1、南京理工大學(xué)現(xiàn)代開(kāi)關(guān)器件結(jié)課論文 推挽式開(kāi)關(guān)電源分析 姓 名： 閆耀程 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 呂廣強(qiáng) 2011.11 目錄作業(yè)要求2電路原理圖2電路原理分析3控制方法分析4基本電路的仿真4多路直流輸出電路仿真7工頻輸入直流輸出實(shí)現(xiàn)11總結(jié)與體會(huì)14參考文獻(xiàn)15作業(yè)要求：1） 畫(huà)出電路圖，分析原理和控制方法2） 工頻220V電源輸入，能夠輸出3路直流電源（24V30W，12V20W，5V5W），考慮交流側(cè)諧波和直流側(cè)文波電路基本原理圖：推挽電路的理想化波形推挽電路的工作原理：整流輸出推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源，由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源同時(shí)輸出功率，其輸出功率約等于單一開(kāi)關(guān)電源輸出

2、功率的兩倍。因此，推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流后，僅需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波就可以達(dá)到非常小。推挽電路中兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，電感L的電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2倍Ui。S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。每個(gè)開(kāi)關(guān)的占空比不能超過(guò)50%，還要

3、留有死區(qū)。輸出電壓：濾波電感L電流連續(xù)時(shí)：輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，.由于推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1和K2輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對(duì)稱，并且開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性很好。推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源是所有開(kāi)關(guān)電源中電壓利用率最高的開(kāi)關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于低輸入電壓的DC/AC逆變器，或DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中。 推挽式開(kāi)關(guān)電源經(jīng)橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動(dòng)系

4、數(shù)Sv和電流脈動(dòng)系數(shù)Si都很小，因此只需要一個(gè)很小值的儲(chǔ)能濾波電容或儲(chǔ)能濾波電感，就可以得到一個(gè)電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。因此，推挽式開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)輸出電壓特性非常好的開(kāi)關(guān)電源。另外，推挽式開(kāi)關(guān)電源的變壓器屬于雙極性磁極化，磁感應(yīng)變化范圍是單極性磁極化的兩倍多，并且變壓器鐵心不需要留氣隙，因此，推挽式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵心的導(dǎo)磁率比單極性磁極化的正激或反式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵心的導(dǎo)磁率高很多倍；這樣，推挽式開(kāi)關(guān)電源變壓器初、次級(jí)的線圈匝數(shù)可比單極性磁極化變壓器初、次級(jí)的線圈匝數(shù)少一倍以上。所以，推挽式開(kāi)關(guān)電源變壓器的漏感以及銅阻損耗都比單極性磁極化變壓器小很多，開(kāi)關(guān)電源的工作效率很高。推挽式

5、開(kāi)關(guān)電源的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件有一個(gè)公共接地端，相對(duì)于半橋式或全橋式開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單很多，這也是推挽式開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。半橋式以及全橋式開(kāi)關(guān)電源都有一個(gè)共同缺點(diǎn)，就是當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1和K2處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時(shí)候，兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)半導(dǎo)通區(qū)，即兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)同時(shí)處于接通狀態(tài)；這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件在開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容充電，它從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程；而開(kāi)關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容放電，它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止?fàn)顟B(tài)也需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程；當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止的過(guò)渡期間，就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)半導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)同時(shí)接通，會(huì)對(duì)

6、電源電壓產(chǎn)生短路，在兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個(gè)電流并沒(méi)有通過(guò)變壓器負(fù)載。因此，在兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1和K2分別處于導(dǎo)通和截止的過(guò)渡期間，兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。而推挽式開(kāi)關(guān)電源不會(huì)存在這種損耗。因?yàn)?，?dāng)控制開(kāi)關(guān)K1將要關(guān)斷的時(shí)候，開(kāi)關(guān)變壓器的兩個(gè)初級(jí)線圈N1繞組和N2繞組都會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，而N2繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)正好與輸入電流的方向相反；此時(shí)，即使是K2開(kāi)關(guān)器件處于半導(dǎo)通或全導(dǎo)通狀態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)，在K2組成的電路中都不會(huì)出現(xiàn)很大的工作電流，并且在電路中，兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)也不存在直接串通的回路；因此，推挽式開(kāi)關(guān)電源不會(huì)像半橋式，以及全橋式開(kāi)關(guān)電源那樣出現(xiàn)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)同時(shí)

7、串通的可能性，這也是推挽式開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。推挽式開(kāi)關(guān)電源的主要缺點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件需要很高的耐壓，其耐壓必須大于工作電壓的兩倍，因此，推挽式開(kāi)關(guān)電源在220V交流供電設(shè)備中很少使用。另外，直流輸出電壓可調(diào)整式推挽開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的調(diào)整范圍比反激式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的調(diào)整范圍小很多，并且需要一個(gè)儲(chǔ)能濾波電感；因此，推挽式開(kāi)關(guān)電源不宜用于要求負(fù)載電壓變化范圍太大的場(chǎng)合，特別是負(fù)載很輕或經(jīng)常開(kāi)路的場(chǎng)合。推挽式開(kāi)關(guān)電源的變壓器有兩組初級(jí)線圈，對(duì)于小功率輸出的推挽式開(kāi)關(guān)電源是個(gè)缺點(diǎn)，對(duì)于大功率輸出的推挽式開(kāi)關(guān)電源是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榇蠊β首儔浩鞯木€圈繞組一般都用多股線來(lái)繞制，因此，推挽式開(kāi)關(guān)電源的變壓器的兩組

