合肥工业大学 电力电子技术第十一讲第三章

1、3.4.3 3.4.3 隔离型隔离型CukCuk变换器变换器首先将C1分成两个相串联的电容C1 C2，得到图3-20(b)图3-20(a)的Cuk变换器，只能提供一个反极性、不隔离反极性、不隔离的单一输出的单一输出电压，在要求有不同的输出电压和不同极性的多组输出多组输出时，特别要求输入、输出之间电气隔离输入、输出之间电气隔离时，就需要加入隔离变压器 3.4.3 3.4.3 隔离型隔离型CukCuk变换器变换器断开A点，并在A点插入变压器，即将Cuk直流变换器演变成隔离型Cuk变换器3.4.3 3.4.3 隔离型隔离型CukCuk变换器变换器 隔离型Cuk变换器的工作原理是与Cuk型变换器相同的

2、，其输出电压与输入电压的关系是在式3-39基础上加入变压器的变比N1/N2 隔离型Cuk变换器的显著特点是：由于电容电容C1、C2隔直流隔直流的作用，变压器的原、副边绕组均无直流流过且是连续变压器的原、副边绕组均无直流流过且是连续的，具有较小的纹波分量 隔离型Cuk变换器的磁芯是双方向磁化双方向磁化的，没有直流磁化没有直流磁化导致饱和的可能性，不需要加气隙，体积可以做得较小 与其它只有一个开关管的单端电路相比，隔离型Cuk变换器的变压器体积小一半变压器体积小一半，而且绕组面积减小绕组面积减小，铜耗也减小铜耗也减小i12o1UDDNNU（3-64）3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器

3、 对图3-15(a)所示的正激变换器若将续流二极管VD1去掉，滤波电感将经过变压器副边绕组和整流二极管VD续流，电路仍然可以工作图3-15a 单端正激变换器3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 若将两个开关管的控制信号占空比相同占空比相同，在相位上相位上相差相差180o的这种经过变压器副边绕组和整流二极管VD续流的变换器的输入和输入和输出都并联输出都并联起来对同一个对同一个负载供电负载供电，就构成了双正双正激变换器激变换器，如图3-21(a)所示图3-21双正激变换器电路拓扑3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 若使图3-21(a)两个变压器共用一个磁芯两个变压器共用一

4、个磁芯，如图3-21(b)所示每个正激变换器都将以另一个正激变换器的原边绕组另一个正激变换器的原边绕组和IGBT的反并联二极管的反并联二极管进行磁复位磁复位3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 由于两个正激变换器的原边绕组和IGBT的反并联二极管互为对方的磁复位电路，可将原先的磁复位电路去掉将原先的磁复位电路去掉就构成如图3-21(c)所示的推挽变换器推挽变换器 整理后的电路如图3-21(d)所示3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 假定电路已工作在稳定状态，两个开关管VTl、VT2的驱动信号相位相差180o且考虑变压器剩磁能量的释放 推挽式变换器一个开关周期有6个工作

5、阶段（a）能量传输阶段 t0 t1阶段，能量传输阶能量传输阶段段，电流路径示意图如图3-23(a)所示VT1导通时，Ui加到NP1上，所有带“*”端为负，VT2的集电极通过变压器耦合作用承受2Ui的电压。副边绕组NS1“*”端为负，电流流经VD3、L到负载上3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器t1 t2阶段，剩磁能量复位剩磁能量复位阶段阶段电流路径示意图如图3-23(b)所示VT1和VT2均关断，变压器的剩磁能量一方面通过VT2的反并联二极管VD2馈送到电源，另一方面通过VD4馈送到负载。这时VT1上承受的电压为2Ui，t2时刻剩磁能量全部释放完毕 （b）剩磁能量复位阶段 3.4.

6、4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器t2 t3阶段，续流阶段续流阶段，电流路径示意图如图3-23(c)所示VT1和VT2仍关断，电感L中的电流通过变压器副边绕组和二极管VD3、VD4续流，这时，VT1和VT2承受的电压均为Ui（c）续流阶段 3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器t3 t4阶段，能量传输阶能量传输阶段段电流路径示意图如图3-23(d)所示VT2导通时，Ui加到NP2上所有带“*”端为正，VT1的集电极通过变压器耦合作用承受2Ui的电压。副边绕组NS2“*”端为正，电流流经VD4、L到负载上（d）能量传输阶段3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器t3 t4

7、阶段，能量传输阶段能量传输阶段电流路径示意图如图3-23(d)所示VT2导通时，Ui加到NP2上所有带“*”端为正。VT1的集电极通过变压器耦合作用承受2Ui的电压。副边绕组NS2“*”端为正，电流流经VD4、L到负载上 （e）剩磁能量复位阶段 3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器t5 t6阶段，续流阶段续流阶段，电流路径示意图如图3-23(f)所示VT1和VT2仍关断，电感L中的电流通过变压器副边绕组和二极管VD3、VD4续流，这时，VT1和VT2承受的电压均为Ui（f）续流阶段 3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 假设，NP1 = NP2 = NP，NS1 = N

