毕业设计RCD箝位反激变换器研究

摘要I摘要本文主要对基于峰值电流控制技术的 RCD 箝位的反激变换器进行了研究。首先，分析了反激变换器的三种工作模式：电感电流连续模式（CCM ） 、断续模式（DCM）和临界模式，得出了 DCM 和 CCM 模式反激变换器分别具有类似于电流源和电压源外特性的结论，比较了 CCM 和DCM 模式反激变换器的工作情况，指出根据负载选择工作模式的方法。其次，由于反激变换器的功率开关电压、电流尖峰应力大，由漏感引起的功率开关关断电压必须用箝位电路来限制。再次，反激变换器的变压器初级电感值通常较低，开关管导通时，电感电流变换率较大，这对峰值电流控制型的应用非常适合。在上述理论分析的基础上，根据对参考文献的阅读阐述了反激变换器的关键参数设计准则，研究了反激变换器小信号特性并建立了系统的控制模型。最后通过对系统的仿真证明了理论的正确性。关键词 反激变换器；RCD 箝位电路；峰值电流控制技术；三种工作模式；小信号特性 AbstractIIAbstractThe RCD clamped forward convert based on peak current- control technique is mainly discussed in this paper.Firstly, analysis the three working mode of the forward convert: current-continuous mode(CCM)、 current-discontinuous mode(CCM) and critical mode, then include that when the forward convert works under the DCM mode or CCM mode is similar to current source and voltage source. Through compare the forward converts work condition, point that we could choose working mode based on load.Secondly, because of the forward converts power switch will stand high voltage and current peak caused by leakage inductance. So we have to use clamp circuit to limit the switch voltage,Thirdly, the transformers primary inductance always is lower. When the switch is working, inductive currents conversion rate is large, which is suited to peak current-control techniqueOn the basis of theoretical analysis above and according to reading the reference，stating how to design the converts key parameter. By research the convert small signal characteristics we establish the system model. Finally the simulation proved the correct of theoretical analysis.Keywords Forward convert；RCD clamp circuit ；Peak-current control Three working mode；Small signal characteristicIII目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 反激变换器的发展现状 .11.2 课题的研究意义及主要内容 .2第 2章 反激变换器的稳态工作分析 .32.1 磁化电流连续模式 .42.1.1 电流连续时的电压增益 M .42.1.2 电流连续时开关承受的电压 VS .52.2 磁化电流断续模式 .62.2.1 电流断续时的电压增益 M .62.2.2 