第3章 带隔离的直流变流电路课件

1、第三章带隔离的DC变换器电路，3.1正向电路，3.2反激电路，3.3半桥电路，3.4全桥电路，3.5推挽电路，3.6全波整流和全桥整流，1。PPT学习交流。在实际应用中，开关电源的输出和输入之间通常需要电气隔离。电气隔离一般通过高频隔离变压器实现。隔离变压器中使用的铁芯通常具有非线性特性。下图显示了典型的变压器铁芯特性，其中Bs是铁芯的最大允许磁通密度，超过该值，铁芯将饱和；Br是剩余磁通量密度。2，PPT学习交流，隔离变压器铁芯：励磁方式，单向励磁双向励磁，单向脉动磁通，双向交流磁通，反激变换器正激变换器，推挽变换器半桥变换器全桥变换器，3，PPT学习交流，隔离变压器铁芯：铁芯损耗，4，PP

2、T学习交流，隔离变压器铁芯：磁通密度幅值，5，隔离变压器铁芯：磁通密度幅值；6.PPT学习Ac；隔离变压器铁芯：设计原则：如果Bm较大，交流可以降低开关频率大于100千赫，允许的磁通幅度应适当降低，以限制铁损；进行单向励磁时，应选择低溴铁芯；7.隔离变压器铁芯：磁滞回线和温度；8.PPT学习交流，隔离变压器铁芯：磁通密度，开关频率和损耗，9。PPT学习交流，两种磁芯的典型磁滞曲线，铁氧体、铁粉芯和非晶合金芯，晶粒取向的无气隙镍铁合金芯，10。PPT学习交换，对于剩余磁感应强度小的铁芯Br，一般采用转移损耗法。转移损耗法具有电路简单、可靠性高的特点。对于剩磁感应强度高的铁芯，一般采用强制复位法。

3、强制复位法电路复杂。11、PPT学习交流，单端换流变压器磁通仅在一个方向上变化。当正激变换器的开关管接通时，电源直接向负载传输能量。正激变换器的特点是输出功率为50-200瓦，12路，PPT学习通信，由于图中变压器的一次侧通过单向脉动电流，变压器铁心极度饱和，所以主电路中应考虑变压器铁心磁场的抗饱和措施，即如何定期复位变压器铁心磁场。另外，此时开关器件的位置可以稍微改变，使其发射极与电源Us相连，便于控制电路的设计。铁芯磁场复位有多种方案，如磁场能量消耗法、磁场能量转移法等。13，PPT学习通信，14，PPT学习通信，3.1正向电路，图3-1正向电路示意图，图3-2正向电路的理想化波形。开关S

4、接通后，变压器绕组W1两端的电压为正、负，耦合的W2绕组两端的电压也为负。因此，VD1处于导通状态，VD2处于截止状态，电感器l的电流逐渐增加。Ton=DTs周期，1)正向电路的工作过程，15) PPT学习通信，3.1正向电路，s关断后，电感l通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流通过N3绕组和VD3流回电源。toff=(1-d)ts期间，s关闭后的电压为：Forward circUit的工作过程，16。PPT学会通信，输出电压U2和U1 N2之间的关系相当于BUCK电路向右看时的变化d，它可以改变U0，17，PPT学会通信，3.1正向电路，输出电压，为什么d不能大于0.5，18，PPT

5、学习交流，隔离Buck变换器单端正激变换器，单端变换器变压器磁通只有当单向变化的正激变换器开关管接通时，电源才直接向负载传输能量，(b)单端正激DC/DC变换器，O，F，19，PPT学习交流，隔离Buck变换器单端正激变换器，N2，D2导通N3，D1，D3都关断，T导通：Ton=DTs周期，20，PPT学习交流，隔离Buck变换器单端因此，这里的变压器不仅起着输入电隔离的作用，而且还起着储能电感的作用。3.2反激电路，22，PPT学习交流，3.2反激电路，1)工作过程：图3-5反激电路的理想化波形，图3-4反激电路示意图，s接通后，VD处于关断状态，W1绕组电流线性增加，电感储能增加；当S关断

