隔离型DCDC变换器精编版

工作原理
i1
i2
VT导通时，VD截止
流过N1的电流
i1

Ui L1
t
导通终了时，i1的幅值 I1P
Ui L1
ton
20
VT截止时，VD导通
流过N2的电流
i2

I2P
UO L2
t
I2p为VT截止时i2的幅值
I2P

N1 N2
I1P
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
3种工作状态
I L

UN2 UO L
ton

Ui
/ n UO L
ton
Ui nUO D nfL
• （2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui
14
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
IVD max
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
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
29
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
再生式磁芯去磁线路
32
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
33
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
34
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
要采用磁复位（去磁技术）
N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。
9
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
UN2
能量传递阶段
VT导通
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
uL

uN 2
uo

L
diL dt
10
隔离型Buck变换器——单端正激变换器

C2 )

1 2f
PO 2Ui fCF
电容器上直流电压变化的百分数与整流输出电压变化的百分数是相同的
输出电压纹波百分数
Ur
100U Ui / 2
100PO
U
2
i
fCF
CF
100PO
U
2
i
fUr
43
半桥变换器
偏磁现象及其防止方法
• 偏磁的可能性：VT1，VT2具有不同开关特性，导致
UO

2Ui D n

2U i ton N PT
NS
t3~t4: uG1,4=uG2,3=0，VT1～VT4关断； uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui
38
全桥变换器源自文库
缓冲器的组成及作用
39
全桥变换器
缓冲器的组成及作用
两种运行方式的B-H范围
40
半桥变换器
半桥变换器的构成
隔离型DC/DC 变换器
1
参考文献
[1] 张占松，蔡宣三 .开关电源的原理与设计，电子工业出版社 3.1 变压隔离器的理想结构
[2] SIOMN ANG, ALEJANDRO OLIVA. 开关功率变换 器——开关电源的原理、仿真和设计，机械工业出版社 4.2 正激变换器
概述
非隔离的DC/DC变换器的局限性
（a）利用 原边绕组本身
（b）利用部分原边绕组
双开关、单端去磁线路
35
双管正激式DC/DC变换器
电路结构
注意点：
D ≤ 0.5 VD4反向恢复时间
漏感值
工作原理
VT1、VT2 同时动作
VT2
VT1、VT2同时导通：UNP－>UNS，iVD3 ↑，iVD4 ↓ IP=IS/n（n=NP/NS）
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
30
单端变压隔离器的磁通复位技术
低Br的去磁方法
（a）与原边绕组连接
（b）与副边绕组连接
转移损耗法磁芯去磁线路
31
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
伏秒不平衡，发生偏磁现象。
• 串联耦合电容改善偏磁性能
C3两端直流电压降变化速度的时间常数 S RrC3
44
半桥变换器
• 串联耦合电容的选择
• 初算电容量
fR 2
1 LRC3
LR

( NP NS
)2 L
C3

4
2
106
f
2 R
(NP
/
NS
)2 L
注：谐振频率通常选fR=0.1fS
• 初算电容器充电电压是否过高或过低
• 开关管承受电压
VT截止时，N1上的感应电势
UN1

N1 N2
UO
VT截止时，漏-源承受的电压
U DS
Ui
UN1
Ui

N1 N2
U
O
24
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
25
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 2
L1I12P
即输入功率为
Pi
WL T

1 2T
L1I12P
输出功率为
U2
PO

O
RL
UO Uiton
RL 2L1T
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
23
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
t1~t2: uG1=uG2=0，VT1、VT2关断，UNP =0；
uVT1=uVT2=(1/2)Ui ；
t2~t3: uG2=1， VT2 导通，UNP =-(1/2)Ui ；
VD5、VD6均导通为L提供续流回路
iVD6 ↑，iVD5↓－>VD6导通，VD5关断
UO

1 2
U
i
2
D
n

U i ton N PT
NS
t3~t4: uG1=uG2=0，VT1、VT2关断； uVT1=uVT2=(1/2)Ui
42
半桥变换器
桥式分压电容器的选择
初级电流
IP

