隔离型DCDC设计(Design of Isolated DCDC)
dcdc隔离电源方案
dcdc隔离电源方案1. 概述隔离电源是一种具有隔离功能的电源模块,能够将输入端和输出端隔离开来,从而达到输入和输出之间电气隔离的目的。
DC-DC(Direct Current to Direct Current)隔离电源方案是指将直流输入电源转换为不同的直流输出电源,并且在转换过程中实现电气隔离。
在电子设备中,DC-DC隔离电源方案具有很多优势。
首先,DC-DC隔离电源能够提供稳定的输出电压,不受输入电源波动的影响。
其次,隔离电源能够有效地隔离输入端和输出端的电气噪声,减少电气干扰。
此外,DC-DC隔离电源还具有高效率、小体积和良好的可靠性等优点,适用于各类电子设备。
2. DC-DC隔离电源的工作原理DC-DC隔离电源采用了变频器和变压器的结构。
2.1 变频器变频器是DC-DC隔离电源的核心组成部分,主要通过控制开关管的开关时间和频率来改变输入电源的电流和电压。
变频器可分为半桥变频器和全桥变频器两种类型。
半桥变频器由半桥开关管和半桥驱动电路组成,能够对输入电压进行有效的转换。
全桥变频器由四个开关管和电桥驱动电路构成,具有更高的转换效率和更好的稳定性。
2.2 变压器变压器主要通过电磁感应原理来实现输入和输出端之间的电气隔离。
变压器一般由铁芯和绕组组成,绕组包括输入侧绕组和输出侧绕组。
在变压器中,输入绕组接收来自变频器的输入电能,而输出绕组将转化后的电能传递给负载。
通过变压器的绝缘性能,能够实现输入和输出端之间的电气隔离效果。
3. dcdc隔离电源方案的应用DC-DC隔离电源方案广泛应用于各个领域的电子设备中。
以下是几个典型的应用场景:3.1 工业自动化在工业自动化领域,DC-DC隔离电源方案常用于工控机、PLC(Programmable Logic Controller)和其他工业设备中。
工业环境中存在很多电气噪声和干扰,隔离电源能够有效地隔离这些干扰,保证设备的正常运行。
3.2 通信设备通信设备中对电源的要求比较高,需要稳定的电压和干净的电源。
隔离dcdc电源拓扑结构
隔离dcdc电源拓扑结构一、引言隔离DC-DC电源作为电子产品中不可或缺的组成部分,其主要功能是将输入电压转换为所需的输出电压,并且通过隔离器件实现输入输出间的电气隔离。
本文将介绍隔离DC-DC电源的拓扑结构。
二、非隔离式DC-DC电源非隔离式DC-DC电源是最简单的一种拓扑结构,其原理如下:通过一个开关管控制输入电压,使得输入电压在开关管导通期间充入能量存储元件(如电感),在开关管截止期间释放能量存储元件中的能量并将其转换为所需输出电压。
由于该结构没有使用隔离器件进行输入输出间的隔离,因此存在安全风险。
三、反激式DC-DC电源反激式DC-DC电源是一种基于变压器实现输入输出间隔离的拓扑结构,其原理如下:通过一个开关管控制输入端与变压器之间的连接,使得输入端充入能量存储元件(如电容),当开关管截止时,在变压器中产生高频交流磁场,通过磁耦合将能量传递到输出端,再通过输出端的整流电路转换为所需输出电压。
由于该结构使用了变压器进行输入输出间的隔离,因此能够有效降低安全风险。
四、正激式DC-DC电源正激式DC-DC电源是一种基于变压器实现输入输出间隔离的拓扑结构,其原理如下:通过一个开关管控制输入端与变压器之间的连接,使得输入端充入能量存储元件(如电感),当开关管导通时,在变压器中产生高频交流磁场,通过磁耦合将能量传递到输出端,再通过输出端的整流电路转换为所需输出电压。
由于该结构使用了变压器进行输入输出间的隔离,因此能够有效降低安全风险。
五、谐振式DC-DC电源谐振式DC-DC电源是一种基于谐振现象实现输入输出间隔离的拓扑结构,其原理如下:在开关管导通时,将能量存储元件中的能量传递到谐振网络中;在开关管截止时,利用谐振网络中形成的高频交流磁场将能量传递到输出端。
由于该结构使用了谐振网络进行输入输出间的隔离,因此能够有效降低安全风险。
六、总结本文简要介绍了隔离DC-DC电源的拓扑结构,包括非隔离式DC-DC电源、反激式DC-DC电源、正激式DC-DC电源和谐振式DC-DC电源。
第四章隔离型DCDC变换器
• (2)VD1承受最大电压出现在VT导通时
UVD max U N 2 Ui / n
• (3)VD承受最大电压出现在VT截止时
UVD max Ui / n
12
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
多路输出的正激变换器原理图
I L U N 2 UO U / n UO ton i ton L L U nU O i D nfL
• (2)当N1=N3时,开关管承受最大电压为2Ui
11
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
• 整流二极管、续流二极管的选择
• (1)流过整流二极管和续流二极管中的电流峰值均为 电感电流峰值
S N
e感应电动势
t
d e dt
18
电磁感应定律
如果是多匝线圈
d d e N dt dt
式中:Ψ=Nφ-磁链(Wb)韦伯
19
电路中的磁元件
1、自感 自感系数 即
Li
i
20
L
电感单位 L=伏.秒/安=欧秒=亨利 简称亨,代号H
电感的感应电势符号和单位
VT1、VT2同时导通:UNP->UNS,iVD3 ↑,iVD4 关闭
I2P UO U toff O (1 D) L2 fL2
I2P
I 2 Ptoff
IO / T IO D 1 I2P
U O IO fL2
• 开关管的选择
I D max UO IO N2 I1P I2P 2 N1 n fL2
• 整流二级管的选择
I D max I 2 P U O IO n 2 fL2
小型光伏发电系统中的隔离型dc-dc变换器设计
小型光伏发电系统中的隔离型dc-dc变换器设计DC-DC变换器设计摘要研究了应用于光伏发电系统屮的隔离型DC-DC变换器,分析了全桥变换器的工作原理和存在的一些问题,采用了一种基于Boost变换器和移相全桥ZVS DC-DC变换器的组合式前级隔离型DC-DC变换器,将MPPT控制和全桥变换环节的四个开关管的控制有效解耦。
简要介绍了MPPT技术的发展,对常用的三种MPPT技术的原理和存在的问题进行了分析和比较,并选择扰动观察法作为MPPT控制技术。
设计了总体方案,对主电路中各元器件的参数进行了设计,包括对滤波电容、谐振电感、高频变压器和输出滤波器的设计。
基于IR2U0对Boost升压环节的驱动进行了设计,基于UC3875 对全桥DC-DC变换环节的控制和驱动进行了设计。
基于LPC2131 对控制软件进行了设计。
在硬件设计的基础上,在mat lab的Simulink模块中进行了光伏发电系统的建模、仿真和分析。
以移相全桥电路为核心搭建了原理样机。
实验结果表明,所搭建的原理样机能够按照要求工作。
31386毕业论文关键词光伏发电MPPT组合式变换移相全桥UC3875 Title Design of Isolated DC~DC converter in Small PV System Abstract Pre~isolated DC~DC converter applied for PVsystem is studied in this paper、Based on the analysis of the principle of full-bridge converter and some existing problems of the converter, a type of bination of circuit topology based on Boost converter and phase-shifted full-bridge ZVS DC~DC converter is adopted、Thus the contradiction of MPPT controller and the control for four switches of full^bridge converter is solved、Development of MPPT technology is briefly introduced and the most mon three types of MPPT technology are analyzed and pared,what‘ s more,perturbation and observation method is chosen as the MPPT technology in this paper> Parameters of various ponents in the main circuit is devised, including input filter capacitor, resonant induetor, high frequency transformer, and outputfilter、Besides, drive circuits for Boost converter basing onIR2110 and for full-bridge DODC converter basing on UC3875 are designed、On the basis of hardware