8、初級(jí)線圈與用雙股線繞制沒(méi)有根本區(qū)別，并且兩個(gè)線圈與單個(gè)線圈相比可以降低一半電流密度。電路的控制原理： 由于電路的要求主要控制器件以MOSFET或IGBT為主，本次仿真采用的是IGBT，大多數(shù)IGBT的控制方法是以多個(gè)支路輸出電壓的加權(quán)和作為反饋?zhàn)兞空{(diào)節(jié)原邊開(kāi)關(guān)管的占空比，從而實(shí)現(xiàn)各支路的穩(wěn)壓輸出，或直接采用矩形波脈沖發(fā)生器來(lái)控制，由于本次的仿真重點(diǎn)不在于反饋控制，所以主要是用矩形波脈沖發(fā)生來(lái)控制IGBT，這里不多做解釋，在下面的仿真電路中會(huì)有解釋。推挽電路仿真及解析：電路中的負(fù)載部分加了一個(gè)1歐的電阻，輸入端為直流100V直流電源，輸出的電壓的值為0.0782V，電流的值為0.07819A，仿

9、真出的波形：IGBT1的觸發(fā)電壓與電壓電流波形：IGBT2的觸發(fā)電壓與電壓電流波形：可以看出本次仿真的占空比設(shè)為45%，小于所規(guī)定的50%，可以保證輸出電流的連續(xù)，并且留有死區(qū)時(shí)間，所以可以看出波形還是符合理論波形。變壓器的參數(shù)設(shè)置如下圖：IGBT1的脈沖波發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置如下：IGBT1的脈沖波發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置如下：流過(guò)變壓器二次側(cè)的電流及輸出電壓和電流的波形如下：工頻輸入整流，多路直流電源輸出根據(jù)要求工頻220V的交流電源輸入，而推挽式電路的輸出要求的輸入為直流電源，所以對(duì)于220V的工頻電源，先進(jìn)行交流變直流的整流的輸出，設(shè)計(jì)電路如下：對(duì)于整流電路的各個(gè)元件的詳細(xì)參數(shù)不具體寫(xiě)出，整流輸出

10、的波形如下：圖中的第四行為輸出電流波形，最后一行為輸出電壓波形。輸出的近似直流電流為：200A，輸出電壓近似值為200V三路直流電源輸出1，24V30W的直流電源輸出 由公式，計(jì)算可以得出，輸入為200V，輸出為24V時(shí)，可以得出變壓器的變比為15:2，由此可以得出輸出電壓，再通過(guò)調(diào)試負(fù)載，電感，的值，可以得出電流的值為1.25A，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)30W的輸出： 仿真電路如下：此時(shí)變壓器的的參數(shù)設(shè)置為：輸出端的電容值為0.0008F，電感值為0.01H輸出端的波形，變壓器二次側(cè)的二極管的波形通過(guò)積分電路求得，輸出端電壓平均值為24.21V，電流平均值為1.281A，可以求得功率為30.9W，基本符合

11、要求，此時(shí)負(fù)載電阻為19.2歐，可以測(cè)得當(dāng)負(fù)載為300歐時(shí)，電壓值在27.7V，負(fù)載為0.1歐時(shí)，電壓值為19.44V，所以當(dāng)負(fù)載在0.1300歐時(shí)，輸出電壓的值能穩(wěn)定在24V左右，正負(fù)偏差不超過(guò)4V。2，12V20W直流電壓輸出 由公式，計(jì)算可以得出，輸入為200V，輸出為12V時(shí)，可以得出變壓器的變比為15:1，由此可以得出輸出電壓，再通過(guò)調(diào)試負(fù)載，電感，的值，可以得出電流的值為1.67A，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)20W的輸出：仿真電路圖如下：此時(shí)變壓器的參數(shù)： 輸出端的電容值為0.0008F，電感值為0.01H輸出端的波形，變壓器二次側(cè)的二極管的波形：通過(guò)積分電路求得，輸出端電壓平均值為12.01V，

12、電流平均值為1.678A，可以求得功率為20.1W，基本符合要求，此時(shí)負(fù)載電阻為7.2歐，可以測(cè)得當(dāng)負(fù)載為500歐時(shí)，電壓值在14.2V，負(fù)載為0.07歐時(shí)，電壓值為9.35V，所以當(dāng)負(fù)載在0.07500歐時(shí)，輸出電壓的值能穩(wěn)定在12V左右，正負(fù)偏差不超過(guò)2V。3,5V5W直流電源的輸出 由公式，計(jì)算可以得出，輸入為200V，輸出為5V時(shí)，可以得出變壓器的變比為36:1，由此可以得出輸出電壓，再通過(guò)調(diào)試負(fù)載，電感，的值，可以得出電流的值為1A，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)5W的輸出： 仿真電路如下： 此時(shí)變壓器的的參數(shù)設(shè)置為：輸出端的電容值為0.02F，電感值為0.01H輸出端的波形，變壓器二次側(cè)的二極管的波形

