雙管正激變換器的仿真與設(shè)計(jì)

田淇元

（ 黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150057 ）

0 引言

隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)電能的需求質(zhì)量越來(lái)越高[1]，在電能的配送過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員往往追求較高的傳輸效率，電子設(shè)備也逐漸向著微型化、智能化的方向發(fā)展。以開(kāi)關(guān)電源為例，已廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)電源、工業(yè)控制、通信技術(shù)、國(guó)防電子設(shè)備、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域中，其主要發(fā)展方向是如何提高功率密度、提高效率以及盡可能的減小體積。本文主要分析正激變換器的各種開(kāi)關(guān)模式及等效電路，設(shè)計(jì)一種雙管正激的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決單管正激磁復(fù)位問(wèn)題，降低開(kāi)關(guān)管所受電壓應(yīng)力。

1 概述

供電電源分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類(lèi)。電源質(zhì)量的好壞和性能決定了電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及運(yùn)行狀態(tài)。線性電源具有龐大的體積和重量，且傳輸效率一般為輸入功率的50%左右[2]。開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)是20世紀(jì)60年代電源歷史上的一次重大革命，其優(yōu)越性體現(xiàn)在體積小、效率高、功率密度高等方面，隨著技術(shù)不斷成熟，幾乎所有需要電源的設(shè)備都可找到開(kāi)關(guān)電源的身影[3]。以下結(jié)合高頻開(kāi)關(guān)電源的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行雙管正激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用同步整流技術(shù)，用MOS管代替續(xù)流二極管，提高效率。

2 結(jié)構(gòu)與原理

2.1 開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中，DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電源功率轉(zhuǎn)換，此過(guò)程為開(kāi)關(guān)電源核心部分。輸出電壓采樣電路(一般采用電阻分壓)接收輸出電壓變化，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行電壓比較，通過(guò)誤差放大器得到放大后的誤差信號(hào)[2]。通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制方波，經(jīng)圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路控制MOS管占空比，進(jìn)而控制和調(diào)整輸出電壓，達(dá)到最終的理想值。此外，開(kāi)關(guān)電源電路主要分為主電路、控制回路以及保護(hù)回路等。

2.2 正激變換器原理

正激變換器是以Buck斬波變換器中間環(huán)節(jié)加入隔離變壓器而實(shí)現(xiàn)。正激變換器的主拓?fù)潆娐穲D以及在電感電流連續(xù)的情況下的各點(diǎn)工作波形，見(jiàn)圖2。其中，開(kāi)關(guān)管Q按照脈寬調(diào)制（PWM）方式運(yùn)行，二極管D1輸出整流、D2續(xù)流，電感Lf為輸出濾波電感，電容Cf輸出濾波。隔離變壓器由三個(gè)繞組構(gòu)成，分別為：初級(jí)繞組W1、次級(jí)繞組W2和復(fù)位繞組W3[3]。圖中繞組標(biāo)“?”的一端為繞組的同名端。二極管D3的作用是磁復(fù)位。圖3給出了正激變換器在不同開(kāi)關(guān)模式下的等效電路[4]。

2.2.1 電流連續(xù)時(shí)正激變換器的工作原理和基本關(guān)系

1)開(kāi)關(guān)模式 1（0～Ton，見(jiàn)圖 3(a)）

t=0時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q為導(dǎo)通狀態(tài)，電源電壓Vi在繞組W1上，此時(shí)Vw1=Vi，既鐵心開(kāi)始磁化，鐵心磁通φ開(kāi)始增大：

鐵心磁通φ的增加量如下：

變壓器的勵(lì)磁電流iM從0開(kāi)始逐漸增加：

此時(shí)加在變壓器次級(jí)繞組W2兩端電壓為：

式中，K12=W1/W2為變壓器的匝數(shù)比。

在二極管D1導(dǎo)通過(guò)程中，因二極管D2承受反偏電壓，故續(xù)流二極管D2截止，流過(guò)濾波電感兩端的電流iLF線性增加，同時(shí)與Buck變換器中開(kāi)關(guān)管Q同時(shí)導(dǎo)通，兩端的電壓為Vi/K12，此時(shí)，流過(guò)電感電流的變化率為：

由變壓器的工作原理可知，電流iw1是折算次級(jí)電流和勵(lì)磁電流之和，即：

2) 開(kāi)關(guān)模式 2 (Ton～Tr，見(jiàn)圖 3(b))

t=Ton時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q為關(guān)斷狀態(tài)，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組不通過(guò)電流。變壓器通過(guò)磁復(fù)位繞組進(jìn)行磁復(fù)位，則復(fù)位繞組上的電壓為：

