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1、第九章 晶体管功率电路(3) 反激变换器,南航 电力电子 课程组,引言,已学过的非隔离变换器是否已经能够满足实际应用的需要了呢？ 参考电位的不同、安全的需要等要求输入输出电气绝缘 重点掌握：变压器的工作特点、有变压器电路的分析方法,具有输入和输出隔离的单管变换器,特点: 输入输出隔离;可以多路输出; 可以升降压. 常用电路有:单端反激式和单端正激式两种 适合中小功率输出,反激变换器,1.电路组成和和基本工作原理 电路组成 电路工作原理 数量关系 2.电路外特性 模态的划分 断续外特性 电路外特性 3.参数设计,1.电路组成和和基本工作原理 电路组成 电路工作原理 数量关系 2.电路外特性 模态
2、的划分 断续外特性 电路外特性 3.参数设计,电路组成和工作原理,电路组成：由电感变压器T，晶体管Q，二极管D和滤波电容C组成，与Buck等单管电路元件数相同,注意： 变压器的同名端； 输出端的滤波方式： 电容滤波。,单端反激式变换器-Q导通时,Q ON时: 晶体管导通时，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,u2,D管承受电压？,-UiN2/N1-Uo,磁场能量不能突变，变压器同名端变为负，“D”ON;原边电流转移到副边,单端反激flyback关断瞬时,转换瞬间满足： 磁势不变,能量不变 安匝不变，电流相对同名端方向不变,Q ONOFF瞬间,单端反激式变换器-Q截止
3、时,Q OFF时: 晶体管截止 感应电动势决定D导通 电感储存能量向电容和 负载提供,u2,Q管承受电压？,UON1/N2+Ui,单端反激式变换器状态分析,在稳态时，转换瞬间磁势连续： 即 此外，电感与匝数的平方成正比 (P306) 代入前式, 数量关系,电路特点及应用,适于宽输入电压或者要求宽输出电压范围的应用场合 电路简单，广泛应用于小功率的场合,单端反激电路组成和工作原理, 数量关系,u2,B.电流脉动,单端反激电路组成和工作原理,C.输出电流Io ,隔离变压器与铁芯磁通,如图的变压器工作情况： 变压器的工作情况： u1 u2 电压和磁通满足： 当电压为正时，磁通增长 当电压为负时，磁通
4、减小 变压器的设计保证一周期 内磁通变化量为零！,单端反激式变换器状态分析,在Q导通时（承受正向电压）： 在Q关断时：（承受反向电压） Q导通时磁通增量等于Q关断时 磁通减量： 即在一个周期内，磁通变化量为零， 可以完成磁复位。,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。 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！,1.电路组成和和基本工作原理 电路组成 电路工作原理 数量关系 2.电路外特性 模态的划分 断续外特性 电路外特性 3.参数设计,单端反激式变换器,反激式变换器中的电感变压器起着电感和变压器的双重作用 具有电感电流连
5、续、临界连续和断续3种工作模式 电流连续时电压关系,断续模态分析,u2,（图920）,单端反激式变换器电路外特性,Qon: Qoff, 电流下降（Tr） Qoff, 电流为零,断续外特性波形分析,TR 内，Q的耐压为 ToffTR内，Q的耐压为Ui,单端反激式变换器电路外特性,在三种电路状态下，Q和D上的电压波形？,Qon时，D的耐压为 ToffTR内，D上电压 -Uo,电流断续时工作分析外特性推导,输出平均电流 晶体管关断电流下降时电路关系式： 代入化简,式中TR为电流下降时间,电流断续时工作分析,在Q导通时有i1的电路方程 所以输出平均电流 如果以输出电压作为变量：,电流断续时工作分析,电
