正激变换器.ppt
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南京邮电大学
正激变换器
主讲人：杨艳
2010.11.22
1
Contents
1 2
正激变换器的工作原理
几种复位方式及其比较
南京邮电大学
正激变换器的工作原理
T W 3 u w3 + V IN D3 Q * W1 * + u w2 D1 * + W2 D2 Lf
+
i
Lf
u w1 -
Cf
RL
VO
-
单端正激变换器的主电路 开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续 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，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。
南京邮电大学
RCD复位
t=t0～t1期间，开关管 导通变压器上的磁化 电流增加；t=t1时VM 关断，随后以负载折 算到原边的电流I ／n Cs：晶体管输出电容、钳位二极管 0 给Cs线性充电； 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 谐振使得磁化电感能量有一 部分转移到Cs 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；
有源钳位
有源钳位优缺点
优点：
变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用；
可利用低压功率MOSFET和二极管； ZVT-PWM工作方式； 占空比d可大于0.5； 变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利 用率高，铜损小 缺点： 多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成 本。
双管正激
di W Lf 2 V V L IN O f W dt 3
显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。 变压器原边绕组电流：
iW1
南京邮电大学
W 1 iLf iM W 2
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 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组 W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断， 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：
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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VIN加在原边绕组上，变压器铁 芯磁通φ增加，则变压器铁芯Fra Baidu bibliotek通增量：
W1 d VIN dt
V V t IN IN on V IN ( ) t T T on W 1 W 1 T W 1
南京邮电大学
4
即开关管的工作占空比
to n 0.5 。 T
to n 0.5 T
ton T ton r
W1>W3，Q管电压大于2倍输入电压；W1<W3，Q管电压小 于2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。一 t ton toff ， 般选W1=W3，这时 T 0.5 ，而Q管电压等于2倍 r T 输入电压。
几种磁复位方式
第三线圈复位法 RCD复位 有源钳位 双管正激
南京邮电大学
第三线圈复位法特点
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。 缺点： 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 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，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 MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。
W 3 W 3
电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯 的磁通φ减小： W d V
3
dt
IN
V 铁芯磁通φ的减小量： ( ) IN T t r on W 3
式中Tr-ton是去磁时间。
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7
正激变换器的不同开关状态
励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减 小：
t
iW 1 iM Tr
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Contents
1 2
正激变换器的工作原理
几种复位方式及其比较
南京邮电大学
12
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，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， 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，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，过 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，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 分成两种： 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，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。 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。。
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RCD复位
在t=t3～t4期间．VDC导通．UDS的值保持为Uin +Uc．磁化 电流以一Uc／Lm 的斜率线性下降到零； 在t=t4～t5期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感Lm中去。 可推导出钳位电压为：
① Uc与Uin无关；②增大Lm可降低Uc；③ 增加Cs，可降低 Uc；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现．但这却增 加了功率开关的容性开通损耗；④减小源副边总漏感L1k可降 低Uc，这是降低钳位电压的关键因素。
正激变换器的不同开关状态
由
VIN LM diM dt
得变压器原边磁化电流：
i M
KT t KT
V V IN dt INt L L M M
式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的 电压为： u W V
W2 2
W1
IN
此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过 滤波电感Lf的电流增加：
on m ax
由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离 的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为： W2
VO W1 VIN
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正激变换器的不同开关状态
V be 0 t
φ
t 0 iW 3 t 0 iL f 0 uW1 0
W1 V IN W3
IO to ff V IN to n T t
V V IN IN t ( T ton ) 由于在正激变换器中磁通必须复位，得：W on W r 1 3
VQ VIN
ton 整理得：
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W 1 (T r ton) W 3
正激变换器的不同开关状态
ton 如果W1>W3，则去磁时间小于开通时间 tonT r
即开关管的工作占空比 。 如果W1<W3 ，则去磁时间大于开通时间
u V W 3 IN
南京邮电大学
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：
uW1 W 1 VIN W3
uW2
W 2 VIN W 3
