第四章 推挽&正激变换器拓扑

例：设计一个用于通信行业的200W正激变换器。最小 和最大输入电压分别为38V及60V，初级电流幅值和最 大关断应力分别为
I pft = 3.13Po / Vdc = 3.13(200) / 38 = 16.5 A Vms = 2.6Vdc = 2.6 × 60 = 156V
采用耐压至少为200V的功率器件 的功率器件 采用耐压至少为
复位绕组电流有效值的选择和线径的选择
其中Lmg为式2.39计算出来的带气隙的励磁电感 注意：励磁电流很小，复位绕组用线径小于 号的导线绕制即可 注意：励磁电流很小，复位绕组用线径小于30号的导线绕制即可
4.2 正激变换器
输出滤波器的设计
输出电感的设计
输出电容的设计
4.3 双管正激变换器
特点：有两个开关管， 特点：有两个开关管，关断
第四章 推挽和正激变换器拓扑
功 率 变 换 电 路
不隔离型
降压、升压、降-升 降压、升压、 压、库克变换器
单端 隔离型 双端
反激、正激 反激、 推挽、半桥、 推挽、半桥、 全桥
第四章 推挽和正激变换器拓扑
4.1 推挽拓扑 推挽拓扑(Push-Pull Topology) 4.2 正激变换器拓扑 正激变换器拓扑(Forward Converter Topology) 4.3 双管单端正激ed-Ended) 4.4 交错正激变换器拓扑 交错正激变换器拓扑(Interleaved ~) 本章小结
设计原则及变压器的设计参考单端正激变换器。 设计原则及变压器的设计参考单端正激变换器。
4.4 交错正激变换器
基本工作原理
两个相同的单端正激变换器交替 工作（各占半个周期）， ），其次级 工作（各占半个周期），其次级 电流通过整流二极管相加。 电流通过整流二极管相加。
优点： 优点：
每周期有两个功率脉冲，且每个 变换器只提供总输出功率的一半。 相同总输出功率下，交错变换器 产生的EMI比单个正激变换器产 生的EMI小（电流幅值小）。
功率开关管的最大关断电压应力
若复位绕组Nr的匝数与初级绕组Np的匝数相等，功率开关管最大电 压关断应力为最大输入电压的两倍加上漏感尖峰。
4.2 正激变换器
实际输入电压和输出功率限制
最大直流输入电压低于60V的正激变换器，其实际最大输出功率 的正激变换器， 最大直流输入电压低于 的正激变换器 为150～200W，原因是较大功率输出时，初级电流幅值会太大。 ～ ，原因是较大功率输出时，初级电流幅值会太大。
由上式（2.25）可知，选择足够大的次级匝数，使Vdc最小时次级电压峰 值与最大占空比0.4的乘积等于所需输出电压，即可满足要求。
4.3 双管正激变换器
实际输出功率限制： 实际输出功率限制：
单端正激变换器的功率限制是多少？ 单端正激变换器的功率限制是多少？ 输出功率可达到400W~500W，且满足所需电压、电流及增益要求的廉价开关 ，且满足所需电压、 输出功率可达到 管容易买到。 管容易买到。 一个额定交流输入为120V，且具有10％稳态误差和±15％的瞬态 ，且具有 ％稳态误差和± ％ 一个额定交流输入为 误差的双管正激变换器。 误差的双管正激变换器。 最大整流输出直流电压为1.41*120*1.1*1.15=214V 最大整流输出直流电压为 最小整流输出直流电压为1.41*120*0.9*0.85=130V 最小整流输出直流电压为 初级等效平顶电流幅值为I 初级等效平顶电流幅值为 pft=3.13Po/Vdc 当Po=400W，Ipft=9.6A ，
4.2 正激变换器
存在问题？用于交流输入为120×（1±10％）V的离线式开关变换
器时的最大应力。 交流输入最高时，整流后直流输入电压为 1.1*120 *1.41 = 186V 减去2V的整流二极管的压降为184V 关断后的最大电压应力为
Vms = 2.6 × 184 = 478V
交流输入最低时，整流后直流输入电压为 峰值电流为
缺点
相同功率下，每个变压器比正激 变换器的小。但两个加在一起很 可能比单个变压器占用的空间大 且花费的成本高。
4.4 交错正激变换器
4.4 交错正激变换器
4.4 交错正激变换器
输出电压低时，占空比小没什么问题，但是当输出电压高时呢？
单管正激变换器： 单管正激变换器： 当输出直流电压200V时，续流二极管承受的反向电压峰值 时 当输出直流电压 为500V。开关管导通瞬间，续流二极管已经通过很大的正 。开关管导通瞬间， 向电流，又将突然承受反压。如果该二极管方向恢复时间长， 向电流，又将突然承受反压。如果该二极管方向恢复时间长， 短时间内500V的方向电压会引起很大的方向电流，从而损 的方向电压会引起很大的方向电流， 短时间内 的方向电压会引起很大的方向电流 坏二极管。 坏二极管。 通常，二极管额定反向电压越大，反向恢复时间越长。 通常，二极管额定反向电压越大，反向恢复时间越长。 交错正激变换器： 交错正激变换器： 当输出直流电压200V时，续流二极管承受的反向电压峰值为250V（占空比 当输出直流电压 时 续流二极管承受的反向电压峰值为 （ 增加了1倍）。使用低压 恢复快的二极管，可大大降低其损耗。 使用低压、 增加了 倍）。使用低压、恢复快的二极管，可大大降低其损耗。
