带隔离变压器的直流变换器[1]

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此外,电感与匝数的平方成正比 此外,
∆i1N1 = ∆i2N2
N1 L1 = L2 N 2
代入前式
2
TON N2 Uo = ∗ ∗Ui TOF N1
αn Uo = ∗Ui ( n = N2 1−α N1
)
6
单端反激式变换器的同名端变化
对于反激式变换器, 对于反激式变换器,在一个 周期内,可以自动完成磁复 周期内,可以自动完成磁复 位。
隔离DC-DC变换电路(DC-AC-DC) 隔离DC-DC变换电路(DC-AC-DC) DC 变换电路
特点: 特点:
输入输出隔离;可以多路输出; 输入输出隔离;可以多路输出;可以升降压 (远大于1或远小于1) 远大于1或远小于1)
分类: 分类:
• 单管 • 双管 • 四管
正激、 正激、反激 推挽、 推挽、半桥 全桥
uL = −Uo
16
工作模态3 工作模态3
Q2导通时:(t Q2导通时:(ton) 导通时:(
原边:C2放电,C1充电 原边:C2放电,C1充电 放电 /2, =+U u1=-Ui/2,uQ1=+Ui 副边:D2导通 电感储能, 导通, 副边:D2导通,电感储能,电 容充电 u3=-nUi/2,uD1=-nUi /2, =-nU
按输出来分 • 单端:正激、反激 单端:正激、 • 双端:推挽、半桥、全桥 双端:推挽、半桥、
1
单端反激式wk.baidu.com换器(Flyback) 单端反激式变换器(Flyback)
(1)电路构成 (1)电路构成
T、 Q、 D、 C、
(2)工作过程 (2)工作过程
Q ON时: D截止,电感储能 ON时 D截止 截止, OFF时 D导通 导通, Q OFF时: D导通,电感释能
∫ u dt = 0
0 L
T
即 2 nUi −U0dωt + 2 −Uodωt = 0 ∫ ∫
0 0
整理得 Uo = nUiα
( α
2ton = T )
结论:通过调节占空度, 结论:通过调节占空度,可以调节输出电压的大小
27
推挽电路工作小结
原边: 原边: Q1、Q2交替导通, u1侧得到幅值为Ui的交 侧得到幅值为Ui Q1、Q2交替导通,在u1侧得到幅值为Ui的交 交替导通 流电压 副边是一个全波电路, LC滤波电路输出 副边是一个全波电路,用LC滤波电路输出 D1、D2轮流工作,当Q1和Q2都关断时,D1D2各 轮流工作, Q1和Q2都关断时 D1D2各 都关断时, D1、D2轮流工作 自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为2Ui, 晶体管承受的最高电压为2Ui,二极管承受的 2Ui 最高电压为2nUi 最高电压为2nUi Q1Q2各自的ton不能超过周期的50% Q1Q2各自的ton不能超过周期的50% 各自的ton不能超过周期的
nUi uL = u2 −Uo = −Uo 2
15
工作模态2 工作模态2
Q1关断,Q2未导通时 未导通时:(tof) Q1关断,Q2未导通时:(tof) 关断
原边: 原边:没有电流 =+U uQ1=uQ2=+Ui/2 副边:D1D2同时导通 同时导通, 副边:D1D2同时导通,各自承 担电感电流的一半, 担电感电流的一半,电感释能
(2)工作过程
输入输出关系
• Q ON时: D1导通,传递能量 ON时 D1导通 导通, • Q OFF时: D1截止,磁复位, OFF时 D1截止 磁复位, 截止, D3续流 D3续流 变压器次级
u2 = nU1
式中,变比n 式中,变比n=N1/N2
输出端: 输出端:
Uo = αu2 = αnUi
具有中间抽头的变压器
′ • 副边: N2 = N2 副边: • 全波整流电路:(两桥臂)D1、D2; 全波整流电路:(两桥臂)D1、D2; :(两桥臂 LC滤波电路输出 用LC滤波电路输出
22
工作模态1 工作模态1
Q1导通时:(t Q1导通时:(ton) 导通时:(
原边: 原边: =+U =+2U u1=+Ui,uQ2=+2Ui 副边:D1导通 导通, 副边:D1导通,电感储能 =+nU =-2nU u2=+nUi,uD2=-2nUi
uL = u2 −Uo = nUi −Uo
23
工作模态2 工作模态2
Q1关断,Q2未导通时 未导通时:(tof) Q1关断,Q2未导通时:(tof) 关断
原边: 原边:没有电流 =+U uQ1=uQ2=+Ui 副边:D1D2同时导通 同时导通, 副边:D1D2同时导通,电感释能
uL = −Uo
24
19
半桥电路工作状态小结
原边: 原边: Q1、Q2交替导通, u1侧得到幅值为Ui/2的 侧得到幅值为Ui/2 Q1、Q2交替导通,在u1侧得到幅值为Ui/2的 交替导通 交流电压 C1、C2充放电时间各为T/2 C1、C2充放电时间各为T/2 充放电时间各为 副边是一个全波电路,用LC滤波电路输出 副边是一个全波电路, LC滤波电路输出 D1、D2轮流工作, Q1和Q2都关断时,D1D2各 D1、D2轮流工作,当Q1和Q2都关断时,D1D2各 轮流工作 都关断时 自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为Ui, 晶体管承受的最高电压为Ui,二极管承受的最 Ui 高电压为nUi 高电压为nUi Q1Q2各自的ton不能超过周期的50% Q1Q2各自的ton不能超过周期的50% 各自的ton不能超过周期的
如果将反激式变换器的变压 器同名端改为相同端, 器同名端改为相同端,则不 完成磁复位! 能完成磁复位!