8、S2 = NS，忽略损耗，且不考虑剩磁复位时间，则输出电压由式3-65决定： iiPSionPSo222UDUDNNUTtNNU（3-65） 式中：NP、NS分别为变压器原、副边绕组匝数，D为开关管的占空比，Ui为原边绕组输入电压峰值，US为副边绕组输出电压峰值 3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 在推挽变换器推挽变换器中，要求功率管的电压额定值必须至少是两功率管的电压额定值必须至少是两倍的直流输入电压倍的直流输入电压。若直流变换器是从交流电网供电，国内常为50Hz、220V电网，这时从电网直接整流，输出的峰值电压为1.4220308V，这时开关管上的电压为2308=616V(忽略硅

9、桥式整流器约2V的压降)，再考虑23倍的安全裕量倍的安全裕量，功率管的额定电压分别为(23)61612321848V。目前，具有合适的开关速度、电流以及电压额定值均满足的管子价格较昂贵。 从交流电网直接供电的情况从交流电网直接供电的情况，很少采用推挽电路很少采用推挽电路，在这种情况下，通常采用双管正激、全桥或半桥变换器通常采用双管正激、全桥或半桥变换器。3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 在如图3-14所示的单管正激变换器中，开关管承受电压高容易击穿 可用两个开关管（VT1、VT4）串联串联起来代替VT使用（对降低开关管电压应力具有重要意义） 加入VD2、VD3两个二极管（二极管VD

10、2、VD3导通时具有箝位作用使VT1、VT4关断时所受的电压均在Ui左右） 利用变压器原边绕组本身进行磁复位，从而得到如图3-24 a)所示的双双管正激变换器管正激变换器图3-14单管正激变换器图3-24 a) 双管正激变换器 3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 将两个开关管的控制信号占空比（D0.5）相同，在相位上相差180o的双管正激变换器的输入输入和输出输出都并联并联起来对同一个负载供电对同一个负载供电，如图3-25(a)所示双管正激变换器图3-25图3-253.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 图3-25(a)所示的电路中每只变压器的利用率均只有一半每只变压器的利用率

11、均只有一半将两只变压器将两只变压器T1,T2合并合并为一个变压器T，如图3-25(b)所示整理后的电路如图3-26(a)所示，这就是全桥变换器全桥变换器图3-26 a)3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 全桥变换器的开关管工作方式为：u开关管开关管VTl、VT4的驱动信号相位相同的驱动信号相位相同u开关管开关管VT2、VT3的驱动信号相位相同的驱动信号相位相同u两组驱动信号相位相差两组驱动信号相位相差180o3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 假设变压器为理想变压器，变换器一个开关周期分为4个工作阶段（a）能量传输阶段 图3-26 全桥变换器电路主要工作波形 uG1/4uc

12、e1iT1UiUi/20000tttuT0ttuG2/3t0t1t4t3t2t5t63.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器（a）能量传输阶段 t0 - t1能量传输阶段能量传输阶段，电流路径示意图如图3-27(a)所示t0时刻，给VTl、VT4加驱动信号，VT1、VT4饱和导通，集电极电流流过原边绕组NP，该电流由负载电流折算值负载电流折算值和磁化电流磁化电流所组成并以额定速率逐渐上升同时，副边的整流二极管VD5导通，VD6关断。电流上升速率由滤波电感L确定3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器uG1/4uce1iT1UiUi/20000tttuT0ttuG2/3t0t1t4t3t

13、2t5t6（b）续流阶段 图3-26 全桥变换器电路主要工作波形 3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 t1 t2续流阶段续流阶段，电流路径示意图如图3-27(b)所示 VT1VT4均关断，电感L中的电流通过变压器副边绕组和二极管VD5、VD6续流，VT1VT4均承受Ui/2的电压 t2时刻，给VT2、VT3加驱动信号，VT2、VT3饱和导通，电路进入下半周期，下半周的工作过程和前半周期相同（b）续流阶段 3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 忽略损耗，输出电压Uo如下式: Ui 原边绕组电压(V)；NS 副边绕组匝数(匝)； NP 原边绕组匝数(匝)；D 一管导通的占空比；

14、TS 工作周期(s)。 通过使用合适的控制线路调整占空比，在电源电压Ui和负载Io变化时可以保持输出电压Uo不变SSPoniio22NTNtUnDUU（3-66）3.4.5 3.4.5 全桥变换器全桥变换器 由于大多数开关管能承受Ui电压，而不能承受2Ui电压，所以，采用桥式变换器代替推挽式变换器，虽然付出的代价是成本高，但提高了可靠性 桥式变换器与推挽式变换器两种电路型式相比u工作在同样电源电压下，推挽变换器所需的管子电压工作在同样电源电压下，推挽变换器所需的管子电压为桥式变换器所需管子电压的两倍为桥式变换器所需管子电压的两倍u在管子容量相同的情况下，全桥变换器输出的功率是在管子容量相同的情

