带隔离变压器的直流变换器讲解学习
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第3章 变压器隔离型DC-DC变换器
3.2 隔离型Buck－Boost变换器 －单端反激式变换器
电路经历了电感储能、电感 能量释放和电容供电三个阶段
3.2 隔离型Buck－Boost变换器 －单端反激式变换器
由于VT导通期间储存在变压器T中的能量为:
WL 1 2 L1 I1 P 2
每单位时间内电源供给的能量，即输入功率Pi为:
3.2 隔离型Buck－Boost变换器 －单端反激式变换器
电路经历了电感储能和电感能量 释放两个阶段
3.2 隔离型Buck－Boost变换器 －单端反激式变换器
变压器磁通不连续状态主要工 作波形如图3-19(c)所示
当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 > trel时，副边电流i2及变压 器磁通在VT截止时间toff以前便 已经衰减到零。在下一个周期 VT重新导通时，电流i1从零开 始按(Ui /L1) t的规律线性上升
U o U i t on
RL 2 L1T
（3-61）
输出电压Uo与负载电阻RL有关，RL愈大则输出电压愈高反 之RL愈小，则输出电压愈低，这是反激变换器的一个特点。
3.2 隔离型Buck－Boost变换器 －单端反激式变换器
U o U i t on RL 2L1T
（3-61）
分析输出电压表达可得输出电压Uo与负载电阻RL的二次方 根成正比。在进行开环实验时，不应让负载开路（负载开 路相当于负载电阻无穷大，Uo会出现过电压）必须接入 一定的负载或者在电路中接入“死负载” 输出电压Uo随输入电压Ui的增大而增大 输出电压Uo随导通时间的增大而增大 输出电压Uo随N1绕组的电感量L1的减小而增大
若VT的导通时间为ton，则导通终了时，i1的幅值I1P为:
隔离型DCDC变换器课件
分布式电源系统中的应用
在分布式电源系统中，隔离型DCDC变 换器主要用于将多个分布式电源的输出
进行统一管理和调节。
分布式电源系统的电源可能来自不同的 能源，如太阳能、风能、燃料电池等， 其输出电压和电流各不相同，因此需要 使用隔离型DCDC变换器进行统一调节
。
隔离型DCDC变换器能够实现高效率的 能量转换，同时保证系统的稳定性和安
宽范围输入输出
优化控制策略，实现宽范 围输入输出电压的稳定控 制。
高效能量传输
优化控制策略，实现能量 的高效传输和利用。
元器件的优化选择
高频开关器件
选择高频开关器件，提高转换效 率，减小体积和重量。
高性能磁性元件
选择高性能磁性元件，减小磁芯损 耗和线圈损耗，提高效率。
高精度检测元件
选择高精度检测元件，提高输出电 压的精度和稳定性。
变换器的安全运行。
驱动电路设计
驱动芯片选择
根据开关元件的特性和控制信号的要 求，选择合适的驱动芯片。
隔离设计
根据主电路的拓扑结构和安全规范， 设计适当的隔离电路，以确保驱动信 号与主电路的电气隔离。
驱动信号处理
对控制电路输出的控制信号进行必要 的处理，以满足驱动芯片的输入要求 。
驱动信号调整
根据开关元件的特性和控制要求，调 整驱动信号的幅度、相位和频率等参 数。
PART 03
隔离型DCDC变换器的电 路设计
REPORTING
主电路设计
输入与输出电压范围
确定变换器的输入和输出电压 范围，以满足特定的应用需求
。
功率等级
根据负载需求，选择合适的功 率等级，并据此选择适当的元 件。
拓扑结构
选择合适的主电路拓扑结构， 如Bo分析
第四章隔离型DCDC变换器
IVD max IVD1max I O U i nU O D nfL
• （2）VD1承受最大电压出现在VT导通时
UVD max U N 2 Ui / n
• （3）VD承受最大电压出现在VT截止时
UVD max Ui / n
12
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
I L U N 2 UO U / n UO ton i ton L L U nU O i D nfL
• （2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui
11
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流二极管中的电流峰值均为 电感电流峰值
S N
e感应电动势
t
d e dt
18
电磁感应定律
如果是多匝线圈
d d e N dt dt
式中：Ψ＝Nφ－磁链（Wb)韦伯
19
电路中的磁元件
1、自感 自感系数 即
Li
i
20
L
电感单位 L=伏.秒/安=欧秒=亨利 简称亨,代号H
电感的感应电势符号和单位
VT1、VT2同时导通：UNP－>UNS，iVD3 ↑，iVD4 关闭
I2P UO U toff O (1 D) L2 fL2
I2P
I 2 Ptoff
IO / T IO D 1 I2P
U O IO fL2
• 开关管的选择
I D max UO IO N2 I1P I2P 2 N1 n fL2
