实验49-DC-DC 单端正激式变换电路设计实验

实验四十九 DC/DC 单端正激式变换电路设计实验（信号与系统—电力电子学—检测技术综合实验）一、 实验原理1. 单端正激变换器单端正激变换电路是隔离式DC/DC 变换电路中的一种，采用一个单管实现DC/DC 变换，例如图49-1所示的电路。

它在开关管Q 导通时电源的能量经隔离变压器T 、整流二极管和滤波电感直接送至负载，故称为正激；由于其变压器磁通只在单方向上变化而被称为单端。

这样的电路被称为单端正激式变换电路。

V O图49-1采用辅助绕组复位的单管正激变换器正激变换器由于具有电路结构简单、成本较低、输出电流大、工作可靠性高等优点而广泛应用于中小功率变换场合，更成为低压大电流功率变换器的首选拓扑结构。

正激变换器中，由于变压器的磁芯是单方向磁化的，每个周期都需要采用相应的措施，使磁芯回到磁化曲线的起点，否则磁芯磁会很快饱和而导致开关器件损坏，因此需要采用专门的复位电路，使变压器的磁芯磁复位。

当输入电压及占空比固定的时候，输出电压与负载电流无关。

因此DC/DC 单端正激变换电路具有低输出阻抗的特点。

在同等功率条件下，单端正激变换电路的集电极峰值电流很小，所以该变换器适合应用在低压，大电流，功率较大的场合。

2. 不同复位方式的正激变换器[2]通常采用的磁复位方法主要有以下几种： (1) 辅助绕组复位正激变换器采用辅助绕组复位的正激变换器见图49-1。

其中隔离变压器有三个绕组：一次绕组N 、二次绕组N 和去磁绕组N 。

在T 时间内，Q 导通，D 导通，D 、D 123ON 213截止，电源向负载传递能量，此时，磁通增量为I 1ON I 1(V /N )T (V /N )DT S ΔΦ=⋅=⋅，输出电压为V O =V N /N 。

I 21时间内，Q 阻断，D 截止，D 导通续流，D 在T OFF 213导通向电源回馈能量。

如果在整个T I S V (1D)T /N 3′ΔΦ=−时间内，D ，输出电压为V OFF 3都导通，磁通减少量最大为O =0,此时开关管Q 两端的反压为V (1+N I 1/N )。

3为了使磁通完全复位，，即D ≤N ′ΔΦ≤ΔΦ/(N 11+N 3),变换器输出直流电压平均值为DV N /N 。

I 21采用复位绕组法实现了变压器磁化能量无损地回馈到电网中去。

其不足是:①功率开关承受两倍的电源电压应力；②占空比D<0.5,不适合宽输入电源电压场合；③复位绕组使变压器结构复杂化；④需加RC 缓冲网络抑制变压器漏感引起的功率开关管关断电压尖峰。

(2) RCD 箝位正激变换器图49-2 单管RCD 钳位正激变换器RCD 箝位正激变换器如图49-2所示，其工作过程分为六个阶段：导通，箝位二极管D 阶段1：开关管Q 开通，整流二极管D 1C 和续流二极管D 2截止； 将开通， D 阶段2：开关管Q 关断，D 21中电流逐渐减小， D 2中电流逐渐增大，开关管结电容C S 近似地看成由负载折算到原边的电流线性充电；阶段3： V CS 上升到V , D I 1关断，D 导通，C 2S 继续由励磁电流充电，一直到本阶段结束时V CS = V I +V C ；阶段4：D C 开通， V CS 保持在V I +V C 值上，变压器原边电流即励磁电流线性下降到零； 阶段5：励磁电流衰减到零，D C 关断，励磁电感L m 与C S 开始谐振；阶段6： V CS =V , D I 1开通，励磁电流通过D 1流动而保持恒定，这段死区时间变压器端电压为零。