4.2 正激变换器
4.2 正激变换器
4.2 正激变换器
输出电压与输入电压、导通时间和匝比的设计关系
从式（2.24）可以看出，当Vdc改变时，反馈环通过保持VdcTon恒定来保持 输出稳定。最大导通时间Ton（Ton）出现在Vdc最小（Vdc）的时候，
确定参数的顺序 （1） 确定最小直流输入电压Vdc （2）最大导通时间Ton设为半周期的80％ （3）根据法拉第定律确定初级匝数Np （4）根据所需主输出电压Vom求解次级主绕组匝数Nm
0.9 *120 *1.41 − 2 = 150V
I pft = 3.13 × 22 /150 = 4.17 A
考虑到15％的输入瞬态值，峰值关断应力为 考虑到 ％的输入瞬态值，峰值关断应力为550V，因此管子来源应高于此值。 ，因此管子来源应高于此值。
4.2 正激变换器
正激变换器的电磁理论
仅运行于第一象限 磁心在磁滞回线上约以励磁电流幅值的半值为中心（ 磁心在磁滞回线上约以励磁电流幅值的半值为中心（VdcTon/2Lm） L ） 运行，励磁电流没有反向，只是简单地线性上升至幅值， 运行，励磁电流没有反向，只是简单地线性上升至幅值，然后再线 性下降到零。 性下降到零。 正激变换器的磁心气隙 气隙使磁滞回线斜率降低， 气隙使磁滞回线斜率降低，使dB/dH（磁心磁导率）降低。磁导 （磁心磁导率）降低。 率降低使励磁电感减小，使励磁电流（ 率降低使励磁电感减小，使励磁电流（Im=VdcTon/Lm）增大，励 ）增大， 磁电流不向负载传递功率，只用于磁心磁通沿磁滞回线移动， 磁电流不向负载传递功率，只用于磁心磁通沿磁滞回线移动，不应 超过负载电流地10％。 超过负载电流地 ％。 有气隙磁心的励磁电感
时每个开关管仅承受一倍直流 输入电压， 输入电压，而且不出现漏感尖 没有漏感能量消耗。 峰，没有漏感能量消耗。 保证复位时间等于导通时间，则 磁心总能复位。因为：开关管关 断时，Np上的反向电压与导通时 的正向电压相等。因此，若最大 导通时间不超过半周期的80％， 使下半周期开始前有20％的余量， 则磁心总能成功复位。
4.1 推挽拓扑
主从输出的推挽拓扑基本原理
区别： 使用两个幅值相等、脉宽可调、相位相差180度的脉冲 驱动Q1和Q2基极。
4.1 推挽拓扑
4.1 推挽拓扑
4.1 推挽拓扑
图中所示，D1和D2是肖特基二极管，其正向压降是0.5V，输出Vm的直流 平均电压为
从输出是快速二极管，正向压降为1V，输出平均电压为
4.2 正激变换器
工作原理：（ ） 工作原理：（1）导通 ：（ （2）关断 ）
为什么称为正激变换器？ 为什么称为正激变换器？ 能量是在开关管Q1导通时流入负载的 能量是在开关管 导通时流入负载的
4.2 正激变换器
置位伏秒数面积A1和复位伏秒数面积 相等 避免磁心进入饱和， 置位伏秒数面积 和复位伏秒数面积A2相等 避免磁心进入饱和，导致开关管损坏 和复位伏秒数面积 相等,避免磁心进入饱和 A1=VdcTon
4.2 正激变换器
从输出电压
主/从输出负载电流变化引起的从输出电压变化范围为5％～8％，要 求主输出和从输出电感在其最小负载电流下也不进入不连续状态。
4.2 正激变换器
初级电流、 初级电流、输出功率及输入电压之间的关系
设从直流输入到所有次级总输出功率的转换效率为80％，即Po=0.8Pin或 Pin=1.25Po 阶梯斜坡电流等效为同样脉宽的平顶电流，其幅值为阶梯斜 坡中点值Ipft，则电流平均值为0.4Ipft，因此有
4.2 正激变换器
功率变压器的设计
选择磁心 （后面学习），这里假设磁心已选定，且已知磁心面积和窗口面积 初级匝数的计算 选择磁密dB，在根据法拉第定律计算
次级匝数的计算（根据式2.25～2.27计算） 初级电流的有效值和线径的选择已知幅值为平顶脉冲电流的有效值为
4.2 正激变换器
功率变压器的设计 次级电流的有效值和线径的选择
4.2 正激变换器 有气隙磁心的励磁电感： 有气隙磁心的励磁电感：
长度为l 的磁心中引入长度为l 的气隙，励磁电感的减小比例为： 长度为 i的磁心中引入长度为 a的气隙，励磁电感的减小比例为
例：国际标准磁心Ferroxcube 783E608-3C8，其磁路长度为 国际标准磁心 ，其磁路长度为9.78cm，有 ， 效磁导率为2300。如果在磁路上加 效磁导率为 。如果在磁路上加4mil（0.0102cm）的气隙，根据式 （ ）的气隙，根据式2.39， ， 有