交错并联双管正激变换器研究_毕业设计论文.doc
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本科毕业设计（论文）
交错并联双管正激变换器研究
燕山大学
2013年6月
本科毕业设计（论文）
交错并联双管正激变换器研究
学院（系）：
专业：
学生姓名：
学号：
指导教师：
答辩日期：
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程学院系级教学单位：
电气工程及自动化系
学
号
学生
姓名
专业
班级
题
目
题目名称
交错并联双管正激变换器研究
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
1查询双管正激变换器的技术资料，消化理解工作原理。
2掌握交错并联双管正激变换器系统构成及工作原理。
3根据芯片的技术性能，设计一台410V~615V直流输入，180V直流输
出电压的变换器。
4给出全部设计参数和图纸。
基
本
要
求
1．按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份（不少于2.4万字），A0图纸。
2．说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。
3．按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。
参
考
资
料
1．双管正激变换器的技术资料
2．正激变换器设计相关文献
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—15周
16—17周
应
完
成
的
内
容
查阅资料，阅读文献
确定方案，设计电路
进行仿真，验证可行性
撰写论文
准备答辩
指导教师：
职称：
2012年12月12日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
摘要
本文主要研究了交错并联双管正激变换器主电路拓扑的工作原理和工作过程。
工作原理部分分析了两路双管正激变换器的交替工作过程和变压器实现铁芯磁复位，能量回馈电源的工作原理。
控制电路方式部分搭建了系统的控制模型，并根据控制模型对控制电路参数进行了设计。
本文第一章讨论了具有隔离变压器的功率电路拓扑，并根据讨论结果确定交错并联双管正激变换器作为选择方案。
第二章对交错并联双管正激变换器进行了工作原理分析并讨论了变压器工作过程。
第三章完成了交错并联双管正激变换器的参数计算，第四章建立了BUCK电路的小信号模型，并对进行了分析，设计了补偿网络，搭建了闭环电路拓扑。
第五章进行了开环和闭环的仿真分析。
关键词 双管正激变换器，交错并联，小信号模型，补偿网络，闭环仿真
I
燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
Thispaperstudiestheinterleavedtwo-transistorforwardconvertermaincircuittopologyoftheworkingprincipleandprocess.Workspartanalyzesthetwo-waydual-transistorforwardconvertertransformeralternatingworkprocessesandimplementcoremagneticreset,regenerativepowersupplyworks.Controlcircuitparttobuildthesystemcontrolmodelandcontrolmodelunderthecontrolparametersofthecircuitdesign.
Thefirstchapterdiscussestheisolationtransformerwithapowercircuittopologyandresultingfromthediscussioninterleavedtwo-transistorforwardconverterasanoption.Thesecondchapterinterleavedtwo-transistorforwardconverterworkswereanalyzedanddiscussedtheworkingprocessofthetransformer.Chapter3completedinterleavedtwo-transistorforwardconverterparametercalculation.Chapter4establishedBUCKcircuitsmallsignalmodel,andanalyzedthedesignofthecompensationnetwork,setupclosedcircuittopology.Chapter5performedopen-loopandclosed-loopsimulation.
