【文章內(nèi)容簡介】 都由一個功率開關(guān)管和一個二極管組成，不會有直通現(xiàn)象。 UiT 1D 2D 5D 7D 6C 1T 2L 1C 2RD 1D 4D 3V 1V 2V 4V 3圖 交錯并聯(lián)式雙管正激變換器功率電路圖 交錯 并聯(lián)式雙管正激式 DC/DC變換器有以下特點：第一，任何工作條件下，開關(guān)管所承受的電壓不會超過輸入電壓。第二，與單端正激式 DC/DC變換器相比，它無須復(fù)位電路，這有利于簡化電路和變壓器的設(shè)計；其功率器件可選擇較低的耐壓值；其功率等級也會很大。第三，兩個開關(guān)管的工作狀態(tài)一致，會同時處于通態(tài)或斷態(tài)，其開關(guān)管比較容易選擇。第四，本課題采用 兩個并聯(lián)單元以相位相差 180176?；パa方式工作的交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能將同頻工作下的開 關(guān)管 輸出電壓頻率提高一倍，減小了輸出濾波電感的大小。第五，兩路并聯(lián)的結(jié)構(gòu)使輸出電壓占空比翻倍，整流側(cè)的輸出電壓占空比可在 0~1之間變化，既提高了電路響應(yīng)能力，又簡化了驅(qū)動設(shè)計。同時也將整流側(cè)的峰值電壓減小了一半，續(xù)流時間縮短，這有利于續(xù)流二級管的選擇。第六，該結(jié)構(gòu)可以使每個并聯(lián)支路流過的功率更小，從而 使熱分布均勻，消除變換器的 “ 熱點 ” ， 減小了功率器件的功率損耗，能充分發(fā)揮低功率、高速半導(dǎo)體器件的作用，進一步提高了設(shè)計整體的開關(guān)頻率，縮小了變壓器的體積。 綜上所述， 交錯 并聯(lián)式雙管正激電路結(jié)構(gòu)不需添加其他回路就 能實現(xiàn)勵磁能常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 量的回饋，結(jié)構(gòu)簡潔，損耗低。同時，主功率管只需承受電源電壓，從而選擇面更廣。而并聯(lián)結(jié)構(gòu)縮小了輸出濾波電感的體積，降低了器件的應(yīng)力，從而減小了損耗。 控制電路的選擇 本課題的控制電路包括 PWM 控制器電路、電壓檢測電路、補償網(wǎng)絡(luò)、過流保護以及開關(guān)管的驅(qū)動電路等部分構(gòu)成。由于課題指標對變換器的輸出電壓范圍精度要求較高，所以采用電壓反饋控制方式。 芯片采用 UC3825 電壓型脈寬調(diào)制器。輸出電壓反饋信號跟隨基準電壓變化而變化，誤差信號經(jīng)放大、比較后，送給 PWM 控制器，從而調(diào)節(jié)開關(guān)管驅(qū)動信號的占空比 ，實現(xiàn)控制輸出電壓的目的。系統(tǒng)的控制框圖如圖 所示。 圖 電壓控制框圖 本 文研究的主要內(nèi)容 本文第一章 敘述 了 本課題研究的 意義，列舉并比較了各種拓撲，給出了課題研究方案 。第二章 分析了功率電路的運行模態(tài)，計算了元器件的參數(shù) 。第三章 詳細推導(dǎo)了電路數(shù)學(xué)模型，設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò) 。第四章對 第三 章所建立的控制電路 ，用Matlab、 Psim 進行 閉環(huán)仿真，從仿真 結(jié)果驗證設(shè)計的可行性 。最后第 五 章總結(jié)了全文。 本章小結(jié) 本章 敘述 了開關(guān)電源概 況和 本課題研究的 意義，列舉并比較了各種拓撲結(jié)構(gòu)，給出了課題研究方案 及其控制框圖 。 放大器 PWM 控制器 功率電路 電壓檢測電路 Vg ~ 過流保護 Ui Uo _ + 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 9 第 2 章 功率電路狀態(tài)分析及其參數(shù)設(shè)置 功率電路結(jié)構(gòu) 及其工作原理 分析 電路結(jié)構(gòu)分析 功率電路拓撲結(jié)構(gòu) 如圖 ， 電路采用兩路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，變壓器起隔離和變壓的作用 。 V V D D2 構(gòu)成一條支路， V V D D4 構(gòu)成第二條支路，它們工作頻率大小相等，功率管工作相位相差 180176。 。 因為有能量釋放通路，變壓器初級無須再有復(fù)位繞組，同時 D D D D4 的導(dǎo)通限制了兩個調(diào)整管關(guān)斷時所承受的電壓。輸出 回路需有兩個整流二極管 D D6 和一個續(xù)流二極管 D7。電感器 L1 是濾波電感， C2 是 輸出濾波電容。 