• 整流二级管的选择
I D max I 2 P U O IO n 2 fL2
• （2）VD1承受最大电压出现在VT导通时
UVD max U N 2 Ui / n
• （3）VD承受最大电压出现在VT截止时
UVD max Ui / n
12
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
I L U N 2 UO U / n UO ton i ton L L U nU O i D nfL
• （2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui
11
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流二极管中的电流峰值均为 电感电流峰值
S N
e感应电动势
t
d e dt
18
电磁感应定律
如果是多匝线圈
d d e N dt dt
式中：Ψ＝Nφ－磁链（Wb)韦伯
19
电路中的磁元件
1、自感 自感系数 即
Li
i
20
L
电感单位 L=伏.秒/安=欧秒=亨利 简称亨,代号H
电感的感应电势符号和单位
VT1、VT2同时导通：UNP－>UNS，iVD3 ↑，iVD4 关闭
I2P UO U toff O (1 D) L2 fL2
I2P
I 2 Ptoff
IO / T IO D 1 I2P
U O IO fL2
• 开关管的选择
I D max UO IO N2 I1P I2P 2 N1 n fL2
• 整流二级管的选择
I D max I 2 P U O IO n 2 fL2
第4部分直流直流变换器知识讲解
在负载电流较小的情况下，在uco<utri，负载电流经 VDB+和VDA-续流，uo= -Ud，续流过程中，电流会下降 为0，VDB+和VDA-断开，则VTB+和VTA-导通，故直流 输入电源Ud经过VTB+、负载和VTA-构成电流回路，电 流变负。当uco>utri，控制信号使VTB+和VTA-断开，触 发VTA+和VTB-，由于电感电流不能突变，因此负载电 流经VDA+和VDB-续流，使VTA+和VTB-不能导通， uo=Ud，同时电流上升，直至电流上升到0，VDA+和 VDB-断开，VTA+和VTB-导通，由此循环往复周期性的 工作。
4.3 降压变换器
降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的， 降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。
在实际应用中，有如下问题： 1．实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有
线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可 能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电 路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给 负载； 2．在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而图4-1 的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组 成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。
全桥式变换器有两种PWM的控制方式：
1．双极性PWM控制方式。在该控制方式下，图4-25中 的(VTA+，VTB-)和(VTA-，VTB+)被当作两对开关管，每 对开关管都是同时导通或断开的。
2．单极性PWM控制方式。在该控制方式下，每个桥臂 的开关管是单独控制的。
与前面几节讨论过的开关变换器不同，全桥式直流-直 流变换器的输出电流在负载低的时候，也没有电流断 续模式。
隔离型dcdc转换器工作原理
隔离型dcdc转换器工作原理
隔离型DC-DC转换器是一种能够将输入直流电压转换为输出直流电压的电子装置。
其工作原理基于电磁感应原理和开关技术。
隔离型DC-DC转换器通常由输入端、输出端和一对隔离变压器构成。
其工作步骤如下：
1. 输入电压通过输入端进入转换器。
输入电压可以是直流电源或者是其他形式的电源，例如直流电池。
2. 输入电压通过电容器进行滤波和稳压，确保输出电压稳定和干净。
3. 输入电压进入一个开关器件，例如MOSFET或者IGBT，通过控制开关器件的导通时间和截止时间，控制输入电压在隔离变压器的初级绕组中的输入时间。
4. 隔离变压器的初级绕组通过电磁感应作用将输入电压传递到次级绕组，同时将电压进行变换。
隔离变压器的绝缘层能够阻隔输入侧和输出侧之间的电流和电压，确保电气隔离性。
5. 变压器的次级绕组通过输出电容器进行滤波，将输出电流稳定和平滑，产生所需的输出电压。
6. 输出电压通过输出端给外部负载供电，为外部设备提供所需的电能。