Keywords Two-transistorforwardconverter,interleaved,small-signalmodel,thecompensationnetwork,theclosed-loopsimulation
I
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2DC/DC变换器常用拓扑介绍 2
1.3本章小结 6
第2章主电路工作原理分析 7
2.1交错并联双管正激变换器的基本关系 7
2.2变换器中变压器的磁化过程 8
2.3电路特点分析 10
2.4本章小结 10
第3章电路参数设计 11
3.1设计的技术指标 11
3.2主电路关键参数设计 11
3.3控制电路关键参数设计 13
3.4本章小结 16
第4章主电路小信号模型分析和补偿网络设计 17
4.1正激变换器小信号模型推导与分析 17
4.2补偿网络设计 20
4.3补偿网络参数计算 22
4.4本章小结 24
第5章仿真分析 25
5.1仿真的目的、意义与可信度 25
5.2开环仿真及其结果分析 25
5.3闭环仿真及其结果分析 27
5.4本章小结 31
结论 32
参考文献 33
致谢 34
附录1 35
附录2 41
附录3 46
附录4 54
附录5 60
III
第1章绪论
第1章绪论
1.1课题背景
开关电源以其很多显著的优点正被越来越广泛的应用于国民生产的各个领域。
这些优点体现于以下几个方面：
①效率高。
开关稳压电源调整开关管工作在开关状态。
在截止期间，开关管无电流，因此不消耗功率，可大大提高效率，通常可达到80%以上。
而传统的调整串连型稳压电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过晶体管，功耗就较大，因而效率很低，一般只在50%左右。
②由于开关管在开关状态，功率消耗小，不需要采用大散热器。
而且功耗小使得机内温升低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。
③稳压范围宽。
当开关稳压电源输入的交流电压在150~250范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2%以下。
而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率。
因此开关稳压电源适用于电网电压波动很大的地区。
④体积小重量轻。
开关电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过脉冲变压器获得各组不同的脉冲电压，这样就可省去笨重的工频变压器，节省了大量漆包线和硅钢片，使电源的体积大大缩小，重量减轻。
⑤安全可靠。
开关稳压电路一般都具有自动保护电路。
当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，保护功能灵敏可靠。
正是基于开关电源相对于传统相控和线性电源的优势，很多相关单位和部门都将面临着传统电源的改造和改进工作。
开关电源市场比较乐观。
而且随着电力电子新技术产品的“四化”发展方向：
应用技术的高频化，硬件结构的模块化，软件控制的数字化，产品性能的绿色化，新一代开关电源产品的技术含量将在原有基础上进一步提高，更加成熟、经济、实用、可靠，从而更好的服务于国民经济的各个相关行业，提供高品质的电能。
【10】
1.2DC/DC变换器常用拓扑介绍
1）正激变换器
图1-1正激变换器
如图1-1所示，电路结构简单，是中小功率场合常用的拓扑方案。
这种变换器必须采取附加复位电路来实现变压器铁芯磁复位，除有源箝位等少数几种磁复位方式外，其它的多种复位方式拓扑一般都存在以下缺陷：
变压器铁芯单向磁化，利用率低，主功率管承受两倍左右的输入电压，主功率管的占空比一般都不超过O.5。
【3】
2）反激变换器
图1-2反激变换器
如图1-2所示，其电路形式与正激变换器相似，只是变压器的接法和作用不同。
从输出端看，反激变换器是电流源，功率管每开通一次，就要往输出端传送能量，因此输出端不能开路。
