单端正励变换器的建模及应用仿真.doc

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单端正励变换器的建模及应用仿真

单端正励变换器的建模及应用仿真 按照输入与输出间是否有电气隔离,可分为非隔离DC/DC变换电路和带隔离变压器的隔离DC/DC变换电路。 根据电路中主功率开关器件的个数,分可为单管、双管和四管三类。 单管隔离:正激(Forward)和反激(Flyback); 双管隔离:推挽(Push-Pull)和半桥(Half-Bridge); 四管隔离:全桥(Full-Bridge)。 根据变压器的磁芯磁复位方法的不同,正激电路包含多种不同的拓扑结构。在电路输入端接复位绕组是最基本的磁芯磁复位方法。 单端正励变换器的电路,如图1所示。开关S采用PWM控制方式、VD1是输出整流二极管、VD2是续流二极管、L和C是输出滤波电感和滤波电容。隔离变压器有三个绕组,原边绕组W1,匝数N1;副边绕组W2,匝数N2;复位绕组W3,匝数N3。绕组中标有“?”的一端为同名端。VD3是复位绕组W3的串连二极管。 图1单端正励变换器原理图 图2开关S导通 图3开关S关断 单端正励变换器工作原理分析 正激电路在一个开关周期内经历开关导通、关断2个开关状态,如图2和图3所示。对应于一个开关周期T的两个时段:t0~t1和t1~t2。 ① t0~t1时段 在t=t0时刻,开关S受激励导通,变压器励磁,绕组W1的电压uW1为上正下负,副边绕组W2的电压也是上正下负,输出整流二极管VD1导通,续流二极管VD2截止,输出滤波电感L电流iL逐渐增长。 (1) (2) 由(1)和(2)可得: (3) 在这一时段,加在滤波电感L上的电压为uW2-Uo,于是有 (4) 当t=t1,Δt1=t1-t0=t∞时,iL从最小值ILmin,iL的增加量 (5) 式中,D=ton/T,称为占空比;ton为开关S的导通时间。 ② t1~t2时段 在t=t1时刻,开关S关断。变压器励磁,原边绕组W1的电压uW1和副边绕组电压uW2变为上负、下正。整流二极管VD1关断,续流二极管VD2导通,输出滤波电感电流iL通过续流二极管VD2续流,并逐渐下降。 当t=t2,Δt2=t2-t1=toff时,iL从最大值ILmax线性减到最小值ILmin,iL的减小量 (6) 此时变压器复位绕组W3电压uW3为上正、下负,二极管VD3导通。变压器励磁电流经复位绕组W3和VD3流回输入端,变压器磁复位。在变压器磁复位未完成前,即t1~tr时段,开关S承受的电压为: (7) 变压器磁复位完成后,即tr~t2时段,开关S承受的电压uS=Uin。 图4正激电路磁复位过程 在正激电路中,变压器磁复位过程非常重要,如图4所示。开关S开通后,变压器的励磁电流im由0开始,随着时间的增加而线性增长,直到开关S关断。开关S关断后到再一次开通的时间内,必须设法使im降回到零,否则下一个开关周期中,im将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加,并在以后的开关周期中依次累积,变得越来越大,从而导致变压器的励磁电感饱和,励磁电感饱和后,im会更加迅速地增长,最终损坏电路中的开关器件。因此,使im降回到零的过程称为变压器的磁复位。 根据变压器在t0~t1时段磁通的增加量等于在t1~tr时段磁通的减小量,等效为图4中两阴影矩形面积(电压伏秒面积)相等,可以得出从开关S关断到励磁电流电流im下降到0所需的复位时间为: (8) 只有保证tofftrst,能使变压器磁芯可靠复位。 在输出滤波电感电流iL连续的情况下,即开关S开通时,电流iL不为0,正激电路的输入输出电压关系为: (9) 可见,正激电路的输入输出电压关系和降压(Buck)型电路非常相似,仅有的差别在于变压器的变比。实际上,正激电路就是一个插入隔离变压器的Buck电路。输入输出电压关系可以看成是将输入电压Ui按变压器的变比折算至变压器二次侧后,根据Buck电路得到的。 由于变压器磁通仅单方向变化,故称之为单端变换器;由于在开关导通时电源将能量直接传至负载,所以成为称正激电路。 单端正励变换器的matlab仿真 仿真步骤如下: (1)打开MATLAB7.0,新建一个model文件。 (2)找到所需元件,将元件放置到模型板上,并使用导线连接元件模型。 仿真电路图见附页1。 (3)设置参数,具体如下: 直流电压源:amplitude设为100v; IGBT:Snubber resistance设为1500Ω,其它值为默认; 脉冲发生器Pulse Generator:period设为1e-4,pulse width设为40(占空比为0.4),其它为默认。 变压器参数设置如图4所示。 按下start键,仿真电路开始运行,双击scope查看仿真波形,见附页2。 将脉冲发生器的pulse width设为30(占空比为0.3),其它参数不变

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