电流断续时开关承受的电压 VS .72.3 磁化电流临界连续模式 .72.4 反激变换器不同工作模式比较 .82.5 本章小结 .9第 3章 RCD 箝位电路 .103.1 反激变换器中 RCD 箝位电路的工作原理 .103.2 RCD 箝位电路的设计 .103.2.1 箝位电压 Vclamp 的确定 .113.2.2 箝位电容 C 的确定 .113.2.3 箝位电阻 R 的确定 .123.3 RC 参数对电路性能的影响 .123.4 本章小结 .13第 4章 电流控制技术 .144.1 电流峰值控制法的基本原理 .144.2 电流控制技术存在的问题及解决方法 .154.3 电流控制型反激变换器 .174.4 RCD 箝位的电流型反激变换器的实现 .184.5 本章小结 .23第 5章 系统参数设计及仿真 .24IV5.1 参数设计 .245.1.1 主电路参数设计 .245.1.2 控制电路参数设计 .285.2 PSPICE 仿真 .305.3 本章小结 .33第 6章 小信号分析 .346.1 主电路拓扑数学模型 .346.2 控制电路数学模型建立 .376.3 本章小结 .39结论 .40参考文献 .41致谢 .42附录 1.43附录 2.47附录 3.51附录 4.56附录 5.64第 1 章 绪论1第 1章 绪论1.1 反激变换器的发展现状高科技设备的发展离不开电源技术的进步，高精度电源已广泛应用于通信、工业、军事、航空航天、家电等领域，人们对它的研究、开发技术水平也越来越高。人们在科学实践中越来越注重电源，电源质量直接影响其工作效果，有时会决定一个科研项目的成败。对于各类仪器设备，有不同种类的电源。从广义上讲，目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源，开关电源是六十年代出现的。它具有工作频率高，稳压范围宽，整机体积小，重量轻，节能节材等一系列显著优点。近年来在诸如邮电通信、军事设备、交通设备、仪器仪表、工业设备、家用电器等各种电子设备中获得了广泛应用，取得了显著的经济效益，是一类非常有前途的电源。所以寻求高性能的开关电源是电力电子技术的重要研究内容。在电力电子学和电力电子技术领域里，将交流电转换成直流电称为整流，用 AC/DC 表示；将直流电转换成交流电称为逆变，用 DC/AC 表示；将一种电压（或电流）的直流电变为另一种电压（或电流）的直流称为斩波，用 DC/DC 表示；将一种频率的交流电转换为另一种频率的交流电（包括中间直流环节）称为交交变频，用 AC/AC 表示。进行上述各种变换的电路称为变换器电路 1。DC/DC 变换器可分为两大类：（1）非电气隔离型 DC/DC 变换器，包括 Buck 变换器、Boost 变换器、Buck-Boost 变换器、Cuk 变换器，这类变换器适用于升降压范围窄、输入输出间需要电气隔离的场合；（2）电气隔离型 DC/DC 变换器，包括反激、正激、推挽、半桥及全桥变换器，这类变换器适用于升降压范围宽、输入输出间需要电气隔离的场合。反激变换器具有电路拓扑简洁，输入与输出电气隔离，升降压范围宽，易于多路输出，成本低，可靠性高等优点，因此反激变换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑。21.2 课题的研究意义及主要内容近年来随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、继承化的方向发展，高效率的开关电源已经得到越来越广泛的应用。 。由于反激变换器具有高可靠性、电路拓扑简单、输入输出之间电气隔离、升降压范围宽、能高效提供多组直流输出。反激变换器中的最大优点是简单：只使用一个磁元件、一个开关、一个二极管就可以完成隔离和升降压的变换任务。由于它是在返程中进行能量变换，而且能量的大小与开关闭合期间的磁储能大小有关，也就是说变换功率受磁芯的饱和程度限制，因此反激变换器主要应用于中小功率场合。通过对这次 RCD 箝位反激变换器的研究，首先，可以使我对各种箝位电路、对他们各自的优缺点以及应用场合有个明确的认识，旨在做出高功率密度、高变换效率和高可靠性的开关电源，并为拓宽反激变换器的应用提供技术支持；其次，掌握了对反激变换器的三种工作模式以及各个模式下输出电压、电流应力的计算；最后，通过对峰值电流控制技术的研究，提高了系统的稳态和动态性能，提高系统可靠性。