第四章隔离型DCDC变换器
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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
隔 离 型 DC/ DC 变换器
1
概述
非隔离的DC/DC变换器的局限性 • 输入输出不隔离，形成地线上的环流 • 输入输出电压比或电流比不能太大 • 无法实现多路输出
解决方法 采用变压隔离器
2
概述
理想变压隔离器的特征 • 从输入到输出能够通过所有的信号频率，即从理想的 直流到交流都能变换； • 变换时可不考虑能量损耗； • 变换中能提供任何选定的电压和电流变比 • 能使输入和输出之间完全隔离 • 变换时，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一 样方便有效
48
单端变压隔离器的磁通复位技术
高Br的去磁方法
（c）利用滤波电感作为恒流源
强制磁芯去磁各种方法
49
单端变压隔离器的磁通复位技术
高电压源变换器中去磁电路
利用 原边绕组本身
双开关、单端去磁线路
50
双管正激式DC/DC变换器
电路结构
注意点： D ≤ 0.5
工作原理
VT1、VT2 同时动作
n L1 L1 L2 L1 L2
27
变压器2
变压器负载
u1
i1 N1 N2 u2
k
i2 RL
N2 i1 i11 i2 i1t i ‘2 N1
i’2＝N2i2/N1－次级反射电流
28
单端正激变换器总结： 1 电路简单，多应用于中，小功率电路； 2 变压器与储能电感分离，但正激需要B-H 工作于1象限，所以电路需增加磁复位辅 助电路； 3 输入电流是脉动的，有较大尖峰出现，对 器件要求较高，一般最大值为平均值的45倍。
10
U DS (1
N1 )Ui N3
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
正激变换器的设计 • 开关管的选择
• （1）开关管的漏极额定电流必须大于流过IGBT漏极 实际电流IDmax。
I D max I L max N 2 I L max N1 n
I L max I L I L IO I L
单位
V S L S H (亨) i A
+
电 流 增 加
u
-
电 流 减 少
-
u
+
21
•自感电动势与能量关系
d di e L -u dt dt
•能量关系
We uidt
0 T Bm 0
dB Hl BH NA dt V dt N 2
2
di LI L idt Wm 0 dt 2
U DS max Ui nUO
39
UVD max Ui / n UO
单端反激变换器总结： 1 电路简单，广泛应用于50W以下电路； 2 变压器同时充当储能电感器，设计时比较 困难； 3 输入、输出电流都有较大尖峰出现，而且 都是脉动的。
双端变压器隔离变换器
一、回 顾
1、单端变压器无论是正激还是反激，功率 管在开关翻转瞬间要承受2Vi。 2、变压器只工作于第一象限，几个周期后 ，很容易进入“磁饱和”，而且变压器利 用率低，只有50%。 3、需要退磁电路设计。
单端变压隔离器的磁通复位技术
使用单端 变压隔离器 遇到的问题
如果每个周期不去磁， 剩余磁通的累加可能 导致磁芯饱和
如何使变压器 磁芯在每个脉 动工作磁通之 后都能回复到 磁通起始值
开关导通时，电流很大 开关断开时，过电压很高
43
单端变压隔离器的磁通复位技术
磁芯复位线路种类
方法一
把磁芯残存能量 自然地转移，在为了 复位所加的元件上消 耗掉，或者把残存能 量反馈到输入端或输 出端
di2 dt di1 dt
•耦合系数 12 k1 k 2 21 11 22
kM
M m M m L1L2
25
变压器1
空载：电压激励，初级
d11 di1 ui N1 L1 dt dt
di1 d12 M N2 dt dt
次级：
u2 eM 2
变比：
ui N1 L1 n u2 N 2 M
理想的变压隔离器符号
3
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
电路的构成
基本buck变换电路拓扑 Buck变换器工作波形
4
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
电路的构成
隔离型buck（正激 Forward）变换器
5
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
由于磁芯的磁滞效应，当具有非零直流 平均电压的单向脉冲加到变压器初级绕 组上，线圈电压或电流回到零时，磁芯 中磁通并不回到零，这就是剩磁通。剩 磁通的累加可能导致磁芯饱和，因此需 要采用磁复位（去磁技术）
I
22
互感
线圈之间互感
N1 N2
12 M12i1
同名端用 表示
φ11
i1 i2
φ12
M
i1 N1 N2 i2
互感系数
M 12
12
i1
21
i2
M 21 M 23
•电压平衡方程式
如果两个耦合线圈都流过增量电流有
di1 u1 eL1 eM 2 L1 M dt di2 u2 eL 2 eM 1 L2 M dt
COME ON
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
电路的构成
电感—>隔离变换器
基本Buck-Boost变换器
隔离型Buck-Boost变换器
29
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
电路的构成(变压器N2反绕)
单端反激式（Flyback）变换器
VT导通时，VD截止 VT截止时，VD导通
教材P69
37
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 开关管承受电压
