正激变换器的磁复位方式ppt课件
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几种磁复位方式
第三线圈复位法 RCD复位 有源钳位 双管正激
南京邮电大学
16
第三线圈复位法特点
优点： 技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。 缺点： 附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化； 开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲
南京邮电大学
7
正激变换器的不同开关状态
励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减 小：
在Tr时刻，
，变压器完成磁复位。
南京邮电大学
8
正激变换器的不同开关状态
Q关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。 滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为:
由于在正激变换器中磁通必须复位，得：
，
，而Q管电压等于2倍
输入电压。
由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离 的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为：
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10
正激变换器的不同开关状态
Vbe 0
φ
0 iW3
0 iLf
0 uW1
IO toff
VIN
0
W1 W3
VIN
ton
T
iW1
南京邮电大学
iM Tr
t t t
显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。 变压器原边绕组电流：
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5
正激变换器的不同开关状态
Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组 W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断， 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：
实现了零电压关断，但非零电压开通。)
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21
有源钳位
22
有源钳位优缺点
优点： 变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用； 可利用低压功率MOSFET和二极管； ZVT-PWM工作方式； 占空比d可大于0.5； 变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利 用率高，铜损小
缺点： 多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成 本。
主讲人：杨艳 2010.11.22
1
Contents
1 正激变换器的工作原理 2 几种复位方式及其比较
南京邮电大学
2
正激变换器的工作原理
W3 -
T
D1
*
+
W1 *
W2
+
u w3
u w1
u w2
+
-
*
-
VIN
Hale Waihona Puke D3QLf
D2
i
Lf
+
Cf
RL VO
-
单端正激变换器的主电路
开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续 流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器 有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。
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18
RCD复位
在t=t3～t4期间．VDC导通．UDS的值保持为Uin +Uc．磁化 电流以一Uc／Lm 的斜率线性下降到零； 在t=t4～t5期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感Lm中去。
可推导出钳位电压为：
① Uc与Uin无关；②增大Lm可降低Uc；③ 增加Cs，可降低 Uc；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现．但这却增 加了功率开关的容性开通损耗；④减小源副边总漏感L1k可降 低Uc，这是降低钳位电压的关键因素。
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6
正激变换器的不同开关状态
变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：
此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2 续流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加 在Q上的电压为：
电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯 的磁通φ减小：
铁芯磁通φ的减小量：
式中Tr-ton是去磁时间。
t=t0～t1期间，开关管 导通变压器上的磁化 电流增加；t=t1时VM 关断，随后以负载折 Cs结：电晶容体、管折输算出到电原容边算给、的到C钳s整线原位流性边二二充的极极电电管；流I0／n 管结电容和变压器绕组电容之和
t=t2时开始磁复位，Cs与Lm 谐振使得磁化电感能量有一 部分转移到Cs 中去，剩余的 磁化电感能量和变压器漏感 能量消耗在钳位电阻R中；
13
磁复位技术
B
Br
H
0 -Br
B
Br
H
0
-Br
典型的两种磁芯磁滞特性曲线
14
磁复位技术
在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决
定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一般是铁氧体
、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一般为无气隙的晶粒取 向镍铁合金铁芯。
对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法
19
RCD复位法特点
优点： 磁复位电路简单； 功率开关电压较低； 占空比d可大于0.5,适用于宽输入电压场合。
缺点: 大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它 广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换 场合。
20
有源钳位
tt==tt30为时t电时=了t，流，5时简U放功D，化电率sV分=，开UM析能关inc，关量V+U假M断回c开设，1馈，通输L到Vm。出电D与V滤C网开CD波及sC通开与电转．始V感移iD谐Lm到2截和振以磁止钳，-化U．位Cc电1sV电／以感D容L负1中开mC的去c通斜l 磁；；率化 下间t一tUt充===tD降加Ut4电t1足理比个sc2时t供t钳时，上增==l时．／够。为区tt，了位。67一开大。即L时n大变间时i通开功直通：；Umm，L，压．，路关率D信到1开斜mU因器原的sVV；开与号t=始率D4MM此用理理US关C；下变时下i再可 磁 波想n实sV降负刻降谐次，将化形M变现到，为，振开V关它电如压了U零V铁D，通断们感右器零iM1n，心部关，，L分图表，电c钳工m分断开实以别所示V压位作、D磁，始现I作示。开o1开在原化V开／了了为。每关D关第副能通n另零电个(2对ZV三边开量，一电流开VM电象总通转为S周压源关C)容限，漏，移i期开应和周mC；功感磁到。通在电期s在充L率化C由，t压分副31电sk开电～此i中源为和边m．关流t可去处七变4续仍使V对见期；流以M得C，提2
剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移 到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以 分成两种：
一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电 子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端 ；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。 具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞 特性而定。。
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3
正激变换器的不同开关状态
开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁 芯磁通φ增加，则变压器铁芯磁通增量：
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4
正激变换器的不同开关状态
由
得变压器原边磁化电流：
式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的 电压为： 此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过 滤波电感Lf的电流增加：