6、时，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD释放到输出端。该电路的工作原理是：当开关管接通时，由于D承受反向电压，变压器的二次侧相当于开路，变压器的一次侧相当于电感。电源Us将能量输送到变压器的初级侧，并以磁场的形式储存能量。当开关管关断时，线路中的磁场储能不会突然改变，变压器的二次侧会产生正上负下的感应电势，使D承受正向电压并导通，从而将磁场储能转移到负载上。3.2反激电路，24，PPT学习交流，3.2反激电路，2)反激电路的工作模式：电流连续模式：当S接通时，W2绕组中的电流没有降到零。输出电压关系：图3-5反激电路的理想波形，图3- 4反激电路的原理图，25，PPT学习

7、交流，26，PPT学习交流，3.2反激电路，2)反激电路的工作模式：电流间歇模式：W2绕组中的电流在s导通前已降至零。输出电压高于上述公式的计算值，并随着负载的减少而增加。在零负载限制下，反激电路不应工作在负载开路状态。图3- 6反激电路的理想波形，图3- 4反激电路的原理图，27，PPT学习交流，3.2反激电路和反激变压器开关电源的工作原理图。在图a中，ui是开关电源的输入电压，t是开关变压器，k是控制开关，c是储能滤波电容器，r是负载电阻。28、PPT学习交流和反激式变压器开关电源的工作过程。在Ton期间，Ui给N1绕组通电，电流i1流过N1绕组，在N1两端产生自感电动势e1，在变压器次级

8、线圈N2两端产生感应电动势e2。因为D，所以不产生回路电流。相当于变压器次级线圈开路，变压器次级线圈相当于电感器。因此，流过变压器初级线圈N1绕组的电流就是变压器的励磁电流，变压器初级线圈N1绕组两端产生的自感电动势可以用下面的公式表示：29，PPT学习交流，综合以上公式，可以得到：30，PPT学习交流，当开关电源工作在输出临界连续电流的状态时，i1(0)正好等于0。(0)正好等于剩余通量SBr。当控制开关K即将关断且开关电源工作在输出电流的临界连续状态时，i1和i1都达到最大值：31、PPT学习通信，当控制开关K突然从接通变为断开时，流过变压器初级线圈的电流I1突然变为0，这意味着变压器铁芯

9、中的磁通量将突然改变。这是不可能的。如果变压器铁芯中的磁通量突然变化，变压器初级和次级线圈回路将产生无限高的反电动势，反过来将产生无限大的电流，并且该电流将抵抗磁通量的变化。因此，变压器铁芯中磁通量的变化最终受到变压器初级和次级线圈中电流的限制。因此，在控制开关K断开的Toff周期期间，变压器铁芯中的磁通量主要由变压器次级线圈回路中的电流决定，也就是说，因为反激式变压器开关电源的变压器次级线圈N2绕组的输出电压已经被整流和滤波，并且滤波电容器和负载电阻之间的时间常数非常大，整流和滤波后的输出电压uo基本上等于Uo的幅度Up。33，PPT学习交流，在同一个当控制开关k即将断开时，i2和I2都达到

10、最小值。35、PPT学习通信，总结单端反激变换器，在零负载的极端情况下，由于开关接通时变压器电感中存储的磁能无处消耗，输出电压会越来越高，电路元件会损坏，所以反激变换器不能在空载下工作。不需要特殊的退磁绕组，电路简单。当开关被阻断向负载供电时，根据释放储存能量的变压器绕组电感，磁通量仅在一个方向上变化。一般只用于100-200瓦以下的小容量DC/DC转换(如控制系统所需的辅助电源)。36，PPT学习交流，为了避免磁路饱和，工作磁通可以在每个开关周期复位，因此：(1)单端反激变换器的开关变压器的铁芯有一个气隙，所以磁路中的磁通与励磁安匝成线性关系，因为气隙的磁导率是常数；(2)初级绕组电流实现脉

11、冲限流控制。即使存在气隙，由于电网电压、负载的波动和控制回路的干扰，仍然存在磁路饱和或IPmin的可能性。为了保护开关元件，必须采用脉冲限流控制。37、PPT学习交流、脉冲限流控制：当开关管接通时，检测开关管中的电流，当电流达到某一极限值时，开关管的驱动脉冲被锁定，以限制开关管的脉冲宽度ton。调制环路振荡器的脉冲后沿复位脉宽调制触发器并解锁。当下一个振荡周期的脉冲前沿到来时，脉宽调制触发器再次置位，驱动开关管再次导通。如果磁路饱和，ip上升，将很快达到电流极限值，锁定开关管的驱动脉冲。这样，逐脉冲电流限制被称为脉冲电流限制控制。38、PPT学习交流、3.3半桥电路、S1和S2交替导通，使变压

