带隔离变压器的直流变换器1
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3章 直流变换器
第3章 直 流 变 换 器直流变换器，即直流-直流变换器，是将一种直流电源变换为另一种具有不同输出特性的直流电源。
直流变换是为解决系统效率，特别是大功率系统的效率而提出的解决方案。
它是一种将直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直流电能的电力电子装置。
它通过对电力电子器件的快速通、断控制而把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，通过控制比的变化来改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波，在被控负载上得到电压或电流可控的直流电能。
直流变换器按照电路拓扑可以分为基本的不带隔离变压器的直流变换器和带隔离变压器的直流变换器两大类。
基本的直流变换器是通过开关管，再经电容、电感等储能滤波元件将输入的直流电压变换为符合负载要求的直流电压或电流。
这种变换器适用于输入输出电压等级相差不大，且不要求电气隔离的应用场合。
基本的直流变换器有多种电路接线形式，根据其电路结构及功能分类，本章将讨论以下四种基本类型：（1）Buck 直流变换器；（2）Boost 直流变换器；（3）Buck-Boost 直流变换器；（4）Boost-Buck 直流变换器。
其中，（1）、（2）两种是直流变换器最基本的结构；（3）、（4）是前两种基本结构的组合形式。
本章将详细分析上述四种变换器的基本原理和稳态工作特性，分析过程中，为便于理解把变换器中的功率器件看作理想开关，并且对电路中电感和电容的损耗忽略不计。
此外还假定变换器的直流输入电源为理想的恒压电压源。
直流变换器输出端所带负载常用一等效电阻来表示。
而在直流电机驱动中，电机负载可表示为直流电压与绕组电阻和电感的串联等效电路。
3.1 基本直流变换器3.1.1 Buck 直流变换器Buck 变换器（又称作降压变换器）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。
它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。
它主要用于直流稳压电源中，在这些应用场合，变换器的输出电压可根据输入电压和负载阻抗进行调节。
间接直流变换电路
2、分类：
1）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载； 2）反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存 在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；
5.6 带隔离变压器的间接直流变换器
一、 正激式变换器
变换器的输出电压为： U O N 2 DU d
N1
该电路的占空比D不能超过0.5。
5.6 带隔离变压器的间接直流变换器
1、引入变压器作用：
1）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高 变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。 2）选择变压器的变比还可匹配电源电压Ud与负载所需的输 出电压Uo ，能使直流变换器的占空比D数值适中而不至于接 近于零或接近于l。 3）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压。
5.6 带隔离变压器的间接直流变换器
四、半桥式变换器
5.6 带隔离变压器的间接直流变换器
五、全桥变换电路
六、MOSFET的整流电路
5.6 带隔离变压器的间接直流变换器
二 反激式变器
反激式变换器工作在输出电流连续的状态下， 输出电压UO为：
UO N2 D Ud N1 1 D
一般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5。
5.6 带隔离变压器的间接直流变换器
三、 推挽式变换器（属正激式变换器）
其工作占空比必须保持小于0.5。
带隔离变压器的直流变换器讲解学习
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
）
BoostBuck电路
U0
忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：
IO Ud 1 Id Id UO D
(3.2.3)
图3.2.1
降压电路及其波形图
U 0 －L I L t off
(3.4.4)
图3.4.1
升降压变换电路及 其工作波形
3.4
•
• 得：
升降压变换电路
2）工作原理：（续）
在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，
Ud U t on 0 t off L L
t on DTS toff (1 D)TS 的关系，求出输出电压的平 由 均值为：
Buck变换器的可能运行情况：
电感电流连续模式
3.2
降压变换电路
电感电流临界 连续状态
电感电流断流模式
图3.2.2 电感电流波形图
电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
3.2
降压变换电路
：
