正激变换器工作原理
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I S ( ave) DIout
(6)
I S ( rms ) D I out
正激变换器
9
2.3. 磁通复位的关 系
Vin DTs iMP LP
Vin DTs iMP LP NP ( )
同理，可得
(6‘)
Vin DRTs iMR LR NR ( )
因为磁通复位，有
2
正激变换器
15
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout 三. 元器件的选择
Vin
UP Q
US
D2 Cf
2.整流二极管D1, D2, DR
D1所承受的电压为
U D1R
NS Vin(max) NR
(17)
D1所流过的最大电流为
I D1 iS (max)
I out (1 D)(Vout VD ) Ts 2L f
(18)
正激变换器
16
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout 三. 元器件的选择
Vin
UP Q
US
D2 Cf
2.二极管D1, D2, DR
D2所承受的电压为
U D2R
NS Vin(max) NP
(19)
注意：N的下标
D2所流过的最大电流为
I D2 iS (max)
I out (1 D)(Vout VD ) Ts 2L f
代入(24), 有
Vout
(1 D)(Vout VD ) Cf 8L f Vopp f s2
(25)
正激变换器
20
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计 A, Lf电感量的确定
Vin
UP Q
US
D2 Cf
电感量大,对平滑输出电流电压有好处,同时减小 了变压器的铜耗;但电感器体积和重量增加,且Q, 和D1的开通损耗, D2的反向恢复损耗增大. 电感量小, 输出电流电压的纹波增加,变压器的铜耗增加些;但电感器体积和重 量减小,且Q, 和D1的开通损耗, D2的反向恢复损耗也降低了.
U DRR
NR Vin NP
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
考虑Q的耐压和变压器窗口的利用率,因此,一 般复位绕组NR取NP一样. 即
NP NS
正激变换器
11
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
2.4,原副边电流的关系
1,副边电流 电感Lf上的电流平均值为输出电流Iout.即
Vin
UP
US
I Lf I out
同理，可得
(29)
一般取0.4
正激变换器
23
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计
Vin
UP Q
US
D2 Cf
iLf
I max iS (max) 2I out
2 6 L f I out
Ae AW
(30)
kW Bm j
正激变换器
24
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
1 Ts iS q idt C f Vopp 2 2 2
(24)
正激变换器
19
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 3.滤波电容Cf
Vin
UP Q
US
D2 Cf
把(9)式 iLf Iout
Vopp
(U S VD ) Vout (1 D)(VD Vout ) iS DTs Ts Lf Lf
(22)
正激变换器
18
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 3.滤波电容Cf C所承受的电压为
Vin
UP Q
US
D2 Cf
iLf Iout
Vopp
1 U C Vout Vopp (23) 2
Cf的容量
假定电感上的电流连续. 事实上,在设计 电感时必须满足电流连续这一条件.
Vout
特点:
1.电路比较简单,铜耗较低; 2.输出电压电流纹波较小; 3.变压器磁芯单边磁化; 4.开关管峰值电流较低; 5.变压器是个纯粹的变压器; 6.变压器铁芯不必加气隙; 但 在有的铁芯中为了减少Br,需 加很小的气隙.
1 2 I L 2
正激变换器
电感不能省
去磁能量在磁场中而不是在 去磁线圈的电流里
姓名：郅瑞行 学号：154511861890
正激变换器
1
I. 基本电路 II. 基本工作原理 III.元器件的选择 IV.举例介绍
正激变换器
2
Forward converter (正激变换器) 一, 基本电路
Forward converter 是在Buck converter 中插入一个transformer 得到的.
2
(13)
由(6‘)和(12)可得原边电流最大值
iP(max) iPL(max) iMP (14)
正激变换器
13
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
三. 元器件的选择 1.开关器件Q Q所承受的电压为
Vin
UP Q
US
U Q Vin(max)
Q所流过的最大电流为
NP Vin(max) NR
为此,一般取电感量Lf为额定电流临界连续的电感量Lfmin的1.3倍.