本次毕业设计主要对比分析反激变换器的三种工作模式：电流断续模式、电流连续模式和电流临界连续模式；研究了电流峰值控制技术，RCD箝位电路及其参数设计方法；还研究了反激变换器的小信号特性，并对电路进行了频域分析。同时要使电路的输入电压为 18-36V 直流，输出电压为 12V 直流；对控制及驱动电路的参数进行设计和选择。第 2 章 反激变换器的稳态工作分析3*iU1LI:1ND2LICRoIoUS第 2章 反激变换器的稳态工作分析反激隔离变换器电路如图 2-1 所示。图 2-1 反激变换器的电路原理图在电路结构上有如下特点：1. 原边绕组通过一个开关与输入电源相连；2. 使用一个变压器实现隔离，变压器同名端反接；3. 二级管用作高频整流；4. 输出端采用简单的并联电容滤波。高频变压器用于原、副边电压的隔离和能量的传递。开关闭合期间，入电压完全加在变压器的原边绕组上，原边感应电势与外加电压平衡。原边绕组在输入电压作用下建立励磁磁通并完成磁储能，在励磁磁通作用下副边产生了下正上负的感应电势，由于二极管被反偏截止，因此此时副边的回路中没有电流，这个阶段能量以磁能的形式储存在变压器磁场中。当开关断开后，绕组上的感应电势反向，副边绕组电势的极性变为上正下负，二级管导通，磁场能量通过二极管向输出端电容和负载释放，完成了能量由原边向副边的传递。由于它是在开关断开期间完成向输出端馈送能量的过程，因此叫做反激变换器。在开关的作用下一连串的方波电压被加在高频变压器原边绕组上，副边感应的高频交流方波经二级管整流后又变为脉动直流，经过电容滤波输出端就可以获得平稳的直流了。改变变压器的原副边绕组的匝比就可以实现升压或者降压变换，改变开关的占空比同样可以改变输出电压的高低。通常总是固定变压器原副边匝比，通过改变开关的占空比来改变对输出电4压的调节。通过上面的分析可以看出变压器在这里的作用有三方面:1. 隔离；2. 储能；3.电压变换（升、降压） 2这种变换器的最大优点是结构简单，只使用一个磁元件、一个开关、一个二极管就可以完成隔离和升、降压的变换任务。由于它是在返程中进行能量的变换，而且能量的大小和开关闭合期间的磁储能大小有关，也就是变换功率受磁芯的磁饱和程度影响，因此反激变换器通常适用于小功率变换场合。根据变压器磁化电流的连续与否，将反激变换器分为电流连续模式（CCM ） 、电流断续模式 (DCM）和电流临界连续模式，对应各工作模式下的电感电流波形如图 2-2 所示，图中 IL1 和 IL2 分别为反激变换器原、副边电感电流，D 为开关 S 的占空比，T S 为变换器的开关周期。图 2-2 电感电流 IL1 和 IL2的波形2.1 磁化电流连续模式如果开关截止时间较短，在开关再次闭合时副边电流 IL2 将大于零，那么开关再次闭合后电流 IL1 也不会从零开始，而是从 IL10 开始按 VI/LM 的斜率线性上升，电感电流波形如图 2-2（a）所示。(a)CM模 式 （ b） DCM模 式 （ c)电 流 临 界 模 式1LI 1LI 1LI2LI 2LI 2LISDT ST SDTS S第 2 章 反激变换器的稳态工作分析52.1.1 电流连续时的电压增益 M在电流连续且磁芯不饱和时，绕组自感电势与外加电压间有如下的关系（2-1）所以，开关闭合时（2-2）开关截止期间（2-3）正常工作时导通和截止期间磁通的变化量应该是相等的（否则就意味着磁通没有复位，那么周而复始就会导致铁芯饱和，造成开关管损坏，故（2-12/ionofVtNt4）由此可以得出电流连续时的电压增益 M 为（2-5）输入电流峰值为（2-6）式中 TS 变换器开关周期；D开关管 S 的占空比,D=T on/T；N1 变压器原边绕组匝数；N2 变压器副边绕组匝数；Po变换器的输出功率；变换器的效率。由式（2-5）可知，在磁化电流连续状态下，反激变换器的输出电压Vo 只决定于原、副边绕组的匝比、占空比和输入电压 VI，和负载无关。但是需要注意的是，所说的与负载无关仅是指输出特性比较硬，带载能力比较强，而绝不是意味着负载可以开路。21-oiD112oisLPiUTIL22/ooftt11/i ionVtNtd62.1.2 电流连续时开关承受的电压 VS无论磁化电流连续与否，断开期间开关所承受的电压总是输入电压与原边绕组上的感应电压之和 1（2-7）1siN其中 12(/)NoVV将式（2-5）带入上式，得到磁化电流连续时开关承受的电压 VS（2-8）可见当磁化电流连续时，开关电压与占空比 D 有关，占空比越大，开关所承受的电压越高，当占空比 D=0.5 时，开关电压为输入电压的 2 倍，