隔离型DC-DC转换器可以通过调整开关器件的占空比和频率来控制输出电压的大小。
当需要改变输出电压时，控制电路会相应地改变开关器件的工作状态，以实现输出电压的调整。
这种转换器常用于电力电子和通信系统中，能够提供高效率、稳定的电源转换。
直流 直流变换器
? = 1 TS
V dt Ton 2
Ton 2 i
= Vi ?Ton Ts
= D ?Vi
CT
E Io vo
ii
G
Vg D
R F
Vi
iD
io L
O
(a)电路
Vg
Ton
Toff
Ton
Ts
(b)驱动信号
vo (vEO )
O
t
Vi - p
p 2p
- Ts 0
2
Ts Ts 2
(c)输出电压波形
Vo = DVi w t(t)
i c
1 + Di
L
2
2 2 2 8f
t
DV0
= V0max
-
V0min
=
DQ C
=
(1- D)V0 8LCf 2
- 1 Di L
直流－直流变换器
? 直流－直流降压变换器（ Buck变换器） ? 直流－直流升压变换器 (Boost 变换器) ? 全桥直流-直流变换器 ? 带隔离变压器的直流 —直流变换器
3.1直流－直流降压变换器（Buck变换器）
io VO
R
R
RCE
Ig
io VO R
Vi
L
Vi
L
Vi
T
Ig
io VO
i
i
R
L Vi
v g
T
T off
on
t
i
i
T
E
v EO
+
v l
-
V o
i
i
L
o
V+
i
-
G
隔离型DCDC变换器精编版课件.ppt
VD5、VD6均导通为L提供续流回路
iVD6 ↑，iVD5↓－>VD6导通，VD5关断
UO
1 2
U
i
2
D
n
U i ton N PT
NS
t3~t4: uG1=uG2=0，VT1、VT2关断； uVT1=uVT2=(1/2)Ui
41
半桥变换器
桥式分压电容器的选择
初级电流
IP
PO Ui / 2
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
ton
Ui nUO D nfL
• （2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui
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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流二极管中的电流峰值均为 电感电流峰值
IVD max
IVD1max
IO
Ui
nUO nfL
D
• （2）VD1承受最大电压出现在VT导通时
UVDmax U N 2 Ui / n • （3）VD承受最大电压出现在VT截止时
UVDmax Ui / n
14
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
15
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。
要采用磁复位（去磁技术）
N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。
第十四讲：隔离DCDC变换电路
L
VD2
C
R Uo
S1
W11 W12 S2
VD1
W21 W22
L C
VD3 S
R Uo
U in
VD2
图4.25 正激电路原理图
图4.35 推挽电路原理图
20
3、 推挽（Push-Pull）电路 ——电路连续工作模式
（1）t0~t1时段（S1导通状态）
☞电感电流线性上升，增 加量：
o
t
N 2 ton N2 D Uo U in U in N1 toff N1 1 D
uS
o
U in
N1 Uo N2
t
t0
t1
t2
t
（4）S承受的最大电压：
14
N1 u S U in Uo N2
图4.31 反激电路电流连续时主要电 压、电流波形
2、 反激（Flyback）电路 ——电路断续工作模式
第十四讲：隔离DC/DC变换电路 1、 正激电路
2、 反激电路 3、 推挽电路 4、 半桥电路 5、 全桥电路
重点掌握：1、2、3
1
1、 正激（Forward）电路
——电路结构分析
☞ 根据变压器的磁芯磁复位方法的不同，正激电路包含多种 不同的拓扑结构。其中，在电路输入端接复位绕组是最基本 的磁芯磁复位方法。 ☞ 隔离变压器为高频变压器，有三个绕组，标有“•”的一端为 同名端。 VD3是复位绕组的串连二极管。 原边绕组W1，匝数N1 副边绕组W2，匝数N2 复位绕组W3，匝数N3 ☞开关S采用PWM控制方式、 VD1是输出整流二极管、 VD2是续流二极管、L和C是 输出滤波电感和滤波电
toff trst
DC-DC变换电路
ID
IL (1
D)
1 2
IL (1
D)
Uo D(1 D)2TS 2L
电感电流连续的临界条件推导
二极管VD电流的开关周期平均 值等于负载电流Io。
Io ID
Uo UoD(1 D)2TS
R
2L
L
临界条件： RTS
D(1 D)2 2
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