iLf
(1 D)(VD Vout ) iS Ts 2I out L f min
(26)
正激变换器
21
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计 A, Lf电感量的确定(续)
Vin
UP Q
iW3 K13[
Vin V Ton in (t Ton ) LP LP
到Tr时刻后, 所有绕组中电流为零, 电压也为零. Q上的电压:
VQ Vin
正激变换器
7
2.1. 输入端电流电压关系
P in Vin I in U P ( rms ) I P ( rms )
U P Vin U P ( rms ) DU P DVin U P( ave) DUP DVin
(1)
(2)
I P ( rms ) D I P
I P( ave) DI P
由(1)得 UP,IP
I P(rms )
1
I P ( ave) I in 1 I P I in D
D
I in
(3)
正激变换器
8
2.2. 输出端电流电压关系
P out Vout I out U S ( rms ) I S ( rms ) I SVD
(15)
I Q iP(max)
iPL(max) iMP
(16)
正激变换器
14
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
三. 元器件的选择 1.开关器件Q
Vin
UP Q
US
(1 D) DTsVin N S iPL(max) iPL(min) Lf N P
iPL IPL iM
Vin
UP Q
US
D2 Cf
A.选定磁芯材料和型式--- 根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求, 以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料. B.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm 由电流密度参数法,有
Ae AW
k P I P ( rms ) kS I S ( rms ) k R I R ( rms ) kW j
Vin
UP Q
US
D2 Cf
B.选定磁芯材料和型式---B,Bm 根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求, 以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料. C.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm 由电流密度参数法,有 iLf
Ae AW
L f I max I rms kW Bm j
Pin Po PM kW jBfs
Ae AW D
PM Pin D I MP ( rms ) I in DiMP 3I in
(39)
(39)中的PM与Pin相比很小时,为计算方 便,PM可忽略
正激变换器
28
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5.变压器的设计 根据(39),确定磁芯的大小. 于是得到 Ae,AW,lm
iS (max) iS (min) 2
(8)
(U S VD ) Vout iS iS (max) iS (min) DTs Lf
由(8),(9)和(5)可得到
(9)
iS (max) I out iS (min) I out
(1 D)(Vout VD ) Ts 2L f (1 D)(Vout VD ) Ts 2L f
US
D2 Cf
(1 D)(VD Vout ) L f min 2I out f s
iLf
(27)
(1 D)(VD Vout ) L f 1.3L f min 1.3 2 I out f s
(28)
正激变换器
22
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计
(10)
(11)
正激变换器
12
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
2.4,原副边电流的关系 2,原边电流
2
Vin
UP
US
NS (1 D) DTsVin N S iPL(max) I out NP 2L f N P
(12)
iPL(min)
NS (1 D) DTsVin N S I out NP 2L f N P
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计
Vin
UP Q
US
D2 Cf
D. 根据电流大小和选定磁芯确定电 感线圈匝数NL 由磁链公式
N LI max
, 可得
NL
2 L f I out Ae Bm
(31)
正激变换器
25
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5. 变压器的设计
(6“)
( ) ( )
where
D DR NP NR
(7)
DR 1 D
正激变换器
10
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
2.3. 磁通复位的关系(续)
Q关断时,开关管上的耐压为
Vin
UP Q
US
DR
U Q Vin U P Vin NP Vin NR
复位线圈箝位二极管的反向承压为
(20)
正激变换器
17
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout 三. 元器件的选择
Vin
UP Q
US
D2 Cf 2.二极管D1, D2, DR DR所承受的电压为
U DRR
NR Vin(max) NP
(21)
DR所流过的最大电流为
I DR
NP N P Vin DTs iMR (max) iMP NR N R LP
U S (Vout VD ) / D U S ( rms ) DU S (Vout VD ) / D U S(ave ) DU S Vout VD
(4)
(5)
I S ( rms ) D I S
US,IS
,
I S ( ave) DIS
由(4)得
I S I out
复位绕组的电压为:
VW 3 Vin
原副边绕组上的电压为:
VW 1 K 13Vin VW 2 K 23Vin
Where K13 = W1/W3, K23 = W2/W3
正激变换器
5
二, 基本工作原理(续)[Ton, Tr]
Q turned OFF
Q上的电压:
VQ Vin K13Vin
关断时的电流与关断时去磁回路的电流不等，因为能量相等而匝数不一样
E
3
