本科畢業設計〔論文〕RCD箝位正激變換器研究學院：專業：學生姓名：學號：指導教師：辯論日期：畢業設計〔論文〕任務書學院：電氣工程學院系級教學單位：電氣工程及自動化系學號學生姓名專業班級題目題目名稱RCD箝位正激變換器研究題目性質1.理工類：工程設計〔√〕；工程技術實驗研究型〔〕；理論研究型〔〕；計算機軟件型〔〕；綜合型〔〕2.管理類〔〕；3.外語類〔〕；4.藝術類〔〕題目類型1.畢業設計〔√〕2.論文〔〕題目來源科研課題〔〕生產實際〔〕自選題目〔√〕主要內容正激變換器因電路簡單而廣泛應用于中小功率變換場合。但是它的一個固有缺陷是功率晶體管截止期間變壓器必須磁復位，因而需要采用附加的復位電路。詳細分析RCD箝位正激變換器的工作原理，掌握閉環控制技術；掌握RCD箝位網絡的參數設計方法；基本要求輸入電壓：18-36V直流，輸出電壓：12V直流，；控制及驅動電路的設計和參數選擇；系統閉環仿真；畫A0圖紙一張。參考資料1． 電源技術，2.陳道煉，陳衛昭，嚴仰光。RCD箝位正激變換器的分析研究。南京航空航天大學學報，1997,29(2)周次第1～4周第5～8周第9～12周第13～16周第17～18周應完成的內容查閱資料，閱讀文獻確定方案，設計電路進行仿真，驗證可行性撰寫論文準備辯論指導教師：職稱：講師系級教學單位審批：年月日摘要正激變換器具有電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離等優點，廣泛應用于中小功率電源變換場合。但是，正激變換器在功率晶體管截止期間變壓器必須磁復位，需要增加復位電路。正激變換器變壓器的磁復位技術有：1.RCD箝位技術。2.有源箝位技術。3.無損LCD緩沖網絡技術。4.復位繞組技術。本設計介紹了正激變換器的幾種不同磁復位方法，指出了各自的優、缺點。詳細的分析了RCD箝位技術的根本原理；推到出箝位電壓與參數之間的關系，得到了箝位電容，箝位電阻的計算方法。變壓器和電感是開關電源中重要的能量轉換器件，本文對他們的選取進行了詳細的分析。應用PSIM進行了仿真，觀察有箝位網絡和沒有箝位網絡時開關管兩端的電壓波形，驗證出箝位網絡能夠有效的降低開關管的電壓應力。應用小信號方法建立變換器的傳遞函數。當RCD箝位正激變換器的輸入電壓從18v到36v變化時，對變換器進行閉環控制，使輸出電壓能夠穩定在12v，輸出電流能夠穩定在5A。并基于SG3525對變換器進行PI調節，使變換器能夠快速穩定的到達需要值。用PISIM對電路進行閉環仿真，驗證數值的正確性。關鍵詞RCD箝位正激變換器小信號模型變壓器SG3525AbstractTheforwardconverterhassimplecircuittopology,input/outputelectricalisolation,anditiswidelyusedinsuchadvantagesassmallandmedium-sizedpowersourcestransformoccasion.Butthatisaninherentdefecttheforwardconvertermustmagneticresetduringthepowertransistorscut-offandthereforeitneedresetcircuit.Theforwardconverterhasalotoftransformermagneticresettechnology.eg:1.theRCDclampedforwardconverter.2.Activeclamptechnology.3.LCDbuffernetworktechnology.4.resetwindingtechnology.Thisdesignisintroducedseveraldifferenttransformermagneticresettechnology,andpointsouttheirrespectiveadvantagesanddisadvantages.TheprincipleandparametersoftheRCDclampedforwardconverterwereanalyzedandcalculatedindetail.Themaincomponentsisdesigned,includingtheclampcapacitor,theground-clampresistance,transformerandoutputfilter,etc.Theclampnetworkcaneffectivelyreducetheswitchtubevoltagestress.Analysistheforwardconverterwithsmallsignalmodeling,anddeducestransferfunction.SG3525wasselectedtobuildthecontrolcircuit.Wheninputvoltagechangesfrom18vto36v,theconverterwereclosedloopcontrol,tomaketheoutputvoltagecanbestableinthe12v,tostabilizeoutputcurrentin5AFinally,throughthePSIMsoftwaretosimulattheforwardconverter.Theexperimentalresultshaveverifiedthevalidityofthetheoreticalanalysisandsuperiorityoftheconverter．KeywordsRCDtheforwardconverterSmallsignalmodeltransformerSG3525目錄摘要....................................................ⅠAbstract..................................................Ⅱ第1章緒論1.1課題背景.....................................................1開關電源的開展趨勢.........................................11.3開關電源電路拓撲的分類及其特點.........................31.4正激變換器的研究現狀......................................41.5正激變換器的磁復位方法...................................51.6小結...........................................................9第2章空間飛行器姿態表示和運動方程2.1RCD箝位正激變換器穩態分析...............................10RCD箝位正激變換器工作理............................102.1.2RCD箝位正激變換器電壓增益.........................132.1.3RCD箝位正激變換器電感電流連續的條件............142.RCD箝位正激變換器占空比確實定.....................142.2RCD箝位正激變換器變壓器..................................152.RCD箝位正激變換器變壓器磁復位條件...............162.2.2變壓器參數計算........................................162.3RCD箝位正激變換器的輸出濾波電路.......................202.4RCD箝位正激變換器二極管和開關管的選取...............212.5RCD箝位正激變換器箝位電路的計算.......................23.......................................................23第三章RCD箝位正激變換器閉環參數3.1RCD箝位正激變換器傳遞函數................................243.2RCD箝位正激變換器閉環校正.......................253.3控制電路SG3525..................................263.4光耦隔離器......................................303.515v輔助電源.....................................323.6本章小結........................................34第四章RCD箝位正激變換器仿真............................354.1變換器開環仿真..................................354.2變換器閉環仿真..................................374.3變換器閉