50W谐振复位正激变换器设计.docx
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50W谐振复位正激变换器设计
电力电子应用课程设计
课题：
50W谐振复位正激变换器设计
班级电气3113学号29
姓名姜飞虎
专业电气工程及其自动化
系别电气工程系
指导教师陈万丁卫红
淮阴工学院
电气工程系
2021年6月
前言
电力电子技术中，高频开关电源的设计要紧分为两部份，一是电路部份的设计，二是磁路部份的设计。
相对电路部份的设计而言，磁路部份的设计要复杂得多。
磁路部份的设计，不但要求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰硕的实践体会。
在磁路部份设计完毕后，还必需放到实际电路中验证其性能。
由此可见，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部份的设计。
高频开关电源的磁性元件要紧包括变压器、电感器。
为此，本文将对高频开关电源变压器的设计，专门是正激变换器中变压器的设计，给出详细的分析，并设计出一个用于输入48V（36～75Vdc），输出5Vdc/10A的正激变换器的高频开关电源变压器。
一、设计目的
通过本项目分析设计，加深学生对单管直流/直流变换电路的明白得，把握一样小功率DC/DC变换器主电路工作原理及相应操纵方式，熟悉正激变换器中变压器复位的大体原理及相应的复位方式，熟悉开关电源中的磁性元件的设计方式；
输入：
36～75Vdc，输出：
5Vdc/10A
二、设计任务
一、分析谐振复位正激电路工作原理，深切分析功率电路中各点的电压波形和各支路的电流波形；
二、依照输入输出的参数指标，计算功率电路的关键器件电压电流品级，并选取实际功率器件，设计正激变换器中脉冲变压器，包括原副边绕组匝数计算，导线选取，磁芯选择等。
3、焊接电路板，并调试。
三、整体设计
开关电源的进展
开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的进展方向，现已成为稳压电源的主流产品。
开关电源分为DC/DC和AC/DC两大类。
前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。
开关电源的核心是电力电子变换器。
按转换电能的种类，可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；逆变器，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；整流器是将交流电转换成直流电的电能变换器和交交变频器四种。
开关电源的高频化是电源技术进展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更普遍的领域，专门是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的进展与应用在节约资源及爱惜环境方面都具有深远的意义。
DC/DC变换器的大体拓扑
3.2.1概述
直流变换器按输出与输入间是不是有电气隔离可分为两类：
没有电气隔离的称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。
有隔离的变换器能够实现输入与输出间的电气隔离，通常采纳变压器隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。
变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。
3.2.2电路拓扑
变换器的电路拓扑多达上百种，包括降压式（Buck）变换器、升压式变换器、起落压式变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器、正激变换器、反激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器、全桥变换器等。
在进行变换器的设计工作之前，第一要选择电路拓扑。
这是一件超级重要的工作，其他所有的设计选择、元器件选择、磁芯元件设计、环路补偿等等都取决于它。
若是电路拓扑发生改变，这些也必需随着改变。
本课题要求研究降压式正激变换器，正激变换器具有电路结构简单、输入输出电压隔离、能够多路输出等优势，普遍应用在中小功率变换场合。
（1）降压式（Buck）变换器
降压式变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。
