第3章 帶隔離的直流變流電路課件

1、第三章帶隔離的DC變換器電路，3.1正向電路，3.2反激電路，3.3半橋電路，3.4全橋電路，3.5推挽電路，3.6全波整流和全橋整流，1。PPT學習交流。在實際應用中，開關電源的輸出和輸入之間通常需要電氣隔離。電氣隔離一般通過高頻隔離變壓器實現(xiàn)。隔離變壓器中使用的鐵芯通常具有非線性特性。下圖顯示了典型的變壓器鐵芯特性，其中Bs是鐵芯的最大允許磁通密度，超過該值，鐵芯將飽和；Br是剩余磁通量密度。2，PPT學習交流，隔離變壓器鐵芯：勵磁方式，單向勵磁雙向勵磁，單向脈動磁通，雙向交流磁通，反激變換器正激變換器，推挽變換器半橋變換器全橋變換器，3，PPT學習交流，隔離變壓器鐵芯：鐵芯損耗，4，PP

2、T學習交流，隔離變壓器鐵芯：磁通密度幅值，5，隔離變壓器鐵芯：磁通密度幅值；6.PPT學習Ac；隔離變壓器鐵芯：設計原則：如果Bm較大，交流可以降低開關頻率大于100千赫，允許的磁通幅度應適當降低，以限制鐵損；進行單向勵磁時，應選擇低溴鐵芯；7.隔離變壓器鐵芯：磁滯回線和溫度；8.PPT學習交流，隔離變壓器鐵芯：磁通密度，開關頻率和損耗，9。PPT學習交流，兩種磁芯的典型磁滯曲線，鐵氧體、鐵粉芯和非晶合金芯，晶粒取向的無氣隙鎳鐵合金芯，10。PPT學習交換，對于剩余磁感應強度小的鐵芯Br，一般采用轉移損耗法。轉移損耗法具有電路簡單、可靠性高的特點。對于剩磁感應強度高的鐵芯，一般采用強制復位法。

3、強制復位法電路復雜。11、PPT學習交流，單端換流變壓器磁通僅在一個方向上變化。當正激變換器的開關管接通時，電源直接向負載傳輸能量。正激變換器的特點是輸出功率為50-200瓦，12路，PPT學習通信，由于圖中變壓器的一次側通過單向脈動電流，變壓器鐵心極度飽和，所以主電路中應考慮變壓器鐵心磁場的抗飽和措施，即如何定期復位變壓器鐵心磁場。另外，此時開關器件的位置可以稍微改變，使其發(fā)射極與電源Us相連，便于控制電路的設計。鐵芯磁場復位有多種方案，如磁場能量消耗法、磁場能量轉移法等。13，PPT學習通信，14，PPT學習通信，3.1正向電路，圖3-1正向電路示意圖，圖3-2正向電路的理想化波形。開關S

4、接通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為正、負，耦合的W2繞組兩端的電壓也為負。因此，VD1處于導通狀態(tài)，VD2處于截止狀態(tài)，電感器l的電流逐漸增加。Ton=DTs周期，1)正向電路的工作過程，15) PPT學習通信，3.1正向電路，s關斷后，電感l(wèi)通過VD2續(xù)流，VD1關斷。變壓器的勵磁電流通過N3繞組和VD3流回電源。toff=(1-d)ts期間，s關閉后的電壓為：Forward circUit的工作過程，16。PPT學會通信，輸出電壓U2和U1 N2之間的關系相當于BUCK電路向右看時的變化d，它可以改變U0，17，PPT學會通信，3.1正向電路，輸出電壓，為什么d不能大于0.5，18，PPT

5、學習交流，隔離Buck變換器單端正激變換器，單端變換器變壓器磁通只有當單向變化的正激變換器開關管接通時，電源才直接向負載傳輸能量，(b)單端正激DC/DC變換器，O，F(xiàn)，19，PPT學習交流，隔離Buck變換器單端正激變換器，N2，D2導通N3，D1，D3都關斷，T導通：Ton=DTs周期，20，PPT學習交流，隔離Buck變換器單端因此，這里的變壓器不僅起著輸入電隔離的作用，而且還起著儲能電感的作用。3.2反激電路，22，PPT學習交流，3.2反激電路，1)工作過程：圖3-5反激電路的理想化波形，圖3-4反激電路示意圖，s接通后，VD處于關斷狀態(tài)，W1繞組電流線性增加，電感儲能增加；當S關斷

