DC开关电源.Stamped
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应用与测试低压电器(2007№17)通用低压电器篇孟 赟(1983—),女,硕士研究生,研究方向为DC /DC 电源及太阳能光伏发电系统。
利用推挽正激技术设计DC /DC 开关电源孟 赟1, 王 凯2, 潘俊民1(1.上海交通大学电气工程系,上海 200240;2.华北电网有限公司,北京 100053)摘 要:利用推挽正激变换技术设计了DC /DC 开关电源。
提出了基于推挽正激变换技术的电源电路拓扑和结构,阐述了该开关电源的工作及控制原理,并利用PSpice 软件对该电路拓扑进行了仿真。
实验结果表明,该开关电源输出稳定、波形理想。
关键词:推挽正激;高频链;开关电源中图分类号:T M 46 文献标识码:B 文章编号:100125531(2007)1720057204A DC /DC Switch i ng Power Supp ly Ba sed on Push 2Pu llFor wa r d C onver si on Techn i queM EN G Y un 1, WANG Ka i 2, PAN J unm in1(1.Depart m ent of E lectrica l Engineering,Shanghai Jiaot ong Unive rsity,Shanghai 200240,China;2.North of China Electric Power Grid Co .,L td .,B eijing 100053,China ) Abstra c t:A DC /DC s witching powe r su pply was designed by using pus h 2pull for ward conve rsi on technique .The t opol og y and struc ture of s witching po wer s upp ly ba s ed on push 2p ull for wa rd conversi on t echnique wa s pre sen 2ted .The ope rati on and contr ol princ i p l e of the s wit ching po wer supp l y was ex pounded,and the circuit topol ogywas si m ul a ted by PSp ice s oft w a re .The ex peri ment re s ult sh ows t hat the s witching po wer s upply ’s out put is st able w ith idea l wave .Key word s:pu s h 2pu ll forwa r d;h igh fr equency li nk (HFL );s w itch i n g power s upply王 凯(6—),男,工程师,硕士,从事继电保护工作。
潘俊民(—),男,教授,博士生导师,研究方向为电力传动及自动化、智能控制系统。
0 引 言开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。
由于开关电源内部调整管工作在高频开关状态时,其等效电阻很小,当流过大的电流时,消耗在调整管上的能量很小,故电源效率可达70%～90%,比普通的线性稳压电源提高了近1倍。
同时,利用了高频链技术的开关电源体积小、重量轻、可靠性高,该技术是实现高功率密度、高变换效率、优良综合性能DC /DC 变换的合理方案。
图1为带高频变压器的DC /DC 变换的结构框图。
目前,有变压器隔离的DC /DC 变换技术在传图1 DC /DC 变换器结构框图统的拓扑结构中较为常用的是推挽变换器和正激变换器[6](见图2)。
传统正激变换器和推挽变换器两种电路拓扑各有各自的优缺点,但都具有一定的局限性:单端正激变换器为了防止变压器磁芯饱和,存在去磁复位的问题,故对占空比有一定的限制条件;推挽变换器功率开关管承受的电压应力高,只适用于低输入电压的场合,而且开关管关断时漏感能量—5—19719477低压电器(2007№17)通用低压电器篇应用与测试(a)推挽变换器拓扑(b)正激变换器拓扑图2 传统DC/DC变换器拓扑结构在开关管上引起高的电压尖峰,给主功率变压器的绕制提出了很高的要求,同时变压器的偏磁问题给器件的一致性和驱动电路脉冲宽度的一致性提出了较高的要求[6]。