1）电感电流iL连续模式
在ton期间:电感上的电压为
uL L d iL dt
3.4
升降压变换电路
图3.4.1升降压变换电路原理图
3.4
升降压变换电路
• 2）工作原理：
• ① ton期间，二极管D反偏而关断，电 感储能，滤波电容C向负载提供能量。
Ud L
I 2 I1 I L L t on t on
(3.4.1)
② toff期间，当感应电动 势大小超过输出电压U0时， 二极管D导通，电感经D向C 和RL反向放电，使输出电 压的极性与输入电压相反。
第四章隔离型DCDC变换器
• （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DC DC变换器
N1 N3 N2
Ud i1
i3
S
D3
iL
uL
D2
C
R uo
图1-24 实际单端正激变换电路图
U1
U1tON
N1 N3
U t3 rst
Ud
Ud
复位时间：
trst
N3 N1
tON
最大占空比：
D tON 1 tON trst 1 N3 N1
5
图126 实际 正激变换器 的波形图
u1
Ud
O
N1 N3
过程：开关S关断后，变压器励磁电流通过Ｎ3绕组和Ｄ３流
回电源，并逐渐线性的下降为零。从S关断到Ｎ3绕组的电流下
降到零所需的时间trst由式
trst
N3 N1
tON
给出。S处于断态的时
间必须大于trst，以保证S下次开通前励磁电流能够降为零，使
变压器磁心可靠复位。
4
图1.25 磁芯复位原理
i2 D1
iL
O
t
Ud
t t t t 18 t
图1.27 单端正激改进型电路之二
S1 Ud
D3
D1
L
uL
N1
N2
D2
C
R uo
D4
S2
图1-27 双管单端正激变换器电路
返回
19
图1.2 单端反激基本电路
返回
20
图1.2 单端反激电路波形图
返回
21
io
图1-28 单端反激式变换器电路
N1: N2
i2
D
C
S
（b）
R Uo
8
1.3.2 单端反激变换器
工作原理：S导通时，由于变压器付边感应
隔离型DCDC变换器
公司背景：某知名电子设备制造商
产品特点：高效、低噪声、高可靠性
设计原理：采用高频变压器进行隔离，提高效率
应用领域：广泛应用于通信、医疗、工业等领域
案例二：某航空航天器的电源系统设计
航空航天器的电源系统需求：高可靠性、高稳定性、低噪声
隔离型DCDC变换器的应用：为航空航天器的电子设备提供稳定、可靠的电源
正确选择变压器匝数比，保证输出功率
合理设计滤波器，提高输出质量
采用合适的控制策略，提高系统稳定性
注意散热设计，保证设备长期稳定运行
常见故障分析和排除方法
排除方法：调整输入电压、稳定负载、重新设置电路参数
故障现象：输出电流过大
原因分析：元器件老化、散热不良
原因分析：输入电压波动、负载变化、电路参数设置不当
航空航天和军事领域
航空航天领域：用于卫星、航天器等设备的电源系统
隔离型DCDC变换器在航空航天和军事领域中，需要满足高可靠性、高稳定性、高功率密度等要求
隔离型DCDC变换器在这些领域中的应用，有助于提高设备的性能和可靠性，保障设备的正常运行。
军事领域：用于军事装备、通信设备等的电源系统
电动汽车和智能交通系统
04
磁性元件的设计和优化
磁性元件的作用：在隔离型DCDC变换器中，磁性元件起着关键作用，如变压器、电感等。
磁性元件的设计原则：根据隔离型DCDC变换器的工作原理和性能要求，设计出合适的磁性元件。
磁性元件的优化方法：通过优化磁性元件的尺寸、材料、结构等参数，提高隔离型DCDC变换器的性能和可靠性。
磁性元件的设计和优化实例：列举一些成功的磁性元件设计和优化案例，说明其对隔离型DCDC变换器性能的影响。
隔离型DCDC变换器通常用于电子设备中，如笔记本电脑、手机等，以提供稳定的电源电压。
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。
电力电子技术_哈工大第3章习题（3）
第3章 直流-直流变换电路 习题（3）
第1部分：填空题
1. 带隔离变压器的DC-DC 变换器的基本类型包括单端正激变换器和单端反激变换器，其中单端是指变压器磁通 变化。
2.正激变换器是指在开关管 时电源将能量直接传送给负载。
3.反激变换器是指在开关管 时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管 时再将磁能变为电能传送到负载。
第2部分：简答题
1. 画出隔离型Buck 变换器的电路结构并简述其工作原理。
2. 隔离型Buck 变换器在正常工作时为什么要设定最大占空比？
3. 画出隔离型Buck-Boost 变换器的电路结构并简述其工作原理。
4. 为什么反激式变换器不能在空载下工作？
第3部分：计算题
1.设计题图3－5所示的单端反激DC/DC 变换器。
输入直流电压Vs=12V ±10%，开关频率fs=100KHz ，额定负载电流1A ，最小负载电流0.1A ，要求输出电压Vo 恒定为48V ，电压纹波小于1%。
选择变压器变比N2/N1＝4，当电源电压±10%波动时，为了使输出电压恒定，占空比应在什么范围调节？
题图3－5
2.设计题图3－6所示的单端正激DC/DC 变换器。
输入直流电压Vs=48V ±10%，开关频率fs=100KHz ，额定负载电流1A ，最小负载电流0.1A ，要求输出电压Vo 恒定为12V ，电压纹波小于1%。
N1＝N3时，确定最大占空比，并确定升压比N2/N1的允许范围？
2s V O
F 题图3－6。
隔离双向dcdc变换器工作原理