13、：通過(guò)積分電路求得，輸出端電壓平均值為4.8V，電流平均值為1.05A，可以求得功率為5.0W，基本符合要求，此時(shí)負(fù)載電阻為5歐，可以測(cè)得當(dāng)負(fù)載為50歐時(shí)，電壓值在5.9V，負(fù)載為0.5歐時(shí)，電壓值為3.9V，所以當(dāng)負(fù)載在0.550歐時(shí)，輸出電壓的值能穩(wěn)定在5V左右，正負(fù)偏差不超過(guò)1V。工頻220V輸入以上三路直流電源的輸入端為200V的直流電壓源，并不是前面提到的由工頻220V交流源整流得到的直流輸入，所以下面為加上整流電路所得到的輸出：輸出為24V，12V，5V時(shí)： 電路圖一致，如下：24V時(shí)，輸出的波形為：12V時(shí)，輸出的波形為：5V時(shí)，輸出的波形為：對(duì)于結(jié)果的分析： 經(jīng)過(guò)加上整流電路的

14、輸入，可以看出，輸出的電壓平均值，和通過(guò)輸出電流計(jì)算出的功率略小于200V直流電壓源為輸入時(shí)的輸出電壓值，分析的可能是1，實(shí)際的工頻220V整流輸出的值為193V左右，與200V有誤差，這個(gè)誤差也會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的降低。2，整流輸出的電壓并不是恒定的直流，在之前有一個(gè)上升的過(guò)程，這期間輸出的電壓值也不大，所以會(huì)使輸出的電壓平均值減小，3，整流輸出的電壓，電流只是近似直流，在一定的小泛圍內(nèi)還有波動(dòng)，所以這中間會(huì)引起變壓器的變化，也會(huì)影響輸出?？偨Y(jié)與體會(huì) 經(jīng)過(guò)這次對(duì)與推挽式開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)仿真過(guò)程，我感覺(jué)自己學(xué)到了好多，剛開(kāi)始做的時(shí)候，拿到題目就有點(diǎn)一頭霧水，推挽電路實(shí)現(xiàn)的不是DCDC，或

15、者DCAC的轉(zhuǎn)變嗎，這個(gè)題目怎么會(huì)實(shí)現(xiàn)工頻220V輸入到多路直流電源的輸出呢，然后我就開(kāi)始翻看以前學(xué)過(guò)的電力電子技術(shù)的課本，里面有一點(diǎn)有關(guān)于推挽電路的工作原理的介紹，但是還是沒(méi)有解決我的疑問(wèn)，接著就去圖書(shū)館借了一體有關(guān)于開(kāi)關(guān)電源與原理設(shè)計(jì)的書(shū)，里面倒是有這些設(shè)計(jì)的一些技巧，但是看起來(lái)很吃力，并不能完全看懂，我又上網(wǎng)找一些資料，但是網(wǎng)上的做法一般就是一些逆變的做法，并沒(méi)有提及到整流，后來(lái)我又翻看圖書(shū)館借到的書(shū)，發(fā)現(xiàn)了組合整流這個(gè)概念，只有在前面加上一個(gè)整流電路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，瞬間我就明白了。接下來(lái)遇到的難題還有在選擇器件方面遇到的，不是很清楚IGBT與MOSFET選擇哪個(gè)，后來(lái)查閱資料得到兩

16、個(gè)器件的工作頻率有很大的差別，在對(duì)于本題50HZ的工作頻率下，選擇IGBT更為恰當(dāng)，在后來(lái)變壓器的地方是我在仿真學(xué)習(xí)過(guò)程中停滯時(shí)間最長(zhǎng)的，因?yàn)橄仁窃谝郧皩W(xué)習(xí)matlab中并未用到過(guò)變壓器這個(gè)原件，所以對(duì)于參數(shù)的調(diào)整，都是很迷茫，后來(lái)通過(guò)在網(wǎng)上看教程，才了解到這中間的一些具體意義，真正用軟件搭好線路后，變壓器的難題又來(lái)了，不要求輸出電壓還好，如果要求輸出電壓與電流的值，輸本沒(méi)有辦法調(diào)，網(wǎng)上也沒(méi)有解決辦法，書(shū)上也沒(méi)有，只能自己一個(gè)一個(gè)參數(shù)調(diào)，看看哪個(gè)對(duì)于結(jié)果的影響大，后來(lái)終于讓我給發(fā)現(xiàn)了，原來(lái)是變壓器的變比固定后，匝數(shù)也會(huì)對(duì)輸出結(jié)果的值有影響，例如，變比為2：1，同樣是2：1，20：10的變比就會(huì)讓結(jié)果發(fā)生很大的變化，知道了這點(diǎn)，接下來(lái)的仿真就直接順風(fēng)順?biāo)?，根?jù)老師給出的要求輸出電壓，功率，確定一下負(fù)載，再