正激变换器

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有源钳位
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t=t5时，VMc关断，Lm与Cs开始谐振，C s以负的磁化 时 关断， 与 开始谐振 开始谐振， 以负的磁化 关断 t=t0时 ，功率开关 +Uc1，VDVDC与VD2截止．VD1开通； 开通。 开通． 和钳位电容 时 功率开关VM开通 为了简化分析， 开通。 C开通．i 截止． ／ 开通； 和钳位电容C 为了简化分析 假设输出滤波电感L和钳位电容 斜率 t=t3时，UDs=Uin，假设输出滤波电感 m以-Uc1／Lmcl ； ， 以 电流放电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去； 电流放电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去 足够大， 足够大，因此可将它们分别作为电流源和电压源处期 下降，一直到t4 时刻为零，钳位开关对电容 充电．使得 下降时。功率开关 ，一直到 时刻为零，钳位开关VMC 应在 ～t4 t=t1t=t6时，U 下降到 ，以Io／n对电容m在副边续流提 功率开关VM关断 ，VD 开通，为i应在t3～ 关断， 充电． 关断 ／ 对电容Cs充电 下降到Uin， 、原副边总漏感 和变 开通， 时 在副边续流提 DS 变压器用磁化电感Lm 1原副边总漏感L1k 理。变压器用磁化电感 间加上开通信号； 间加上开通信号； UDs增大； ； 增大； 增大 供了通路； 供了通路的理想变压器表示。 比为n： 的理想变压器表示 比为 ：1的理想变压器表示。每个开关周期分为七 t=t4时，i UDs=Uin ，VD1关断，VD2开通，磁化电流对 开始变负， 关断， 零电压开通，i m仍以 实现了零电压开通 时 开始变负 实现了 开通， ， 仍以 t= t2时。m开始变负，VMc 开始了另一周期磁化电流对C2 时 时，VM再次开通关断 个区间．原理波形如右图所示。零电压开通由此可见， 个区间．原理波形如右图所示。 开通 。由此可见， t=t7L 斜率下降 铁心工作在第三象限； 再次开通， 再次开通，开始了另一周期。 斜率下降， 部分磁化能量转移到Cs中去 一Ucl／即 m斜率下降，铁心工作在第三象限； 中去； ／ Lm与Cs 谐振，部分磁化能量转移到 中去； 充电． 谐振， 充电． 钳位开关VM 实现了零电压开关(ZVS)，功率开关 钳位开关 与 实现了零电压开关 ，功率开关VM 实现了零电压关断，但非零电压开通。 实现了零电压关断，但非零电压开通。)
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正激变换器的不同开关状态
开关管Q导通，电源电压 加在原边绕组上， 开关管 导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁 导通 芯磁通φ增加 则变压器铁芯磁通增量： 增加， 芯磁通 增加，则变压器铁芯磁通增量：
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正激变换器的不同开关状态
由 得变压器原边磁化电流： 得变压器原边磁化电流：
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正激变换器的不同开关状态
Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此 关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过， 关断 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流i 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流 M从复位绕组 W3经过二极管 3回馈到输入电源中去。此时整流管 关断， 经过二极管D 回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断 关断， 流过电感L 电流通过续流二极管D 续流，复位绕组电压： 流过电感 f电流通过续流二极管 2续流，复位绕组电压：
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RCD复位法特点 复位法特点 优点： 优点： 磁复位电路简单； 磁复位电路简单； 功率开关电压较低； 功率开关电压较低； 占空比d可大于 适用于宽输入电压场合。 可大于0.5,适用于宽输入电压场合 占空比d可大于0.5,适用于宽输入电压场合。 缺点: 缺点 大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此， 大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它 广泛应用于价廉、 广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换 场合。 场合。
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正激变换器的不同开关状态
如果W 如果 1>W3，则去磁时间小于开通时间 即开关管的工作占空比 。 如果W 如果 1<W3 ，则去磁时间大于开通时间 即开关管的工作占空比 。
W1>W3，Q管电压大于 倍输入电压；W1<W3，Q管电压小 管电压大于2倍输入电压 管电压大于 倍输入电压； 管电压小 倍输入电压。 于2倍输入电压。 倍输入电压 为了充分提高占空比和减小Q两端电压，必须折衷选择。 为了充分提高占空比和减小 两端电压，必须折衷选择。一 两端电压 般选W1=W3，这时 管电压等于2倍 般选 ， ， ，而Q管电压等于 倍 管电压等于 输入电压。 输入电压。 由于单端正激变换器（ 由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离 ） 变换器， 的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为： 变换器 因此其输入和输出关系为：
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磁复位技术
B Br 0 -Br H Br 0 -Br
典型的两种磁芯磁滞特性曲线
B H
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磁复位技术
在磁场强度H为零时， 在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决 比图b 定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一般是铁氧体 铁粉磁芯和非晶合金磁芯， 、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一般为无气隙的晶粒取 向镍铁合金铁芯。 向镍铁合金铁芯。 较小的铁芯， 对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法 转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。 。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁 较高的铁芯，一般使用强迫复位法。 感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位 法线路较为复杂。 法线路较为复杂。 简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成 ，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组 并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗， 并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗， 它具有两种功能， 它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消 除磁芯残存能量。 除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边 的漏电感（寄生电感）存在， 的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量 ，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结 这种电路只适用于小功率变换器中，。 。这种电路只适用于小功率变换器中，。
式中L 是原边绕组的励磁电感。副边绕组W 式中 M是原边绕组的励磁电感。副边绕组 2上的 电压为： 电压为： 此时整流二极管D 导通，续流二极管D 截止， 此时整流二极管 1导通，续流二极管 2截止，流过 滤波电感L 的电流增加： 滤波电感 f的电流增加： 显然这和BUCK变换器中开关管 导通时一样。 变换器中开关管Q导通时一样 显然这和 变换器中开关管 导通时一样。 变压器原边绕组电流： 变压器原边绕组电流：
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正激变换器的不同开关状态
Vbe 0 t
φ
t 0 iW3 t 0 iLf 0 uW1 VIN 0
W1 VIN W3
IO toff t T
t
ton
iW1 iM Tr
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CoHale Waihona Puke Baidutents
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正激变换器的工作原理 几种复位方式及其比较
