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正文內(nèi)容

單開關(guān)高增益升壓變換器的仿真研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-08-16 20:09 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 優(yōu)點是可以是輸入電流連續(xù),并且在整個輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制,因第 1 章 緒論 5 此可以獲得 很高的功率因數(shù),該電路的 電感 電流 即為輸入電流,因而容易調(diào)節(jié),同時開關(guān)管驅(qū)動信號與輸出共地,驅(qū)動簡單,此外輸入電流連續(xù),開關(guān)管的電流峰值較小,因此對輸入電壓變化適應(yīng)強。但是儲能電感在 Boost 升壓電路中起著極為關(guān)鍵的作用,一般而言,其電感值越大,匝數(shù)越多,阻抗就越大,這樣就會容易引起電感飽和,發(fā)熱量增加,嚴重威脅產(chǎn)品的壽命。同時受到開關(guān)管電壓應(yīng)力、變換效率等因素,限制了電路體積的進一步減小,同時分布參數(shù)也制約了其效率的提高的限制。 經(jīng)典 Boost 變換器要實現(xiàn)高電壓增益需寬占空比導(dǎo)通,然而寬占空比導(dǎo)通、高 壓輸出下二極管反向恢復(fù)會造成嚴重的開關(guān)損耗及電磁干擾等問題;高匝比的反激變換器可以實現(xiàn)高電壓增益,但在低壓輸入高壓輸出的場合原邊匝數(shù)少,漏感大,需箝位電路限制開關(guān)器件電壓應(yīng)力,能量不能高效地傳輸。 CRLD CLD 1S 圖 14 傳統(tǒng) Boost 拓撲圖 傳統(tǒng)的 Boost 變換器的研究缺陷 和如何改良 : 開通期間,二極管的反向恢復(fù)電流易使開關(guān)管通過浪涌電流,導(dǎo)致開通損耗并成為 EMI 源。關(guān)斷期間由于電路電感的作用造成了非常高的尖峰電壓,所以形成關(guān)斷 損耗并變成 EMI 源。電壓升壓不可以太大,否則在電壓較高輸出時,開關(guān)管負擔(dān)很高的電壓。普通的 Boost 電路造成電路很大損耗,嚴重的電磁干擾,可靠性不高,由于開關(guān)的頻率持續(xù)升高,此現(xiàn)象會更加突出。所以,在電路中必須解決此問題,最簡單有效的方式是加上 RC 緩沖電路,但 RC 緩沖電路不能根本解決電路的開關(guān)損耗。電壓增益提高幅度與漏感和激磁電感的比值有關(guān),漏感越大 ,電壓增益也越高,也即 BFC 在克服反激變換器漏感問題的同時,利用變壓器漏感提升了電壓增益,這表明,同樣的原邊開關(guān)管電流應(yīng)力,可以實現(xiàn)更大的輸出功率;漏感還可以限 制二極管電流的變化率,改善變換器電磁兼容特性;另一方面,漏感變大也會導(dǎo)致開關(guān)管電壓應(yīng)力升高,次 Boost 變換器的輸出電壓和傳統(tǒng)的 Boost 變換器輸出電壓是一樣小,因此,可以使用低電壓范圍和低電阻 RDS(ON)的半導(dǎo)體場效應(yīng)管( MOSFET),大大降低了傳導(dǎo)損耗。實際電路中,應(yīng)綜合考慮器件應(yīng)力、電壓增益等因素合理設(shè)計變壓器。 6 Flyback 電路工作原理 Flyback 主要用在 250W 以下的電路中,其中的變壓器既有變壓器的作用,也有電感的作用。其有兩種工作方式:一種轉(zhuǎn)換方式就是完全能量,即電感斷續(xù)電流工 作的狀態(tài);另一種轉(zhuǎn)換方式是不完全能量,即電感連續(xù)電流工作狀態(tài)。