基于正激变换器的设计(编辑修改稿)

基于正激变换器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

NCP1562控制芯片的引脚功能，工作原理，完成外围电路的搭建。 3）主电路所用器件参数计算公式的推导及器件的最终选型，还可以结合闭环反馈回路的设计对电源的输出进行校正。 4） MATLAB仿真电路的搭建，电源性能指标的测定，工程图纸、元器件列表的绘制。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 第 2 章 正激变换器 正激变换器（ Forward Converter）可以看成是由 Buck 变换器演化而来的，它在开关闭合期间实现能 量的传递。 在正激变换器中 ，变压器的原、副绕组同时工作，副绕组中的电流产生的磁通将抵消原绕组 电流所产生的磁通（励磁磁通除外），因此可以传递更大的功率。 这是正激变换器的特点。 在正激变换器中，绕组流过的是单向脉动激磁电流，如果没有每个周期都发挥作用的去磁环节，剩余磁通就会积累导致饱和。 因此必须设法使变压器磁芯的磁通恢复到上一个周期开始时的数值。 这一要求称作变压器的磁化状态复位条件。 这也是正激变换器能正常工作的条件。 针对变压器磁复位有多种拓扑，可以比较它们的优缺点。 传统单端正激变换器 带复位 绕组的单端正激变换器 带复位绕组 [3]的正激变换器技术成熟可靠，磁化能量可以无损的回馈到直流侧。 其拓扑如图 21： 图 21 带复位绕组的正激变换器 T 1L fVD1VD 2C f R LViSN 1N 3VD 3N 2第 2章 正激变换 器 7 变压器的磁复位由绕组 N3 和二极管 VD3(上图虚线框中所示 )来完成 ，在开关 S 断开期间，变压器的磁能经过绕组 N3 和回馈二极管 VD3向电源端馈送，完成励磁能量的转移并同时使磁芯的磁化状态复位。 但这种复位技术主要存在如下缺点： (1)复位绕组 N3 使得变压器结构和设计复杂化 (2)在开关器件 S 关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要 RC 缓冲电来吸收，电路在满载运行 时表现尤为突出。 (3)开关器件 S 承受的电压 UDS(公式 21)与输入电压 Vi 成正比，当电路 (21) 工作在宽输入时，须采用高压功率 MOSFET，而高压功率 MOSFET导通阻抗大，因而导通损耗大。 (4)当 Vi=Vimax时，占空比 d=dmin 很小，不易于大功率输出。 RCD 箝位单端正激变换器 该变压器 磁复位拓扑工作过程可以分为五个 阶段，由此分析得到拓扑优缺点，其主要缺点在于部分磁化能量消耗在箝 位电阻 R 中，因此电源 效率相对较低。 通过对其工作过程的分析可以推导出箝 位电压 UC 为： (22) 式中 n变压器变比 Lm磁化电感 fs 开关频率 LIK一次侧和二次侧 的 漏感 Cs晶体管输出电容、箝位二极管结电容、整流二极管折算到一次侧 的结电容和变压器绕组电容的总 和 131DS i NUV N  122 202020 222C s s I Kmsmsn U Rn U R IU R C f L RL f nLC      燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 RCD 箝位 [4]拓扑结构如图 22 所示 ,虚线框中部分即为箝位电路 : 图 22 RCD 箝 位单端正激变换器 由式 (22)可知 ： UC 与 Vi 无关；增大 Lm可降低 UC；增加 Cs可降低 UC，这可以在 开关器件 S 的漏 — 源极间并联电容来完成，然而这样将会增加开关器件的容性开通损耗；减小 LIK 可降低 UC，这是降低箝位电压的关键因素。 和采用复位绕组的单端正激变换器相比， RCD 箝 位单端正激变换器 优点如下： (1)磁复位电路简单 (2)开关管电压应力较低 (3)占空比 d 可以大于 ，适合较宽范围电压输入 它的缺点是大部分磁化能量消耗在箝位电阻 R 中，电源效率较低。 因此，该拓扑 适用于价廉、效率要求不高的场合。 T 1L fVD1VD 2C fR LV iSN 1RVD 3N 2CC sI 0U 0第 2章 正激变换 器 9 LCD 箝位单端正激变换器 LCD箝位单端正激变换器 [5]能够将变压器的激磁能量反馈回电网，使变压器磁通复位，还能够有效抑制开关器件关断时由于漏感能量所造成的电压尖峰。 其拓扑结构如图 23所示，虚线框中部分可以完成变压器磁通复位。 图 23 LCD 箝 位单端正激变换器 通过对其工作过程的分析可以发现开关器件 S是硬开通的，开通时结电容能量将完全消耗在内部，如此减小其开通前结电容电压将大大减小器件开通损耗。 总之， LCD箝 位单端正激变换器 能无损的把激磁能量和漏磁能量全部回馈给直流侧，能够实现高效率。 但是，开关 频率 sf 30kHZ时， LC谐振电流太大，使得导通损耗增加。 