有源钳位正激变换器设计本科论文.doc
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有源钳位正激变换器设计本科论文.doc
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本科毕业设计(论文)
有源钳位正激变换器设计
刘长智
燕山大学
2014年6月
燕山大学本科生毕业设计(论文)
本科毕业设计(论文)
有源钳位正激变换器设计
学院:
里仁学院
专业:
应用电子4班
学生姓名:
刘长智
学号:
101203031292
指导教师:
赵清林
答辩日期:
2014.06.21
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
里仁学院电气工程系系级教学单位:
学
号
101203031292
学生
姓名
刘长智
专业
班级
应电4班
课
题
题目
有源钳位正激变换器设计
来源
自选题目
主
要
内
容
1.掌握正激变换器工作原理,了解正激变压器磁复位的方法,查阅有源钳位正激变换器相关文献、资料,掌握其工作原理;
2.查询一款应用于有源钳位正激变换器的集成控制芯片,掌握其外围电路的设计和应用;
3.设计要求,输入80~120V直流,输出5V直流,输出功率50W,采用同步整流技术;
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.正激变换器及有源钳位技术相关资料;
2.有源钳位正激变换器控制集成电路资料;
3.同步整流技术相关资料
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17—18周
应
完
成
的
内
容
查阅并消化理解资料,找出主要问题,确定主电路拓扑,准备开题报告、文献综述和和幻灯片。
了解工作原理,芯片的使用要求和基本使用方式,设计、计算电路有关参数。
利用仿真软件完成电路的仿真。
给出全部工程图纸和元器件表。
撰写论文
画图、准备答辩
指导教师:
赵清林
系级教单位审批:
摘要
摘要
开关电源技术经历了多年的发展,各方面都比较成熟,是现代电子设备的心脏和动力。
广义的说,凡是采用半导体功率开关器件作为开关管,通过对开关管的高频开通与关断控制,将一种电源形态转化为另一种电源形态的装置,叫做开关变换器。
以开关变换器为主要组成部分,转换时用闭环自动控制来稳定输出,并在电路中加入保护环节的电源,叫做开关电源。
如果用高频PWMDC/DC变换器作为开关电源的开关变换器时,就称为高频开关电源。
[1]许多的新技术被广泛的应用到开关电源中,使其在转换效率,功率密度,以及功率因数等方面都有了较大的性能提升。
其中,DC-DC变换器是开关电源的最主要组成部分,它是电能转化的核心部分,涉及到体积,转换效率等各个方面。
本文主要介绍了传统正激变换器与有源钳位正激变换器的工作原理,以及正激变换器磁复位的几种方法。
完成了主电路各个元件参数的设计,对电路进行了小信号模型分析,并对主电路和闭环系统进行了PSPICE仿真,并对仿真结果进行了详细的分析。
最后使用Protel绘制出了完整的电路原理图。
该变换器采用了同步整流技术,有效的减少了输出电路的开关损耗;采用软开关技术,实现了主辅开关管的零电压开通;采用德州仪器公司推出的UCC2981D芯片实现有源钳位正激变换器的设计要求。
关键词有源钳位;正激变换器;同步整流;软开关
83
Abstract
Theswitchingpowersupplytechnologywhohasgonethroughyearsofdevelopmentandallaspectsaremorematureisthepowerandheartofthemodernelectronicequipment.Broadlyspeaking,allthedevicesthatusethesemiconductorpowerswitchdeviceastheswitchtube,throughthehighfrequencyoftheswitchonandoffcontrol,andmakeapowersupplyformintoanotherform,arecalledaswitchingconverter.Thepowersupply,withtheswitchconverterasthemainpart,theconversionbyclosedloopautomaticcontroltostabilizetheoutput,andaddthelinkofpowerprotectioninthecircuit,iscalledswitchingpowersupply.IftheuseofhighfrequencyPWMDC/DCconverterastheconverterswitchingpowersupply,itiscalledthehigh-frequencyswitchingpowersupply.Manynewtechnologiesarewidelyusedintheswitchingpowersupply,witchoftheconversionefficiency,powerdensity,powerfactor,andotheraspectshasalargerimprovementinperformance.Amongthem,theDC-DCconverteristhemostimportantpartofswitchpowersupply,itisthecorepartoftheelectricenergyconversion,whichrelatestothevolume,theconversionefficiency,andotheraspects.
Thispapermainlyintroducestheoperationalprincipleofthetraditionalforwardconverterandtheactiveclampforwardconverter,aswellasthemagneticresetmethodsoftheforwardconverter.Thispapercompletedthedesignofeachcomponentparametersinthemaincircuitandcarriedonthesmallsignalmodelofthecircuitanalysis.ThispaperalsocarriedonthePSPICEsimulationofthemaincircuitandtheclosedloopsystemandthesimulationresultsareanalyzedindetail.Finally,thecircuitschematicsarecompletedbyusingoftheProtel.