12、器的一次侧形成幅度为Ui/2的交流电压。通过改变开关的占空比，可以改变次级侧整流电压Ud的平均值，并且还可以改变输出电压Uo。1)工作过程，图3- 7半桥电路示意图，图3- 8半桥电路理想化波形，39，PPT学习通信，3.3半桥电路，S1导通时二极管VD1处于导通状态，S2导通时二极管VD2处于导通状态；当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，并且VD1和VD2都处于导通状态，每个都共享一半的电流。当S1或S2接通时，电感器L的电流逐渐增加，当两个开关都断开时，电感器L的电流逐渐减小。S1和S2断开时的峰值电压为Ui。1)工作过程，图3- 8半桥电路的理想化波形，40，PPT学习通信，

13、如果变压器有漏电感和励磁电感，当Sl断开时，S2接通续流。当不考虑漏抗时，当S1关断时，次级侧VD1和VD2同时导通，实现退磁回路的功能。41，PPT学习交流，3.3半桥电路，由于电容的DC阻断效应，半桥电路对两个开关的非对称导通时间引起的变压器原边电压的DC分量有自动平衡作用，所以变压器不易产生磁偏和DC磁饱和。42、PPT学习交流，(a)串联电容前的交流电压，对角网格区域表示A1和A2的伏秒值的不平衡波形，(b)串联电容后的工作波形和变压器原边的伏秒值得到变压器原边串联电容的平衡图，43、PPT学习交流，3.3半桥电路，2)数量关系，图3- 8中半桥电路的理想化波形，滤波电感L时。 其中两

14、个对角开关同时接通，并且同一侧半桥的上开关和下开关交替接通，使得变压器的初级侧形成幅度为Ui的交流电压，并且可以通过改变占空比来改变输出电压。 1)工作过程，图3- 9全流程示意图当所有四个开关都关断时，所有四个二极管都处于导通状态，每个二极管共享一半的电感器电流，电感器L的电流逐渐减小。S1和S2断开时的峰值电压为Ui。1)工作过程，图3- 10全桥电路的理想化波形，46，PPT学习交流，3.4全桥电路，如果S1和S4的导通时间与S2和S3不对称，交流电压uT将包含DC分量，这将在变压器初级侧产生一个大的DC分量，导致磁路饱和。因此，全桥电路应注意避免产生DC分量的电压，并可在初级电路中串联

15、一个电容来阻断DC电流。47，PPT学习交流，3.4全桥电路，2)定量关系，当滤波电感电流连续时：当输出电感电流间歇时，输出电压Uo将高于上述公式的计算值，并将随着负载的减少而增加。在零负载极限情况下：48，PPT学习交流，3.5推挽电路，图3- 11推挽电路原理图，图3- 12推挽电路理想化波形，推挽电路中的两个开关S1和S2交替导通，绕组N1和N，1两端分别形成反相交流电压。当S1导通时，二极管VD1导通，电感器L的电流逐渐上升。当S2导通时，二极管VD2处于导通状态，电感L电流逐渐上升。1)工作过程，49，PPT学习交流，3.5推挽电路，图3- 11推挽电路示意图，图3- 12推挽电路的

16、理想化波形，当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于导通状态，各分担一半电流。当S1和S2处于关断状态时，峰值电压是Ui的两倍。S1和S2同时导通，相当于变压器初级绕组短路。因此，应防止两个开关同时打开。1)工作过程，50，PPT学习交流，3.5推挽电路，2)数量关系，当滤波电感L电流连续时：当输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上述公式的计算值，并将随着负载的减小而增大。在负载为零的极限条件下，51、PPT学习交流、推挽变换器的变压器利用率高，二次侧频率比正激变换器提高两倍，因此电抗器可以做得很小。推挽变换器与单管变换器相比，元件更多，但与两个单管变换器相比，元件更少，更经济，因此通常用于单管领域以外的容量范围。推挽变换器电路的缺点是所用晶体管的电压是变换器输入电压的两倍。由于高压大电流晶体管不受欢迎，限制了其在大功率变换器中的普及。52、PPT学习交