《第三章 DC-DC变换器4》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 DC-DC变换器4（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology3.4 变压器隔离型DC-DC变换器 基本的DC/DC变换器输出与输入之间存在直接电联系 输入电压一般从电网直接经整流滤波取得，输出直接 给负载供电 输出电压等级与输入电压等级若相差太大，势必影响 调节控制范围 造成了低压供电负载与电网电压之间的直接电联系3.4 变压器隔离型DC-DC变换器 为了解决这一问题，通常有两种办法：方法1电压等级合适的 工频交流电压所需直流电压电网电压工频变压器整流滤波上次课内容回顾上次课内容回顾上次课内容回顾3.4 变压器隔离型DC-DC变换器 为了解决这一问题，通常有两种办法：方法2整流
2、滤波斩波或逆变电路高频变压器整流滤波负载所需要的直流电压合适电压等级的 高频交流电高频的脉冲 或交流电初级直流电压电网电压隔离型DC-DC变换器3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器 Buck型DC-DC变换器将这一方波电压接到变压器的 原边，则副边也将输出相同形 状的方波 变压器副边输出接整流滤波电 路，就可以得到隔离型Buck变 换器 变压器的原边与副边同时工作 ，并且在一个开关周期内直流 输入功率只从变压器一次绕组 的一端流入因此也称为单端正 激变换器3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器 对于隔离型Buck变换器，由于 加在变压器原边是单方向的脉 冲电压，当VT导通
3、时，原边线 圈加正向电压并通以正向电流 ，磁芯中的磁感应强度将达到 某一值，由于磁芯的磁滞效应 ，当VT关断时，线圈电压或电 流回到零，而磁芯中磁通并不 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 要进行磁复位3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器磁芯复位技术可以分成两种 ： 把铁芯的剩磁能量自然地 转移，在为了复位所加的 电子元件上消耗掉，或者 把残存能量馈送到输入端 或输出端 通过外部能量强迫铁芯磁 复位 隔离型Buck变换器大多采用 将剩磁能量馈送到输入端的 再生式磁芯复位方法进行磁 复位将图3-14所示隔离型Buck变换器 加上磁复位电路就构成了如图所 示的带有
4、磁复位电路的隔离型 Buck变换器其中磁复位电路由绕组N3和箝位 二极管VD2构成图3-14图3-15 a)3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器图3-14Ui(N2/N1)Ui-(N1/N3)Ui1+(N1/N3)Ui3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器 能量传递阶段 VT导通,经变压器耦 合和二极管VD向负 载传输能量此时，滤 波电感L储能 （a）能量传递阶段 3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器 磁芯复位阶段 VT截止, N3承受上正下负的 电压，N1N2将承受下正上 负的电压，二极管VD截止 电感L中产生
5、的感应电势使 续流二极管VD1导通，电感 L中储存的能量通过二极管 VD1向负载释放（b）磁芯复位阶段 3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器 电感续流阶段 变压器磁芯中的剩磁 能量全部释放完毕， 电感L中储存的能量继 续通过二极管VD1向 负载释放 Uo=0（c）电感续流阶段3.4.1 隔离型Buck变换器单端正激式变换器隔离型Buck变换器单端正激式变换器输出 电压为：Ui(N2/N1)Ui-(N1/N3)Ui1+(N1/N3)UiVT导通时VD1承受的反向电压：（a）能量传递阶段 VT导通时VD2承受的反向电压：VD承受的反向电压：VT承受的反向电压：（b）磁芯复位阶段 对Bu
6、ck-Boost直流变换 器如图3-17(a)，若将 中间的电感改为隔离 变压器，即可推出隔 离型Buck-Boost变换器 这种变换器副边是在 功率管关断期间工作 的，故亦称单端反激 式（Flyback）变换器3.4.2 隔离型BuckBoost变换器 单端反激式变换器 对副边回路整理3.4.2 隔离型BuckBoost变换器 单端反激式变换器隔离型Buck- Boost变换器拓扑3.4.2 隔离型BuckBoost变换器 单端反激式变换器+ton+UiTs3.4.2 隔离型BuckBoost变换器 单端反激式变换器 ton+UiTs 当VT导通时，电路的电流路 径和N2绕组上的感应电压极
7、性如左图所示 输入电压Ui加到变压器T的原 边绕组N1上，二极管VD截止 ，副边绕组N2中没有电流流 过 电源输入的能量以磁能的形 式储存于反激变压器（电感 ）中，该阶段为电感储能阶 段3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 当VT截止时，电路电流路径 与N2绕组上的感应电压极性 如左图所示 由于电感中电流（安匝）方 向不能突变，这时N2绕组上 的感应电压使二极管VD导通 反激变压器（电感）中储存 的能量通过另一个绕组传输 给负载，该阶段为电感释放 能量阶段3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 当电感中的能量全部释放完 毕后电路电流途径与N2绕组 上的
8、感应电压极性如左图所 示 负载将全部由输出滤波电容 供电 该阶段为电容供电阶段3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器根据隔离型Buck-Boost变换器中 能量转移的过程： 在VT导通期间先由电源输入的 能量以磁能的形式储存于反激变 压器（电感）中，在VT截止期间再由反激变压器（ 电感）中储存的能量通过另一个 绕组传输给负载，这种变换器也称为电感储能型隔离变换器 3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器假设绕组N1的电感量为L1，绕组N2的 电感量为L2，则VT导通期间流过N1的 电流为:若VT的导
