电力电子技术课程设计报告-单端反激式开关电源的设计大学论文

《电力电子技术》

课程设计报告

题目：单端反激式开关电源的设计

学院：信息与控制工程学院

一、课程设计目的

（1）熟悉Power MosFET的使用；

（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在电力电子电路中的使用；

（3）增强设计、制作和调试电力电子电路的能力；

二、课程设计的要求与内容

本课程设计要求根据所提供的元器件设计并制作一个小功率的反激式开关电源。设计要求205V输入12V/1A，6V/0.5A输出的反激式开关电源，要求进行必要的电路参数计算,完成电路的焊接调试。亦可以画PCB板。

三、设计原理

1、引言

电力电子技术有三大应用领域：电力传动、电力系统和电源。在各种

用电设备中，电源是核心部件之一，其性能影响着整台设备的性能。

电源可以分为线性电源和开关电源两大类。

线性电源是把直流电压变换为低于输入的直流电压，其工作原理是在

输入与输出之间串联一个可变电阻（功率晶体管），让功率晶体管工作

在线性模式，用线性器件控制其阻值的大小，实现稳压的输出，电路

简单，但效率低。通常用于低于10W的电路中。通常使用的7805，7815

等就属于线性电源。

开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，

加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；

关断时，电压高，电流小），所以开关电源具有能耗小，效率高，稳压

范围大宽，体积小、重量轻等突出优点，在通讯设备、仪器仪表、数

码影音、家用电器等电子产品中得到了广泛的应用。

反激式功率变换器是功率电源中的一种，是一种应用非常广泛的开关

电源，本课程设计就是设计一个反激变换器。

1、开关型稳压电源的电路结构

（1）按驱动方式分，有自激式和他激式。

（2）按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。

（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。

（4）按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；

③PWM与PFM混合式。

DC/DC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。

DC/DC变换器有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图1所示。

图1 电路结构图

电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I 流过。M1导通与截止的等效拓扑如图2所示。

图2 M1导通与截止的等效拓扑

2、反激变换器工作原理

基本反激变换器如图3所示。假设变压器和其他元器件均为理想元器件，稳态工作如下：

（1）当有源开关Q导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势，从而在副边产生下正上负的感应电动势，如图

3（a）所示，无源开关VD1因反偏而截止，输出由电容C向负

载提供能量，而原边则从电源吸收能量，储存于磁路中。

（2）当有源开关Q截止时，由于变压器磁路中的磁通不能突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，故VD1正偏而导通，

如图3（b）所示，此时磁路中存储的能量转到副边，并经二极

管VD1向负载供电，同时补充滤波电容C在前一阶段所损失的

能量。输出滤波电容除了在开关Q导通时给负载提供能量外，

还用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态

的直流输出电压。

（a）

（b）

图3 反激变换器工作状态

反激变换器的工作过程大致可以看做是原边储能和副边放电两个阶段。原边电流和副边电流在这两个阶段中分别起到励磁电流的作用。如果在下一次Q 导通之前，副边已将磁路的储能放光，即副边电流变为零，则称变换器运行于断续电流模式（DCM ），反之，则在副边还没有将磁路的储能放光，即在副边电流没有变为零之前，Q 又导通，则称变换器运行于连续电流模式（CCM ）。通常反激变换器多设计为断续电流模式（DCM ）下。

当变换器工作于CCM 下时，输出与输入电压、电流之间的关系如下： g MU U =0，0MI I g =，其中)1(D N D M -=，S

P N N N =。 当变换器工作于DCM 下时，上述关系式仍然成立，只不过此时的增益M 变为： K

D U U M ==g 0，22)1(2D N R f L K s m -<= 可以看出，改变开关器件Q 的占空比和变压器的匝数比就可以改变输出电压。

3、反激变换器的吸收电路

由于在实际中反激变换器存在各种寄生参数，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。所以基本反激变换器在实际应用中是不能可靠工作的，其原因是变压器漏感在开关Q 截止时，没有满意的去磁回路。为了让反激变换器的工作变得可靠，就得外加一个漏感的去磁回路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁回路称为吸收电路，目的是将开关Q 的电压钳位到合理的数值。在220VAC 输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路主要有RCD 吸收电路。其结构如图4所示。

图4吸收电路

4、反激式变换器变压器的设计

在本次实习中提供的变压器的铁芯是EE28铁氧体铁芯，其在25摄氏度的磁导率为T B 5.025max_=，铁芯的初始磁导率为02300u 。

变压器选择的相关参数包括：原副边匝数比、原边匝数、副边匝数和气隙，本次试验中用到的变压器的绕组的漆包线已经给定，无需选择。

（1）原副边匝数比及其匝数的确定：

根据实习任务的要求;需要的直流输出电压为7V ，由器件本身的参数可以知道其耐压。)1(0++=+=U N N U e U U s p

g p g Q ，如果考虑到漏感引起的g U 3.0的电压

尖峰，开关管两端承受的关断电压为：