隔离双向dcdc变换器工作原理隔离双向DC-DC变换器是一种常见的电力电子转换器，用于在不同电压等级之间进行能量转换。
它具有两个方向的能量流，可以将电能从输入端转换到输出端，也可以将电能从输出端转换到输入端。
本文将详细介绍隔离双向DC-DC变换器的工作原理。
一、隔离双向DC-DC变换器的基本结构隔离双向DC-DC变换器由输入端、输出端、开关管、电感和电容等组成。
其中，开关管用于控制能量流的方向，电感和电容则用于实现能量的存储和平滑输出。
在工作过程中，输入端和输出端之间通过变压器进行隔离，这样可以实现输入端和输出端之间的电气隔离，提高系统的安全性。
二、隔离双向DC-DC变换器的工作原理隔离双向DC-DC变换器的工作原理可以分为两个方向：正向工作和反向工作。
1. 正向工作在正向工作模式下，输入电压Vin经过输入端的电感Li和电容Ci 进行滤波后，进入开关管，然后通过变压器传递到输出端。
在这个过程中，开关管周期性地打开和关闭，通过调整开关管的导通和关断时间，可以控制输出电压Vout的大小。
当开关管导通时，能量从输入端传递到输出端；当开关管关断时，能量则通过电感Li和电容Ci进行存储。
通过不断重复这个过程，可以实现输出端对输入端的能量转换。
2. 反向工作在反向工作模式下，输入电压Vout经过输出端的电感Lo和电容Co 进行滤波后，进入开关管，然后通过变压器传递到输入端。
与正向工作模式类似，通过调整开关管的导通和关断时间，可以控制输出电压Vin的大小。
当开关管导通时，能量从输出端传递到输入端；当开关管关断时，能量则通过电感Lo和电容Co进行存储。
通过不断重复这个过程，可以实现输入端对输出端的能量转换。
三、隔离双向DC-DC变换器的优势隔离双向DC-DC变换器相比其他类型的变换器具有以下几个优势：1. 双向能量流：隔离双向DC-DC变换器可以实现双向能量流，既可以将能量从输入端转换到输出端，也可以将能量从输出端转换到输入端。
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
隔离DC-DC变换器
MIT电力电子课程笔记D.Perreault★★隔离式DC/DC变换器动机：1 在输入和输出之间实现电器隔离 2 高传输比3 容易生成多路输出★第一个例子（Flyback变换器，间接变换类型）VoutD=−Vin1−D，D为占空比。
插入一个变压器后DVin+(1−D)N1Vout=0N2VoutDN2=()Vi n1−DN1将磁路设计成一个元件：具有气隙的电感，能量存贮在励磁电感中。
例如：Flyback变压器。
圆圈的第一部分：能量通过线圈1存储在变压器中。
圆圈的第二部分：通过线圈2能量流出变压器。
1 能量存贮在变压器的励磁电感之中，像电感一样设计，只不过多出第二个线圈。
2 可以通过绕线的方向改变输出电压的极性。
3 可以使用接地的主开关4 变比可以减小开关的容量5 通过增加绕组来增加输出端口数变压器隔离同样可以用在直接类变换器中。
★隔离式buck变换器本质上就是buck加上变压器隔离。
开关导通的时候：Vx=(开关关断：Vx=0N2)VinN1VoutN2=()D可以推导出，VNin1考虑励磁电感效应，必须要求<Vµ>=0，否则核心将会饱和。
必须要为励磁电流iµ提供一条路径，直到核心回到零磁通。
(与Flyback变换器不同，励磁电感在此处并不需要)。
必须要使核心的磁通在每个周期都能回到零磁通。
一个简单的办法，钳位复位电路。
λµ=Lµiµ=N1BcoreAc，所以Bcore=LµN1Aciµ核心的峰值磁通BPK=VinDTN1Ac我们要确保Vµdt→0，即能够使核心复位。
否则，核心的磁通会因为电流随着时间不断漂移，最终达到饱和。
∫所以，Vz(1−D)T≥VinDT⇒Vz≥Vin即VpkD1−D，开关的峰值电压为输入电压加上齐纳电压，Vin1−DD=Vin+Vz。
V≥V()+V()=inin故pk。
当Dmax=0.5时，Vpk=2Vin；1−D1−D1−D当Dmax=0.75时，Vpk=4Vin。
升降压变换电路Buck-Boost
3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器
第3章 直流变换电路
1、定义：
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压 的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流 电能的电路称为直流变换电路 (DC/DC变换电路)。也称为 斩波器。
图3.3.1 升压变换电路及其波形
可以推得输出电压Uo与输入电压Ud之间的关系为：
在toff期间:电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有
UO L
I L t off
t off L
I L UO
(3.2.5)
根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期ＴS为
I L LU d 1 TS t on t off f U O (U d U O）
3.3
升压变换电路（Boost）电路
• 1) 定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的 变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。 2）原理图
电感，用 来储能 电容，用来保 持输出电压
全控型电力 器件开关
3.3
• 3）工作原理：