。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁
感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位
法线路较为复杂。 简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成
，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组 并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗， 它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消 除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边 的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量 ，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结 。这种电路只适用于小功率变换器中，。
26
电路来抑制，尤其是变压器满载时； 开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在
宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率 MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。
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RCD复位
23
双管正激
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24
双管正激
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25
双管正激优缺点
优 点 : 加 于 每 个MOSFFT的最大电压仅为VDD。 减 少 了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声 可 以 有 效地避免误触发引起的短路故障。
缺 点 : 需 要 更 多的开关器件，增加了成本。 电路 中 过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低 额定电压的MOSFET降低电阻RDS（on）来提高效率。 占空 比 小于50%，受开关频率的限制。
整理得：
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9
正激变换器的不同开关状态
如果W1>W3，则去磁时间小于开通时间
即开关管的工作占空比
。
如果W1<W3 ，则去磁时间大于开通时间
即开关管的工作占空比
。
W于12>倍W输3，入Q电管压电。压大于2倍输入电压；W1<W3，Q管电压小
为了充分提高占空比和减小Q两端电压，必须折衷选择。一
般选W1=W3，这时
t t
11
Contents
1 正激变换器的工作原理 2 几种复位方式及其比较
南京邮电大学
12
磁复位技术
单端变换器的磁复位技术 使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工
作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题， 称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流 ，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可 能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过 电压很高，导致开关器件的损坏。
1313南京邮电大学南京邮电大学正激变换器的不同开关状态1414contents正激变换器的工作原理南京邮电大学南京邮电大学1515单端变换器的磁复位技术使用单端隔离变压器之后变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值这是产生的新问题称为去磁复位问题
南高实京速验邮电电室机大学
正激变换器
几种磁复位方式
第三线圈复位法 RCD复位 有源钳位 双管正激
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16
第三线圈复位法特点
优点： 技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。 缺点： 附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化； 开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲
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正激变换器的不同开关状态
励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减 小：
在Tr时刻，
，变压器完成磁复位。
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8
正激变换器的不同开关状态
Q关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。 滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为:
由于在正激变换器中磁通必须复位，得：
，
，而Q管电压等于2倍
输入电压。
由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离 的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为：
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正激变换器的不同开关状态
Vbe 0
φ
0 iW3
0 iLf
0 uW1
IO toff
VIN
0
W1 W3
VIN
ton
T
iW1
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iM Tr
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显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。 变压器原边绕组电流：
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正激变换器的不同开关状态
Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组 W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断， 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：
实现了零电压关断，但非零电压开通。)
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21
有源钳位
22
有源钳位优缺点
优点： 变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用； 可利用低压功率MOSFET和二极管； ZVT-PWM工作方式； 占空比d可大于0.5； 变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利 用率高，铜损小
缺点： 多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成 本。
主讲人：杨艳 2010.11.22
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Contents
1 正激变换器的工作原理 2 几种复位方式及其比较
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2
正激变换器的工作原理
W3 -
T
D1
*
+
W1 *
W2
+
u w3
u w1
u w2
+
-
*
-
VIN
Hale Waihona Puke D3QLf
D2
i
Lf
+
Cf
RL VO
-
单端正激变换器的主电路
开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续 流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器 有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。
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RCD复位
在t=t3～t4期间．VDC导通．UDS的值保持为Uin +Uc．磁化 电流以一Uc／Lm 的斜率线性下降到零； 在t=t4～t5期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感Lm中去。
可推导出钳位电压为：
① Uc与Uin无关；②增大Lm可降低Uc；③ 增加Cs，可降低 Uc；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现．但这却增 加了功率开关的容性开通损耗；④减小源副边总漏感L1k可降 低Uc，这是降低钳位电压的关键因素。