3）推挽变换器
图1-3推挽变换器
如图1-3所示，电路结构简单，变压器铁芯双向磁化，当一台正激变换器不工作时，滤波电感能量可以通过另一台正激变换器的二次侧回路向负载释放，因此相同铁芯尺寸下，推挽电路能够比正激式电路输出更大的功率，但电路必须有良好的对称性，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和。
另外，变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感，从而降低功率管的关断电压尖峰，这增大了变压器绕制工艺的要求以及对所用功率器件电压定额的要求。
【3】
4）半桥变换器
图1-4半桥变换器
如图1-4所示，铁芯双向磁化，利用率高。
变压器铁芯不存在直流偏磁现象，功率管承受电源电压，流过两倍的输入电流，适合高压中功率场合。
5）全桥变换器
图1-5全桥变换器
如图1-5所示，铁芯双向磁化，利用率高，易采用软开关工作方式。
功率管承受电源电压，流过一倍输入电流。
但全桥变换器功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且变压器铁芯存在直流偏磁现象，桥臂存在直通现象，比较适合大功率场合。
【3】
6）双管正激变换器
图1-6双管正激变换器
如图1-6所示，S1和S2同时导通同时关断，当S1和S2导通时，输入直流母线电压加在变压器原边绕组上，向副边传输能量，当S1和S2关断后，Dl&D2导通，磁化能量回馈电源。
双管正激变换器的优点：
①电路结构简洁，通过两个二极管来提供励磁电流回路，实现铁芯磁复位，去除了复杂的磁复位电路，与开关管串联的二极管将开关管的电压箝位在输入电压，同时为变压器的励磁电流提供回路，励磁能量回馈给电源，减小了损耗，功率管只承受输入直流母线电压，电压应力低。
②相对于半桥变换器或全桥变换器而言，双管正激变换器的每一个桥臂均由一个开关管和一个二极管串联组成，不存在桥臂直通现象，可靠性高。
双管正激变换器技术成熟，在中等功率场合得到了广泛的应用。
但双管正激变换器存在缺点：
通常占空比小于0.5，变压器工作于磁化曲线的第一象限，磁芯利用率低，而且在同一条件下与全桥相比，输出滤波电感的体积也较大。
【8】
7）交错并联双管正激变换器
图1-7交错并联双管正激变换器
如图1-7所示：
1.Q1、Q2、D1、D2与副边拓扑构成一路双管正激变换器，Q3、Q4、D3、D4与副边拓扑构成另一路正激变换器，D5、D6分别为这两路正激变换器的副边整流二极管，D7为两路共用的续流二极管，L、C分别为输出滤波电感和滤波电容。
2.当一路变换器的开关管关断后，经过短暂的死区时间，负载电流经二极管D7续流，变压器磁化电流逐渐减小为零，实现铁芯磁复位，能量回馈电源，然后另一路变换器开始工作，另一组变压器的励磁电流逐渐增大，然后重复之前过程。
两路正激变换器以相位相差180°的方式交替工作，因此与单路正激变换器相比其等效占空比，提高一倍。
与双管正激变换器相比，正激变换器的交错并联具有许多优点：
①在同样工作频率下，与双管正激变换器相比，输出滤波电感上电压的频率提高了一倍，减小了输出滤波电感的体积。
②副边整流侧电压的等效占空比增加一倍，提高了电路的响应，并有利于驱动电路的设计，在同样输出电压的情况下，整流侧峰值电压减小一半，续流时间减小，有利于续流管的选择。
③每个并联支路流过更小的功率，消除变换器的“热点”，使热分布均匀，减轻了散热设计的难度。
④输入电流脉动频率提高一倍，减小了输入滤波器的体积，从而进一步减小整机的体积。
两路双管正激变换器相当于一个全桥电路，所用的器件数量基本相同，但是交错并联双管正激变换器克服了全桥变换器的变压器偏磁、桥臂直通和控制驱动复杂等缺点。
基于对以上几种常用隔离式DC/DC电路拓扑的分析，根据380VAC三相交流输入，输出平均功率3KVA的技术指标，本次设计选择交错并联双管正激变换器。
【8】
1.3本章小结
本章首先对几种常见的DC/DC变换器的拓扑结构的工作原理进行分析，并列举出了各自的优缺点。
