120W推挽電路的設(shè)計解析

1、電力電子應(yīng)用課程設(shè)計課題：120W推挽電路的設(shè)計班級電氣1123學號姓名專業(yè)電氣工程及其自動化系別電子與電氣工程學院指導(dǎo)教師量業(yè)淮陰工學院電氣工程系2015年5月摘要開關(guān)電源是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種電力電子裝置。它具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點,推挽變換器和正激變換器是兩種常用的DC/DC變換器。推挽電路就是兩個不同極性晶體管連接的輸出電路。推挽電路采用兩個參數(shù)相同的功率BJT管或MOSFETt,以推挽方式存在于電路中，各負責正負半周的波形放大任務(wù)，電路工作時，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小

2、效率高。推挽輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推挽電路適用于低電壓大電流的場合，廣泛應(yīng)用于功放電路和開關(guān)電源中。關(guān)鍵詞：雙端電路推挽變換器目錄一、設(shè)計思想及設(shè)計原理11.1推挽變換器11.1.1設(shè)計目的11.1.2工作原理11.1.3基本關(guān)系31.2推挽變換器的參數(shù)設(shè)計31.2.1主功率變壓器的設(shè)計41.2.2開關(guān)管的選取51.2.3副邊整流管的選取51.2.4濾波電感的設(shè)計61.2.5濾波電容的設(shè)計71.2.6控制電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計7二、PWM控制芯片選取與介紹81PWM控制芯片選取81KA3525引腳介紹8三、設(shè)計調(diào)試10四、設(shè)計總結(jié)：141.1電路總結(jié)141.2心得體會14參考

3、文獻15、設(shè)計思想及設(shè)計原理推挽變換器設(shè)計目的通過本課題的分析設(shè)計， 可以加深學生對間接的直流變流電路基本環(huán)節(jié)的認識和理解，并且對隔離的DC/DCfe路的優(yōu)缺點有一定的認識。要求學生掌握推挽變換器的脈沖變壓器工作特性，并學會分析該電路的各種工作模態(tài)，及開關(guān)管、整流二極管的電壓電流參數(shù)設(shè)計和選取，掌握脈沖變壓器的設(shè)計和基本的繞制方法，熟悉變換器中直流濾波電感的計算和繞制，建立硬件電路并進行開關(guān)調(diào)試。學生需要熟悉基于集成PWM5片的DC/DC變換器的控制方法，并學會計算PW雌制電路的關(guān)鍵參數(shù)。工作原理D1N2ILN1N1N2D2Q1圖1推挽變換器UgrOTtLoniI*Tug2toirUQ1OUQ

4、2o圖2推挽變換器主要波形推挽變換器的主要波形如圖2所示。電路如圖1所示，兩個IGBT管可看成兩個可控制的開關(guān)，通過控制開關(guān)管Q1、Q2的開斷可以控制電路的輸出。變壓器的同名端在電路中已經(jīng)給出，輸入的電壓值假設(shè)為V。Q1導(dǎo)通時，輸入電壓加在變壓器原邊上端繞組上，同時Q2關(guān)斷，其兩端承受兩倍的輸入電壓，變壓器副邊上端繞組電壓為n2V/n1,整流二極管D1導(dǎo)通，此期間電源向負載提供能量，電感L中的電流逐漸上升。Q1關(guān)斷、Q2仍未導(dǎo)通，兩管同時處于關(guān)斷狀態(tài)。整流管D1中電流逐漸減小，D2中電流逐漸增大，直到兩管中電流相等（忽略變壓器激磁電流），此時變壓器可以看作被短路，兩開關(guān)管承受電源電壓，輸出功率

5、由輸出電容提供，電感L中的電流逐漸下降。Q2導(dǎo)通Q1關(guān)斷時，輸入電壓加在變壓器原邊下端繞組上，Q1承受兩倍的輸入電壓，變壓器副邊下端繞組電壓為n2V/n1,整流二極管D2導(dǎo)通， 此期間電源向負載提供能量；Q2關(guān)斷、Q1仍未導(dǎo)通，整流管D2中電流逐漸減小，D1中電流逐漸增大，直到兩管中電流相等（忽略變壓器激磁電流），此時變壓器可以看作被短路，兩開關(guān)管承受電源電壓，輸出功率由輸出電容提供，電感L中的電流上升。如果Q1和Q2同時導(dǎo)通的話，就相當于變壓器一次繞組短路，因此應(yīng)避免兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通， 每個開關(guān)管各自的占空比應(yīng)不能超過50%所以要保留有一定的死區(qū)， 防止兩管同時導(dǎo)通。推挽變換器的電路結(jié)構(gòu)簡

6、單，是基于單端正激變換器，我們可以把看成兩個完全對稱的單端正激變換器的組合，但是，推挽變換器比正激變換器輸出更大的功率。電路中，變壓器鐵芯雙向磁化，鐵芯尺寸相同，同時，電路必須有良好的對稱性，否則容易引起直流偏磁導(dǎo)致鐵芯飽和，磁芯飽和后電路就無法正常工作。變壓器繞組必須緊密耦合，以減小漏感，從而降低功率管的關(guān)斷電壓尖峰，這增大了變壓器繞制工藝的要求以及對所用功率器件電壓定額的要求。另外，電路中輸入電流紋波較大，因而濾波器的體積也要較大。推挽變換器通常用于中小功率場合，一般使用的功率范圍為幾百瓦到幾千瓦?；娟P(guān)系1、電壓傳輸比輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：VO/Vin=2nDD為單管導(dǎo)通占空比，n

7、為變壓器匝比，n=n2/m。2、開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力當開關(guān)管Q1或者Q2關(guān)斷時，開關(guān)管上的穩(wěn)態(tài)電壓最高是2Vin。當開關(guān)管導(dǎo)通時流過開關(guān)管的電流是經(jīng)變壓器變換后的負載電流，具有效值為：IQ=nlo.D3、副邊整流管的電壓電流應(yīng)力對于副邊全波整流結(jié)構(gòu)， 副邊整流二極管的電壓應(yīng)力是變壓器副邊單繞組電壓的兩倍，即2nVin。流過整流管電流的有效值為：IDR=IO.1-D推挽變換器的參數(shù)設(shè)計樣機的技術(shù)指標如下：輸入電壓：36-75V直流輸入輸出電壓：24V/5A直流輸出功率：120W開關(guān)頻率：100KHz主功率變壓器的設(shè)計(1)占空比和變壓器變比的確定：由于推挽變換器存在直流偏磁問題，為了克服這一缺

8、點，選用電流型控制芯片，以限制流過器件的電流?？刂菩酒x用KA3525試驗中它可以輸出最大占空比D為0.49,開關(guān)頻率設(shè)計在100kHzo在輸入電壓最低為36VDC時，保證輸出電壓可以達到24V。由公式：VO=2nDVinn2可得變壓器變比n=n-=0.68,考慮到實際電路會有一定的占空比丟失，可n1以選取變比n=0.72o(2)磁心的選取根據(jù)公式：PO8SQ:1082fBmKCKUj選擇變壓器磁心。上式中各個參數(shù)的單位是：P-W,Scm,Qcm,B-Gs,jfA/cm,對于鐵氧體磁芯Kc=1,取K=0.3。選用高頻鐵氧體材料R2KBD其飽和磁密R為5100G6Bm可以選1Bs=1700Gs結(jié)

9、構(gòu)選為ETD49,其有效磁心截面積S為2.13cm2,窗3口面積Q為3.75cm2。由上述公式計算可得：120SQ:3108=0.451210010317000.8710.3300而ETD4瞅芯的SQ=7.9875,可以選擇EE33型磁心。(3)匝數(shù)的設(shè)計對雙向矩形脈沖的變壓器有選取原邊單繞組為11匝。根據(jù)變比要求，取副邊單繞組匝數(shù)為8匝，即變壓器N1UinTon2BmS108364.9108108217002.13=2.44的繞組匝數(shù)為11:11:8:8(4)繞組的設(shè)計導(dǎo)線中流過交變電流時會產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均勻，線有效截面積減少，電阻增大。在高頻工作時，必須加以考慮。

10、當開關(guān)頻率為100kHz時，穿透深度A為:!2.32=0.20898(mm)2二1001034二105810導(dǎo)線線徑應(yīng)小于穿透深度的兩倍。首先計算原副邊繞組電流有效值。滿載工作時，不考慮流過變壓器副邊n2和濾波電感的電流紋波，則流過n2的電流幅值等于流過電感電流的平均值，即負載電流In,則流過變壓器原副邊電流的有效值11、I2分別為：24Dmax=0.4762360.7224Dmin0.2292750.72=nIO.Dmax=0.725.0.476=2.415A=Io,1-Dmin=5.1-0.229=4.39A開關(guān)管的選取開關(guān)管的最高電壓應(yīng)力是兩倍的最高輸入電壓， 即150V。 但推挽變換器

11、由于變壓器漏感的存在，在開關(guān)管關(guān)斷時有較大的電壓尖峰，因此要考慮較大的電壓裕量。開關(guān)管的電流定額：Iq(max);m1Dmax1200.476=2.64取3Vin(min)0.8736可選取IRFP30型號的MOSFET副邊整流管的選取副邊整流二極管承受的最大電壓應(yīng)力為2nWax=2X0.72X75=108V,考慮1.5倍的裕量，可以選取耐壓為220V的功率整流管。流過整流二極管的最大電流為為副邊繞組的最大電流，考慮2倍的裕量Id=212=24.39=8.78AGSIB2520-E3/45型號的功率二極管滿足要求。濾波電感的設(shè)計(1)電感值設(shè)計濾波電感的設(shè)計根據(jù)變換器的輸出額定功率100W股計