VT截止时，N1上的感应电势
U N1 N1 UO N2
VT截止时，漏-源承受的电压
U DS U i U N 1 U i N1 UO N2
38
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
变换器的设计 • 变压器磁通不连续
N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。
6
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
VT导通
UN2 UO
（1）经变压器耦合和 二极管VD向负载传输 能量。
（2）电感L储能，电流 直线上升
能量传递阶段
diL u L u N 2 uo L dt
7
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
34
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
变压器磁通连续状态
VT截止时间较小，toff <(L2/UO)I2P ，即I2min>0
35
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 电压传输比
VT导通
UN2
N2 Ui Ui / n N1
VT截止
U N 2 UO
伏秒 U i ton U Otoff 平衡 n U t D AV O on U i ntoff n(1 D)
参考 电压
13
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
例1 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。
36
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 输入输出电压关系
VT导通期间，变压器T储能
WL
1 L1 I12P 2
U O U i ton
即输入功率为
RL 2 L1T
WL 1 Pi L1 I12P T 2T
输出功率为
PO
2 UO
RL
结论： （1）Uo与负载RL有关， RL ↑ → Uo ↑ （2） Uo与导通时间成正比 （3）与电感量L1成反比
14
回顾 ：右手定则
磁场方向
电流方向
磁场方向
11
电流方向
安培环路定律
矢量 H 沿任意闭合曲线 I3 的积分等于此闭合曲线 所包围的所有电流的代 数和(图1.6),即 Hdl H cos dl I
l l
I1
I2
I4
dl
α
H
根据右图,方程右边
H cos dl I I I 1 2 3
工作原理
VD2截止
磁芯中的能量释放完毕。
VD1导通或截止
（1）如果电感储能能够 维持电流连续至下个周期 开始，VD1始终导通。 （2）如果电感电流断续， 则VD1截止。
续流阶段
9ห้องสมุดไป่ตู้
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
输出电压平均值 VT截止时
Uo N 2 ton N U i 2 DU i N1 T N1
方法二
通过外加能量的 方法强迫磁芯的磁状 态复位
采用哪种方法取决于功率P的大小和所使用的磁芯磁滞特性而定
44
单端变压隔离器的磁通复位技术
2种典型的磁芯磁滞特性曲线
低Br 铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯 复位常用转移损耗法，线路简单可靠
高Br 无气隙的晶粒取向镍－铁合金磁芯 复位常用强迫法，线路较复杂
电感储能型变换器
30
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
工作原理
i1 i2
VT截止时，VD导通 VT导通时，VD截止
流过N1的电流 流过N2的电流 i2 I 2 P I2p为VT截止时i2的幅值
i1
Ui t L1
UO t L2
导通终了时，i1的幅值 U I1P i ton L1
l
16
磁场强度单位
如果磁场强度H与闭合路径方向一致,闭合 路径的积分为 在MKS制中磁场强度单位为安/米.而在CGS 制中为奥斯特,简称奥,代号Oe.它们之间的 变换关系为
Hl I
1A / m 0.4 10 Oe
2
1A / cm 0.4Oe
17
楞次定律
电磁感应定律
运动方向
工作原理
VT截止
（1）原边：磁芯中的 剩磁能量通过VD2和N3 向输入电源馈送。
磁复位阶段
（2）副边：VD截止， VD1导通，L向负载释放 能量，电流直线下降。
N1 N3 trst N1 ton N3 Dmax 0.5
diL uL uo L dt
8
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
31
I2P
N1 I1P N2
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
3种工作状态 • 变压器磁通临界连续状态
VT截止时间toff和绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间相等
32
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 变压器磁通不连续状态
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>(L2/UO)I2P
45
单端变压隔离器的磁通复位技术
低Br的去磁方法
转移损耗法磁芯去磁线路
46
单端变压隔离器的磁通复位技术
低Br的去磁方法
（a）能量－>电源
（b）能量－>负载
再生式磁芯去磁线路
47
单端变压隔离器的磁通复位技术
高Br的去磁方法
