正激變換器工作原理及幾種復(fù)位方式.ppt

1、高速電機高速電機 實驗室實驗室正激變換器正激變換器主講人：楊艷主講人：楊艷2010.11.22南京郵電大學(xué)南京郵電大學(xué)Contents正激變換器的工作原理正激變換器的工作原理1幾種復(fù)位方式及其比較幾種復(fù)位方式及其比較2正激變換器的工作原理正激變換器的工作原理1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLf單端正激變換器的主電路單端正激變換器的主電路開關(guān)管開關(guān)管Q按按PW

2、M方式工作，方式工作，D1是輸出整流二極管，是輸出整流二極管，D2是續(xù)是續(xù)流二極管，流二極管，Lf是輸出濾波電感，是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。變壓器是輸出濾波電容。變壓器有三個繞組，有三個繞組，W1原邊繞組，原邊繞組，W2副邊繞組，副邊繞組，W3復(fù)位繞組。復(fù)位繞組。正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)開關(guān)管開關(guān)管Q導(dǎo)通，電源電壓導(dǎo)通，電源電壓VIN加在原邊繞組上，變壓器鐵加在原邊繞組上，變壓器鐵芯磁通芯磁通增加，則變壓器鐵芯磁通增量：增加，則變壓器鐵芯磁通增量：TWVTTtWVtWVINonINonIN111)(INVdtdW1正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀

3、態(tài)由由 得變壓器原邊磁化電流：得變壓器原邊磁化電流：式中式中LM是原邊繞組的勵磁電感。副邊繞組是原邊繞組的勵磁電感。副邊繞組W2上的上的電壓為：電壓為：此時整流二極管此時整流二極管D1導(dǎo)通，續(xù)流二極管導(dǎo)通，續(xù)流二極管D2截止，流過截止，流過濾波電感濾波電感Lf的電流增加：的電流增加：顯然這和顯然這和BUCK變換器中開關(guān)管變換器中開關(guān)管Q導(dǎo)通時一樣。導(dǎo)通時一樣。變壓器原邊繞組電流：變壓器原邊繞組電流： INWVWWu122dtdiLVVWWLffOIN32dtdiLVMMINtLVdtLViMINtKTKTMINMMLfWiiWWi211正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)Q關(guān)斷，變

4、壓器原邊繞組和副邊繞組中都沒有電流流過，此關(guān)斷，變壓器原邊繞組和副邊繞組中都沒有電流流過，此時變壓器通過復(fù)位繞組進行磁復(fù)位，勵磁電流時變壓器通過復(fù)位繞組進行磁復(fù)位，勵磁電流iM從復(fù)位繞組從復(fù)位繞組W3經(jīng)過二極管經(jīng)過二極管D3回饋到輸入電源中去。此時整流管回饋到輸入電源中去。此時整流管D1關(guān)斷，關(guān)斷，流過電感流過電感Lf電流通過續(xù)流二極管電流通過續(xù)流二極管D2續(xù)流，復(fù)位繞組電壓：續(xù)流，復(fù)位繞組電壓：INWVu3此時整流管關(guān)斷，流過電感此時整流管關(guān)斷，流過電感Lf電流通過續(xù)流二極管電流通過續(xù)流二極管D2續(xù)續(xù)流，顯然和流，顯然和BUCK變換器類似。在此開關(guān)狀態(tài)中，加在變換器類似。在此開關(guān)狀態(tài)中，加在

5、Q上的電壓為：上的電壓為：電源電源VIN反向加在復(fù)位繞組反向加在復(fù)位繞組W3上，故鐵芯被去磁，鐵芯上，故鐵芯被去磁，鐵芯的磁通的磁通減小：減?。鸿F芯磁通鐵芯磁通的減小量：的減小量：式中式中Tr-ton是去磁時間。是去磁時間。變壓器原邊繞組和副邊繞組的電壓分別為：變壓器原邊繞組和副邊繞組的電壓分別為：INWVWWu311INWVWWu322)1 (3131WWVVWWVVINININQINVdtdW3onrINtTWV3)(正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)勵磁電流勵磁電流iM從原邊繞組中轉(zhuǎn)移到復(fù)位繞組中，并開始線性減從原邊繞組中轉(zhuǎn)移到復(fù)位繞組中，并開始線性減?。盒。簅nMINon

