电力电子课程设计

电力电子应用课程设计

课题：50W三绕组复位正激变换器设计

班级电气学号

姓名

专业电气工程及其自动化

系别电气工程系

指导教师

淮阴工学院

电气工程系

2015年5月

一、设计目的

通过本课题的分析设计，可以加深学生对间接的直流变流电路基本环节的认识和理解，并且对隔离的DC/DC电路的优缺点有一定的认识。要求学生掌握单端正激变换器的脉冲变压器工作特性，了解其复位方式，掌握三绕组复位的基本原理，并学会分析该电路的各种工作模态，及开关管、整流二极管的电压电流参数设计和选取，掌握脉冲变压器的设计和基本的绕制方法，熟悉变换器中直流滤波电感的计算和绕制，建立硬件电路并进行开关调试。

需要熟悉基于集成PWM芯片的DCDC变换器的控制方法，并学会计算PWM控制电路的关键参数。输入：36～75Vdc，输出：10Vdc/5A

二、设计任务

1、分析三绕组复位正激变换器工作原理，深入分析功率电路中各点的电压

波形和各支路的电流波形；

2、根据输入输出的参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级，

并给出所选器件的型号，设计变换器的脉冲变压器、输出滤波电感及滤波电容。

3、给出控制电路的设计方案，能够输出频率和占空比可调的脉冲源。

4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。

三、总体设计

3.1 开关电源的发展

开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，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发展的创新技术，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广泛的领域，特别是在高新技术领

域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

3.2 DC/DC变换器的基本拓扑

3.2.1 概述

直流变换器按输出与输入间是否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。

有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器隔离，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、升降压式变换器、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，首先要选择电路拓扑。这是一件非常重要的工作，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。如果电路拓扑发生改变，这些也必须随着改变。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、可以多路输出等优点，广泛应用在中小功

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，可靠性高；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，电压调整率好等优点。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，负载两端的电压便升高到整流电源电压，负载会因承受过电压而损坏。

(2) 正激变换器

正激式变换器实际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可以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变化，通常选择在0.45上下变化，这时在同样输出功率下，Q的计算功率较小。

这种变换器的优点是：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。在占空比的变化范围不能改变的情况下，可方便地通过改变高频变压器的匝比，使之满足交流电网电压在一定范围内变化时能稳压的要求。

四、单元电路的设计

4.1 正激变换器中变压器的设计方法

正激变换器是最简单的隔离降压式DC/DC变换器，其输出端的LC滤波器非常适合输出大电流，可以有效抑制输出电压纹波。所以，在所有的隔离DC/DC 变换器中，正激变换器成为低电压、大电流功率变换器的首选拓扑结构。但是，正激变换器必须进行磁复位，以确保励磁磁通在每一个开关周期开始时处于初始值。正激变换器的复位方式很多，包括第三绕组复位、RCD复位[1,2]、有源箝位复位[3]、LCD无损复位[4,5]以及谐振复位[6]等，其中最常见的磁复位方式是第三绕组复位。本文设计的高频开关电源变压器采用第三绕组复位，拓扑结构如图一所示。

图一第三绕组复位正激变换器

开关电源变压器是高频开关电源的核心元件，其作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。在开关管的作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电磁转换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负载。开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率，而且还会影响到高频开关电源的技术性能和可靠性。所以在设计和制作时，对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密考虑。开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的影响不能忽略，这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中流动的趋肤效应。一般根据高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应影响则作为选择导线规格的

条件之一。

4.2 主电路拓扑和控制方式

正激变换器实际上是在降压式变换器中插入隔离变压器而成，图二、图三、图四给出了正激变换器的主电路及其主要波形。开关管Q 按PWM 方式工作，D 1是输出整流二极管，D 2是续流二极管，L 是输出滤波电感，C 是输出滤波电容。

变压器有三个绕组，原边绕组W 1，副边绕组W 2，复位绕组W 3，图中绕组符号“·”

号的一端，表示是该绕组的始端。D 3是复位绕组W 3的串联二极管。

图二 t

g

T on t t Q

u Q

max Q i t D v be

v w1 v rect i lf i w1i w3Фt t t t t t t 图三 图四

4.3 正激变换器的原理

4.3.1 为了分析其工作原理，作如下假设：

（1）、变换器已经到稳态；

（2）、所有开关器件均为理想器件；

（3）、在换流过程中电感电流没有变化，相当于一个恒流源。

4.3.2 设计原理

1、磁复位技术

使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之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，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电压很高，导致开关器件的损坏。剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移到别处，就是磁芯复位的任务。