9、通时间为ton，则导通终了时，i1的幅值I1P为:I2P为VT截至开始流过N2的电流幅值 ：VT截至期间流过N2的电流为:VT截至期间，磁能完全释放所需时间 ： 变压器磁通连续状态主要工作波 形如左图所示 当VT截止时间较小时，toff 0，在这种状态下， 下一个周期开始VT重新导通时原 边绕组的电流i1也不是从零开始 ，而是从I1min（I1min= I2min/n）起 按Ui /L1的斜率线性上升3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 电路经历了电感储能和电感能量 释放两个阶段3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 变压器磁通临界连续状态主要工 作波
10、形如左图 (b)所示 当VT的截止时间toff和绕组N2电 流i2衰减到零所需要的时间相等 时，即toff =trel，那么在VT截止时 间终了时，绕组N2中的电流i2正 好下降到零。在下一个周期VT 重新导通时，N1中的电流i1从零 开始，按(Ui /L1) t的规律线性上 升3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 电路经历了电感储能和电感能量 释放两个阶段3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 变压器磁通不连续状态主要工 作波形如左图 (c)所示 当VT截止时间toff比绕组N2中电 流i2衰减到零所需的时间更长， 即toff trel时，副边电流i
11、2及变 压器磁通在VT截止时间toff以前 便已经衰减到零。在下一个周 期VT重新导通时，电流i1从零 开始按(Ui /L1) t的规律线性上升3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 电路经历了电感储能、电感能 量释放和电容供电三个阶段3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器由于VT导通期间储存在变压器T中的能量为:每单位时间内电源供给的能量，即输入功率Pi为:输出功率Po为假定电路中没有损耗，全部功率都被负载吸收，则输出功率Po与输入 功率Pi相等，可得输出电压Uo与负载电阻RL有关，RL愈大则输
12、出电压愈高反之RL愈小， 则输出电压愈低，这是反激变换器的一个特点。 分析输出电压表达可得u输出电压Uo与负载电阻RL的二次方根成正比。在进行开 环实验时，不应让负载开路（负载开路相当于负载电阻无 穷大，Uo会出现过电压）必须接入一定的负载或者在电 路中接入“死负载” u输出电压Uo随输入电压Ui的增大而增大 u输出电压Uo随导通时间的增大而增大 u输出电压Uo随N1绕组的电感量L1的减小而增大 3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器 VT截止时，VD导通，副边绕组N2上的电压幅值近似为输 出电压Uo (忽略VD的正向压降及引线压降)，这样，绕组 N1上感应的电势UN1应为
13、： 则VT截止期间漏源极间承受的电压为： 由于UDS与输出电压Uo有关，Uo还随负载电阻的增大而升 高。因此，负载开路时，容易造成管子损坏 3.4.2 隔离型BuckBoost变换器单端反激式变换器3.4.3 隔离型Cuk变换器 首先将C1分成两个相串联的电容C1 C2，得到下图 (b) 图3-20(a)的Cuk变换器，只能提供一个反极性、不隔离的 单一输出电压，在要求有不同的输出电压和不同极性的多 组输出时，特别要求输入、输出之间电气隔离时，就需要 加入隔离变压器 3.4.3 隔离型Cuk变换器 根据分析uAO=uAB+uBO，假设C1C2，则A点的电压波形如 下图 (c)所示3.4.3 隔
14、离型Cuk变换器 断开A点，并在A点插入变压器，即将Cuk直流变换器演变 成隔离型Cuk变换器3.4.3 隔离型Cuk变换器 隔离型Cuk变换器的工作原理是与Cuk型变换器相同 的其输出电压与输入电压的关系是在式(3-39)基础上 加入变压器的变比N1/N2 隔离型Cuk变换器的显著特点是：由于电容C1、C2隔 直流的作用，变压器的原、副边绕组均无直流流过且 是连续的，具有较小的纹波分量 3.4.3 隔离型Cuk变换器 隔离型Cuk变换器的磁芯是双方向磁化的，没有直流磁 化导致饱和的可能性，不需要加气隙，体积可以做得 较小 与其它只有一个开关管的单端电路相比，在相同容量 和开关频率情况下，隔离
15、型Cuk变换器的变压器体积小 一半，而且绕组面积减小，铜耗也减小 3.4.4 推挽式变换器 对左图所示的正激变换器 若将续流二极管VD1去掉，滤波电感将经过变压器 副边绕组和整流二极管 VD续流，电路仍然可以工作单端正激变换器3.4.4 推挽式变换器双正激变换器电路拓扑开关管关断时磁复位电路因两个绕组互为复位绕组，故 两电路需互补工作，即VT1、 VT2两个开关管占空比相同， 相位互差180o，这样就构成了 双正激变换器。上次课内容回顾（a）能量传递阶段 （b）磁芯复位阶段 （c）电感续流阶段上次课内容回顾上次课内容回顾3.4.4 推挽式变换器改用具有中心抽 头的变压器推挽式变换器3.4.4 推挽式变换器2Ui000000003.4.4 推挽式变换器3.4.4 推挽式变换器（a）能量传输阶段 3.4.4 推挽式变换器（b）剩磁能量复位阶段 3.4.4 推挽式变换器（c）续流阶段 3.4.4 推挽式变换器（d）能量传输阶段3.4.4 推挽式变换器（e）剩磁能量复位阶段 3.4.4 推挽式变换器（f）续流阶段 3.4.4 推挽式变换器 假设，NP1 = NP2 = NP，NS1 = NS2 = NS，忽略损耗，且不考虑剩磁 复位时间，则输出电压可表示 为： 式中：NP、NS分别为变压器原、副边 绕组匝数，D为开关管的占空比，Ui为 原边绕组输入电压峰