6、MINMWttLVWWtLVWWii3131303MWii在在Tr時刻，時刻， ，變壓器完成磁復(fù)位。，變壓器完成磁復(fù)位。正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)Q關(guān)斷狀態(tài)中，所有繞組均沒有電流，它們的電壓為零。關(guān)斷狀態(tài)中，所有繞組均沒有電流，它們的電壓為零。濾波電感電流經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流。在此時濾波電感電流經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流。在此時Q上的電壓為上的電壓為:由于在正激變換器中磁通必須復(fù)位，得：由于在正激變換器中磁通必須復(fù)位，得： 整理得：整理得：INQVV )(31onrINonINtTWVtWV)(31onrontTWWt正激變換器的不同開關(guān)

7、狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)如果如果W1W3，則去磁時間小于開通時間，則去磁時間小于開通時間即開關(guān)管的工作占空比即開關(guān)管的工作占空比 。如果如果W1W3，Q管電壓大于管電壓大于2倍輸入電壓；倍輸入電壓；W1W3，Q管電壓小管電壓小于于2倍輸入電壓。倍輸入電壓。為了充分提高占空比和減小為了充分提高占空比和減小Q兩端電壓，必須折衷選擇。一兩端電壓，必須折衷選擇。一般選般選W1=W3，這時，這時 ， ，而，而Q管電壓等于管電壓等于2倍倍輸入電壓。輸入電壓。由于單端正激變換器（由于單端正激變換器（Forword）變換器實際上是一個隔離）變換器實際上是一個隔離的的BUCK變換器，因此其輸入和輸出關(guān)系為：

8、變換器，因此其輸入和輸出關(guān)系為： onrontTtonrontTt5 . 0Tton5 . 0TtonoffonrttT5 . 0maxTtonINOVWWV12正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)VbeiLfiW3ttttt00000tontoffTuW1VININVWW31TriMiW1IOContents正激變換器的工作原理正激變換器的工作原理1幾種復(fù)位方式及其比較幾種復(fù)位方式及其比較2v 單端變換器的磁復(fù)位技術(shù)v 使用單端隔離變壓器之后，變壓器磁芯如何在每個脈動工使用單端隔離變壓器之后，變壓器磁芯如何在每個脈動工作磁通之后都能恢復(fù)到磁通起始值，這是產(chǎn)生的新問題，作磁通之后都

9、能恢復(fù)到磁通起始值，這是產(chǎn)生的新問題，稱為去磁復(fù)位問題。因為線圈通過的是單向脈動激磁電流稱為去磁復(fù)位問題。因為線圈通過的是單向脈動激磁電流，如果沒有每個周期都作用的去磁環(huán)節(jié)，剩磁通的累加可，如果沒有每個周期都作用的去磁環(huán)節(jié)，剩磁通的累加可能導(dǎo)致出現(xiàn)飽和。這時開關(guān)導(dǎo)通時電流很大；斷開時，過能導(dǎo)致出現(xiàn)飽和。這時開關(guān)導(dǎo)通時電流很大；斷開時，過電壓很高，導(dǎo)致開關(guān)器件的損壞。電壓很高，導(dǎo)致開關(guān)器件的損壞。v 剩余磁通實質(zhì)是磁芯中仍殘存有能量，如何使此能量轉(zhuǎn)移剩余磁通實質(zhì)是磁芯中仍殘存有能量，如何使此能量轉(zhuǎn)移到別處，就是磁芯復(fù)位的任務(wù)。具體的磁芯復(fù)位線路可以到別處，就是磁芯復(fù)位的任務(wù)。具體的磁芯復(fù)位線路可

10、以分成兩種：分成兩種：v 一種是把鐵芯殘存能量自然的轉(zhuǎn)移，在為了復(fù)位所加的電一種是把鐵芯殘存能量自然的轉(zhuǎn)移，在為了復(fù)位所加的電子元件上消耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸出端子元件上消耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸出端；另一種是通過外加能量的方法強迫鐵芯的磁狀態(tài)復(fù)位。；另一種是通過外加能量的方法強迫鐵芯的磁狀態(tài)復(fù)位。具體使用那種方法，可視功率的大小、所使用的磁芯磁滯具體使用那種方法，可視功率的大小、所使用的磁芯磁滯特性而定。特性而定。磁復(fù)位技術(shù)磁復(fù)位技術(shù)HBBr-Br0HBBr-Br0典型的兩種磁芯磁滯特性曲線典型的兩種磁芯磁滯特性曲線磁復(fù)位技術(shù)磁復(fù)位技術(shù)v 在磁場強度在磁場強度H H