Theconverterwithsynchronousrectificationtechnology,effectivelyreducetheswitchinglossesoftheoutputcircuit;withsoftswitchingtechnology,realizetheZVSofthemainandauxiliaryswitches;UsingUCC2981DchipofTIcompany,meetstheactiveclampforwardconverterrequirementofdesign.
KeywordsActiveclamp,Forwardconverters,Synchronousrectification,ZVS
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1引言 1
1.2开关电源现状 1
1.3论文主要研究内容 2
1.4本章小结 3
第2章有源钳位正激变换器 4
2.1主电路工作原理分析 4
2.1.1传统单端正激变换器 4
2.1.2正激变换器磁复位的方法 4
2.1.3同步整流电路的介绍 7
2.1.4有源钳位正激变换器的工作过程分析 8
2.2主电路元件的参数计算 14
2.2.1设计要求 14
2.2.2功率变压器的设计 14
2.2.3滤波电感和电容的设计 20
2.2.4有源钳位去磁电路的设计 24
2.2.5自驱动同步整流电路的设计 27
2.3本章小结 28
第3章闭环控制系统的设计 30
3.1小信号模型的分析 30
3.2变换器闭环PI控制的参数设计 33
3.2.1系统传递函数分析 34
3.2.2补偿环节的设计 36
3.3本章小结 41
第4章变换器的开环与闭环仿真 42
4.1变换器的开环仿真原理图及仿真波形分析 42
4.2变换器的闭环仿真原理图及仿真波形分析 44
4.3本章小结 46
第5章有源钳位正激变换器硬件电路的设计 47
5.1UCC2891D芯片功能介绍 47
5.2UCC2891D芯片的功能配置 52
5.3反馈隔离电路的设计 53
5.4隔离驱动的设计 53
5.5本章小结 54
结论 55
参考文献 57
附录1 59
附录2 67
致谢 80
第一章绪论
第1章绪论
1.1引言
正激变换器由于自身具有电路拓扑简单、电压升降范围宽、输入输出电气隔离、易于多电路输出等特点,因而被广泛的用于小功率电源变换器的场合。
但是,正激变换器也存在一个固有的缺点,就是必须附加磁复位电路来实现功率开关截至期间变压器的磁复位,以免出现变压器磁芯饱和现象。
通过对不同磁复位技术的比较,最终本文选定采用有源钳位技术实现变压器磁芯的磁复位。
本文在深入分析电路工作原理的基础上给出了主电路参数计算的过程,并且实现了主辅开关管的零电压开通。
对电路进行了小信号模型分析,构建了电路的闭环系统,这为有源钳位正激变换器的设计提供了技术基础。
1.2开关电源现状
开关稳压电源(以下简称开关电源)取代晶体管线性稳压电源(以下简称线性电源)已有30多年历史,最早出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。
后来脉宽调制(PWM)控制技术有了发展,用以控制开关变换器,得到PWM开关电源,它的特点是采用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制—PWM,开关电源效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30%一40%。
因此,在当今这个发生世界性能源危机的年代,开关电源技术引起了人们的广泛关往。
线性电源工作于工频,若采用工作频率为20kHz的PWM开关电源代替,可大幅度节约能源,这在电源技术发展史上誉为20kHz革命。
先进的半导体工艺技术不但使元器件速度更快,体积更小,而且它们还要求更低(密度更大)的供电电压和更高的供电电流;与此同时,最终系统的功能持续提升,而体积和平均售价则不断下降。
这些因素迫使电源设计者要不断地开发出更精确,响应速度更快,效率更高,体积更小,成本更低和上市时间更快的电源产品。
有源钳位正激电路技术已经历十余载,有源钳位技术历经了三代:
第一代为美国VICOR(美国怀格)公司的有源钳位ZVS技术,其DC/DC变换器的工作频率达到了1MHZ,功率密度接近200W/in3,但效率低于90%。
第二代由IPD公司研发,其MOSFET采用P沟道,变压器副边采用用于正激式变换器电路拓扑的有源钳位。
这种方式虽然使产品成本降低了很多,但MOSFET的零电压开关边界条件较窄,而且P沟道MOSFET工作频率也不高。
