开关电源原理、设计及实例第四章变压器隔离的DC-DC变换器拓扑结构

1、开关电源原理、设计及实例第四章变压器隔离的DC-DC变换器拓扑结构本章简介本章首先对DC-DC变换、实现方法行了概述，介绍了DC-DC变换中变压器所起的作用，重点对5种DC-DC电路拓扑结构、工作原理、关键节点的波形图进行了论述，包括：单端正激式、单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式电路。最后概括地介绍了上述5种结构电路中电路元器件及输入、输出参数的计算方法。本章要求了解DC-DC电路技术的内涵，重点掌握DC-DC电路拓扑结构特点、原理及工作过程，从而使后续各章的学习目标更加明确。4.1 概述一般电力(如市电)要经过转换才能符合使用的需要。转换方式有交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率中取小

2、功率等。按电力电子的习惯称谓，AC-DC(AC表示交流电，DC表示直流电)称为整流，DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流直接变频(同时也变压)，DC-DC称为直流-直流变换。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，涉及频率变换，其实把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就是DC-DC的基本手段，类似于“斩波”(Chop)作用。4.1 概述单端双端正激反激推挽半桥全桥单管双管DC-DC变换器4.1 概述带变压隔离器

3、的变换器是从第3章基本变换器派生、组合、演变而来的。它们从哪个基本变换器变来，就带有哪个基本变换器的本质特征。所谓派生，是指变压隔离器插入到各基本变换器各不同的点上而形成的电路。由于变压隔离器有单端式、并联式、半桥式和全桥式四种，因此，可得到很多电路。所谓组合是指变换器的串联形式引起的变化。例如降压与升压变换器相串，或者升压与降压变换器相串等等。这与第3章讨论的角度不同，本章是有意识地往隔离方向引导，并加以讨论，从而得到一些有应用价值、使用较广的电路。图4-1给出了隔离DC-DC变换器功能示意图。4.1 概述图 4-1 隔离DC-DC变换器功能示意图4.1 概述 升压和降压等变换器可以完成直流

4、电压的变换。但实际上存在着转换功能上的局限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等。这种局限性只能用另一种开关变换器中的重要组件变压隔离器来克服。下面列出采用变压器隔离结构的原因：输出端与输入端之间需要隔离；变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。因此，变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。这里的离线并不是不需要输入电源，而是输入电源与输出电源之间没有导线连接，完全是通过磁场偶合传输能量；变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离

5、的最大好处是，提高设备的绝缘强度，降低安全风险，同时还可以减轻EMI干扰，并且还容易进行功率匹配；交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量；工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，又可以避免变压器和电感产生噪音。4.1 概述表 4-1 各种不同的间接直流变流电路的比较4.2 单端正激式结构4.2.1 简介 单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠

6、、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。在计算机、通信、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。 所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初级线圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只有半个周期向负载提供功率(或电压)输出。当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为正激式开关电源；当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称

7、为反激式开关电源，这种结构将在4.3节中详细介绍。4.2 单端正激式结构电路结构及工作原理 为使变换器结构简单，提高可靠性，减少成本和重量，图4-2示出了单端变压隔离器与降压变换器结合的线路。这是一个原边、副边同时工作的线路，称为正激变换器（Forward Converter），它广泛地应用在小功率电源小。由于原边绕组通过的是单向脉动电流，一个实用的单端变压隔离器电路必须采取措施，使变压器铁芯磁性复位，如图4-2所示。4.2 单端正激式结构4.2 单端正激式结构4.2.3 电路关键节点波形4.2 单端正激式结构4.2 单端正激式结构4.2 单端正激式结构4.2 单端正激式结构4.2 单端正激式

8、结构4.2 单端正激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.3 单端反激式结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.4半桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.6推挽式电