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正激变换器的不同开关状态
变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：
此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2 续流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加 在Q上的电压为：
电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯 的磁通φ减小：
铁芯磁通φ的减小量：
式中Tr-ton是去磁时间。
t=t0～t1期间，开关管 导通变压器上的磁化 电流增加；t=t1时VM 关断，随后以负载折 Cs结：电晶容体、管折输算出到电原容边算给、的到C钳s整线原位流性边二二充的极极电电管；流I0／n 管结电容和变压器绕组电容之和
t=t2时开始磁复位，Cs与Lm 谐振使得磁化电感能量有一 部分转移到Cs 中去，剩余的 磁化电感能量和变压器漏感 能量消耗在钳位电阻R中；
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磁复位技术
B
Br
H
0 -Br
B
Br
H
0
-Br
典型的两种磁芯磁滞特性曲线
14
磁复位技术
在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决
定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一般是铁氧体
、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一般为无气隙的晶粒取 向镍铁合金铁芯。
对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法
19
RCD复位法特点
优点： 磁复位电路简单； 功率开关电压较低； 占空比d可大于0.5,适用于宽输入电压场合。
缺点: 大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它 广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换 场合。
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有源钳位
tt==tt30为时t电时=了t，流，5时简U放功D，化电率sV分=，开UM析能关inc，关量V+U假M断回c开设，1馈，通输L到Vm。出电D与V滤C网开CD波及sC通开与电转．始V感移iD谐Lm到2截和振以磁止钳，-化U．位Cc电1sV电／以感D容L负1中开mC的去c通斜l 磁；；率化 下间t一tUt充===tD降加Ut4电t1足理比个sc2时t供t钳时，上增==l时．／够。为区tt，了位。67一开大。即L时n大变间时i通开功直通：；Umm，L，压．，路关率D信到1开斜mU因器原的sVV；开与号t=始率D4MM此用理理US关C；下变时下i再可 磁 波想n实sV降负刻降谐次，将化形M变现到，为，振开V关它电如压了U零V铁D，通断们感右器零iM1n，心部关，，L分图表，电c钳工m分断开实以别所示V压位作、D磁，始现I作示。开o1开在原化V开／了了为。每关D关第副能通n另零电个(2对ZV三边开量，一电流开VM电象总通转为S周压源关C)容限，漏，移i期开应和周mC；功感磁到。通在电期s在充L率化C由，t压分副31电sk开电～此i中源为和边m．关流t可去处七变4续仍使V对见期；流以M得C，提2
剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移 到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以 分成两种：
一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电 子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端 ；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。 具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞 特性而定。。
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正激变换器的不同开关状态
开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁 芯磁通φ增加，则变压器铁芯磁通增量：
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正激变换器的不同开关状态
由
得变压器原边磁化电流：
式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的 电压为： 此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过 滤波电感Lf的电流增加：
。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁
感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位
法线路较为复杂。 简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成
，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组 并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗， 它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消 除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边 的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量 ，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结 。这种电路只适用于小功率变换器中，。
26
电路来抑制，尤其是变压器满载时； 开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在
宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率 MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。
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17
RCD复位
23
双管正激
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双管正激
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25
双管正激优缺点
优 点 : 加 于 每 个MOSFFT的最大电压仅为VDD。 减 少 了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声 可 以 有 效地避免误触发引起的短路故障。
缺 点 : 需 要 更 多的开关器件，增加了成本。 电路 中 过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低 额定电压的MOSFET降低电阻RDS（on）来提高效率。 占空 比 小于50%，受开关频率的限制。
整理得：
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正激变换器的不同开关状态
如果W1>W3，则去磁时间小于开通时间
即开关管的工作占空比
。
如果W1<W3 ，则去磁时间大于开通时间
即开关管的工作占空比
。
W于12>倍W输3，入Q电管压电。压大于2倍输入电压；W1<W3，Q管电压小
为了充分提高占空比和减小Q两端电压，必须折衷选择。一
般选W1=W3，这时
t t
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Contents
1 正激变换器的工作原理 2 几种复位方式及其比较
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12
磁复位技术
单端变换器的磁复位技术 使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工
作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题， 称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流 ，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可 能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过 电压很高，导致开关器件的损坏。
1313南京邮电大学南京邮电大学正激变换器的不同开关状态1414contents正激变换器的工作原理南京邮电大学南京邮电大学1515单端变换器的磁复位技术使用单端隔离变压器之后变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值这是产生的新问题称为去磁复位问题
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