第三代由一位美籍华人工程师于2001年设计,其特点是将变压器磁芯复位时释放出的能量转送至负载,所以实现了更高的转换效率。
他设计了三个电路方案,其中应用最广的是采用N沟道MOSFET。
采用这项技术可以将软开关、同步整流技术都结合在一起,因此效率可提高到92%以上,功率密度可达到250W/in3以上。
[5]然而最具有创造力,最有应用价值的仍为第一代初级侧的有源钳位技术。
自从八十年代以来,VICOR产品的有源钳位ZVS软开关正激拓扑,现在仍旧广泛应用,而且仍旧具有极其旺盛的生命力。
但到二十一世纪,其应用的着眼点不仅在于软开关,而且更着重在磁芯的复位上,以及如何进一步扩展占空比,提高磁心的利用率。
1.3论文主要研究内容
本文主要介绍了传统正激变换器与有源钳位正激变换器的工作原理,以及正激变换器磁复位的几种方法。
完成了主电路各个元件参数的设计,对电路进行了小信号模型分析,并对主电路和闭环系统进行了PSPICE仿真,并对仿真结果进行了详细的分析。
最后使用Protel绘制出了完整的电路原理图。
该变换器采用了同步整流技术,有效的减少了输出电路的开关损耗;采用软开关技术,实现了主辅开关管的零电压开通;采用德州仪器公司推出的UCC2981D芯片实现有源钳位正激变换器的设计要求。
1.4本章小结
本章是全文的绪论内容。
通过引言,引出本次论文的论述重点:
有源钳位正激变换器的设计。
然后论述了开关电源的现状,开关稳压电源已有30多年历史,其中,有源钳位正激电路技术已经历十余载,有源钳位技术历经了三代,电源技术的发展趋势为更精确,响应速度更快,效率更高,体积更小,成本更低和上市时间更快。
最后论述了论文完成的主要研究内容,本次设计的有源钳位正激变换器采用同步整流技术,有效的减少了输出电路的开关损耗;采用软开关技术,实现了主辅开关管的零电压开通;采用德州仪器公司推出的UCC2981D芯片实现有源钳位正激变换器的设计要求。
第二章有源钳位正激变换器
第2章有源钳位正激变换器
2.1主电路工作原理分析
2.1.1传统单端正激变换器
单端正激变换器如图2-1所示:
图2-1单端正激变换器
当开关S闭合时,电源电压加在高频变压器原边绕组N1上,建立起励磁磁通。
只要磁心不饱和,副绕组N2上就会感应电势为,
(2-1)
由于变压器同名端的接法,在此期间二极管D2导通,由电源输入的能量经变压器向输出端传送。
当开关断开时,电感L使续流二极管D3导通将存储在L中的能量继续向输出端馈送。
整个工作过程类似于Buck电路的情况。
不同之处在于,当开关断开期间,变压器的磁能经过绕组N3和回馈二极管D1向电源馈送,完成励磁能量的转移并同时使磁芯的磁化状态复位。
2.1.2正激变换器磁复位的方法
正激变换器的一个固有缺点就是功率开关管截止期间变压器必须实现磁复位,以保持其伏秒平衡和防止铁心饱和,但是其本身却没有自动复位能力,所以需要采用专门的复位措施来实现变压器的磁复位,而且励磁电感在饱和之前是不能存储太多的能量的,因为饱和变压器的行为就跟短路一样,所以必须在每个开关中期添加附加的电路来转移励磁电感中的能量,这就是所说的正激变换器磁复位技术的研究。
2.1.2.1多谐振复位技术
如图2-2所示为谐振电感和谐振电容构成的零电压多谐振复位电路。
该电路的特点是增加了一个谐振电感Lr和谐振电容Cs,开关管S可以实现软开关,因此开关管可以工作在较高的频率,正因如此,可以有效的减少磁性元件的体积,从而减少整个变换器的体积。
并且输入电流波形较为平滑,EMI(电磁干扰)性能好。
但是这种电路存在着一个最大的缺点,就是由于谐振的原因,使得变压器原边主开关管漏-源极电压VDS的电压应力达到输入电压的3—4倍,所以就需要MOSFET的耐压等级达到很高级别,这无疑会增大MOSFET的导通损耗,同时也给器件选择带来了困难。
图2-2零电压多谐振正激变换器
2.1.2.2RCD钳位技术
RCD钳位技术硬件电路设计简单,成本低,在对变换效率要求不是很高的场合具有较高的使用价值。
电路设计主要由电阻Rc,电容Cc和二极管Dc组成RCD钳位复位电路,具体电路图如图2-3所示。
这种复位技术的最大优点就在于线路简单,同时占空比D>0.5,功率开关电压应力低,便于开关器件的选择。
然而这个电路最大缺陷是在电路工作时,大部分能量消耗在钳位电阻上,这不仅降低了效率,而且带来了散热设计的问题,给设计造成困难。
图2-3RCD钳位正激变换器
2.1.2.3有源钳位技术
有源钳位正激变换器电路图如图2-4所示,钳位电路由一个钳位电容Cc和钳位开关管Sc以及反并联二极管Dc组成。
由于此电路是本论文的重点,因此工作过程会在下文中进行详细介绍,这里只介绍其优缺点。
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- 有源 钳位正 激变 设计 本科 论文