然后又进一步讲述了交错并联双管正激变换器的工作原理及其优缺点。
通过对它们性能的优越性进行比较，综合考虑各种因数，最终决定选用交错并联双管正激变换器。
65
第2章主电路工作原理分析
第2章主电路工作原理分析
本章主要从两个方面方分析交错并联双管正激变换器稳态工作原理：
①变换器输入输出的基本关系以及电路中各个器件的电压电流应力关系。
由于这部分相对简单，这里只是将半导体器件的电压电流应力和输入输出电压的关系列出。
这部分的工作主要是为第三章功率电路各器件的设计选取提供依据。
②变压器的磁化过程，由于交错并联双管正激变换器的变压器有个短暂的反向磁化的过程，这是单路双管正激变换器的变压器所没有的一个过程，因此这里单独对变压器的磁化过程进行了详细的分析。
2.1交错并联双管正激变换器的基本关系
为方便论述，将第一章交错并联双管正激变换器的主电路再画在这里，如图2-1所示。
Q1、Q2、D1、D2与副边拓扑构成一路双管正激变换器，Q3、Q4、D3、D4与副边拓扑构成另一路双管正激变换器，D5、D6分别为这两路变换器的副边整流二极管，D7为两路空用的续流管，L、C分别为输出滤波电感和滤波电容。
图2-1交错并联双管正激变换器
①输出电压与输入电压的关系
其中D是单路占空比，K是变压器的变比（文中出现的占空比都是指单路占空比）。
②关管的电压电流应力
当开关管关断时，开关管上的电压是输入电压Vi，当开关管导通时，流过开关管的电流是经变压器变换后的负载电流，其有效值是
③副边整流管的电压电流应力
流过整流管电流的有效值
对于两路共用一个电感的拓扑来说，副边整流二极管的电压应力是变压器副边电压的两倍。
④副边续流管的电压电流应力
流过续流管电流的有效值为
副边续流二极管的电压应力是变压器副边电压。
⑤原边续流二极管的电压电流应力
流过该二极管的电流是变压器磁化电流，其上的电压是输入电压。
2.2变换器中变压器的磁化过程
对于共用一个电感的交错并联双管正激变换器来说，其磁化曲线不象单路双管正激变换器是第一象限单向磁化的，而是会运动到第三象限。
这是由于另一路的存在，使得这路在变压器去磁完毕后变压器副边不会被续流二极管短路，造成共用一个电感的交错并联双管正激变换器的变压器磁化曲线会运动到第三象限。
【6】
下面依据图2-2所示的电压电流原理波形，对这个过程进行简要的分析。
分析前做如下一些假设：
①所有开关管，二极管均视为理想器件；
②L足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变，这样L和C以及负载电阻可以看成是一个电流为I0的恒流源。
图2-2半导体器件的电压电流原理图
在t0时刻前，Q1、Q2、D1、D2上电压均为（1/2）Vin，Q3、Q4上电压均为Vin。
负载电流Io通过D7续流，D3、D4导通，磁化电流减小，变压器T2实现铁心磁复位。
t0时刻，Q1、Q2开通，D1、D2、Q3、Q4仍截止，D3、D4仍导通，T2励磁电流继续通过D3、D4续流，线性减小，回馈电源。
D7关断，D5导通，电源通过T1给副边传输能量，T1磁化电流从零线性上升。
2.在t1时刻，励磁电流为零，D3、D4自然关断。
开关管Q1、Q2的驱动脉冲变为低电平，Q1、Q2关断，T1磁化电流从正向最大值线性下降。
D5关断，D7开通，负载电流I0经D7续流。
D1、D2开通，T1的磁化电流通过D1、D2续流，线性减小，回馈电源。
Q1、Q2承受的电压为Ui。
3.在t2时刻，Q3、Q4的驱动脉冲为高电平，Q3、Q4开通，开始工作与下半周期，两路双管正激变换器互换工作状态，重复前半周期的工作过程。
4.变压器磁芯复位过程分析：
以T1为例，当Q1、Q2关断后，由于变压器的原边、副边均有剩磁，所以流过原副边的电流不能突变为零，原边电流经续流二极管D1、D2续流，并逐渐减小，复边电流经D5续流，电感电流经D7续流，此时二极管D5、D7均导通，使变压器副边短路，副边电压为零，由于变压器的箝位作用，使原边电压为零，原边电流迅速减小为零，实现变压器复位。
【8】
2.3电路特点分析
