1、隔离型DC/DC变换器,1,参考文献,1 张占松，蔡宣三 .开关电源的原理与设计，电子工业出版社,3.1 变压隔离器的理想结构,2,2 SIOMN ANG, ALEJANDRO OLIVA. 开关功率变换器开关电源的原理、仿真和设计，机械工业出版社,4.2 正激变换器,概述,非隔离的DC/DC变换器的局限性 输入输出不隔离，形成地线上的环流 输入输出电压比或电流比不能太大 无法实现多路输出,3,解决方法 采用变压隔离器,概述,理想变压隔离器的特征 从输入到输出能够通过所有的信号频率，即从理想的直流到交流都能变换； 变换时可不考虑能量损耗； 变换中能提供任何选定的电压和电流变比 能使输入和输出之
2、间完全隔离 变换时，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一样方便有效,4,理想的变压隔离器符号,概述,常见的变压隔离器电路,5,单端变压隔离电路,双端变压隔离电路,主要应用于中小功率电路,优点：线路简单,缺点： （1）输入电流脉动 （2）S1关断时承受高压 （3）闭路峰值电流大,概述,常见的变压隔离器电路,6,半桥变压隔离电路,全桥变压隔离电路,隔离型Buck变换器单端正激变换器,电路的构成,7,基本buck变换电路拓扑,Buck变换器工作波形,隔离型Buck变换器单端正激变换器,电路的构成,8,隔离型buck（正激 Forward）变换器,隔离型Buck变换器单端正激变换器,工作原理,9,N
3、3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。,由于磁芯的磁滞效应，当具有非零直流平均电压的单向脉冲加到变压器初级绕组上，线圈电压或电流回到零时，磁芯中磁通并不回到零，这就是剩磁通。剩磁通的累加可能导致磁芯饱和，因此需要采用磁复位（去磁技术）,（2）电感L储能，电流直线上升,隔离型Buck变换器单端正激变换器,工作原理,10,能量传递阶段,VT导通,（1）经变压器耦合和二极管VD向负载传输能量。,工作原理,11,隔离型Buck变换器单端正激变换器,磁复位阶段,VT截止,（2）副边：VD截止，VD1导通，L向负载释放能量，电流直线下降。,（1）原边：磁芯中的剩磁能量通过VD2和N3向输入电
4、源馈送。,工作原理,12,隔离型Buck变换器单端正激变换器,续流阶段,VD2截止,磁芯中的能量释放完毕。,VD1导通或截止,（1）如果电感储能能够维持电流连续至下个周期开始，VD1始终导通。 （2）如果电感电流断续，则VD1截止。,工作原理,13,隔离型Buck变换器单端正激变换器,输出电压平均值,VT截止时,隔离型Buck变换器单端正激变换器,正激变换器的设计 开关管的选择 （1）开关管的漏极额定电流必须大于流过IGBT漏极实际电流IDmax。,14,（2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui,隔离型Buck变换器单端正激变换器,整流二极管、续流二极管的选择 （1）流过整流二极管和续
5、流二极管中的电流峰值均为电感电流峰值（2）VD1承受最大电压出现在VT导通时（3）VD承受最大电压出现在VT截止时,15,隔离型Buck变换器单端正激变换器,多路输出的正激变换器原理图,16,隔离型Buck变换器单端正激变换器,例 前页所示正激变换器，输入电源电压60V，二次主输出的平均输出电压为5V,开关频率为1kHz，输出电感电流纹波最大值为0.1A，原边边绕组匝数60，匝比Nr/Np等于1。求：（1）副边主绕组匝数最小值Nsm；（2）输出滤波电感Lom的值。,17,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,电路的构成,18,基本Buck-Boost变换器,隔离型Buck-Boost
6、变换器,电感隔离变换器,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,电路的构成,19,单端反激式（Flyback）变换器,VT导通时，VD截止,VT截止时，VD导通,电感储能型变换器,导通终了时，i1的幅值,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,工作原理,20,VT导通时，VD截止,i1,i2,流过N1的电流,VT截止时，VD导通,I2p为VT截止时i2的幅值,流过N2的电流,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,3种工作状态 变压器磁通临界连续状态,21,VT截止时间toff和绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间相等,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,变
7、压器磁通不连续状态,22,VT截止时间toff比绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间更长 即 toff(L2/UO)I2P,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,输入输出电压关系,23,即输入功率为,VT导通期间，变压器T储能,输出功率为,假定 电路无损,结论： （1）Uo与负载RL有关，RL Uo （2） Uo与导通时间成正比 （3）与电感量L1成反比,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,开关管承受电压,24,VT截止时，N1上的感应电势,VT截止时，漏-源承受的电压,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,变压器磁通连续状态,25,VT截止时间较小，toff
