带隔离变压器的直流变换器
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30
全桥功率电路
电路结构：
• 原边：
变压器接在两个桥臂的中点
• 副边： 单相桥式电路， 用LC滤波电路输出
工作原理 • Q1、Q4一组，Q2、Q3 一组交替导通 • 两个桥臂晶体管的驱动 信号相差180°
31
工作模态1
Q1、4导通时：（ton）
原边： u1＝＋Ui，uQ2、3＝＋Ui 副边：D1、4导通，电感储能 u2＝＋nUi，uD2、3＝－nUi
23
工作模态2
Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感释能
u L U o
24
工作模态3
Q2导通时：（ton）
原边： u1＝－Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D2导通，电感储能 u2＝－nUi，uD1＝－2nUi
uL u2 U o nU i U o
uL u2 U o nU i U o
32
工作模态2
Q1、2、3、4都关断时： （tof）
原边：没有电流 副边：D1、2、3、4导通，电感 释能 u2＝0，iD1、2、3、4＝iL/2
u L U o
33
工作模态3
Q2、3导通时：（ton）
原边： u1＝-Ui，uQ1、4＝＋Ui 副边：D2、3导通，电感储能 u2＝-nUi，uD1、4＝－nUi
u L U o
16
工作模态3
Q2导通时：（ton）
原边：C2放电，C1充电 u1＝-Ui/2，uQ1＝＋Ui 副边：D2导通，电感储能，电 容充电 u3＝-nUi/2，uD1＝－nUi
nU i u L u3 U o Uo 2
17
工作模态4
Q2关断，Q1未导通时:(tof)
解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极 管Ｄ2
8
正激式变换器的电路变化
BUCK变换器 带变压器隔离BUCK变换器 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
• T、Q、LC • D1、D2、D3
10
正激式变换器
（2）工作过程
输入输出关系
此外，电感与匝数的平方成正比
i1 N1 i2 N 2
N1 L1 N L2 2
代入前式
2
TON N 2 Uo U i TOF N1
n Uo U i (n N 2 1 N1
)
6
单端反激式变换器的同名端变化
对于反激式变换器，在一个 周期内，可以自动完成磁复 位。
关系式 B H
＝B S
H 在变压器中， iN 而 H /( S ) u1 N1 i1 N1 i2 N 2 u2 N 2
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：
i1max N1 i2 max N 2
i1min N1 i2 min N 2
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，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 联一个电容，以阻断直流电流
38
单相功率电路比较
• 晶体管承受电压：全桥=半桥=Ui，推挽=2Ui
• 若输出相同功率，晶体管流过电流： 全桥= 推挽=半桥/2
(2)工作过程
Q ON时: D截止，电感储能 Q OFF时: D导通，电感释能
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:
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L1是线性的，则
i1 i1max
Ui i1min TON L1
3
单端反激式变换器
• Q OFF时:
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
i2 i2 max
Uo i2 min TOF L2
4
磁物理量
定义：
• 磁场强度H：描述磁场的力的性质的物理量，完全只 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 • 磁感应强度B：是描述磁场的力的性质的物理量 ，反 映磁场来源的属性，与磁介质的属性 • 磁通 ：垂直于某一面积所通过的磁力线总数
• 原边： N1 N1
具有中间抽头的变压器
• 副边： N 2 N 2 • 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
22
工作模态1
Q1导通时：（ton）
原边： u1＝＋Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D1导通，电感储能 u2＝＋nUi，uD2＝－2nUi
uL u2 U o nU i U o
25
工作模态4
Q2关断，Q1未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感释 能
u L U o
26
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
ton tof
T
0
u L dt 0
即 2 nU i U 0 dt 2 U o dt 0
Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
28
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，那 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，那 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 联一个电容，以阻断直流电流
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，电感释能
u L U o
18
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
即 2
ton
T
0
u L dt 0
0