升压变换电路
ton工作期间： 二极管截止，电感L储 能，电容C 给负载R 提供能量。如图(b). toff工作期间：二极 管Ｄ 导通，电感L经 二极管Ｄ给 电容充 电，并向负载R提 供能量。如图(c) .
I 2 I1 I0 (3.2.8) 2
U dTS I1 I 0 D(1 D ) 2L
(3.2.9)
2）电感电流iL临界连续状态：
可得电流临界连续的电感值L0为：
U d TS Lo D(1 D) 2I 0 K
电力电子技术-带隔离变压器的DC-DC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
隔离双向dcdc变换器工作原理
隔离双向dcdc变换器工作原理隔离双向DC-DC变换器是一种高效率的电力转换器件，其主要作用是将直流电能转换为另一种电压或电流形式。
与传统单向DC-DC变换器不同，双向DC-DC变换器可以实现电力的双向传输，即可以将电能从一个电源传输到另一个电源，也可以将电能从负载传输回电源。
在能源存储系统、电动汽车和太阳能光伏系统等领域中得到了广泛应用。
隔离双向DC-DC变换器的基本工作原理是采用高频交流变压器进行电力转换。
变压器的输入端接入电源，变压器的输出端接入负载。
当电源输入电压较高时，经过变压器降压后，输出到负载端的电压会相应升高。
当负载端产生电压时，经过变压器升压后，输出到电源端的电压也会相应升高。
隔离双向DC-DC变换器的关键部件是高频交流变压器。
变压器的工作频率一般在几十kHz到数百kHz之间。
变压器的匝数比决定了输入端和输出端的电压比例。
变压器的磁芯材料也非常重要，一般采用高磁导率的铁氧体材料，以提高变压器的效率和功率密度。
隔离双向DC-DC变换器的控制方式有很多种，其中比较常见的是PWM控制方式。
通过控制PWM信号的占空比，可以实现对输出电压的调节。
当负载端产生电压时，PWM信号的占空比会相应减小，使输出电压下降，从而使电能从负载端传回电源端。
当电源端输出电压较高时，PWM信号的占空比会相应增大，使输出电压升高，从而将电能从电源端传送到负载端。
隔离双向DC-DC变换器的优点是功率密度高、效率高、输出电压稳定、负载适应性强等。
因此，隔离双向DC-DC变换器被广泛应用于电动汽车的电力转换、太阳能光伏系统的电力管理、电力电子设备的稳压等领域。
隔离双向DC-DC变换器是一种高效率、高稳定性的电力转换器件，其基本工作原理是采用高频交流变压器进行电力转换，控制方式多样。
随着新能源技术的不断发展，隔离双向DC-DC变换器的应用前景将会越来越广阔。
第3章 带隔离的直流变流电路ppt课件
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。
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• 饱和电压：桥式两个，半桥和推挽均为一个
• 桥式适合于高压输入场合 推挽适合于低压输入场合 推挽
全桥
半桥
38
2 nU i U 0 dt 2 U o dt 0
0 0
整理得 U o nU i
2t on （ T ）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
35
全桥功率电路工作小结
原边：
Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui的交 流电压
副边是一个全波电路，用LC滤波电路输出
24
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
u L U o
25
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
ton tof
T
0
u L dt 0
即 2 nU i U 0 dt 2 U o dt 0
nU i u L u3 U o Uo 2
16
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
u L U o
17
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
即 2
ton
T
0
u L dt 0
0
t of nU i U 0 dt 2 U o dt 0 0 2
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！
6
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
im i1 i2
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
22
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
u L U o
23
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
uL u2 U o nU i U o
若电感L1是线性的，则
i1 i1max
Ui i1min TON L1
2
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 i2 max
Uo i2 min TOF L2
3
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 • 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
