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1、如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!一種基于正激變換器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法 作 者 :上海海事大學(xué) 鄭 慧 湯天浩 韓金剛摘 要 :<br> 本文通過(guò)對(duì)正激變換器拓?fù)溥M(jìn)行等效變換,推導(dǎo)出其參數(shù)計(jì)算公式,并用pspice對(duì)正激變換器電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后,設(shè)計(jì)一個(gè)以雙管正激電路為主電路的開關(guān)電源,并給出了pspice的仿真結(jié)果。 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)
2、展,開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)取得了很大成功,其應(yīng)用也十分普遍和廣泛。但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,涉及的元器件較多,以及要降低成本、提高可靠性,仍存在一些問(wèn)題需要解決。例如:電源的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要較高的技術(shù)支持;電路的調(diào)試要有實(shí)際經(jīng)驗(yàn),也有一定的難度。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題,由于目前各種開關(guān)電源雖然形式多樣,結(jié)構(gòu)各異,但其大都源于幾種基本的dc-dc變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),或者是這些基本電路組合,因此,可以對(duì)幾種基本dc-dc變換器進(jìn)行分析,將已有的電路設(shè)計(jì)公式應(yīng)用于實(shí)際開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題,隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展以及仿真技術(shù)的不斷完善,人們可以利用仿真技術(shù)來(lái)解決開關(guān)電源產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)中存在的問(wèn)題。
3、0; 本文在對(duì)基本的buck變換器電路拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)上,對(duì)與之相關(guān)的正激變換器和雙管正激變換器進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)等效變換,從buck變換電路的設(shè)計(jì)公式中推導(dǎo)出正激變換和雙管正激變換電路的參數(shù)計(jì)算公式;此外,采用pspice仿真軟件進(jìn)行了電路仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果證明了開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的正確性。2 buck變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì) 基本buck變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,由電壓源vi、串聯(lián)開關(guān)s、續(xù)流二極管vd和由lc組成的電流負(fù)載組合而成,其中l(wèi)的大小決定輸出電流紋波,而輸出電壓紋波則由c決定,這是最基本的一種直流變換器。圖1&
4、#160; 基本的buck變換器1 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! 文獻(xiàn)1給出了buck變換器的電路設(shè)計(jì)公式,根據(jù)buck變換器的輸出公式: 式中:為占空比,且有:ton/t,則vo/vi。電感l(wèi)的計(jì)算公式為: 式中:f為開關(guān)頻率; iomin為輸出最小電流。而電容c的計(jì)算公式為: 式中:vo為輸出電壓紋波。3 正激變換的公式推導(dǎo)3.1 拓?fù)浣Y(jié)
5、構(gòu)與工作模式 一個(gè)單管正激變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,由于正激變換器是在基本的buck型變換器基礎(chǔ)上多了一個(gè)隔離變壓器t1、一個(gè)二極管vd1和一個(gè)由回收繞組n3和箝位二極管vd3構(gòu)成的復(fù)位電路。由于電路形式發(fā)生了變化,所以設(shè)計(jì)時(shí)不能直接使用上述基本buck變換器的參數(shù)計(jì)算公式。本文通過(guò)對(duì)正激變換器工作模式的分析,采用等效變換方法將正激變換器等效為一個(gè)基本的buck變換電路,由此可將基本buck變換電路的參數(shù)計(jì)算公式(2)和(3)推廣到一類正激變換器的參數(shù)計(jì)算,建立新的設(shè)計(jì)公式。3 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!圖2
6、60; 單管正激變換器主電路結(jié)構(gòu) 正激變換器的工作模式為:(1) 當(dāng)v1導(dǎo)通時(shí),二極管vd1導(dǎo)通,輸入電網(wǎng)經(jīng)變壓器耦合向負(fù)載傳輸能量,此時(shí),濾波電感l(wèi)1儲(chǔ)能;(2) 當(dāng)v1截止時(shí),二極管vd1截止,電感l(wèi)1中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)使續(xù)流二極管vd2導(dǎo)通,電感l(wèi)1中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管vd2向負(fù)載釋放。3.2 等效變換與參數(shù)計(jì)算 根據(jù)對(duì)正激變換器工作模式的分析,可以發(fā)現(xiàn)二極管vd1的通斷與開關(guān)管v1的通斷同步,因此可以將二極管vd1用一個(gè)等效開關(guān)管v代替,如果可以忽略v1的導(dǎo)通壓降,則變壓器副邊繞組的感生電壓