8、0,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,电压传输比,26,VT导通,VT截止,伏秒平衡,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,变换器的设计 变压器磁通不连续,27,开关管的选择,整流二级管的选择,单端变压隔离器的磁通复位技术,28,使用单端变压隔离器遇到的问题,如何使变压器磁芯在每个脉动工作磁通之后都能回复到磁通起始值,去磁复位问题,开关导通时，电流很大 开关段开始，过电压很高,如果每个周期不去磁，剩余磁通的累加可能导致磁芯饱和,单端变压隔离器的磁通复位技术,磁芯复位线路种类,29,采用哪种方法取决于功率P的大小和所使用的磁芯磁滞特性而定,单端变压隔离器的磁通复位技术,2
9、种典型的磁芯磁滞特性曲线,30,低Br 铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯 复位常用转移损耗法，线路简单可靠,高Br 无气隙的晶粒取向镍铁合金磁芯 复位常用强迫法，线路较复杂,单端变压隔离器的磁通复位技术,低Br的去磁方法,31,转移损耗法磁芯去磁线路,（a）与原边绕组连接,（b）与副边绕组连接,单端变压隔离器的磁通复位技术,低Br的去磁方法,32,再生式磁芯去磁线路,（a）能量电源,（b）能量负载,单端变压隔离器的磁通复位技术,高Br的去磁方法,33,强制磁芯去磁各种方法,（a）加恒流源和变压器附加绕组,（b）外部加永久磁铁,单端变压隔离器的磁通复位技术,高Br的去磁方法,34,强制磁芯去磁各种
10、方法,（c）利用滤波电感作为恒流源,单端变压隔离器的磁通复位技术,高电压源变换器中去磁电路,35,双开关、单端去磁线路,（a）利用 原边绕组本身,（b）利用部分原边绕组,双管正激式DC/DC变换器,电路结构,36,工作原理,VT2,VT1、VT2同时动作,VT1、VT2同时导通：UNPUNS，iVD3 ，iVD4 IP=IS/n（n=NP/NS）,VT1、VT2同时关断：VD1，VD2能量反馈回Ui，并嵌位；VD3关断，VD4 续流导通,注意点： D 0.5 VD4反向恢复时间 漏感值,全桥变换器,全桥变换器的构成,37,全桥变换器电路拓扑演变过程,优点：UVT1maxUVT2max Ui 缺
11、点：变压器利用率较低,1.大功率场合常用电路 2.VT1和VT2 或VT3和VT4同时导通 3.变压器得到充分利用,全桥变换器,工作原理,38,t0t1: uG1,4=1，VT1 , VT4导通，UNP =Ui ；iVD5 ，iVD6VD5导通，VD6关断,t1t2: uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4关断；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui,t2t3: uG2,3=1， VT2 , VT3导通，UNP =-Ui ；iVD6 ，iVD5VD6导通，VD5关断,t3t4: uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4关断；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)U
12、i,全桥变换器,缓冲器的组成及作用,39,全桥变换器,缓冲器的组成及作用,40,两种运行方式的B-H范围,半桥变换器,半桥变换器的构成,41,半桥式变换器的电路拓扑,1. 用2个相同的电容器代替2个晶体管 2. 降低成本，增大电路体积 3. 常用于低功率变换器 4. 初级电压峰值为全桥电路一半，电流为全桥的2倍,半桥变换器,工作原理,42,t0t1: uG1=1，VT1 导通，UNP =(1/2)Ui ；iVD5 ，iVD6VD5导通，VD6关断,t1t2: uG1=uG2=0，VT1、VT2关断，UNP =0；uVT1=uVT2=(1/2)Ui ；VD5、VD6均导通为L提供续流回路,t2t
13、3: uG2=1， VT2 导通，UNP =-(1/2)Ui ；iVD6 ，iVD5VD6导通，VD5关断,t3t4: uG1=uG2=0，VT1、VT2关断；uVT1=uVT2=(1/2)Ui,半桥变换器,桥式分压电容器的选择,43,初级电流,VT1和VT2导通时，从A点充电或取电 在半周期中，2个电容器补充电荷损失,电容器上电压变化,电容器上直流电压变化的百分数与整流输出电压变化的百分数是相同的,输出电压纹波百分数,半桥变换器,偏磁现象及其防止方法 偏磁的可能性：VT1，VT2具有不同开关特性，导致伏秒不平衡，发生偏磁现象。,44,串联耦合电容改善偏磁性能,C3两端直流电压降变化速度的时间常数,半桥变换器,串联耦合电容的选择 初算电容量,45,初算电容器充电电压是否过高或过低,注：谐振频率通常选fR=0.1fS,半桥变换器,直通的可能性及其防止 直通：VT1、VT2两晶体管在某一时间内同时导通的现象。 防止方法： 对驱动脉宽最大值加于限制。 从拓扑上解决，采用交叉耦合封闭电路。,46,
