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(xué)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(xué)錯誤的當(dāng)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整流 5.3.7 開關(guān)電

2、源開關(guān)電源圖圖 5-10 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來完成直流采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。某些應(yīng)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(yuǎn)小于輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)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、濾交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，

3、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(fù)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(fù)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。 SuSiLiSOttttUiOOO圖圖 5-11 正激電路的原理圖正激電路的原

4、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(guān)開關(guān)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(fù)，兩端的電壓為上正下負(fù)，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(fù)，因此也是上正下負(fù)，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(guān)斷關(guān)斷后，電感后，電感L通過通過VD2續(xù)流，續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵關(guān)斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)磁電流經(jīng)N3繞組和繞組和VD3流回電流回電源，所以源，所以S關(guān)斷后承受的電壓關(guān)斷后承受的電壓為為 。iSUNNu

5、)1 (31BRBSBHO圖圖 5-13 磁心復(fù)位過程磁心復(fù)位過程變壓器的磁心復(fù)位變壓器的磁心復(fù)位 開關(guān)開關(guān)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(guān)斷，導(dǎo)關(guān)斷，導(dǎo)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(shè)法使激磁電流在必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一關(guān)斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變變壓器的磁心復(fù)位壓器的磁心復(fù)位。 變壓器的磁心復(fù)位所需的時間為變壓器的磁心復(fù)位所需的時間為on13rsttNNt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

6、續(xù)時 TtNNUUon12io輸出電感電流不連續(xù)時，在負(fù)載為零的輸出電感電流不連續(xù)時，在負(fù)載為零的極限情況下極限情況下 i12oUNNU (5-51)(5-52)SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO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(guān)斷后關(guān)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

7、輸出端釋放，電壓為電壓為 。 工作模式工作模式 當(dāng)當(dāng)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(guān)，輸出輸入電壓關(guān)系為系為uUNNUSio12offon12iottNNUU S開通前，開通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零，繞組中的電流已經(jīng)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(fù)載為零的極限情況）的計算值，在負(fù)載為零的極限情況下，下， ， Uo 所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)。所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)。(5-53)圖圖 5-16 半橋電路原

8、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(dǎo)通，使變壓器一次交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓壓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(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩處于通態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組個開關(guān)都關(guān)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

9、處于通態(tài)，各分都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。擔(dān)一半的電流。 S1或或S2導(dǎo)通時電感導(dǎo)通時電感L的電流逐漸的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感上升，兩個開關(guān)都關(guān)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的隔直作用隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)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(cè)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

10、電流連續(xù)時的電流連續(xù)時 TtNNUUon12io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(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下情況下2i12oUNNU(5-54)S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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(guān)互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通，同一側(cè)半

11、橋上下兩開關(guān)，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)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，改變占空比就可以改變輸出電壓。電壓。 當(dāng)當(dāng)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(dāng)當(dāng)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(dāng)當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電處于通態(tài)，各分擔(dān)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

12、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(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有中將含有直直流分量流分量，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)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(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)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(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)的占空比不能超過為避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)的占空比不能超過50%，還應(yīng)留有裕量。

13、，還應(yīng)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 TtNNUUon12io2 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（5-55）的計算值，）的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 UNNUoi21(5-55)S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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(guān)推挽電路中兩個

14、開關(guān)S1和和S2交替導(dǎo)通，在繞組交替導(dǎo)通，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(dǎo)通時，二極管導(dǎo)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(dǎo)通時，二極管導(dǎo)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(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的都處于通態(tài)，各分擔(dān)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(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避同時導(dǎo)通，就相

15、當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)各自的占空比不能超過免兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)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(dāng)濾波電感當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時的電流連續(xù)時 TtNNUUon12io2 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(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 UNNUoi21(5-56)電路電路優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域正激正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)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(qū)動電路簡單難以達(dá)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(shè)備、計算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋全橋變壓器