推挽式开关电源

2011.11[南京理工大学]现代开关器件结课论文[推挽式开关电源分析]姓名：[闫耀程]学号：[0810190142]指导教师：[吕广强]1目录作业要求………………………………………………2电路原理图……………………………………………2电路原理分析…………………………………………3控制方法分析…………………………………………4基本电路的仿真………………………………………4多路直流输出电路仿真………………………………7工频输入直流输出实现………………………………11总结与体会……………………………………………14参考文献………………………………………………152作业要求：1）画出电路图，分析原理和控制方法2）工频220V电源输入，能够输出3路直流电源（24V30W，12V20W，5V5W），考虑交流侧谐波和直流侧文波电路基本原理图：推挽电路的理想化波形3推挽电路的工作原理：整流输出推挽式变压器开关电源，由于两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，推挽式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波就可以达到非常小。推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N’1两端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L的电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。每个开关的占空比不能超过50%，还要留有死区。输出电压：滤波电感L电流连续时：TtNNUUoni2120输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，ioUNNU12.由于推挽式变压器开关电源中的两个控制开关K1和K2轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于低输入电压的DC/AC逆变器，或DC/DC转换器电路中。推挽式开关电源经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很小，因此只需要一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到一个电压纹波和电流纹波都很小的输出电压。因此，推挽式开关电源是一个输出电压特性非常好的开关电源。另外，推挽式开关电源的变压器属于双极性磁极化，磁感应变化范围是单极性4磁极化的两倍多，并且变压器铁心不需要留气隙，因此，推挽式开关电源变压器铁心的导磁率比单极性磁极化的正激或反式开关电源变压器铁心的导磁率高很多倍；这样，推挽式开关电源变压器初、次级的线圈匝数可比单极性磁极化变压器初、次级的线圈匝数少一倍以上。所以，推挽式开关电源变压器的漏感以及铜阻损耗都比单极性磁极化变压器小很多，开关电源的工作效率很高。推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多，这也是推挽式开关电源的一个优点。半桥式以及全桥式开关电源都有一个共同缺点，就是当两个控制开关K1和K2处于交替转换工作状态的时候，两个开关器件会同时出现一个半导通区，即两个控制开关同时处于接通状态；这是因为开关器件在开始导通的时候，相当于对电容充电，它从截止状态到完全导通状态需要一个过渡过程；而开关器件从导通状态转换到截止状态的时候，相当于对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也需要一个过渡过程；当两个开关器件分别处于导通和截止的过渡期间，就会同时出现半导通状态，此时，相当于两个控制开关同时接通，会对电源电压产生短路，在两个控制开关的串联回路中将出现很大的电流，而这个电流并没有通过变压器负载。因此，在两个控制开关K1和K2分别处于导通和截止的过渡期间，两个开关器件将会产生很大的功率损耗。而推挽式开关电源不会存在这种损耗。因为，当控制开关K1将要关断的时候，开关变压器的两个初级线圈N1绕组和N2绕组都会产生反电动势，而N2绕组产生的反电动势正好与输入电流的方向相反；此时，即使是K2开关器件处于半导通或全导通状态，在短时间内，在K2组成的电路中都不会出现很大的工作电流，并且在电路中，两个控制开关也不存在直接串通的回路；因此，推挽式开关电源不会像半桥式，以及全桥式开关电源那样出现两个控制开关同时串通的可能性，这也是推挽式开关电源的一个优点。推挽式开关电源的主要缺点是两个开关器件需要很高的耐压，其耐压必须大于工作电压的两倍，因此，推挽式开关电源在220V交流供电设备中很少使用。另外，直流输出电压可调整式推挽开关电源输出电压的调整范围比反激式开关电源输出电压的调整范围小很多，并且需要一个储能滤波电感；因此，推挽式开关电源不宜用于要求负载电压变化范围太大的场合，特别是负载很轻或经常开路的场合。5推挽式开关电源的变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关电源是个缺点，对于大功率输出的推挽式开关电源是个优点。因为大功率变压器的线圈绕组一般都用多股线来绕制，因此，推挽式开关电源的变压器的两组初级线圈与用双股线绕制没有根本区别，并且两个线圈与单个线圈相比可以降低一半电流密度。电路的控制原理：由于电路的要求主要控制器件以MOSFET或IGBT为主，本次仿真采用的是IGBT，大多数IGBT的控制方法是以多个支路输出电压的加权和作为反馈变量调节原边开关管的占空比，从而实现各支路的稳压输出，或直接采用矩形波脉冲发生器来控制，由于本次的仿真重点不在于反馈控制，所以主要是用矩形波脉冲发生来控制IGBT，这里不多做解释，在下面的仿真电路中会有解释。