7
变压器的磁复位
在晶体管导通时, 在晶体管导通时,输入电流包含负载电流折射 分量i 和磁化电流分量 和磁化电流分量i 分量i2’和磁化电流分量im
′ i1 = i2 + im
磁化电流im将能量储存在变 磁化电流i 压器磁芯中 问题:当晶体管关断时,没有磁场泄放回路, 问题:当晶体管关断时,没有磁场泄放回路,会 造成过大的电压应力;并且导致铁心饱和, 造成过大的电压应力;并且导致铁心饱和,危害功 率器件 解决方法:变压器额外加上复位绕组N3 N3和二极 解决方法:变压器额外加上复位绕组N3和二极 管D2
20
半桥电路工作状态小结
变压器不存在直流磁化问题 Q1、Q2导通关断时间对称 若Q1、Q2导通关断时间对称
Q1、Q2导通关断时间不对称 若Q1、Q2导通关断时间不对称 C1、C2的隔直作用, C1、C2的隔直作用,能自动平衡不对称直流分量 的隔直作用 21
推挽功率电路
电路结构: 电路结构:
′ • 原边: N1 = N1 原边:
能量不能突变: 能量不能突变: 磁通不能突变 电感电流不能突变
2
单端反激式变换器
• Q ON时: ON时
同名端为“ , 同名端为“+”,D截止 电感变压器作电感运行 电感储能 输出负载由电容提供能量
若电感L 是线性的, 若电感L1是线性的,则
∆i1 = (i1max
Ui − i1min ) = TON L1
nUi uL = −u3 −Uo = −Uo 2
17
工作模态4 工作模态4
Q2关断,Q1未导通时 未导通时:(tof) Q2关断,Q1未导通时:(tof) 关断
原边: 原边:没有电流 =+U uQ1=uQ2=+Ui/2 副边:D1D2同时导通 同时导通, 副边:D1D2同时导通,电感释能
uL = −Uo
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推挽电路工作小结
在理想情况下,元器件和导通时间是完全对称的, 在理想情况下,元器件和导通时间是完全对称的,那 么变压器中正负电流也是完全对称的, 么变压器中正负电流也是完全对称的,变压器没有直流 磁化问题
在实际情况中,导通时间和元器件不可能完全对称, 在实际情况中,导通时间和元器件不可能完全对称,那 么变压器中的正负电流也不可能完全对称, 么变压器中的正负电流也不可能完全对称,因此会存在直 流分量,造成磁路饱和,解决办法:可以在原边回路中串 流分量,造成磁路饱和,解决办法:可以在原边回路中串 联一个电容, 联一个电容,以阻断直流电流
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数量关系
当电路稳态工作时, 当电路稳态工作时,副边回路应满足 即 2∫
ton
∫ u dt = 0
0 L
T
0
tof nUi −U0dωt + 2∫ −Uodωt = 0 0 2
nUi 整理得 Uo = α 2
2ton (α = T

结论:通过调节占空度, 结论:通过调节占空度,可以调节输出电压的大小
关系式 B = H •µ
Φ= S B•
H 在变压器中, 在变压器中, = iN 而 H = Φ /(S • µ) u1 N1 = i1N1 = i2 N2 u2 N2
5
单端反激式变换器状态分析
在稳态时,转换瞬间磁通连续: 在稳态时,转换瞬间磁通连续:
i1max N1 = i2max N2
i1min N1 = i2min N2
8
正激式变换器的电路变化
BUCK变换器 BUCK变换器 带变压器隔离BUCK变换器 带变压器隔离BUCK变换器 BUCK 带磁复位正激式变换器
输入输出间 无法隔离
变压器无法 实现磁复位
9
正激式变换器
(1)电路构成 (1)电路构成
• T、Q、LC • D1、D2、D3 D1、D2、
10
正激式变换器
工作模态3 工作模态3
Q2导通时:(t Q2导通时:(ton) 导通时:(
原边: 原边: =-U =+2U u1=-Ui,uQ2=+2Ui 副边:D2导通 导通, 副边:D2导通,电感储能 =-nU =-2nU u2=-nUi,uD1=-2nUi
uL = −u2 −Uo = nUi −Uo