二, 基本工作原理 [0, Ton]
Q turned ON
W1
d Vin dt
( )
Vin D Ts W1
iMP
Vin t LP
正激变换器
4
二, 基本工作原理 [Ton, Tr]
Q turned OFF
(35)
正激变换器
26
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5.变压器的设计
Vin
UP Q
US
D2 Cf
where
k P N P Ae
UPD f s B
(36)
U in DR k R N R Ae f s B
kS N S Ae
US D f s B
取NP=NR, 故kp=kR
正激变换器
27
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5.变压器的设计 令
Vin
UP Q
US
D2 Cf
Po
Pout (Vout VD ) Vout
(38)
(37)
I MR ( rms )
D D Vin D iMP (38‘) 3 3 f s LP
(Vin D) 2 PM 3LP f s
Vin反向加在复位绕组W3上, 故磁通减小:
d Vin dt V ( ) in DRTS W3 W3
Where DR = (Tr-Ton) / Ts
正激变换器
6
二, 基本工作原理(续) [ Tr, Ts ]
Q off, & reset Q turned OFF
励磁电流iM从W1转移到W3上后, 减小到零:
(6)
I S ( rms ) D I out
正激变换器
9
2.3. 磁通复位的关 系
Vin DTs iMP LP
Vin DTs iMP LP NP ( )
同理，可得
(6‘)
Vin DRTs iMR LR NR ( )
因为磁通复位，有
2
正激变换器
15
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout 三. 元器件的选择
Vin
UP Q
US
D2 Cf
2.整流二极管D1, D2, DR
D1所承受的电压为
U D1R
NS Vin(max) NR
(17)
D1所流过的最大电流为
I D1 iS (max)
I out (1 D)(Vout VD ) Ts 2L f
(18)
正激变换器
16
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout 三. 元器件的选择
Vin
UP Q
US
D2 Cf
2.二极管D1, D2, DR
D2所承受的电压为
U D2R
NS Vin(max) NP
(19)
注意：N的下标
D2所流过的最大电流为
I D2 iS (max)
I out (1 D)(Vout VD ) Ts 2L f
代入(24), 有
Vout
(1 D)(Vout VD ) Cf 8L f Vopp f s2
(25)
正激变换器
20
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计 A, Lf电感量的确定
Vin
UP Q
US
D2 Cf
电感量大,对平滑输出电流电压有好处,同时减小 了变压器的铜耗;但电感器体积和重量增加,且Q, 和D1的开通损耗, D2的反向恢复损耗增大. 电感量小, 输出电流电压的纹波增加,变压器的铜耗增加些;但电感器体积和重 量减小,且Q, 和D1的开通损耗, D2的反向恢复损耗也降低了.
U DRR
NR Vin NP
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
考虑Q的耐压和变压器窗口的利用率,因此,一 般复位绕组NR取NP一样. 即
NP NS
正激变换器
11
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
2.4,原副边电流的关系
1,副边电流 电感Lf上的电流平均值为输出电流Iout.即
Vin
UP
US
I Lf I out
同理，可得
(29)
一般取0.4
正激变换器
23
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计
Vin
UP Q
US
D2 Cf
iLf
I max iS (max) 2I out
2 6 L f I out
Ae AW
(30)
kW Bm j
正激变换器
24
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
1 Ts iS q idt C f Vopp 2 2 2
(24)
正激变换器
19
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 3.滤波电容Cf
Vin
UP Q
US
D2 Cf
把(9)式 iLf Iout
Vopp
(U S VD ) Vout (1 D)(VD Vout ) iS DTs Ts Lf Lf
(22)
正激变换器
18
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 3.滤波电容Cf C所承受的电压为
Vin
UP Q
US
D2 Cf
iLf Iout
Vopp
1 U C Vout Vopp (23) 2
Cf的容量
假定电感上的电流连续. 事实上,在设计 电感时必须满足电流连续这一条件.
Vout
特点:
1.电路比较简单,铜耗较低; 2.输出电压电流纹波较小; 3.变压器磁芯单边磁化; 4.开关管峰值电流较低; 5.变压器是个纯粹的变压器; 6.变压器铁芯不必加气隙; 但 在有的铁芯中为了减少Br,需 加很小的气隙.
1 2 I L 2
正激变换器
电感不能省
去磁能量在磁场中而不是在 去磁线圈的电流里
姓名：郅瑞行 学号：154511861890
正激变换器
1
I. 基本电路 II. 基本工作原理 III.元器件的选择 IV.举例介绍
正激变换器
2
Forward converter (正激变换器) 一, 基本电路
Forward converter 是在Buck converter 中插入一个transformer 得到的.
2
(13)
由(6‘)和(12)可得原边电流最大值
iP(max) iPL(max) iMP (14)
正激变换器
13
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
三. 元器件的选择 1.开关器件Q Q所承受的电压为
Vin
UP Q
US
U Q Vin(max)
Q所流过的最大电流为
NP Vin(max) NR
为此,一般取电感量Lf为额定电流临界连续的电感量Lfmin的1.3倍.