具体的磁芯复位线路可以分成两种：

一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端；

另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特性而定。本课题采用第一种磁复位方法。

(a) (b)

图五典型的两种磁芯磁滞特性曲线

如图五所示，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）一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图（b）一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。

对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。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，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量。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，这个电感中也有存储的能量，因此一般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。

2、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。本次课题采用第三绕组复位法。

第三绕组复位法的优点：

技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。

缺点：

附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化；

开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，尤其是变压器满载时；

开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大；

Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。

4.4 原理说明

正激变换器如图二所示，开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。

电路的工作过程为：如图六（a）所示，开关管Q1导通，电源电压Ui加在原边绕组上，变压器绕组N1两端的电压上正下负，与其耦合的绕组N2两端的电

压也是上正下负。因此，整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过滤波电感L的电流增加。

图六（a）Q1导通

如图六（b）所示，S关断后，电感L通过D2续流，D1关断，L的电流逐渐下降，直到减小为电流最小值。此时，变压器的励磁电流经过绕组N3和D3流回电源，励磁电流逐渐减小，直到减为零。变压器磁复位完成后，电流通路即为如图六（c）所示。此外，为了保证下一次开通时励磁电流降为零，需使断态的时间大于开通的时间。

图六（b）Q1关断、变压器磁复位

图六 （c ）Q1关断 五、器件选择

5.1 变压器（ETD49）

在开关电源中的变压器其主要的目的是传输功率，将一个将电源的能量瞬时地传输到负载。此外，变压器还提供其他重要的功能：

(1)通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压；

(2)增加多个不同的匝数次级，获得不同的多路输出电压；

(3)为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便地提供安全隔离。

在正激变换器中，变压器的主要作用不是储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。虽然储能能力常常是选择电感器的主要依据，但变压器储能仅是单纯的励磁能量，与负载电流无关，只随输入电压的变化而变化。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保持低于0.45。

本设计要求输入电压为直流48V,波动值为36V-75V,输出电压为10V ，输出电流为5A,功率要求为50W 。 变压器输入输出电压关系式为：12

0N N DU U i ?=

一般选择占空比D 为0.45，因此有1248

45.010N N V ?=,则N2/N1=25:54.所以为了使变压器在输入电压波动范围内都保持工作，因此变压器的匝比希望选择25:54。下面计算变压器的参数：

(1)确定最大磁感应强度

考虑高温时饱和磁感应强度B S 会下降，同时为降低高频工作时磁芯损耗，工

作最大磁感应一般为2000-2500G S 。

(2)根据输出功率选择磁芯

面积乘积的粗略预算公式：

434

)(cm f B K Po AeAw AP ???== 注：Ae----磁芯有效截面积；

Aw ----线圈窗口面积；

Po----输出功率(W)；

B ?----磁通密度变化量(T)；

f----变压器工作频率（HZ ）；

k----正激变化器中值为0.014； 代入公式得：434

3253.0)10502.0014.050(cm AP =???= 查附表1选择P 型2616的磁芯，A e ＝0.948mm 2，A w =0.407mm ,

V e =3.53cm 3，,P=123.5W,f=200KHZ 。

查附表2得到磁芯尺寸（mm ）：d1=25.5, d2=21.2, d3=11.5，d4=5.4，h1=16.0,h2=11.0,a=18.0,b=3.8,Ie=37.6mm,I/A=0.4mm -1。

(3)计算副边匝数 周期51021-?==f

T S,最大占空比为0.45， t on =9×10-6S

计算输出电压加上满载时二极管和次级IR 压降：

V U 4.104.010'

0=+=

由电磁感应定律可得： ?Φ=2'

0N T U

59367.410948.02.01094.10104.104

6

6'02≈=????=??B ?=?Φ=---e A T U N (4)计算原边匝数

变压器输入输出电压关系式为：

1

20N N DU U i ?= 所以 1

2N N ≥ min max '0Ui D U =3645.04.10?= 81

52 ≈0.64

由变压器的性质得：

2

1N N n = 则 869.79367.4528121≈=?=

?=N n N 如果取5匝，将大大增加了伏/匝、磁感应变化量和磁芯损耗。如果取6匝，减少了磁芯损耗，但是增加了线圈损耗。因为以上结果接近5匝，选取5匝。此时由N D

U U IN ?=0,'D =0.33。

(5)副边电流有效值为：A =?=?=87.233.05'02D I I

(6)原边电流有效值为：()A =+????