tof nU i U 0 dt 2 U o dt 0 0 2
nU i 整理得 U o 2
D1、D2轮流工作，当Q1和Q2都关断时，D1D2各 自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为Ui，二极管承受的最 高电压为nUi
Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
37
全桥功率电路工作小结
在理想情况下，元器件和导通时间是完全对称的，那 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
2ton （ T
）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
19
半桥电路工作状态小结
原边：
Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui/2的 交流电压 C1、C2充放电时间各为T/2
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 自承担电感电流的一半
2 nU i U 0 dt 2 U o dt 0
0 0
整理得 U o nU i
2t on （ T
）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
36
全桥功率电路工作小结
原边：
Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui的交 流电压
副边是一个全波电路，用LC滤波电路输出
0 0
整理得 U o nU i
2t on （ T ）
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：
Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui的交 流电压
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 自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为2Ui，二极管承受的 最高电压为2nUi
如果将反激式变换器的变压 器同名端改为相同端，则不 能完成磁复位！
7
变压器的磁复位
在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射 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 压器磁芯中 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,危害功 率器件
隔离DC-DC变换电路（DC－AC－DC）
特点:
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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)
分类：
• 单管 • 双管 • 四管
正激、反激 推挽、半桥 全桥
按输出来分
• 单端：正激、反激
• 双端：推挽、半桥、全桥
1
单端反激式变换器(Flyback)
(1)电路构成
T、Q、D、C、
晶体管承受的最高电压为Ui，二极管承受的最 高电压为nUi
Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
20
半桥电路工作状态小结
变压器不存在直流磁化问题 若Q1、Q2导通关断时间对称
若Q1、Q2导通关断时间不对称
C1、C2的隔直作用，能自动平衡不对称直流分量 21
推挽功率电路
电路结构：
常用电路有:推挽，半桥，桥式
适合DC/AC ，DC/DC，中大功率
应用：交流电机调速，UPS，DC/DC电源等
13
半桥电路
电路结构：
• 原边：
两桥臂：C1Q1、C2Q2 C1C2是两个大容量电容
• 副边： N2N3匝数相等 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
假设：
由于C1、C2容量较大，可近似认为电容中点电
uL u2 U o nU i U o
34
工作模态4
Q1、2、3、4都关断时：（tof）
原边：没有电流 副边：D1、2、3、4导通，电感 释能 u2＝0，iD1、2、3、4＝iL/2
u L U o
35
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
ton tof
T
0
u L dt 0
• Q ON时: D1导通，传递能量 • Q OFF时: D1截止，磁复位， D3续流 变压器次级
u2 nU1
式中，变比n＝N1/N2
输出端：
U o u2 nU i
实际上和降压变压器工作方式类似
11
12
多晶体管功率变换器
特点:变压器双向磁化，利用率高，输出交 流脉冲
位为Ui/2
14
工作模态1
Q1导通时：（ton）
原边：C1放电，C2充电 u1＝＋Ui/2，uQ2＝＋Ui 副边：D1导通，电感储能，电 容充电 u2＝＋nUi/2，uD2＝－nUi
nU i u L u2 U o Uo 2
15
工作模态2
Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，各自承 担电感电流的一半，电感释能
• 饱和电压：桥式两个，半桥和推挽均为一个
• 桥式适合于高压输入场合
推挽适合于低压输入场合
推挽 全桥
半桥
39
40
29
推挽电路对变压器的要求
（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 产生直流磁化分流－－偏磁而导致铁心饱和 （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，就会产生很高的尖 峰电压，使晶体管损坏 （3）实际中N1与N1’不可能完全耦合，总有一些漏 感，在转换时引起电压尖峰，实际选取晶体管的U （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
全桥功率电路
电路结构：