此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2 续流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加 W 1 W 1 在Q上的电压为： V V V V ( 1 ) Q IN IN IN
IN W V W IN 1 V 1 i i t t t W M on o n 3 W L W L 3 3 M M
i iM 0 W 3
在Tr时刻，
，变压器完成磁复位。
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8
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。 滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为:
RCD复位法特点 优点： 磁复位电路简单； 功率开关电压较低； 占空比d可大于0.5,适用于宽输入电压场合。 缺点: 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、效率要求不太高的功率变换 场合。
有源钳位
南京邮电大学
t=t5时，VMc关断，Lm与Cs开始谐振，C s以负的磁化 t=t0 时，功率开关 开通。 VD 为了简化分析，假设输出滤波电感 和钳位电容 Ccl C与VD 2截止． 1开通； t=t3 时， UDs=Uin VM +Uc1 ，VDVD iL m 以-Uc1 ／Lm 斜率 电流放电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去； C开通． 足够大，因此可将它们分别作为电流源和电压源处 下降，一直到 t4 时刻为零，钳位开关 VMC 应在 t3～t4 期 t=t1 时。功率开关 VM 关断，以 Io ／ n 对电容 Cs 充电．使得 t=t6时，UDS下降到UinLm ，VD 1开通，为i m在副边续流提 理。变压器用磁化电感 、原副边总漏感 L1k和变 间加上开通信号； UDs 增大； 供了通路； 比为 n：1的理想变压器表示。每个开关周期分为七 t=t4 时， i UDs=Uin m开始变负， VMc 实现了零电压开通， i m仍以 t= t2 时。 ， VD1 关断， VD2 开通，磁化电流对 C2 个区间．原理波形如右图所示。 t=t7 时， VM 再次开通，开始了另一周期。由此可见， 一 Ucl／L m 斜率下降，铁心工作在第三象限； 充电．即 Lm 与Cs 谐振，部分磁化能量转移到 Cs中去； 钳位开关VM 实现了零电压开关 (ZVS)，功率开关 VM 实现了零电压关断，但非零电压开通。)
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
磁复位技术
在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决 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，图b一般为无气隙的晶粒取 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 。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。 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， 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。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，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，。
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双管正激
南京邮电大学
双管正激优缺点
优点: 加 于 每 个MOSFFT的最大电压仅为VDD。 减 少 了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声 可 以 有 效地避免误触发引起的短路故障。
缺点:
需 要 更 多的开关器件，增加了成本。 电路 中 过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低 额定电压的MOSFET降低电阻RDS（on）来提高效率。 占空 比 小于50%，受开关频率的限制。
正激变换器
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2010.11.22
1
Contents
1 2
正激变换器的工作原理
几种复位方式及其比较
南京邮电大学
正激变换器的工作原理
T W 3 u w3 + V IN D3 Q * W1 * + u w2 D1 * + W2 D2 Lf
+
i
Lf
u w1 -
Cf
RL
VO
-
单端正激变换器的主电路 开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续 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，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。
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RCD复位
t=t0～t1期间，开关管 导通变压器上的磁化 电流增加；t=t1时VM 关断，随后以负载折 算到原边的电流I ／n Cs：晶体管输出电容、钳位二极管 0 给Cs线性充电； 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 谐振使得磁化电感能量有一 部分转移到Cs 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；
有源钳位
有源钳位优缺点
优点：
变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用；
可利用低压功率MOSFET和二极管； ZVT-PWM工作方式； 占空比d可大于0.5； 变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利 用率高，铜损小 缺点： 多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成 本。
双管正激
di W Lf 2 V V L IN O f W dt 3
显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。 变压器原边绕组电流：
iW1
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W 1 iLf iM W 2
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 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组 W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断， 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：
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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VIN加在原边绕组上，变压器铁 芯磁通φ增加，则变压器铁芯Fra Baidu bibliotek通增量：
W1 d VIN dt
V V t IN IN on V IN ( ) t T T on W 1 W 1 T W 1
南京邮电大学
4
即开关管的工作占空比
to n 0.5 。 T
to n 0.5 T
ton T ton r
W1>W3，Q管电压大于2倍输入电压；W1<W3，Q管电压小 于2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。一 t ton toff ， 般选W1=W3，这时 T 0.5 ，而Q管电压等于2倍 r T 输入电压。
几种磁复位方式
第三线圈复位法 RCD复位 有源钳位 双管正激
南京邮电大学
第三线圈复位法特点
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。 缺点： 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 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，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 MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。
