利用推挽正激技术设计DCDC开关电源

1、 应用与测试 低压电器 (2007 17通用低压电器篇 孟 赟 (1983 , 女 , 硕士研究生 , 研 究 方 向 为 DC /DC电源及太阳能光伏 发电系统 。利 用 推 挽 正 激 技 术 设计 DC /DC开关电源孟 赟 1, 王 凯 2, 潘俊民1(1. 上海交通大学 电气工程系 , 上海 2. 华北电网有限公司 , 北京 100053摘 要 :DC , 并利用 PS p ice 。 , 该开关电源输出稳定 、 波形理想 。:; ; 开关电源:T M 46 文献标识码 :B 文章编号 :100125531(2007 1720057204A DC /DCSw itch i n g P

2、ower Supply Ba sed on Push 2PullForward Conversi on Techn i queM EN G Yun 1, WAN G Kai 2, PAN Junm in1(1. Depart m ent of Electrical Engineering, Shanghai J iaot ong University, Shanghai 200240, China;2. North of China Electric Power Grid Co . , L td . , Beijing 100053, China Abstract:A DC /DCs witc

3、hing power supp ly was designed by using push 2pull f or ward conversi on technique .The t opol ogy and structure of s witching power supp ly based on push 2pull for ward conversi on technique was p resen 2ted . The operati on and contr ol p rinci p le of the s witching power supp ly was expounded,

4、and the circuit t opol ogy was si m ulated by PSp ice s oft w are . The experi m ent result shows that the s witching power supp ly s out put is stable with ideal wave .Key words:push 2pull forward; h i gh frequency li n k (HF L ; sw itch i n g power supply 王 凯 (1976 , 男 , 工程师 , 硕士 , 从事继电保护工作 。潘俊民 (

5、1947 , 男 , 教授 , 博士生导师 , 研究方向为电力传动及自动化 、 智能控制系统 。0 引 言开关电源被誉为高效节能电源 , 它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 。 由于开关电源内部调整管工作在高频开关状 态时 , 其等效电阻很小 , 当流过大的电流时 , 消耗 在调整管上的能量很小 , 故电源效率可达 70%90%, 比普通的线性稳压电源提高了近 1倍 。同 时 , 利用了高频链技术的开关电源体积小 、 重量 轻 、 可靠性高 , 该技术是实现高功率密度 、 高变换 效率 、 优良综合性能 DC /DC变换的合理方案 。 图 1为带高频变压器的 DC /

6、DC变换的结构框图 。 目前 , 有变压器隔离的 DC /DC变换技术在传图 1 DC /DC变换器结构框图统的拓扑结构中较为常用的是推挽变换器和正激变换器 6(见图 2 。 传统正激变换器和推挽变换器两种电路拓扑 各有各自的优缺点 , 但都具有一定的局限性 :单端 正激变换器为了防止变压器磁芯饱和 , 存在去磁 复位的问题 , 故对占空比有一定的限制条件 ; 推挽 变换器功率开关管承受的电压应力高 , 只适用于 低输入电压的场合 , 而且开关管关断时漏感能量75 低压电器 (2007 17 通用低压电器篇 应用与测试 (a 推挽变换器拓扑 (b 正激变换器拓扑图 2 传统 DC /DC变换器

7、拓扑结构在开关管上引起高的电压尖峰 , 给主功率变压器的绕制提出了很高的要求 , 同时变压器的偏磁问 题给器件的一致性和驱动电路脉冲宽度的一致性提出了较高的要求 6。若将两种电路有机地结 合在一起 , 同时保留两种电路的优点 、 克服它们的 缺点的话 , 所得到的电路将是非常理想的 。通过 一个无损元件 电容将推挽变换器和正激变换 器结合在一起的电路即推挽正激变换器 。1 推挽正激变换器主电路图 3为推挽正激变换器的电路拓扑结构 。图 中 , 关键的部分是变压器 T 和电容 C 。变压器的 原边绕组 L p1和 L p2的匝数是相等的 , 变压器的副 边接入了全桥整流电路 。 该电路与推挽电路

8、的不 同之处就在于两个开关器件 S 1和 S 2中间接入了 图 3 推挽正激变换器电路结构一个无损元件 箝位电容 C , 另外两端接在直流电源的正负极上 。正是因为 C 的存在 , 使得整 个电路工作原理和效果完全不同于推挽电路 , 从 而克服了推挽变换器和正激变换器的缺点6。 在电路稳态的时候 , 不论是 S 1或 S 2哪一个 导通 , C 6,所以 , in 。而 in c ds 1U ds 2构成一 :U in +U c =U ds 1+U ds 2=2U in式中 , U ds 1和 U ds 2分别为 S 1或 S 2漏源极压降 。因为开关管漏源极压降 U ds 1, 2 0(等于

9、零的 情况出现在漏源极承受电压为反偏 , 此时反向并 联的二极管导通 , 漏源极电压被箝位在 0 , 故开 关管在工作过程中所承受的最大的电压应力是 2U in , 因此 , 加入 C 可消除开关管的电压过冲现象 。 同时 , 由于 C 的端电压具有浮动特性 , 如果 选择合适的箝位电容值 , 即能保证变压器磁通在 同一周期的两个半周期中有相等的伏秒数和磁芯 的双向对称磁化 , 使激磁电流和磁通在周期结束 时回到起始点 , 无直流偏磁的现象 。所以 , 推挽正激变换器的主要改进在于 C , 它 的引入抑制了开关管的电压尖峰 , 同时也抑制了 推挽变换器固有的直流偏磁现象 。推挽正激变换器保持了

