【文章內(nèi)容簡介】 Ⅱ.變壓器設(shè)計(jì)1．下面對交錯并聯(lián)式雙管正激電路進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)：指標(biāo)：輸入電壓Ui=12V(~)輸出電壓Uo=264V輸出功率Po=200W（本設(shè)計(jì)按1倍過流計(jì)算）工作頻率fs= 100kHz(1)選取鐵氧體材料，型號為EE型R2KBD電路是驅(qū)動起動，不會出現(xiàn)合閘瞬間的沖擊電流所引起的變壓器飽和，因此確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度為： (218)(2)鐵芯型號的計(jì)算與確定由交錯并聯(lián)的特點(diǎn)，變壓器傳遞的脈寬小于T/2，T為周期，鐵芯的功率處理能力由鐵芯尺寸決定，所以，工程設(shè)計(jì)一般按輸出功率來確定鐵芯型號。本設(shè)計(jì)取DB=2000GS，由并聯(lián)取輸出功率Po=200W，有：(219)其中，主功率管開關(guān)頻率為100kHZ，填充系數(shù)Kc= ，鐵芯窗口利用系數(shù)Ku=，導(dǎo)線的電流密度j=300A./cm2。選取EE33鐵芯，它的有效截面積與鐵芯窗口面積的計(jì)算如下：因此：該鐵芯的SQ值大于計(jì)算值,選定該鐵芯型號。(3)繞組計(jì)算，這里取10V計(jì)算，導(dǎo)通比選取最大值D=，按輸入電壓最低、輸出滿載的狀況，計(jì)算原、副邊線圈匝數(shù)： (220)原邊繞組匝數(shù)為：取N1=2匝。 (221)副邊繞組匝數(shù)為：（UD為整流二極管的壓降，r為副邊導(dǎo)線電阻）取N2=57匝。有效占空比為： (222) (223)(4)導(dǎo)線線徑的計(jì)算與選定首先，計(jì)算原副邊線圈電流的有效值。暫不考慮流經(jīng)N2與濾波電感電流的紋波，因此流過N2的電流幅值就等于流過電感電流的平均值，即負(fù)載電流Io。 (224)N2邊的電流有效值： (225)原邊電流幅值： (226)取磁化電流Iu等于5%，則： (227)因此，流過原邊的有效值為： (228)由電流密度j=3 A/mm2，分別計(jì)算NN2的導(dǎo)線截面積： (229) (230)考慮到電流集膚效應(yīng)，工作頻率為100kHZ時。結(jié)合工程要求，選取導(dǎo)線為：原邊：，副邊：?？刹捎迷边厞A繞的方法以減小漏感。(5)鐵芯窗口面積的核算取銅皮的寬度為26mm。得窗口利用系數(shù)為： (231)這說明，線圈能繞得下，變壓器設(shè)計(jì)全部完成。由變壓器設(shè)計(jì)可知，它等于流經(jīng)功率開關(guān)管電流的有效值。，因此，選取功率開關(guān)管IRL1004，它的最大漏源電壓UDSS=40V，最大漏極電流平均值ID=130A，Ciss=5330PF, Coss=1480PF, Crss=320PF, 導(dǎo)通電阻RD= 9mW，能夠滿足電路要求。(1) 原邊續(xù)流二極管的選取交錯并聯(lián)式雙管正激電路，原邊續(xù)流二極管所流經(jīng)的電流等于變壓器原邊的磁化電流。取磁化電流的峰值等于5%的負(fù)載電流峰值，可得磁化電流的峰值為： (232)這里，磁化電流流經(jīng)原邊續(xù)流二極管的時間為(1D)T，則可算出磁化電流有效值： (233)根據(jù)計(jì)算，選取續(xù)流二極管為肖特基二極管1n5822，最大反向耐壓為40V，最大平均電流為3A。(2) 副邊整流二極管的選取副邊整流二極管最大反向電壓為兩倍的副邊電壓，有： (234)最大電流有效值： (235)因此選取副邊整流二極管為MUR8100，它是快恢復(fù)二極管，其最大平均電流為8A，最大反向耐壓達(dá)1000V。(3) 副邊續(xù)流二極管的選取計(jì)算副邊續(xù)流二極管的最大反向耐壓： (236)計(jì)算最大電流有效值： (237)由二極管的反向恢復(fù)性，它存在電壓尖峰，因此，還是選取MUR8100這種快恢復(fù)二極管。雙管正激變換器屬于Buck族電路，可等效為開關(guān)頻率高一倍的Buck電路?，F(xiàn)將本文的雙管正激變換電路等效為一個基本Buck電路，其Ui=1257/2=342V，U0=264V，Po=200W，fs=100kHz。