開關(guān)電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)例第四章變壓器隔離的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1、開關(guān)電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)例第四章變壓器隔離的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本章簡(jiǎn)介本章首先對(duì)DC-DC變換、實(shí)現(xiàn)方法行了概述，介紹了DC-DC變換中變壓器所起的作用，重點(diǎn)對(duì)5種DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的波形圖進(jìn)行了論述，包括：?jiǎn)味苏な?、單端反激式、半橋式、全橋式和推挽式電路。最后概括地介紹了上述5種結(jié)構(gòu)電路中電路元器件及輸入、輸出參數(shù)的計(jì)算方法。本章要求了解DC-DC電路技術(shù)的內(nèi)涵，重點(diǎn)掌握DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、原理及工作過(guò)程，從而使后續(xù)各章的學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確。4.1 概述一般電力(如市電)要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。轉(zhuǎn)換方式有交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率中取小

2、功率等。按電力電子的習(xí)慣稱謂，AC-DC(AC表示交流電，DC表示直流電)稱為整流，DC-AC稱為逆變，AC-AC稱為交流-交流直接變頻(同時(shí)也變壓)，DC-DC稱為直流-直流變換。開關(guān)電源主要組成部分是DC-DC變換器，涉及頻率變換，其實(shí)把直流電壓變換為另一種直流電壓最簡(jiǎn)單辦法是串一個(gè)電阻，這樣不涉及變頻的問(wèn)題，顯得很簡(jiǎn)單，但是效率低。用一個(gè)半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器的負(fù)載線路與直流電壓一會(huì)相接，一會(huì)斷開，則負(fù)載上也得到另一個(gè)直流電壓。這就是DC-DC的基本手段，類似于“斬波”(Chop)作用。4.1 概述單端雙端正激反激推挽半橋全橋單管雙管DC-DC變換器4.1 概述帶變壓隔離器

3、的變換器是從第3章基本變換器派生、組合、演變而來(lái)的。它們從哪個(gè)基本變換器變來(lái)，就帶有哪個(gè)基本變換器的本質(zhì)特征。所謂派生，是指變壓隔離器插入到各基本變換器各不同的點(diǎn)上而形成的電路。由于變壓隔離器有單端式、并聯(lián)式、半橋式和全橋式四種，因此，可得到很多電路。所謂組合是指變換器的串聯(lián)形式引起的變化。例如降壓與升壓變換器相串，或者升壓與降壓變換器相串等等。這與第3章討論的角度不同，本章是有意識(shí)地往隔離方向引導(dǎo)，并加以討論，從而得到一些有應(yīng)用價(jià)值、使用較廣的電路。圖4-1給出了隔離DC-DC變換器功能示意圖。4.1 概述圖 4-1 隔離DC-DC變換器功能示意圖4.1 概述 升壓和降壓等變換器可以完成直流

4、電壓的變換。但實(shí)際上存在著轉(zhuǎn)換功能上的局限性，例如，輸入輸出不隔離，輸入輸出電壓比或電流比不能過(guò)大以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路輸出等。這種局限性只能用另一種開關(guān)變換器中的重要組件變壓隔離器來(lái)克服。下面列出采用變壓器隔離結(jié)構(gòu)的原因：輸出端與輸入端之間需要隔離；變壓器可以同時(shí)輸出多組不同數(shù)值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數(shù)比和漆包線截面積的大小即可；變壓器初、次級(jí)互相隔離，不需共用同一個(gè)地。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。這里的離線并不是不需要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒(méi)有導(dǎo)線連接，完全是通過(guò)磁場(chǎng)偶合傳輸能量；變壓器開關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進(jìn)行電器隔離

5、的最大好處是，提高設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以減輕EMI干擾，并且還容易進(jìn)行功率匹配；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；工作頻率高于20kHz這一人耳的聽覺極限，又可以避免變壓器和電感產(chǎn)生噪音。4.1 概述表 4-1 各種不同的間接直流變流電路的比較4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.2.1 簡(jiǎn)介 單端正激變換器是一個(gè)隔離開關(guān)變換器，隔離型變換器的一個(gè)根本特點(diǎn)是有一個(gè)用于隔離的高頻變壓器，所以可以用于高電壓的場(chǎng)合。由于引入了高頻變壓器極大的增加了變換器的種類，豐富了變換器的功能，也有效的擴(kuò)大了變換器的使用范圍。單端正激變換器拓?fù)湟云浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠

6、、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于獨(dú)立的離線式中小功率電源設(shè)計(jì)中。在計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，這類電源具有廣闊的市場(chǎng)需求。 所謂單激式變壓器開關(guān)電源，是指開關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級(jí)線圈只被直流電壓激勵(lì)一次。一般單激式變壓器開關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，只有半個(gè)周期向負(fù)載提供功率(或電壓)輸出。當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈也正好向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源；當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱

7、為反激式開關(guān)電源，這種結(jié)構(gòu)將在4.3節(jié)中詳細(xì)介紹。4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)及工作原理 為使變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高可靠性，減少成本和重量，圖4-2示出了單端變壓隔離器與降壓變換器結(jié)合的線路。這是一個(gè)原邊、副邊同時(shí)工作的線路，稱為正激變換器（Forward Converter），它廣泛地應(yīng)用在小功率電源小。由于原邊繞組通過(guò)的是單向脈動(dòng)電流，一個(gè)實(shí)用的單端變壓隔離器電路必須采取措施，使變壓器鐵芯磁性復(fù)位，如圖4-2所示。4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.2.3 電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.2 單端正激式

8、結(jié)構(gòu)4.2 單端正激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.3 單端反激式結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.4半橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.5全橋式電路結(jié)構(gòu)4.6推挽式電