具有电路简单，调整方便，靠得住性高；对功率晶体管及续流二极管耐压的要求低；电源带负载能力强，电压调整率好等优势。
但在这种电路中，功率晶体管和负载直接与整流电源串联，故万一晶体管被击穿时，负载两头的电压便升高到整流电源电压，负载会因经受过电压而损坏。
（2）正激变换器
正激式变换器事实上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧间的电气隔离，也使该变换器的输出电压能够高于或低于电源电压，还可实现多输出。
而Q的占空比可在比较合理的范围内转变，通常选择在上下转变，这时在一样输出功率下，Q的计算功率较小。
这种变换器的优势是：
可方便地实现交流电网和直流输出端机架之间的隔离；能方便的实现多路输出。
在占空比的转变范围不能改变的情形下，可方便地通过改变高频变压器的匝比，使之知足交流电网电压在必然范围内转变时能稳压的要求。
四、器件选择
变压器
在开关电源中的变压器其要紧的目的是传输功率，将一个将电源的能量瞬时地传输到负载。
另外，变压器还提供其他重要的功能：
（1）通过改变低级与次级匝比，取得所需要的输出电压；
（2）增加多个不同的匝数次级，取得不同的多路输出电压；
（3）为了平安，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便地提供平安隔离。
在正激变换器中，变压器的要紧作用不是贮存能量而是纯粹的变压功能（即对输入电压进行升压或降压）。
需要综合考虑占空比和匝比来进行设计。
尽管储能能力常常是选择电感器的要紧依据，但变压器储能仅是单纯的励磁能量，与负载电流无关，只随输入电压的转变而转变。
确保变压器复位也是一个问题，它限制了变压器的占空比要维持低于。
本设计要求输入电压为直流48V,波动值为36V-75V,输出电压为5V，输出电流为10A,功率要求为50W。
变压器输入输出电压关系式为：
一样选择占空比D为,那么N2/N1=25:
108.因此为了使变压器在输入电压波动范围内都维持工作，因此变压器的匝比希望选择25:
108。
下面计算变压器的参数：
（1）确信最大磁感应强度
考虑高温时饱和磁感应强度BS会下降，同时为降低高频工作时磁芯损耗，工作最大磁感应一样为2000-2500GS。
（2）依照输出功率选择磁芯
面积乘积的粗略预算公式：
注：
Ae----磁芯有效截面积；
Aw----线圈窗口面积；
Po----输出功率（W）；
----磁通密度转变量（T）；
f----变压器工作频率（HZ）；
k----正激转变器中值为；
代入公式得：
查附表1选择P型2616的磁芯，Ae＝，Aw=,Ve=，,P=,f=200KHZ。
查附表2取得磁芯尺寸（mm）：
d1=,d2=,d3=，d4=，h1=,h2=,a=,b=,Ie=,I/A=。
（3）计算副边匝数
周期
S,最大占空比为，
ton=×10-6S
计算输出电压加上满载时二极管和次级IR压降：
由电磁感应定律可得：
（4）计算原边匝数
变压器输入输出电压关系式为：
因此
≥
=
=
≈
由变压器的性质得：
那么
若是取5匝，将大大增加了伏/匝、磁感应转变量和磁芯损耗。
若是取6匝，减少了磁芯损耗，可是增加了线圈损耗。
因为以上结果接近5匝，选取5匝。
现在由
=。
（5）副边电流有效值为：
（6）原边电流有效值为：
（7）选择线径：
依照导线的电流密度J=4A/mm2，
因此原边绕组所选截面积为：
=4=mm2
副边绕组所选截面积约为：
=4=mm2
电感
电感常为储能元件，其特点是流过其上的电流有专门大的惯性，换句话说，由于磁通持续性，电感上的电流必需是持续的，不然将产生专门大的电压尖峰波。
它是磁性元件，存在磁饱和的问题。
在开关电源中有一个不可轻忽的问题，电感的绕线所引发两个散布参数的现象。
其一是绕线电阻，这是不可幸免的，其二是散布式杂散电容，随绕制工艺、材料而定。
由于是直流电感，MPP（钼坡莫合金磁粉芯）或铁粉芯是比较适合的。
为了做到小体积，选择MPP，
其中
IC=
因此L=
电感值为
，直流电流为10A，储能为
。
依照电流有效值选择导线的线径，因为
，因此选择导线的截面积约为mm2，电流较大时，仍需采纳多股并绕，但由于电感中的交流成份较小，必要时可选用较粗的导线绕制。
电容
由体会公式得:
1%U0=△I
即1%U0=△I
因此C=
=
=
电阻
R=
二极管
D1为整流二极管、D2为续流二极管。
其所经受的电压为相等，为：
电流别离为：
D3为复位二极管。
其电流、电压如下
D1选用5EQ100类型的二极管，D2、D3选用10YQ045类型的二极管。
