反激变换器设计

研究生专业课程考试答题册

学号2011261695

姓名李纪波

考试课程高级电力电子线路设计

考试日期2012-9-1

要求：

直流隔离电源变换器设计

一、目的

1．熟悉逆变电路和整流电路工作原理，探究PID闭环调压系统设计方法。

2．熟悉专用PWM控制芯片工作原理及探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。

3．探究POWER MOSFET 驱动电路的特性并进行设计和优化。

4．探究隔离电源的特点，及隔离变压器的特性。

二、内容

设计基于脉冲变压器的DC-AC-DC变换器，指标参数如下：

⏹输入电压：24V~36V；

⏹输出电压：12V，纹波<1%；

⏹输出功率：50W

⏹开关频率：20kHz

⏹具有过流、短路保护和过压保护功能，并设计报警电路。

⏹具有隔离功能。

⏹进行变换电路的设计、仿真（选择项）与电路调试。

第一章绪论

隔离式变换器是由标准的DC-DC变化器拓扑衍生而来的。如广泛应用于小功率（典型值小于100W）场合的反激变换器拓扑。其实是用多绕组电感代替才常用的单绕组电感的buck-boost电路。类似地，广泛用于中大功率场合的正激变换器，是buck的衍生拓扑，其中用变压器代替常用电感（扼流圈）。反激变换器电感其实既起电感也起变压器的作用，它不仅能像所有电感一样存储电磁能量，而且能像变压器一样提供电网隔离（安全需要）。而在正激变换器中，能量存储功能通过扼流圈来实现，变压器提供必要的电网隔离。

注意到在正激和反激变换器中，变压器除了提供必要的电网隔离外，还起到另外一个非常重要的作用，即由变压器“匝比”决定的恒比降压转换功能。匝比由输出（二次）绕组匝数除以输入（一次）绕组匝数得到。于是问题就产生了，理论上，开关变换器可以任意地进行升压或降压变换，为什么我们觉得有必要基于变压器匝比进行降压转换？只要进行简单的计算原因就显而易见——不需要任何辅助设施，只需一个极小的不现实的占空比值，变换器就可以变成一个从极高压输入到极低压输出的降压器。注意到世界上有些地方，最高的电流电网输入可以高达270V（最坏情况下），所以这样的电流电压用传统桥式整流电路整流时，

=的直流电压加在其后的开关变换器电路上，但是相270382V

应的输出电压可能却很低（5V、3.3V、1.8V等）。于是对于已给定最小导通时间的各种典型变换器，特别是当开关器件工作在高频时，所需的电流转换比很难达到要求。所以，在正激和反激变换器中，我们可以直观地认识变压器就是把输入定比近似地降为一个较小的合适值，而变换器则完成其余的工作（包括调节功能）。

第二章电路拓扑及工作原理

2.1 主电路组成和控制方式

图2-1给出了反激（Flyback）PWMDC/DC转换器的主电路及其工作模式的电路。它是由开关管V、整流二极管D1、滤波电容Cf和隔离变压器构成。开关管V按照PWM方式工作。变压器有两个绕组，初级绕组W1和次级绕组W2，两个绕组是紧密耦合的。使用的是普通磁材料和带有气隙的铁心。以保证在最大负载电流时铁心不饱和。

（a）主电路拓扑图

（b）V导通

（c）V关断

图2-1

2.2 电流连续时反激式变换器的工作原理和基本关系（如图（a））

图2-2反激变换器线圈电流

1.工作原理

1） 开关模式1（0-Ton ）

在t=0瞬间，开关管V 导通，电源电压Ui 加在变压器初级绕组W1上，此时，在次级绕组W2中的感应电压为221

w i

W u U W =-

，其极性“*”端为正，是二极

管D1截止，负载电流由滤波电容Cf 提供。此时，变压器的次级绕组开路，只有初级绕组工作，相当于一个电感，其电感量为L1，因此初级电流p i 从最小值

min P I 开始线性增加，其增加率为：

1

i

U d i p d t L =

（2-1）

在on t T =时，电流达到最大值m ax P I 。 m a x m i n

1

i

P P

u s U I I D T

L =+

（2-2）

在此过程中，变压器的铁心被磁化，其磁通Φ也线性增加。磁通Φ的增加量为：

()1

i u s U D T W +∆Φ=

（2-3）

2）开关模式2（Ton-Ts ）

在t=Ton 时，开关管V 关断，初级绕组开路，次级绕组的感应电动势反向，其极性“*”端为负，使二极管D1导通存储在变压器磁场中的能量通过二极管D2释放，一方面给电容Cf 充电；另一方面也向负载供电。此时只有变压器的次级绕组工作，相当于一个电感，其电感量为L2.次级绕组上的电压为2w o u U =，

次级电流s i 从最大值m ax s I 线性下降，其下降速度为：

02

U dis dt

L =

（2-4） 在1012

i D U U U K =+

时，电流达到最大值m ax s I 。

m a x m

a x

2

(1)o

s s

u s U I I D T L =+-

（2-5）

在此过程中，变压器的铁心被磁化，其磁通Φ也线性增加。磁通Φ的增加量为：

()2

(1)o u s U D T W -∆Φ=

-

（2-6）

2.基本关系

在稳态工作时，开光导通铁心磁通的增加量()+∆Φ必然等于开关管关断时的减少量()-∆Φ，即()()+-∆Φ=∆Φ，则由式（2-3）和式（2-6）可得

122

1

.

.

111o u

u

i

u

u

U D D W U W D K D =

=

--

（2-7）

式中，1212

W K W =

是变压器初、次级绕组的匝数比。

开关管V 关断时所承受的电压为Ui 和初级绕组W1中感应电动势之和，

即

12

U 1i v i o u

U W U U W D =+

=

-

（2-8）

在电源电压Ui 一定时，开关管V 的电压和占空比Du 有关，故必须限制最大占空比Dumax 的值。二极管D1承受的电压等于输出电压Uo 与输入电压Ui 折算到次级的电压之和，即

1012

i D U U U K =+

（2-9） 负载电流Io 就是流过二极管D1的电流平均值，即