? ???=9568.105.011221N N I I

(7)选择线径：根据导线的电流密度J=4A/mm 2， 所以原边绕组所选截面积为：J

I 1 =3.57/4 = 0.8925 mm 2 副边绕组所选截面积约为：J

I 2 =5.66/4 = 1.415 mm 2 5.2 电感

电感常为储能元件，其特点是流过其上的电流有很大的惯性，换句话说，由于磁通连续性，电感上的电流必须是连续的，否则将产生很大的电压尖峰波。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忽视的问题，电感的绕线所引起两个分布参数的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的，其二是分布式杂散电容，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）或者铁粉芯是比较适合的。为

了做到小体积，选择MPP ，r

I f D V L c on ???=*

其中0V V V inr on -= inr V V D 0*=, I C =D

I -10 因此L=H =????μ217.114

.071.14105.033.0105 G N I

A N N LH NBA L r 2o 2/i ====μμψ m

I I L I I L m D I I L m

D I I L 09.2m

23.9138.2)(24.9)(21421322212221=-==+==+-==++= 根据电流有效值选择导线的线径，因为A =?==87.233.050D I I ，所以选择导线的截面积约为0.7175 mm 2，电流较大时，仍需采用多股并绕，但由于电感中的交流成分较小，必要时可选用较粗的导线绕制。

5.3 电容

由经验公式得:

1%U0 = △I WC

1 即 1%U0 = △I

fC π21 所以 C = U f 0%12I ??π==?U f 0001.02.30I π1001.05014.3253.0?????

=0.0478F

5.4 电阻 R=Ω==25

10I V 5.5二极管

D1为整流二极管、D2为续流二极管。其所承受的电压为相等，为：

V N N V V in 17.318

54821=?== 电流分别为：A =?==87.233.0501D I I D

A =?=-=09.467.05102D I I D

D3为复位二极管。其电流、电压如下

V V D 483=

A ==57.313I I

D D1选用5EQ100类型的二极管，D2 、D3选用10YQ045类型的二极管。

5.6 开关管 开关电源中所出现的故障中约百分之六十是功率开关管损坏引起的。开关电源中采用的开关管是MOSFET 管，有些还采用IGBT 管以及GTO 管。IGBT 主要用在高功率大输出的场合，GTO 主要用于中功率较小输出的场合，而MOSFET 主要用于小功率小输出的场合，该设计是100W 双管正激变换器的设计，输出功率只有100W ，输入电压为48伏，输出电压为10伏，为小功率小输入小输出，因此在此处采用MOSFET 管已经足够。

MOSFET 是一种电压控制的单极型器件。具有驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高等优点，广泛应用于开关电源中。分为P 型、N 型，在此处采用N 型MOSFET 管。

设频率为50KHZ ，占空比为0.45，开关管Q1的开通和关断时间为

s T t on μ945.0==

μ1365.0==T t off

开关管关断时所承受的电压保持在输入电压的两倍，为96V 。

即 V V V V in q 9648221=?==

线圈电流即为变压器原边的电流，因此，

A ==66.521I I

Q 查阅资料可知开关管型号为IRF3710ZL 。

六、实验现象

1、U i=44.3v U O=10v D=0.34

DS波形 QS波形

D1波形 D2波形2、U i=55.3v U O=10v D=0.28

DS波形 QS波形

D1波形 D2波形

3、U i=65.7v U O=10v D=0.21

DS波形 QS波形

D1波形 D2波形

七、心得体会

通过本次电力电子课程设计，不仅学到了很多知识，而且加强了自己的动手手能力和解决相关问题的能力。

首先，我们要把做实验需要的实验箱焊接组装好。老师给了我们一个样板，讲解了各个工具的使用和焊接排线的注意事项。这样我们只要认真仔细，就能够正确无误的完成。我们四人一组，各有分工，相互配合，顺利完成了实验箱的焊接组装。接下来我们就要开始调试了，这个过程中我们虽然遇到了些问题，但是在老师的指导和我们小组成员的共同努力下，解决了各个问题，完成了这次实习任务。

通过实习，我熟悉并了解了50w三绕组复位正激变换器电路的原理，不仅巩固了上课所学的电力电子的知识，而且激发了我去探索电力电子这门学问的兴趣。我相信兴趣是最好的老师，有了兴趣，便有了去探索的无尽的动力。

八、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，2009.

[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，2010.

[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.