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1、半桥式DC-DC变换器设计【摘要】近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提 高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。 目前一些发达国家正逐渐把电力变换技 术广泛应用于民用工业领域， 我国在这一领域的研究起步较晚， 但随着国民经济的发 展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。本文通过对 Buck 变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种半桥式 DC-DC 变换器，并采用闭环控制方法， 将恒定的 400V 直流输入变为稳定 5V的直流输 出， 保证了系统的供电性能。最后利用 Matlab 工具对所设计的电路进行仿真 ,仿真结 果验证了所设计系统的有效性
2、。半桥式 DC-DC 变换器由于电路结构简单，功率器件 少且功率管上受到的电压应力小， 在中小功率场合得到了较为广泛的应用。 本文为进 一步研究和开发相关产品提供借鉴。【关键词 】 Buck 半桥 DC-DC MATLAB【 ABSTRACT 】In recent years, with the development of power electronic devices ，control theory and the increasing demand of high-quality power supply, power electronics technology has arouse
3、d widely attention from scholars. Power electronics technology is used gradually in civilian industrial areas in some developed countries. With the national economic development, the various converters for different requirements are developed and the related technology is studied by scientist and sc
4、holar.In this paper, the Buck circuit structure and working principle are analyzed and a half-bridge DC-DC converter is designed. The designed converter uses closed loop control scheme and realized the function that the power form is converted from 400 V DC voltage to 5 V DC voltage. The output volt
5、age is stable and the performance of the designed converter is ensured. Simulation study was carried out and effectiveness of the designed converter is verified by simulation results.【 Key words 】 Buck half-bridge DC-DC MATLAB目录1 绪 论 11.1 研究背景 11.2 变换器简介 21.3 本文研究的内容 42 半桥式 DC-DC 变换器的工作原理 42.1 半桥式 D
6、C-DC 变换器的基本电路图及工作原理 42.2 BUCK 变换器 62.2.1 线路组成 62.2.2 工作原理 72.3 带变压隔离器的 DC-DC 变换器拓扑 103 半桥式 DC-DC 变换器的系统设计 153.1 电路参数的计算与选取 153.2 闭环的控制方法与实现 253.2.1 PWM 的调制方法 253.2.2 PID 控制器 253.2.3 PID 控制器的参数整定 273.2.4 闭环控制方法与实现 284 MATLAB/SIMULINK 仿真 304.1 MATLAB /SIMULINK 304.2 半桥 DC-DC 变换器系统仿真模型的建立 314.3.1 开关管控制
7、脉冲仿真模块的建立 324.3.2 实际系统仿真模块的搭建 39结束语 43参考文献 45致 谢 错误!未定义书签。1 绪 论1.1 研究背景随着科技的发展， 在人们的日常生活中， 电力已成为与生产生活息息相关的 一部分，在各个场合， 人们都需要各式各样的电力来为其服务， 然而并不是所有 的电力都能在一开始就能满足需要，于是就要求有电力变换的过程。直流-直流变换器（ DC-DC ）作为一种应用广泛变换器广泛应用于远程及数 据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到 国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分， DC-DC 可分为 750W 以上、 750W 1W 和
8、 1W 以下 3 大类。进入 20 世纪 90 年代， DC-DC 变换器在低功 率范围内的增长率大幅度提高，其中 6W 25W DC-DC 变换器的增长率最高， 这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、 计算机显示系统、 计算机和军事通 讯系统。由于微处理器的高速化， DC-DC 变换器由低功率向中功率方向发展是 必然的趋势，所以 251W 750W 的 DC-DC 变换器的增长率也是较快的，这主 要是它用于服务性的医疗和实验设备、 工业控制设备、 远程通讯设备、 多路通信 及发送设备， DC-DC 变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。DC-DC 变换器将一个固定的直流电压变换为可
9、变的直流电压，这种技术被 广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制 具有加速平稳、 快速响应的性能， 并同时收到节约电能的效果。 用直流斩波器代 替变阻器可节约 20 30的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用 （开关电 源），同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC/DC 变换器现已商品化， 模块采用高频 PWM 技术，开关频率在 500kHz 左右 ,功率密度为 0.31W/cm3 1.22W/cm3 。随着大规模集成电路的发展，要 求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。 目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零
10、电压开关技术的二次电源模 块，功率密度有较大幅度的提高。电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。 高频小型化的开关电源 及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。 在电子设备领域中， 通常将整流 器称为一次电源，而将 DC/DC 变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相 或三相交流电网变换成标值为 48V 的直流电源。目前，在电子设备中用的一次 电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源（也称为开关型整流器 SMR）通过 MOSFET 或 IGBT实现高频工作，开关频率一般控制在 50kHz 100kHz 范围内，实现高效率和小型化。因为电子设备中所用的集成电路的种
11、类繁多，其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频 DC/DC 隔离电源模块 ,从中间母线电压 （一般为 48V 直流 ）变换成所需的各种直流电压，可以大大减小损耗、方便维护 , 且安装和增容非常方便。 一般都可直接装在标准控制板上， 对二次电源的要求是 高功率密度。因为电子设备容量的不断增加，其电源容量也将不断增加。1.2 变换器简介无论时那一种 DC/DC 变换器，主回路使用的元件只是电子开关、电感、电 容。电子开关只是迅速地开通，快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。 只有力求快捷， 使开关快速的渡过线性放大区， 状态转换引起的损耗才小。 目前 使用的电子开关多是双
12、极型晶体管，功率场效应管，逐渐普及的有 IGBT 管，还 有各种特性较好的大功率开关元件，例如 SITH（静电感应晶闸管）和 MCT （场 控制晶体闸流管）。变换器有以下几类分类方式：（1）正激变换器 在 Buck 电路的开关管与续流二极管之间加入变压隔离 器便得到一个单端正激变换器。 由于在开关管关断时， 电压有尖刺， 输出电压有 纹波，故多在小功率场合得到应用。（2）反激变换器 是由 Buck-Boost 推演并加变压隔离器后得到的。它的 电路简单，能够高效提供直流输出， 因此在要求有多组直流输出电压时特别常用， 它的缺点是关断时电压有尖刺，输出纹波电压过大，通常输出功率在 250W 以
13、下，电压和负载调整率要求在 5%-8% 左右。（3）推挽变换器 带中心抽头变压器原边两组线圈轮流工作的线路一般称为 推挽线路。由于功率开关管电压应力两倍与电源电压 Vs ，而且主变压器原边利用 率也不如全桥、 半桥那样高， 输出电压随输入电压和负载变化而变化。 但是在低 输入电压（如 48V ）时，推挽电路比半桥或全桥优越。因为任何时候最多只有一 个开关元件工作， 对于输出相同功率， 开关损耗比较小。 所以推挽在低压输入的 大功率变换器（ 1000W ）得到广泛应用。（4）半桥式变换器 由两个电容器和两个开关管组成两个桥， 桥的对角线接 变压器的原边绕组， 故称半桥变换器。 半桥式变换器减小了
14、原边开关管的电压应 力，结构简单 ，功率器件少，所以在中小功率场合得到广泛应用。（5）全桥式变压器 主变压器只需要一个原边绕组， 通过正、 反向的电压得 到正、反向磁通， 副边有一个中心抽头绕组采用全波整流输出。 因此变压器铁心 和绕组的最佳利用， 使效率、 功率密度得到提高。 功率开关在非常安全的情况下 运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压 Vs ，四个能量回复（再 生）二极管能消除一波分由漏感产生的瞬间电压。这样无需设置能量恢复绕组， 反激能量便得到回复利用。但是，它需要较多的功率原件，成本提高，电路略显 复杂，在导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率消耗变大，适用于高压离
15、 线开关电源系统。本文设计电路将 400V 恒定直流输入变为 5V 稳定直流输出，输出功率较低， 所以我们采用半桥式变压器。1.3 本文研究的内容本文研究的内容主要包括：(1) 研究半桥式 DC-DC 电力变换电路的工作原理。(2) 研究 PWM 调制方法的机理和半桥式 DC-DC 变换电路的控制方法。(3) 设计从 400V 到 5V 的半桥式 DC-DC 变换器。(4) 采用 MATLAB 工具对所设计系统进行仿真研究。2 半桥式 DC-DC 变换器的工作原理2.1 半桥式 DC-DC 变换器的基本电路图及工作原理半桥式 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
16、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。为了分析稳态特性，简化推导过程，首先假定：(1) 开关晶体管、二极管均为理想元件。也就是可以瞬间的导通和截止， 而且导通时的压降为零，截止时的漏电流为零。（2）电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和， 寄生电阻为零， 电容的等效串联电阻为零。（3）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。基本电路图如下：图 2-1 半桥式 DC-DC 变换器基本电路图电容器C1、 C2与开关晶体管 Tr1、Tr2
