具有中间变换环节的DC-DC变换器设计与仿真课程设计任务书

武汉理工大学《电力电子装置和系统》课程设计说明书

具有中间变换环节DC-DC变换器设计与仿真

1 设计任务及要求

1.1 设计任务

设计出一种半桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将400V高压直流输入变为稳定5V的直流输出，保证了系统的供电性能，并利用Matlab软件的simlink工具对所设计的电路进行仿真。

1.2 设计要求

所设计的电路能将400V高压直流输入变为稳定5V的直流输出，并且电路要具有中间变换环节，即要采用PWM控制，通过桥式电路逆变，然后经过变压器整流输出，得到理想的输出电压。同时，电路还应保证输出电压在扰动干扰下波动小并回到设定值，输出电压的稳态误差在1％以内，且输出响应快速性较好。

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2 主电路工作原理

2.1 主电路基本结构图

系统框图如图1所示，主电路由输入滤波电路、桥式高频逆变电路、高频降压变压器、输出整流及输出滤波电路组成。控制电路包括辅助电源、驱动电路、PWM控制电路、反馈电路、启动及保护电路和故障显示报警电路6部分。

启动及保护电路故障显示报警电路PWM控制驱动直通保护直流电压输入400V输入滤波20khz高频逆变降压变压器整流输出滤波反馈电路直流输出5V

辅助电源启动，停机信号

图1 主电路系统框图

主电路基本结构图如图2所示，高频开关器件T由一对相位互差180°的脉冲控制，交替的通断，产生的方波电压经高频降压变压器及副边二极管整流，滤波后得到所需的直流电压。开关器件采用IGBT，高频降压变压器的铁心采用非晶态合金材料，其高频高导磁性、低损耗性及低激磁功率特性远优于铁氧体铁芯。

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图2 主电路基本结构图

2.2 主电路原理说明

半桥式DC-DC变换器是由Buck基本变换器串入半桥式变压隔离器派生而来的。因为减小了原边开关管的电压应力，且电路结构简单，在中小功率上得到广泛应用，所以半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。下边就对半桥DC-DC变换器的工作原理进行分析。

电容器C1、C2与开关晶体管Tr1、Tr2组成桥,桥的对角线接变压器T原边绕组,故称半桥式变换器。 如果C1?C2,某一开关晶体管导通时,绕组上电压只有电源电压的一半。稳态条件下, C1=C2,当Tr1导通时,C1上的1/3Vs加在原边线圈上,Tr1流过负载电流Ip。电路通过开关管Tr1、原边绕组、电容C2形成回路，此时原边绕组上下两端极性为上正下负，经过占空比所定的时间后,Tr1关断。由于原边绕组存在，Ip方向不变，值逐渐变小，此时B点为负电位，D4导通，反激能量再生，对C2充电。B点连接点的电压在阻尼电阻的作用下以振荡形式最后恢复到原来的中心值。Tr1关闭一段时间后，给Tr2一个触发脉冲，Tr2导通，原边绕组黑点端变负。电路通过电容C1、原边绕组、开关管Tr2形成回路，重复以前过程。不同的是，Ip方向变反，Tr2关断时接点B摆动到正，D3导通，反激能量

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对C1充电。

副边电路的工作如下:当Tr1导通时,副边绕组电压使D1导通,电流通过二极管

D1、电感L、负载R构成回路，当Tr1关断,两个绕组电压变为零。Tr2导通时，D2导通，负载上的电流与电压方向没有发生改变，由此形成的方波电压，经过L和

C3构成的滤波环节产生稳定的输出电压Vo。

当所选的C能达到所需的输出滤波要求时，L可以选的足够大，以便使开关变换器保持在连续的工作状态，但电容器本身没有完美的电气性能，所以其内部的等效串联电阻将消耗一些功率。另外等效串联电阻上的压降会产生输出纹波电压，欲要减小这些纹波电压，只能靠减小等效串联电阻的值和动态电流的值。选择电容的类型，经常有纹波电流的大小决定。截止频率fc的高低，LC的大小，都将影响输出纹波电压。在实际设计过程中，选择电感和电容时，要综合考虑其重量、尺寸及成本等因素。从改善动态特性看，可考虑选择小电感，大电容值。

2.3 电路各元件参数计算

在这个小功率变换器中，为了有利于控制性能，而又不引起太多损耗，在原边回路中串联一个电阻，并分别并联上一个电容，选取器参数：

R1?1?10?5?

C1?C2?470?F

系统误差要求1%，纹波电压?Vo?5?1%?2?0.1V，则电容C3的值为：

C?VoD225?0.2Ts??10?8?208?F ?58L?Vo8?6?10?0.1L定义为临界电感，可表示为：

VoVoVo2D2RLc?Ts?D2Ts?toff?(1?D1)

22Io2Io2Pofs式中

1toff－开关管Tr关断时间（s）；fs－开关工作频率（Hz），fs?Lc?D2R0.2?5Ts??0.00005H?50?H 22?1?104Ts；

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取L?1.2Lc，得：

L?1.2Lc?60?H

变压器设计

1Vs?2DV?t2Vo??sonNsnNpTs

式中

Vs--原边绕组电压(V)，Np--原边绕组匝数(匝)； Ns--副边绕组匝数(匝)，D--其中一管导通的占空比?

Ts--工作周期(s)

tonton? Tston?toff1Vs?2DV?tD1?D2?0.8,由Vo?2?sonNs，电路的输入电压VS?400V，输 nNpTs出电压VO?5V，得到：

NpNs?32 1故取原边线圈匝数3200匝 副边两个绕组各取100匝。

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