开关管
开关电源中所显现的故障中约百分之六十是功率开关管损坏引发的。
开关电源中采纳的开关管是MOSFET管，有些还采纳IGBT管和GTO管。
IGBT要紧用在高功率大输出的场合，GTO要紧用于中功率较小输出的场合，而MOSFET要紧用于小功率小输出的场合，该设计是50W谐振复位正激变换器的设计，输出功率只有50W，输入电压为48伏，输出电压为5伏，为小功率小输入小输出，因此在此处采纳MOSFET管已经足够。
MOSFET是一种电压操纵的单极型器件。
具有驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高等优势，普遍应用于开关电源中。
分为P型、N型，在此处采纳N型MOSFET管。
设频率为100KHZ，占空比为，开关管Q1的开通和关断时刻为
开关管关断时所经受的电压维持在输入电压的两倍，为96V。
即
线圈电流即为变压器原边的电流，因此，
查阅资料可知开关管型号为IRF640ZL即可。
UC3843芯片
UC3842、UC3843 是高性能固定频率电流模式操纵器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能够取得本钱效益高的解决方案。
这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精准的占空比操纵、温度补偿的参考、高增益误差放大器。
电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。
其它的爱惜特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时刻和单个脉冲测量锁存。
UC3843A是专为低压应用设计的，低压锁定门限为伏（通）和（断）。
特点:
一、微调的振荡器放电电流，可精准操纵占空比.
二、电流模式工作到500KHZ
3、自动前馈补偿
4、锁存脉宽调制，可逐周限流
五、内部微调的参考电压，带欠压锁定
六、大电流图腾柱输出
7、欠压锁定，带滞后
八、低启动和工作电流
九、直接与安森美半导体的SENSEFET产品接口
引脚图
引脚
功能
引脚功能说明
8管脚
14管脚
1
1
补偿
该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。
2
3
电压反馈
该管脚是误差放大器的反相输入端，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出。
3
5
电流取样
一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通。
4
7
RT/CT
通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调。
工作频率可达500kHz 。
5
-
地
该管脚是控制电路和电源的公共地（仅对8管脚封装如此）
6
10
输出
该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达 的峰值电流经此管脚拉和灌。
7
12
VCC
该管脚是控制集成电路的正电源。
8
14
Vref
该管脚为参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流。
8
电源地
该管脚是一个连回至电源的分离电源地返回端（仅14 管脚封装如此），用于减少控制电路中开关瞬态噪声的影响。
11
VC
输出高态（VoH）由加到此管脚（仅14 管脚封装如此）的电压设定。
通过分离的电源连接，可以减小开关瞬态噪声对控制电路的影响。
9
地
该管脚是控制电路地返回端（仅，4 管脚封装如此），并被连回到电源地。
2,4,6,13
空脚
无连接（仅14管脚封装如此）。
这些管脚没有内部连接。
五、电路设计工作原理
此电路设计，要紧有五个部份组成：
主电路（正激变换器设计）、辅助电源电路、PWM操纵电路、二次环路电路和爱惜电路。
电路的工作原理说明：
为了分析的方便，做出如下假设：
（1）变压器的漏电感远远小于励磁电感，变压器的线圈电阻、寄生电容能够忽略不计，其等效电路如图3。
图3变压器的等效电路
（2）主开关管Q一、整流二极管D一、续流二极管D2在导通期间相当于短路，在关断期间相当于电容器，其等效电路如图4所示。
（a）主开关管的等效电路（b）二极管的等效电路
图4功率开关器件的等效电路
（3）Lf足够大，在一个开关周期内，其电流大体维持不变，如此Lf和Cf和负载能够看成电流源。