design, modeling, Simulation and analysis is carried out in the Simulink model in matlabs A prototype of phase-shifted full-bridge converter is built in the end、The resuIt of experiment indicates the prototype constructed can work as required、源自[六\维$论*文丨网(加7 位QQ3249 114 Keywords PV power generation MPPT bined conversion phase-shifted full-bridge UC3875 目次 1 绪论 1 1、1课题背景和意义11、2光伏发电现状、11、3光伏发电系统简介21、4光伏发电系统屮的DC-DC变换器31、5本文主要研究内容32隔离型DC-DC变换器52、1移相全桥ZVSDC-DC变换器、62、1、1移相全桥ZVSDC-DC变换器的工作原理62、1、2移相全桥ZVSDC-DC变换器软开关的实现102、1、3移相全桥ZVSDC-DC变换器存在的问题112、2含Boost升压环节的全桥变换器112、3本章小结、133最大功率点跟踪技术143、1光伏电池的工作原理143、2光伏电池的工程模型143、3最大功率点跟踪技术173、3、1固定电压法173、3、2扰动观察法183、3、3电导增量法193、4MPPT技术比较与选择203、5本章小结、204系统硬件设计214、1总体设计方案214、2功率开关管和二极管的选择21 4、3Boost环节设计、234、3、IBoost环节电感设计、234、3、2Boost环节电容设计、244、4全桥DC-DC变换环节设计244、4、1高频变压器设计、244、4、2谐振电感设计264、4、3滤波电感设计264、4、4滤波电容设计274、5输入滤波电容设计274、6驱动电路设计274、6、IBoost环节驱动设计、274、6、2全桥DC-DC变换环节控制和驱动设计、29 :4、7本章小结、335系统仿真分析345、1光伏组件模型的仿真分析345、2Boost升压环节仿真分析375、3全桥DC-DC升压变换环节仿真分析385、4含MPPT的前级DC-DC变换器的仿真分析、415、5本章小结、446系统软件设计456、1软件设计方案456、2信号采样子程序、466、3MPPT 子程序、496、4PWM输出子程序、506、5本章小结、517实验与调试、527、1原理样机的搭建、527、2实验结果分析537、3本章小结、55结论、56致谢、57参考文献581绪论1、1课题背景和意义能源是人类生活的基础,是社会经济生产的动力。
隔离型全桥DC-DC电源的设计方案
隔离型全桥DC-DC电源的设计方案全桥结构在电路设计当中有着相当广泛的作用。
本文介绍了一种基于全桥DC-DC的隔离电源设计。
文中提及的半桥IGBT板为两组隔离的正负电压输出,这样做是为了能够成为IGBT的驱动及保护。
并且在实践设计时,需要根据选择的IGBT开关管参数和工作频率,来确定驱动板电源功率。
而后对原边共用全桥控制的DC-DC电源设计进行了介绍,给出了变压器的选择方法。
1.IGBT半桥集成驱动板电源特点半桥IGBT的有效驱动和可靠保护都由半桥IGBT集成驱动板来实现。
半桥IGBT 集成驱动板自身必须具备两路DC-DC隔离电源,该电源要求占用PCB面积小、体积紧凑、可靠性高,并且两组电源副边完全隔离。
在大功率半桥IGBT 集成驱动单元的项目中,针对驱动单元需要高效、可靠的隔离电源,设计了一种电源变压器原边控制拓扑,即两组隔离电源变压器原边共用一组全桥控制的思路,提高了电源功率密度和效率,节省了功率开关数量。
全桥开关管巧妙搭配,无需隔离驱动,减少了占用集成驱动板上的PCB面积。
半桥IGBT集成驱动板在两路驱动上表现出负载特性一致的原因是,因为上下半桥当中两个单元IGBT的性能参数一致,并且采用同体封装。
因此在IGBT半桥集成驱动板的电源设计中,两组隔离的DC-DC电源原边完全可以共用一组控制电路。
IGBT半桥集成驱动板一般镶嵌在IGBT功率模块上,它对驱动板的要求有两个:第一是半桥集成驱动板对PCB面积、体积要求很高,要求尽可能减小PCB面积和体积;第二因为驱动IGBT需要的功率较大,对板上电源的功率密度、效率要求也较高。
2.原边共用全桥控制的DC-DC电源设计本设计采用了两个变压器原边共用,也就是全桥电路控制DC-DC电源变压器。
正常模式下两个全桥变换拓扑需要两组全桥开关,同时全桥开关的脉冲驱动电路也为两组共8路PWM脉冲。
采用共用全桥拓扑节省了控制电路和全桥开关,简化了DC-DC隔离电源电路。
隔离式DC-DC变换器的电磁兼容设计
隔离式DC/DC变换器的电磁兼容设计2007-04-06 14:22:23安规与电磁兼容网来源:作者:摘要:详细分析了隔离式DC/DC变换器产生电磁噪声干扰的机理,介绍了在DC/DC变换器主电路及控制电路设计时所采取的电磁兼容措施。
关键词:隔离式DC/DC变换器;电磁干扰分析;电磁兼容设计0 引言随着电力电子技术的发展,开关电源模块以其相对体积小、效率高、工作可靠等优点而逐渐取代传统整流电源。
但是,由于开关电源工作频率高,内部会产生很高的电流、电压变化率(即高dv/dt和di/d f),导致开关电源模块产生较强的电磁干扰,并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的正常工作,当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响,电磁干扰将造成传输信号畸变,影响电子设备的止常工作。
对于雷电、静电放电等高能量的电磁下扰,严重时会损坏电子设备。
而对于某些电子设备,电磁辐射会引起重要信息的泄漏,严重时会威胁国家信息安全。
这就是我们所讨论的电磁兼容性问题。
另外,国家开始对部分电子产品强制实行3C认证,因此,一个电子设备能否满足电磁兼容标准,将关系到这一产品能否在市场上销售,所以,进行开关电源的电磁兼容性研究显得非常重要。
1 内部噪声干扰源分析l.l 二极管厦向恢复引起的噪声干扰在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等,由于这些二极管都工作在开关状态,如图l所示,在二极管由阻断状态到导通的转换过程中,将产生一个很高的电压尖峰UFP;在二极管由导通状态到阻断的转换过程中,存在一个反向恢复时间trr在反向恢复过程中,由于二极管封装电感及引线电感的存在,将产生一个反向电压尖峰URP由于少子的存储与复合效应,会产生瞬变的反向恢复电流尖峰IRP,这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源。
1.2 开关管开关时产生的电磁干扰在正激式、推挽式、桥式变换器中,流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波,含有丰富的高频成分,这些高频谐波会产生很强的电磁干扰。
隔离型DC-DC电源变换器设计任务书
课 程 设 计 报 告学 院: 专业名称: 学生姓名: 班 级: 指导教师: 时 间:课程设计任务书题目:隔离式DC-DC变换器设计(基于SG3525的双管电压模式正激开关变换器)一、设计内容1. 了解saber仿真软件,并能利用saber仿真软件进行简单的设电路计2. 学习双管电压模式正激开关变换器的组成、功能及其设计方法3. 运用以SG3525为核心的电路结构产生PWM波,并使其控制主电路4. 设计反馈环,开关管的驱动电路等电路,二、进度要求第1—3天第4—6天第7—9天;第10 天;第11—12天整理材料,撰写课程设计报告。
三、设计要求输入规范:电压:150Vdc,±6v转化效率:开关频率:200KHz输出规范:电压:15Vdc,±5%电流:50mA -2A ,纹波100mA输出功率:30Watts学生邓飞指导教师李兵强正文一、课设预备知识1、双管电压模式正激开关变换器正激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正在被直流脉冲电压激励时,变压器的次级线圈正好有功率输出。
图1由于正激变换器的输出功率不像反激变换器那样受变压器储能的限制,因此输出功率较反激变换器大,但是正激变换器的开关电压应力高,为两倍输入电压,有时甚至超过两倍输入电压,过高的开关电压应力成为限制正激变换器容量继续增加的一个关键因素。
为了降低开关的电压应力,可以采用双管正激变换器,如图所示,同单管正激变换器相比,双管正激变换器在变换器的原边增加了一个开关管,并增加了两个二极管,这两个二极管一方面起着箝位的作用,将开关电压箝位在输入电压,另一方面为变压器去磁提供通路。
图2为双管正激变换器主电路,其变压器二次侧电路和单管正激变换器一样,但一次绕组与S1、S2(两个开关晶体管)串联,S1、S2在PWM脉冲作用下同时导通或关断,在每个晶体开关管和一次绕组之间,各并联一个续流二极管VD1、VD2,使得S1、S2关断时,变压器储能有一个释放通路,经过VD1、VD2回馈到直流输入电源。
DCDC电源设计的几种基本原理
开关电源DC/DC变换器拓扑结构集锦半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑。