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通、截止時變換器的基爾霍夫電壓方程分別為式(238)～(239)。 (238) (239)其中，設(shè)二極管的通態(tài)壓降VD=；電感內(nèi)阻的壓降VL=；開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=。 再根據(jù)電路條件，列出(240)和(241)方程式： (240) (241)聯(lián)立(238)~(241)，得： 。此時，占空比，在式(222)、(223)計(jì)算的范圍內(nèi)。，可將電感的值，適當(dāng)放大些，可以取2mH。由濾波電路電壓脈動公式： (242)由式(241)、(242)得電容等效電阻ESR： (243)雖然電解電容的生產(chǎn)廠家不會明確給出電容的ESR值，但電容的為常數(shù)，約為本課題選擇，由式(243)中得到RESR=，得到C=。取濾波電容C=5。 本章小結(jié)本章分析了功率電路的工作原理，并對一個周期內(nèi)的不同狀態(tài)分別進(jìn)行了等效電路分析。根據(jù)分析結(jié)果，選定了變壓器、功率開關(guān)以及各種二極管的型號，并進(jìn)行了相應(yīng)的工程計(jì)算，確定了濾波電感電容的大小。第3章 系統(tǒng)建模與控制電路的設(shè)計(jì) 功率電路建模本文使用狀態(tài)空間平均法對交錯并聯(lián)式雙管正激電路建立數(shù)學(xué)模型。狀態(tài)空間平均法的建模思路相同與基本建模思想，即在某一靜態(tài)工作點(diǎn)中引入小信號的擾動，以獲得系統(tǒng)在加入正弦小信號擾動之后的微小變化，再用狀態(tài)方程形式對基本建模法加以整理，簡化計(jì)算過程，使各種不同結(jié)構(gòu)變換器的解析模型具有了統(tǒng)一的形式。交錯并聯(lián)式雙管正激電路屬于Buck族，與Buck基本電路不同的是，它加入了變壓器進(jìn)行了升壓和隔離。其交錯并聯(lián)的工作模式，可以等效為一個開關(guān)頻率高一倍的Buck電路，即，其中n為變壓器原副邊匝數(shù)比，為等效輸入電壓，為等效開關(guān)頻率。為了方便分析，特作如下假設(shè)：(1)所有開關(guān)器件皆為理想器件，即損耗為零；(2)擾動信號遠(yuǎn)小于輸入穩(wěn)態(tài)信號；(3)變換器的開關(guān)頻率比低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率大得多。(4)電路工作于電流連續(xù)模式(CCM)。在CCM模式下，交錯并聯(lián)式雙管正激電路在一個周期內(nèi)有兩個開關(guān)狀態(tài)。 (a)導(dǎo)通狀態(tài) (b)關(guān)斷狀態(tài) 交錯并聯(lián)式雙管正激電路兩種工作狀態(tài)工作狀態(tài)1此時變壓器副邊電路整流二極管導(dǎo)通，續(xù)流二極管截止，(a)所示，電感電壓vL(t)與電容電流ic(t)分別為： (31)輸入電流ig(t)即為電感電流i(t)，輸出電壓v(t)即為電容電壓，則有 (32)將(31)與(32)寫成狀態(tài)方程與輸出方程的形式為 (33) (34)由式(33)和(34)得出ABC1和E1分別為： (35)工作狀態(tài)2此時變壓器副邊電路整流二極管截止，續(xù)流二極管導(dǎo)通，(b)所示，電感電壓vL(t)與電容電流ic(t)分別為： (36)由于該狀態(tài)時，變壓器副邊電路正在續(xù)流，因此輸入電流為零，則 (37)輸出電壓v(t)仍為電容電壓v (t)本身。將(36)和(37)式整理為狀態(tài)方程和輸出方程的形式，得 (38) (39)由式(38)和(39)得出ABC2和E2分別為： (310)根據(jù)式(35)和(310)求得矩陣A、B、C和E，分別為： (311) (312) (313) (314)與狀態(tài)向量和輸出向量相對應(yīng)的直流分量向量分別為X=[1，V]T，U=[Vg]，和Y=[Ig，V]T。確定交錯并聯(lián)式雙管正激電路的靜態(tài)工作點(diǎn)為 (315) (316)由式(315)得交錯并聯(lián)式雙管正激電路的電壓變比與電感電流的穩(wěn)態(tài)值分別為 (317) (318)由式(316)得出輸入電流的穩(wěn)態(tài)值為 (319)與狀態(tài)向量、輸入向量和輸出向量相對應(yīng)的交流小信號分量向量分別為：，和，建立交錯并聯(lián)式雙管正激電路的小信號狀態(tài)方程與輸出方程為(320) (321)其中，直流分量V和I由式(317)、(318)確定。