第3章 带隔离的直流变流电路

*
2
H
D
L
3
C
vo
V
s
is
*
N
1
i1 i 3
N3*
B
i2
N
2
iL
C D
1
T
O Ton=DTs期间 F
v0 = vHF = eDF = ( N 2 / N1 ) ⋅ eA0 = N 2 / N1 ⋅ Vs
隔离型Buck变换器—单端正激变换器
T截止： D2截止； 截止： 截止
i3将 N3感应电势经D3反送至电源，i3减小到零; iL 经D1续流。
反激式变压器开关电源的工作过程
在Ton期间，Ui对N1绕组加电，N1绕组有电流i1流过，在 N1两端产生自感电动势e1的同时，在变压器次级线圈N2 绕组的两端也同时产生感应电动势e2 。 由于D的作用，没有产生回路电流。相当于变压器次级 线圈开路，变压器次级线圈相当于一个电感。 因此，流过变压器初级线圈N1绕组的电流就是变压器的 励磁电流，变压器初级线圈N1绕组两端产生自感电动势 可由下式表示：
3.1 正激电路
1）正激电路(Forward)的工作过程
开关S开通后，变压器绕组W1 两端的电压为上正下负，与其 耦合的W2绕组两端的电压也是 上正下负。因此VD1处于通态， VD2为断态，电感L的电流逐 渐增长； Ton=DTs期间
图 3-1 正激电路的原理图 S O uS Ui O iL O iS t t
t t t
U2 = 0
S关断后承受的电压为：
N1 u S = (1 + )U i N3
t O 图 3-2 正激电路的理想化波形
输出电压U2与Ui的关系
N2 Ui U2 = N1 0 t ∈[0，Ton ] t ∈[Ton，T ]
N2向右看相当于BUCK电路
U 2Ton Ui N2 D Vo = = U2D = Ton + Toff N1
为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁 通都能复位，因此：
改变D可以改变U0
3.1 正激电路
？为什么D不能大于0.5
2）变压器的磁心复位
变压器的磁心复位时间为
t rst
N1 = t on N3
B BS
输出电压
输出滤波电 感电流连续 的情况下 输出电感电 流不连续时
BR O
负载为零时， N2 Uo = U N1 i
H
图 3-3 磁心复位过程
隔离型Buck变换器—单端正激变换器
转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。 对于剩余磁感应强度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。
单端变换器——
变压器磁通仅在单方向变化
正激变换器——
开关管导通时电源将能量直接传送给负载
正激变换器特点——输出功率50-200W较大。
由于图中变压器原边通过单向脉动电流，因此 变压器铁芯极易饱和，为此主电路中须考虑变 压器铁芯磁场防饱和措施，即应如何使变压器 铁芯磁场周期性地复位。 另外，此时开关器件位置可稍作变动，使其发 射极与电源Us相连，便于设计控制电路。 铁芯磁场复位方案很多，常见的有磁场能量消 耗法、磁场能量转移法等。
隔离变压器的铁芯： 隔离变压器的铁芯：励磁方式
• 反激型换流器 • 正激型换流器
单向脉动磁通
• 单向励磁
• 推挽式换流器
双向交变磁通
• 双向励磁
• 半桥换流器 • 全桥换流器
隔离变压器的铁芯： 隔离变压器的铁芯：铁芯损耗
Core loss density = kf [(∆B)max ]
a s
b
隔离变压器的铁芯： 隔离变压器的铁芯：磁通密度振幅
当控制开关K由接通突然转为关断瞬间，流过 变压器初级线圈的电流i1突然为0，这意味着变 压器铁心中的磁通也要产生突变。 这是不可能的。
如果变压器铁心中的磁通产生突变，变压器初、次 级线圈回路就会产生无限高的反电动势，反电动势 又会产生无限大的电流，而电流又会抵制磁通的变 化。 因此，变压器铁心中的磁通变化最终还是要受到变 压器初、次级线圈中的电流来约束的。
Vd ˆ= ∆B 4 N1 Ac f s
( D = 0.5)
隔离变压器的铁芯： 隔离变压器的铁芯：磁通密度振幅
单向励磁
Bm − Br ˆ< ∆B 2
双向励磁
ˆ ∆B < Bm
隔离变压器的铁芯： 隔离变压器的铁芯：设计原则
• 若 Bm 大，则 Ac 可减小 • 开关频率大于 开关频率大于100 kHz时，允许的磁通振幅应 时 适当减小， 适当减小，以限制铁损 • 单向励磁时，应选用低 Br 铁芯 单向励磁时，
ton toff t t
t
图 3-5 反激电路的理想化波形
3.2 反激电路 Flyback