• 原边：
变压器接在两个桥臂的中点
• 副边： 单相桥式电路， 用LC滤波电路输出
工作原理 • Q1、Q4一组，Q2、Q3 一组交替导通 • 两个桥臂晶体管的驱动 信号相差180°
31
工作模态1
Q1、4导通时：（ton）
原边： u1＝＋Ui，uQ2、3＝＋Ui 副边：D1、4导通，电感储能 u2＝＋nUi，uD2、3＝－nUi
23
工作模态2
Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感释能
u L U o
24
工作模态3
Q2导通时：（ton）
原边： u1＝－Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D2导通，电感储能 u2＝－nUi，uD1＝－2nUi
uL u2 U o nU i U o
uL u2 U o nU i U o
32
工作模态2
Q1、2、3、4都关断时： （tof）
原边：没有电流 副边：D1、2、3、4导通，电感 释能 u2＝0，iD1、2、3、4＝iL/2
u L U o
33
工作模态3
Q2、3导通时：（ton）
原边： u1＝-Ui，uQ1、4＝＋Ui 副边：D2、3导通，电感储能 u2＝-nUi，uD1、4＝－nUi
u L U o
16
工作模态3
Q2导通时：（ton）
原边：C2放电，C1充电 u1＝-Ui/2，uQ1＝＋Ui 副边：D2导通，电感储能，电 容充电 u3＝-nUi/2，uD1＝－nUi
nU i u L u3 U o Uo 2
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工作模态4
Q2关断，Q1未导通时:(tof)
解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极 管Ｄ2
8
正激式变换器的电路变化
BUCK变换器 带变压器隔离BUCK变换器 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
• T、Q、LC • D1、D2、D3
10
正激式变换器
（2）工作过程
输入输出关系
此外，电感与匝数的平方成正比
i1 N1 i2 N 2
N1 L1 N L2 2
代入前式
2
TON N 2 Uo U i TOF N1
n Uo U i (n N 2 1 N1
)
6
单端反激式变换器的同名端变化
对于反激式变换器，在一个 周期内，可以自动完成磁复 位。
关系式 B H
＝B S
H 在变压器中， iN 而 H /( S ) u1 N1 i1 N1 i2 N 2 u2 N 2
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：
i1max N1 i2 max N 2
i1min N1 i2 min N 2
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，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 联一个电容，以阻断直流电流
38
单相功率电路比较
• 晶体管承受电压：全桥=半桥=Ui，推挽=2Ui
• 若输出相同功率，晶体管流过电流： 全桥= 推挽=半桥/2
(2)工作过程
Q ON时: D截止，电感储能 Q OFF时: D导通，电感释能
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:
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L1是线性的，则
i1 i1max
Ui i1min TON L1
3
单端反激式变换器
• Q OFF时:
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
i2 i2 max
Uo i2 min TOF L2
4
磁物理量
定义：
• 磁场强度H：描述磁场的力的性质的物理量，完全只 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 • 磁感应强度B：是描述磁场的力的性质的物理量 ，反 映磁场来源的属性，与磁介质的属性 • 磁通 ：垂直于某一面积所通过的磁力线总数
• 原边： N1 N1
具有中间抽头的变压器
• 副边： N 2 N 2 • 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
22
工作模态1
Q1导通时：（ton）
原边： u1＝＋Ui，uQ2＝＋2Ui 副边：D1导通，电感储能 u2＝＋nUi，uD2＝－2nUi
uL u2 U o nU i U o
25
工作模态4
Q2关断，Q1未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui 副边：D1D2同时导通，电感释 能
u L U o
26
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
ton tof
T
0
u L dt 0
即 2 nU i U 0 dt 2 U o dt 0
Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
28
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，那 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，那 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 联一个电容，以阻断直流电流
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，电感释能
u L U o
18
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
即 2
ton
T
0
u L dt 0
0
tof nU i U 0 dt 2 U o dt 0 0 2
nU i 整理得 U o 2