15、况下，全桥变换器输出的功率是推挽变换器的两倍推挽变换器的两倍 3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器 图3-28 a) 半桥变换器电路拓扑 在开关管昂贵的情况下，为降低其耐压值要求，常常采用如图3-28(a)所示的半桥将变换器开关管上所加的电压从2Ui/减小到Ui 特别在低功率变换器中，电容器的中点大约充电到Ui /2的平均电位，变压器原边电压峰值为Ui /2而全桥时为Ui ，这样对于同样的同样的变压器副边输出功率变压器副边输出功率，半桥变换半桥变换器原边电流为全桥的两倍器原边电流为全桥的两倍 3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器 半桥变换器工作原理半桥变换器工作原理 开关管VT

16、l和VT2的驱动信号相位相差180o，其工作波形如图3-28(b)所示: 假设变压器为理想变压器理想变压器，C1=C2=C，并认为在t0之前，功率管VT1、VT2处于断态，负载电流经二极管VD5、VD6及变压器副边续流，变换器一个开关周期分为4个工作阶段图3-28 a) 半桥变换器电路拓扑3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器分析半桥变换器工作过程上半周期两个阶段，下半周的工作过程和上半周期相同（a）能量传输阶段 3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器（a）能量传输阶段 t0 t1能量传输阶段能量传输阶段, 电流路径示意图如图3-29(a)所示 t0时刻，给VTl加驱动信号，VT1

17、饱和导通VT1集电极电流流过原边绕组NP，随着VT1的导通，原边绕组NP上的电流以额定速率逐渐上升 同时，副边的整流二极管VD5导通，VD6关断，电流上升速率由滤波电感L确定，这时B点电压升高 3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器分析半桥变换器工作过程上半周期两个阶段，下半周的工作过程和上半周期相同（b）续流阶段3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器（b）续流阶段t1 t2续流阶段续流阶段，电流路径示意 图如图3-29(b)所示VT1、VT2关断，电感L中的电 流通过变压器副边绕组和二极 管VD5、VD6续流，同时B点 电压在电源电压的作用下渐渐 回复到原来的中心值。这时， VT

18、1、VT2均承受Ui/2的电压t2时刻，给VT2加驱动信号， VT2饱和导通，电路进入下半 周期3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器 在稳态条件下，在开关管导通期间通过L的电流增加，关断期间L的电流减小，其平均值等于输出电流Io 。忽略损耗，输出电压Uo如下式： Ui 原边绕组电压(V)；NS 副边绕组匝数(匝)； NP 原边绕组匝数(匝)；D 其中一管导通的占空比 TS 工作周期(s) 通过使用合适的控制线路调整占空比，在电源电压Ui和负载Io变化时可以保持输出电压Uo不变SSPoniio221NTNtUnDUU（3-67）3.4.6 3.

19、4.6 半桥变换器半桥变换器 桥式分压电容器的选择桥式分压电容器的选择 桥式电容器的值可从已知原边电已知原边电流流和工作频率工作频率计算： 若总的输出功率为Po (包括变压器损耗)，原边电流为 IP = Po / (Ui / 2)，工作频率f则半周时间为1/(2f ) 当VT1开启，通过原边电流流入A点 3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器 当VT2开启时，从A点取出电流，在半周中由两个电容器补充电荷损失，电容器上电压变化为： Fio21ioP221)( 2/fCUPfCCUPCtIU总其中C1= C2= CF式（3-68）3.4.6 半桥变换器半桥变换器 电容器上直流电压变化的百分数

20、与整流输出电压变化的百分数是相同的，这样输出电压纹波的百分数Ur为： 为了满足输出电压纹波的百分数，C的大小是： 实际电路中，可以将滤波电容滤波电容与桥路分压电容桥路分压电容分别设置u滤波电容常取几百微法几百微法的电解电容直接并在Ui两端u桥路分压电容C1、C2常取几微法的交流电容器或聚丙烯电容，作为高频通路及分压电容 F2ioir1002/100fCUPUUUr2ioF100fUUPC（3-69）3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器 偏磁现象存在的可能性及其影偏磁现象存在的可能性及其影响响 由于两个电容连接点B电位电位随VT1、VT2导通情况而浮动浮动，所以能自动地平衡每个开关管开自动地平衡每个开关管开关的伏秒关的伏秒 假定这两个晶体管开关具有不不同的开关特性同的开关特性，即在相同的驱动脉冲宽度t = t1作用下开关管VT1较慢关断较慢关断，而开关管VT2较较快关断快关断时，则对VT1连接点处的电压将有影响3.4.6 3.4.6 半桥变换器半桥变换器 偏磁现象存在的可能性及其影偏磁现象存在的可能性及其影响响如图3-31(b)所示 图中阴影部分面积A1A2表示了不平衡伏不平衡伏秒值秒值，其导致原因是开关管开关