电路工作原理是：
开关管导通时，由于D承受反向电压，变压器副边 相当于开路，此时变压器原边相当于一个电感。电 源Us向变压器原边输送能量，并以磁场形式贮存起 来。 当开关管截止时，线路中磁场储能不能突变，就会 在变压器副边产生上正下负的感应电势，该感应电 势使D承受正向电 压而导通，从而磁场储能转移到 负载上。
K 刚断开瞬间
U0 Toff + S ⋅ Bm φx = N2
K 刚断开瞬间
式中， N 为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。 当开关电源工作于电流临界连续工作状态时， 式中的 i 2x 等于 0，而φx 等于 S ⋅ Br。
关于单端反激变换器的小结
在负载为零的极端情况下， 在负载为零的极端情况下，由于开关导通时储存在 变压器电感中的磁能无处消耗， 变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来 越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空 越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空 载下工作。 载下工作。 不需要专门的去磁绕组，电路简单。 不需要专门的去磁绕组，电路简单。 依靠变压器绕组电感在开关阻断时释放存储的能量 而对负载供电，磁通也只在单方向变化。 而对负载供电，磁通也只在单方向变化。 通常仅用于100 200W以下的小容量DC/DC变换 100以下的小容量DC/DC变换（ 通常仅用于100-200W以下的小容量DC/DC变换（如 控制系统所需的辅助电源 ）。
D
A
2
D
3
C
D
vo
H
L
vo
V
s
is
*
N
1
i1 i 3
N3*
B
*
i2
N
2
iL
C D
1
T
O F
(b) 单端正激DC/DC变换器
单端变换器——变压器磁通仅在单方向变化 正激变换器——开关管导通时电源将能量直接传送给负载
隔离型Buck变换器—单端正激变换器
T导通： N2、D2导电 导通： 导通
N3、D1、D3截止 A D D
3.2 反激电路 Flyback
1）工作过程： S开通后，VD处于断态， W1绕组的电流线性增长， 电感储能增加； S关断后，W1绕组的电流 被切断，变压器中的磁场 能量通过W2绕组和VD向 输出端释放。
N2 uS = U i + UO N1
S O uS Ui O iS iVD O t O
图 3-4 反激电路原理图
同理，对上式进行积分，由此可求得：
U0 i2 = t + i2 (0) L1 或 φ= U0 t +φ(0) N2
式中，i2是流过变压器次级线圈N 2绕组的电流， φ为变压器铁心中的磁通； i 2 ( 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初级线圈N 2绕组的电流； φ(0)为初始磁通，即控制开关刚断开瞬间变压器铁心中的磁通。
A
D
3
C
D
*Hale Waihona Puke Baidu
HiL
vo
V
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s
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N
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i3
N3*
B
D2
L C D
1
i2
N
2
T
F Toff = (1-D)Ts期间
v 0 = v HF = 0
eDF ⋅ Ton N 2 V0 = = D ⋅ Vs Ts N1
3.2 反激电路 Flyback
与升降压变换器相比较可知，反激变换 器用变压器代替了升降压变换器中的储 能电感。 因此，这里的变压器除了起输入电隔离 作用外，还起储能电感的作用。
第3 章
带隔离的直流变流电路
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
正激电路Forward 反激电路 半桥电路 全桥电路 推挽电路 全波整流和全桥整流
在实际应用中， 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。 电的隔离。 电隔离一般通过高频隔离变压器实现。 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。 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 为铁芯允许最大磁通密度， 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； 为剩余磁通密度。 过此值铁芯将饱和；Br为剩余磁通密度。
