4 开关电源 隔离型DC DC变换器

1、电源技术电源技术及应用电源技术及应用电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l为什么要隔离DC/DC变换器(1)输入电压和输出电压差太大时，基本DC/DC转换器无法满足需要；(2)基本DC/DC转换器无法实现输入回路和输出回路的电气隔离；(3)基本DC/DC转换器无法实现多路输出；电源技术第三章第三章 隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器电

2、源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l基本Buck变换器p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器0tub0tuAO将开关接到高频变压器T的原边，想办法在副边产生UAO一样的波形，就可以得到具有隔离功能，且有Buck变化器特性的变换器。AO电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l单端正激变换器p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器当开关管导通时，变压器初级和次级匝数一样的话，右图与左图可以产生一样的输出结果；但是，当开关截止时，高频变压器能量 没有释放通道，因此会烧坏开关管及二极管。RLUOUiC0VT uBVD1VD

3、LRLVTVOViLVDC0 uB电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l磁芯能量p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器在开关导通时，变压器储能，同时为副边提供能量，当开关截止时，高频变压器仍有能量，包括两部分：(1)能剩磁存储的能量和非零电流产生的磁能。 RLUOUiC0VT uBVD1VDL0tub0tuAO电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l磁回滞线p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器HMM为磁感应强度；H为磁场强度与电流、线圈匝数及磁路有关Mr为剩磁 clNIH磁复位让磁场强度降为零rsMMMMr为剩

4、余磁感强度；Ms为饱和磁感强度电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁绕组p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器剩磁的不断积累会引起磁芯饱和，烧坏开关管；磁线圈的电流不能突变，否则会产生很大的感生电动势，并放电，烧坏开关，因此需要增加去磁绕组，开关管截止时磁场强度减小到零。 RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l磁饱和p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器HMMr为剩磁 clNIHLLI1rsMMM若 几个周期后即会磁饱和电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换

5、器变换器l工作原理p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器当VT导通时，初级线圈上正下负，次级绕组也是上正下负，VD导通，给出输出回路提供电能，如Buck变换器电路。 去磁绕组截止，VD1截止。RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l工作原理p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2当VT导通0tuVD10tuN10tiVD电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l工作原理p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器

6、当VT导通0tuVD10tuN10tiVD电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l工作原理p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器当VT截止时，初级绕组和次级绕组下正上负VD反偏截止。去磁绕组上正下负，VD2导通，释放磁芯的能量。输出回路有电感L供应电能。 RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l工作原理p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2当VT截止0tuVD10tuN10tiVD电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变

7、换器l工作原理p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器当VT截止0tuVD10tuN10tiVD电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁绕组p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器在VT截止期间，去磁绕组释放能量，电流不断减小，直到电流为零，此时输出回路又电感L提供电能。 RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁绕组p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD20tuVD10tuN10tiVD电源技术隔离型

8、隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l输出电压p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器输出平均电压： RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2iionoUNDNUTNTNU1212N3N2N1电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l开关管电压p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器输开关管承受的电压： RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2)1(31NNUUiaN3N2N1应取实际最大电压的1.52倍 电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l开关管选择p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正

9、激变换器输开关管承受的电压： RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2)1(31NNUUiaN3N2N1电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l开关管的选择p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器输出回路电感L电流变化量： RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2nLfnUUDTLUnUIoionoiL)()(N3N2N1输出回路电感L峰值电流： nLfnUUDIIoioL2)(maxioUnUDiooioLLfUUnUUII2)(max电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l开关管的选择p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变

10、换器单端正激变换器RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2N3N2N1开关管峰值电流： iooioLLnfUUnUUnII2)(max应取承受的最大电流的1.52倍。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l整流二极管和续流二极管的选择p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器RLUOUiC0VT uBVD1VDLVD2N3N2N1两二极管峰值电流： iooioLLfUUnUUII2)(max两二极管最大反向电压： nUUimax电流取峰值1.52倍，电压取峰值23倍电源技术第三章第三章 隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器p隔离型隔离型Buck变

11、换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器lBuck-boost 变换器-反激型变换器p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器电感储能型变换器UiVT uBN2VDUOC0N1RLVTUOUiVDC0L uB电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器lBuck-boost 变换器-反激型变换器p隔离型隔离型Buck-Boos

12、t变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器当VT导通时，N1上正下负，N2下正上负，VD截止，N1储能，电容C为负载供电；UiVT uBN2VDUOC0N1当VT截止时，N2上正下负，N1下正上负，VD导通，N2释放能量，为电容和负载供电。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器lBuck-boost 反激型变换器工作原理p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器当VT导通时，N1通，N2不通UiVT uBN2VDUOC0N1tLUii11oniptLUi11初级绕组最大电流：电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器lBuck

13、-boost 反激型变换器工作原理p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器当VT截止时，N1不通，N2通，UiVT uBN2VDUOC0N1tLUiiop222ppiNNi1212tLUtLNUNtLUiNNiooniop212121212电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l三种工作状态p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器(1)变压器磁通临界连续状态UiVT uBN2VDUOC0N1(2)变压器磁通不连续状态(3)变压器磁通连续状态电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l变压器磁

14、通临界连续状态p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器当 时UiVT uBN2VDUOC0N1021212offoonitLUtLNUNi0tuVD10tuN10tuDS0tid电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l变压器磁通不连续状态p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器当 时UiVT uBN2VDUOC0N102121offoonitLUtLNUN0tuDS0tid0tuVD10tuN1电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l变压器磁通不连续状态p隔离型隔离型Buck-Boost

15、变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器UiVT uBN2VDUOC0N12211pILW0tuVD10tuN1TWPiLOiORUPP2TLRtUULoniO12负载电阻越大输出电压越大。因此不能让电路开路，必须接入负载。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l变压器磁通不连续状态p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器UiVT uBN2VDUOC0N10tuVD10tuN1当VT截止时oNUNNU211开关管承受的电压TLRtUNNUUNNUULoniioiVT121212VT承受的电压与负载有关，注意负载的选择，否则会烧掉二极管

16、和开关管。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l变压器磁通连续状态p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器当 时UiVT uBN2VDUOC0N102121offoonitLUtLNUN0tuVD10tuN10tuDS0tid电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l开关管的选择p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器UiVT uBN2VDUOC0N1)1(222DLTUtLUIooffopTIIpO2poIID2122LTIUIoop电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器

17、l开关管的选择p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器UiVT uBN2VDUOC0N122121max1LTIUnINNIIooppVT当开关管导通时，开关管最大电流额定电流一般取此最大电流的1.52倍。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l开关管的选择p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器UiVT uBN2VDUOC0N1oVTnUUU1max当开关管导通时，开关管最大电压额定电压一般取此最大电压的23倍。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l二极管的选择p隔离型隔离型Buck

18、-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器UiVT uBN2VDUOC0N1oVDUnUU1max当开关管导通时，二极管截止VD承受的电压额定电压一般取此最大电压的23倍。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l二极管的选择p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器UiVT uBN2VDUOC0N1pI2当开关管截止时，二极管导通VD承受的电流额定电流一般取此最大电流的1.52倍。电容、电感及变压器的选择将在后面章节再讨论。电源技术第三章第三章 隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单

19、端正激变换器单端正激变换器p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁方法p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术由视在功率和磁芯磁滞特性曲线决定：(1)把磁芯残余能量自然消耗或传给输入/输出回路；(2)通过外加能量强制磁状态复位。视在功率P=IU，I为额定电流；U为额定电压；有效功率： 为电流和电压的相位差。cosPPeff电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l磁芯磁滞特性

20、曲线p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术剩余磁感应强度Br ：小，铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯等；大，无气隙镍-铁合金磁芯等电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁方法一p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术通过原边绕组线路完成磁芯磁性复位和开关管的保护，能量消耗在稳压管和二极管上。效率低使用与小功率情况。Ui SN2UOVD2N1VZVD1电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁方法一p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术通过副边绕组线路完成磁芯磁性复位和开关管的保护，能量消耗在稳压管和二极管