半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决。
欢迎转载,本文来自电子发烧友网(/)半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制。
正激变换器绕组复位正激变换器LCD复位正激变换器RCD复位正激变换器有源钳位正激变换器双管正激吸收双正激有源钳位双正激原边钳位双正激软开关双正激推挽变换器无损吸收推挽变换器推挽正激推挽变换器:推挽变换器是双端变换器.其实是两个正激变换器通过变压器耦合而来,基本推挽变换器好处是驱动不需隔离,变压器双端磁化,只要两个开关管.但是,变压器绕组利用率低,开关管电压应力为输入两倍,所以一般只适合低压输入的场合.而且有个问题就是会出现偏磁,所以要采用电流型控制等方法来避免.如果将两个双管正激同样耦合,可以构成四开关管的推挽变换器,也就是所谓的双双管正激.其管子电压应力下降为输入电压.其他等同. 欢迎转载,本文来自电子发烧友网(/)推挽正激是最近出现的一种新拓扑,通过一个电容来解决变换器漏感尖峰,偏磁等问题.在VRM中有应用.半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑.半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决.半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制.全桥变换器全桥变换器在大功率场合是最常用了,特别是移项ZVS和ZVZCS 接下去,会收集一些三电平变换器贴出来,在以后就给出boost族的隔离变换器....反激变换器.....正反激变换器......APFC.....PPFC.... 单级PFC.....谐振变换器等.....三电平变换器(three levelconverter)选了看起来比较舒服的两个拓扑,这些三电平是半桥演化而来,同样可以演化出多电平变换器,合适高压输入场合.而且可以通过全桥的移相控制方式实现软开关.\开关型DC/DC变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
第四章隔离型DCDC变换器详解
UVDmax U N 2 Ui / n • (3)VD承受最大电压出现在VT截止时
UVDmax Ui / n
12
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
多路输出的正激变换器原理图
参考 电压 13
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
例1 前页所示正激变换器,输入电源电压60V, 二次主输出的平均输出电压为5V,开关频率为 1kHz,输出电感电流纹波最大值为0.1A,原边 边绕组匝数60,匝比Nr/Np等于1。求: (1)副边主绕组匝数最小值Nsm; (2)输出滤波电感Lom的值。
如果磁场强度H与闭合路径方向一致,闭合
路径的积分为 Hl I
在MKS制中磁场强度单位为安/米.而在CGS 制中为奥斯特,简称奥,代号Oe.它们之间的 变换关系为
1A / m 0.4 10 2 Oe
1A / cm 0.4Oe
17
电磁感应定律
楞次定律
S
运动方向
e感应电动势
N
t
e d
dt
)U
i
10
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
正激变换器的设计
• 开关管的选择
• (1)开关管的漏极额定电流必须大于流过IGBT漏极
实际电流IDmax。
I D max
I L max
N2 N1
I L max n
ILmax IL IL IO IL
I L
UN2 UO L
ton
Ui
/ n UO L
14
回顾 :右手定则
磁场方向 电流方向
磁场方向
11
电流方向
安培环路定律
矢量H沿任意闭合曲线 I3 I1 的积分等于此闭合曲线
(整理)一种隔离式DCDC开关电源的设计.
一种隔离式DC/DC开关电源的设计摘要:本文结合实例介绍了利用LM2577制作的一种隔离式DC/DC开关直流稳压电源的电路设计及相应的电路图。
关键词:DC/DC;开关电源;隔离变换器;设计;分析LM2577是National Semicnductor公司生产的一种典型的升压式集成开关电源调整器,广泛应用在许多电子产品的电源电路中。
它具有外接元器件少、输入直流电源电压范围宽(3.5~40V)、输出开关电流达到3A、内部有固定频率(52kHz)振荡器、电流反馈型工作方式、有软启动、电流限制、欠压锁定和热关闭保护等功能。
可以接成简单升压、隔离和多输出电压的开关电源电路。
它的封装有5引脚的TO-220形式与4引脚的TO-3P形式等,输出直流电压有12V、15V和可调(ADJ)。
图1LM2577-ADJ典型电路典型升压DC/DC电路TO-220封装形式的LM2577-ADJ典型DC/DC升压形式的直流开关稳压电源电路图如图1所示。
它的内部有1.23V和2.5V能隙基准电压单元、52kHz固定频率锯齿波振荡器、RS触发器、晶体管驱动电路和峰值电流可以达到3A的晶体管,还包括峰值电流采样电阻、采样电流放大器、采样电压放大器,共同组成电压、电流误差反馈系统,以达到脉冲宽度调制(PWM)工作方式。
另外,还有软启动、欠压锁定、过流限制及热关断等单元。
如图1所示的直流开关稳压电源只需要外接八个元器件就可以组成一个U o>U i 的直接升压电源。
其中反馈取样电阻R1、R2的阻值可以确定直流输出端的电压值。
例如当输出直流电压为+12V时,R1的阻值为17.5kΩ,R2为2kΩ。
隔离式DC/DC开关稳压电源要求利用LM2577设计一个外形尺寸仅为25.4mm×25.4mm×10.1mm(1英寸×1英寸×0.4英寸)隔离式DC/DC开关电源模块,用于医疗设备的隔离检测供电系统。
该电源系统的具体要求如下:(1)输入端输入直流电源电压+12V;(2)隔离双路输出直流电源电压±12V;(3)输出最大平均电流50mA;(4)输出纹波电压小于5mV;(5)输入、输出相互隔离;(6)输入输出之间隔离击穿电压大于2000VDC;(7)具有已经给定的保护措施。
隔离型双向全桥DCDC变换器研究
隔离型双向全桥DCDC变换器研究一、概述随着现代电力电子技术的飞速发展,双向全桥DCDC变换器在可再生能源系统、电动汽车、储能系统等领域得到了广泛的应用。
隔离型双向全桥DCDC变换器作为一种高效率、高功率密度的电力电子设备,具有结构简单、控制灵活、能量可双向流动等优点,成为了电力电子领域的研究热点。
本文旨在对隔离型双向全桥DCDC变换器进行深入研究,首先介绍了隔离型双向全桥DCDC变换器的工作原理和基本结构,然后分析了其控制策略和调制方法,接着讨论了变换器的效率优化和热管理问题,最后通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性和可行性。
通过对隔离型双向全桥DCDC变换器的深入研究,本文旨在为其在实际应用中的设计和优化提供理论指导和参考,进一步推动隔离型双向全桥DCDC变换器在电力电子领域的发展。
1. 研究背景及意义随着全球能源危机和环境问题的日益严重,可再生能源和电动汽车等领域对高效、高功率密度和高可靠性的电源变换器需求日益增长。
隔离型双向全桥DCDC变换器作为一种重要的电力电子设备,具有结构简单、效率高、功率密度大、控制灵活等优点,被广泛应用于可再生能源发电系统、电动汽车、航空航天、数据中心等领域。
隔离型双向全桥DCDC变换器在实际应用中面临着一些挑战,如开关器件的损耗、电磁干扰、电压和电流的应力、热管理等问题。
研究隔离型双向全桥DCDC变换器的工作原理、设计方法、控制策略和性能优化等方面具有重要的理论和实际意义。
本文旨在对隔离型双向全桥DCDC变换器进行深入研究,分析其工作原理和特性,探讨其设计方法和控制策略,并通过仿真和实验验证所提出的方法和策略的有效性和可行性。
研究成果将为隔离型双向全桥DCDC变换器的优化设计和应用提供理论依据和技术支持,促进可再生能源和电动汽车等领域的发展。
2. 国内外研究现状隔离型双向全桥DCDC变换器作为一种高效、可靠的电力电子变换装置,在新能源发电、电动汽车、数据中心等领域具有广泛的应用前景。
隔离式DC-DC变换器
项目
设计报告 方案设计与论证、理论计算与分析、
(20 分)
电路图、测试数据等
基本要求 (50 分)
发挥部分 (50 分)
完成第(1)项 完成第(2)项 完成第(3)项 完成第(4)项 完成第(1)项 完成第(2)项 完成第(3)项
其他 总分
满分
20
20 10+20
10 10 20 10+20 10 10 120
三、 说明
(1)能够完成发挥部分时,基本要求可以免测。 (2)能够完成基本要求(2)时,基本要求(1)可以免测。 (3)能够完成发挥部分(2)时,发挥部分(1)可以免测。 (4)比赛场地:60cm×60cm 灰色瓷砖地面;小汽车跑道宽度为 1.5~2cm,由黑色胶带 直接粘接在瓷砖而成;车库由长宽为 30cm×15cm 的黑色实心长方形构成,该长方形为停靠 满分区,绿色区域(40cm×20cm 瓷砖)为有效得分区。 (5)小汽车:本身带有电池提供能量,不允许外部电源供电。允许用玩具小汽车改装, 其外围尺寸的限制:长度≤30 cm,宽度≤15 cm。 (6)跷跷板为 40cm×100cm 木板,木板上有十字交叉黑色导引线(黑色胶带),跷跷 板倾角最大 10°左右。 (7)配重物体位置任意放置,质量约 1kg 左右。 (8)比赛开始后,在 1 分钟内没有完成基本要求(或 3 分钟没有完成发挥部分)记一 次失败。每组选手有 2 次机会。比赛中小车发生故障,限 10 分钟内修复,届时不能修复者, 不得继续参加比赛。