采用RCD 箝位的磁复位方式的单端正激变换器结构简单，成本低廉，占空比大于0.5，主开关管的电压应力较低，不需要辅助开关管。

但是，由于在复位电路中的箝位电阻消耗能量，使得变换效率变低。

在一些对效率要求不高或对成本要求严格的电源中，通常应用RCD 箝位的变换器。

(3) 箝位正激变换器LCD 箝位正激变换器如图49-3所示，其工作过程分为三个阶段：阶段1：开关管导通,D 4导通，由于电感L 的作用,使得开关管的电流开始缓慢上升,开通损耗大幅度减小,电容C 开始储能，电压开始上升至电源电压V ；同时,D 导通,D I 21截止,变压器向负载传输能量。

图49-3 单管LCD箝位正激变换器=0，由于感抗的存在,一阶段2：开关管关断，此时开关管两端的电压为V Q=V－VI C次侧电流不能立即变化，于是流经电容C和二极管D3，此时电容开始放电，电压开始缓慢变化直到改变极性，这样限制了开关管两端电压的增长速率，以便使开关管的关断损耗大幅度减小。

阶段3：当一次侧电流下降到零时，电容反向充电到最大值，接下来电流反向，电容开始放电，能量反馈回电源。

无损LCD缓冲网络技术可将磁化能量和漏感能量返回到电网中,保证了变换器高效率；但该技术在开关频率较高时，由于过大的LC谐振电流增加了功率开关导通损耗，因此它通常应用在开关频率较低的场合。

(4)谐振复位正激变换器图49-4 单管谐振复位正激变换器谐振复位正激变换器如图49-4所示，其工作过程分为六个阶段：阶段1：开关管Q开通阶段,流过整流二极管D12的电流减小，的电流增加,续流二极管D励磁电流开始线性上升，阶段1结束时，D2的电流减小到零，由D代替D给负载供电。

12阶段2：功率输出阶段，能量通过变压器由输入电源传送给负载。

励磁电流继续上升。

阶段3：开关管Q关断阶段，开关管的结电容C S被充电，续流二极管的结电容放电。

阶段三结束时刻，续流二极管D自然导通。

2阶段4：变压器漏电感上存储的能量继续给C S充电。

阶段四结束时，变压器漏感上的能量全部传递到C S上。

由于阶段四的时间很短，可以认为励磁电流基本不变。

阶段5：磁复位阶段，在此阶段中，励磁电感L m与结电容C S谐振工作。

结电容上储存的能量回馈给电源和变压器电感，完成磁复位。

阶段6：死区阶段，在此阶段中, D1和D2同时导通，副边绕组电压被箝定为零，因此原边绕组电压也为零，变压器的励磁电流保持不变。

谐振复位法的主要优点是不需要任何附加的磁复位元件，而是直接通过励磁电感和主开关管的寄生电容就可以实现变压器复位，所需要的元器件最少，因此采用该复位方法的正激变换器体积小。

在变换器体积相对要求严格的分布式电源中得到广泛应用。

同时变压器励磁电流可沿正负方向流动提高了磁芯利用率，其工作的最大占空比可以大于0.5。

但是和RCD,附加绕组复位一样存在死区的问题。

(5)有源箝位正激变换器图49-5有源箝位正激变换器有源箝位正激变换器如图49-5所示，其工作过程分为四个阶段：阶段1：主开关管Q截止,变压器向负载传输能量。

导通,此时D导通,D121阶段2：Q1关断,变压器一次侧电流对结电容C S充电,当C S上的电压达到电源电压V I 后, D2关断, D导通,变压器二次侧电流降至零。

