第四章输入与输出隔离介绍

第四章输入与输出隔离的各种变换器结构 四种基本的非隔离开关电源 Vin Io Vo Vin D Vo Vin 1 D Vo Vin 降压型电路 Vo Vin 升压型电路 Buck变换器 Boost变换器 Vo Vin D 1 D VoVin当D 0 5升降压型电路 Vo Vin D 1 D Buck Boost变换器 Boost Buck变换器 VoVin当D 0 5升降压型电路 四种基本变换器的比较 前三种由电感传送能量 cuk用电容传输能量变换器电气特性与电感电流的工作状态密切相关电感 电容器能量储放作用 其参数 连接为低通滤波器 Buck和Boost变换器是最基本的 开关电源的种类 按照拓扑结构可以分为2中基本的类型 非隔离型和隔离型 1 Buck变换器 也称降压变换器非隔离型2 Boost变换器 也称升压变换器3 Buck Boost变换器 也称升降压变换器4 Cuk变换器 也称串联变换器隔离型 正激式 反激式 推挽式 半桥式 全桥式 三种基本的隔离开关电源 Vin Vo S Lm D Vin Vo L S D1 D2 Vin Vo L S1 D1 D2 S2 正激型变换器 反激型变换器 桥式变换器 第二节反激变换器 Flyback 基本电路模型 Flyback 回扫型 反激式变压器的基本结构和原理 原理 在开关S导通时 输入电压Vi加在变压器一次侧线圈上 同名端 相对异名端为负 二次侧二极管D反偏截止 初级电流线性上升 线性电感 变压器作为电感运行 变压器储存能量 此阶段没有能量传到次级 电容C单独向负载供电 在开关S断开时 由楞次定理 E N T 变压器原边绕组将产生一反向电动势 此时输出整流二极管D正向导通 向次级负载提供能量 关键点 反激式开关电源的核心就是将变压器当做一个电感来看 先储能 后释放能量 电路特点 变压器初级磁通是单向的 故称该变压器为单端变压器输出电容器C和负载在开关管截止时从变压器次级获得能量 故称为反激式 反激式变换器的定义及优点 定义 反激式转换器又称单端反激式或 Flyback 转换器 因其输出端在原边绕组关断时获得能量故而得名 在反激变换器拓扑中 开关管导时 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 以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量 优点如下 a 电路简单 能高效提供多路直流输出 因此适合多组输出要求 b 输入电压在很大的范围内波动时 仍可有较稳定的输出 无需切换而达到稳定输出的要求 c 转换效率高 损失小 d 变压器匝数比值小 但因磁性元件即是储能的电感又是变压器 设计时比较困难 输入输出电流有较大尖峰并且是脉动的 反激式变换器的工作模式 反激变换器分两种工作模式 DCM和CCM 实际工作时 尤其是工作在宽电压模式 负载变换较大时 一般都跨越这两种工作模式 1 电感电流不连续模式DCM DiscontinuousInductorCurrentMode 或称 完全能量转换 Ton时储存在变压器中的所有能量在反激周期 Ton 中都转移到输出端 2 电感电流连续模式CCM ContinuousInductorCurrentMode 或称 不完全能量转换 储存在变压器中的一部分能量在Toff末保留到下一个Ton周期的开始 两种工作模式的区别 a DCM状态下在开关管导通期间 能量完全转移中波形具有较高的原边峰值电流 这是因主初级电感值Lp相对较低之故 使Ip急剧升高 其负面影响是增加了绕组损耗和输入滤波电容器的纹波电流 从而要求开关管必须具有高电流承载能力 方能安全工作 b 在CCM工作状态中 原边峰值电流较低 但开关管在导通时有较高漏极电流值 因此导致开关管高功率的消耗 同时为达到CCM 就需要有较高的变压器原边电感值Lp 由于要在变压器磁芯中储存残余能量则要求变压器的体积较DCM时要大 而其它系数是相等的 反激变换器理想工作波形 反激变换器实际工作波形 以DCM模式为例 当开关S闭合时 初级电流线性上升 斜率为 当开关S断开时 初级电流Ip达到最大值 变压器在开关管一个导通周期储存的能量是 当功率管关断时 次级二极管D正偏导通 次级电流会经历一个从小到大 原边电流过渡到副边电流 又从大到小 副边电流对负载供电 的过程 在稳定状态下 磁通增量 在Ton时的变化必须等于Toff时的变化 否则会造成磁芯的饱和 即变压器原边绕组每匝的伏秒值等于副边绕组每匝的伏秒值 因此 即 而 漏感对开关管关断瞬间的尖峰电压影响由于变压器漏感的存在及其它分布参数的影响 反激电源在开关管关断瞬间会产生很高的尖峰电压 这个尖峰电压严重威胁着开关管的正常工作 必须采取措施对其进行抑制 目前 有很多方法可使实现这个目的 其中RCD钳位法以其结构简单 成本低廉的特点而得以广泛使用 开关管关闭后 能量传递给次级 因为工作在非连续模式 在开关管再次导通前 初级储存的能量将全部传给次级 输入功率P 即1s内传递的能量 为 将带入上式 得到 由上式可以转换为 此即计算反激式变压器初级电感量的基本公式了 电感值Lp和集电极最大工作电流 由于 反激式变换器之反激变压器设计 1 首先确定电源设计所需的标准在开始设计变压器之前 根据电源的规范必须定义一些参数如下 1 电源的工作频率f 2 预计电源的效率 3 最小直流母线电压Vmin 4 最大占空比Dmax 2 确定总输出功率 他包含所有次级输出功率 公式如下 3 选定磁芯规格1 AP法 AP Aw Ae2 实际上 磁芯的初始选择一般是很粗略的 因为变量太多了 一般情况是参考以前的案列初步选择磁芯 这边有一个输出功率和磁芯的对照表 4 初级线圈的最少匝数Npmin选定磁芯型号后 