r ɵ
图 1 场地
二、设计要求
图 2 声源
1.基本要求 (1)每个位置鸣响三次,每次间隔不少于 5 秒,三次后设备判断声源所在 位置,位置用距离圆心的距离加与 0 度线夹角角度标识(r 和θ),长度单位用米 标识,保留到厘米位。角度用度(一周为 360 度)标识,精确到 1 度,并采用屏 幕、LED 指示、语音播报等任意方式进行显示; (2)各队的得分以相对误差γ大小排序,γ=0.4γr+0.6γθ,γr=rx/r, rx 为距 离的测量结果,r 为距离的实际值,γθ=θx/θ, θx 为夹角的测量结果,θ为夹 角的实际值。结果中误差最小的队得 50 分,第二名 45 分,依次类推。 (3)一共提供三组统一测试点,按照平均分数计算结果。 2.扩展要求 以上要求不变,测试点放置到圆形之外,半径五米以内的范围进行测量。
具有隔离的DC-DC降压变换器的仿真设计
具有隔离的DC-DC 降压变换器的仿真设计1.设计要求输入电压:U IN =100±20V ; 输出电压:U O =12V ; 输出电压纹波:ΔU<70mV ; 输出功率:P O =12W ; 效率:η>78%;半载切满载,满载切半载,输出电压变化小于200mV ; 10%负载切半载,半载切10%负载,输出电压变化小于200mV ; 负载调整率小于1%; 变换器带有隔离环节;2.开环参数设计根据输入输出电压值和要求带有隔离环节,本文采用正激变换器。
为了便于仿真,本文使用线性变压器,省略原端磁复位结构。
设定变压器匝数比为4,由IN O U D N N U ⋅⋅=12,得开环占空比D=0.48。
让电路工作在电流连续模式,由公式A 1)1(2<-=D D LTU I i LC ,求出电感最小值31.2uH ,取电感值为48uH ;由公式mV 708)1(2<-=∆O O U LCT D U ,求出电容最小值为27.8uF ,取电容值为60uF 。
观察开环仿真输出,纹波峰峰值约为25mV ,小于70mV ,满足要求。
纹波波形如图所示:3.闭环系统PID 方案的参数设计和仿真闭环系统框图如下:G c(s )H (s )G m(s )G vd(s )×-+V ref Vo其中,G c (s)为控制器的传递函数,G m (s)为幅值等于1的三角波比较器传递函数,因为直接把输出电压反馈回系统,所以H (s)=1。
由于开关电源是一个线性与非线性相结合的综合系统,研究起来比较困难,本文应用状态空间平均法来对其中的buck 电路拓扑进行小信号分析,不考虑“ESR 零点”,得出buck 电路的小信号标准化模型为:LCs R sL s G vd 2/11)(++=,由此可知系统的开环传递函数为LCs R sL V N U s G RAMPINd 2/111)(++⋅⋅⋅=。
代入数据可以得到系统的开环传递函数11041088.225)(629+⨯+⨯=--s s s G d 。
dcdc隔离电源的共模抑制方案
dcdc隔离电源的共模抑制方案
DCDC隔离电源是一种常用的电源供应方案,它可以将输入电源与输出电源完全隔离开来,从而有效地防止共模噪声的传递。
共模噪声是指同时出现在输入电源的正负极之间的噪声信号,它会对电路的正常工作产生干扰。
为了提高共模抑制能力,我们可以采取以下方案:
1. 优化电源布局:将输入端和输出端分开布置,尽量减小它们之间的电磁耦合。
合理规划电源线路的走向,避免过长的线路和过近的距离,以减少共模噪声的传播。
2. 采用滤波器:在输入端和输出端分别设置滤波器,可以有效地滤除共模噪声。
滤波器的设计要根据实际情况选择合适的参数,以确保共模噪声的抑制效果。
3. 使用高品质元件:选择高品质的电容和电感元件,可以提高共模抑制能力。
同时,合理选择元件的参数,如电容的额定电压和电感的电感值,以确保元件在工作时能够有效地抑制共模噪声。
4. 增加屏蔽层:在电源电路周围添加屏蔽层,可以有效地阻挡外部的电磁干扰,减少共模噪声的影响。
5. 优化接地设计:合理规划电源电路的接地方式,减少接地回路的干扰。
同时,通过增加接地电阻和隔离接地等方式,提高电源电路的共模抑制能力。
通过合理的电路设计和元件选择,可以提高DCDC隔离电源的共模抑制能力。
这些方案旨在减小共模噪声的影响,保证电路的稳定运行,提高系统的可靠性。
在实际应用中,还应根据具体需求进行调试和优化,以达到最佳的共模抑制效果。
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Design of IsolatedConverters Using Simple SwitchersIntroductionIsolated converters are required to provide electrical isola-tion between two interrelated systems.Isolation between the power source and the load is required in certain applications in order to meet safety specifications such as UL1459,which necessitates 500V of isolation for telecom applications.Isolation must be provided between all the input and output stages of the power converter.Thus,isolation must be pro-vided in the power stage and the control loop.Power stage isolation is generally provided using transformer.Isolation in the feedback/control loop is often provided through an opto-coupler (also known as opto-isolator).Transformers are well suited for power stage isolation,since they are known for providing good dielectric barrier between two systems,with the ability to have multiple outputs.Trans-formers also allow stepping up or stepping down of the input voltage.In isolated switching power supplies,opto-couplers are very widely used to provide isolation in the feedback loop.Opto-couplers do an excellent job of isolation,minimizing circuit complexity and reducing cost.One of the disadvantages of using an opto-coupler is its low bandwidth.The bandwidth of the converter is reduced by the introduction of an extra pole in the control loop gain of the converter.This is not a problem in conventional low frequency converters.However,in mod-ern high-frequency converters,the opto-coupler imposes severe restrictions on control loop bandwidth/speed.Another disadvantage of using opto-isolator is the large unit-to-unit variation in the current transfer ratio (CTR).CTR or the coupling efficiency is defined as the ratio of opto-isolator transistor collector current to the diode current.The loop gain is directly proportional to CTR gain.Hence,high variation in CTR imposes constraints on