若将两种电路有机地结合在一起,同时保留两种电路的优点、克服它们的缺点的话,所得到的电路将是非常理想的。
通过一个无损元件———电容将推挽变换器和正激变换器结合在一起的电路即推挽正激变换器。
1 推挽正激变换器主电路图3为推挽正激变换器的电路拓扑结构。
图中,关键的部分是变压器T和电容C。
变压器的原边绕组Lp1和Lp2的匝数是相等的,变压器的副边接入了全桥整流电路。
该电路与推挽电路的不同之处就在于两个开关器件S1和S2中间接入了图3 推挽正激变换器电路结构一个无损元件———箝位电容C,另外两端接在直流电源的正负极上。
正是因为C的存在,使得整个电路工作原理和效果完全不同于推挽电路,从而克服了推挽变换器和正激变换器的缺点[6]。
在电路稳态的时候,不论是S1或S2哪一个导通,C都是跟变压器原边的一个绕组并联的[6],所以,C上的电压总是上负下正,且约等于输入直流电源的电压U in。
而U in、U c、U d s1和U d s2构成一个回路,由基尔霍夫电压定律可知:Uin+Uc=Ud s1+Uds2=2Uin式中,Uds1和Ud s2分别为S1或S2漏源极压降。
因为开关管漏源极压降U ds1,2≥0(等于零的情况出现在漏源极承受电压为反偏,此时反向并联的二极管导通,漏源极电压被箝位在0),故开关管在工作过程中所承受的最大的电压应力是2Uin,因此,加入C可消除开关管的电压过冲现象。
同时,由于C的端电压具有浮动特性,如果选择合适的箝位电容值,即能保证变压器磁通在同一周期的两个半周期中有相等的伏秒数和磁芯的双向对称磁化,使激磁电流和磁通在周期结束时回到起始点,无直流偏磁的现象。
所以,推挽正激变换器的主要改进在于C,它的引入抑制了开关管的电压尖峰,同时也抑制了推挽变换器固有的直流偏磁现象。
推挽正激变换器保持了推挽电路和正激电路的优点,克服了两者的缺点,具有:①抑制变压器的磁芯偏磁;②变压器磁芯双向磁化;③抑制开关管的关断电压尖峰等优点,在低压大电流的应用场合中获得了较高的效率,成为该场合较有优势的电路拓扑形式[6]。
2 工作及控制原理该电路的原边2个开关管采用高频固定占空比工作,即S1和S2交替导通,并且它们导通交替时有很小的死区延时,避免电源被直通。
经过高频变压器的升压或降压,再通过副边的整流桥就形成直流电压输出。
由于整个电路只有2个开关管,且以固定占空比交替导通,这就使得电路的控制电路十分简单。
3 系统仿真试验仿真原理图中的各个元件参数的设置如下—85—:应用与测试低压电器(2007№17)通用低压电器篇开关管使用PS p ice元件库中提供的开关管模型,它由1个功率场效应管和1个反向二极管并联组成。
输入直流电压Uin =48V;输出直流电压Uo ut=15V;推挽正激箝位电容C=40μF;副边电容Cf= 1000μF;开关频率f=20kHz。
系统接电阻性负载时,利用PS p ice记录下输出电压波形如图4所示。
系统接电感性负载输出波形如图5所示。
图4 带电阻性负载时输出电压波形图5 带电感性负载时输出电压波形4 实验结果设定电路输入电压为48V,输出为15V。
图6为主电路正常工作时利用示波器记录的控制电路输出的驱动信号波形。
图中,示波器通道2所示为主电路下面开关管的驱动波形,示波器通道4所示为主电路上面开关管的驱动波形。
图6 控制电路输出的驱动波形 在主电路正常工作的情况下,用示波器记录开关管栅源极电压U g s和漏源极电压U d s,如图7所示。
通道2是Ugs,通道4是Ud s。
图7 主电路正常工作时U gs和U ds的波形 可以看出,Ugs呈现高电平,即开关管导通时,Uds近似为零,即开关管在导通时压降很小;Ugs呈现低电平,即开关管关断时,U d s为2倍的电源电压,这是由电路拓扑决定的,说明电路工作是正常的。
利用示波器记录原边的箝位电容电压波形图如图8所示。
原边箝位电容电压始终保持与电源电压相等。
电路正常工作时,输出电压的波形图如图9所示。
由图可见,输出电压约为15V,电压十分平稳,毛刺很小,波形很理想,证明逆变器开关电源的实验是成功的。
图8 原边箝位电容电压波形图9 输出电压波形5 结 语本文在研究推挽正激变换器的基础上,对推挽正激变换器的主电路拓扑进行了仿真,并进一—5—9低压电器(2007№17)通用低压电器篇应用与测试步设计制作了样机,测定了实际工作中电路的各点电压值,证实了推挽正激变换技术可以得到非常可靠的稳定直流电压输出。
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