10、推挽电路和正激电路 的优点 , 克服了两者的缺点 , 具有 :抑制变压器 的磁芯偏磁 ; 变压器磁芯双向磁化 ; 抑制开 关管的关断电压尖峰等优点 , 在低压大电流的应 用场合中获得了较高的效率 , 成为该场合较有优 势的电路拓扑形式6。2 工作及控制原理该电路的原边 2个开关管采用高频固定占空 比工作, 即 S 1和 S 2交替导通 , 并且它们导通交替 时有很小的死区延时 , 避免电源被直通 。经过高 频变压器的升压或降压 , 再通过副边的整流桥就 形成直流电压输出 。由于整个电路只有 2个开关管 , 且以固定占空 比交替导通 , 这就使得电路的控制电路十分简单。3 系统仿真试验仿真原理图

11、中的各个元件参数的设置如下 :85 应用与测试 低压电器 (2007 17通用低压电器篇 开关管使用 PSp ice 元件库中提供的开关管模型 , 它由 1个功率场效应管和 1个反向二极管并联组 成。 输入直流电压 U in =48V; 输出直流电压 U out =15V; 推挽正激箝位电容 C =40F; 副边电容 C f =1000F; 开关频率 f =20kHz 。 系统接电阻性负载 时 , 利用 PS p ice 记录下输出电压波形如图 4所示。 系统接电感性负载输出波形如图 5所示。 图 4带电阻性负载时输出电压波形 图 5 带电感性负载时输出电压波形4 实验结果 设定电路输入电压为

12、 48V , 输出为 15V 。 图 6为主电路正常工作时利用示波器记录的 控制电路输出的驱动信号波形 。图中 , 示波器通 道 2所示为主电路下面开关管的驱动波形 , 示波 器通道 4所示为主电路上面开关管的驱动波形。 图 6 控制电路输出的驱动波形 在主电路正常工作的情况下 , 用示波器记录 开关管栅源极电压 U gs 和漏源极电压 U ds , 如图 7所示 。 通道 2是 U gs , 通道 4是 U ds。图 7 主电路正常工作时 U gs 和 U ds 的波形 可以看出 , U gs 呈现高电平 , 即开关管导通时 , U ds 近似为零 , 即开关管在导通时压降很小 ; U gs

13、 呈现 低电平 , 即开关管关断时 , U ds 为 2倍的电源电压 , 这是由电路拓扑决定的 , 说明电路工作是正常的。利用示波器记录原边的箝位电容电压波形图 如图 8所示。 原边箝位电容电压始终保持与电源 电压相等。 电路正常工作时 , 输出电压的波形图如 图 9所示。 由图可见 , 输出电压约为 15V, 电压十 分平稳 , 毛刺很小 , 波形很理想 , 证明逆变器开关电源的实验是成功的。图 8原边箝位电容电压波形图 9 输出电压波形5 结 语本文在研究推挽正激变换器的基础上 , 对推挽正激变换器的主电路拓扑进行了仿真 , 并进一95 低压电器 (2007 17 通用低压电器篇 应用与测

14、试 步设计制作了样机 , 测定了实际工作中电路的各点电压值 , 证实了推挽正激变换技术可以得到非 常可靠的稳定直流电压输出 。【 参 考 文 献 】1 G OP I N AT H R, KI M S, W E BSTER M , et al . Devel op 2ment of a Lo w Cost Fuel Cell I nverter Syste m with DSP Contr olJ .I EEE PES C, 2002(19 :125621262. 2 Z HOU Xun wei, Y ANG Bo, A MORAOS O Luca, et al . Novel High 2in

15、put 2v oltage, High sient Voltage . .(1 :2. 3 Y AMAT N, MATS UDA Y, et al .H igh Frequency L ind DC 2AC Converter for UPS with a Ne w Voltage Cla mper C /I EEE Power Electr onics Specialists Conference, PES C 90ke wrd, 1990:7492756.4 张占松 , 蔡宣三 . 开关电源的原理与设计 (修订版 M.北京 :电子工业出版社 , 2004.5 陈道杰 . .:上海交, 20

16、05.M H, 陈建业 . 电力电子技术手册 M.北京 :机械工业出版社 , 2004.收稿日期 :2007201224(上接第 25页 图 2 协同设计平台的主界面器端启动浏览批注工具 Aut oVue, 打开接触板的三维设计图 ; 审核者作为客户器端启动浏览批注 工具 Aut o Vue, 连接服务器得到模型图 ; 然后 , 审 核者就可以提出自己对该设计的意见了。 图 3 应用实例 同时 , 还采用数据库技术模拟邮件系统 , 在系 统内部实现邮件发送等操作 。 通过使用系统的个 人邮件模块 , 用户可以方便地向任何一位用户发 送邮件 。 图 4为邮件系统的实例图。图 4 邮件系统3 结 语网络协同设计是网络技术和计算机辅助设计 技术的结合 , 代表了信息时代设计方式的发展方 向 , 实时协同是目前该领域内的研究重点 。本文 通过对协同设计技术的研究 , 开发了一个基于网 络的协同设计系统 , 并通过接触板设计实例 , 给出 了系统的运行情况 。【 参 考 文 献 】1 王魁生 , 李人厚 , 李