6、時，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD釋放到輸出端。該電路的工作原理是：當開關管接通時，由于D承受反向電壓，變壓器的二次側相當于開路，變壓器的一次側相當于電感。電源Us將能量輸送到變壓器的初級側，并以磁場的形式儲存能量。當開關管關斷時，線路中的磁場儲能不會突然改變，變壓器的二次側會產生正上負下的感應電勢，使D承受正向電壓并導通，從而將磁場儲能轉移到負載上。3.2反激電路，24，PPT學習交流，3.2反激電路，2)反激電路的工作模式：電流連續(xù)模式：當S接通時，W2繞組中的電流沒有降到零。輸出電壓關系：圖3-5反激電路的理想波形，圖3- 4反激電路的原理圖，25，PPT學習

7、交流，26，PPT學習交流，3.2反激電路，2)反激電路的工作模式：電流間歇模式：W2繞組中的電流在s導通前已降至零。輸出電壓高于上述公式的計算值，并隨著負載的減少而增加。在零負載限制下，反激電路不應工作在負載開路狀態(tài)。圖3- 6反激電路的理想波形，圖3- 4反激電路的原理圖，27，PPT學習交流，3.2反激電路和反激變壓器開關電源的工作原理圖。在圖a中，ui是開關電源的輸入電壓，t是開關變壓器，k是控制開關，c是儲能濾波電容器，r是負載電阻。28、PPT學習交流和反激式變壓器開關電源的工作過程。在Ton期間，Ui給N1繞組通電，電流i1流過N1繞組，在N1兩端產生自感電動勢e1，在變壓器次級

8、線圈N2兩端產生感應電動勢e2。因為D，所以不產生回路電流。相當于變壓器次級線圈開路，變壓器次級線圈相當于電感器。因此，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流就是變壓器的勵磁電流，變壓器初級線圈N1繞組兩端產生的自感電動勢可以用下面的公式表示：29，PPT學習交流，綜合以上公式，可以得到：30，PPT學習交流，當開關電源工作在輸出臨界連續(xù)電流的狀態(tài)時，i1(0)正好等于0。(0)正好等于剩余通量SBr。當控制開關K即將關斷且開關電源工作在輸出電流的臨界連續(xù)狀態(tài)時，i1和i1都達到最大值：31、PPT學習通信，當控制開關K突然從接通變?yōu)閿嚅_時，流過變壓器初級線圈的電流I1突然變?yōu)?，這意味著變壓器鐵芯

9、中的磁通量將突然改變。這是不可能的。如果變壓器鐵芯中的磁通量突然變化，變壓器初級和次級線圈回路將產生無限高的反電動勢，反過來將產生無限大的電流，并且該電流將抵抗磁通量的變化。因此，變壓器鐵芯中磁通量的變化最終受到變壓器初級和次級線圈中電流的限制。因此，在控制開關K斷開的Toff周期期間，變壓器鐵芯中的磁通量主要由變壓器次級線圈回路中的電流決定，也就是說，因為反激式變壓器開關電源的變壓器次級線圈N2繞組的輸出電壓已經被整流和濾波，并且濾波電容器和負載電阻之間的時間常數(shù)非常大，整流和濾波后的輸出電壓uo基本上等于Uo的幅度Up。33，PPT學習交流，在同一個當控制開關k即將斷開時，i2和I2都達到

10、最小值。35、PPT學習通信，總結單端反激變換器，在零負載的極端情況下，由于開關接通時變壓器電感中存儲的磁能無處消耗，輸出電壓會越來越高，電路元件會損壞，所以反激變換器不能在空載下工作。不需要特殊的退磁繞組，電路簡單。當開關被阻斷向負載供電時，根據(jù)釋放儲存能量的變壓器繞組電感，磁通量僅在一個方向上變化。一般只用于100-200瓦以下的小容量DC/DC轉換(如控制系統(tǒng)所需的輔助電源)。36，PPT學習交流，為了避免磁路飽和，工作磁通可以在每個開關周期復位，因此：(1)單端反激變換器的開關變壓器的鐵芯有一個氣隙，所以磁路中的磁通與勵磁安匝成線性關系，因為氣隙的磁導率是常數(shù)；(2)初級繞組電流實現(xiàn)脈

11、沖限流控制。即使存在氣隙，由于電網電壓、負載的波動和控制回路的干擾，仍然存在磁路飽和或IPmin的可能性。為了保護開關元件，必須采用脈沖限流控制。37、PPT學習交流、脈沖限流控制：當開關管接通時，檢測開關管中的電流，當電流達到某一極限值時，開關管的驅動脈沖被鎖定，以限制開關管的脈沖寬度ton。調制環(huán)路振蕩器的脈沖后沿復位脈寬調制觸發(fā)器并解鎖。當下一個振蕩周期的脈沖前沿到來時，脈寬調制觸發(fā)器再次置位，驅動開關管再次導通。如果磁路飽和，ip上升，將很快達到電流極限值，鎖定開關管的驅動脈沖。這樣，逐脈沖電流限制被稱為脈沖電流限制控制。38、PPT學習交流、3.3半橋電路、S1和S2交替導通，使變壓