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工作模态4 工作模态4
Q2关断,Q1未导通时 未导通时:(tof) Q2关断,Q1未导通时:(tof) 关断
原边: 原边:没有电流 =+U uQ1=uQ2=+Ui 副边:D1D2同时导通 同时导通, 副边:D1D2同时导通,电感释 能
uL = −Uo
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数量关系
当电路稳态工作时, 当电路稳态工作时,副边回路应满足
ton tof
14
工作模态1 工作模态1
Q1导通时:(t Q1导通时:(ton) 导通时:(
原边:C1放电,C2充电 原边:C1放电,C2充电 放电 =+U /2, =+U u1=+Ui/2,uQ2=+Ui 副边:D1导通 电感储能, 导通, 副边:D1导通,电感储能,电 容充电 u2=+nUi/2,uD2=-nUi =+nU /2, =-nU
3
单端反激式变换器
• Q OFF时: OFF时
同名端为“ 同名端为“-” D导通 电感储存能量向电容和 负载提供
若电感L2是线性的,则 若电感L 是线性的,
∆i2 = (i2max
Uo − i2min ) = TOF L2
4
磁物理量
定义: 定义:
• 磁场强度H:描述磁场的力的性质的物理量,完全只 磁场强度H 描述磁场的力的性质的物理量, 是反映磁场来源的属性, 是反映磁场来源的属性,与磁介质没有关系 • 磁导率μ:表征磁介质磁性的物理量 磁导率μ • 磁感应强度B:是描述磁场的力的性质的物理量 ,反 磁感应强度B 映磁场来源的属性, 映磁场来源的属性,与磁介质的属性 • 磁通Φ :垂直于某一面积所通过的磁力线总数
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半桥电路
电路结构: 电路结构:
• 原边: 原边:
两桥臂:C1Q1、C2Q2 两桥臂:C1Q1、 C1C2是两个大容量电容 C1C2是两个大容量电容 • 副边: N2N3匝数相等 副边: N2N3匝数相等 全波整流电路:(两桥臂)D1、D2; :(两桥臂 全波整流电路:(两桥臂)D1、D2; LC滤波电路输出 用LC滤波电路输出 假设: 假设: 由于C1 C2容量较大 C1、 容量较大, 由于C1、C2容量较大,可近似认为电容中点电 位为Ui/2 位为Ui/2
实际上和降压变压器工作方式类似 实际上和降压变压器工作方式类似 降压
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多晶体管功率变换器
特点:变压器双向磁化,利用率高, 特点:变压器双向磁化,利用率高,输出交 流脉冲 常用电路有:推挽,半桥, 常用电路有:推挽,半桥,桥式 适合DC/AC ,DC/DC,中大功率 适合DC/AC DC/DC,中大功率 应用:交流电机调速,UPS,DC/DC电源等 应用:交流电机调速,UPS,DC/DC电源等
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推挽电路对变压器的要求
推挽电路必须良好的对称 良好的对称。 (1)推挽电路必须良好的对称。如果正负脉冲宽 度或幅值稍有不对称,或初级线圈不对称,就会 度或幅值稍有不对称,或初级线圈不对称, 产生直流磁化分流-- --偏磁而导致铁心饱和 产生直流磁化分流--偏磁而导致铁心饱和 原边除了与副边良好耦合外,N1与N1‘之间也 (2)原边除了与副边良好耦合外,N1与N1 之间也 必须紧耦合 否则因存在漏感, 紧耦合。 必须紧耦合。否则因存在漏感,就会产生很高的尖 峰电压, 峰电压,使晶体管损坏 实际中N1 N1’不可能完全耦合 N1与 不可能完全耦合, (3)实际中N1与N1 不可能完全耦合,总有一些漏 在转换时引起电压尖峰,实际选取晶体管的U 感,在转换时引起电压尖峰,实际选取晶体管的U 2Ui决定值要大 决定值要大, BR) (BR)ces比Uce=2Ui决定值要大,因此推挽电路一般 适用于低输入电压场合 适用于低输入电压场合
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