工作過程:當(dāng)導(dǎo)通MOS 管時,電源電流通過變壓器的原邊,原邊電流增大,而副邊因二極管 D1 的原因,電流大小為 0,變壓器增加磁心磁感應(yīng)強度,變壓器儲存能量;當(dāng)關(guān)斷 MOS 管時,原邊電流很快降成 0,在反激作用下副邊電流迅速增加到峰值,隨后線性減小,此時原邊由于關(guān)斷開關(guān)管,電流為 0,變壓器磁心磁感應(yīng)強度減小,變壓器放能。 SW 1 D 1C 1U 0U i 圖 15 Flyback 電路拓撲圖 傳統(tǒng)的 Flyback 變換器的研究缺陷: 反激電路比較簡單,所以在中小功率領(lǐng)域被廣泛使用,通過對匝比調(diào)整,反激變壓器能達到高電壓的增益,但在低壓輸入高壓輸出應(yīng)用場合變壓器原邊匝數(shù)很少,導(dǎo)致變壓器的漏感其占激磁電感比例明顯變大,漏感會令變換效率下降 ,也會造成開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰偏高,最嚴峻時會擊穿開關(guān)管,因此應(yīng)用反激變壓器不容易高效率地傳輸能量。 輸出電壓會有較大的紋波 ,負載調(diào)整精度不高 ,因此輸出功率受到限制 ,通常應(yīng)用 150W 以下。轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)模式下工作時 ,有較大的直流分量 ,容易使磁芯飽和 ,所以必須在磁路中加入氣隙 ,磁 力線在氣隙附近會有散磁通,也就是漏磁,這部分散磁通會切割鄰近的導(dǎo)線,從而改變了鄰近導(dǎo)線的鄰近效應(yīng),使得磁場分布發(fā)生改變,從而影響漏感,而且氣隙也對漏感的影響較大。 變壓器有直流電流成份 ,且同時會工作于 CCM/DCM 兩種模式 ,故在設(shè)計變壓器時較困難 ,反復(fù)調(diào)整次數(shù)較順向式多 ,迭代過程較 繁瑣 。 Boostflyback 升壓變換器在功率開關(guān)管和功率二極管兩端的電壓較低,而且電壓增益比較高 , Boostflyback 升壓轉(zhuǎn)換器的耦合電感是電路輸出端得到更高的電壓;輸出側(cè)的電容可以斷開緩沖器,抑制電壓峰值;低額定電壓的 功率開關(guān)是用來減少輸送損耗。引入耦合電感、 Boost、 Boost 組合變換等可以實現(xiàn)利用變壓器漏感能量,并實現(xiàn)開關(guān)管關(guān)斷電壓降低,針對本設(shè)計的參數(shù)要求, Boostflyback 變換器是最合適的變換器。該變換器 Flyback 變換器變壓器原邊電感和 Boost 變換器電感共用, Flyback 變第 1 章 緒論 7 換器的開關(guān)管和 Boost 變換器開關(guān)管共用, Flyback 變換器的輸出和 Boost 變換器的輸出串聯(lián),變壓器漏感能量能夠回饋到 Boost 變換器的輸出,從而獲得高增益高效率特性。電路具有結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件電壓應(yīng)力減少的 優(yōu)點。 本文的研究內(nèi)容及意義 非隔離型高增益直流變換器可以實現(xiàn)高增益、高效率的功率變換,在新能源發(fā)電,工礦照明等場合都有廣泛的應(yīng)用,具有重要的研究意義。為了獲得高增益、高效率的直流變換器,本文的主要研究內(nèi)容如下: 第一章介紹了課題的研究背景、研究意義,講述了非隔離型高增益直流變換器的研究現(xiàn)狀、研究熱點與方向。 第二章首先介紹了 Boostflyback 變換器的工作原理。 第三章對 Boostflyback變換器控制和主電路參數(shù)計算。 第四章對 Boostflyback 進行電路仿真,分析仿真結(jié)果與理論 計算對比。 第五章對全文進行了總結(jié),并針對研究過程中存在的問題提出了工作展望。第 2 章 Boostflyback 變換器 8 第 2 章 Boostflyback 變換器 變換器拓撲結(jié)構(gòu)與工作過程 拓補結(jié)構(gòu)及其工作原理 圖 211 拓補結(jié)構(gòu) Boostflyback 升壓變換器在功率開關(guān)管和功率二極管兩端的電壓較低,而且電壓增益比較高, Boostflyback 升壓轉(zhuǎn)換器的耦合電感 使得 電路輸出端得到更高的電壓輸出;輸出側(cè)的電容可以斷開緩沖器,抑制電壓峰值;低額定電壓的功率開關(guān)是用來減少輸送損耗。