变压器双向磁化类变换器工作原理的讲解方法

第28卷 第5期 2006年10月 电气电子教学学报 JOURNAL OF EEE Vol. 28 No. 5 Oct. 2006 变压器双向磁化类变换器工作原理的讲解方法 龚春英 (南京航空航天大学 自动化学院,江苏 南京210016) 摘 要:在电力电子技术课程中,推挽式、 半桥式和全桥式隔离型变换器电路属一类变压器磁芯双向磁化的基本电路,在实际中得到广泛的应 用。如何给学生解释清楚铁心双向对称磁化的原理是一个教学难点。本文以推挽电路为例分析了铁心双向对称磁化工作机理。从带磁复位 绕组的单端正激变换器的变压器铁心磁化工作原理出发,将推挽变换器看成是两个带磁复位绕组的单端正激变换器的组合。并从空载时占空 比小于四分之一情况出发,循序渐进地全面细致地分析了各种负载情况下的工作原理,这种讲解思路严谨且易于被学生理解和接受。 关键词:电力电子;变压器;双向对称磁化;教学方法 中图分类号:G64210 ;TM401 文献标识码:A 文章编号:1008 - 0686(2006)05 - 0018 - 05 The Way to Explain the Operation Principle of Symmetry Magneting Transformer in Power Electronics Course GONG Chun2ying ( College of A utomation Engineering , N anjing University of Aeronautics and Astronautics , N anjing210016, China) Abstract :In power electronics , push2pull converter , half2bridge and full2bridge isolation converter , in which the magnetic cores of transformer are magnetized bidirectionally which lead to high utility ratio are basic and important circuits. However , in the teaching of this course how to unpuzzle the principle of the magnetic cores symmetrically bidirectional magnetization is right difficulty. In this paper , the operation principle of transformer is analyzed with exemplifying the push2pull circuit. Firstly , the fundamental oper2 ation principium about the magnetization of magnetic core in forward converter with reset winding is in2 trodced , and the push2pull converter is the combination of two forward converters with reset winding in fact. In addition , the analysis of principle under kinds of loads will be outspreaded in proper sequence ba2 sing on the situation that the duty cycle is less than a quarter when unload. The explaining way proposed in this paper is not only preciseness but also prone to catch on and take in for students. Keywords :power electronics;transformer ;symmetry magneting ;teaching method 0 引言 现代电力电子技术课程教学中有一类基本变换 电路 隔离变压器双向磁化的变换器,包含推挽 式、 半桥式和全桥式变换器电路1 ,2,该类变换器具 有磁芯双向磁化,利用率高的优点。