极管续流。此时加在开关管q 上的电压为
2. 基本关系
从前面的分析可以知道正激变换器实际上是一个隔离的buck 变换器其输入
与输出的关系为:
在正激变换器中,一个比较重要的概念是:变压器必须要复位,否则他的磁q
由于,
要满足上式,就必须有:
从上式子可以看出; 如果
而且低于越小;而且. 即.
那么可以大于0.5而
, 即,高于而,一越大,则越高。如果越小即越大。越低。为了充分提高这时,而. ,而减小般折中选择在q 导通、铁芯磁化时,续流二极管D2
上的电压为
在q 截止、铁芯去磁时,整流二极管d1
上的电压为:
二极管D3上的电压ud3在q
导通、铁芯磁化求得:
电感电流的最大值为
就是流过d1和d2
电流的最大值即:
流过开关管的电流最大值
为而功率较小。计算功率是q 上的电压值与通过它的电流平均值的乘机。
3.2参数计算
(1)根据要求,变压器选用ETD-49,具体参数如下:TYPE MATERIAL DIMENSIONS(mm)AP Ae Aw AL Le ETD49PC4048.7*24.7*16.47.9875213.00375.004440.00114.00
(2)计算副边匝数:
周期T =1=10-5S,最大占空比为0.45计算输出电压加上满载时二极管和次级IR 压降:
U 0=10+0. 4=10. 4V
'
由电磁感应定律可得:
U 0T =N 2∆Φ
U T 10. 4⨯10-510. 4⨯10-5N 2====3. 1≈3,取3匝-∆Φ∆B⨯A e 0. 157⨯213⨯10' '
(3)计算原边匝数:变压器输入输出电压关系式为:
U 0=DU i ⨯N 2
1
' 所以U 010. 452N 2U O n ==≥==≈0.64⨯i max min
由变压器的性质得:
N 81=⨯3. 1=4. 8≈5,取5匝
52N 1=
(4)输入:U N 10. 42===≈0. 641i MAX 36⨯0. 453
假定N3=N1
输入75V :
D MIN =
L U ⋅N 10. 4⨯81=≈0. 2i ⋅N 275⨯520. 2I di ∆I =U 0⇒L =L dt ∆T (1-D min ) T
-6得:L =80⨯10
(5)电容计算:
1%U O H =0. 2I 00. 2I 10. 2⨯5⇒C ==ωC 1%U O ω1⨯2⨯100⨯10=15μF 得:C=15μF
(6)电阻计算:R=U =2ΩO
(7)二极管计算:
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:
V =Vin max N 23=75⨯=45V 15
电流分别为:
I D 1=
I D 2=4I 4⨯5⨯==8. 55A 1. 571. 574I -4⨯5⨯==9. 45A 1. 571. 57
N 3Ui
=75V D3为复位二极管。其电流、电压如下V D 3=
I D 34. A
(8)开关管计算:
该设计是50W 双管正激变换器的设计,输出功率只有50W,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 是一种电压控制的单极型器件。具有驱动电路简单,需要的驱动功率小;开关速度快,工作频率高等优点,广泛应用于开关电源中。分为P 型、N型,在此处采用N 型MOSFET 管。
设频率为100KHZ ,占空比为0.45,开关管Q1的开通和关断时间为t on =0. 45T =4. 5μs
t off =0. 55T =5. 5μ
开关管关断时所承受的电压保持在输入电压的两倍,为96V。
即:V q 1=2V in =2⨯48V =96V
线圈电流即为变压器原边的电流,因此,
I Q 1=I 2=5. 66A
查阅资料可知开关管型号为IRF3710ZL。
3.3器件选型
变压器:ETD-49
电感:SMDRI125-101MT
电容:RVT1H101M0810
二极管:D1选用5EQ100类型的二极管,D2,D3选用10YQ045类型二极管开关管:IRF3710ZL。
四、原理图设计与分析
(1)
图一三绕组复位正激变换器全图
图二第三绕组复位正激变换器主电路图
(2)对电源控制芯片3843理解
UC3843是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计,为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出,是驱动功率MOSFET 的理想器件。
(3)原理图分析
使用单端隔离变压器之后,变压器磁芯如何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。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流,如果没有每个周期都作用的去磁环节,剩磁通的累加可能导致出现饱和。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,如何使此能量转移到别处,就是磁芯复位的任务。
具体的磁芯复位线路可以分成两种:
一种是把铁芯残存能量自然的转移,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的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体使用那种方法,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方法。