从以上分析可见，双路交错并联双管正激DC/DC变换器交替工作，向副边传输能量，通过二极管D1、D2或D3、D4向电源回馈能量，实现铁芯磁复位，电路结构简洁。
并且主功率管关断期间只承受电源电压，这样就可以选用高速的MOS管，从而减小输出和输入的滤波元件的体积。
而且，两路交错并联双管正激变换器相对于单路双管正激变换器，具有以下优点：
①在同样开关频率下，输出滤波电感上电压的频率提高了一倍，这样减小了输出滤波电感的体积，同时输入电流脉动频率提高一倍，减小了输入滤波器的体积，从而进一步减小整机的体积。
②由于两路交错并联，使得整流侧输出电压等效占空比增加一倍，这就带来两个好处：
1.使功率管工作在占空比小于0.5的情况下，整流侧输出电压占空比可以在0~1之间变化，提高了电路的动态响应，并且有利于驱动电路的设计；2.在同样输出电压的情况下，变压器副边匝数减少一倍，这使得整流侧峰值电压减小一半，续流时间减小，有利于选择低电流定额的续流管。
③并联结构可以使每个并联支路流过更小的功率，消除变换器的“热点”，使热分布均匀，提高可靠性。
【10】
2.4本章小结
本章首先分析双管正激变换器稳态工作原理，主要从两个方面展开：
①变换器输入输出的基本关系以及电路中各个器件的电压电流应力关系。
由于这部分相对简单，这里只是将半导体器件的电压电流应力和输入输出电压的关系列出。
这部分的工作主要是为第三章功率电路各器件的设计选取提供依据。
②变压器的磁化过程。
由于交错并联双管正激变换器的变压器有个短暂的反向磁化的过程，这是单路双管正激变换器的变压器所没有的一个过程，因此这里单独对变压器的磁化过程进行了简要的分析。
第3章电路参数设计
第3章电路参数设计
3.1设计的技术指标
交流电压：
380V±20%
输入电压：
交流电压整流后得410VDC~615VDC
输出电压：
180V直流输出
输出功率：
该变换器是某逆变器的前级，逆变器输出满载功率为3KW。
考虑到逆变器自身损耗，将该DC/DC变换器平均输出功率定为3300W，最大瞬时功率定为6300W。
保护功能：
输入过压保护、输出过压保护、原边过流保护、后级保护、前级保护、输出短路时具有限流功能（故障消除时能恢复正常工作）。
3.2主电路关键参数设计
主电路参数设计时，考虑稳态时各元器件的电压电流关系。
由于输入滤波电容的存在，忽略三相整流后电压的波动，从而近似输入电压无波动。
1.变压器设计【1】
a、占空比和变压器变比的确定
控制芯片选用UC3525，试验中它可以输出最大占空比D为0.47，开关频率设计在50K。
在输入电压最低为410VDC时，保证输出电压以达到180V。
由公式：
（3-1）
可得变压器原副边变比K=N1:
N2=2.14，考虑到实际电路中会有一定的占空比丢失，取变比K为2。
b、磁芯选择
根据公式
（3-2）
其中等价功率PT=3.3KW，Bw取0.15T，载流密度J=4A/mm2，窗口利用系数KO=0.2，,得磁芯尺寸为18.53，EE55B型磁芯符合.
再根据公式
（3-3）
得到变压器原边参数N1=27.2，取28，根据变比要求取副边匝数为14。
3.滤波器参数计算
a、滤波电感
根据公式（3-4）
其中R为5，=1对应电感电流的临界点，=50KHZ，求得L=130uH。
b、滤波电容
根据公式（3-5）
其中R为5，，=50KHZ，求得C=70uF。
4.半导体器件选取
a.开关管
根据整流后的最高输入电压为615V,选取耐压为800V的MOSFET。
b.原边续流二极管
续流管中流过的是变压器磁化电流，取磁化电流为负载电流的5%，因此得到流过原边续流管的电流为
原边续流管的电压应力是输入直流母线电压，最大为615V，选取DSEl8—12型二极管。
c.副边整流整流二极管
流过整流管电流的瞬时值是流过开关管电流瞬时值的两倍，则流过整流管的最大电流为
I=2Iq=30.7A
承受的最大电压也为615V，选取DSEl30—12二极管。
d.副边续流管的选取
开关频率相对于输出功率变化的频率很高，在每个开关周期中，电感电流
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