在讲授该特点 时学生经常会提出变压器为何如图1 (a)所示双向 对称磁化,而非图1(b)所示单向磁化或图 1(c) 所示 非对称磁化?如何给学生透彻地解释清楚铁心双向 磁化原理是一个教学难点。实际上该类变换器均可 看成是两个隔离型Buck电路并联交替工作组合而 成。本文以推挽电路为例,从带磁复位绕组的单端 正激变换器的变压器铁心磁化工作原理出发,将推 挽变换器看成是两个带磁复位绕组的单端正激变换 收稿日期:2006 - 07 - 11 ;修回日期:2006 - 08 - 28 作者简介:龚春英(1965 - ) ,女,浙江义乌人,教授,系副主任,从事电力电子技术的教学和科研工作。 器的组合。并从空载时占空比小于四分之一周期情 况出发,循序渐进地全面细致地分析了各种负载情 况下的工作原理。 (a)双向磁化 (b)单向磁化 (c)非对称磁化 图1 变压器的磁化类型 1 带磁复位绕组的单端正激变换器的 基本工作原理概述 变换器电路构成如图2所示。它由变压器T (N1/ N2 ) , 晶体管Q ,整流二极管D1,电感续流二极 管D3和滤波电容C组成隔离式Buck变换器。绕 组N3和二极管D2构成变压器T磁复位电路。隔 离式Buck变换器工作原理与Buck类似,唯一不同 之处是多了一个绕组N3。变压器部分还涉及一个 重要的概念 磁复位。 1) 磁复位 磁性元件正常稳态工作时一个周期内磁通变化 量必为零,也即在一个周期内某段时间内磁通(或 B) 磁化的增加量必须在另一时间段内恢复到原来 的工作点,即必须磁复位。也表现在一个周期内,任 意一个绕组的两端电压正负面积必定相等。 2) 基本工作原理及磁复位要求 假设铁心材料剩磁Br= 0。 Q导通时(Ton ) :D 1导通,电感磁通增加并储 能,能量从变压器原边送往负载端。变压器磁通从 0开始线性上升。 Q关断时:D1截止,D3导通,电感电流经D3续 流,电感磁通下降。变压器绕组反向感应电势使D2 正偏导通,致使变压器磁通下降回到初始值0 ,完成 磁复位。 在图2电路中,显然有两个磁性元件:变压器T 和电感L,其中电感工作如Buck电路,在Q导通期 间磁通增加,在Q关断期间通过D3导通磁通减小, 具有自动磁复位功能。而电路中的变压器则需要磁 复位电路 (D 2、N3)来实现磁复位。也即要求在TOFF 时间内磁通必须磁复位。图3为变压器磁通和副边 绕组电压波形。可以推导得到最大占空比必须满足 以下条件 DN1/ ( N1+ N3) N3=N1时, D0. 5 ,能保证磁通复位。 图2 单端正激变换器电路 图3 单端正激变换器主要波形 2 推挽变换器 图 4(a) 所示电路是一种推挽变换器,也可画成 如图4(b) (N11=N12,与N2耦合)所示的形式。该 电路实际上可等效为图5所示两个带磁复位绕组的 91第5期龚春英:变压器双向磁化类变换器工作原理的讲解方法 正激式电路组合而成,其中的Q1和Q2交替导通, 占空比小于0. 5。图5是图4在Q1和Q2分别导通 时的等效电路。在图 5 (a) 中N12D2为磁复位绕组 和二极管,在图5(b)中N11、D1为磁复位绕组和二 极管。根据同名端的设置关系可知,图5(a)、(b)两 个正激电路的变压器磁化方向相反。 (a)原始电路 (b)图(a)电路的另一种画法 图4 推挽变换器 (a) Q2截止时的等效电路 (b) Q1截止时的等效电路 图5 等效电路 为了更透彻地分析,下面对图4电路分几种情 况分别进行分析。 1) 空载占空比小于四分之一 参见图5(a) ,当Q1导通时,变压器绕组N11电 压黑点端(即同名端)为正, u2= ( N 2/ N11 ) U i=nUi, 变压器正向磁化磁通线性增大;当Q1关断时,D2导 通,变压器磁复位,绕组N12电压黑点端为负,u2= - ( N 2/ N12 ) U i= -nUi。变压器磁通线性减小,变 化速率与增大时相同,复位时间=T0N,磁通复位到 零后持续保持不变,u2= 0 ,直至Q2导通。 