control loop design.Part I.Design of Opto-Isolated Power SupplyDESIGN APPROACHWith the advent of SIMPLE SWITCHER ™,and the associ-ated “Switchers Made Simple”software (SMS4.2.1,SMS3.3),the non-isolated converter design has become very simple.However,the non-isolated converters can be modified to isolated converters very easily.The procedure for design of opto-isolated converter is as follows:Step 1:Design the power stage components for a flyback converter using SMS4.2.1/3.3.The “Switchers Made Simple”software can be used to design the transformer,input/output capacitors,output rectifier,clamping network,etc.Step 2:Modify the feedback/control loop by introducing a secondary side controller (such as LM3411)and an opto-isolator for feedback isolation.Also,disable the internal ref-erence in the Simple Switcher.DESIGN OF POWER STAGE COMPONENTSThe first step in the design process is to enter the converter specifications (shown in Table 1)in the input menu of the “Switchers Made Simple”ing these specifica-tions,the software will design the power stage components.The following example will be based on Switchers Made Simple 4.2.1(SMS4.2.1)and the associated LM258X fly-back converters.If the input specifications are entered as shown in Figure 1,SMS4.2will design a buck converter instead of flyback.In order to design a flyback converter when the output voltage is lower than input voltage levels,it is necessary to enter initially a fictitious output voltage value which is greater than V IN (min).The software will then design a flyback.Now,go to the main menu and change input requirements.Change the fictitious output voltage value to the required value.If the output voltage is greater than the minimum input voltage,these extra steps are not necessary.TABLE 1.Isolated Power Converter Specifications(Example)Input Voltage 10V to 30VOutput Voltage 5V Load (maximum)2A Operating Temp.Range0˚C to 70˚CModify the component values,input specs,etc.to suit the requirements.The software will design all the power stage components and give a list of vendors.In the example shown in Figure 2,the component values were entered manually to produce a surface mount design.The isolation voltage of the transformer is not listed in the software.The isolation voltage is generally mentioned in theSIMPLE SWITCHER ®is a registered trademark of National Semiconductor Corporation10015101FIGURE 1.Enter the Converter Specifications in theInput Menu of SMS4.2.1National Semiconductor Application Note 1095Ravindra Ambatipudi August 1998Design of Isolated Converters Using Simple SwitchersAN-1095©2002National Semiconductor Corporation Part I.Design of Opto-Isolated Power Supply (Continued)transformer manufacturer’s catalog.Select a transformer taking into consideration the isolation voltage.Any of thetransformers listed in the LM258X Simple Switcher data sheets meet UL1459spec,and are suitable for telecom applications.The software will also produce a schematic of the non-isolated converter as shown in Figure 3.This concludes the first step of the design process.10015102FIGURE 2.Main Screen of SMS4.2.1Summarizes the Design10015103FIGURE 3.Circuit Designed using SMS4.2.1A N -1095 2Part I.Design of Opto-Isolated Power Supply(Continued)MODIFICATION OF CONTROL LOOP FOR ISOLATED DESIGNThe second step in designing an opto-isolated converter is to modify the feedback loop by using a secondary controller such as LM3411and to use an opto-isolator for feedback isolation.To do this,connect an opto-coupler between the secondary controller and the compensation pin for feedback isolation.Power stage isolation is provided by the transformer.The reference and the error amplifier internal to LM2587 have to be disabled in order to avoid interaction with the reference in secondary controller and to avoid excessive gain in the feedback loop.Figure5shows the internal block diagram of LM2587.By connecting the feedback pin to ground and by connecting the opto-coupler output to the compensation pin,the error-amp is