CV1~CV4 分別為 V1~V4 的漏源結(jié)電容，變壓器一次側(cè)與二次則匝數(shù)比為 N=N1： N2。 功率電路工作原理分析 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。 交錯并聯(lián)式雙管正激變換器波形圖如圖 所示。 其中， UV1,2， UV3 ,4 分別為加在開關(guān)管 V V V V4 柵極和源極間的驅(qū)動電壓， UD1,2， UD3,4 分別為加在 二極管 D D D D4 上的電壓。 VV1,2， VV3,4 分別為開關(guān)管 VV V V4 兩端的電壓。 根據(jù)波形圖，可以把電路的一個工作周期分為 6 個模態(tài)， 分別 如圖~ 所示。 Ⅰ 模態(tài) 1 [t0~t1] 如圖 所示，在 t0 時刻，開關(guān)管 V V2 導(dǎo)通，二極管 D D2 截止。電源與變壓器 T2 原邊線圈接通，電流上升，向 T2 副邊傳送電能。副邊電路中整流二極管 D6 導(dǎo)通，續(xù)流二極管 D7 截止，負載兩端電壓上升。與此同時，開關(guān)管 V V4 截止，二極管 D D4 導(dǎo)通，儲存在變壓器 T1 原邊的電能通過 D常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 D4 形成回路回饋電源，電流減小。在本模態(tài)時段中， D D V3 和 V4 上承受輸入電壓，而 D5 要承受變壓器副邊電壓的兩倍。 變壓器原邊 勵磁 電流計算如下： 1 1 ( m a x ) 01( ) ( )iMM MUi t I t tL? ? ? (21) 202( ) ( )iM MUi t t tL?? (22) 其中， L1M、 L2M 分別為變壓器 T T2 原邊線圈的磁化電感。 I1M(max)為 L1M在 S S2 導(dǎo)通那一瞬間的電流值。 圖 變換器工作波形圖 UV1,2 VV1,2 UD3,4 VV3， 4 UD1,2 UV3,4 i1m i2m UD7 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 1/2Ui Uin Uin 1/2Ui Uin 1/2Ui 1/2Ui D T 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 C 1C 2D 3D 4D CRD 6L 1T 1T 2 圖 [t0~t1] Ⅱ 模態(tài) 2 [t1~t2] 如圖 所示， 本模態(tài)時段中， V V2 仍然導(dǎo)通，向變壓器副邊供電。與模態(tài) 1 不同的是，在 t1 時刻，變壓器 T1 原邊勵磁電流 i1m(t1)降 為 0， D D4隨之截止， V V4 漏源結(jié)電容 CV CV4 開始諧振。由于 CV CV4 的 放電作用，i1M 反向流動 ， 在此模態(tài)時段內(nèi)，若 CV CV4 放電完畢， 則 V V4 兩端電壓降為 0， 此時 因 V V4 體二極管導(dǎo)通， V V4 兩端電壓 只能 箝位為 0。 因為V V2 的導(dǎo)通，使得副邊回路中續(xù)流二極管 D7 不工作， D7 上的電壓箝位在Ui/N， 變壓器 T1 副邊 電壓略小于 iU /N， T1 原邊電壓諧振至 2ONUD 。 電路 中漏源結(jié)電容 CV CV4 與 T1 原邊線圈構(gòu)成 LC 振蕩電路 ， C 總 為 CVCV4 的等效總電容，則： 341 1 1=VVC C C?總 又因為 CV3=CV4， 所以 3= 2VCC總，則： 11 + c o s ( )VV 2 rC C itt U? ???34 (23) 11( ) s in ( )iMrrUi t t tZ ?? ? ? (24) 2 1 0 122( ) ( )iiM MMUUi t t t tLL? ? ? ? (25) 其中， 22 2 22 1r r M SLZ L L LCLC? ? ? ? ?? 總總 ， 。 由公式 (23)~(25)，得出在 t2 時刻： 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 1 2 1( ) s in ( )iMrrUi t t tZ ?? ? ? (26) 2 2 (m a x ) 2 iM M SMUi I D TL?? (27) C 1C 2D CRD 6L 1T 1T 2C V 3C V 4 圖 [t1~t2] Ⅲ 模態(tài) 3 [t2~t3] 如圖 所示， 開關(guān)管 V V2 截止，隨之 D D2 導(dǎo)通， V V2 被箝位在 iU ， 該支路開始續(xù)流，電能回饋電源 。 變壓器 T2 原邊勵磁電流減小。 