iLf
(1 D)(VD Vout ) iS Ts 2I out L f min
(26)
正激变换器
21
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计 A, Lf电感量的确定(续)
Vin
UP Q
iW3 K13[
Vin V Ton in (t Ton ) LP LP
到Tr时刻后, 所有绕组中电流为零, 电压也为零. Q上的电压:
VQ Vin
正激变换器
7
2.1. 输入端电流电压关系
P in Vin I in U P ( rms ) I P ( rms )
U P Vin U P ( rms ) DU P DVin U P( ave) DUP DVin
(1)
(2)
I P ( rms ) D I P
I P( ave) DI P
由(1)得 UP,IP
I P(rms )
1
I P ( ave) I in 1 I P I in D
D
I in
(3)
正激变换器
8
2.2. 输出端电流电压关系
P out Vout I out U S ( rms ) I S ( rms ) I SVD
(15)
I Q iP(max)
iPL(max) iMP
(16)
正激变换器
14
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
三. 元器件的选择 1.开关器件Q
Vin
UP Q
US
(1 D) DTsVin N S iPL(max) iPL(min) Lf N P
iPL IPL iM
Vin
UP Q
US
D2 Cf
A.选定磁芯材料和型式--- 根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求, 以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料. B.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm 由电流密度参数法,有
Ae AW
k P I P ( rms ) kS I S ( rms ) k R I R ( rms ) kW j
Vin
UP Q
US
D2 Cf
B.选定磁芯材料和型式---B,Bm 根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求, 以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料. C.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm 由电流密度参数法,有 iLf
Ae AW
L f I max I rms kW Bm j
Pin Po PM kW jBfs
Ae AW D
PM Pin D I MP ( rms ) I in DiMP 3I in
(39)
(39)中的PM与Pin相比很小时,为计算方 便,PM可忽略
正激变换器
28
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5.变压器的设计 根据(39),确定磁芯的大小. 于是得到 Ae,AW,lm
iS (max) iS (min) 2
(8)
(U S VD ) Vout iS iS (max) iS (min) DTs Lf
由(8),(9)和(5)可得到
(9)
iS (max) I out iS (min) I out
(1 D)(Vout VD ) Ts 2L f (1 D)(Vout VD ) Ts 2L f
US
D2 Cf
(1 D)(VD Vout ) L f min 2I out f s
iLf
(27)
(1 D)(VD Vout ) L f 1.3L f min 1.3 2 I out f s
(28)
正激变换器
22
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计
(10)
(11)
正激变换器
12
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
2.4,原副边电流的关系 2,原边电流
2
Vin
UP
US
NS (1 D) DTsVin N S iPL(max) I out NP 2L f N P
(12)
iPL(min)
NS (1 D) DTsVin N S I out NP 2L f N P
三. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计
Vin
UP Q
US
D2 Cf
D. 根据电流大小和选定磁芯确定电 感线圈匝数NL 由磁链公式
N LI max
, 可得
NL
2 L f I out Ae Bm
(31)
正激变换器
25
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5. 变压器的设计
(6“)
( ) ( )
where
D DR NP NR
(7)
DR 1 D
正激变换器
10
NR
NP
NS
Lf Cf
Vout
2.3. 磁通复位的关系(续)
Q关断时,开关管上的耐压为
Vin
UP Q
US
DR
U Q Vin U P Vin NP Vin NR
复位线圈箝位二极管的反向承压为
(20)
正激变换器
17
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout 三. 元器件的选择
Vin
UP Q
US
D2 Cf 2.二极管D1, D2, DR DR所承受的电压为
U DRR
NR Vin(max) NP
(21)
DR所流过的最大电流为
I DR
NP N P Vin DTs iMR (max) iMP NR N R LP
U S (Vout VD ) / D U S ( rms ) DU S (Vout VD ) / D U S(ave ) DU S Vout VD
(4)
(5)
I S ( rms ) D I S
US,IS
,
I S ( ave) DIS
由(4)得
I S I out
复位绕组的电压为:
VW 3 Vin
原副边绕组上的电压为:
VW 1 K 13Vin VW 2 K 23Vin
Where K13 = W1/W3, K23 = W2/W3
正激变换器
5
二, 基本工作原理(续)[Ton, Tr]
Q turned OFF
Q上的电压:
VQ Vin K13Vin
关断时的电流与关断时去磁回路的电流不等，因为能量相等而匝数不一样
E
3
二, 基本工作原理 [0, Ton]
Q turned ON
W1
d Vin dt
( )
Vin D Ts W1
iMP
Vin t LP
正激变换器
4
二, 基本工作原理 [Ton, Tr]
Q turned OFF
(35)
正激变换器
26
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5.变压器的设计
Vin
UP Q
US
D2 Cf
where
k P N P Ae
UPD f s B
(36)
U in DR k R N R Ae f s B
kS N S Ae
US D f s B
取NP=NR, 故kp=kR
正激变换器
27
NR
NP
NS
D1
Lf
Vout
三. 元器件的选择 5.变压器的设计 令
Vin
UP Q
US
D2 Cf
Po
Pout (Vout VD ) Vout
(38)
(37)
I MR ( rms )
D D Vin D iMP (38‘) 3 3 f s LP
(Vin D) 2 PM 3LP f s
Vin反向加在复位绕组W3上, 故磁通减小:
d Vin dt V ( ) in DRTS W3 W3
Where DR = (Tr-Ton) / Ts
正激变换器
6
二, 基本工作原理(续) [ Tr, Ts ]
Q off, & reset Q turned OFF
励磁电流iM从W1转移到W3上后, 减小到零: