开关电源原理设计及实例变压器隔离的DCDC变换器拓扑结构课堂课件

对电源进行充电；另一方面，流过反馈线圈 N3 绕组中的电流产生的磁场可以使
变压器的铁心退磁，使变压器铁心中医的学磁知识场！强度恢复到初始状态。
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4.3 单端反激式结构
4.3.1 简介
所谓单端反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直 流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压 器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关 电源称为反激式开关电源。单端反激变换器是在反极性(Buck--Boost)变 换器基础上演变而来的，因此具有反极性变换器的特性。
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4.1 概述
直流
逆变 电路
交流
变压器
交流
整流 电路
脉动
直流
直流
滤波器
图 4-1 隔离DC-DC变换器功能示意图
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4.1 概述
升压和降压等变换器可以完成直流电压的变换。但实际上存在着转换功能上的局
限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路 输出等。这种局限性只能用另一种开关变换器中的重要组件—变压隔离器来克服。下 面列出采用变压器隔离结构的原因： 输出端与输入端之间需要隔离； 变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需 改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；
4.2.3 电路关键节点波形
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4.2 单端正激式结构
变压器的磁心复位：开关 S 导通后，变压器的励磁电流由零开始，随着时
间的增加而线性的增长，直到 S 关断。为防止变压器的励磁电感饱和，必须设
法使励磁电流在 S 关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为
变压器的磁心复位。
变压器的磁心复位时间为：
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4.1 概述
一般电力(如市电)要经过转换才能符合使用的需要。转换方式有交流转 换成直流，高电压变成低电压，大功率中取小功率等。按电力电子的习 惯称谓，AC-DC(AC表示交流电，DC表示直流电)称为整流，DC-AC称 为逆变，AC-AC称为交流-交流直接变频(同时也变压)，DC-DC称为直流 -直流变换。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，涉及频率变换，其 实把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻，这样不 涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作 为开关，使带有滤波器的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则 负载上也得到另一个直流电压。这就是DC-DC的基本手段，类似于“斩 波”(Chop)作用。
所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初 级线圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只 有半个周期向负载提供功率(或电压)输出。当变压器的初级线圈正好被直流电压激励 时，变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为正激式 开关电源；当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负 载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出， 这种变压器开关电源称为反激式开关电源，这种结构将在4.3节中详细介绍。
组两端的电压也是上正下负。因此 VD1 处于通态，VD2 为断态，电感 L 的电流逐 渐增长；
S 关断后，电感 L 通过 VD2 续流，VD1 关断。S 关断后变压器的励磁电流经
N3 绕组和 VD3 流回电源，所以开关器件 S 关断后承受的电压为
US
1
N1 N3
U
i
(4-1)
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4.2 单端正激式结构
(4-10)
IVD1 DIo
6.输出电压脉动的峰-峰值
L Lmin
(4-11)
Uo( p p)
UoT 2 8LCo
1
nUo Ui
(4-12)
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4.2 单端正激式结构
4.2.5 正激式电路优缺点
1.优点
⑴正激 DC-DC 变换器利用高频变压器原、副边绕组隔离的特点，可以方便
位：秒)，一般 取值时要预留 20%以上的余量，Ui 为输入电压，单位为伏。 式中的指数是统一单位的，选用不同单位，指数的值也不一样，这里选用
CGS 单位制，即：长度为厘米(cm)，磁感应强度为高斯(Gs)，磁通单位为
麦克斯韦(Mx)。
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4.2 单端正激式结构
3.变压器初、次级线圈匝数比的计算
几百W~几kW
大功率工业用电源、 焊接电源、电解电 源等
各种工业用电源， 计算机电源等
低输入电压的电源
表 4-1 各种不医学同知的识！间接直流变流电路的比较
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4.2 单端正激式结构
4.2.1 简介
单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一 个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器极大 的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。 单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线 式中小功率电源设计中。在计算机、通信、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域， 这类电源具有广阔的市场需求。
本章简介
本章首先对DC-DC变换、实现方法行了概述，介绍了DC-DC 变换中变压器所起的作用，重点对5种DC-DC电路拓扑结构、 工作原理、关键节点的波形图进行了论述，包括：单端正激式、 单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式电路。最后概括地介绍 了上述5种结构电路中电路元器件及输入、输出参数的计算方 法。本章要求了解DC-DC电路技术的内涵，重点掌握DC-DC 电路拓扑结构特点、原理及工作过程，从而使后续各章的学习 目标更加明确。
在高频开关电源功率转换电路中，单端变换器(反激、正激式)与双端 变换器(推挽、半桥、全桥式)的本质区别，在于其高频变压器的磁心只工 作在第一象限，即处于磁滞回线的一边。按变压器的副边开关整流器二极 管的不同接线方式，单端变换器有两种类型：一种是单端反激式变换器(原 边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反，当前者导通时后者截止， 反之当前者截止时后者导通)。另一种是单端正激式变换器(两者同时导通 或截止)。
全桥 半桥 推挽
变压器双向激磁，容易达到大功率结构复 杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需 要复杂的多组隔离驱动电路
几百W~几百kW
变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题， 几百W~几kW 开关较少，成本低有直通问题，可靠性低， 需要复杂的隔离驱动电路
变压器双向激磁，变压器一次侧电流回路 中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简 单有偏磁问题
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4.2 单端正激式结构
4.2.2电路结构及工作原理
为使变换器结构简单，提高可靠性，减少成本和重量，图4-2示出了 单端变压隔离器与降压变换器结合的线路。这是一个原边、副边同时工作 的线路，称为正激变换器（Forward Converter），它广泛地应用在小功率 电源小。由于原边绕组通过的是单向脉动电流，一个实用的单端变压隔离 器电路必须采取措施，使变压器铁芯磁性复位，如图4-2所示。
储能电感 L 最大电流iLm 的二分之一；T 为开关电源的工作周期，T 正好等
于 2 倍控制开关的接通时间Ton ； U pp 为输出电压的纹波电压，纹波电压
U pp 一般取峰-峰值，所以纹波电压等于电容器充电或放电时的电压增量，
即： U p p 2UC 。
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4.2 单端正激式结构
2.变压器初级线圈匝数的计算
输出电压：
N3 trst N1 ton
(4-2)
输出滤波电感电流连续的情况下：
Uo N 2 ton Ui N1 T
(4-4)
输出电感电流不连续时，输出电压 Uo 将高于式(4-4)的计算值，并随负载减
小而升高，在负载为零的极限情况下
N2 Uo N1 Ui
(4-5)
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4.2 单端正激式结构
变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。因此，变压器开关电源也有人把它 称为离线式开关电源。这里的离线并不是不需要输入电源，而是输入电源与输出电源 之间没有导线连接，完全是通过磁场偶合传输能量；
变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是，提高设备的绝 缘强度，降低安全风险，同时还可以减轻EMI干扰，并且还容易进行功率匹配； 交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重 量；工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，又可以避免变压器和电感产生噪音。
绕组中存储的能量(磁能)也会产生反电动势 e1；同时，通过互感 M 的作用，在 变压器次级线圈 N2 绕组中也会产生感应电动势 e2 。因此，在控制开关 S 接通之 前和接通之后，在变压器初、次级线圈中感应产生的电动势方向是不一样的。
开关 S 导通后，变压器绕组 N1 两端的电压为上正下负，与其耦合的 N2 绕
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4.2 单端正激式结构
4.2.4 主要参数计算方法
1.储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算
L Uo T Ui T 4Io 2Io
D 0.5时
(4-6)
C Io T 2U p p
D 0.5时
(4-7)
式中， Io 为流过负载的平均电流，当 D 0.5 时，其大小正好等于流过
N1
S
式是计算单端正激式开关电源变压器初级线圈 N1 绕组匝数的公
式。式中， N1为变压器初级线圈绕组的最少匝数， S 为变压器铁心的导磁 面积(单位：平方厘米)，Bm 为变压器铁心的最大磁感应强度(单位：高斯)， Br 为变压器铁心的剩余磁感应强度(单位：高斯)，Br 一般简称剩磁， Ton ， 为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度(单
n Uo UiD
(4-9)
上式中，n 为单端正激式开关电源变压器次级线圈与初级线圈的匝数比，即：
n N2 / N1；Uo 为输出直流电压，Ui 为变压器初级输入电压， D 为控制开关的占
空比。
4.流过 VD1 的电流最大值
IVD1P
I LP
Io
1 2
I L
5.流过 VD1 的电流平均值
L Lmin
地实现交流电网和直流输出端之间的隔离；
⑵能方便地实现多路输出；
⑶只有一个开关管，只需要一组驱动脉冲，对控制电路的要求比双端的变
换器低。
2.缺点
⑴在控制开关 S 关断的瞬间开关电源变压器的初、次线圈绕组都会产生很
高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁
能量产生的。因此，在图 4-2 中，为了防止在控制开关 S 关断瞬间产生反电动
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4.2 单端正激式结构
当控制开关 S 接通的时候，直流输入电压Ui 首先对变压器 T 的初级线圈 N1 绕组供电，电流在变压器初级线圈 N1 绕组的两端会产生自感电动势 e1；同时， 通过互感 M 的作用，在变压器次级线圈 N2 绕组的两端也会产生感应电动势 e2 ； 当控制开关 S 由接通状态突然转为关断状态的时候，电流在变压器初级线圈 N1
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4.1 概述
拓扑结构
电路优缺点
功率范围
应用领域
正激
电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电 几百W~几kW 路简单变压器单向激磁，利用率低
各种中、小功率电 源
反激
电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱 动电路简单难以达到较大的功率，变压器 单向激磁，利用率低
几W~几十W小 功率
电子设备、计算机 设备、消费电子设 备电源
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4.1 概述
DC-DC变换器
单端
正激 反激
单管 双管
推挽
双端 半桥 全桥
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4.1 概述
带变压隔离器的变换器是从第3章基本变换器派生、组合、演变而来的。它 们从哪个基本变换器变来，就带有哪个基本变换器的本质特征。所谓派生， 是指变压隔离器插入到各基本变换器各不同的点上而形成的电路。由于变压 隔离器有单端式、并联式、半桥式和全桥式四种，因此，可得到很多电路。 所谓组合是指变换器的串联形式引起的变化。例如降压与升压变换器相串， 或者升压与降压变换器相串等等。这与第3章讨论的角度不同，本章是有意 识地往隔离方向引导，并加以讨论，从而得到一些有应用价值、使用较广的 电路。图4-1给出了隔离DC-DC变换器功能示意图。
势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈 N3
绕组，以及增加了一个削反峰二极管 VD3。反馈线圈 N3 绕组和削反峰二极管 VD3
对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方面，反馈线圈 N3 绕组产生的感
应电动势通过二极管 VD3 可以对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，