编号南京航空航天大学电气工程综合设计报告题目Super-buck充电电路主功率设计及仿真学生姓名班级学号成绩谢双春0313205 031320528学院自动化学院专业电气工程及其自动化指导教师胡海兵教授二〇一五年一月Super-buck充电电路主功率设计及仿真摘要首先，本文对DC-DC变换器进行了分析、比较，结合高压、宽输入，小功率和多路输出的设计要求，选择双管反激电路作为辅助电源；结合高压、宽输入，大功率的设计要求，选择交错并联双管正激电路。
其次，本文详细阐述了双管反激变换器的稳态工作原理，分析比较了双管反激变换器两种工作模式的特点；对双管反激主电路以及基于UC3844的控制电路进行了详细的设计，并且建立了SABER 下的仿真模型；利用Protel绘制原理图及PCB，并研制出样机。
此部分完成了双管反激变换器的原理分析、参数设计、损耗分析、仿真、一台20W、4路输出的样机制作及实验，实验结果验证了理论分析的正确性。
关键词：双管反激变换器，双管正激变换器，损耗分析目录摘要 (i)Abstract ...................................................................................................... 错误！未定义书签。
第一章概述......................................................................................................................... - 1 - 第二章双管反激变换器的研究......................................................................................... - 2 - 第三章双管反激式开关电源的损耗分析......................................................................... - 3 -3.1双管反激变压器的损耗分析................................................................................... - 3 -3.2双管反激变换器其它元件的损耗模型分析.............................. 错误！未定义书签。
3.3 本章小结..................................................................................... 错误！未定义书签。
第四章双管反激式多路输出开关电源的设计与硬件实现............................................. - 4 -4.1 DCM模式反激变换器功率电路设计..................................................................... - 5 -4.2控制电路的设计.......................................................................... 错误！未定义书签。
4.3 双管反激变换器的SABER仿真.............................................. 错误！未定义书签。
4.4样机的制作及实验效率测试...................................................... 错误！未定义书签。
4.5 本章小结..................................................................................... 错误！未定义书签。
第一章概述1.1课题背景线性稳压电源和开关稳压电源是现有的电源两种主要类型，它们基于不同特点而被广泛应用于不同的场合：线性稳压电源的优点是输出电压精度高、输出纹波电压小、稳定性好、可靠性高。
1.2 DC/DC变换器拓扑的选择隔离型DC-DC 变换器包括反激、正激、推挽、半桥以及全桥等。
这类变压器适用于升降压范围宽，输入输出间需要电气隔离的场合[14]。
图1.1 给出了这几种变换器的电路图，下面将结合电路要求，简要介绍这几种变换器的优缺点。
1.3课题主要研究内容本文主要以双管直直变换器为研究对象，研究双管直直变换器的工作原理、控制方式及参数设计方法。
其主要内容主要分为以下七章：第一章介绍课题研究背景，根据几种隔离型DC/DC变换器的特点及电路要求选择拓扑。
第二章研究了双管反激式直直变换器，分析了双管反激变换器的连续和断续工作模式，并对两种模式进行比较。
第三章详细论述了UC3844控制的20W双管反激变换器开关电源的设计过程，同时介绍了电流型控制芯片UC3844的内部结构和工作原理。
运用SABER对双管反激电路进行仿真。
制作了样机并给出了实验结果，与理论分析进行了比较。
第四章给出交错并联双管正激变换器电路中主要元器件的选取和设计过程。
分别对交错并联双管正激变换器是否带有LC无损吸收电路的两种情况进行SABER仿真，并比较仿真结果。
第五章总结了本文所做的工作。
第二章 双管反激变换器的研究在双管反激拓扑中，开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独供电时消耗的能量。
反激变换器的主要优点是不需要滤波电感，双管反激保留了单端反激的优点，在多路输出中，这一优点对减小变压器体积，降低成本尤为重要。
2.1 双管反激变换器稳态工作原理2.1.1电流连续模式(CCM) 1) 双管反激变换器的基本关系 电路图如图2.1所示。
当晶体管导通时，在理想情况下，输入电压Ui 全部加在电感变压器的初级错误！未找到引用源。
N 1上，二极管反偏截止，因此电感变压器此时作为电感运行。
若电感L 1错误！未找到引用源。
是线性的，初级电感电流变化量为11ion U i T L ∆=(2- 1)当晶体管截止时，二极管导通，电感能量向负载放电和向电容充电。
设电容电压变化很小，次级电流变化量22ooff U i T L ∆=(2- 2)在稳态时，根据转换瞬间能量守恒有1122i N i N ∆=∆(2- 3)由以上各式可以得到理，对不同模式下的电路进行了模态分析，比较了两种模式下电路的优缺点。
第三章 双管反激式开关电源的损耗分析电力电子变换器在进行电能处理的时候，存在各种能量损耗。
高频化可以使得变换器具有更高的功率密度、低噪声、高可靠性和快速响应能力，故它已成为电力电子电路的主要特点，但由于电力电子开关器件的频率越高，器件和电路的损耗就越大，变换器的效率也越低。
而效率是衡量一个电路优劣的重要特征，故本文首先了解PWM 开关变换器中的各个部分的相应损耗，再设法提高双管反激变换器的效率。
3.1双管反激变压器的损耗分析高频情况下的变压器的损耗主要组成：磁芯损耗P core 绕组损耗P wind 。
双管反激变压器实际上是一个多绕组的耦合电感，它由输入电源取得能量，存储在磁场中，再将磁场中储存的磁能转化为电能传输到负载。
因此，双管反激变换器的工作模式与传统变压器不尽相同。
3.1.1变压器的磁芯损耗core P磁芯在交流磁化过程中，因消耗能量发热，磁材料损耗功率(P )由磁滞损耗(h P )、涡流损耗(e P )和剩余损耗(c P )组成：h e c P P P P =++(3- 1)在交变磁场中，磁芯单位体积能量损耗不仅取决于磁介质本身的形状结构、电阻率等因素，同时也取决于交变磁场中的磁感应强度摆幅m B ∆和频率。
软磁铁氧体的磁芯损耗一般可用下式表示：a m P f B V βη=(3- 2)式中α和β分别为大于1的频率和磁感应损耗指数，可通过磁芯手册提供的参数求得。
第四章 双管反激式多路输出开关电源的设计与硬件实现本文前面各章节已经对电流型双管反激式开关电源的工作原理及控制方法给出了详细分析，本章将在理论研究的基础上，以电流型专用集成控制芯片UC3844为核心，设计一多路输出的电流型双管反激式开关电源。
基于该芯片的双管反激式开关电源原理图如图4.1所示。
主要设计指标为： 输入电压：200-600V输出3路：+15V/0.33A ； -15V/0.2A ；+24V/0.5A 输出功率：20W 预计效率：η=75% 最大占空比：Dmax=0.45 工作频率：100KHZ+C1D2Q2R7VFB 2C urrent S ens e3R T/C T4G N D5OUT6V C C7VREF8C OM P13844R12D15N1N6D1C5D4R4C4C3C8C7C6R2R3C9+INR5R1N2N3-INR6Q1D3C10R8R10R9R11D11D13T2Drive_G1Drive_G2Drive_S1Drive_S2Drive_G1Drive_S1D r i v e _G 2Drive_S2+C 2D10D9C13C14+15-15C15C16123VinVou t213VinVou tD16C 17123VinVou tC 19C 18+24用瞬态抑制二极管注意管脚是不是对的！255*1*144*2*33*软磁铁氧体JP3（G22/13 93:9:9:14:9）图4.1 双管反激变换器结构图4.1 DCM 模式反激变换器功率电路设计主电路采用双管反激电路，控制芯片用UC3844，正常工作电压定为13V ，DCM 模式。
4.1.1变压器的设计 1.确定铁芯材料和型号选用软磁铁氧体JP3的罐型铁芯：铁氧体价格便宜，电阻率ρ高，铁损小；罐型铁芯的线圈间耦合紧密，漏感小，电磁干扰小。
DCM 时铁芯工作于第二种工作状态，取铁芯磁感应强度的变化量ΔB=1/3B S =1700GS ，将T ONmax =D max T S =4.5μs 、P omax =20W 、%75=η、K c =1、K μ=0.3、j=50 0A/cm 2代入 (4- 1)，得84max max2100.0941o ON C P T SQ cm B K K jμ=⨯=∆η(4- 1)选用G22/13 I 型铁芯，该铁芯的222(9.5 4.2)0.570284C S S cm π==-=(4- 2) 22 4.6(17.69.5)0.37262B CQ E cm -=⨯⨯=⨯-= (4- 3)440.570280.37260.21250.0942SQ cm cm =⨯=>2.绕组计算(1) 计算变压器初级电感量DCM 模式在最大输出功率时，电流临界连续，所以22262min max 1max6max 200(4.510)0.75 1.5222021010in ON o S U T L mH P T --⨯⨯=η=⨯=⨯⨯⨯ (4- 4) (2) 计算铁芯上所开气隙的长度δ8210max 2max2min max 1102-⨯==δμC S o ON in S N T P T U L(4- 5)(1) 8110in ONC U T B N S -∆=⨯(4- 6)参考文献[1] 杨正龙. 3KV A交错并联双管正激变换器的研究与开发[D]. 南京: 南京航空航天大学. 2002.[2] 洪小圆, 陈威, 吕征宇. 软开关谐振复位双管正激DC/DC变换器[J]. 电工技术学报. 2009. 24(10): 65-70.[3] Hua Guichao, Lee Fred C, Jovanovic Milan M. An improved full-bridge zero-voltage switched PWM converter using a saturable inductor [J]. IEEE Transactions on Power Electronics. 1993. 8 (4):530-534.[4] 顾亦磊, 顾晓鸣等. 一种新颖的宽范围输入双管正激DC/DC变换器[J]. 中国电机工程学报. 2005. 25(02): 44-48.[5] 石健将. 双管正激变换器组合研究[D]. 南京: 南京航空航天大学. 2003.[6] 王慧贞, 周平森. ZVS双管正激直/直变换器[J]. 南京航空航天大学学报. 2004, 36(05): 610-614.[7] 秦海鸿, 严仰光. 开关电源中高频磁性元件设计常见错误概念解析[A]. 南京：南京航空航天大学. 2003.[8] 穆新华. 交错并联式双管正激变换器工作模式分析及系统设计[J]. 中国电机工程学报. 2004. 24(12): 38-42.[9] Michael T. Zhang, Milan M. Jovanovic. Analysis and Evaluation of Interleaving Techniques in Forward Converter [J]. IEEE Trans. On Power Electronics. 1998. 13(4): 690-698.[10]Dharmraj V. Ghodke, K. Muralikrishnan. ZVZCS, Dual, Two-transistor forward DC-DC converter with peak voltage of Vin/2, high input and high power application [A]. IEEE PESC. 2002: 1853-1858.[11] 蔡伟, 赵丽华. 基于UC3844的多路输出双管反激电源设计[J]. 电源世界. 2008. 6: 65-67.[12] 丁永鑫, 丁秀华, 龚春英. 基于NCP1207与UC3844的双管反激变换器比较[J]. 电力电子技术. 2009. 43(07): 20-22.[13] 胡寿松. 自动控制原理[M]. 北京: 国防工业出版社. 2005.[14] 丁道宏. 电力电子技术[M]. 北京: 航空工业出版社. 1999.[15] 赵修科. 实用电源技术手册—磁性元件分册[M]. 沈阳: 辽宁出版社. 2002.[16] 赵志英. 小型化航空静止变流器的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学. 2007.[17] 谢华林, 杨金明. 基于SABER仿真器的双管正激参数及控制环路的设计[Z]. 广州: 华南理工大学. 2009.[18] 封心歌. 高压双管反激变换器的设计[A]. 南京: 南京电子技术研究所. 2004.[19] 洪帅, 陈国柱. 高压输入多路输出双管反激变换器的设计[Z]. 浙江: 浙江大学电气工程学院. 2008.[20] 张伟赵晶. Protel99SE高级应用[M]. 北京: 人民邮电出版社. 2007.。