2）电感电流断续工作模式(DCM)
现代功率变换技术
第三讲 直流-直流变换
第三讲 直流-直流变换
将大小固定的直流电压变换成可调的直流电压 的变换称为DC/DC变换。
具有这种DC/DC变换功能的电力电子装置，称 为DC/DC变换器（DC/DC Converter）
直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源，特 别是在电力牵引上，如地铁、电气机车等。
1
UL TS
TS 0
uLdt
(Ui
Uo )ton TS
Uotoff
=0
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
Uo ton D Ui TS
0 D1
I1
ton TS
Io
DIo
Ui I1 Ui DIo Uo Io
输出功率等于输入功率，可 将降压斩波器看作直流降压变压 器。
一、直接DC/DC变换器
DTS
Ui Uo
D
Uo R
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式 (DCM) 输出电压：
1 2
(Ui
Uo) L
DTS
Ui Uo
D
Uo R
(Ui )2 Ui 2L 0 Uo Uo D2TS R
电力电子技术-带隔离变压器的DC-DC变换器
3.双管正激变换器
Vs T1
D2
D1
+
N*1
*
D
-
T2
(c) 双管正激变换器
L
iL C
工作原理： T1和T2具有相同的通断控制信号； T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，
电源通过变压器向负载输送能量；
直流－直流变换器(6)
Vs T1
D2
D1
-
N*1
*
D
+
T2
(c) 双管正激变换器
L
iL C
电力电子技术 第14讲
3 直流－直流变换器（6）
直流－直流变换器(6)
本讲是 第3章 直流－直流变换器 的第6讲，上5讲的主要内容是： 3.1 降压斩波电路 3.2 升压斩波电路 基本斩波电路的仿真实验 3.3 复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.4 直流可逆PWM系统
前面的斩波电路的输入和输出在电气上是不隔离的，本讲将学习 3.5 带隔离变压器的DC-DC变换器
电能通过变压器从电源传递到负载侧
直流－直流变换器(6)
D3
Vs
i i s
*N1+
T
B
1
i3 +
N3*-
D2 o-L + vo
-* H
+
i2
N2
iL
D1
C
单端正激DC/DC变换器（T截止）
T截止时： i1 = 0, i2 减小；磁通减小，感应电动势反向
N2上的感应电动势使D2截止；变压器激磁电流突变为零，
Vs
+
eBA
= Vs
+
N1 N3
eco
Vs T1
D2
D1
+
N*1
*
D
-
T2
(c) 双管正激变换器
L
iL C
工作原理： T1和T2具有相同的通断控制信号； T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，
电源通过变压器向负载输送能量；
直流－直流变换器(6)
Vs T1
D2
D1
-
N*1
*
D
+
T2
(c) 双管正激变换器
L
iL C
电力电子技术 第14讲
3 直流－直流变换器（6）
直流－直流变换器(6)
本讲是 第3章 直流－直流变换器 的第6讲，上5讲的主要内容是： 3.1 降压斩波电路 3.2 升压斩波电路 基本斩波电路的仿真实验 3.3 复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.4 直流可逆PWM系统
前面的斩波电路的输入和输出在电气上是不隔离的，本讲将学习 3.5 带隔离变压器的DC-DC变换器
电能通过变压器从电源传递到负载侧
直流－直流变换器(6)
D3
Vs
i i s
*N1+
T
B
1
i3 +
N3*-
D2 o-L + vo
-* H
+
i2
N2
iL
D1
C
单端正激DC/DC变换器（T截止）
T截止时： i1 = 0, i2 减小；磁通减小，感应电动势反向
N2上的感应电动势使D2截止；变压器激磁电流突变为零，
Vs
+
eBA
= Vs
+
N1 N3
eco
第3章 带隔离的直流变流电路ppt课件
第3章 带隔离的直流变流电路
3.1 正激电路Forward 3.2 反激电路 3.3 半桥电路 3.4 全桥电路 3.5 推挽电路 3.6 全波整流和全桥整流
整理版课件
1
在实际应用中，开关电源的输出与输入之间往往需要 电的隔离。
电隔离一般通过高频隔离变压器实现。隔离变压器采 用的铁芯一般具有非线性特性。下图给出了典型的变 压器铁芯特性，其中Bs为铁芯允许最大磁通密度，超 过此值铁芯将饱和；Br为剩余磁通密度。
整理版课件
19
隔离型Buck变换器—单端正激变换器
T导通： N2、D2导电
N3、D1、D3截止
A D3 C D D2 H L
vo
Vs
i* s N1
i1 i 3
TB
N3*
*
i2
N2
iL
D1 C
Ton=DTs期间
O