12、。根據(jù)最小臨界連續(xù)電流來選取濾波電感的電感值：2-,-VOToff(max)L二PO(min)1其中，Toff=(0.5Dmin)T=(0.50.229)M10=2.71NS,設(shè),代入上式PO5可得：L=32.52uH可以選取濾波電感值為40仙H。(2)鐵心的選擇選用高頻鐵氧體材料制成的ETD4瞅芯，其飽和磁密為5100GsSc=CD=139.7=126.1mmQ=(B-C)E=(13.8-13)X23.5=18.8mm初選氣隙6=1mm則:L。_40黑101黑10，一，4二10，126.110/選取N=20匝此時2Po(min)=15.9%SCNL2=0.7919mm在選擇導(dǎo)線時可考慮使用多

13、股線，因為導(dǎo)線線徑應(yīng)小于穿透深度的兩倍,穿透深度來選擇導(dǎo)線穿透深度A=0.20898mm取Su1=0.79mm,Su2=3.03mm滿載時因此：(3)導(dǎo)線的選取.1.IL(max)=IO，i=17.5A2oNIL(max)Bmax=0.2774r則可用Sui079則n1=?=-079一=1.9眄ni=2220.20898所以原邊取兩股線。n2=史二303=7.2則n2=82：20.20898所以副邊取八股線。濾波電容的設(shè)計濾波電容的設(shè)計根據(jù)變換器的輸出平均功率120W設(shè)計。在輸出的直流電壓中，包含有高頻紋波和很小的二次紋波成分。由于高頻成分較多，必須選用低阻抗高頻電解電容，選取主要依據(jù)輸出紋波

14、滿足要求。利用公式:VSEC(max)2D(12D)8L(2f)：Vo0.723620.22(1-20.22)-6_Z3284010(212010)1本變換器中，濾波電容采用10002F/25V的電解電容控制電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計推挽變換器電路如下圖所示。Cmax-0.0035f圖3推挽變換器電路圖二、PWMPWM控制芯片選取與介紹PWM空制芯片選取由于推挽變換器存在著直流偏磁問題，為了克服這一缺點，選用電流型控制芯片,以限制流過器件的電流。KA352呢電流才5制型PWME制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號

15、進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。其引腳如下：PINCONNECTIONSPINCONNECTIONS圖4KA3525引腳圖KA3525弓I腳介紹Inv.input（引腳1）:誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。Im.inputNoninv.InputSyncOSC.OutputCTRTDischargeSoft-Start16151413121110

16、vrefVCCOutputBVcGroundOutputAShutdownCompensationNoninv.input（引腳2）：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。Sync（引腳3）:振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。OSC.Output（引腳4）:振蕩器輸出端。CT（引月卻5）:振蕩器定時電容接入端。RT（引腳6）:振蕩器定時電阻接入端。Discharge（引腳7）:振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，

17、構(gòu)成放電回路。Soft-Start（引腳8）:軟啟動電容接入端。該端通常接一只軟啟動電容。Compensation（引腳9）:PWM匕較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。Shutdown（引腳10）：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。OutputA（引腳11）:輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。Ground（引腳12）:信號地。Vc（引腳13）:輸出級偏置電壓接入端。OutputB引腳14）:輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。Vcc（引腳15）:偏

18、置電源接入端。Vref（引腳16）:基準電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準電壓。三、設(shè)計調(diào)試為了測試該設(shè)計是否可行，選取三組典型數(shù)據(jù)進行調(diào)試測量:1、Ui=39.9VUo=23.9VIi=1.18AIo=1.59Ags波形19.245.6=0.42ds波形2、Ui=51.7VUo=24.3V|i=0.95AIo=1.61A_152D=0.3345.6ds波形gs波形RIGOLRIGOLSTOPSTOPfO O10.8U10.8Ua：u！1 1！(.，.!.臥.，.：.r ri i:.;:.;：K K：: :iIviiIvi IiiiiIiiiiLuLlLJ-WIJILuLlLJ-WI

19、JI向2121 9236kH9236kH釘一!. .j ja a +e e+ + +|h|h|:r：:I|I|1|i|9|l|1|i|9|l|l lJ JI II IJ JMiMipJpJ卜一 11i i 卜L*L*A Ai*i*i*i, ,卜f，*f f1*11*11111 ! !i-i-*-*iI-I-I I小|巨電電，.；型師理事用電；p.p.曹.陰墨&E E1 1.建 E.E.y y -f*-f* a a- -十- - *i-*i-* *aia4vaia4va4i1.a4i1.理!I-I- Ai,Ai,1 1班回50.0Uia50.0UiaTime10Time100*5.280

20、ms0*5.280ms3、Ui=60.5VUo=24.0VIi=0.80AIo=1.60A13.2D=0.2945.6ds波形gs波形二極管波形RTGOLRTGOLSTOPSTOP- - J JO O10.10.8U8UF_*-s-*-s-PBHHHqPBHHHq1HHlnai.BHH1HHlnai.BHHQ5Hzd di i卜*F FF FF F*一,卜idLidLiIIiIIIIIIV V * *uiiuiiliilii- -liilii 也 UMMUMM1 1*liiliiliilii- -liilii 也 liiriiliiliiliiriiliilii*I I 曲*a a一一-a-a

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