12、器的一次側形成幅度為Ui/2的交流電壓。通過改變開關的占空比，可以改變次級側整流電壓Ud的平均值，并且還可以改變輸出電壓Uo。1)工作過程，圖3- 7半橋電路示意圖，圖3- 8半橋電路理想化波形，39，PPT學習通信，3.3半橋電路，S1導通時二極管VD1處于導通狀態(tài)，S2導通時二極管VD2處于導通狀態(tài)；當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，并且VD1和VD2都處于導通狀態(tài)，每個都共享一半的電流。當S1或S2接通時，電感器L的電流逐漸增加，當兩個開關都斷開時，電感器L的電流逐漸減小。S1和S2斷開時的峰值電壓為Ui。1)工作過程，圖3- 8半橋電路的理想化波形，40，PPT學習通信，

13、如果變壓器有漏電感和勵磁電感，當Sl斷開時，S2接通續(xù)流。當不考慮漏抗時，當S1關斷時，次級側VD1和VD2同時導通，實現(xiàn)退磁回路的功能。41，PPT學習交流，3.3半橋電路，由于電容的DC阻斷效應，半橋電路對兩個開關的非對稱導通時間引起的變壓器原邊電壓的DC分量有自動平衡作用，所以變壓器不易產生磁偏和DC磁飽和。42、PPT學習交流，(a)串聯(lián)電容前的交流電壓，對角網格區(qū)域表示A1和A2的伏秒值的不平衡波形，(b)串聯(lián)電容后的工作波形和變壓器原邊的伏秒值得到變壓器原邊串聯(lián)電容的平衡圖，43、PPT學習交流，3.3半橋電路，2)數(shù)量關系，圖3- 8中半橋電路的理想化波形，濾波電感L時。 其中兩

14、個對角開關同時接通，并且同一側半橋的上開關和下開關交替接通，使得變壓器的初級側形成幅度為Ui的交流電壓，并且可以通過改變占空比來改變輸出電壓。 1)工作過程，圖3- 9全流程示意圖當所有四個開關都關斷時，所有四個二極管都處于導通狀態(tài)，每個二極管共享一半的電感器電流，電感器L的電流逐漸減小。S1和S2斷開時的峰值電壓為Ui。1)工作過程，圖3- 10全橋電路的理想化波形，46，PPT學習交流，3.4全橋電路，如果S1和S4的導通時間與S2和S3不對稱，交流電壓uT將包含DC分量，這將在變壓器初級側產生一個大的DC分量，導致磁路飽和。因此，全橋電路應注意避免產生DC分量的電壓，并可在初級電路中串聯(lián)

15、一個電容來阻斷DC電流。47，PPT學習交流，3.4全橋電路，2)定量關系，當濾波電感電流連續(xù)時：當輸出電感電流間歇時，輸出電壓Uo將高于上述公式的計算值，并將隨著負載的減少而增加。在零負載極限情況下：48，PPT學習交流，3.5推挽電路，圖3- 11推挽電路原理圖，圖3- 12推挽電路理想化波形，推挽電路中的兩個開關S1和S2交替導通，繞組N1和N，1兩端分別形成反相交流電壓。當S1導通時，二極管VD1導通，電感器L的電流逐漸上升。當S2導通時，二極管VD2處于導通狀態(tài)，電感L電流逐漸上升。1)工作過程，49，PPT學習交流，3.5推挽電路，圖3- 11推挽電路示意圖，圖3- 12推挽電路的

16、理想化波形，當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于導通狀態(tài)，各分擔一半電流。當S1和S2處于關斷狀態(tài)時，峰值電壓是Ui的兩倍。S1和S2同時導通，相當于變壓器初級繞組短路。因此，應防止兩個開關同時打開。1)工作過程，50，PPT學習交流，3.5推挽電路，2)數(shù)量關系，當濾波電感L電流連續(xù)時：當輸出電感電流不連續(xù)時，輸出電壓Uo將高于上述公式的計算值，并將隨著負載的減小而增大。在負載為零的極限條件下，51、PPT學習交流、推挽變換器的變壓器利用率高，二次側頻率比正激變換器提高兩倍，因此電抗器可以做得很小。推挽變換器與單管變換器相比，元件更多，但與兩個單管變換器相比，元件更少，更經濟，因此通常用于單管領域以外的容量范圍。推挽變換器電路的缺點是所用晶體管的電壓是變換器輸入電壓的兩倍。由于高壓大電流晶體管不受歡迎，限制了其在大功率變換器中的普及。52、PPT學習交