F
v 0 v H F e D F ( N 2 / N 1 ) e A 0 N 2 / N 1 V s
因此，整流滤波输出电压Uo基本就等于uo的幅值Up。
整理版课件
33
同理，对上式进行积分，由此可求 (0)
或
φ U 0 t φ(0) N2
式
中
，
i2是流过变
压
器
次
级
线
圈
N
绕
2
组
的
电
流
，
φ为变压器铁心中的磁通；
i2 0为变压器次级线圈中的初始电流，即控制开关
刚断开瞬间
流
过
变
压
器
整理版课件
2
隔离变压器的铁芯：励磁方式
单向脉动磁通 • 单向励磁
• 反激型换流器 • 正激型换流器
3.1 正激电路Forward 3.2 反激电路 3.3 半桥电路 3.4 全桥电路 3.5 推挽电路 3.6 全波整流和全桥整流
整理版课件
1
在实际应用中，开关电源的输出与输入之间往往需要 电的隔离。
电隔离一般通过高频隔离变压器实现。隔离变压器采 用的铁芯一般具有非线性特性。下图给出了典型的变 压器铁芯特性，其中Bs为铁芯允许最大磁通密度，超 过此值铁芯将饱和；Br为剩余磁通密度。
整理版课件
19
隔离型Buck变换器—单端正激变换器
T导通： N2、D2导电
N3、D1、D3截止
A D3 C D D2 H L
vo
Vs
i* s N1
i1 i 3
TB
N3*
*
i2
N2
iL
D1 C
Ton=DTs期间
O
F
v 0 v H F e D F ( N 2 / N 1 ) e A 0 N 2 / N 1 V s
因此，整流滤波输出电压Uo基本就等于uo的幅值Up。
整理版课件
33
同理，对上式进行积分，由此可求 (0)
或
φ U 0 t φ(0) N2
式
中
，
i2是流过变
压
器
次
级
线
圈
N
绕
2
组
的
电
流
，
φ为变压器铁心中的磁通；
i2 0为变压器次级线圈中的初始电流，即控制开关
刚断开瞬间
流
过
变
压
器
整理版课件
2
隔离变压器的铁芯：励磁方式
单向脉动磁通 • 单向励磁
• 反激型换流器 • 正激型换流器
隔离型双向全桥DCDC变换器研究
隔离型双向全桥DCDC变换器研究一、概述随着现代电力电子技术的飞速发展，双向全桥DCDC变换器在可再生能源系统、电动汽车、储能系统等领域得到了广泛的应用。
隔离型双向全桥DCDC变换器作为一种高效率、高功率密度的电力电子设备，具有结构简单、控制灵活、能量可双向流动等优点，成为了电力电子领域的研究热点。
本文旨在对隔离型双向全桥DCDC变换器进行深入研究，首先介绍了隔离型双向全桥DCDC变换器的工作原理和基本结构，然后分析了其控制策略和调制方法，接着讨论了变换器的效率优化和热管理问题，最后通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性和可行性。
通过对隔离型双向全桥DCDC变换器的深入研究，本文旨在为其在实际应用中的设计和优化提供理论指导和参考，进一步推动隔离型双向全桥DCDC变换器在电力电子领域的发展。
1. 研究背景及意义随着全球能源危机和环境问题的日益严重，可再生能源和电动汽车等领域对高效、高功率密度和高可靠性的电源变换器需求日益增长。
隔离型双向全桥DCDC变换器作为一种重要的电力电子设备，具有结构简单、效率高、功率密度大、控制灵活等优点，被广泛应用于可再生能源发电系统、电动汽车、航空航天、数据中心等领域。
隔离型双向全桥DCDC变换器在实际应用中面临着一些挑战，如开关器件的损耗、电磁干扰、电压和电流的应力、热管理等问题。
研究隔离型双向全桥DCDC变换器的工作原理、设计方法、控制策略和性能优化等方面具有重要的理论和实际意义。
本文旨在对隔离型双向全桥DCDC变换器进行深入研究，分析其工作原理和特性，探讨其设计方法和控制策略，并通过仿真和实验验证所提出的方法和策略的有效性和可行性。
研究成果将为隔离型双向全桥DCDC变换器的优化设计和应用提供理论依据和技术支持，促进可再生能源和电动汽车等领域的发展。
2. 国内外研究现状隔离型双向全桥DCDC变换器作为一种高效、可靠的电力电子变换装置，在新能源发电、电动汽车、数据中心等领域具有广泛的应用前景。
4-9-隔离型直流-直流变换器基本概念
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隔离型斩波电路的必要性（二）
隔离的必要性：
¾安全性考虑：防止触电和提高负载短路故障的抵抗能力 ¾有时需要多路隔离电源
UO
Ui
： ： ¾有时需要远大于或者小于1的电压传输比，比如高压发生
隔离型斩波电路的必要性（三）
隔离的必要性：
¾安全性考虑：防止触电和提高负载短路故障的抵抗能力； ¾有时需要多路隔离电源； ¾有时需要远大于或者小于1的电压传输比.
隔离型斩波电路
前面我们介绍了几种基本直流-直流变换器电路。输入与 输出之间非电气隔离。 本节将介绍隔离型直流-直流变换器
变压器的作用：
¾隔离 ¾提高电压调整能力
隔离型斩波电路的必要性 （一）
隔离的必要性：
¾ 安全性考虑：防止触电和提高负载短路故障的抵抗能力；
¾ 有时需要多路隔离电源； ¾ 有时需要远大于或者小于1的电压传输比，比如高压发生.
