60W三绕组复位正激变换器设计Word文件下载.docx

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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⑶、LCD无损复位［4,5］以及谐振复位⑹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1所示。

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2、图3给

出了正激变换器的主电路及其主要波形。

开关管Q按PW方式工作，D是输出整流二极管，D2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,副边绕组W,复位绕组W,图中绕组符号“•”号的一端，表示是该绕组的始端。

D3是复位绕组W的串联二极管。

Vbe

iIf

iw1

iw3

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。

图4典型的两种磁芯磁滞特性曲线

如图4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、RCEg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MOSFE而高压功率MOSFET勺导通电阻较大，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2所示，开关管Q按PW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5（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。

如图5（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5（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5（b）Q1关断、变压器磁复位

五、器件选择

5.1变压器

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10A,功率要求为50W

变压器输入输出电压关系式为：

UoDUi-N^

N1

N2

一般选择占空比D为0.45，因此有10V0.4548竺,则N2/N1=25:

54.所N1

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Bb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。

（2）根据输出功率选择磁芯

面积乘积的粗略预算公式：

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：

4

10034

AP（3）30.3718cm4

0.0140.15100103

查附表1选择P型2616的磁芯，Ae=0.948mrh，A=0.407mm,

Ve=3.53cm3,,P=123.5W,f=200KHZ。

查附表2得到磁芯尺寸（mm:

d仁25.5,d2=21.2,d3=11.5，d4=5.4，

1

h1=16.0,h2=11.0,a=18.0,b=3.8,le=37.6mm,l/A=0.4mm。

（3）计算副边匝数

周期T*105S,最大占空比为0.45,

ton=4.5X10-6S

计算输出电压加上满载时二极管和次级IR压降:

Uo'

100.410.4V

由电磁感应定律可得:

U°

TN2

（4）计算原边匝数

变压器输入输出电压关系式为:

N2、U0

所以

卩

N1DmaxUimin

_10.4_52

0.453681

~0.64

由变压器的性质得:

N1n

N2

则弘nN23.325.175

52

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

z「D'

时由U0Uin,D=0.32。

N

（5）副边电流有效值为：

12I0D'

100.325.66

⑺选择线径：

根据导线的电流密度J=4A/mrh

所以原边绕组所选截面积为：

L=3.57/4=0.8925mm

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MPPLVonD

fIcr

其中5V.rV。

Vo

Vinr

电感值为5.44，直流电流为10A储能为1020.005440.544mJ

根据电流有效值选择导线的线径，因为Il0.D10.0.325.66，所

以选择导线的截面积约为1.415mm2，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=

=0.0956F

5.4电阻

R=

V1°

I1°

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’N228.8V

电流分别为：

|D1l°

、-D1°

.°

.325.66

|D2l°

1D1°

°

.688.25

D3为复位二极管。

其电流、电压如下

Vd348V

|D3|13.57

D1选用5EQ1°

°

类型的二极管，D2、D3选用1°

YQ°

45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MOSFE管，有些还采用IGBT管以及GTOt。

IGBT主要用在高功率大输出的场合，GTOfc要用于中功率较小输出的场合，而MOSFE主要用于小功率小输出的场合，该设计是5°

W双管正激变换器的设计，输出功率只有5°

W输入电压为48伏，输出电压为1°

伏，为小功率小输入小输出，因此在此处采用MOSFE管已经足够。

MOSFE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MOSFE管。

设频率为1°

KHZ占空比为°

.45，开关管Q1的开通和关断时间为

ton°

.45T4.5s

96V。

toff0.65T6.5开关管关断时所承受的电压保持在输入电压的两倍，为即Vq12Vin248V96V线圈电流即为变压器原边的电流，因此，

IQ1I25.66

查阅资料可知开关管型号为IRF3710ZL。

15

16

六、心得体会

通过本次设计，我对本专业的认识更加深刻了，同时加强了对专业知识的掌握，提高了运用能力，积累了一些相关的设计经验。

本文详细阐述了正激变换器中变压器的设计方法，并结合具体设计任务，设计出一个用于48V（36〜75V）输入，10V/10A输出的高频开关电源变压器。

设计出的变压器在实际电路中表现出良好的电气特性。

但由于自己的能力水平有限，设计中仍有不少错误的地方或有更优化的方案。

本文对50W第三绕组复位正激变换器的设计给出方案，在正激变换器的基础上分析了第三绕组复位正激变换器的基本拓扑和工作原理，分析了第三绕组复位正激变换器的几种工作模态。

通过查阅资料和文献，确定了各元器件的参数，选出了合适的原件，最终得出了50W双管正激变换器的设计思路。

在电路图的设计过程中，利用PROTEST件画出了原理图，并进一步加深了对PROTEK件的了解和认识。

本次设计锻炼了我的动手能力，树立了理论联系实际的理念，并且使自己进一步熟练了对Microsoftoffice和protel以及各种辅助应用软件的使用，

对我有大有裨益。

在课程设计的过程中，我遇到过各种各样的问题，培养了我综合运用所学知识解决实际技术问题的能力；

掌握了资料查询的基本方法，培养自己学习及独立思考解决问题的的能力，并融会贯通知识体系，但对设计过程有一个总体的设计思路，才是我们设计成功的关键。

设计过程中与大家交流是非常必要的。

合理的交流能够迅速地发现自己的不足，同时够吸纳别人的长处，避免自己在设计中走弯路，也能给自己、他人动力和信心。

在以后的设计中，也要吸取教训，少走弯路，多多交流，这样才能完美的完成。

七、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

附表1正激变换器拓扑最大可能输出功率

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