《正激变换器的设计与实现》课件

正激变换器的设计与实现课程介绍什么是正激变换器？基本定义关键特性正激变换器是一种直流直流转换器，其工作原理是利用开关元-件（例如）控制电流在电感中流动，进而将输入直流MOSFET电压转换为所需的输出直流电压正激变换器的优势与劣势优势劣势高效率•输出电压纹波较大•高功率密度•需要变压器•易于控制•成本低•正激变换器与其他拓扑结构的比较正激变换器相比其他拓扑结构（如降压变换器、升压变换器），在某些情况下具有优势，例如在高压应用中，由于其工作电压较高，可以实现更高的功率密度变换器基本原理回顾直流直流转换开关元件的作用-直流直流转换器是将直流电压转换为另一直流电压的电路，在开关元件（如、）在直流直流转换中起到关键-MOSFET IGBT-各种电子设备中广泛使用作用，通过开关的打开和闭合，控制电流在电路中流动，实现能量的转换电感、电容和开关元件的基础知识电感电容电感是一种能够储存能量的元电容是一种能够储存电荷的元件，其储存能量的大小与电流和件，其储存电荷的大小与电压和电感值有关电容值有关开关元件开关元件是控制电流流动的元件，例如、，它们能够快MOSFET IGBT速地打开和闭合，实现电流的控制磁芯材料的选择与应用铁氧体磁芯铁粉芯非晶合金磁芯铁氧体磁芯是正激变换铁粉芯是一种具有较低非晶合金磁芯具有高磁器中常用的磁芯材料，磁导率、较高损耗的磁导率、低损耗、高频率具有高磁导率、低损芯材料，适合用于较高特性，适合用于高频、耗、价格低廉等优点，频率的应用高功率应用适合用于较低频率的应用变压器设计的基本原则磁芯选择匝数计算根据工作频率、功率和电压选择合适的12根据输入输出电压和匝数比计算变压器磁芯材料绕组的匝数测试验证绕组设计43对变压器进行测试，验证其性能指标，选择合适的导线尺寸，并进行绕组的分并根据需要进行调整布设计，以减小漏感和铜损正激变换器电路拓扑分析单端正激拓扑双端正激拓扑单端正激变换器是一种简单的正激变换器拓扑结构，其特点是双端正激变换器是另一种正激变换器拓扑结构，其特点是使用只有一个开关元件，输出电压通过变压器进行隔离两个开关元件，可以实现更高的功率密度单端正激变换器的工作原理开关导通1开关元件导通，电流流过电感，磁场能量积累2开关断开开关元件断开，电感中的电流通过二极管流向负载，磁场能量释放双端正激变换器的工作原理开关导通1开关导通，电流流过电感，磁场能量积累11开关导通2开关导通，电流流过电感，磁场能量积累22开关断开1开关断开，电感中的电流通过二极管流向负载，磁场能量释放111开关断开2开关断开，电感中的电流通过二极管流向负载，磁场能量释放222电路工作模式分析与CCMDCM（连续导通模式）CCM在模式下，电感电流始终不为零，即电流连续流动CCM（断续导通模式）DCM在模式下，电感电流在开关周期的某些时间段内为零，即电流断续流动DCM正激变换器的数学模型状态空间模型1使用状态空间平均法建立变换器的数学模型小信号模型2将状态空间模型线性化，得到变换器的小信号模型传递函数分析3分析变换器的传递函数，得到输入输出之间的关系状态空间平均法建模定义状态变量建立状态方程选择电感电流、电容电压等作为状态变量根据电路拓扑和工作模式，建立状态变量的微分方程小信号模型推导线性化状态方程1将状态空间模型在工作点附近线性化得到小信号模型2线性化后的模型即为变换器的小信号模型传递函数分析幅频特性相频特性控制环路设计基础闭环控制控制器PID通过反馈机制，将输出信号与参考信号进行比较，并将误差信号用控制器是常用的闭环控制控制器，通过比例、积分、微分三个PID于控制系统，实现输出电压的稳定控制部分，对控制系统进行调节补偿网络的类型与选择通过补偿网络，可以改善控制系统的稳定