W 3 W 3
电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯 的磁通φ减小： W d V
3
dt
IN
V 铁芯磁通φ的减小量： ( ) IN T t r on W 3
式中Tr-ton是去磁时间。
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7
正激变换器的不同开关状态
励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减 小：
t
iW 1 iM Tr
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Contents
1 2
正激变换器的工作原理
几种复位方式及其比较
南京邮电大学
12
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，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， 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，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，过 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，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 分成两种： 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，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。 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。。
南京邮电大学
RCD复位
在t=t3～t4期间．VDC导通．UDS的值保持为Uin +Uc．磁化 电流以一Uc／Lm 的斜率线性下降到零； 在t=t4～t5期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感Lm中去。 可推导出钳位电压为：
① Uc与Uin无关；②增大Lm可降低Uc；③ 增加Cs，可降低 Uc；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现．但这却增 加了功率开关的容性开通损耗；④减小源副边总漏感L1k可降 低Uc，这是降低钳位电压的关键因素。
正激变换器的不同开关状态
由
VIN LM diM dt
得变压器原边磁化电流：
i M
KT t KT
V V IN dt INt L L M M
式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的 电压为： u W V
W2 2
W1
IN
此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过 滤波电感Lf的电流增加：
on m ax
由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离 的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为： W2
VO W1 VIN
南京邮电大学
正激变换器的不同开关状态
V be 0 t
φ
t 0 iW 3 t 0 iL f 0 uW1 0
W1 V IN W3
IO to ff V IN to n T t
V V IN IN t ( T ton ) 由于在正激变换器中磁通必须复位，得：W on W r 1 3
VQ VIN
ton 整理得：
南京邮电大学
W 1 (T r ton) W 3
正激变换器的不同开关状态
ton 如果W1>W3，则去磁时间小于开通时间 tonT r
即开关管的工作占空比 。 如果W1<W3 ，则去磁时间大于开通时间
u V W 3 IN
南京邮电大学
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：
uW1 W 1 VIN W3
uW2
W 2 VIN W 3
此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2 续流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加 W 1 W 1 在Q上的电压为： V V V V ( 1 ) Q IN IN IN
IN W V W IN 1 V 1 i i t t t W M on o n 3 W L W L 3 3 M M
i iM 0 W 3
在Tr时刻，
，变压器完成磁复位。
南京邮电大学
8
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。 滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为:
RCD复位法特点 优点： 磁复位电路简单； 功率开关电压较低； 占空比d可大于0.5,适用于宽输入电压场合。 缺点: 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、效率要求不太高的功率变换 场合。
有源钳位
南京邮电大学
t=t5时，VMc关断，Lm与Cs开始谐振，C s以负的磁化 t=t0 时，功率开关 开通。 VD 为了简化分析，假设输出滤波电感 和钳位电容 Ccl C与VD 2截止． 1开通； t=t3 时， UDs=Uin VM +Uc1 ，VDVD iL m 以-Uc1 ／Lm 斜率 电流放电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去； C开通． 足够大，因此可将它们分别作为电流源和电压源处 下降，一直到 t4 时刻为零，钳位开关 VMC 应在 t3～t4 期 t=t1 时。功率开关 VM 关断，以 Io ／ n 对电容 Cs 充电．使得 t=t6时，UDS下降到UinLm ，VD 1开通，为i m在副边续流提 理。变压器用磁化电感 、原副边总漏感 L1k和变 间加上开通信号； UDs 增大； 供了通路； 比为 n：1的理想变压器表示。每个开关周期分为七 t=t4 时， i UDs=Uin m开始变负， VMc 实现了零电压开通， i m仍以 t= t2 时。 ， VD1 关断， VD2 开通，磁化电流对 C2 个区间．原理波形如右图所示。 t=t7 时， VM 再次开通，开始了另一周期。由此可见， 一 Ucl／L m 斜率下降，铁心工作在第三象限； 充电．即 Lm 与Cs 谐振，部分磁化能量转移到 Cs中去； 钳位开关VM 实现了零电压开关 (ZVS)，功率开关 VM 实现了零电压关断，但非零电压开通。)
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
磁复位技术
在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决 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，图b一般为无气隙的晶粒取 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 。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。 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， 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。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，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，。
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双管正激
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双管正激优缺点
优点: 加 于 每 个MOSFFT的最大电压仅为VDD。 减 少 了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声 可 以 有 效地避免误触发引起的短路故障。
缺点:
需 要 更 多的开关器件，增加了成本。 电路 中 过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低 额定电压的MOSFET降低电阻RDS（on）来提高效率。 占空 比 小于50%，受开关频率的限制。