6、流断续时，输出电压： 当负载电阻加大，Io减小时，输出电压升高 当输出开路时，输出无穷大，将损坏电路 所以，反激电路不能开路输出,临界连续模态分析,变换器外特性IG,随着负载Io i1、i2下移 连续临界连续断续 IG是连续和断续的分界,单端反激式变换器电路外特性,电流临界连续时工作分析,临界电流 当D=0.5时，有最大临界电流 所以，临界电流也等于,变换器外特性标幺外特性,依据：连续和断续时的输入输出关系，分界线为IG,单端反激式变换器电路外特性,中间为临界模态，右边为连续，左边为断续 电流断续时，Vo不变时，Io变化，D变化较大，调节困难 空载，输出趋于无穷大,1.电路组成和和基本工作原理
7、 电路组成 电路工作原理 数量关系 2.电路外特性 模态的划分 断续外特性 电路外特性 3.参数设计,参数选择,(3)参数选择 功率管Q,D 电感L:由临界连续负载电流定,3)电路参数设计,A.晶体管,峰值电流:（两部分）,耐压：,3)电路参数设计,B.二极管,峰值电流：,耐压：,3)电路参数设计,C. 变压器原边电感值（根据IG设计）,连续模式,断续模式,连续模式和断续模式的比较 (Pg191),连续模式 晶体管峰值电流小，同样电流容量的晶体管可以输出更大功率 二极管有反向恢复 变压器体积较大 断续模式 晶体管峰值电流大 调节困难 二极管无反向恢复 变压器体积较小,通常：小电流断续，大电流连
8、续,作业：,P225页， 9-2,第九章 晶体管功率电路(4) 正激变换器,南航 电力电子 课程组,引言,输入输出要求电气绝缘带隔离的直流变换器 重点掌握：变压器的工作特点、有变压器电路的分析方法 特点: 输入输出隔离;可以多路输出; 可以升降压. 常用电路有:单端反激式和单端正激式两种,隔离变压器与铁芯磁通,如图的变压器工作情况： 当电压为正时，磁通增长 当电压为负时，磁通减小 变压器的设计保证一周期 内磁通变化量为零！ 当满足磁通变化量为零条件， 称之磁复位 即要求变压器正负伏秒平衡！,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。 如果将反激式变换器
9、的变压器同 名端改为相同端，则不能完成磁 复位！,变压器的磁复位的必要性,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 磁化电流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，危害功率器件; 仅有单方向磁通变化，无法去磁，磁通会饱和 解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极管2,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,变压器的无法实现磁复位,正激式变换器,(1)电路构成及工作原理 它是由变压器T，晶体管Q，二极管D1，滤波电感，滤波电容C，电感续流二极管D3组
10、成 此外还有磁复位绕组，磁复位二极管D2,稳态工作状态分析1,当Q导通时： 变压器星号为正端，副边形成功率通路 u2=n*ui (n=N2/N1为变比) D2反压截止 D3反压截止,稳态工作状态分析2,当Q截止时： 变压器星号为负端 D2导通，完成磁复位 D3导通，为电感电流续流,正激式变换器的输出电压（伏秒平衡）,T ON时: D1导通，电源向副边提供能量，电感L磁通增长： T OFF时: D1截止，电感L磁通减小： 单周期磁通平衡： 即：,正激式变换器的输出电压,T ON时: D1导通，传递能量 T OFF时: D1截止，磁复位，D3续流 实际上和降压变压器工作方式类似 设 那么输出电压：