by-passed.For this rea-son,any voltage option of the LM2587can be used.This completes the design of the isolated converter.10015104FIGURE4.Modification of Non-Isolated Flyback to Isolated FlybackAN-10953Part I.Design of Opto-Isolated Power Supply(Continued)Figure 6shows the circuit diagram of an LM2587based opto-isolated flyback power supply.With the LM2587error amplifier disabled,the feedback control now consists of LM3411-5.0secondary side controller and the opto-isolator.Resistors R o and R d are required for biasing the opto-isolator.Capacitor C s is required for soft-start.Note:Short Circuit Protection.In LM258X switchers,the soft-start com-parator and the short-circuit protection are both controlled by the feedback pin voltage.At start-up,when the output voltage is zero,thesoft-start comparator is activated and the output gradually increases to the nominal value.After this,the soft-start comparator gets disabled and the short-circuit protection is enabled.Now if the output is shorted,the frequency will change to 25%of normal operating frequency.The short-circuit protection is activated only after the soft-start is disabled.In the isolated converter,the feedback pin is grounded.The converter never comes out of soft-start mode.So the short-circuit protection (which changes the frequency to 25kHz under short circuit conditions)never gets activated.Hence,an external circuit is required for short-circuit protection.10015105FIGURE 5.LM2587Block Diagram;Grounding Feedback Pin Disables Error Amplifier,Opto-Coupler DeliversFeedback to Compensation Pin Instead A N -1095 4Part I.Design of Opto-Isolated Power Supply(Continued)SELECTION OF COMPENSATION COMPONENTSThe compensation circuit design involves selection of theopto-coupler output resistance,R o,the opto-coupler inputresistance,R d,and the feedback capacitance,C f.The com-pensator transfer function is the small-signal transfer func-tion from the output voltage,V O to the control voltage,V c.The transfer function,A(s)is given by:Thus,the compensator is a two pole,one zero compensator.In the above equation,CTR is the opto-coupler current trans-fer ratio or coupling-efficiency.The power stage transferfunction is a one pole,one zero(esr)compensator(in thefrequency range of interest).Choose R o and R d such thatvoltage V c is always more than0.3V.Also,the maximumvoltage on the compensation pin should be no more than2V.Choose C f to place a zero to cancel the power stage pole,asshown in Figure7.If the compensator is designed as shownabove,the loop gain should have very good phase marginand gain margin.In Figure7,where f p1is the frequency of the power stage pole in currentmode converter,f z is the compensator zero,and f esr is theesr zero.f c is the loop cross over frequency.f p2is the pole(s)created due to current mode control(located at high frequen-cies close to half the switching frequency).10015106FIGURE6.10Watt Opto-Isolated Flyback ConverterAN-10955Part I.Design of Opto-Isolated Power Supply(Continued)The loop gain measured on the experimental converter shown in Figure 6,is shown in Figure 8.The bandwidth and phase margin are very much lower than expected.Since the bandwidth and phase margin are very low,a transient step of 0to 1A produces a very poor transient response,as shown in Figure 9.This also indicates poor stability in the control loop.10015109FIGURE 7.The Estimated Loop Response1001511010015111FIGURE 8.Measured Loop Gain of the Experimental Converter (Bandwidth =3kHz and Phase Margin =20˚)A N -1095 6Part I.Design of Opto-Isolated Power Supply(Continued)Part II.Improving Transient Response of Opto-Isolated ConvertersWHAT CAUSES THE DIVERGENCE BETWEEN ESTIMATED AND MEASURED RESULTS?The converter shown in Figure 6uses an opto-isolator CNY17-3for feedback isolation and LM3411for secondary side control.Since this converter is operated at 100kHzswitching frequency,then it is desired to have its loop cross-over at around 10kHz–20kHz for superior transient perfor-mance.However,the