因此，这种方法通常适用于 sf =20kHZ，且当输入电压高的时候，电感体积过大。 通过对以上三种传统磁复位拓扑优缺点的比较可以发现，它们都不是很好，对于本次设计相对来说有源箝位正激变换器较理想，应该可以很好满足设计性能指标。 T 1L fVD1VD 2C fR LV iSN 1LVD 3N 2CC sVD 4燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 有源箝位单端正激变换器 有源箝 位单端正激变换器 [6]和传统的磁复位变换器相比有许多优点： (1)变压器双向对称励磁，可 以工作在磁滞回线的第一和第三象限，变压器可以得到充分利用，同时占空比 d 可以 大于 ，开关器件承受电压较低，适用于输入电压范围较宽的场合。 (2)箝位开关管是零电压开关 (3)励磁能量和漏感能量全部无损回馈到电网侧 但有源箝位正激变换器也有缺点，拓扑中多用了一个箝位开关管，使得驱动电路的设计变得复杂，而且主开关管是硬开通，存在开通损耗。 有源箝位单端正激变换器工作原理 由于正激 DC/DC 变换器具有电路拓扑简单，输入输出电气隔离，电压升、降的范围宽，易于多路输出等特点，已经被广泛应用于中小功率电源 变换场合。 其电路拓扑如图 24 所示： 图 24 有 源箝 位单端正激变换器 T 1C fCL fR LVD 1VD 2S 1S 2C sVDU 0V iL mU C第 2章 正激变换 器 11 为了更好的分析主电路工作过程，我们给出如下图 25 所示主要工作波形图 ，进而完成对主拓扑的工作状态的研究。 图 25 拓扑主要工作波形 为简化分析，假设输出滤波电感 Lf足够大，可以用一个恒流源 I0 表示。 假设所有半导体器件都是理想器件。 变压器等效为励磁电感 Lm(漏电感忽略 )和匝数比为 n=Np/Ns 的理想变压器，如上图 24 所示。 考虑主开关器件 S1的 漏 源极之间的电容 Cs，其它的寄生参数忽略。 箝位开关器件 S2考虑反并联二极管 VD， 忽略其它寄生参数。 结合主电路拓扑图 24 和图 25 拓扑主要工作波形，把一个开关周期 Ts 分成七个工作状态来对此变换器工作原理进行分析。 S1S2UCSipimicttttttT1T2 T 3T4T5T6T7UCViT0onont1t2燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 (1)开关状态 1 T0 时刻开关器件 S1 导通 ， 二次侧的 二极管 VD1 导通， VD2 处于截止状态。 功率通过变压器传输到二次侧，同时，正的输入电压 Vi 加到变压器一次侧，励磁电流 im 从 IM 开始线性增加。 S1 导通 时，开关电流 is1 等于一次侧电流 ip 和励磁电流 im之 和。 励磁电流和一次侧电流分别为 (23) (24) T1时刻，励磁电流为 (25) T01是开关器件 S1的开启时间 Ton， S1的开关周期是 Ts，占空比是 D，则有 (26) (2)开关状态 2 开关器件 S1在 T1时刻被零电压关断时， 二极管 VD1继续导通。 于此同时折算到一次侧的负载电流 I0/n 和励磁电流 im同时给 开关器件 S1的结电容Cs 充电。 由于充电电流很大， Cs 相对较小，此过程可看作一个线性充电阶段， US1快速上升到 Vi。 结电容两端电压为 (27) 励磁电流为 (28)      0MmmiVi t I t TL       001 0Ms immVIIi nni t I t TL        011 M imm VTTLiI 01 on sT T D T   0 11CSSIU t t TCn        201 1 112imm m m sVIi t i T t T t TL L C n    第 2章 正激变换 器 13 T2时刻，当 Cs电压上升到输入电压 Vi，状态 2 结束。 持续时间为 (29) 这时，励磁电流达到了最大值 IM(+) (210) (3)开关状态 3 在这个阶段，由于 Cs的电压 (UCS)继续上升，加在变压器一次侧绕组上的电压变负，因此，二次绕组的电压也变为负。 二极管 VD1 截止， VD2 导通继续维持负载电流，但此时变压器不再向负载传输能量，一次侧也只有励磁电流。 结电容 Cs 开始同励磁电感 Lm 发生谐振， UCS 继续上升， IM(+)开始减小，电容两端电压和励磁电流分别为 (211) (212) 式中 mZ 励磁电感与结电容的特征阻抗， m m sZ L C m 励磁电感与结电容谐振的角频率， 1m m sLC  在 T3时刻，结电容电压上升到 CS i CU V U ，开关状态 3 结束。 持续时间为 (213) 此时励磁电流为 (214) (4)开关状态 4 T3时刻 ,结电容 Cs电压 UCS上升到输入电压 Vi 和箝位电容 C 上的电压总和，反并联箝位二极管。