帶變壓器隔離電路

1、講解了升壓電路的主電路元件； 分析了升壓電路工作原理。 測試了升壓電路的工作波形 少數(shù)同學不能熟練使用示波器； 測量輸出電壓時，萬用表萬用表打在交流電壓交流電壓 檔檔，此時測量的輸出電壓的有效值電壓的有效值，一 些同學錯誤的當做輸出電壓平均值記錄。 l帶隔離變壓器DC-DC電路及其工作原 理； 隔離變換器的作用 了解隔離變換器作用； 了解半橋、全橋、推挽變換器工作原理； 掌握反激及正激變換器工作原理； 5.3.1 正激電路正激電路 5.3.2 反激電路反激電路 5.3.3 半橋電路半橋電路 5.3.4 全橋電路全橋電路 5.3.5 推挽電路推挽電路 5.3.6 全波整流和全橋整流全波整流和全橋

2、整流 5.3.7 開關電源開關電源 圖圖 5-10 間接直流變流電路的結構間接直流變流電路的結構 同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直直 交交直電路直電路。 采用這種結構較為復雜的電路來完成直流采用這種結構較為復雜的電路來完成直流直流的變換有以下原因直流的變換有以下原因 輸出端與輸入端需要隔離。輸出端與輸入端需要隔離。 某些應用中需要相互隔離的多路輸出。某些應用中需要相互隔離的多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的比例遠小于輸出電壓與輸入電壓的比例遠小于1或遠大于或遠大于1。 交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、

3、濾交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾 波電容的體積和重量。波電容的體積和重量。 間接直流變流電路分為間接直流變流電路分為單端單端(Single End)和和雙端雙端(Double End)電路兩電路兩 大類，在單端電路中，變壓器中流過的是直流脈動電流，而雙端電路大類，在單端電路中，變壓器中流過的是直流脈動電流，而雙端電路 中，變壓器中的電流為正負對稱的交流電流，正激電路和反激電路屬中，變壓器中的電流為正負對稱的交流電流，正激電路和反激電路屬 于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。 S uS iL iS O t t t

4、t Ui O O O 圖圖 5-11 正激電路的原理圖正激電路的原理圖 圖圖 5-12 正激電路的理想化波形正激電路的理想化波形 正激電路正激電路(Forward) 工作過程工作過程 開關開關S開通開通后，變壓器繞后，變壓器繞 組組W1兩端的電壓為上正下負，兩端的電壓為上正下負， 與其耦合的與其耦合的W2繞組兩端的電壓繞組兩端的電壓 也是上正下負，因此也是上正下負，因此VD1處于處于 通態(tài)，通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感為斷態(tài)，電感L的電的電 流逐漸增長。流逐漸增長。 S關斷關斷后，電感后，電感L通過通過VD2 續(xù)流，續(xù)流，VD1關斷。變壓器的勵關斷。變壓器的勵 磁電流經磁電流經N3繞組和繞組和VD

5、3流回電流回電 源，所以源，所以S關斷后承受的電壓關斷后承受的電壓 為為 。 iS U N N u)1 ( 3 1 B R B S B H O 圖圖 5-13 磁心復位過程磁心復位過程 變壓器的磁心復位變壓器的磁心復位 開關開關S開通后，變壓器的激磁電流由零開通后，變壓器的激磁電流由零 開始，隨時間線性的增長，直到開始，隨時間線性的增長，直到S關斷，導關斷，導 致變壓器的激磁電感飽和。致變壓器的激磁電感飽和。 必須設法使激磁電流在必須設法使激磁電流在S關斷后到下一關斷后到下一 次再開通的時間內降回零，這一過程稱為次再開通的時間內降回零，這一過程稱為變變 壓器的磁心復位壓器的磁心復位。 變壓器的

6、磁心復位所需的時間為變壓器的磁心復位所需的時間為 on 1 3 rst t N N t 輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時輸出濾波電感電流連續(xù)時 T t N N U U on 1 2 i o 輸出電感電流不連續(xù)時，在負載為零的輸出電感電流不連續(xù)時，在負載為零的 極限情況下極限情況下 i 1 2 o U N N U (5-51) (5-52) S u S iS iVD tontoff t t t t U i O O O O 圖圖 5-14 反激電路原理圖反激電路原理圖 圖圖 5-15 反激電路的理想化波形反激電路的理想化波形 反激電路反激電路 工作過程工作過程 S開通開通后，后，VD處于斷

7、態(tài)，處于斷態(tài)，W1繞組的電流線繞組的電流線 性增長，電感儲能增加。性增長，電感儲能增加。 S關斷后關斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器繞組的電流被切斷，變壓器 中的磁場能量通過中的磁場能量通過W2繞組和繞組和VD向輸出端釋放，向輸出端釋放， 電壓為電壓為 。 工作模式工作模式 當當S開通時，開通時，W2繞組中的電流尚未下降到繞組中的電流尚未下降到 零，則稱工作于零，則稱工作于電流連續(xù)模式電流連續(xù)模式，輸出輸入電壓關，輸出輸入電壓關 系為系為 uU N N U S io 1 2 off on 1 2 i o t t N N U U S開通前，開通前，W2繞組中的電流已經下降到零，繞組中的電流已經

8、下降到零， 則稱工作于則稱工作于電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式，此時輸出電壓高于，此時輸出電壓高于 （5-53）的計算值，在負載為零的極限情況）的計算值，在負載為零的極限情況 下，下， ， U o 所以應該避免負載開路狀態(tài)。所以應該避免負載開路狀態(tài)。 (5-53) 圖圖 5-16 半橋電路原理圖半橋電路原理圖 圖圖 5-17 半橋電路的理想化波形半橋電路的理想化波形 半橋電路半橋電路 工作過程工作過程 S1與與S2交替導通，使變壓器一次交替導通，使變壓器一次 側形成幅值為側形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開的交流電壓，改變開 關的占空比，就可以改變二次側整流電關的占空比，就可以改變二次側整流電 壓