交流小信號的狀態(tài)方程與輸出方程的形式如下： (322a) (322b)根據(jù)(322)式中的狀態(tài)變量與輸出變量，對其做拉氏變換，設(shè)各狀態(tài)變量的初始值為零，則 (323) (324)聯(lián)立(323)、(324)，得： (325)(326)下面建立交錯并聯(lián)式雙管正激電路的穩(wěn)態(tài)低頻小信號標(biāo)準(zhǔn)型電路。根據(jù)式(317)，可知交錯并聯(lián)式雙管正激電路的穩(wěn)態(tài)電壓變比為 (327)M(D)為變換器的穩(wěn)態(tài)電壓變比的理想值，則 (328)由于分析對象為理想變換器，則k=1，所以 (329)以輸入電流ig(t)和輸出電壓v(t)為輸出變量，利用式(326)可表示為 (330) (331)將式(35)、(310)、(311)、(314)和(315)代入式(326)，得(332)將式(332)與式(330)和(331)對照，得“輸入——輸出”的傳遞函數(shù)： (333)“控制——輸出”的傳遞函數(shù)： (334)“控制——電感電流”的傳遞函數(shù)： (335)“輸入——電感電流”的傳遞函數(shù)： (336)控制系數(shù)計(jì)算如下： (337) (338) (339)由式(339)可以得到：Le=L，Ce=C (340)。 功率電路的穩(wěn)態(tài)低頻小信號標(biāo)準(zhǔn)型電路 電壓控制脈寬調(diào)制器建模與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)傳遞函數(shù)的建立。它是一個單環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這種控制方式簡單、穩(wěn)定、易于設(shè)計(jì)，也可以保證很好的穩(wěn)壓精度。 電壓控制型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，控制電路由控制器、PWM比較器、時鐘電路和觸發(fā)器組成。其中，控制器是由電壓采樣網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組成，輸出電壓經(jīng)過電壓采樣網(wǎng)絡(luò)得到Hv與參考電壓Vref比較后產(chǎn)生誤差信號ve作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對這個誤差進(jìn)行放大后對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆群拖辔谎a(bǔ)償，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理是：在某個瞬間，當(dāng)輸出電壓高于其額定值時，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸出的控制信號vc(t)降低，觸發(fā)器輸出高電平的脈沖寬度變窄，減少主電路從輸入電源汲取能量的時間，使得輸出電壓的平均值維持不變。在以下分析里，uc(t)表示占空比的控制信號，uR(t)是鋸齒波信號，周期為T，即開關(guān)頻率的周期，峰峰值為VM。設(shè)uc(t)在一個周期T內(nèi)變化很小，則當(dāng)t∈[nT，(n+1)T]時，uc(t) = uc(nT)。這就相當(dāng)于用一個單位沖擊序列在t=nT (n=0,1,2…)時，對uc(t)信號進(jìn)行采樣和保持?？捎靡粋€采樣開關(guān)δT和零階保持器Gho(s)表示這個過程。鋸齒波uR(t)的一般表達(dá)式為 (341)在PWM中，當(dāng)時，令，則有 (342)對式(342)兩邊取Z變換，得 (343)式(343)為PWM的離散數(shù)學(xué)模型。對式(342)進(jìn)行如下處理，令nT→t，則式(342)變?yōu)檫B續(xù)函數(shù)，對其進(jìn)行拉氏變換得 (344)則PWM的傳遞函數(shù)為 (345)至此，電壓控制回路的PWM部