11、為零時，磁感應(yīng)強度的多少是由鐵芯材料決為零時，磁感應(yīng)強度的多少是由鐵芯材料決定。圖定。圖a a的剩余磁感應(yīng)強度的剩余磁感應(yīng)強度BrBr比圖比圖b b小，圖小，圖a a一般是鐵氧體一般是鐵氧體、鐵粉磁芯和非晶合金磁芯，圖、鐵粉磁芯和非晶合金磁芯，圖b b一般為無氣隙的晶粒取一般為無氣隙的晶粒取向鎳鐵合金鐵芯。向鎳鐵合金鐵芯。v 對于剩余磁感應(yīng)強度對于剩余磁感應(yīng)強度BrBr較小的鐵芯，一般使用轉(zhuǎn)移損耗法較小的鐵芯，一般使用轉(zhuǎn)移損耗法。轉(zhuǎn)移損耗法有線路簡單、可靠性高的特點。對于剩余磁。轉(zhuǎn)移損耗法有線路簡單、可靠性高的特點。對于剩余磁感應(yīng)強度感應(yīng)強度BrBr較高的鐵芯，一般使用強迫復(fù)位法。強迫復(fù)位較高

12、的鐵芯，一般使用強迫復(fù)位法。強迫復(fù)位法線路較為復(fù)雜。法線路較為復(fù)雜。v 簡單的損耗法磁芯復(fù)位電路是由一只穩(wěn)壓管和二極管組成簡單的損耗法磁芯復(fù)位電路是由一只穩(wěn)壓管和二極管組成，穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組或和變壓器副邊繞組，穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組或和變壓器副邊繞組并聯(lián)，磁芯中殘存能量由于穩(wěn)壓管反向擊穿導(dǎo)通而損耗，并聯(lián)，磁芯中殘存能量由于穩(wěn)壓管反向擊穿導(dǎo)通而損耗，它具有兩種功能，既可以限制功率開關(guān)管過電壓又可以消它具有兩種功能，既可以限制功率開關(guān)管過電壓又可以消除磁芯殘存能量。在實際應(yīng)用中由于變壓器從原邊到副邊除磁芯殘存能量。在實際應(yīng)用中由于變壓器從原邊到副邊的漏電感（寄生電感）存在，這

13、個電感中也有存儲的能量的漏電感（寄生電感）存在，這個電感中也有存儲的能量，因此一般把穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組并聯(lián)連結(jié)，因此一般把穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組并聯(lián)連結(jié)。這種電路只適用于小功率變換器中，。這種電路只適用于小功率變換器中，。 磁復(fù)位技術(shù)磁復(fù)位技術(shù)幾種磁復(fù)位方式幾種磁復(fù)位方式v第三線圈復(fù)位法第三線圈復(fù)位法vRCD復(fù)位復(fù)位v有源鉗位有源鉗位v雙管正激雙管正激第三線圈復(fù)位法特點第三線圈復(fù)位法特點v 優(yōu)點：優(yōu)點：v 技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電網(wǎng)中去。技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電網(wǎng)中去。v 缺點：缺點：v 附加的磁復(fù)位繞組使變壓器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計復(fù)雜化；附加的

14、磁復(fù)位繞組使變壓器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計復(fù)雜化；v 開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要RC緩沖緩沖電路來抑制，尤其是變壓器滿載時；電路來抑制，尤其是變壓器滿載時；v 開關(guān)管承受的電壓與輸入直流電壓成正比，當(dāng)變壓器工作在開關(guān)管承受的電壓與輸入直流電壓成正比，當(dāng)變壓器工作在寬輸入電壓范圍時，必須采用高壓功率寬輸入電壓范圍時，必須采用高壓功率MOSFET,而高壓功率而高壓功率MOSFET的導(dǎo)通電阻較大，從而導(dǎo)致導(dǎo)通損耗較大；的導(dǎo)通電阻較大，從而導(dǎo)致導(dǎo)通損耗較大；v Uin=Uinmax時，占空比時，占空比d=dmin很小，不易于大功率輸出。很小，不易于

15、大功率輸出。RCD復(fù)位復(fù)位t=t2時開始磁復(fù)位，時開始磁復(fù)位，Cs與與Lm諧振使得磁化電感能量有一諧振使得磁化電感能量有一部分轉(zhuǎn)移到部分轉(zhuǎn)移到Cs 中去，剩余的中去，剩余的磁化電感能量和變壓器漏感磁化電感能量和變壓器漏感能量消耗在鉗位電阻能量消耗在鉗位電阻R中；中；t=t0t1期間，開關(guān)管期間，開關(guān)管導(dǎo)通變壓器上的磁化導(dǎo)通變壓器上的磁化電流增加；電流增加；t=t1時時VM 關(guān)斷，隨后以負(fù)載折關(guān)斷，隨后以負(fù)載折算到原邊的電流算到原邊的電流I0n給給Cs線性充電；線性充電；Cs：晶體管輸出電容、鉗位二極管：晶體管輸出電容、鉗位二極管結(jié)電容、折算到原邊的整流二極結(jié)電容、折算到原邊的整流二極管結(jié)電容和

