基于MATLAB单管正激变换器的仿真与设计

王金雪，梁二文，刘政宇，徐博，郭鸿涛

（1.黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150022；2.哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150006）

0 引言

电源是电器设备必不可少的一部分，开关电源与线性电源是目前应用最广泛的电源。随着电力电子相关技术的进步与发展，开关电源相关技术不断创新，逐渐向集成化、小型化、精密化、高频化等方向发展。开关电源广泛应用于中小型家用电器、工业自动化设备、医疗设备、军事与国防、航天技术等领域，近年来，开关电源行业总体发展态势良好，市场规模不断扩大，在我国电源行业占有较大比重[1]。本文分析正激开关电源的工作原理，提出合适的设计方案，对参数计算和器件选择有较多讨论。

1 概述

开关电源是一种高频转化装置,可以通过不同的变化电路得到需要的输出电压和电流。具有损耗小、效率高，稳压能力强等优点[2]。

正激变换器是隔离型开关电源，与同属隔离型开关电源的反激变换器结构和原理有较多相似处。隔离型开关电源输入输出不共地，通过电磁感应作用实现能量的转移，具有很好的安全性，其与非隔离型电源的主要区别在于是否有隔离变压器。

正激式变换器多用于大功率场合，可调节单个开关管占空比调节输出电压，此为单管正激，还有一种方法为通过两个开关管交替导通改变输出电压，为双管正激。单管正激需要专门的磁复位电路，双管正激磁复位方式较简单，且开关管承受的电压减半，电路更为复杂[3]。

2 工作原理

2.1 正激变换器

在给Buck电路加入变压器隔离的情况下，如果没有磁复位绕组，开关管导通，变压器原边、副边的电压为上正下负，变压器原边的励磁电流从零开始线性增加，开关管关断，电流不再增加，开关管下一次开通时，电流继续增加。电流达到一定程度时，磁感应强度不再增加，变压器磁芯饱和，导致绕组电感量大大降低，由于电感感抗对电流有阻碍作用，电感量降低导致电流急剧增大，可能损坏开关元件，需要加入磁复位绕组。开关管关断，变压器原边副边无电流流过，能量转移到磁复位绕组，与二极管、电源形成回路，向电源反馈能量。电路降压原理与buck相同，即开关管导通，变压器一次、二次绕组上正下负，通过整流二极管向负载供电，流过电感的电流逐渐增大，开关管关断，电感电流不为零且不能突变，流经续流二极管，形成回路。在实际应用中续流二极管压降可能在0.5V左右，对小功率开关电源来说损耗较大，可用开关管代替续流二极管以减少损耗。

2.2 反馈隔离

反馈隔离通过PC817与TL431配合实现，TL431是一种可动态改变稳压值的稳压源，其外接两个电阻，改变电阻阻值即可改变基准值，其动态输出阻抗低，典型值为0.2Ω。三个管脚分别为阳极、阴极、参考极。具体工作原理为：当正激变换器输出电压升高，采样电阻分压增大，因而TL431采样值增大，流过TL431的电流也增大，内部电路分压增大，导致输出管脚电压减小，实现稳压作用[4]。

PC817是光耦器件，共有四个引脚，为两个输入端与两个输出端，其工作原理为发光二极管有电流流过时，光信号可看作光电晶体管的输入电流，晶体管放大后有一定的输出，输入与输出无电气连接，实现隔离。

PC817输出端管脚连接UC3844的COMP（补偿管脚）与8脚（参考），输入连接TL431阴极，当TL431导通电流增大时，PC817输入电流也增大，输出端电流增大，芯片的参考电压降低，PWM占空比减小。反之，输出电压降低时，PWM占空比增大。

2.3 芯片

芯片选择UC3844，它是高性能电流模式控制器。PC817的输出由芯片补偿管脚输入，内部电路具有一个仅灌正真逻辑的误差放大器，输入1脚的电感电流与误差放大器的输出接在一起，当二者相等时，送入电流检测比较器的电平即不再增加。该电平与来自电流取样管脚的取样电流进行比较，送入脉宽调制锁存，只有振荡器在下个周期送入信号时，锁存器的输出状态才会改变[5]。