图a 图b
如图所示,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b 一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。
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单、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。
简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成,稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联,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。这种电路只适用于小功率变换器中。
本次课题采用第三绕组复位法。
优点:
技术成熟可靠,磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。
缺点:
附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化;开关管关断时,变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC 缓冲电路来抑制,尤其是变压器满载时。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=Uinmax时,占空比d=dmin很小,不易于大功率输出。
(4几种工作状态
(a)Q1导通
电路的工作过程为:开关管Q1导通,电源电压Ui 加在原边绕组上,变压器绕组N1两端的电压上正下负,与其耦合的绕组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 的电流增加。
(b)Q1导通Q1
关断、变压器复位
S 关断后,电感L 通过D2续流,D1关断,L的电流逐渐下降,直到减小为电流最小值。此时,变压器的励磁电流经过绕组N3和D3流回电源,励磁电流逐渐减小,直到减为零。
(c)Q1
关断
变压器磁复位完成后,电流通路即如图。此外,为了保证下一次开通时励磁电流降为零,需使断态的时间大于开通的时间。
五、仿真
(1)基于saber 的开环仿真设计
(a)仿真原理图
(b)对应UO=50V,D=0.32
的波形
分析:输出电压没有达到理想状态下的10V,因为有损耗
输出电压不平滑,出现文波也是正常现象
(2)用开环设计图模拟闭环效果
设计方案,根据不同的输入电压U O ,人工算出占空比D 大小并手动调节,这
样可以模拟UC3843反馈调节作用。
输如电压
UO (V)
占空比
D 400.40500.32550.29650.24700.23(a).UO =40V,D=0.4对应的U O 波形图
U O =40V,D=0.4对应的I O 波形图
(b).UO =50V,D=0.32对应的U O 波形图
U O =50V,D=0.32对应的O
波形图
(c).UO =55V,D=0.39对应的U O
波形图
U O =55V,D=0.39对应的I O 波形图
(d).UO =65V,D=0.24对应的U O
波形图
U O =65V,D=0.24对应的O 波形图
(e).UO =70V,D=0.23对应的U O 、IO
波形图
U O =70V,D=0.23对应的O
波形图
结果分析:可见当输入电压不同时,调节占空比控制MOS 管导通频率,输出电压U O 基本稳定在10V 左右,输出电压I O 在5A 左右,符合试验要求。
六、实验波形图
七、心得体会
为期两个星期的课程设计结束了,通过这次设计学习,我对开关电源有了更深刻的认识。
本次试验,坎坷颇多,感触颇多。一开始对正激只有个模糊概念。但是任何一个课题都马虎不得,做东西要本着严谨的态度,所以前期查阅了大量的资料,并得到自己需要的电路图,深刻学习了正激变换器的工作原理。并且观看了相关视频,对正激变换器如何实现电压变化的进行了深刻地研究。不懂的问题也及时记录下来询问老师。
前期的准备工作做好之后,便开始参数的计算,这确实是个细心的过程,要考虑到很多因素。电力电子器件的选用马虎不得,只有精确计算选型,才能给仿真打下良好的基础。
前两步的工作做完,对正激变换器有了更深刻的认识,迫不及待开始仿真了。由于个人对PROTUES 比较熟悉,所以初步选用的是PROTUES 进行仿真,可是无奈所得波形振荡严重,完全不符合实验要求,分析总结,是因为PROTUES 里面的变压器不适合开关电源仿真,查阅大量资料,许多前辈都遇到这个问题,还未能得到很好的解决。
所以,只能放弃PROTUES ,选用老师推荐的SABER ,果然,SABER 可供选的变压器就比较多了,经过一番设计测试之后,搭建好了开环电路图,可是距离课程设计结束时间也所剩无几,只能用开环电路图模拟闭环效果,总归,是能达到仿真目的的。
每次一课程设计都是一个提升自己的机会,只有在实践中,才能发觉理论知识学习中的不足,只有遇到问题并且想方设法去解决,才能培养自己处理事情的
能力。
虽然课程合计接近尾声,但此中掌握的学习方法,培养的精神对我以后的道路起到了至关重要的影响。我会总结经验,在今后的学习生活中做的更好。
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