（a）加恒流源和变压器附加绕组
（b）外部加永久磁铁
强制磁芯去磁各种方法
• （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
隔 离 型 DC/ DC 变换器
1
概述
非隔离的DC/DC变换器的局限性 • 输入输出不隔离，形成地线上的环流 • 输入输出电压比或电流比不能太大 • 无法实现多路输出
解决方法 采用变压隔离器
2
概述
理想变压隔离器的特征 • 从输入到输出能够通过所有的信号频率，即从理想的 直流到交流都能变换； • 变换时可不考虑能量损耗； • 变换中能提供任何选定的电压和电流变比 • 能使输入和输出之间完全隔离 • 变换时，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一 样方便有效
48
单端变压隔离器的磁通复位技术
高Br的去磁方法
（c）利用滤波电感作为恒流源
强制磁芯去磁各种方法
49
单端变压隔离器的磁通复位技术
高电压源变换器中去磁电路
利用 原边绕组本身
双开关、单端去磁线路
50
双管正激式DC/DC变换器
电路结构
注意点： D ≤ 0.5
工作原理
VT1、VT2 同时动作
n L1 L1 L2 L1 L2
27
变压器2
变压器负载
u1
i1 N1 N2 u2
k
i2 RL
N2 i1 i11 i2 i1t i ‘2 N1
i’2＝N2i2/N1－次级反射电流
28
单端正激变换器总结： 1 电路简单，多应用于中，小功率电路； 2 变压器与储能电感分离，但正激需要B-H 工作于1象限，所以电路需增加磁复位辅 助电路； 3 输入电流是脉动的，有较大尖峰出现，对 器件要求较高，一般最大值为平均值的45倍。
10
U DS (1
N1 )Ui N3
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
正激变换器的设计 • 开关管的选择
• （1）开关管的漏极额定电流必须大于流过IGBT漏极 实际电流IDmax。
I D max I L max N 2 I L max N1 n
I L max I L I L IO I L
单位
V S L S H (亨) i A
+
电 流 增 加
u
-
电 流 减 少
-
u
+
21
•自感电动势与能量关系
d di e L -u dt dt
•能量关系
We uidt
0 T Bm 0
dB Hl BH NA dt V dt N 2
2
di LI L idt Wm 0 dt 2
U DS max Ui nUO
39
UVD max Ui / n UO
单端反激变换器总结： 1 电路简单，广泛应用于50W以下电路； 2 变压器同时充当储能电感器，设计时比较 困难； 3 输入、输出电流都有较大尖峰出现，而且 都是脉动的。
双端变压器隔离变换器
一、回 顾
1、单端变压器无论是正激还是反激，功率 管在开关翻转瞬间要承受2Vi。 2、变压器只工作于第一象限，几个周期后 ，很容易进入“磁饱和”，而且变压器利 用率低，只有50%。 3、需要退磁电路设计。
单端变压隔离器的磁通复位技术
使用单端 变压隔离器 遇到的问题
如果每个周期不去磁， 剩余磁通的累加可能 导致磁芯饱和
如何使变压器 磁芯在每个脉 动工作磁通之 后都能回复到 磁通起始值
开关导通时，电流很大 开关断开时，过电压很高
43
单端变压隔离器的磁通复位技术
磁芯复位线路种类
方法一
把磁芯残存能量 自然地转移，在为了 复位所加的元件上消 耗掉，或者把残存能 量反馈到输入端或输 出端
di2 dt di1 dt
•耦合系数 12 k1 k 2 21 11 22
kM
M m M m L1L2
25
变压器1
空载：电压激励，初级
d11 di1 ui N1 L1 dt dt
di1 d12 M N2 dt dt
次级：
u2 eM 2
变比：
ui N1 L1 n u2 N 2 M
理想的变压隔离器符号
3
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
电路的构成
基本buck变换电路拓扑 Buck变换器工作波形
4
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
电路的构成
隔离型buck（正激 Forward）变换器
5
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
由于磁芯的磁滞效应，当具有非零直流 平均电压的单向脉冲加到变压器初级绕 组上，线圈电压或电流回到零时，磁芯 中磁通并不回到零，这就是剩磁通。剩 磁通的累加可能导致磁芯饱和，因此需 要采用磁复位（去磁技术）
I
22
互感
线圈之间互感
N1 N2
12 M12i1
同名端用 表示
φ11
i1 i2
φ12
M
i1 N1 N2 i2
互感系数
M 12
12
i1
21
i2
M 21 M 23
•电压平衡方程式
如果两个耦合线圈都流过增量电流有
di1 u1 eL1 eM 2 L1 M dt di2 u2 eL 2 eM 1 L2 M dt
COME ON
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
电路的构成
电感—>隔离变换器
基本Buck-Boost变换器
隔离型Buck-Boost变换器
29
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
电路的构成(变压器N2反绕)
单端反激式（Flyback）变换器
VT导通时，VD截止 VT截止时，VD导通
教材P69
37
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 开关管承受电压
VT截止时，N1上的感应电势
U N1 N1 UO N2