16、變壓器繞組電容之和管結(jié)電容和變壓器繞組電容之和在在t=t3t4期間期間VDC導(dǎo)通導(dǎo)通UDS的值保持為的值保持為Uin +Uc磁化磁化電流以一電流以一UcLm 的斜率線性下降到零；的斜率線性下降到零；在在t=t4t5期間，期間，Cs中儲存的能量傳遞到磁化電感中儲存的能量傳遞到磁化電感Lm中去。中去?？赏茖?dǎo)出鉗位電壓為：可推導(dǎo)出鉗位電壓為： Uc與與Uin無關(guān)；無關(guān)；增大增大Lm可降低可降低Uc； 增加增加Cs，可降低，可降低Uc；這可通過在；這可通過在VM漏源兩端外并電容來實現(xiàn)但這卻增漏源兩端外并電容來實現(xiàn)但這卻增加了功率開關(guān)的容性開通損耗；加了功率開關(guān)的容性開通損耗；減小源副邊總漏感減小源副邊

17、總漏感L1k可降可降低低Uc，這是降低鉗位電壓的關(guān)鍵因素。，這是降低鉗位電壓的關(guān)鍵因素。RCD復(fù)位復(fù)位v優(yōu)點：優(yōu)點： 磁復(fù)位電路簡單；磁復(fù)位電路簡單； 功率開關(guān)電壓較低；功率開關(guān)電壓較低； 占空比占空比d可大于可大于0.5,適用于寬輸入電壓場合。適用于寬輸入電壓場合。v缺點缺點: 大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中。因此，它大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中。因此，它廣泛應(yīng)用于價廉、效率要求不太高的功率變換廣泛應(yīng)用于價廉、效率要求不太高的功率變換場合。場合。RCD復(fù)位法特點復(fù)位法特點有源鉗位有源鉗位為了簡化分析，假設(shè)輸出濾波電感為了簡化分析，假設(shè)輸出濾波電感L和鉗位電容和鉗位電容Ccl足夠大，因此可將

18、它們分別作為電流源和電壓源處足夠大，因此可將它們分別作為電流源和電壓源處理。變壓器用磁化電感理。變壓器用磁化電感Lm 、原副邊總漏感、原副邊總漏感L1k和變和變比為比為n：1的理想變壓器表示。每個開關(guān)周期分為七的理想變壓器表示。每個開關(guān)周期分為七個區(qū)間原理波形如右圖所示。個區(qū)間原理波形如右圖所示。t=t0時，功率開關(guān)時，功率開關(guān)VM開通。開通。VDC與與VD2截止截止VD1開通；開通；t=t1時。功率開關(guān)時。功率開關(guān)VM關(guān)斷，以關(guān)斷，以Ion對電容對電容Cs充電使得充電使得UDs增大；增大；t= t2時。時。UDs=Uin ，VD1關(guān)斷，關(guān)斷，VD2開通，磁化電流對開通，磁化電流對C2 充電即

19、充電即 Lm與與Cs 諧振，部分磁化能量轉(zhuǎn)移到諧振，部分磁化能量轉(zhuǎn)移到Cs中去；中去；t=t3時，時，UDs=Uin +Uc1，VDC開通開通i m以以-Uc1Lm 斜率斜率下降，一直下降，一直到到t4 時刻為零，鉗位開關(guān)時刻為零，鉗位開關(guān)VMC 應(yīng)在應(yīng)在t3t4 期期間加上開通信號；間加上開通信號；t=t4時，時，i m開始變負(fù)，開始變負(fù)，VMc 實現(xiàn)了實現(xiàn)了零電壓開通，零電壓開通，i m仍以仍以一一UclL m斜率下降，鐵心工作在第三象限；斜率下降，鐵心工作在第三象限；t=t5時，時，VMc關(guān)斷，關(guān)斷，Lm與與Cs開始諧振，開始諧振，C s以負(fù)的磁化以負(fù)的磁化電流放電，能量回饋到電網(wǎng)及轉(zhuǎn)移到磁化電感中去；電流放電，能量回饋到電網(wǎng)及轉(zhuǎn)移到磁化電感中去；t=t6時，時，UDS下降到下降到Uin，VD1開通，為開通，為i m在副邊續(xù)流提在副邊續(xù)流提供了通路；供了通路；t=t7 時，時，VM再次開通，開始了另一周期。由此可見，再次開通，開始了另一周期。由此可見，鉗位開關(guān)鉗位開