电流取样管脚同向端（3脚）连接了开关管源极与地之间串联的电阻，此电阻将取样电流转换为电压。由于电流比较器的比较输出作用，电感电流能达到的最大值随取样电流变化。如果电源输出太高，电流检测比较器的比较门限为前卫二极管的电压1V。芯片内部还有一个图腾柱结构，其功能和外部电路图腾柱功能相同，可以放大驱动外部mos管的电流。

3 方案设计

3.1 系统设计指标

设计目标：输入电压范围：DC 40～48V

额定输出：5V，5A

满载效率：η＞=80%

输出最大纹波电压ΔVop-p＜=60mV

开关频率：75kHz

3.2 系统总体框图

系统总体流程图如图1所示。

图1 系统总体流程图

3.3 各部分电路设计

3.3.1 整体电路

系统整体电路图设计如图2所示。

图2 系统整体电路图设计

3.3.2 辅助电路

辅助电路可以用较简单的BUCK电路实现，但是对整个设计的效率影响相对于稳压芯片可能更大。常用的稳压芯片为78xx系列，UC3844为16V启动，可以选用7818，但是78xx系列芯片输入电压不能超过36V[6]；LM317也是一款可稳压的电源类芯片，其输入电压不能超过40V，所以当从输入端采的电压为40～48V时，需要选用更高耐压值的芯片代替。辅助电路设计如图3所示。

图3 辅助电路设计

LM2576是一款常用的DC-DC降压型稳压芯片，其输出电流可达3A，外围元件简单，设计容易，具有很高的工作效率[7]。LM2576系列具有较大的调节范围，有输出电压为范围内固定值的，也有输出电压为范围内可调值的，带有后缀字母“Adj”的输出电压可调。该芯片的输入电压可以为低压也可以为高压，芯片后缀为“HV”，其输入电压可达40～60V，低压的输入电压为40V。为留出一定裕量，本设计选用输出电压可调的LM2576-Adj。

3.3.3 驱动电路

三极管具有开关和放大作用，三极管集电极电流受基极电流控制，Ic=βIb,如果放大倍数足够大，基极电流很小的变化会引起集电极电流很大的变化[8]。假设mos管寄生电容较大，当驱动信号到来时，mos管处于关断状态，UGS=0，UGD为负的输入电压，CGS充电，CGD放电，栅源极电压UGS逐渐升高。UGS到达阈值电压时有电流流过，CGD较大，放电时间较长，栅极驱动电流基本用于CGD放电，栅源电压增加缓慢，所以寄生电容影响开关速度，在高频电路中，需要加入驱动电路，其作用是放大电流，抵消寄生电容的作用。

本设计采用的驱动电路由两个三极管组成，三极管基极连接在一起，通过电阻连接芯片输出管脚，输出信号经Q3的放大作用驱动开关管，加快mos管启动；Q4集电极接地，当开关管关断时，寄生电容经Q4放电，关断速度加快[9-10]。本设计中Q3和Q4也称为对管，通常选用8050和8550，8050为PNP型三极管，8550为NPN型三极管。输入电压可以和芯片相同，所以接在芯片电源管脚。

4 参数计算

4.1 变压器部分

选 择PC40材 料：Bs=0.39TBr=0.055TΔBm=0.2T

选 择EE40Ae=128mm2Aw=108Ap=1.3824cm4

取Dmax=0.43Vin=Vinmin

取Nm=Np=9

4.2 电感器部分

选 磁 芯 型 号T106-26μr=75Bs=1.4T Al=93nH/N2Lc=6.49

5 仿真电路

与实际参数计算略有不同，在变压器参数计算中，实物设计主要考虑磁芯选择、匝数和线径选择等，而在仿真过程中则要对变压器各相阻值与电压值稍作修改，用示波器和电压表电流表可对仿真结果进行分析，Matlab仿真如图4所示。输出电压为4.972V，输出电流为4.972A，设计的效率可达到85%以上，达到了设计要求。

图4 Matlab仿真图

6 结语

本文设计的单管正激电路实现了输入为DC 40～48V，输出为5V/5A的功能，选用UC3844控制开关管占空比，对部分外围元件的选型也经过了严格的参数计算，在Matlab 仿真电路中，应用PID实现反馈功能，与实际电路原理一致，验证了设计的合理性。