opto-coupler CNY17-3used in this configuration has a −3dB frequency of 5kHz–10kHz de-pending on the resistance R o shown in Figure 6.The opto-coupler pole will introduce a phase-shift of more than 45˚at around 10kHz as shown in Figure 10.Because this fact was not taken into consideration while designing the compensa-tor or loop gain,the measured phase margin and the band-width are lower than what was estimated.10015112FIGURE 9.Transient Response for a Step Change in Load from 0to 1A10015113FIGURE 10.Opto-Coupler CNY17-3Adds More Than 45˚of Phase Shift at the Desired Loop Bandwidth of 10kHzAN-10957Part II.Improving Transient Response of Opto-Isolated Converters (Continued)WHAT LIMITS THE BANDWIDTH OF THE OPTO-COUPLER?The severe bandwidth limitations of the opto-coupler is due entirely to the characteristics of the opto-coupler photo-transistor.When forward current is passed through the opto-coupler diode,it emits infra-red radiation.This radiant energyis transmitted through an optical coupling medium and falls on the surface of the photo-transistor.In order to make the photo-transistor base region sensitive to light,and to mini-mize the losses in radiant energy transfer,the photo-transistors are designed to have a very large base-collector junction area and a very thick base region.This results in a very large base capacitance,Cob.This capacitance is typi-cally in the order of several pico farads.However,this gets effectively multiplied due to the Miller effect,resulting in a very large Miller capacitance Com.The Miller capacitance is in the order of several nana farads.The Miller capacitance Com,coupled with the resistance R o ,will produce a pole in its transfer function.This pole should be taken into consideration while designing the compensa-tion circuit.It can also be observed from the opto-isolator characteristics that the phase changes very dramatically at very high fre-quencies.This is due to the inherent delay in transmission of radiant energy through the optical medium.If the input signal to the opto-coupler,as shown in Figure 11,is a sinusoid,the output signal is also a sinusoid,but phase shifted due to the delay.As the frequency of this sinusoid increases,the phase shift increases,almost linearly.The phase shift will increase linearly only if this shift is due to time delay.HOW TO SOLVE THE OPTO-COUPLER BANDWIDTH PROBLEMS?The control loop bandwidth can be improved in three ways:1.The phase margin can be improved by reducing thesystem cross-over frequency.However,the transient performance of the converter is sacrificed.2.Opto-isolators with better frequency characteristics (such as MOC8101)can be used.However,these opto-couplers are more expensive.3.The opto-isolator pole can be compensated by introduc-ing an additional zero in the control loop.This requires proper prediction of opto-coupler pole.ESTIMATION OF THE OPTO-COUPLER POLEThe opto-coupler pole can be estimated in a number of ways.One method is to characterize the pole by actual bench measurements.Figure 12shows the bench measure-ment setup for characterization of an opto-coupler using a network analyzer.A signal is injected at the opto-coupler input and frequency of this signal is swept over the fre-quency range of interest.The input signal is measured with probe A and the output signal with probe B.By taking the ratio of the input signal to the output signal,the frequency characteristics are obtained.10015114FIGURE 11.Opto-Coupler Transmission Delay Adds Phase Change at High Frequencies (as the frequency of theinput sinusoid increases,the phase shift between the input and output increases linearly)A N -1095 8Part II.Improving Transient Response of Opto-Isolated Converters(Continued)Figure 13shows the typical performance curve obtained by actual measurements for the opto-coupler CNY17-3.In this figure,the opto-coupler bandwidth (pole)has been plotted versus the resistance R o .The opto-coupler pole can be very easily predicted from this curve.As an example,let uspredict