環仿真..................................384.2本章小結........................................40結論....................................................41參考文獻................................................42致謝....................................................44附錄1...................................................45附錄2...................................................50附錄3...................................................53附錄4...................................................59附錄5...................................................67附錄6...................................................71第1章緒論1.1課題背景隨著科學技術的高速開展，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切。進入80年代，計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成電源換代。進入90年代，開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域。程控交換機、通訊、電力檢測設備電源和控制設備電源等都己廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速開展。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關器件開通和關斷的時間比率，維持輸出電壓穩定的一種電源。和傳統采用工頻變換技術的相控電源相比，開關電源在技術上是一次飛躍，它可以方便的得到不同的電壓等級，甩掉了笨重的工頻變壓器。由于采用高頻功率變換，顯著減小了電源裝置的體積和重量，并且使電性能得到進一步提高。因此，開關電源取代線性電源和相控電源是必然的開展趨勢。為滿足產品設計需要，用戶總是希望電源產品能夠體積更小、重量更輕、價格更廉價。模塊電源作為此種需求的解決方案，廣泛應用在各個領域。模塊電源主要分為DC-DC、AC-DC、DC-AC三種。其中DC-DC模塊占據了絕大局部的市場份額，AC—DC和DC-AC所占份額較少。DC-DC模塊電源從80年代末期出現已有十幾年歷史，市場和產品均趨成熟，應用廣闊。DC-DC模塊電源體積小，轉換效率高，適用于對電源體積、效率等要求都很高的場合。在其它領域如工業控制、電力系統、鐵路信號、移動通信基站等設備上也有所應用。1.2開關電源的開展趨勢近年來，隨著新的半導體器件，磁性材料，變換技術，控制理論以及軟件的不斷出現，開關電源得到了飛速的開展。在重量、體積、能耗等方面，開關電源與線性電源相比都有突出的優勢，已經在許多領域如郵電通訊、軍事裝備、交通設備、儀器設備、工業設備、家用設備中得到了廣泛應用，產生了非常可觀的經濟效益和社會效益。當前，電源正在向以下“四化”的方向開展：〔1〕高頻化理論分析和實踐經驗說明，電氣產品的體積和重量隨其供電頻率的平方根成反比地減小，所以當我們把頻率從工頻50赫茲提高到幾千幾兆赫茲的時候，用電設備的體積和重量都將大幅度地減小。同時，由于各種超大規模集成電路技術的開展，再加上電源設備的小型化，使得整機產品體積更小，使用更方便，生產本錢更低。〔2〕模塊化(集成化)早期的開關電源都是由開關器件、二極管、電容、電感等別離元件組成的。對于這種結構的電源，各種寄生電感、寄生電容以及電磁干擾對電源的輸出性能和工作可靠性等的影響很大。為了提高系統的可靠性，一些生產廠商陸續開發出了智能功率模塊和“用戶專用”功率模塊(ASPM)．智能功率模塊是將開關器件的驅動電路以及各種過壓、過流、過熱和欠壓保護電路都封裝在里面。這樣縮小了整機的體積，方便了整機的設計與造。ASPM是把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件間不再有傳統的引線連接，再經過嚴格的熱、電、機械方面的計，到達優化完善的境地。