参见图5(b) ,当Q2导通时,绕组N12电压黑点 端为负,变压器反向磁化, u2= - ( N 2/ N12 ) U i= -nUi,磁通反向线性增大;当Q2关断时,D1导通, 变压器磁复位,绕组N11电压黑点端为正, u2= ( N 2/ N11 ) U i=nUi。变压器磁通变化斜率为正,磁通值 减小,变化速率与增大时相同,复位时间=T0N,磁 通复位到零后持续保持不变,u2= 0 ,直至Q1导通。 该死区时间为 t( =T/2 - 2Ton)。 由此可见,工作类似于两组正激电路组合,在占 空比小于四分之一周期工作时磁通断续。D1、D2起 磁复位的作用。显然,只要Q1、Q2导通时间相同相 位互差180度,电路参数完全相同,则该电路变压器 工作在双向对称磁化状态。 图6 占空比小于四分之一 2) 空载占空比大于四分之一 当Ton=T/ 4时,t= 0,磁通波形变成连续,各 管分别工作T/4。在此基础上继续增加占空比,已 不难理解Ton = ( T/4T/ 2) 时,工作波形如图7所 示。由于在实际电路工作时启动时具有软启动功能 02 电气电子教学学报 第28卷 图7 占空比大于四分之一 (即占空比从零缓慢增大到稳态值 ) , 故只要保证电 路参数对称就应工作在双向对称磁化状态。假如是 非软启动,直接在如图7所示占空比下工作,则有可 能工作在如图占空比= 0. 5时(驱动为实线)和非对 称磁化状态(驱动信号为虚线时)。 3) 纯电感负载占空比小于四分之一 图8为带电感负载的变换器。当Q1导通时, 绕组N11电压黑点端为正, u2=nUi,输出电流i2线 性上升,能量从电源送到负载;当Q1关断时,绕组 N12电压黑点端为负,D2导通,u2= -nUi,输出电流 i2线性下降,能量从负载回送到电源,i2下降到零后 维持不变直至Q2管导通。 变压器原边电路工作原理与空载考虑磁化电流 时类似,每一时段电流均叠加了一个负载电流折算 值。也即相当于等效磁化电感减小了,等效磁化电 感为原磁化电感与负载电感折算到原边的电感相并 联。各点电压和电流波形如图9所示。 图8 带纯电感负载推挽变换器 4) 纯电感负载占空比大于四分之一 变压器原边电路工作原理与空载考虑磁化电流 图9 纯电感负载占空比小于四分之一时波形 时类似。只是每一时段电流均叠加了一个负载电流 折算值。负载电流为连续对称三角波,各点电压电 流波形如图10所示。 图10 纯电感负载占空比大于四分之一 5) 纯电阻负载 当Q1导通时,绕组N11电压黑点端为正, u2= nUi,输出电流i2=u2/ R为恒值,能量从电源送到负 载;原边电流流过Q1,其值为磁化电流(随时间线性 增加)与负载折算值之和。 当Q1关断时,磁通复位时间应小于导通时间 Ton。绕组N12电压黑点端为负,并有两种工作模 式: (1)模式1 假设磁化电流峰值imnI2时,则 D2会导通一段时间,其间流过的电流iD2=im- nUi/R ,im按线性规律减小,变化率为Ui/L1,当iD2 = 0( 即磁化电流下降到等于U2 / R) 时,进入工作模 式2状态,图11为模式1下主要工作波形。 (2)模式2 磁化电流峰值imnI2时,则D2不 导通,直接进入模式2工作。磁化电流流过负载,u2 = -imR , im ( = - i2)按指数规律减小到零,磁化能 量释放在负载电阻上,im(i2)按指数规律下降,下降 速度与时间常数L2/ R(L2为副边绕组磁化电感)有 关,该时间常数越大,下降越慢,下降到零后维持不 变直至Q2管导通,图12为该模式2不同时间常数 12第5期龚春英:变压器双向磁化类变换器工作原理的讲解方法 图11 电阻负载模式1波形 (不同负载电阻值)下主要工作波形。 (a)电阻较大 (b)电阻较小 图12 电阻负载模式 2( imnI2)下波形 6) 电感性负载(电阻R+电感L) 与纯电感负载时不同之处是,副边电流按指数 规律变化,回馈能量的时间(续流二极管D1、D2导 通时间)减小,负载时间常数(L/ R)越小,回馈能量 的时间越少。占空比较大时(至少大于四分之一)磁 通波形才有可能为对称三角波。 如图13为电感性 负载在不同占空比时的两类波形。 (a)占空比较小L/ R较小时 (b)占空比较大L/ R较大时 图13 电