在一个开关周期中，该变换器有6种开关模态，其等效电路如图5所示。
图5各开关模态的等效电路
①开关模态1[t0,t1]
开关模态1为开关管Q1开通时期，见图5（a）。
在t0时刻，开通开关管Q1，流过整流二极管D1的电流增加，续流二极管D2的电流减小，励磁电流im从Im（-）开始线性上升。
在t1时刻，D2的电流减小到零，由D1代替D2给负载供电，开关模态1终止。
②开关模态z[t1，t2]
开关模态2为功率输出时期，见图5（b）。
在此模态中，能量通过变压器由输入电源传送给负载。
励磁电流im继续上升。
在t2时刻，关断Q1，开关模态2终止。
③开关模态3[t2，t3]
开关模态3为开关管Q1关断时期，见图5（c）。
在此模态中，开关管的结电容Cs被充电，续流二极管的结电容CD2放电。
在t3时刻，VD2减小到零，CD2放电终止，续流二极管D2自然导通，开关模态3终止。
④开关模态4[t3，t4]
见图5（d）。
在此模态中，变压器漏电感上存储的能量继续给Cs充电。
在t4时刻，i2下降到零，变压器漏感上的能量全数传递到Cs上，开关模态4终止。
由于开关模态4的时刻很短,能够以为励磁电流大体不变，即：
⑤开关模态5[t4，t5]
开关模态5为磁复位时期，见图5（e）。
在此模态中，励磁电感L与结电容Cs、CD1谐振工作。
结电容上贮存的能量回馈给电源和变压器电感，完成磁复位。
在t5时刻，VD1下降到零，变压器完成磁复位，开关模态5终止。
⑥开关模态6[t5，t6]
开关模态6为死区时期，见图5（f）。
在此模态中，D1和D2同时导通，副边绕组被箝位在零位，因此原边绕组电压也为零，变压器的励磁电流维持不变。
在t6时刻，开通开关管Q1，开始下一个开关周期。
设计原理
一、磁复位技术
利用单端隔离变压器以后，变压器磁芯如安在每一个脉动工作磁通以后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，称为去磁复位问题。
因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，若是没有每一个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能致使显现饱和。
这时开关导通时电流专门大；断开时，过电压很高，致使开关器件的损坏。
剩余磁通实质是磁芯中仍残余有能量，如何使此能量转移到别处，确实是磁芯复位的任务。
具体的磁芯复位线路能够分成两种：
一种是把铁芯残余能量自然的转移，在为了复位所加的电子元件上消耗掉，或把残余能量反馈到输入端或输出端；
另一种是通过外加能量的方式强迫铁芯的磁状态复位。
具体利用那种方式，可视功率的大小、所利用的磁芯磁滞特性而定。
本课题采纳第一种磁复位方式。
图4典型的两种磁芯磁滞特性曲线
如图4所示，在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。
图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一样是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一样为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。
关于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一样利用转移损耗法。
转移损耗法有线路简单、靠得住性高的特点。
关于剩余磁感应强度Br较高的铁芯，一样利用强迫复位法。
强迫复位法线路较为复杂。
简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联，磁芯中残余能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它具有两种功能，既能够限制功率开关管过电压又能够排除磁芯残余能量。
在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电感（寄生电感）存在，那个电感中也有存储的能量，因此一样把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。
这种电路只适用于小功率变换器中。
二、磁复位的方式分为：
第三线圈复位法、RCD复位、有源钳位、双管正激。
本次课题采纳谐振复位法。
谐振复位法的优势：
磁复位电路简单；功率开关电压较低；占空比d可大于,适用于宽输入电压场合。
缺点：