推挽电路仿真及解析：电路中的负载部分加了一个1欧的电阻，输入端为直流100V直流电源，输出的电压的值为60.0782V，电流的值为0.07819A，仿真出的波形：IGBT1的触发电压与电压电流波形：IGBT2的触发电压与电压电流波形：可以看出本次仿真的占空比设为45%，小于所规定的50%，可以保证输出电流的连续，并且留有死区时间，所以可以看出波形还是符合理论波形。变压器的参数设置如下图：7IGBT1的脉冲波发生器的参数设置如下：IGBT1的脉冲波发生器的参数设置如下：8流过变压器二次侧的电流及输出电压和电流的波形如下：工频输入整流，多路直流电源输出根据要求工频220V的交流电源输入，而推挽式电路的输出要求的输入为直流电源，所以对于220V的工频电源，先进行交流变直流的整流的输出，设计电路如下：对于整流电路的各个元件的详细参数不具体写出，整流输出的波形如下：9图中的第四行为输出电流波形，最后一行为输出电压波形。输出的近似直流电流为：200A，输出电压近似值为200V三路直流电源输出1，24V30W的直流电源输出由公式TtNNUUoni2120，计算可以得出，输入为200V，输出为24V时，可以得出变压器的变比为15:2，由此可以得出输出电压，再通过调试负载，电感，的值，可以得出电流的值为1.25A，由此来实现30W的输出：仿真电路如下：10此时变压器的的参数设置为：输出端的电容值为0.0008F，电感值为0.01H输出端的波形，变压器二次侧的二极管的波形通过积分电路求得，输出端电压平均值为24.21V，电流平均值为1.281A，可以求得功率为30.9W，基本符合要求，此时负载电阻为19.2欧，可以测得当负载为300欧时，电压值在27.7V，负载为0.1欧时，电压值为19.44V，所以当负载在0.1~300欧时，输出电压的值能稳定在24V左右，正负偏差不超过4V。2，12V20W直流电压输出由公式TtNNUUoni2120，计算可以得出，输入为200V，输出为12V时，可以得出变压器的变比为15:1，由此可以得出输出电压，再通过调试负载，电感，的值，可以得出电流的值为1.67A，由此来实现20W的输出：11仿真电路图如下：此时变压器的参数：输出端的电容值为0.0008F，电感值为0.01H输出端的波形，变压器二次侧的二极管的波形：12通过积分电路求得，输出端电压平均值为12.01V，电流平均值为1.678A，可以求得功率为20.1W，基本符合要求，此时负载电阻为7.2欧，可以测得当负载为500欧时，电压值在14.2V，负载为0.07欧时，电压值为9.35V，所以当负载在0.07~500欧时，输出电压的值能稳定在12V左右，正负偏差不超过2V。3,5V5W直流电源的输出由公式TtNNUUoni2120，计算可以得出，输入为200V，输出为5V时，可以得出变压器的变比为36:1，由此可以得出输出电压，再通过调试负载，电感，的值，可以得出电流的值为1A，由此来实现5W的输出：仿真电路如下：13此时变压器的的参数设置为：输出端的电容值为0.02F，电感值为0.01H输出端的波形，变压器二次侧的二极管的波形：14通过积分电路求得，输出端电压平均值为4.8V，电流平均值为1.05A，可以求得功率为5.0W，基本符合要求，此时负载电阻为5欧，可以测得当负载为50欧时，电压值在5.9V，负载为0.5欧时，电压值为3.9V，所以当负载在0.5~50欧时，输出电压的值能稳定在5V左右，正负偏差不超过1V。工频220V输入以上三路直流电源的输入端为200V的直流电压源，并不是前面提到的由工频220V交流源整流得到的直流输入，所以下面为加上整流电路所得到的输出：输出为24V，12V，5V时：电路图一致，如下：1524V时，输出的波形为：12V时，输出的波形为：5V时，输出的波形为：16对于结果的分析：经过加上整流电路的输入，可以看出，输出的电压平均值，和通过输出电流计算出的功率略小于200V直流电压源为输入时的输出电压值，分析的可能是1，实际的工频220V整流输出的值为193V左右，与200V有误差，这个误差也会导致输出电压的降低。2，整流输出的电压并不是恒定的直流，在之前有一个上升的过程，这期间输出的电压值也不大，所以会使输出的电压平均值减小，3，整流输出的电压，电流只是近似直流，在一定的小泛围内还有波动，所以这中间会引起变压器的变化，也会影响输出。总结与体会经过这次对与推挽式开关电源的原理与设计的学习仿真过程，我感觉自己学到了好多，刚开始做的时候，拿到题目就有点一头雾水，推挽电路实现的不是DC－DC，或者DC－AC的转变吗，这个题目怎么会实现工频220V输入到多路直流电源的输出呢，然后我就开始翻看以前学过的电力电子技术的课本，里面有一点有关于推挽电路的工作原理的介绍，但是还是没有解决我的疑问，接着就去图书馆借了一体有关于开关电源与原理设计的书，里面倒是有这些设计的一些技巧，但是看起来很吃力，并不能完全看懂，我又上网找一些资料，但是网上的做法一般就是一些逆变的做法，并没有提及到整流，后来我又翻看图书馆借到的书，发现了组合整流这个概念，只有在前面加上一个整流电路就可以实现这个要求，瞬间我就明白了。接下来遇到的难题还有在选择器件方面遇到的，不是很清楚IGBT与MOSFET选择哪个，后来查阅资料得到两个器件的工作频率有很大的差别，在对于本题50HZ的工作频率下，选择IGBT更为恰当，在后来变压器的地方是我在仿真学习过程中停滞时间最长的，因为先是在以前学习matlab中并未用到过变压器这个原件，所以对于参数的调整，都是很迷茫，后来通过在网上看教程，才了解到这中间的一些具体意义，真正用软件搭好线路后，变压器的难题又来了，不要求输出电压还好，如果要求输出电压与电流的值，输本没有办法调，网上也没有解决办法，书上也没有，只能自己一个一个参数调，看看哪个对于结果的影响大，后来终于让我给发现了，原来是变压器的变比固定后，匝数也会对输出结果的值