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磁复位技术
单端变换器的磁复位技术 使用单端隔离变压器之后， 使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工 作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题， 作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题， 称为去磁复位问题。 称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流 如果没有每个周期都作用的去磁环节， ，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可 能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时， 能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过 电压很高，导致开关器件的损坏。 电压很高，导致开关器件的损坏。 剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量， 剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移 到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以 到别处，就是磁芯复位的任务。 分成两种： 分成两种： 一种是把铁芯残存能量自然的转移， 一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电 子元件上消耗掉， 子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端 另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。 ；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。 具体使用那种方法，可视功率的大小、 具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞 特性而定。。 特性而定。。
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RCD复位 复位
期间． 导通． 的值保持为Uin +Uc．磁化 在t=t3～t4期间．VDC导通．UDS的值保持为 ～ 期间 ． 电流以一Uc／ 的斜率线性下降到零； 电流以一 ／Lm 的斜率线性下降到零； 期间， 中储存的能量传递到磁化电感 中储存的能量传递到磁化电感Lm中去 中去。 在t=t4～t5期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感 中去。 ～ 期间 可推导出钳位电压为： 可推导出钳位电压为：
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正激变换器的不同开关状态
励磁电流i 从原边绕组中转移到复位绕组中， 励磁电流 M从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减 小：
时刻， 在Tr时刻， 时刻
，变压器完成磁复位。 变压器完成磁复位。
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正激变换器的不同开关状态
Q关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。 关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。 关断状态中 滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为 上的电压为: 滤波电感电流经续流二极管续流。在此时 上的电压为 由于在正激变换器中磁通必须复位， 由于在正激变换器中磁通必须复位，得： 整理得： 整理得：
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几种磁复位方式
第三线圈复位法 RCD复位 复位 有源钳位 双管正激
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第三线圈复位法特点
优点： 优点： 技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。 技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。 缺点： 缺点： 附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化； 附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化； 开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲 开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要 缓冲 电路来抑制，尤其是变压器满载时； 电路来抑制，尤其是变压器满载时； 开关管承受的电压与输入直流电压成正比， 开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在 宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率 宽输入电压范围时，必须采用高压功率 而高压功率 MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； 的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； 的导通电阻较大 Uin=Uinmax时，占空比 占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。 很小，不易于大功率输出。
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RCD复位 复位
t=t0～t1期间，开关管 ～ 期间 期间， 导通变压器上的磁化 电流增加； 电流增加；t=t1时VM 时 关断， 关断，随后以负载折 算到原边的电流I0／n 算到原边的电流 Cs：晶体管输出电容、钳位二极管 ：晶体管输出电容、 线性充电； 给Cs线性充电； 结电容、 结电容、折算到原边的整流二极 管结电容和变压器绕组电容之和 t=t2时开始磁复位，Cs与Lm 时开始磁复位， 时开始磁复位 谐振使得磁化电感能量有一 部分转移到C 中去， 部分转移到 s 中去，剩余的 磁化电感能量和变压器漏感 能量消耗在钳位电阻R中 能量消耗在钳位电阻 中；
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高速电机 实验室
正激变换器
主讲人： 主讲人：杨艳 2010.11.22
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Contents
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正激变换器的工作原理 几种复位方式及其比较
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正激变换器的工作原理
T D1
Lf
+
W3 uw3 +
VIN D3
W1
* +
* +
W2 D2
iLf
Cf
RL
u w1 -
uw2 -
*
-
Q
单端正激变换器的主电路 开关管Q按 方式工作， 是输出整流二极管， 开关管 按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续 方式工作 流二极管， 是输出滤波电感， 是输出滤波电容。 流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器 有三个绕组， 原边绕组， 副边绕组， 复位绕组。 有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。
无关； 增大Lm可降低 ；③ 增加 ，可降低 可降低Uc； 增加Cs， ① Uc与Uin无关；②增大 与 无关 可降低 Uc；这可通过在 漏源两端外并电容来实现． ；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现．但这却增 漏源两端外并电容来实现 加了功率开关的容性开通损耗； 减小源副边总漏感L 加了功率开关的容性开通损耗；④减小源副边总漏感 1k可降 低Uc，这是降低钳位电压的关键因素。 ，这是降低钳位电压的关键因素。
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正激变换器的不同开关状态
变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为： 变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：
此时整流管关断，流过电感 电流通过续流二极管 电流通过续流二极管D 此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管 2 续流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加 变换器类似。 续流，显然和 变换器类似 在此开关状态中， 上的电压为： 在Q上的电压为： 上的电压为 电源V 反向加在复位绕组W 故铁芯被去磁， 电源 IN反向加在复位绕组 3上，故铁芯被去磁，铁芯 的磁通φ减小 减小： 的磁通 减小： 铁芯磁通φ的减小量： 铁芯磁通 的减小量： 的减小量 式中Tr-ton是去磁时间。 是去磁时间。 式中