双端励磁直流‐直流变换器 变压器由多个开关驱动，励磁电流为双向对称交变电流（含逆变过程） 桥式直流‐直流变换器：全桥、半桥 推挽直流‐直流变换器
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隔离型斩波电路的分类
Forword
单端励磁变换器
Flyback
双端励磁变换器
隔离型斩波电路的分类
避免极端占空比：低效率，稳定性不好，调节分辨率差； 获得高升压比和高降压比
M ISO = n ⋅ M non− ISO
隔离型斩波电路的分类
根据变压器励磁电流的方向，可以分为单端励磁和双端励磁
单端励磁直流‐直流变换器 变压器由单个开关独立驱动，励磁电流为直流纹波或者直流脉冲电流： 单端正激电路（Forword变换器）：励磁期间，传输能量 单端反激电路（Flyback变换器） ：励磁期间，不传输能量
隔离型斩波电路的必要性（二）
隔离的必要性：
¾安全性考虑：防止触电和提高负载短路故障的抵抗能力 ¾有时需要多路隔离电源
UO
Ui
： ： ¾有时需要远大于或者小于1的电压传输比，比如高压发生
隔离型斩波电路的必要性（三）
隔离的必要性：
¾安全性考虑：防止触电和提高负载短路故障的抵抗能力； ¾有时需要多路隔离电源； ¾有时需要远大于或者小于1的电压传输比.
隔离型斩波电路
前面我们介绍了几种基本直流-直流变换器电路。输入与 输出之间非电气隔离。 本节将介绍隔离型直流-直流变换器
变压器的作用：
¾隔离 ¾提高电压调整能力
隔离型斩波电路的必要性 （一）
隔离的必要性：
¾ 安全性考虑：防止触电和提高负载短路故障的抵抗能力；
¾ 有时需要多路隔离电源； ¾ 有时需要远大于或者小于1的电压传输比，比如高压发生.
双端励磁直流‐直流变换器 变压器由多个开关驱动，励磁电流为双向对称交变电流（含逆变过程） 桥式直流‐直流变换器：全桥、半桥 推挽直流‐直流变换器
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隔离型斩波电路的分类
Forword
单端励磁变换器
Flyback
双端励磁变换器
隔离型斩波电路的分类
避免极端占空比：低效率，稳定性不好，调节分辨率差； 获得高升压比和高降压比
M ISO = n ⋅ M non− ISO
隔离型斩波电路的分类
根据变压器励磁电流的方向，可以分为单端励磁和双端励磁
单端励磁直流‐直流变换器 变压器由单个开关独立驱动，励磁电流为直流纹波或者直流脉冲电流： 单端正激电路（Forword变换器）：励磁期间，传输能量 单端反激电路（Flyback变换器） ：励磁期间，不传输能量
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13
半桥电路
电路结构：
• 原边： 两桥臂：C1Q1、C2Q2 C1C2是两个大容量电容
• 副边： N2N3匝数相等 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
假设： ➢由于C1、C2容量较大，可近似认为电容中点电 位为Ui/2
14
工作模态1
➢ Q1导通时：（ton）
原边：C1放电，C2充电
16
工作模态3
➢ Q2导通时：（ton）
原边：C2放电，C1充电
u1＝-Ui/2，uQ1＝＋Ui 副边：D2导通，电感储能， 电容充电
u3＝-nUi/2，uD1＝－nUi
uL
u3
Uo
nU i 2
Uo
17
工作模态4
➢ Q2关断，Q1未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，电感释能
u1＝＋Ui/2，uQ2＝＋Ui 副边：D1导通，电感储能， 电容充电
u2＝＋nUi/2，uD2＝－nUi
uL
u2
Uo
nU i 2
Uo
15
工作模态2
➢ Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，各自 承担电感电流的一半，电感释 能
uL Uo
uL Uo
18
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
T
0 uLdt 0
即
2
nU ton
i
02
U 0 dt
2
tof 0
U o dt
0
整理得
Uo
nU i 2
（
2ton T
）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
19
半桥电路工作状态小结
原边： Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui/2的
BUCK变换器 带变压器隔离BUCK变换器
带磁复位正激式变换器
输入输出间 无法隔离
变压器无法
实现磁复位
9
正激式变换器
(1)电路构成
• T、Q、LC • D1、D2、D3
10
正激式变换器
（2）工作过程
输入输出关系
• Q ON时: D1导通，传递能量
• Q OFF时: D1截止，磁复位， D3续流
交流电压 C1、C2充放电时间各为T/2
副边是一个全波电路，用LC滤波电路输出 D1、D2轮流工作，当Q1和Q2都关断时，
D1D2各自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为Ui，二极管承受的最 高电压为nUi Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
20
半桥电路工作状态小结
变压器不存在直流磁化问题 ➢若Q1、Q2导通关断时间对 称