C上的电压继续上升,当达到箝位电压1S时, D3导通,一次侧电流开始给箝位电容C1充电,直至下降到零。

辅助开关管Q应在D导23通期间开通以实现ZVS。

阶段3：Q23上流过的正向电流下降到零后,电容C通过Q放电,变压器一次导通,当D12侧电流由正值变为负值。

阶段4：Q关断, 结电容C放电,其初值等于C1放电电流的终值。

结电容C S、电源V I 2S和变压器励磁电感(包含变压器漏感)形成有初值的LC谐振回路。

如果C1上的电压能谐振到零,并在此时刻使导Q通,则可实现主开关管Q的ZVS。

11从有源箝位正激变换器工作原理可知，有源箝位正激变换器具有如下优点：z主开关和箝位开关均可实现零电压开通；z主开关电压被钳住，一周期内小于或等于电源电压与箝位电容电压之和，电压应力减小；z变压器励磁电流可沿正负方向流动，磁芯工作于磁化曲线第一和第三象限，磁芯利用率提高；z占空比可大于0.5。

z和其它无源箝位（RCD箝位或谐振箝位）正激变换器相比，复位时间更短，电压利用率更高，主开关管电压应力更小，效率更高。

(6)双管正激变换器正激变换器的输出功率不像反激变换器那样受变压器储能的限制，因此输出功率比反激变换器大，但是正激变换器的开关电压应力高，为两倍输入电压，有时甚至超过两倍输入电压，过高的开关电压应力成为限制正激变换器容量继续增加的一个关键因素。

为了降低开关的电压应力，可以采用双管正激变换器，见图49-6。

双管正激变换器克服了正激变换器中开关电压应力高的缺点，而且不需要采用特殊的复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位。

此外，结构上它不存在桥臂直通的问题，可靠性高，目前应用较普遍。

图49-6 双管正激变换器电路图3. 本实验室电力电子综合实验装置上的正激变换器实验模块图49-7 实验装置上的DC/DC单端正激变换电路模块－A5挂箱图本实验室电力电子综合实验装置上的DC/DC单端正激变换电路模块——A5挂箱如图49-7。

其中可以按照实验所需要的复位方式连接不同端子，完成所设计的正激变换实验。

该模块输出在连接装置的整流滤波模块，即构成完全的单端正激变换实验电路。

，N 和N 该实验挂箱中，隔离变压器T 有三个绕组N 123，分别为20匝、32匝、10匝，同名端如“*”号标注。

其中N 和N 12起到电压变换的作用，N 和二极管VD 31起到去磁复位作用。

实验电路不采用辅助绕组复位方案时，则电路不连接N 3和相应元件。

辅助绕组复位方式下的各种关系：采用辅助绕组复位方案时，在实际运行中占空比必须满足：(49-1)max 113/()D D N N N ≤=+其中是单端正激变换器工作的最大允许占空比。

max 113/()D N N N =+只要在期间 经VD L i 00v =off T 续流不会下降到零，则在期间off T 3。

因此DC/DC 变换器输出直流平均值为:0V 201D N V D N V =⋅ (49-2) Q1阻断时VD 导电, 此期间开关管Q1两端的反压为：113133D D N N N V V N N D V ++= (49-3)根据以上磁复位计算原则和输入输出关系，并查阅有关文献资料，可以自行设计不同复位方式的单端正激变换电路。

4. 正激变换器的闭环控制正激变换器控制属于他激方式的PWM 控制，仍可沿用实验二十八(DC/DC PWM 升压、降压变换电路性能实验)、实验三十五(PWM 控制芯片认识及外围电路设计实验)、实验三十六(电力电子电路闭环控制（稳态分析）)等方案，采用PWM 控制芯片实现闭环控制。

本实验模块(挂箱A5)配合实验控制电路板(B01－DC/DC 变换控制电路)完成单端正激变换电路实验。

B01－DC/DC 变换控制电路板采用TL494实现DC/DC 变换器的闭环控制。

PWM 控制部分及TL494原理见上述各实验指导书中所述。

二、 实验目的1. 通过研究DC/DC 单端正激变换电路的工作原理，进一步掌握单端正激变换电路的复位特性和设计方法；2. 进一步掌握实现电压闭环控制的设计方法，学习电流保护的整定。