11、,复位绕组工作分析,当Q导通时，D2截止，N3不参与能量传输 当Q截止时，N3上感应电势反号，迫使二极管D2导通。将存储在铁心中的能量返回电源，使铁心复位， 磁复位时，N上的感应电势箝位于,正激式变换器,on-1) 变压器正向磁化; 2) D1通,磁通状态分析,off-1)变压器反向去磁; 2) D3续流,1) 变压器: 磁化与去磁,要求单周期磁通变化回零：,即：TRTOFF,磁通状态分析,TOFF,否则变压器饱和,磁通状态分析,若N1N3，TR=?,若N1N3，TR=Ton=DT,3绕组的工程设计,由于： 所以： 当N3N1时，D可以大于0.5，但晶体管耐压提高 通常N3N1时，D0.5，以
12、保证磁心复位 为了使从将导通期间存储于磁场中的能量全部返回电源，N1必须与N3紧密耦合，通常采用并绕,电应力分析（Q）,Q管何时出现最大电压？ 晶体管关断磁复位时，Q上承受最大电压为,电应力分析（D1）,D1何时出现最大反压？ 晶体管关断磁复位时，D1上承受最大反压：,电应力分析（D2）,D2何时出现最大反压？ 晶体管导通时，D2上承受最大反压：,电应力分析（D3）,D3何时出现最大反压？ 晶体管导通时，D3承受最大电反压,课堂习题：,工作条件：电流连续 根据Q的开关控制波形 做出磁通, uQ,uD1,uD2, uD3波形 设Ui=100V, N1:N2:N3 =10:1:10,标注各数值 大
13、小,课堂习题答案：,工作条件：电流连续 根据Q的开关控制波形 做出磁通, uQ,uD1,uD2, uD3, uN1 波形 设Ui=100V, N1:N2:N3 =10:1:10,标注各的数 值大小,uN1,工作波形与应力分析,(3)工作波形：电流连续时,工作波形与工作应力,(3)工作波形：电流断续时,变压器磁复位电路1,利用DW进行变压器磁复位 工作最大D与稳压值有关,变压器磁复位电路2双管正激变换器,Q1和Q2分别串接于变压器初级端的顶端和底端，两个开关管同时导通和关断 当它们导通时，所有初级和次级的同名端为正，功率传递给负载,变压器磁复位电路2双管正激变换器,当它们关断时，存储于变压器励磁
14、电感上的电流使所有绕组电压极性反向。 N1激磁电流经D1-Vdc-D2向电源返回磁能，完成磁复位,变压器磁复位电路2双管正激变换器,N1的同名端电位被二极管D1箝位至地电位，N1的异名端电位被二极管D2箝位于Vi。 Q1的发射极电压不会低于0V，Q2的集电极电压也不会超过Vdc，漏感尖峰被箝位，使任一开关管的最大电压应力都不会超过最大直流输入电压。,课程总结,正激电路结构和工作原理 正激电路的波形分析 正激电路的磁复位原理 正激电路的磁复位限制条件（最大占空比） 正激电路的器件电压应力分析 几种衍生正激型变换电路,如图所示为单端正激DC/DC变换电路，开关管工作在开关状态，设输出电容足够大输出
15、电压为一平直的直流电压，N1：N2：N3=14：1：14。 （1）在图中画出原边开关管Q、D1管、D2管和D3管的电压波形，并标注电压大小(用Ui变量表示)； （2）变换器允许的最大占空比是多少? （3）若输入直流为250V350V，输出直流电压为8V，晶体管开关频率为150KHZ, Q应选用什么类型的开关管？D2应选用什么类型的二极管？D1和D3应选用什么二极管？,习题1：请画出降压式，升压式，单端反激式电路电感电流连续和断续工作下uQ,uD,iD,iQ波形，原副边绕组电压电流波形。 习题2 ：单端反激式电路，(1)D=0.4,F=100KHz,Ui=100v,N1:N2=2:1,RL=10欧，iL工作在连续状态。定量画出L1=100微亨时uQ,uD,iQ,iD波形,求uo; (2)N1:N2=1:2,D=0.4,L1=100微亨，F=100KHZ,Ui=60v,求临界连续负载电流IG及电阻RLG; (3)推导iL连续及断续下uo/ui关系式 思考题： 9-5,作业 补充题: 正激变换器如图9-22,分析Q,D1和D3的电压应力(画出uce、uD1、 uD3和ub波形); 设最小连续电感电流In, 允许输出电压纹波U,计算L,C值 思考题: 2004未做 9-6 (提示:Q2的驱动;附加部分与已学拓扑比较),