9、壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導通時，二極管導通時，二極管VD1處于通態(tài)，處于通態(tài)， S2導通時，二極管導通時，二極管VD2處于通態(tài)，當兩處于通態(tài)，當兩 個開關都關斷時，變壓器繞組個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電中的電 流為零，流為零，VD1和和VD2都處于通態(tài)，各分都處于通態(tài)，各分 擔一半的電流。擔一半的電流。 S1或或S2導通時電感導通時電感L的電流逐漸的電流逐漸 上升，兩個開關都關斷時，電感上升，兩個開關都關斷時，電感L的電的電 流逐漸下降，流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)斷態(tài)時承受的峰值時承受的峰值 電壓均為電壓均為Ui。 由于由于電容電容的

10、的隔直作用隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通，半橋電路對由于兩個開關導通 時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分量有自動時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分量有自動 平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁偏磁和和直流磁飽和直流磁飽和。 輸出電壓輸出電壓 濾波電感濾波電感L的電流連續(xù)時的電流連續(xù)時 T t N N U U on 1 2 i o 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（5-54） 的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限 情況下情況下 2 i 1 2

11、 o U N N U (5-54) S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 ton T t t t t t t t t 2Ui 2Ui iL iL O O O O O O O O 圖圖 5-18 全橋電路原理圖全橋電路原理圖 圖圖 5-19 全橋電路的理想化波形全橋電路的理想化波形 全橋電路全橋電路 工作過程工作過程 全橋電路中，全橋電路中，互為對角的兩個開關互為對角的兩個開關 同時導通同時導通，同一側半橋上下兩開關，同一側半橋上下兩開關交替交替 導通，使變壓器一次側形成幅值為導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui的的 交流電壓，改變占空比就可以改變輸出交流電壓，改變占空比就可

12、以改變輸出 電壓。電壓。 當當S1與與S4開通后，開通后，VD1和和VD4處于處于 通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。的電流逐漸上升。 當當S2與與S3開通后，開通后，VD2和和VD3處于處于 通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流也上升。的電流也上升。 當當4個開關都關斷時，個開關都關斷時，4個二極管都個二極管都 處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，電處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，電 感感L的電流逐漸下降，的電流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)時承受斷態(tài)時承受 的峰值電壓均為的峰值電壓均為Ui。 如果如果S1、S4與與S2、S3的導通時間不對稱，則交流電壓的導通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有中將含有直

13、直 流分量流分量，會在變壓器一次側產生很大的直流，會在變壓器一次側產生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因分量，造成磁路飽和，因 此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可在一次側回路串聯(lián)此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可在一次側回路串聯(lián) 一個電容，以阻斷直流電流。一個電容，以阻斷直流電流。 為避免同一側半橋中上下兩開關同時導通，每個開關的占空比不能超過為避免同一側半橋中上下兩開關同時導通，每個開關的占空比不能超過 50%，還應留有裕量。，還應留有裕量。 輸出電壓輸出電壓 濾波電感電流連續(xù)時濾波電感電流連續(xù)時 T t N N U U on 1 2 i o 2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出

14、電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（5-55）的計算值，）的計算值， 并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下 U N N U oi 2 1 (5-55) S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 ton T t t t t t t t t 2Ui 2Ui iL iL O O O O O O O O 圖圖 5-20 推挽電路原理圖推挽電路原理圖 圖圖 5-21 推挽電路的理想化波形推挽電路的理想化波形 推挽電路推挽電路 工作過程工作過程 推挽電路中兩個開關推挽電路中兩個開關S1和和S2 交替導通，在繞組交替導通，

15、在繞組N1和和N1兩端分兩端分 別形成相位相反的交流電壓。別形成相位相反的交流電壓。 S1導通時，二極管導通時，二極管VD1處于處于 通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，的電流逐漸上升，S2 導通時，二極管導通時，二極管VD2處于通態(tài)，電處于通態(tài)，電 感感L電流也逐漸上升。電流也逐漸上升。 當兩個開關都關斷時，當兩個開關都關斷時，VD1 和和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的都處于通態(tài)，各分擔一半的 電流，電流，S1和和S2斷態(tài)時承受的斷態(tài)時承受的峰值電峰值電 壓壓均為均為2倍倍Ui。 如果如果S1和和S2同時導通，就相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避同時導通，就相當于變壓器一次側繞組短路，因

16、此應避 免兩個開關同時導通，每個開關各自的占空比不能超過免兩個開關同時導通，每個開關各自的占空比不能超過50%，還要留，還要留 有死區(qū)。有死區(qū)。 輸出電壓輸出電壓 當濾波電感當濾波電感L的電流連續(xù)時的電流連續(xù)時 T t N N U U on 1 2 i o 2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（5-56）的計算值，）的計算值， 并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下 U N N U oi 2 1 (5-56) 電路電路 優(yōu)點優(yōu)點 缺點缺點功率范圍功率范圍應用領域應用領域 正激正激 電路較簡單，成本低， 可靠性高，驅動電路簡 單 變壓器單向激磁，利用 率低 幾百W幾kW 各種中、小功率電 源 反激反激 電路非常簡單，成本很 低，可靠性高，驅動電 路簡單 難以達到較大的功率， 變壓器單向激磁，利用 率低 幾W幾十W 小功率電子設備、 計算機設備、消費 電子設備電源。 全橋全橋 變壓器雙向勵磁，容易 達