21、上。效率低，适用于小功率的情况。Ui SN2UOVD2N1VZVD1电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁方法一p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术通过去磁绕组把能量送回输入电源，效率高。正激型DC/DC变换电路正是采用这种方法。但开关管开路电压与Nr有关Ui SN2UOVD2NrNP)1(rpiaNNUU电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁方法二p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术变压器磁芯剩磁感应强度Br较大时，上述的磁复位方法难以满足要求。通过附加绕组和恒流源组成去磁环路，强制磁复位。Ui UaN2VD

22、2N1 S电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁方法二p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术通过外加恒磁体强制磁复位。Ui SN2UOVD2N1NS电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l去磁方法二p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术利用滤波电感组成恒流源强制去磁。Ui UaN2UOVD1N1 SL1VD2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l高压电源变压器去磁方法p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术高压电源中，采用方法一开关管开路电压特别大，需要引用新的方法复位磁芯。Ui UaN

23、2UOVD1N1 SL1VD2 Ua S电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l高压电源变压器去磁方法p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术高压电源中，采用方法一开关管开路电压特别大，需要引用新的方法复位磁芯。（输入回路复位）Ui UaN2UOVD1N1 SL1VD2 Ua S电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l高压电源变压器去磁方法p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术高压电源中，采用方法一开关管开路电压特别大，需要引用新的方法复位磁芯。（输入回路复位）N2UOVD1L1VD2Ui SN1N1VD1 Ua S电源技术第三

24、章第三章 隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器p隔离型隔离型Buck变换器变换器-单端正激变换器单端正激变换器p隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器-单端反激型变换器单端反激型变换器p单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l隔离型Cuk变换器的构成p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器普通Cuk变换器RLUOUiVDC2L2VT uBL1C1电源技术第二章第二章 基本的基本的DC/DCDC/DC变换器变换器pCuk变换器变换器Cuk型变换器基本电路RLUOUiVDC2L2VT

25、 uBL1C100tuBuVD电源技术第二章第二章 基本的基本的DC/DCDC/DC变换器变换器pCuk变换器变换器RLUOUiVDC2L2VT uBL1C1RLUOUiVDC2L2VT uBL1C0C1UVDtub00tUA0tA电源技术第二章第二章 基本的基本的DC/DCDC/DC变换器变换器pCuk变换器变换器RLUOUiVDC2L2VT uBL1C0C1RLUOUiVDC2L2VT uBL1C0C1N2iL1tub00tiL10t0tA电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l隔离型Cuk变换器工作原理p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器当VT导通时RLUOUiVDC2L2

26、VT uBL1C0C1N2RLUOUiC2L2L1C0C1N2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l隔离型Cuk变换器工作原理p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器当VT截止时RLUOUiC2L2L1C0C1N2RLUOUiVDC2L2VT uBL1C0C1N2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l输入输出电压关系式p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器两个基本假设：(1)变压器是理想变压器；(2)C0和C1足够大，因此充放电造成的电压波动可以忽略。电感两端的伏秒平衡原则，实际上就是电感电流的增加量和减少量相等。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l

27、隔离型Cuk变换器工作原理p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器当VT导通时，L1两端电压为Ui；L2两端电压为RLUOUiC2L2L1C0C1N2nUUUuUUCCoNCo0121-电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l隔离型Cuk变换器工作原理p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器当VT截止时，L2两端电压为Uo；L1两端电压为101-CCiNCoinUUUuUURLUOUiC2L2L1C0C1N2电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l隔离型Cuk变换器工作原理p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器根据电感L1伏秒平衡原则0）（10offCCionitnUUUtU

28、根据电感L2伏秒平衡原则0）（01onCCooffotnUUUtUiCCUDnUU1110oCCnUDnUU110)1(DnDUUio电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l带隔离的Cuk变换器的特点p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器Cuk变换器的输入输出电流连续，具有很小的纹波分量。利用磁集成技术可以进一步减小纹波。电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l隔离型Cuk变换器的设计p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器(1)输入存储电感L1的选择：TnUUnUtoioonioniItUL1)1(DnDUUio伏秒=电感电流变化量电源技术隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器l隔离型Cuk变换器的设计p带隔离的带隔离的Cuk变换器变换器耦合电容 C0和C1的选择：）-1（01onioffitItICUiooUUII1toff, 取C0纹波电压U1TnUUnUtoioon)(10oiiioonUUUTUUUICRLUOUi