D1、D2轮流工作，当Q1和Q2都关断时，D1D2各 自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为Ui，二极管承受的最 高电压为nUi
Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
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全桥功率电路工作小结
在理想情况下，元器件和导通时间是完全对称的，那 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
2ton （ T
）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
19
半桥电路工作状态小结
原边：
Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui/2的 交流电压 C1、C2充放电时间各为T/2
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 自承担电感电流的一半
2 nU i U 0 dt 2 U o dt 0
0 0
整理得 U o nU i
2t on （ T
）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
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全桥功率电路工作小结
原边：
Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui的交 流电压
副边是一个全波电路，用LC滤波电路输出
0 0
整理得 U o nU i
2t on （ T ）
结论：通过调节占空度，可以调节输出电压的大小
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推挽电路工作小结
原边：
Q1、Q2交替导通，在u1侧得到幅值为Ui的交 流电压
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 自承担电感电流的一半 晶体管承受的最高电压为2Ui，二极管承受的 最高电压为2nUi
如果将反激式变换器的变压 器同名端改为相同端，则不 能完成磁复位！
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变压器的磁复位
在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射 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 压器磁芯中 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,危害功 率器件
隔离DC-DC变换电路（DC－AC－DC）
特点:
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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)
分类：
• 单管 • 双管 • 四管
正激、反激 推挽、半桥 全桥
按输出来分
• 单端：正激、反激
• 双端：推挽、半桥、全桥
1
单端反激式变换器(Flyback)
(1)电路构成
T、Q、D、C、
晶体管承受的最高电压为Ui，二极管承受的最 高电压为nUi
Q1Q2各自的ton不能超过周期的50%
20
半桥电路工作状态小结
变压器不存在直流磁化问题 若Q1、Q2导通关断时间对称
若Q1、Q2导通关断时间不对称
C1、C2的隔直作用，能自动平衡不对称直流分量 21
推挽功率电路
电路结构：
常用电路有:推挽，半桥，桥式
适合DC/AC ，DC/DC，中大功率
应用：交流电机调速，UPS，DC/DC电源等
13
半桥电路
电路结构：
• 原边：
两桥臂：C1Q1、C2Q2 C1C2是两个大容量电容
• 副边： N2N3匝数相等 全波整流电路：（两桥臂）D1、D2； 用LC滤波电路输出
假设：
由于C1、C2容量较大，可近似认为电容中点电
uL u2 U o nU i U o
34
工作模态4
Q1、2、3、4都关断时：（tof）
原边：没有电流 副边：D1、2、3、4导通，电感 释能 u2＝0，iD1、2、3、4＝iL/2
u L U o
35
数量关系
当电路稳态工作时，副边回路应满足
ton tof
T
0
u L dt 0
• Q ON时: D1导通，传递能量 • Q OFF时: D1截止，磁复位， D3续流 变压器次级
u2 nU1
式中，变比n＝N1/N2
输出端：
U o u2 nU i
实际上和降压变压器工作方式类似
11
12
多晶体管功率变换器
特点:变压器双向磁化，利用率高，输出交 流脉冲
位为Ui/2
14
工作模态1
Q1导通时：（ton）
原边：C1放电，C2充电 u1＝＋Ui/2，uQ2＝＋Ui 副边：D1导通，电感储能，电 容充电 u2＝＋nUi/2，uD2＝－nUi
nU i u L u2 U o Uo 2
15
工作模态2
Q1关断，Q2未导通时:(tof)
原边：没有电流 uQ1＝uQ2＝＋Ui/2 副边：D1D2同时导通，各自承 担电感电流的一半，电感释能
• 饱和电压：桥式两个，半桥和推挽均为一个
• 桥式适合于高压输入场合
推挽适合于低压输入场合
推挽 全桥
半桥
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推挽电路对变压器的要求
（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 产生直流磁化分流－－偏磁而导致铁心饱和 （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，就会产生很高的尖 峰电压，使晶体管损坏 （3）实际中N1与N1’不可能完全耦合，总有一些漏 感，在转换时引起电压尖峰，实际选取晶体管的U （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