單端反激式dcdc變換器運行模式的研究

單端反激式dcdc變換器運行模式的研究

0電子開關(guān)電路與負(fù)載電力電子電源在電子設(shè)備中起著重要作用。人們還形象地將電源比作電子設(shè)備的動力中心。其中直流開關(guān)電源是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置,因此電子開關(guān)電路是其核心,負(fù)載根據(jù)需求向開關(guān)電源提出輸出穩(wěn)定電壓或電流的特性要求,利用反饋控制電路,通過調(diào)節(jié)占空比來完成對開關(guān)電路的調(diào)控。在中小功率應(yīng)用方面單端反激式DC/DC變換器占據(jù)很重要的地位,本文研究了其在連續(xù)模式和斷續(xù)模式下的工作原理,通過仿真軟件研究了改變占空比和輸出電阻,單端反激式DC/DC變換器從連續(xù)模式轉(zhuǎn)為斷續(xù)模式下的電路仿真波形,為工程人員設(shè)計實際電路提供了方便。1次側(cè)電流與一次功率濾波器二次舉出時vd反激式DC/DC變換器亦稱為回掃式變換器。反激式變換器的定義是在功率開關(guān)管截止期間向負(fù)載輸出能量的裝置。反激式DC/DC變換器的基本原理如圖1(a)和圖1(b)所示。Ui為直流輸入電壓,Uo為直流輸出電壓,T為高頻變壓器,Np為一次繞組,Ns為二次繞組。V為功率開關(guān)管MOSFET,其柵極接脈寬調(diào)制信號,漏極接一次繞組的下端。VD為輸出整流二極管,C為輸出濾波電容。在脈寬調(diào)制信號的正半周時V導(dǎo)通,一次側(cè)有電流Ip通過,將能量儲存在一次繞組中。此時二次繞組的輸出電壓極性是上端為負(fù),下端為正,使VD截止,沒有輸出,如圖1(a)所示。負(fù)半周時V截止,一次側(cè)沒有電流通過,根據(jù)電磁感應(yīng)的原理,此時在一次繞組上會產(chǎn)生感應(yīng)感應(yīng)電壓Uor,使二次繞組產(chǎn)生電壓Us,其極性是上端為正,下端為負(fù),因此VD導(dǎo)通,經(jīng)過VD、C整流濾波后獲得輸出電壓,如圖1(b)所示。由于開關(guān)頻率很高,使輸出電壓基本維持恒定,從而實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。2變壓器副邊效電流反激電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式。反激電路電流連續(xù)與否指的是變壓器副邊繞組的電流。當(dāng)開關(guān)V開通時,變壓器副邊繞組中的電流尚未下降到0,則電路工作于電流連續(xù)模式;當(dāng)開關(guān)V開通時,變壓器副邊繞組中的電流已經(jīng)下降到0,則電路工作于電流斷續(xù)模式。2.1段電路中主電流特性反激電路在電流連續(xù)模式工作時,一個開關(guān)周期內(nèi),當(dāng)開關(guān)V導(dǎo)通時,變壓器副邊基本上無電流,變壓器儲能。當(dāng)開關(guān)V關(guān)斷時,副邊上又會產(chǎn)生電流。對應(yīng)一個開關(guān)周期T的兩個時段內(nèi):t0~t1和t1~t2,在這兩個時段電路中主要電壓和電流波形如圖2所示。(1)t0~t1時段,反激電路的副邊無電流。當(dāng)t=t0時刻,開關(guān)V接到激勵導(dǎo)通,介于繞組間同名端關(guān)系,二極管VD處于反向時會因為偏置而截止,變壓器原邊繞組的電流,也就是說開關(guān)V電流Is線性增長,變壓器儲能逐漸增加。(2)t1~t2時段,即反激電路的副邊有電流。在t=t1時刻,開關(guān)V會關(guān)斷,二極管VD會導(dǎo)通,變壓器原邊繞組的電流將會被切斷,變壓器在t0~t1時段,儲存在磁場中的能量會向輸出端釋放,釋放是通過變壓器副邊繞組和二極管VD來完成的。開關(guān)管承受的電壓為:NP為變壓器原邊繞組匝數(shù);NS為變壓器副邊繞組匝數(shù)。當(dāng)反激電路工作于電流連續(xù)模式時,輸入輸出電壓關(guān)系為:2.2變壓器放大電路反激電路工作于電流斷續(xù)模式時,在一個開關(guān)周期經(jīng)歷開關(guān)V導(dǎo)通、開關(guān)V關(guān)斷和電感電流為0的三個開關(guān)狀態(tài)。對應(yīng)于一個開關(guān)周期T的三個時段內(nèi)t0~t1、t1~t2、t2~t3,電路中的主要電壓和電流波形如圖3所示。圖3電流斷續(xù)時主要電壓和電流波形(1)t0~t1時段:在t=t0時刻,開關(guān)V因為勵磁和導(dǎo)通,二極管VD的變壓器的初級繞組,電流呈線性增長,變壓器儲能增加。(2)t1~t2時段:在t=t1時刻,開關(guān)V會變得關(guān)斷,二極管VD導(dǎo)通變壓器原邊電流被切斷,變壓器在t0~t1時段,儲存的磁場能量通過變壓器副邊繞組和二極管VD向輸出端釋放。在T2時刻,變壓器的磁場能量被完全釋放時,次級繞組的電流將減少到0,二極管將停止。(3)t2~t3時段:變壓器原邊繞組和副邊繞組中的電流均為0。電容C向負(fù)載提供能量。3單段反沖cd-sd變換器對nb-simulik的仿真和分析3.1脈沖發(fā)生器、scpe和脈沖設(shè)置單端反激式變換器在MATLAB/Simulink仿真模型如圖4所示。仿真模型中電壓源設(shè)置為100V直流電壓。PWM脈沖發(fā)生器用于驅(qū)動IGBT,調(diào)節(jié)其占空比就可以調(diào)控輸出電壓的大小;電力二極管為Diode,單向?qū)?防止電流反向流動;電路的開關(guān)器件為IGBT,R為電阻、C為輸出電容;Scope用于顯示PWM脈沖信號、IGBT開關(guān)電流Is和開關(guān)管電壓Us、副邊電流Iw2、負(fù)載電流I0、負(fù)載電壓U0g;算法選擇ode15s,stoptime選擇0.005s。3.2間斷模式下電路模擬仿真單端反激式DC/DC變換器在MATLAB/Simulink中的仿真結(jié)果如圖5~圖8所示。圖5和圖6除了占空比分別為50%和5%之外,是其他電路參數(shù)完全一致的仿真波形圖。其中圖5為電路工作在電流連續(xù)模式下的仿真波形,圖6為電路工作在斷續(xù)模式下的仿真波形。比較波形圖5和圖6可得到的結(jié)論是,其他條件保持不變,占空比變小,電路從連續(xù)模式轉(zhuǎn)換為斷續(xù)模式。圖7和圖8除了輸出電阻分別為5Ω和5MΩ之外,是其他電路參數(shù)完全一致的仿真波形圖。其中圖7為電路工作在電流連續(xù)模式下的仿真波形,圖8為電路工作在斷續(xù)模式下的仿真波形。比較波形圖7和圖8可得到的結(jié)論是,其他條件保持不變,輸出電阻增大到一定值的時候,電路從連續(xù)模式轉(zhuǎn)換為斷續(xù)模式。4工作模式的驗證本文在分析單端反激式DC/DC變換器的工作原理基礎(chǔ)上,研