具有中间抽头的变压器
• 副边： N 2 N 2 • 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
21
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
uL u2 U o nU i U o
在实际情况中，导通时间和元器件不可能完全对称，那 么变压器中的正负电流也不可能完全对称，因此会存在直 流分量，造成磁路饱和，解决办法：可以在原边回路中串 联一个电容，以阻断直流电流
37
单相功率电路比较
• 晶体管承受电压：全桥=半桥=Ui，推挽 =2Ui • 若输出相同功率，晶体管流过电流： 全桥= 推挽=半桥/2
uL u2 U o nU i U o
33
工作模态4
Q1、2、3、4都关断时：（tof）
原边：没有电流 副边：D1、2、3、4导通，电感 释能 u2＝0，iD1、2、3、4＝iL/2
u L U o
34
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
ton tof
T
0
u L dt 0
单端反激式变换器(Flyback)
(1)电路构成
T、Q、D、C、
(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
1
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
uL u2 U o nU i U o
31
工作模态2
Q1、2、3、4都关断 时：（tof）
原边：没有电流 副边：D1、2、3、4导通，电感 释能 u2＝0，iD1、2、3、4＝iL/2
u L U o
32
工作模态3
Q2、3导通时：（ton）
原边： u1＝-Ui，uQ1、4＝＋Ui 副边：D2、3导通，电感储能 u2＝-nUi，uD1、4＝－nUi
此外，电感与匝数的平方成正比
2
i1 N1 i2 N 2
N1 L1 N L2 2
代入前式
TON N 2 Uo U i TOF N1
n Uo U i ( n N 2 ) 1 N1
5
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。
解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极 管Ｄ2
7
正激式变换器的电路变化
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
8
正激式变换器
(1)电路构成
• T、Q、LC • D1、D2、D3
9
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 变压器次级
nU i 整理得 U o 2
2ton （ T ）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
18
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 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
12
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
13
工作模态1
Q1导通时：（ton）
原边：C1放电，C2充电 u1＝＋Ui/2，uQ2＝＋Ui 副边：D1导通，电感储能， 电容充电 u2＝＋nUi/2，uD2＝－nUi
u2 nU1
式中，变比n＝N1/N2
输出端：
U o u2 nU i
实际上和降压变压器工作方式类似
10
11
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
关系式 B H
＝B S
在变压器中，H iN 而 H /( S ) u1 N1 i1 N1 i2 N 2 u2 N 2
4
单端反激式变换器状态分析
在稳态时，转换瞬间磁通连续：
i1max N1 i2 max N 2
i1min N1 i2 min N 2
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%
36
全桥功率电路工作小结
在理想情况下，元器件和导通时间是完全对称的，那么 变压器中正负电流也是完全对称的，变压器没有直流磁 化问题
28
推挽电路对变压器的要求
（1）推挽电路必须良好的对称。如果正负脉冲宽 度或幅值稍有不对称，或初级线圈不对称，就会 产生直流磁化分流－－偏磁而导致铁心饱和 （2）原边除了与副边良好耦合外，N1与N1‘之 间也必须紧耦合。否则因存在漏感，就会产生很高 的尖峰电压，使晶体管损坏 （3）实际中N1与N1’不可能完全耦合，总有一 些漏感，在转换时引起电压尖峰，实际选取晶体管 的U（BR）ces比Uce＝2Ui决定值要大，因此推挽电路 一般适用于低输入电压场合
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%
19
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
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
20
推挽功率电路
电路结构：
• 原边： N1 N1
29
全桥功率电路
电路结构：
• 原边：
变压器接在两个桥臂的中点