就可以根据磁芯手册查的磁芯有效截面积Ae 根据选用的磁芯材质型号确定最大磁通密度变化量 B 单位是 Gs 由下式得出为变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数 5 确定输出匝数式中 Np和Ns分别是初级绕组和次级绕组的圈数 其中的Ns对于多输出绕组来说 指的是主输出绕组 其余的输出绕组的匝数按照下面的公式求得 Ns主 Ns辅 VS主 Vf1 VS辅 Vf2 6 变压器的气隙由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线 磁芯在交 直流作用下的B H效果与AIRGAP大小有密切关联 看下图 在交流电流下气隙对 Bac无改变效果 但对 Hac将大大增加 这是有利的一面 可有效地减小CORE的有效磁导率和减少原边绕组的电感 在直流电流下气隙的加入可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC 而BDC却维持不变 因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和 这对能量的储存与传递都是有利的 当反激变压器工作于CCM时 有相当大的直流成份 这时就必须有气隙 7 线圈导线尺寸初级电流峰值 初级电流有效值 次级电流的峰值 次级电流的占空比 工作在开关频率式导线的趋肤深度 如果导线线径超过趋肤深度 应选用横截面积相近的多股线绕制 7 线圈结构为减少漏感 常采用三明治绕法 常用N1 2 N2 N1 2 反激式变换器之反激变压器设计 1 首先确定电源设计所需的标准在开始设计变压器之前 根据电源的规范必须定义一些参数如下 1 电源的工作频率f 2 预计电源的效率 3 最小直流母线电压Vmin 4 最大占空比Dmax 2 确定总输出功率 他包含所有次级输出功率 公式如下 3 选定磁芯规格1 AP法 AP Aw Ae2 实际上 磁芯的初始选择一般是很粗略的 因为变量太多了 一般情况是参考以前的案列初步选择磁芯 这边有一个输出功率和磁芯的对照表 4 初级线圈的最少匝数Npmin选定磁芯型号后 就可以根据磁芯手册查的磁芯有效截面积Ae 根据选用的磁芯材质型号确定最大磁通密度变化量 B 单位是 Gs 由下式得出为变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数 5 确定输出匝数式中 Np和Ns分别是初级绕组和次级绕组的圈数 其中的Ns对于多输出绕组来说 指的是主输出绕组 其余的输出绕组的匝数按照下面的公式求得 Ns主 Ns辅 VS主 Vf1 VS辅 Vf2 6 变压器的气隙由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线 磁芯在交 直流作用下的B H效果与AIRGAP大小有密切关联 看下图 在交流电流下气隙对 Bac无改变效果 但对 Hac将大大增加 这是有利的一面 可有效地减小CORE的有效磁导率和减少原边绕组的电感 在直流电流下气隙的加入可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC 而BDC却维持不变 因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和 这对能量的储存与传递都是有利的 当反激变压器工作于CCM时 有相当大的直流成份 这时就必须有气隙 7 线圈导线尺寸初级电流峰值 初级电流有效值 次级电流的峰值 工作在开关频率式导线的趋肤深度 如果导线线径超过趋肤深度 应选用横截面积相近的多股线绕制 7 线圈结构为减少漏感 常采用三明治绕法 常用N1 2 N2 N1 2 双管反激变换器 第三节正激变换器 正激变换器的工作原理 单端正激变换器的主电路 开关管Q按PWM方式工作 D1是输出整流二极管 D2是续流二极管 Lf是输出滤波电感 Cf是输出滤波电容 变压器有三个绕组 W1原边绕组 W2副边绕组 W3复位绕组 正激变换器的不同开关状态 开关管Q导通 电源电压VIN加在原边绕组上 变压器铁芯磁通 增加 则变压器铁芯磁通增量 正激变换器的不同开关状态 由得变压器原边磁化电流 式中LM是原边绕组的励磁电感 副边绕组W2上的电压为 此时整流二极管D1导通 续流二极管D2截止 流过滤波电感Lf的电流增加 显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样 变压器原边绕组电流 正激变换器的不同开关状态 Q关断 变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过 此时变压器通过复位绕组进行磁复位 励磁电流iM从复位绕组W3经过二极管D3回馈到输入电源中去 此时整流管D1关断 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流 复位绕组电压 此时整流管关断 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流 显然和BUCK变换器类似 在此开关状态中 加在Q上的电压为 电源VIN反向加在复位绕组W3上 故铁芯被去磁 铁芯的磁通 减小 铁芯磁通 的减小量 式中Tr ton是去磁时间 变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为 正激变换器的不同开关状态 励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中 并开始线性减小 在Tr时刻 