PO Ui / 2
VT1和VT2导通时，从A点充电或取电 在半周期中，2个电容器补充电荷损失
电容器上电压变化
U

I P t C总
＝
(Ui
/
PO 2)(C1
半桥式变换器的电路拓扑
1. 用2个相同的电容器代替2个晶体管 2. 降低成本，增大电路体积 3. 常用于低功率变换器 4. 初级电压峰值为全桥电路一半，电流为全桥的2倍
41
半桥变换器
工作原理
t0~t1: uG1=1，VT1 导通，UNP =(1/2)Ui ； iVD5 ↑，iVD6↓－>VD5导通，VD6关断
U DS
(1
N1 N3
)U
i
13
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
N2 N1

I L max n
ILmax IL IL IO IL
工作原理
VD2截止
磁芯中的能量释放完毕。
续流阶段
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。
12
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
Uo

N2 N1
ton T
Ui

N2 N1
DUi
VT截止时

IVD1max

IO
Ui
nUO nfL
D
• （2）VD1承受最大电压出现在VT导通时
UVDmax U N 2 Ui / n • （3）VD承受最大电压出现在VT截止时
UVDmax Ui / n
15
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
16
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
UVDmax Ui / n UO
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
如果每个周期不去磁， 剩余磁通的累加可能
导致磁芯饱和
开关导通时，电流很大 开关段开始，过电压很高
28
单端变压隔离器的磁通复位技术
磁芯复位线路种类
VT1、VT2同时关断：VD1，VD2能量反馈回Ui，并嵌 位；VD3关断，VD4 续流导通
36
全桥变换器
全桥变换器的构成
优点：UVT1max＝UVT2max ≈Ui 缺点：变压器利用率较低
1.大功率场合常用电路
2.VT1和VT2 或VT3和VT4同时导通 3.变压器得到充分利用
全桥变换器电路拓扑演变过程
• 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
21
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
22
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
UO (1 D) fL2
I 2 P toff
/T

IO

D 1
IO I2P
I2P
UO IO fL2
• 开关管的选择
I D max

I1P

N2 N1
I2P

U DS max Ui nUO
UOIO n2 fL2
27
• 整流二级管的选择
IDmax I2P
UO IO n2 fL2
工作原理
VT截止
磁复位阶段
（1）原边：磁芯中的 剩磁能量通过VD2和N3 向输入电源馈送。
（2）副边：VD截止， VD1导通，L向负载释放 能量，电流直线下降。
trst N1 ton N3 N1N3 Dmax 0.5
uL

uo

L
diL dt
11
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
7
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
8
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
样方便有效
理想的变压隔离器符号
4
概述
常见的变压隔离器电路
单端变压隔离电路
主要应用于中小功率电路 优点：线路简单 缺点： （1）输入电流脉动 （2）S1关断时承受高压 （3）闭路峰值电流大
5
双端变压隔离电路
概述
常见的变压隔离器电路
半桥变压隔离电路
全桥变压隔离电路
6
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
例 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。
17
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
18
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
电路的构成
单端反激式（Flyback）变换器
VT导通时，VD截止 VT截止时，VD导通
电感储能型变换器
19
隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
37
全桥变换器
工作原理
t0~t1: uG1,4=1，VT1 , VT4导通，UNP =Ui ； iVD5 ↑，iVD6↓－>VD5导通，VD6关断
t1~t2: uG1,4=uG2,3=0，VT1～VT4关断； uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui
t2~t3: uG2,3=1， VT2 , VT3导通，UNP =-Ui ； iVD6 ↑，iVD5↓－>VD6导通，VD5关断
• 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
3
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
• 电压传输比
VT导通 VT截止
UN2

N2 N1
Ui
Ui
/n
UN2 UO
伏秒 平衡
Ui n
ton
UOtoff
AV
UO Ui
ton ntoff
D n(1 D)
26
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
I2P

UO L2
toff