大部份磁化能量消耗在钳位电阻中。
因此，它普遍应用于价廉、效率要求不太高的功率变换场合。
六、单元电路的设计
正激变换器的设计方式
在开关电源变换电路中，单端正激变换器由于具有电路结构简单、工作靠得住性高等优势而普遍应用于中小功率变换场合。
在单端正激变换器中，由于变压器的铁芯是单方向磁化的，为了避免铁芯磁饱和而致使的开关器件损坏，必需采取相应的方法，使变压器的铁芯磁复位。
常见的磁复位方式有复位绕组复位、谐振复位、RCD复位、LCD复位和有源箝位复位等。
它们各有优缺点，其中谐振磁复位所需的器件少，磁能循环利用、效率高，适合于高频变换器。
针对车载锂离子动力电池充电单元对重量、体积、效率等方面的特殊要求，本文对单端正激变换器谐振磁复位技术进行了研究。
谐振磁复位电路是利用电路中开关器件寄生电容与变压器励磁电感的自激振荡来实现磁复位。
其主电路的拓扑结构如图1，图中：
Cs是开关管的结电容，Lm是变压器的励磁电感。
图2是电路要紧参数波形图。
图l电路原理图
图2变换器的要紧波形
辅助电源电路设计
要紧通过Z2稳压管将Vcc电压稳固到9V左右，给UC3843提供电压使其工作。
操纵电路设计
此操纵电路要紧通过UC3843芯片工作，通过6脚输出产生驱动信号。
二次环路电路设计
此电路要紧起反馈作用，通过引出脚Vf操纵两电路之间的反馈。
爱惜电路设计
此电路要紧起过电压、过电流和过温爱惜作用。
七、电路焊接与调试
通过前期的电路设计与元器件的选择，利用PROTEL绘制电路图并制作了PCB板，选择对应元器件焊接到PCB板上，以后调试。
调试进程，开始的时候显现了输出没有电压、占空比专门大等情形，在教师的帮忙下找到了缘故，由于电路板设计时为了考虑更好的散热成效，因此在电路板上元器件引脚设置接线处没有注意，致使显现输出没有电压。
焊接实物及测试波形如下：
UC38436脚输出驱动信号波形
八、心得体会
两周的课程设计终止了，在这次的课程设计中不仅查验了我所学习的知识，也培育了我如何去把握一件情形，如何去做一件情形，又如何完成一件情形。
在设计进程中，与同窗分工设计，和同窗们彼此探讨，彼此学习，彼此监督。
课程设计是咱们专业课程知识综合应用的实践训练，是咱们迈向社会，从事职业工作前一个必很多的进程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，确实是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
本次设计详细论述了正激变换器中变压器的设计方式，并结合具体设计任务，设计出一个用于48V（36～75V）输入，5V/10A输出的高频开关电源变压器。
设计出的变压器在实际电路中表现出良好的电气特性。
但由于自己的能力水平有限，设计进程中显现了很多错误，例如：
在选择元器件时，没有考虑其裕量；在焊接时由于都是贴片元件，焊接时将元器件对应位置犯错等等。
本文对50W谐振复位正激变换器的设计给出方案，在正激变换器的基础上分析了谐振复位正激变换器的大体拓扑和工作原理，分析了谐振复位正激变换器的几种工作模态。
通过查阅资料和文献，确信了各元器件的参数，选出了适合的原件，最终得出了50W正激变换器的设计思路。
在电路图的设计进程中，利用PROTEL软件画出了原理图，并进一步加深了对PROTEL软件的了解和熟悉。
本次设计锻炼了我的动手能力，树立了理论联系实际的理念，而且使自己进一步熟练了对Microsoftoffice和PROTEL和各类辅助应用软件的利用，对我有大有裨益。
在课程设计的进程中，我碰到过各类各样的问题，培育了我综合运用所学知识解决实际技术问题的能力；把握了资料查询的大体方式，培育自己学习及独立试探解决问题的的能力，并融会贯通知识体系，但对设计进程有一个整体的设计思路，才是咱们设计成功的关键。
最后，我要感激陈教师.，教师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的表率；是陈教师循循善诱的教诲，我才能够很顺利的完成了这次课程设计。
九、参考文献
[1]王兆安，刘进军主编，电力电子技术[M]。
机械工业出版社2020
[2]杜刚主编，电路板设计与制作——Protel应用教程[M]。
清华大学出版社2020
[3]叶斌主编，电力电子应用技术[M]。
清华大学出版社2006
[4]赵修科主编，开关电源中磁性元器件[M]。
2004
附图1电路设计总原理图与实物图
附表1正激变换器拓扑最大可能输出功率
表2P（罐）型磁芯规格表
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