2 2 ( m a x ) 22( ) ( )iMM MUi t I t tL? ? ? (28) 本模態(tài)持續(xù)時間為32 1()2 st t D T? ? ?，因此在 t3 時刻： 2 2 1( ) ( 2 )2iMsMUi t D TL?? (29) C 1C 2D 1D 2D CRD 7L 1T 2 圖 [t2~t3] 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 13 在此時段， D6 截止， D7 開通，副邊 iL 通過 D7 續(xù)流。 T1 的原邊繼續(xù)諧振，從而線圈同名端電壓為正，使得 D D7 同時導(dǎo)通， T1 副邊電壓箝位于 0，因此T1 原邊與 V V4 漏源結(jié)電容構(gòu)成諧振電路，釋放漏感儲能， T2 原邊磁化電流降至 0,。此刻， V V4 上所加電壓為 iU /2，并保持至下一個導(dǎo)通狀態(tài)。 Ⅳ 模態(tài) 4 [t3~t4] 如圖 所示，開關(guān)管 V V4 導(dǎo)通，二極管 D D4 截止。電源與變壓器 T1 原邊線圈接通，勵磁電流上升。副邊電路中整流二極管 D5 導(dǎo)通，續(xù)流二極管 D7 截止，負載兩端電壓上升。與此同時，開關(guān)管 V V2 截止，二極管D D2 導(dǎo)通，儲存在變壓器 T2 原邊的電能通過 D D2 形成回路回饋電源，電流減小。 變壓器原邊電流計算如下： 131( ) ( )iM MUi t t tL?? (210) 2 2 ( m a x ) 2( ) ( 3 )iMM MUi t I t tL? ? ? (211) C 1C 2D 1D 2D CRD 5L 1T 1T 2 圖 [t3~t4] Ⅴ 模態(tài) 5 [t4~t5] 如圖 所示，本模態(tài)時段中 i2M 重復(fù) i1M 諧振的過程。 1 4 3 411( ) ( )iiM MMUUi t t t tLL? ? ? ? (212) 24( ) s in ( )iMrrUi t t tZ ?? ? ? (213) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 14 C 1C 2D CRD 5L 1T 1T 2C V 1C V 2 圖 [t4~t5] Ⅵ 模態(tài) 6 [t5~t6] 如圖 所示，開關(guān)管 V V4 截止，隨之 D D4 導(dǎo)通， V V4 被箝位在 iU ，該支路開始續(xù)流，電能回饋電源。變壓器 T1 原邊勵磁電流減小。 1 1 ( m a x ) 51( ) ( )iMM MUi t I t tL? ? ? (214) C 1C 2D 3D 4D CRD 7L 1T 1 圖 [t5~t6] 主電路參數(shù)設(shè)計 技術(shù)指 標 本設(shè)計應(yīng)用目標為車載電源，其輸入直流電壓在 間波動 ， 電路等效 于 全橋整流 電路，實現(xiàn)輸出電壓為 220V 的 倍，即 264V。則指標如下： 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 15 輸入直流電壓 ( Vin ):12VDC(電壓范圍： )。 輸出電壓 ( VO )： 264VDC。 輸出功率 (PO)： 200W。 電源效率 (η)： 大于 80%。 主功率管開關(guān)頻率 ： 100kHz。 短路能力 ： 輸出短路時具有電流限制能力，故障解除后能自然恢復(fù) 。 保護功能 ： 具有輸出過壓和欠壓保護、過流和短路保護、輸入反極性保護以及輸入欠壓保護 。 功率電路變壓器設(shè)計 Ⅰ .變壓器 鐵芯的工作狀態(tài)及要求 由于 功率電路變壓器的勵磁 電壓是 單向脈沖 電壓 ， 從而 鐵芯的磁狀態(tài)工作于局部磁滯回線上。 變壓器線圈內(nèi)電阻壓降和 功率開關(guān)管的導(dǎo)通壓降 先不考慮在內(nèi) ， 只分析主電路中變壓器 鐵芯 的內(nèi)磁通變化規(guī)律， 關(guān)系式 如下 ： TON 期間： 1 CidBN S Udt ? (215) TOFF 期間 (t2~t3)：1 CidBN S Udt ?? (216) 其 中 ， N1 為 變壓器原邊 線圈 匝數(shù)， Sc 為 鐵芯 截面積 ， Ui 為功率電路輸入電壓。 如圖 所示，功率開關(guān)管開通 ， 就 產(chǎn)生 了 勵磁 電流， B 為 磁感應(yīng)強度 ，其值 由剩磁 Br 開始線性增加， 直到滿磁 Bm。 功率 開關(guān) 管關(guān)斷 后 ， B 由 Bm 趨向Br， t4 時刻， 漏源結(jié)電容 開始諧振， 因此 勵磁 電流開始反向流動， 這時， B 由 Br再 進一步減小。當(dāng)原邊電壓為零時， B 達到 最小 值 ， 隨后 增大至剩磁 Br。 由于雙管正激電路諧振現(xiàn)象