第四章隔离型DCDC变换器详解

ton
Ui nUO D nfL
• （2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui
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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
IVD1max
IO
Ui
nUO nfL
D
• （2）VD1承受最大电压出现在VT导通时
样方便有效
理想的变压隔离器符号
3
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
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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
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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
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电磁感应定律
如果是多匝线圈
e N d d
dt dt
式中：Ψ＝Nφ－磁链（Wb)韦伯
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电路中的磁元件
1、自感
自感系数
Li
即
L
i
电感单位 L=伏.秒/安=欧秒=亨利 简称亨,代号H
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电感的感应电势符号和单位
单位
L V • S S H (亨)
iA
电
流
增+ u
加
电 流
-减 - u +
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。
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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
N2wk.baidu.comN1
ton T
Ui
N2 N1
DUi
VT截止时
U DS
(1
N1 N3
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。
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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
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隔离型Buck变换器——单端正激变换器
UVDmax U N 2 Ui / n • （3）VD承受最大电压出现在VT截止时
UVDmax Ui / n
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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
参考 电压 13
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
例1 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。
少
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•自感电动势与能量关系
e d L di -u
dt
dt
•能量关系
We
T
uidt
0
Bm NA dB Hl dt V
0
dt N
BH 2
I L diidt 0 dt
LI 2 2
Wm
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互感
N1
线圈之间互感
φ11
12 M12i1 i1
N2 φ12
i2
同名端用 表示
M
i1 N1
隔离型DC/DC 变换器
1
概述
非隔离的DC/DC变换器的局限性
• 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
2
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
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回顾 ：右手定则
磁场方向 电流方向
磁场方向
11
电流方向
安培环路定律
矢量H沿任意闭合曲线 I3 I1 的积分等于此闭合曲线
所包围的所有电流的代
数和 (图1.6),即
Hdl H cosdl I
l
l
根据右图,方程右边
H cosdl I1 I2 I3
l
I4 I2
dl
α
H
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磁场强度单位
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
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隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
VD2截止
空载：电压激励，初级
ui
N1
d11
dt
L1
di1 dt
次级： 变比：
u2
eM 2
M
di1 dt
N2
d12
dt
ui N1 n L1
u2 N2
M
n L1 L1
L1L2
L2
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变压器2
变压器负载
i1 u1 N1
k i2
N2 u2
RL
i1
i11
N2 N1
i2
i1t
i‘2
i’2＝N2i2/N1－次级反射电流
N2
i2
互感系数
M 12
12
i1
21
i2
M 21
M 23
•电压平衡方程式
如果两个耦合线圈都流过增量电流有
u1
eL1
eM 2
L1
di1 dt
M
di2 dt
u2
eL2
eM1
L2
di2 dt
M
di1 dt
•耦合系数
k1
12 11
k2
21 22
k M M m Mm L1L2
25
变压器1
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单端正激变换器总结：
1 电路简单，多应用于中，小功率电路；
2 变压器与储能电感分离，但正激需要B-H 工作于1象限，所以电路需增加磁复位辅 助电路；
3 输入电流是脉动的，有较大尖峰出现，对 器件要求较高，一般最大值为平均值的45倍。
)U
i
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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
I L
UN2 UO L
ton
Ui
/ n UO L
如果磁场强度H与闭合路径方向一致,闭合
路径的积分为 Hl I
在MKS制中磁场强度单位为安/米.而在CGS 制中为奥斯特,简称奥,代号Oe.它们之间的 变换关系为
1A / m 0.4 10 2 Oe
1A / cm 0.4Oe
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电磁感应定律
楞次定律
S
运动方向
e感应电动势
N
t
e d
dt