第四章隔离型DCDC变换器

IVD max IVD1max I O U i nU O D nfL
• （2）VD1承受最大电压出现在VT导通时
UVD max U N 2 Ui / n
• （3）VD承受最大电压出现在VT截止时
UVD max 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
I L U N 2 UO U / n UO ton i ton L L U nU O i 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
S N
e感应电动势
t
d e dt
18
电磁感应定律
如果是多匝线圈
d d e N 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 即
Li

i
20
L
电感单位 L=伏.秒/安=欧秒=亨利 简称亨,代号H
电感的感应电势符号和单位
VT1、VT2同时导通：UNP－>UNS，iVD3 ↑，iVD4 关闭
I2P UO U toff O (1 D) L2 fL2
I2P
I 2 Ptoff
IO / T IO D 1 I2P
U O IO fL2
• 开关管的选择
I D max UO IO N2 I1P I2P 2 N1 n fL2
• 整流二级管的选择
I D max I 2 P U O IO n 2 fL2
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 样方便有效
48
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
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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
利用 原边绕组本身
双开关、单端去磁线路
50
双管正激式DC/DC变换器
电路结构
注意点： D ≤ 0.5
工作原理
VT1、VT2 同时动作
n L1 L1 L2 L1 L2
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变压器2
变压器负载
u1
i1 N1 N2 u2
k
i2 RL
N2 i1 i11 i2 i1t i ‘2 N1
i’2＝N2i2/N1－次级反射电流
28
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。
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U DS (1
N1 )Ui N3
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 N 2 I L max N1 n
I L max I L I L IO I L
单位
V S L S H (亨) i A
+

电 流 增 加
u
-
电 流 减 少
-
u
+
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•自感电动势与能量关系
d di e L -u dt dt
•能量关系
We uidt
0 T Bm 0
dB Hl BH NA dt V dt N 2
2
di LI L idt Wm 0 dt 2
U DS max Ui nUO
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UVD max Ui / n UO
单端反激变换器总结： 1 电路简单，广泛应用于50W以下电路； 2 变压器同时充当储能电感器，设计时比较 困难； 3 输入、输出电流都有较大尖峰出现，而且 都是脉动的。
双端变压器隔离变换器
一、回 顾
1、单端变压器无论是正激还是反激，功率 管在开关翻转瞬间要承受2Vi。 2、变压器只工作于第一象限，几个周期后 ，很容易进入“磁饱和”，而且变压器利 用率低，只有50%。 3、需要退磁电路设计。
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
如果每个周期不去磁， 剩余磁通的累加可能 导致磁芯饱和
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
开关导通时，电流很大 开关断开时，过电压很高
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单端变压隔离器的磁通复位技术
磁芯复位线路种类
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
di2 dt di1 dt
•耦合系数 12 k1 k 2 21 11 22
kM
M m M m L1L2
25
变压器1
空载：电压激励，初级
d11 di1 ui N1 L1 dt dt
di1 d12 M N2 dt dt
次级：
u2 eM 2
变比：
ui N1 L1 n u2 N 2 M
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
4
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
5
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 要采用磁复位（去磁技术）
I
22
互感
线圈之间互感
N1 N2
12 M12i1
同名端用 表示
φ11
i1 i2
φ12
M
i1 N1 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
di1 u1 eL1 eM 2 L1 M dt di2 u2 eL 2 eM 1 L2 M dt
COME ON
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
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隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
电路的构成(变压器N2反绕)
单端反激式（Flyback）变换器
VT导通时，VD截止 VT截止时，VD导通
教材P69
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隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 开关管承受电压
VT截止时，N1上的感应电势
U N1 N1 UO N2
VT截止时，漏-源承受的电压
U DS U i U N 1 U i N1 UO N2
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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
N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。
6
隔离型Buck变换器——单端正激变换器
工作原理
VT导通
UN2 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
能量传递阶段
diL u L u N 2 uo L dt
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隔离型Buck变换器——单端正激变换器
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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
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隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器
• 电压传输比
VT导通
UN2
N2 Ui Ui / n N1
VT截止
U N 2 UO
伏秒 U i ton U Otoff 平衡 n U t D AV O on U i ntoff n(1 D)
参考 电压
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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。
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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 L1 I12P 2
U O U i ton
即输入功率为
RL 2 L1T
WL 1 Pi L1 I12P T 2T