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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

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。

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。

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。

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C1C2,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，D

3导通，反激能量

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：

R11105

C1C2470F

系统误差要求1