性和性能，常见的补偿网络类型包括比例补偿网络、积分补偿网络、微分补偿网络等选择合适的补偿网络类型，需要根据控制系统的具体情况进行分析，例如系统的带宽、稳定裕度等稳定性分析波特图与奈奎斯特图波特图奈奎斯特图波特图是将传递函数的幅频特性和相频特性绘制成图形，方便奈奎斯特图是将传递函数的复频域特性绘制成图形，可以根据直观地观察系统的稳定性和性能奈奎斯特判据判断系统的稳定性控制器的选择与应用PWM控制芯片介绍SG3525主要功能应用场景芯片是一款常用的控制芯片，具有电流模式控芯片广泛应用于各种开关电源、逆变器、电机驱动等领域SG3525PWM SG3525制、死区时间控制、过流保护等功能控制芯片介绍TL4941主要功能芯片是一款电压模式控制控制器，具有多种保TL494PWM护功能，例如过压保护、过流保护、短路保护等2应用场景芯片广泛应用于各种开关电源、逆变器等领域TL494其他常用控制芯片PWMUCC3842芯片是一款高性能控制器，具有高频率、低功耗等特点UCC3842PWMLM555芯片是一款经典的定时器芯片，可以用于构建信号发生器LM555PWM驱动电路的设计与实现驱动电路MOSFET驱动电路用于控制开关的导通和断开，通MOSFET MOSFET常需要提供足够的电流和电压，确保能够正常工作MOSFET驱动电路IGBT驱动电路用于控制开关的导通和断开，与IGBT IGBTMOSFET驱动电路类似，需要提供足够的电流和电压隔离驱动电路隔离驱动电路用于隔离控制信号与功率信号，防止高压信号对控制电路的影响驱动电路MOSFET驱动方式驱动电路设计常用的驱动方式包括单极性驱动、双极性驱动、高压驱动等需要考虑驱动电路的电流、电压、上升时间、下降时间等指MOSFET标，以确保的可靠工作MOSFET驱动电路IGBT驱动电路设计驱动电流需要考虑驱动电路的隔离、保护等功能，驱动电压的驱动电流也较大，需要提供足够以确保的可靠工作IGBT IGBT的驱动电压通常较高，需要使用高的驱动电流IGBT压驱动电路隔离驱动电路隔离方式驱动电路设计1常用的隔离方式包括光耦隔离、磁需要选择合适的隔离方式，并设计驱2隔离、数字隔离等动电路，确保控制信号能够可靠地传递到功率信号保护电路的设计过流保护1当电流超过设定值时，保护电路会及时切断电源，防止器件损坏过压保护2当电压超过设定值时，保护电路会及时切断电源，防止器件损坏短路保护3当输出短路时，保护电路会及时切断电源，防止器件损坏过流保护过流检测保护措施使用电流传感器检测电路中的电流大小当电流超过设定值时，保护电路会及时切断电源过压保护1过压检测使用电压传感器检测电路中的电压大小2保护措施当电压超过设定值时，保护电路会及时切断电源短路保护短路检测当输出短路时，保护电路会检测到电流异常保护措施当检测到短路时，保护电路会及时切断电源软启动电路的设计软启动目的1防止电源启动时电流过大，保护器件软启动实现2通过逐渐增加输入电压或电流，使电源平稳启动正激变换器的参数设计电感量的计算公式参数说明•电感量LL=Vout*1-D/f*ΔIL•输出电压Vout•占空比D•工作频率f•电感电流纹波ΔIL电容量的计算1公式C=ΔVout*Iout/f*ΔIL2参数说明•电容量C•输出电压纹波ΔVout•输出电流Iout•工作频率f•电感电流纹波ΔIL变压器匝数比的计算公式N1/N2=V1/V2参数说明•初级绕组匝数N1•次级绕组匝数N2•初级电压V1•次级电压V2元件选型原则可靠性和成本温度特性选择可靠性高、成本合理的元件工作频率选择能够承受工作温度的元件工作电压和电流选择能够满足工作频率的元件选择能够承受工作电压和电流的元件的选择MOSFET导通电阻开关速度选择导通电阻小的，选择开关速度快的，MOSFET