3.2 反激电路
2）反激电路的工作模式：
电流连续模式： 当S开通时，W2绕组中的电流 尚未下降到零。 尚未下降到零 输出电压关系：
图 3- 4 反激电路原理图
Uo N 2 t on = Ui N 1 t off
图 3-5 反激电路的理想化波形
3.2 反激电路
2）反激电路的工作模式：
电流断续模式： S开通前，W2绕组中的电流已 已 经下降到零。 经下降到零 输出电压高于上式的计算值， 并随负载减小而升高，在负载 为零的极限情况下，
实际上，i2(0)正好等于控制开关刚断开瞬间流过变 压器初级线圈N1绕组的电流被折算到次级绕组回路 的电流，即：i2(0) = i1min ； 而 φ(0)正好等于控制开关刚断开瞬间变压器铁心 中的磁通，即：φ(0) = S•Bm 。 当控制开关K将要关断时，i2和φ均达到最小值。
i2 x 或
U0 i1m = Toff + L2 N
隔离变压器的铁芯： 隔离变压器的铁芯：磁滞回线与温度
隔离变压器的铁 磁通密度、 芯：磁通密度、 开关频率与损耗
典型的两种磁芯磁滞特性曲线
B Br 0 -B r H Br 0
B H
-B r
铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯
无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯
对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转 移损耗法。
因此，在控制开关K关断的Toff期间，变压器铁 心中的磁通主要由变压器次级线圈回路中的电 流来决定，即：
e2 = L2 或 dφ e2 = N 2 =U0 dt d i1 =U0 dt t ∈ [t o ff ]
由于反激式变压器开关电源的变压器次级线圈N2绕组的输出电压 都经过整流滤波，而滤波电容与负载电阻的时间常数非常大， 因此，整流滤波输出电压Uo基本就等于uo的幅值Up。
当开关电源工作于输出临界连续电流状态时，i1(0)正 好等于0。而φ(0)正好等于剩磁通S•Br。当控制开关K 将要关断，且开关电源工作于输出电流临界连续状态 时，i1和φ均达到最大值：
i1m = Ui Ton L1
φm =
Ui Ton +S ⋅ Br =S ⋅ Bm N1
式中， i1m − 为流过变压器初级线圈N1绕组的最大电流， 即：控制开关关断瞬间前流过变压器初级线圈N1绕组的电流； Φm − 为变压器铁心中的最大磁通，即：控制开关关断瞬间前变压器铁心中的磁通， S-为变压器铁心导磁面积，Br − 为剩余磁感应强度，Bm − 为最大磁感应强度。
di1 = Ui dt dφ e1 = N1 = Ui dt e1 = L1 t ∈ [0,t on ]
对上式进行积分，由此可求得：
Ui i1 = t + i1 (0) L1 或 Ui φ= t +φ(0) N1 式中，i1是流过变压器初级线圈N1绕组的电流， φ为变压器铁心中的磁通； i1 ( 0 ) 为变压器初级线圈中的初始电流，即控制开关 刚接通瞬间流过变压器初级线圈N1绕组的电流； φ(0)为初始磁通，即控制开关刚接通瞬间变压器铁心中的磁通。
图 3- 4 反激电路原理图
S O uS Ui O iS iVD O t ton toff t
t
Uo → ∞
因此反激电路不应工作于负 载开路状态。
O
t
图 3- 6 反激电路的理想化波形
3.2 反激Flyback电路
反激式变压器开关电源的工作原理图 是开关电源的输入电压， 是开关变压器 是开关变压器， 是控制开关 是控制开关， 图a中，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关， 中 C是储能滤波电容，R是负载电阻。 是储能滤波电容， 是负载电阻 是负载电阻。 是储能滤波电容
t
N1 U 2 = U1 N1 / N 2 = U i N2
t O 图 3-2 正激电路的理想化波形
3.1 正激电路
1）正激电路(Forward)的工作过程
S关断后，电感L通过VD2续流， VD1关断。变压器的励磁电流经N3 绕组和VD3流回电源， Toff = (1-D)Ts期间
图 3-1 正激电路的原理图 S O uS Ui O iL O iS