正激变换器工作原理及基本及基本设计

正激变换器1Forwardconverter(正激变换器)Forwardconverter是在Buckconverter中插入一个transformer得到的.特点:1.电路比较简单,铜耗较低;2.输出电压电流纹波较小;3.变压器磁芯单边磁化;4.开关管峰值电流较低;5.变压器是个纯粹的变压器;6.变压器铁芯不必加气隙;但在有的铁芯中为了减少Br,需加很小的气隙.一,基本电路电感不能省去磁能量在磁场中而不是在去磁线圈的电流里关断时的电流与关断时去磁回路的电流不等，因为能量相等而匝数不一样第1页/共46页第一页，共47页。正激变换器2二,基本工作原理QturnedONBrBSB=Bmax-BrImIm(max)第2页/共46页第二页，共47页。正激变换器3二,基本工作原理(续)[0,Ton]QturnedON第3页/共46页第三页，共47页。正激变换器4二,基本工作原理(续)[Ton,Tr]QturnedOFF复位绕组的电压为:原副边绕组上的电压为:WhereK13=W1/W3,K23=W2/W3第4页/共46页第四页，共47页。正激变换器5二,基本工作原理(续)[Ton,Tr]QturnedOFFQ上的电压:Vin反向加在复位绕组W3上,故磁通减小:WhereDR=(Tr-Ton)/Ts第5页/共46页第五页，共47页。正激变换器6二,基本工作原理(续)[Tr,Ts]QturnedOFFQoff,&resetQ上的电压:励磁电流iM从W1转移到W3上后,减小到零:到Tr时刻后,所有绕组中电流为零,电压也为零.第6页/共46页第六页，共47页。正激变换器7三.输入端电流电压关系UP,IP(1)由(1)得(2)(3)第7页/共46页第七页，共47页。正激变换器8US,IS四.输出端电流电压关系(4)由(4)得,(5)(6)第8页/共46页第八页，共47页。正激变换器9五.磁通复位的关系BrBSB=Bmax-BrImIm(max)同理，可得因为磁通复位，有(7)(6‘)(6“)where第9页/共46页第九页，共47页。正激变换器10五.磁通复位的关系(续)BrBSB=Bmax-BrImIm(max)UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQDRQ关断时,开关管上的耐压为复位线圈箝位二极管的反向承压为考虑Q的耐压和变压器窗口的利用率,因此,一般复位绕组NR取NP一样.即第10页/共46页第十页，共47页。正激变换器11最大占空比限制第11页/共46页第十一页，共47页。正激变换器12六,原副边电流的关系UPUSVoutVinCfLfNPNSNRBrBSB=Bmax-BrImIm(max)同理，可得由(8),(9)和(5)可得到(8)(9)电感Lf上的电流平均值为输出电流Iout.即(10)(11)1,副边电流第12页/共46页第十二页，共47页。正激变换器13六,原副边电流的关系LfVoutVinUPUSCfNPNSNRBrBSB=Bmax-BrImIm(max)(14)(12)(13)由(6‘)和(12)可得原边电流最大值2,原边电流第13页/共46页第十三页，共47页。正激变换器14七.元器件的选择BrBSB=Bmax-BrImIm(max)UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQQ所承受的电压为1.开关器件QQ所流过的最大电流为(15)(16)第14页/共46页第十四页，共47页。正激变换器15七.元器件的选择1.开关器件QIPLiPLiMUPUSVoutVinCfLfNPNSNRQ第15页/共46页第十五页，共47页。正激变换器16七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D22.整流二极管D1,D2,DRD1所承受的电压为D1所流过的最大电流为(17)(18)第16页/共46页第十六页，共47页。正激变换器17七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D22.二极管D1,D2,DRD2所承受的电压为D2所流过的最大电流为(19)(20)注意：N的下标第17页/共46页第十七页，共47页。正激变换器18七.元器件的选择2.二极管D1,D2,DRDR所承受的电压为DR所流过的最大电流为(21)(22)UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2第18页/共46页第十八页，共47页。正激变换器19七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2IoutiLfVoppVoutC所承受的电压为Cf的容量(23)(24)3.滤波电容Cf假定电感上的电流连续.事实上,在设计电感时必须满足电流连续这一条件.第19页/共46页第十九页，共47页。正激变换器20七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2IoutiLfVoppVout(25)3.滤波电容Cf把(9)式代入(24),有第20页/共46页第二十页，共47页。正激变换器21七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2iLfA,Lf电感量的确定4.滤波电感Lf的设计电感量大,对平滑输出电流电压有好处,同时减小了变压器的铜耗;但电感器体积和重量增加,且Q,和D1的开通损耗,D2的反向恢复损耗增大.电感量小,输出电流电压的纹波增加,变压器的铜耗增加些;但电感器体积和重量减小,且Q,和D1的开通损耗,D2的反向恢复损耗也降低了.为此,一般取电感量Lf为额定电流临界连续的电感量Lfmin的1.3倍.(26)第21页/共46页第二十一页，共47页。