引入耦合電感 、 Boost、 Boost 組合變換等可以實現(xiàn)利用變壓器漏感能量,并實現(xiàn)開關(guān)管關(guān)斷電壓降低, 但拓撲和控制變得復(fù)雜。本文基于 Boost 拓撲與反激拓撲的有機組合,研究一種新的高升壓比、高效 Boostflyback(BoostflybackConventer ,BFC) 變換器拓撲。 Boost 與 Flyback 變換器輸入級具有相同的結(jié)構(gòu),將兩個變換器的輸入級共用、輸出級串聯(lián)則構(gòu)成了 BFC,中 Lp、 Ls 和 Lk分別為變壓器的激磁電感和漏感, NP 和 NS分別為變壓器原副邊繞組,且 NS:NP=n。 BFC 中, D1 相當(dāng) 于 Flyback 變換器的輸出二極管,D1 相當(dāng)于 Boost 變換器的輸出二極管,與反激變換器類似,通過改變變壓器匝比可以提高輸出電壓增益, D1 實現(xiàn)了主開關(guān)管的電壓鉗位,同時將變壓器漏感能量傳輸?shù)搅溯敵鰝?cè)。采用輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以進一步提高輸出電壓增益,同時減小輸出電容的電壓應(yīng)力,減小輸入輸出電壓或電流紋波,且有利于減小每個變壓器的功率等級 ,改善器件電壓應(yīng)力。 9 D1C1D2C2R1D CsD3 圖 212 Boostflyback 拓撲圖 Boostflyback 變換器的優(yōu)點: Boost 環(huán)節(jié)與反激環(huán)節(jié)輸入支路共用,零電壓開關(guān)管開通,零電流關(guān)斷二極管,二極管的反向恢復(fù)問題就不存在了,其變換的效率也極高。 Boost— flyback 采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的變換器輸出端,提升了輸出的電壓其增益,變換器采用兩路并聯(lián)輸入輸出串聯(lián)的方案,更大的提高了變換器其電壓的增益,同時減弱了器件的應(yīng)力、減弱了輸出輸入電流或電壓的紋波,對于具有反激電路的變換器,一樣的關(guān)開管電流應(yīng)力,得以實現(xiàn)更高的功率輸出。拓撲也非常簡潔,功率的密度不高,成本也大大降低。 DCM 模式下工作的變換器,開環(huán)模 式也可以控制輸出的功率,除此以外,開關(guān)管共地驅(qū)動,所以驅(qū)動、控制十分簡單。 拓撲工作過程分析 在進行具體的工程計算之前,先在理想狀態(tài)下分析電路工作原理。理想假設(shè)如下: (1)變換器以工作在穩(wěn)定狀態(tài); (2)濾波電感足夠大,以保證在功率開關(guān)的一個周期中,其電流基本不變; (3)電路中所有元器件均為理想器件。 根據(jù)波形圖,可以把電路的一個工作周期分為 4 個模態(tài)。下面具體對四個模態(tài)進行分析,從而進一步了解其工作的具體過程和原理。 設(shè)計電路時,首先對于變壓器電感的量應(yīng)該明確。臨界連 續(xù)的電流決定電感值。臨界連續(xù)時,在晶體管關(guān)斷瞬時,次級電流剛好下降到零。臨界的連續(xù)是特例的連續(xù)。安匝恒頻的連續(xù)模式的反激變換器電流輸出降低就會進入斷續(xù)模式。斷續(xù)模式的下一級電流維持時間短于開關(guān)管的截止時間。零電流導(dǎo)通晶體管,二極管輸出整流并且零電流關(guān)斷。和連續(xù)模式對照,功率開關(guān)管的關(guān)斷電流比連續(xù)模式電流大出多倍,關(guān)斷變換器的損耗增加,同時漏感引起功率損耗也會加大。 