7、為:式中:k為變壓器的匝比,且有kn1/n2。 如果用一個(gè)大小為vi的電壓源代替變壓器副邊繞組,就可以將整個(gè)正激變換器的輸出邊等效變換為一個(gè)基本的buck變換器。等效電路如圖3所示,圖中用開關(guān)v代替了圖2電路中的開關(guān)管v1與二極管vd1的作用。由此,通過(guò)等效變換的正激變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖1所示的基本buck變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致。這樣,就可以采用基本buck變換器的參數(shù)計(jì)算公式(2)和(3)來(lái)設(shè)計(jì)正激變換器。3 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!圖3 等效buck變換器
8、 由圖3可將公式(2)和(3)推廣,得到等效后的正激變換器參數(shù)計(jì)算:(1) 占空比的計(jì)算:(2) 濾波電感的計(jì)算: (3) 濾波電容的計(jì)算: 4 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!式(5)、(6)和(7)即為正激變換器的參數(shù)計(jì)算公式,從式(5)可知占空比不僅與輸入輸出電壓有關(guān),還跟變壓器的匝比有關(guān),與式(2)和式(3)相比,濾波電容與電感的計(jì)算也多了一個(gè)變壓器的匝比參數(shù)k。3.3 計(jì)算公式驗(yàn)證
9、; 現(xiàn)通過(guò)pspice仿真來(lái)驗(yàn)證所推公式的正確性。設(shè)計(jì)一個(gè)正激變換器,要求其輸入電壓為48vdc,輸出電壓為12vdc,輸出電流為5a,輸出電壓紋波分量 vo為1v,開關(guān)頻率f為50khz。先選定0.4,即ton8s,再由式(5)、(6)和式(7)算出變壓器的匝數(shù)比為1.6,l115h,c124f,而rlvo/io2.4。 在pspice下繪制電氣原理圖,并對(duì)其進(jìn)行暫態(tài)時(shí)域分析,仿真時(shí)間設(shè)為1ms。仿真輸出電壓波形如圖4所示,可以看出,其輸出電壓在0.2ms后就已經(jīng)穩(wěn)定在所要求的12v上了,其輸出紋波也完全符合要求,從而證明前面所推公
10、式是正確的。圖4 雙管正激變換器主電路4 開關(guān)電源設(shè)計(jì)舉例 現(xiàn)利用上述方法,設(shè)計(jì)一個(gè)雙管正激型開關(guān)穩(wěn)壓電源,要求輸入電壓為48vdc,輸入變化范圍為±5,輸出電壓為12vdc,輸出電壓紋波范圍為1v,輸出電流為6 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!5a,開關(guān)頻率為50khz。(1) 主電路參數(shù)計(jì)算 選取雙管正激電路作為開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路,如圖5所示。其工作原理與單管正激變換器相同,只是這里的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,且因?yàn)橛衯da、vdb,不需另外的復(fù)位電路。
11、控制電路則采用簡(jiǎn)單的電壓控制模式。 圖5 雙管正激變換器主電路這里可以直接用正激變換器的公式計(jì)算其參數(shù)。由設(shè)計(jì)要求可知t1/f20s,rvo/io2.4,iomin11.5v/2.44.79a。由于雙管正激電路占空比最大只能為0.5,因此可以選取當(dāng)輸入為45.6v(輸入電壓最小)時(shí),占空比為0.45,然后由式(5)算出變壓器的變比為7/4,由式(6)求出電感l(wèi)=13h,根據(jù)式(7)解出電容c=25f。(2) 控制電路參數(shù)計(jì)算 開關(guān)電源采用占空比控制方式,可分為電壓模式控制和電流模式控制兩大類。電壓模
12、式控制僅有一個(gè)電壓控制環(huán),電流模式控制中還存在電流內(nèi)環(huán)。這里采用電壓模式控制,如圖6所示,運(yùn)算放大器u1為電壓控制器,運(yùn)算放大器u2為比較器。其控制原理為,取樣于輸出電壓的反饋電壓uf與給定電壓v3相比較,經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié),輸出電壓再與鋸齒波v1比較,產(chǎn)生一個(gè)pwm波,去驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。6 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!圖6 開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路 控制電路采用pi電壓調(diào)節(jié)器,需要確定的參數(shù)有c2、r3和r2,還有輸出采樣電阻。選取取樣電壓為輸出電壓的1/6,取樣電阻的值最后根據(jù)調(diào)試
13、結(jié)果確定。根據(jù)不同要求的輸出電壓,調(diào)節(jié)可變電阻r6,以獲得相應(yīng)的給定電壓。取截止頻率為開關(guān)頻率的1/20,即=0.0004s。取r2=10k,先取放大倍數(shù)kp=10,則r3=100k,c2=/r3=40pf。5 仿真試驗(yàn) 將設(shè)計(jì)的開關(guān)電源用pspice進(jìn)行仿真,首先在pspice下繪制電氣原理圖,仿真電路如圖7所示。再按上述步驟進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),最后進(jìn)行仿真試驗(yàn)和電路調(diào)試,由于仿真試驗(yàn)的主要目的在于參數(shù)的確定和調(diào)試,因此,為簡(jiǎn)便起見可暫不考慮保護(hù)電路的作用。調(diào)試后的各參數(shù)最佳值見圖7。7 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!圖7
14、0; 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路原理圖將圖7所示的開關(guān)電源控制電路圖用pspice進(jìn)行仿真,并進(jìn)行暫態(tài)時(shí)域分析,仿真時(shí)間設(shè)為2ms。仿真輸出波形如圖8所示:8 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!圖8 vi45v時(shí)的pwm波形、輸出電壓和取樣電壓波形圖9 vi48v時(shí)的pwm波形和輸出電壓 從圖8可以看出,其輸出電壓和反饋電壓均滿足設(shè)計(jì)要求。 從圖9和10可以看到,雖然輸入電壓發(fā)生了變化,但該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的自動(dòng)調(diào)節(jié),使其輸出電壓穩(wěn)定在所要求的12v,而且輸出紋波和穩(wěn)定時(shí)間均滿足設(shè)計(jì)要求。9 / 12如果您需要使用本文檔,請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載!圖10 vi51v時(shí)的輸
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