正激变换器22七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2iLfA,Lf电感量的确定(续)4.滤波电感Lf的设计(27)(28)第22页/共46页第二十二页，共47页。正激变换器23UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2iLf七.元器件的选择4.滤波电感Lf的设计B.选定磁芯材料和型式---B,Bm根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求,以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料.C.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm由电流密度参数法,有(29)一般取0.4此页之后的内容在讲完变压器电抗器设计之后才细讲。第23页/共46页第二十三页，共47页。正激变换器24七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2(30)4.滤波电感Lf的设计iLf第24页/共46页第二十四页，共47页。正激变换器25七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D24.滤波电感Lf的设计D.根据电流大小和选定磁芯确定电感线圈匝数NL由磁链公式,可得(31)第25页/共46页第二十五页，共47页。正激变换器26七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D24.滤波电感Lf的设计E.根据电流大小确定气隙长度lg由kirchhoff磁压定律:得(32)第26页/共46页第二十六页，共47页。正激变换器27七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2进而,有最后可得(33)4.滤波电感Lf的设计E.根据电流大小确定气隙长度lg(续)由磁链公式,可得,第27页/共46页第二十七页，共47页。正激变换器28七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D24.滤波电感Lf的设计E.根据电流大小确定气隙长度lg(续)或直接由(32)式计算,可得(34)第28页/共46页第二十八页，共47页。正激变换器29七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D25.变压器的设计A.选定磁芯材料和型式---根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求,以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料.B.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm由电流密度参数法,有(35)第29页/共46页第二十九页，共47页。正激变换器30七.元器件的选择5.变压器的设计UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2where(36)取NP=NR,故kp=kR第30页/共46页第三十页，共47页。正激变换器31七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2(39)中的PM与Pin相比很小时,为计算方便,PM可忽略5.变压器的设计令(39)(37)(38)(38‘)第31页/共46页第三十一页，共47页。正激变换器32七.元器件的选择UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D25.变压器的设计根据(39),确定磁芯的大小.于是得到Ae,AW,lmC.确定原副边绕组和去磁绕组匝数---NP,NS,和NR由(2),(5)知,所以,有(40)于是由(36)可得,(41)(42)第32页/共46页第三十二页，共47页。正激变换器33七.元器件的选择5.变压器的设计UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2D.确定原副边线圈导线截面---AP,AS由(3),(6)和(38‘),可得(43)(44)(45)第33页/共46页第三十三页，共47页。正激变换器34七.元器件的选择5.变压器的设计E.关于变压器磁芯气隙问题BSBS磁场强度H或电流I没有加气隙的B-H曲线加气隙后的B-H曲线BUPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2第34页/共46页第三十四页，共47页。正激变换器35BSBS磁场强度H或电流I加气隙后的B-H曲线B七.元器件的选择5.变压器的设计E.关于变压器磁芯气隙问题(续)1)加气隙后,能减小Br,对增加B有好处.但减小了激磁电感LP,也即增大了激磁电流;2)变压器铁芯不必加气隙;当铁芯的磁滞回线Br较大时,才考虑加很小的气隙.UPUSVoutVinCfLfNPNSNRQD1D2第35页/共46页第三十五页，共47页。正激变换器36Vin八.关于缓冲电路UPIinIPStrategy1USVoutCfLfNSD1D2D1UPIinIPStrategy2USVoutCfLfNSD2VinIinIPVoutLfNSD1VinUPStrategy3USCfD2第36页/共46页第三十六页，共47页。正激变换器371.RCDsnubberwithoutWithsnubber第37页/共46页第三十七页，共47页。正激变换器382.电容