120W推挽电路的设计

电力电子应用课程设计课题：120W推挽电路的设计班级电气1123学号姓名专业电气工程及其自动化系别电子与电气工程学院指导教师陈万淮阴工学院电气工程系2015年5月I摘要开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，推挽变换器和正激变换器是两种常用的DC/DC变换器。推挽电路就是两个不同极性晶体管连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推挽电路适用于低电压大电流的场合，广泛应用于功放电路和开关电源中。关键词：双端电路推挽变换器II目录一、设计思想及设计原理...............................................................................................................11.1推挽变换器.....................................................................................................................11.1.1设计目的................................................................................................................11.1.2工作原理.............................................................................................................11.1.3基本关系.............................................................................................................31.2推挽变换器的参数设计.................................................................................................31.2.1主功率变压器的设计...........................................................................................41.2.2开关管的选取.......................................................................................................51.2.3副边整流管的选取...............................................................................................51.2.4滤波电感的设计...................................................................................................61.2.5滤波电容的设计...................................................................................................71.2.6控制电路关键参数设计.......................................................................................7二、PWM控制芯片选取与介绍....................................................................................................82.1PWM控制芯片选取............................................................................................................82.2KA3525引脚介绍..............................................................................................................8三、设计调试.................................................................................................................................10四、设计总结：.............................................................................................................................144.1电路总结.......................................................................................................................144.2心得体会.......................................................................................................................14参考文献.........................................................................................................................................151一、设计思想及设计原理1.1推挽变换器1.1.1设计目的通过本课题的分析设计，可以加深学生对间接的直流变流电路基本环节的认识和理解，并且对隔离的DC/DC电路的优缺点有一定的认识。要求学生掌握推挽变换器的脉冲变压器工作特性，并学会分析该电路的各种工作模态，及开关管、整流二极管的电压电流参数设计和选取，掌握脉冲变压器的设计和基本的绕制方法，熟悉变换器中直流滤波电感的计算和绕制，建立硬件电路并进行开关调试。学生需要熟悉基于集成PWM芯片的DC/DC变换器的控制方法，并学会计算PWM控制电路的关键参数。1.1.2工作原理iu1Q1D2DCLRou1QiLi2Q2Qi1N1N2N2N图1推挽变换器2Ot1guTontOt2guOt1QuOt2QuOt1Qi1Qi2QiQiOtLiOt1Di2DiLi图2推挽变换器主要波形推挽变换器的主要波形如图2所示。电路如图1所示，两个IGBT管可看成两个可控制的开关，通过控制开关管Q1、Q2的开断可以控制电路的输出。变压器的同名端在电路中已经给出，输入的电压值假设为V。Q1导通时，输入电压加在变压器原边上端绕组上，同时Q2关断，其两端承受两倍的输入电压，变压器副边上端绕组电压为n2V/n1，整流二极管D1导通，此期间电源向负载提供能量，电感L中的电流逐渐上升。Q1关断、Q2仍未导通，两管同时处于关断状态。整流管D1中电流逐渐减小，D2中电流逐渐增大，直到两管中电流相等（忽略变压器激磁电流），此时变压器可以看作被短路，两开关管承受电源电压，输出功率由输出电容提供，电感L中的电流逐渐下降。Q2导通Q1关断时，输入电压加在变压器原边下端绕组上，Q1承受两倍的输入电压,变压器副边下端绕组电压为n2V/n1，整流二极管D2导通，此期间电源向负载提供能量；Q2关断、Q1仍未导通，整流管D2中电流逐渐减小，D1中电流逐渐增大，直到两管中电流相等（忽略变压器激磁电流），此时变压器可以看3作被短路，两开关管承受电源电压，输出功率由输出电容提供，电感L中的电流上升。如果Q1和Q2同时导通的话，就相当于变压器一次绕组短路，因此应避免两个开关管同时导通，每个开关管各自的占空比应不能超过50%,所以要保留有一定的死区，防止两管同时导通。推挽变换器的电路结构简单，是基于单端正激变换器，我们可以把看成两个完全对称的单端正激变换器的组合，但是，推挽变换器比正激变换器输出更大的功率。电路中，变压器铁芯双向磁化，铁芯尺寸相同，同时，电路必须有良好的对称性，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和，磁芯饱和后电路就无法正常工作。变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感，从而降低功率管的关断电压尖峰，这增大了变压器绕制工艺的要求以及对所用功率器件电压定额的要求。另外，电路中输入电流纹波较大，因而滤波器的体积也要较大。推挽变换器通常用于中小功率场合，一般使用的功率范围为几百瓦到几千瓦。1.1.3基本关系1、电压传输比输出电压与输入电压的关系为:nDVVinO2/D为单管导通占空比，n为变压器匝比，12/nnn。2、开关管的电压、电流应力当开关管Q1或者Q2关断时，开关管上的稳态电压最高是2Vin。当开关管导通时流过开关管的电流是经变压器变换后的负载电流，其有效值为:DnIIOQ3、副边整流管的电压电流应力对于副边全波整流结构，副边整流二极管的电压应力是变压器副边单绕组电压的两倍，即2nVin。流过整流管电流的有效值为:DIIODR11.2推挽变换器的参数设计样机的技术指标如下：输入电压：36-75V直流输入4输出电压：24V/5A直流输出功率：120W开关频率：100KHz1.2.1主功率变压器的设计（1）占空比和变压器变比的确定：由于推挽变换器存在直流偏磁问题，为了克服这一缺点，选用电流型控制芯片，以限制流过器件的电流。控制芯片选用KA3525,试验中它可以输出最大占空比D为0.49，开关频率设计在100kHz。在输入电压最低为36VDC时，保证输出电压可以达到24V。由公式：inOnDVV2可得变压器变比68.012nnn，考虑到实际电路会有一定的占空比丢失，可以选取变比n=0.72。（2）磁心的选取根据公式：选择变压器磁心。上式中各个参数的单位是：P→W,S→cm,Q→cm,B→Gs，j→A/cm，对于铁氧体磁芯Kc=1，取Ku=0.3。选用高频铁氧体材料R2KBD，其饱和磁密Bs为5100Gs，Bm可以选31Bs=1700Gs。结构选为ETD49型，其有效磁心截面积S为2.13cm²，窗口面积Q为3.75cm²。由上述公式计算可得：451.0103003.0187.0170010100212083SQ而ETD49铁芯的SQ=7.9875，可以选择EE33型磁心。（3）匝数的设计对双向矩形脉冲的变压器有44.21013.217002109.4361028681SBTUNmonin8102jKKfBPSQUCmO5选取原边单绕组为11匝。根据变比要求，取副边单绕组匝数为8匝，即变压器的绕组匝数为11：11：8：8。（4）绕组的设计导线中流过交变电流时会产生集肤效应，即导线横截面上的电流分布不均匀，线有效截面积减少，电阻增大。在高频工作时，必须加以考虑。当开关频率为100kHz时，穿透深度Δ为：)