第 2 章 Boostflyback 變換器 10 圖 213 電流 連續(xù)波形 (波形 a)、和 電流 臨界連續(xù)波形 (b)和 電流 斷續(xù)波形 (c) 變換器工作過程分析如下: 階段 1[t0, t1] t0起始時刻 S已穩(wěn)定導(dǎo)通閉合, D1反向截止斷開, D2反向截止斷開, C C2電壓相等。在此階段,反激電感的電流持續(xù)上升直至 t1時升到峰值,存儲的能量增加到最大值,同時次級二極管被放置在反激式變換器 D1偏置反向, Boost的續(xù)流二極管 D2關(guān)斷。輸出電容存儲的能量供電給負載 (S導(dǎo)通 , D D2關(guān)斷 )。如圖 [t0,t1]。 C1C2R1D CsD3 圖 2 1 4 [t0 ,t1 ] 11 階段 2[t1 , t2 ] t1時刻 ,信號控制作用 S關(guān)斷,兩 個途徑傳遞電感能量傳遞給負載:部分儲能經(jīng)過反激電感傳遞能量給次級傳遞;另一部分能量通過電感漏感和續(xù)流二極管串聯(lián)向負載供電 (S關(guān)斷, D D2導(dǎo)通 )。如圖 215 [t1,t2]。 C2R1D CC1 圖 215 [t1,t2] 階段 3 [t2, t3] 該階段,電感副邊電壓不足驅(qū)動二極管導(dǎo)通, D1二極管關(guān)斷,電感中的能量和電源繼續(xù)經(jīng) D2電路向負載供電,直至 S重新導(dǎo)通。到這一階段, 電路完成一個工作周期。也就是此階段末尾,開關(guān)管 S又重新導(dǎo)通開始下一個工作周期。如圖216[t2,t3]。 C1C2R1D C 圖 216[t2,t3] Boost DCDC 變換器模型 從本質(zhì)上來說, Boost 變換器在電感充電的過程中,同 Boost 變換器開通過程一樣。當(dāng)開關(guān)控制關(guān)閉,開關(guān)管導(dǎo)通提供回路共電感放電。雖然需要更多的元件和額外的開關(guān)邏輯時序,但是該拓撲提高了工作效率,更快的開關(guān)導(dǎo)通時間,與二極管相比更低的 場效應(yīng)晶體管 串聯(lián)電阻 。一個平均電路模型可以表示的寄生電阻效應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器 。在第 2 章 Boostflyback 變換器 12 里面,一個非線性大信號模型實際的開關(guān)元件可以得到。此模型是用于電壓的設(shè)計和分析有用和電流回路和用于輸入和輸出阻抗該轉(zhuǎn)換器平均電流控制。采用直流和小信號電路模型,包括寄生分量導(dǎo)出的方程為直流電壓增益和效率。以恒定頻率以及控制穩(wěn)態(tài)分析策略在可變頻率模式的變形回掃變換器。升壓轉(zhuǎn)換器單元的電流共享特性已被來自用于解析表達式穩(wěn)態(tài)運行。由采用耦合電感,一個集成的升壓,反激轉(zhuǎn)換器與高電壓增益,提出了高效率、高電壓升壓轉(zhuǎn)換器的增益,其中的操作類似于其對應(yīng)與的有源 鉗位電路,只有一個二極管代替活躍的電源開關(guān)。 LDCSD 1C R LD 2 圖 22 Boost 變換器結(jié)構(gòu)圖 Boost 拓撲電路 , 可以分別寫出 Boost 變換器開通和關(guān)斷狀態(tài)方程。 因為每一個開關(guān)周期都是非常短暫的 , 所以我們在一個開關(guān)周期內(nèi)用空間狀態(tài)平均法來綜合兩個階段的方程 , 可得到一個有關(guān)輸出電壓和開關(guān)頻率的非線性狀態(tài)方程。 Boost DCDC變換器結(jié)構(gòu)圖見圖 22。用狀態(tài)空間平均模型來描述同步 DCDC Boost 變換器 ,有: )()()( )()( ttVtd tditv gLo ???? (21) Rtvtidt tdvC oLo )()()( ?? (22) 其中 L 為電感感值, C 為電容容值, R 為負載電阻, )(tVg 輸入電壓, ??tiL 電感電流, ??tvo輸出電壓, )
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