变压器完成磁复位 正激变换器的不同开关状态 正激变换器的不同开关状态 Q关断状态中 所有绕组均没有电流 它们的电压为零 滤波电感电流经续流二极管续流 在此时Q上的电压为 由于在正激变换器中磁通必须复位 得 整理得 正激变换器的不同开关状态 如果W1 W3 则去磁时间小于开通时间即开关管的工作占空比 如果W1W3 Q管电压大于2倍输入电压 W1 W3 Q管电压小于2倍输入电压 为了充分提高占空比和减小Q两端电压 必须折衷选择 一般选W1 W3 这时 而Q管电压等于2倍输入电压 由于单端正激变换器 Forword 变换器实际上是一个隔离的BUCK变换器 因此其输入和输出关系为 正激变换器的不同开关状态 单端变换器的磁复位技术使用单端隔离变压器之后 变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值 这是产生的新问题 称为去磁复位问题 因为线圈通过的是单向脉动激磁电流 如果没有每个周期都作用的去磁环节 剩磁通的累加可能导致出现饱和 这时开关导通时电流很大 断开时 过电压很高 导致开关器件的损坏 剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量 如何使此能量转移到别处 就是磁芯复位的任务 具体的磁芯复位线路可以分成两种 一种是把铁芯残存能量自然的转移 在为了复位所加的电子元件上消耗掉 或者把残存能量反馈到输入端或输出端 另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位 具体使用那种方法 可视功率的大小 所使用的磁芯磁滞特性而定 磁复位技术 典型的两种磁芯磁滞特性曲线 磁复位技术 在磁场强度H为零时 磁感应强度的多少是由铁芯材料决定 图a的剩余磁感应强度Br比图b小 图a一般是铁氧体 铁粉磁芯和非晶合金磁芯 图b一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯 对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯 一般使用转移损耗法 转移损耗法有线路简单 可靠性高的特点 对于剩余磁感应强度Br较高的铁芯 一般使用强迫复位法 强迫复位法线路较为复杂 简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成 稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联 磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗 它具有两种功能 既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量 在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电感 寄生电感 存在 这个电感中也有存储的能量 因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结 这种电路只适用于小功率变换器中 磁复位技术 几种磁复位方式 第三线圈复位法RCD复位有源钳位双管正激 第三线圈复位法特点 优点 技术成熟可靠 磁化能量可无损地回馈到直流电网中去 缺点 附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化 开关管关断时 变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制 尤其是变压器满载时 开关管承受的电压与输入直流电压成正比 当变压器工作在宽输入电压范围时 必须采用高压功率MOSFET 而高压功率MOSFET的导通电阻较大 从而导致导通损耗较大 Uin Uinmax时 占空比d dmin很小 不易于大功率输出 RCD复位 t t2时开始磁复位 Cs与Lm谐振使得磁化电感能量有一部分转移到Cs中去 剩余的磁化电感能量和变压器漏感能量消耗在钳位电阻R中 t t0 t1期间 开关管导通变压器上的磁化电流增加 t t1时VM关断 随后以负载折算到原边的电流I0 n给Cs线性充电 Cs 晶体管输出电容 钳位二极管结电容 折算到原边的整流二极管结电容和变压器绕组电容之和 在t t3 t4期间 VDC导通 UDS的值保持为Uin Uc 磁化电流以一Uc Lm的斜率线性下降到零 在t t4 t5期间 Cs中储存的能量传递到磁化电感Lm中去 可推导出钳位电压为 Uc与Uin无关 增大Lm可降低Uc 增加Cs 可降低Uc 这可通过在VM漏源两端外并电容来实现 但这却增加了功率开关的容性开通损耗 减小源副边总漏感L1k可降低Uc 这是降低钳位电压的关键因素 RCD复位 优点 磁复位电路简单 功率开关电压较低 占空比d可大于0 5 适用于宽输入电压场合 缺点 大部分磁化能量消耗在钳位电阻中 因此 它广泛应用于价廉 效率要求不太高的功率变换场合 RCD复位法特点 有源钳位 为了简化分析 假设输出滤波电感L和钳位电容Ccl足够大 因此可将它们分别作为电流源和电压源处理 变压器用磁化电感Lm 原副边总漏感L1k和变比为n 1的理想变压器表示 每个开关周期分为七个区间 原理波形如右图所示 t t0时 功率开关VM开通 VDC与VD2截止 VD1开通 t t1时 功率开关VM关断 以Io n对电容Cs充电 使得UDs增大 t t2时 UDs Uin VD1关断 VD2开通 磁化电流对C2充电 即Lm与Cs谐振 部分磁化能量转移到Cs中去 t t3时 UDs Uin Uc1 VDC开通 im以 Uc1 Lm斜率下降