VT截止时，漏-源承受的电压
U DS U i U N 1 U i N1 UO N2
38
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
变换器的设计 • 变压器磁通不连续
N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。
6
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
VT导通
UN2 UO
（1）经变压器耦合和 二极管VD向负载传输 能量。
（2）电感L储能，电流 直线上升
能量传递阶段
diL u L u N 2 uo L dt
7
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
34
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
变压器磁通连续状态
VT截止时间较小，toff <(L2/UO)I2P ，即I2min>0
35
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 电压传输比
VT导通
UN2
N2 Ui Ui / n N1
VT截止
U N 2 UO
伏秒 U i ton U Otoff 平衡 n U t D AV O on U i ntoff n(1 D)
参考 电压
13
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
例1 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。
36
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 输入输出电压关系
VT导通期间，变压器T储能
WL
1 L1 I12P 2
U O U i ton
即输入功率为
RL 2 L1T
WL 1 Pi L1 I12P T 2T
输出功率为
PO
2 UO
RL
结论： （1）Uo与负载RL有关， RL ↑ → Uo ↑ （2） Uo与导通时间成正比 （3）与电感量L1成反比
14
回顾 ：右手定则
磁场方向
电流方向
磁场方向
11
电流方向
安培环路定律
矢量 H 沿任意闭合曲线 I3 的积分等于此闭合曲线 所包围的所有电流的代 数和(图1.6),即 Hdl H cos dl I
l l
I1
I2
I4
dl
α
H
根据右图,方程右边
H cos dl I I I 1 2 3
工作原理
VD2截止
磁芯中的能量释放完毕。
VD1导通或截止
（1）如果电感储能能够 维持电流连续至下个周期 开始，VD1始终导通。 （2）如果电感电流断续， 则VD1截止。
续流阶段
9ห้องสมุดไป่ตู้
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
输出电压平均值 VT截止时
Uo N 2 ton N U i 2 DU i N1 T N1
方法二
通过外加能量的 方法强迫磁芯的磁状 态复位
采用哪种方法取决于功率P的大小和所使用的磁芯磁滞特性而定
44
单端变压隔离器的磁通复位技术
2种典型的磁芯磁滞特性曲线
低Br 铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯 复位常用转移损耗法，线路简单可靠
高Br 无气隙的晶粒取向镍－铁合金磁芯 复位常用强迫法，线路较复杂
电感储能型变换器
30
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
工作原理
i1 i2
VT截止时，VD导通 VT导通时，VD截止
流过N1的电流 流过N2的电流 i2 I 2 P I2p为VT截止时i2的幅值
i1
Ui t L1
UO t L2
导通终了时，i1的幅值 U I1P i ton L1
l
16
磁场强度单位
如果磁场强度H与闭合路径方向一致,闭合 路径的积分为 在MKS制中磁场强度单位为安/米.而在CGS 制中为奥斯特,简称奥,代号Oe.它们之间的 变换关系为
Hl I
1A / m 0.4 10 Oe
2
1A / cm 0.4Oe
17
楞次定律
电磁感应定律
运动方向
工作原理
VT截止
（1）原边：磁芯中的 剩磁能量通过VD2和N3 向输入电源馈送。
磁复位阶段
（2）副边：VD截止， VD1导通，L向负载释放 能量，电流直线下降。
N1 N3 trst N1 ton N3 Dmax 0.5
diL uL uo L dt
8
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
31
I2P
N1 I1P N2
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
3种工作状态 • 变压器磁通临界连续状态
VT截止时间toff和绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间相等
32
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 变压器磁通不连续状态
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>(L2/UO)I2P
45
单端变压隔离器的磁通复位技术
低Br的去磁方法
转移损耗法磁芯去磁线路
46
单端变压隔离器的磁通复位技术
低Br的去磁方法
（a）能量－>电源
（b）能量－>负载
再生式磁芯去磁线路
47
单端变压隔离器的磁通复位技术
高Br的去磁方法
（a）加恒流源和变压器附加绕组
（b）外部加永久磁铁
强制磁芯去磁各种方法