一種多輸出反激式開(kāi)關(guān)變換器的仿真設(shè)計(jì)

胡思誠(chéng)，劉東立，龔星易，蔣炳瑞，劉 佳

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引 言

反激變換器在日常生活中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是小功率場(chǎng)合，但是隨著電子設(shè)備用量的日益增多，多路輸出電源的市場(chǎng)需求也日益增大[1]。針對(duì)多用途直流電源設(shè)備的使用需求，從電氣隔離、環(huán)路控制、整體效率以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行綜合分析，設(shè)計(jì)了一種反激式多路輸出開(kāi)關(guān)變換器[2]。

1 原理分析

從安全角度考慮，將buck-boost電路的單個(gè)電感變成雙邊繞制電感后，對(duì)輸入端和輸出端進(jìn)行電氣隔離，形成了反激變換器初等模型，電路原理如圖1所示。

圖1 buck-boost電路插入隔離電感后圖

開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，原邊線(xiàn)圈磁場(chǎng)發(fā)生變化，產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)抵消了外電場(chǎng)，原邊電場(chǎng)開(kāi)始儲(chǔ)能，副邊線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)上正下負(fù)，但二極管處于D反偏狀態(tài)，因此副邊線(xiàn)圈中無(wú)電流流過(guò)。開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，原邊線(xiàn)圈電壓為上負(fù)下正，副邊線(xiàn)圈同為上負(fù)下正，但輸出為負(fù)，二極管仍然不導(dǎo)通。此情況下，線(xiàn)圈只有正的伏秒積沒(méi)有負(fù)的伏秒積，因此需改變線(xiàn)圈同名端，得到如圖2所示的結(jié)構(gòu)，即反激變換器原理圖。

圖2 反激變換器原理圖

開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通期間，線(xiàn)圈原邊開(kāi)始儲(chǔ)能，原邊電壓上正下負(fù)，副邊電壓下正上負(fù)，因此二極管D不導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管Q斷開(kāi)期間，線(xiàn)圈原邊電壓下正上負(fù)，副邊電壓上正下負(fù)，二極管D導(dǎo)通，線(xiàn)圈開(kāi)始放能。儲(chǔ)能放能的過(guò)程中，線(xiàn)圈達(dá)到了伏秒積平衡。

從反激變換器結(jié)構(gòu)分析，它能較簡(jiǎn)單地從電源中得到多路輸出，線(xiàn)圈既起著扼流的作用，又起著變壓、隔離和儲(chǔ)能的作用，只需一個(gè)二極管和電容就能得到不同的輸出。基于以上工作原理，設(shè)計(jì)了一種交流輸入、輸出為±5 V的多路直流輸出反激變換器。

系統(tǒng)采用交流輸入，由輸入整流電路、輸入濾波電路、DC/DC變換電路、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、采樣反饋電路以及輔助電源電路組成，如圖3所示[3]。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

設(shè)計(jì)采用MATLAB/Simulink軟件對(duì)主電路及控制電路進(jìn)行仿真，根據(jù)控制芯片的原理，仿真結(jié)果應(yīng)該是由超調(diào)震蕩到逐漸穩(wěn)定的輸出電壓，且輸出電壓最后穩(wěn)定在輸出值。根據(jù)芯片和電路的結(jié)構(gòu)原理，在Simulink環(huán)境下搭建的仿真模型如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

首先，三角載波與電壓補(bǔ)償調(diào)制信號(hào)在振蕩器上升沿觸發(fā)的條件下產(chǎn)生PWM信號(hào)，其中PWM信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)比較器和PID調(diào)節(jié)器共同作用實(shí)現(xiàn)的。其次，將輸出電壓采樣值與固定參考值進(jìn)行比較，將其輸出值接到5 V參考的反相端，輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)后再與鋸齒波比較，達(dá)到控制輸出占空比的目的。最后，通過(guò)PWM信號(hào)控制主電路開(kāi)關(guān)管的通斷，將輸出結(jié)果在示波器Scope上進(jìn)行仿真輸出。

理論上，控制芯片輸出的每路驅(qū)動(dòng)波形最大占空比可達(dá)50%，但是根據(jù)實(shí)際情況，在留有一定死區(qū)的條件下，使最大占空比設(shè)置為0.43。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整后，即可在示波器界面得到仿真輸出波形。通過(guò)如圖4所示的仿真電路得到仿真結(jié)果，其±5 V的輸出結(jié)果如圖5所示，其中對(duì)于縱坐標(biāo)有±1 V/格，橫坐標(biāo)有1 ms/格。

圖4 仿真電路圖

圖5 ±5 V輸出電壓波形

由圖5可知，仿真結(jié)果與理論分析一致。整個(gè)電源系統(tǒng)經(jīng)過(guò)超調(diào)震蕩后，穩(wěn)定在相應(yīng)的輸出值，成功證明了總體方案的正確性和可行性。通過(guò)仿真得到的輸出波形可以得出結(jié)論：整個(gè)電源系統(tǒng)具有穩(wěn)定性，能夠得到相應(yīng)的輸出值，在實(shí)際生產(chǎn)中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是多輸出反激式開(kāi)關(guān)電源，分析其工作原理和組成結(jié)構(gòu)，對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，從實(shí)際運(yùn)行模型角度考慮，并在仿真軟件中進(jìn)行模型仿真。在MATLAB/Simulink仿真軟件中對(duì)反激多輸出電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到±5 V輸出電壓，驗(yàn)證了系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確性與可行性。