此時(shí)變壓器初級(jí)繞組和次級(jí)繞組上的電壓分別為：

整流二極管D1承受反偏電壓為關(guān)斷狀態(tài)，電流iLf通過(guò)續(xù)流二極管D2進(jìn)行續(xù)流，與Buck變換器原理相通。

在此過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管Q兩端的電壓VQ為：

復(fù)位繞組W3承受反向的電源電壓Vi，將鐵心進(jìn)行去磁過(guò)程，使得鐵心磁通Φ減?。?/p>

變壓器鐵心磁通Φ的減小量：

在t=Tr這一時(shí)刻，此時(shí)iw3=iM=0，同時(shí)完成磁復(fù)位。

3）開(kāi)關(guān)模式 3 (Tr～Ts，見(jiàn)圖 3(c))

在此開(kāi)關(guān)模式中，變壓器中的所有繞組中均無(wú)流過(guò)電流，電壓均為0。濾波電感電流持續(xù)經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管續(xù)流。此時(shí)開(kāi)關(guān)管Q兩端承受電壓為VQ=Vi。

2.2.2 電流連續(xù)時(shí)正激變換器的基本關(guān)系

Vo與輸入電壓Vi：

開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，鐵心的磁通增加量ΔΦ(+)應(yīng)等于開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)磁通的減小量ΔΦ(-)。

由于 ，滿足則必須有：

可以看出：如W1≥W3，即K13≥1，占空比Dymax可大于0.5，開(kāi)關(guān)管Q電壓VQ高于2Vi；K13越大，Dymax越大，電壓VQ則越高。如W1

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)要求

設(shè)計(jì)如圖4所示的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源：

要求如下：

1） 輸出電壓VO：3.3V ；

2） 額定輸出電流ION：10A ；

3）Vin從24VDC至36VDC時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=10A）；

4）IO從0至10A時(shí)， 負(fù) 載 調(diào) 整 率SI≤5%（Vin=30V）；

5） 輸 出 噪 聲 紋 波 電 壓 峰 - 峰 值VOPP≤50mV（Vin=30V，IO=10A）；

6） DC-DC變換器效率≥80%（Vin=30V，IO=10A）；

3.2 方案架構(gòu)

整體方案設(shè)計(jì)如圖5所示：

3.3 主電路

主電路如圖6所示。主電路采用雙管正激拓?fù)?，?yīng)用同步整流技術(shù)，用MOS管代替續(xù)流二極管，提高效率。芯片控制開(kāi)關(guān)管MOS和續(xù)流管二極管交替導(dǎo)通，達(dá)到穩(wěn)壓目的。主電路輸入采用470μF/50V，電容能濾除大部分電網(wǎng)高頻紋波。

3.4 參數(shù)計(jì)算

1）輸出濾波電感L感值

根據(jù)電感伏秒積平衡原理：

代入?yún)?shù)可得：占空比D=0.333。

根據(jù)電感公式：

在電路導(dǎo)通時(shí)有：

對(duì)應(yīng)關(guān)斷時(shí)為：

根據(jù)上式，推導(dǎo)電流峰峰值為：

其中，?iL為電流擾動(dòng)值，即：

擾動(dòng)電流?iL值一般為輸出平均電流I的10%～20%，擾動(dòng)電流?iL的值要求盡可能小。

在本設(shè)計(jì)中選取?iL＜20%I?？梢缘贸觯?/p>

代入?yún)?shù)可得：電感L>114μH。可選取電感值為：L=116μH。

2）磁芯

選擇鐵粉芯T106-26磁芯，磁導(dǎo)AL=93nH/N2。

3）電感匝數(shù)NL

4）銅線橫截面積A

取電路密度J=4.5A/mm2，則所需的銅線橫截面積為：

5）線徑DL所需線徑：

取DL=0.8mm漆包線繞制。

3.5 元件選型

1）主開(kāi)關(guān)MOS管

3.6 控制電路

3.7 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

保護(hù)電路可監(jiān)控輸出電壓和輸出電流，一旦超過(guò)預(yù)設(shè)定值可將SG3525的SHUTDOWN管腳拉高，達(dá)到保護(hù)電路的作用。保護(hù)電路和控制回路如圖7所示。

綜上，總電路如圖8所示。

4 軟件仿真

4.1 電路搭建及設(shè)計(jì)

1）仿真模型如圖9所示。

圖9中，3.3V為提供的標(biāo)準(zhǔn)電壓，Multimeter1為輸出電壓采樣，將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，與三角波進(jìn)行比較，最終輸出得到PWM信號(hào)對(duì)MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4.2 仿真結(jié)果

仿真輸出電壓波形如圖10所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究正激變換器開(kāi)關(guān)模式的過(guò)程以及等效電路圖，設(shè)計(jì)采用的雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效解決單管正激的磁復(fù)位問(wèn)題。通過(guò)實(shí)例設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)與選型。經(jīng)simulink仿真后得出一致結(jié)論。