the pole for CNY17-3when the resistance,R o =5k Ω.Draw a line parallel to Y-axis at R o =5k Ω.From the point of intersection on the curve,read the corresponding value on Y-axis.The opto-coupler pole would be at 4kHz.From the results of Part I,it is very obvious that the opto-isolator pole imposes severe restrictions on the control loop bandwidth.This pole can be compensated in two ways:•If the base connection is available,then by connecting a large resistor between the base and emitter of the opto-coupler photo-transistor,the bandwidth can be improved.However,the opto-coupler gain will reduce by doing so.•The bandwidth can also be improved by introducing an additional zero in the compensation circuit.IMPLEMENTATION OF THE OPTO-COUPLER POLE COMPENSATIONFor the circuit shown in Figure 6,the opto-coupler pole can be estimated as discussed in previous sections.However,the soft-start capacitor appears in parallel with opto-coupler device capacitances and influences the position of the opto-coupler pole.The additional zero required to compensate the opto-coupler pole can be obtained by connecting a capacitor in parallel with R d1as shown in Figure 14.In the process,this creates an additional pole due to R d2and C d .To obtain sufficient gain margin and attenuation of high frequency switching noise,this pole can be placed at a high frequency above the cross-over frequency.10015115FIGURE 12.Bench Measurement Setup for Frequency Characterization of Opto-Coupler Pole Using a NetworkAnalyzer 10015116FIGURE 13.Opto-Coupler CNY17-3Bandwidth versus Resistance R oAN-10959Part II.Improving Transient Response of Opto-Isolated Converters(Continued)The modified compensator transfer function is:(Assuming C s is very much larger than the opto-coupler Miller capacitance).Notice that the compensator transfer function is directly de-pendent on the opto-coupler CTR,which varies from unit-to-unit,so it is important to take this factor into consideration.This means that an opto-coupler with low CTR variation and guaranteed limits should be used.Figure 15shows the loop gain with modified compensator.Significant improvement in bandwidth and phase margin are observed.The loop gain is as expected and shows excellent stability.As expected,the transient response is also im-proved,as shown in Figure 16.10015117FIGURE pensating the Opto-Coupler Pole to Improve the Bandwidth LimitationsA N -1095 10Part II.Improving Transient Response of Opto-Isolated Converters(Continued)LIFE SUPPORT POLICYNATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERAL COUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION.As used herein:1.Life support devices or systems are devices orsystems which,(a)are intended for surgical implantinto the body,or(b)support or sustain life,andwhose failure to perform when properly used inaccordance with instructions for use provided in thelabeling,can be reasonably expected to result in asignificant injury to the user.2.A critical component is any component of a lifesupport device or system whose failure to performcan be reasonably expected to cause the failure ofthe life support device or system,or to affect itssafety or effectiveness.National SemiconductorCorporationAmericasEmail:support@National SemiconductorEuropeFax:+49(0)180-5308586Email:europe.support@Deutsch Tel:+49(0)6995086208English Tel:+44(0)8702402171Français Tel:+33(0)141918790National SemiconductorAsia Pacific CustomerResponse GroupTel:65-2544466Fax:65-2504466Email:ap.support@National SemiconductorJapan Ltd.Tel:81-3-5639-7560Fax:81-3-5639-7507 1001512010015121 FIGURE15.Significant Improvement in Bandwidth and Phase Margin is Observed with Opto-Coupler PoleCompensation(Bandwidth=10kHz and Phase Margin=60˚)10015122FIGURE16.Transient Response with Opto-Coupler Pole Compensation(0to1A Step-Change in Load)DesignofIsolatedConvertersUsingSimpleSwitchersAN-1095 National does not assume any responsibility for use of any circuitry described,no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.。