uL u2 Uo nUi Uo
23
工作模态2
➢ Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感释能
uL Uo
24
工作模态3
➢ Q2导通时：（ton）
原边： u1＝－Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D2导通，电感储能 u2＝－nUi，uD1＝－2nUi
(2)工作过程
Q ON时: D截止，电感储能 Q OFF时: D导通，电感释能
能量不能突变： 磁通不能突变 电感电流不能突变
2
单端反激式变换器
• Q ON时:
同名端为“+”，D截止 电感变压器作电感运行 电感储能 输出负载由电容提供能量
若电感L1是线性的，则
i1 i1max i1min
Ui L1
变压器次级 u2 nU1
式中，变比n＝N1/N2
输出端：
Uo u2 nUi
实际上和降压变压器工作方式类似
11
12
多晶体管功率变换器
特点:变压器双向磁化，利用率高，输出交 流脉冲 常用电路有:推挽，半桥，桥式 适合DC/AC ，DC/DC，中大功率 应用：交流电机调速，UPS，DC/DC电源 等
uL u2 Uo nUi Uo
25
工作模态4
➢ Q2关断，Q1未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感 释能
i1max N1 i2max N2 i1min N1 i2min N2
i1N1 i2N2
此外，电感与匝数的平方成正比
2
L1
N1 N2
L2
代入前式
UoTON TOFFra bibliotekN2 N1
Ui
n
Uo
1
Ui
(n
N2 N1
)
6
单端反激式变换器的同名端变化
对于反激式变换器，在一个 周期内，可以自动完成磁复 位。
如果将反激式变换器的变压 器同名端改为相同端，则不 能完成磁复位！
• 磁感应强度B：是描述磁场的力的性质的物理量 ，反 映磁场来源的属性，与磁介质的属性
• 磁通 ：垂直于某一面积所通过的磁力线总数
关系式
B H • ＝B • S
在变压器中，H iN 而 H /(S • )
i1N1 i2N2
u1 N1 u2 N2
5
单端反激式变换器状态分析
在稳态时，转换瞬间磁通连续：
7
变压器的磁复位
在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射 分量i2’和磁化电流分量im
i1 i2 im
磁化电流im将能量储存在变 压器磁芯中
问题：当晶体管关断时，没有磁场泄放回路，会
造成过大的电压应力；并且导致铁心饱和,危害功率
器件
解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极
管Ｄ2
8
正激式变换器的电路变化
TON
3
单端反激式变换器
• Q OFF时:
同名端为“-” D导通 电感储存能量向电容和 负载提供
若电感L2是线性的，则
i2 i2max i2min
Uo L2
TOF
4
磁物理量
定义：
• 磁场强度H：描述磁场的力的性质的物理量，完全只 是反映磁场来源的属性，与磁介质没有关系
• 磁导率μ：表征磁介质磁性的物理量
隔离DC-DC变换电路（DC－AC－DC）
特点:
输入输出隔离；可以多路输出；可以升降压 (远大于1或远小于1)
分类：
• 单管 正激、反激 • 双管 推挽、半桥 • 四管 全桥
按输出来分
• 单端：正激、反激
• 双端：推挽、半桥、全桥
1
单端反激式变换器(Flyback)
(1)电路构成
T、Q、D、C、
➢ 若Q1、Q2导通关断时间不对称 C1、C2的隔直作用，能自动平衡不对称直流分
21
推挽功率电路
电路结构：
• 原边： N1 N1 具有中间抽头的变压器 • 副边： N2 N2 • 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
22
工作模态1
➢ Q1导通时：（ton）
原边： u1＝＋Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D1导通，电感储能 u2＝＋nUi，uD2＝－2nUi
半桥电路
电路结构：
• 原边： 两桥臂：C1Q1、C2Q2 C1C2是两个大容量电容
• 副边： N2N3匝数相等 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
假设： ➢由于C1、C2容量较大，可近似认为电容中点电 位为Ui/2
14
工作模态1
➢ Q1导通时：（ton）
原边：C1放电，C2充电
16
工作模态3
➢ Q2导通时：（ton）
原边：C2放电，C1充电
u1＝-Ui/2，uQ1＝＋Ui 副边：D2导通，电感储能， 电容充电
u3＝-nUi/2，uD1＝－nUi
uL
u3
Uo
nU i 2
Uo
17
工作模态4
➢ Q2关断，Q1未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，电感释能
u1＝＋Ui/2，uQ2＝＋Ui 副边：D1导通，电感储能， 电容充电
u2＝＋nUi/2，uD2＝－nUi
uL
u2
Uo
nU i 2
Uo
15
工作模态2
➢ Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，各自 承担电感电流的一半，电感释 能
uL Uo
uL Uo
18
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
T
0 uLdt 0