它類似于微處理器芯片。電源的集成化可以帶來諸多好處，譬如電源體積小型化、簡化了設計與制造、降低了生產本錢以及提高了電路的可靠性等等。因此，電源的集成化將是未來電源技術的重點開展方向。1997年前后美國政府、軍方及電力電子技術領域的一些著名學者共同提出了電力電子積(PowerElectronicBuildingBtock—PEBB)的概念，明確了集成化未來的開展方向，并將電力電子集成技術的研究推向高潮。我國的國家自然科學基金委員會也已經在2003年初批準了由浙江大學、西安交大等單位承當的“電力電子系統集成的理論與關鍵技術研究”重點工程，標志著我國電力電子集成技術研究的正式啟動。〔3〕數字化在傳統開關電源技術中，控制局部是按模擬信號來設計和工作的。隨著數字信號處理技術日臻完善和成熟，顯示出越來越多的優點：便于計算機處理和控制，防止模擬信號的傳遞畸變失真，減少雜散信號的干擾，抗干擾能力強，便于軟件調試和遙感、遙測，也便于自診斷、容錯等技術的應用。〔4〕綠色化許多開關電源設備會對電網產生以下污染：向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現缺角和畸變。所以必須對此加以治理。近年來各種有源濾波技術和功率因數校正技術的不斷開展，為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了根底。1.3.開關電源電路拓撲的分類及其特點開關電源主電路拓撲種類繁多，根據電路是否具備電能回饋能力、輸出端與輸入端是否電氣隔離及電路的結構形式三個原那么進行分類，如圖：圖1．1開關電源電路拓撲的分類各種不同的電路有各自不同的特點和應用場合。總的說來，非回饋型電路比回饋型電路結構簡單、本錢低，而絕大多數應用不需要開關電源具備回饋能力，因此非回饋型電路應用遠比回饋型電路廣泛。非隔離型電路比隔離型電路結構簡單、本錢低，但多數應用需要開關電源的輸出端與輸入端隔離，或需要多路相互隔離的輸出，所以隔離型電路的應用較廣泛。根據各種電路拓撲的特點以及實際使用經驗，一般來說，小功率電源(1～100w)宜采用電路簡單、本錢低的反激型電路；要求電源功率在lOOW以上且工作環境干擾很大、輸入電壓質量惡劣、輸出短路頻繁時，那么應采用正激型電路；對于功率大于500W，工作條件較好的電源，那么采用半橋型或全橋型電路較為合理；如果對本錢要求比擬嚴，可以采用半橋型電路；如果功率很大，那么應采用全橋型電路；推挽型電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場合。另外，在主電路中是否采用軟開關技術也是一個值得考慮的問題。事實上，在眾多的軟開關電路中，具有實際應用價值的并不多，目前較為成熟的是零電壓和零電流準諧振電路、移相全橋型零電壓開關PWM電路和零電壓、零電流轉換PWM控制電路等。現階段，在一些情況下采用硬開關電路仍然是合理的選擇，而對效率、體積和重量的要求非常高時，應根據實際情況，采用相應的軟開關電路。需要說明的是，以上所說的各種隔離型電路拓撲的特點、輸出功率和應用范圍等都不是絕對的。因為電源的拓撲不僅多樣，而且還有許多變種，例如正激型包括單管正激和雙管正激等。同是半橋有PWM、PFM等，而PFM又有多種工作模式，再如全橋有硬開關型、有串聯諧振串聯負載、有串聯諧振并聯負載、有移相、有不對稱PWM方式等等。所以具體選用哪種拓撲一定要考慮周全，包括可靠性、本錢、效率、平安、電磁兼容等多方面因素都要綜合考慮到，應深入分析待設計的電源的技術指標，要最適合電源參數的要求。正激型變換器由于具有電路結構簡單，本錢低，可靠性高，驅動電路簡單等特點，在中小功率場合得到了廣泛的應用；但由于其有變壓器單向勵磁，利用率低，開關管電壓應力高。并且正激變換器存在一個固有的缺陷，就是變壓器必須磁復位，否那么變壓器的磁通將不斷增加，最后導致磁芯飽和。磁復位的根本要求是變壓器原邊繞組在激磁和去磁過程中所加的電壓伏一秒面積相等，極性相反。近年來，關于正激變換器磁復位技術的研究很多，出現了多種磁復位方法，主要有復位繞組法、RCD箝位法、諧振復位法以及有源箝位法等等，。隨著各種軟開關技術在單管正激型變換器中的成功應用，解決了一般正激型變換器變壓器利用率低、高頻損耗大的缺點，使得正激型變換器的應用場合更加廣闊，尤其在需要低電壓大電流輸出的各種微處理器、IC芯片和數字信號處理器中，正激型變換器被認為是最適宜的拓撲之一，再加上同步整流技術，效率變得更高，可達95％以上，因而具有更強的競爭力。