MOSFET可以降低功率损耗可以提高转换效率耐压能力选择耐压能力高的，可以保证器件的安全MOSFET二极管的选择快速恢复二极管肖特基二极管快速恢复二极管具有较快的恢复时间，可以降低反向恢复损耗肖特基二极管具有低正向压降，可以提高转换效率电容的选择ESR容量选择低的电容，可以降低ESR选择能够满足容量要求的电容功率损耗额定电压温度特性选择能够承受工作电压的电容选择能够承受工作温度的电容2314布局布线注意事项PCB功率回路布局信号回路布局功率回路的走线要尽可能短、粗，以减小阻抗和损耗信号回路的走线要远离功率回路，避免信号干扰功率回路布局1布局原则功率回路的走线要尽可能短、粗，以减小阻抗和损耗2布线技巧使用宽的铜箔，尽量减少走线弯曲，并使用地平面进行屏蔽信号回路布局布局原则信号回路的走线要远离功率回路，避免信号干扰布线技巧使用细的铜箔，并使用地平面进行屏蔽散热设计散热需求1正激变换器在工作过程中会产生热量，需要进行散热设计散热方案2常用的散热方案包括自然冷却、风冷、水冷等散热器选择3根据器件的功率和工作环境选择合适的散热器实验验证平台搭建正激变换器直流电源示波器万用表负载测量设备的使用示波器万用表示波器用于观测电路中的电压和电流波形万用表用于测量电压、电流、电阻等参数波形观测与分析通过示波器观察电路中的电压和电流波形，可以判断电路是否正常工作分析波形，可以找出电路中的问题，并进行相应的调整效率测试效率计算测试方法使用万用表测量输入电压和电流，输出电压和电流，计算效率效率=Pout/Pin性能指标评估电压纹波1测量输出电压的纹波大小2负载调节率测量负载变化时，输出电压的变化率效率3测量变换器的转换效率4温度特性测量温度变化时，变换器性能的变化仿真软件介绍（如PSIM,）SimulinkPSIM是一款功能强大的电源仿真软件，可以对正激变换器进行仿真，帮PSIM助设计人员分析电路性能Simulink是中的一个模块化仿真环境，可以用于建立正激变Simulink MATLAB换器的仿真模型，并进行分析仿真模型搭建电路图控制系统参数设置根据实际电路图，在仿在仿真软件中建立控制设置仿真模型的参数，真软件中建立电路模系统模型，例如控例如工作频率、输入电PID型制器压、输出电压等仿真结果分析与验证性能指标分析分析仿真结果中的性能指标，例如电压纹2波、效率等波形观测1观察仿真结果中的电压和电流波形验证与调整3根据仿真结果对实际电路进行验证，并进行相应的调整实际案例分析工业电源通信电源正激变换器广泛应用于工业电源中，例如工业控制系统、自动化设备等正激变换器也应用于通信电源中，例如基站电源、网络设备等工业电源应用1应用场景正激变换器在工业电源中应用广泛，例如工业控制系统、自动化设备、电力电子设备等2设计要求工业电源设计要求高可靠性、高效率、高功率密度等通信电源应用应用场景正激变换器在通信电源中应用广泛，例如基站电源、网络设备、数据中心等设计要求通信电源设计要求高效率、高功率密度、低噪声等太阳能逆变器应用应用场景1正激变换器在太阳能逆变器中用于将直流电转换为交流电，为电网供电设计要求2太阳能逆变器设计要求高效率、高功率密度、可靠性高、抗干扰能力强等设计难点与解决方法减小开关损耗选择低导通电阻的优化驱动电路MOSFET的导通电阻越低，开关损耗越小驱动电路的上升时间和下降时间越短，开关损耗越小MOSFET抑制电压尖峰1使用缓冲电路缓冲电路可以吸收电压尖峰，减小对电路的影响2使用滤波电路滤波电路可以滤除电压尖峰，提高电路的稳定性提高转换效率选择高效率的元件选择导通电阻小的、低正向压降的二极管等，可以提高转换效率MOSFET优化电路设计优化电路拓扑结构、减小电路中的损耗，可以提高转换效率。