即
2
nU ton
i
02
U 0 dt
2
tof 0
U o dt
0
整理得
Uo
nU i 2
（
2ton T
）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
19
半桥电路工作状态小结
原边： Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui/2的
BUCK变换器 带变压器隔离BUCK变换器
带磁复位正激式变换器
输入输出间 无法隔离
变压器无法
实现磁复位
9
正激式变换器
(1)电路构成
• T、Q、LC • D1、D2、D3
10
正激式变换器
（2）工作过程
输入输出关系
• Q ON时: D1导通，传递能量
• Q OFF时: D1截止，磁复位， D3续流
交流电压 C1、C2充放电时间各为T/2
副边是一个全波电路，用LC滤波电路输出 D1、D2轮流工作，当Q1和Q2都关断时，
D1D2各自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为Ui，二极管承受的最 高电压为nUi Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
20
半桥电路工作状态小结
变压器不存在直流磁化问题 ➢若Q1、Q2导通关断时间对 称
uL u2 Uo nUi Uo
23
工作模态2
➢ Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感释能
uL Uo
24
工作模态3
➢ Q2导通时：（ton）
原边： u1＝－Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D2导通，电感储能 u2＝－nUi，uD1＝－2nUi
(2)工作过程
Q ON时: D截止，电感储能 Q OFF时: D导通，电感释能
能量不能突变： 磁通不能突变 电感电流不能突变
2
单端反激式变换器
• Q ON时:
同名端为“+”，D截止 电感变压器作电感运行 电感储能 输出负载由电容提供能量
若电感L1是线性的，则
i1 i1max i1min
Ui L1
变压器次级 u2 nU1
式中，变比n＝N1/N2
输出端：
Uo u2 nUi
实际上和降压变压器工作方式类似
11
12
多晶体管功率变换器
特点:变压器双向磁化，利用率高，输出交 流脉冲 常用电路有:推挽，半桥，桥式 适合DC/AC ，DC/DC，中大功率 应用：交流电机调速，UPS，DC/DC电源 等
uL u2 Uo nUi Uo
25
工作模态4
➢ Q2关断，Q1未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感 释能
i1max N1 i2max N2 i1min N1 i2min N2
i1N1 i2N2
此外，电感与匝数的平方成正比
2
L1
N1 N2
L2
代入前式
UoTON TOFFra bibliotekN2 N1
Ui
n
Uo
1
Ui
(n
N2 N1
)
6
单端反激式变换器的同名端变化
对于反激式变换器，在一个 周期内，可以自动完成磁复 位。
如果将反激式变换器的变压 器同名端改为相同端，则不 能完成磁复位！
• 磁感应强度B：是描述磁场的力的性质的物理量 ，反 映磁场来源的属性，与磁介质的属性
• 磁通 ：垂直于某一面积所通过的磁力线总数
关系式
B H • ＝B • S
在变压器中，H iN 而 H /(S • )
i1N1 i2N2
u1 N1 u2 N2
5
单端反激式变换器状态分析
在稳态时，转换瞬间磁通连续：
7
变压器的磁复位
在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射 分量i2’和磁化电流分量im
i1 i2 im
磁化电流im将能量储存在变 压器磁芯中
问题：当晶体管关断时，没有磁场泄放回路，会
造成过大的电压应力；并且导致铁心饱和,危害功率
器件
解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极
管Ｄ2
8
正激式变换器的电路变化
TON
3
单端反激式变换器
• Q OFF时:
同名端为“-” D导通 电感储存能量向电容和 负载提供
若电感L2是线性的，则
i2 i2max i2min
Uo L2
TOF
4
磁物理量
定义：
• 磁场强度H：描述磁场的力的性质的物理量，完全只 是反映磁场来源的属性，与磁介质没有关系
• 磁导率μ：表征磁介质磁性的物理量
隔离DC-DC变换电路（DC－AC－DC）
特点:
输入输出隔离；可以多路输出；可以升降压 (远大于1或远小于1)
分类：
• 单管 正激、反激 • 双管 推挽、半桥 • 四管 全桥
按输出来分
• 单端：正激、反激
• 双端：推挽、半桥、全桥
1
单端反激式变换器(Flyback)
(1)电路构成
T、Q、D、C、
➢ 若Q1、Q2导通关断时间不对称 C1、C2的隔直作用，能自动平衡不对称直流分
21
推挽功率电路
电路结构：
• 原边： N1 N1 具有中间抽头的变压器 • 副边： N2 N2 • 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
22
工作模态1
➢ Q1导通时：（ton）
原边： u1＝＋Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D1导通，电感储能 u2＝＋nUi，uD2＝－2nUi