但是這些技術也存在著很多問題，比方RCD箝位技術效率低，諧振復位技術結構復雜，同步整流管的驅動困難，而有源箝位技術雖然能實現主開關管和輔助開關管的軟開關，但是在輕載時軟開關條件很容易喪失，而且整個電路的控制、驅動復雜，本錢顯著增加，等等。雙管正激型軟開關變換器技術也得到了迅速的開展。各種并串聯、串并聯、并并聯和三電平等軟開關雙管正激型變換器相繼出現，使得在中大功率應用場合，具有與移相全橋變換器相同的性能，而且可靠性比移相全橋更高。(1)復位繞組法圖1．2帶復位繞組的正激變換器它實際上是在Buck變換器中插入隔離變壓器而成，與反激變換器相比，正激變換器的變壓器增加了一個復位繞組N3，并在該復位繞組回路中增加了一個復位二極管D3，副邊增加了輸出濾波電感Lo和續流二極管D2。在工作原理上，正激變換器與反激變換器有著本質的區別，其變壓器不再起電感作用，而是一個完全意義上的變壓器，只起輸入輸出隔離和電壓變換的作用，只儲存變壓器激磁所需的少量能量。當開關管S開通時，變換器通過副邊整流二極管D1向負載提供能量，當s關斷時，變換器副邊由輸出濾波電感Lo的儲能通過續流二極管D2向負載提供能量，原邊通過復位繞組N3和復位二極管D3對變壓器磁芯進行磁復位，將變壓器激磁時儲存的能量回饋到變換器輸入端。圖1．2所示的方法是最早采用的復位方法。復位時，激磁電流流過復位繞組和復位二極管，將激磁電感中儲存的能量回饋到輸入電源端。采用這種方法時，開關的電壓應力為：Vs=(1+n1/n3)ViVs為開關電壓應力，Vi為輸入電壓，n1和n3分別為變壓器原邊繞組和復位繞組的匝數。在實際應用中為了降低開關管的電壓應力，提高變換器工作占空比，一般使復位繞組的匝數與原邊匝數相等，即n1=n3，這樣開關管的電壓應力為兩倍的輸入電壓。這種磁復位方法簡單，但是變壓器的結構和設計比擬復雜，本錢和體積增加，而且還有以下缺點：(1)開關管關斷時，變壓器漏感引起的關斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來抑制；(2)開關管承受的峰值電壓與輸入電壓成正比，當輸入電壓范圍較寬時，必須采用高耐壓開關管，而高耐壓開關管的導通電阻較大，從而導致較大的導通損耗。(2)有源箝位技術圖1.3兩種有源箝位正激變換器如圖1．3所示的是采用有源箝位技術的兩種不同連接方法的正激變換器，它們都能夠減小開關管的電流應力和通態損耗。有源箱位網絡由原邊筘位開關Sc(其上并聯有反并二極管Dc)和箝位電容Cc組成。它們的工作原理為：由于箝位電容Cc容量相對較大，因此相當于一個電壓源，當開關管開通時，變換器向負載提供能量，當開關管關斷后，首先由負載電流向開關管的結電容Cs充電，當開關管電壓到達輸入電壓時，變壓器原邊電壓過零，激磁電感與開關管結電容Cs諧振，當開關管電壓到達輸入電壓與箝位電容電壓之和時，筘位開關管的反并二極管Dc導通，箝位電容電壓作為負電壓加在變壓器原邊，變壓器激磁電感電流線性下降，變壓器復位，在反并二極管導通的時候，零電壓開通箝位開關，變壓器可以在箝位電容電壓作用下反向激磁。變換器箝位電容電壓和開關管電壓分別如式(1-1)和(1-2)所示：有源箝位的正激變換器的優點為：(1)變壓器雙向對稱磁化，磁芯工作在一、三象限，利用率高；(2)變壓器的磁化能量和漏感能量可重復利用，提高了電路的工作效率；(3)工作占空比可以大于0．5；(4)開關管電壓應力低，而且開關管電壓根本與輸入電壓無關；(5)可以實現ZVS-PWM工作方式，使工作效率得到進一步提高。其主要缺乏是電路增加了有源開關器件，因此電路和控制復雜，本錢增加，另外開關管的開通為容性開通，存在開通損耗。(3)諧振復位技術采用諧振復位技術的正激變換器一般需要變頻控制，開關紋波和諧波隨著工作頻率的變化而變化，變壓器及濾波元件設計困難，而且需要復雜的輔助諧振電路。為此，一些學者提出了可以在固定頻率模式工作的諧振正激變換器。例如，ZVT—PWM正激變換器，如圖1．4所示：該變換器在原邊增加了由諧振開關Sc及其反并二極管Dc、諧振電感Lc和諧振電容Cc組成的諧振網絡它的工作原理為：在主開關管開通之前先開通諧振開關，通過諧振將主開關結電容上的電荷抽光，在主開關管反并二極管導通之后開通主開關就能夠實現零電壓開通。圖1．4ZVT—PWM正激變換器ZVT-PWM正激變換器的優點為：(1)主開關管是零電壓開關的；(2)主開關管的結電容可以使變壓器反向激磁，但是幅度很小；(3)激磁能量和漏感儲能均回饋到電源端；(4)無需另加磁復位電路。它的缺點為：(1)主開關管電壓應力高，如果輸入電壓范圍為35V～75V，電壓應力將接近200V；(