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1、1/21,第五章 直流-直流变换器,带隔离变换的直流-直流变换器,第三讲,2/21,5.3 间接直流变换电路,5.3.1 正激型电路 5.3.2 反激型电路 5.3.3 半桥型电路 5.3.4 全桥型电路 5.3.5 推挽型电路 5.3.6 高频整流电路,主要内容,3/21,1、概述 直流交流直流的变换，也称间接直流变换电路，同基本的直流斩波电路相比，在电路中增加了交流环节，也称直交直电路，主要应用于开关电源等装置中。 电路的典型结构如下图：,高压 （方波）,低压,高频整流,低压大 电流,高压,5.3 间接直流变换电路,4/21,2、 采用这种结构的原因：,大功率的转换； 输入端和输出端需要电
2、气隔离； 某些应用中需要相互隔离的多路输出； 输出电压和输入电压的比例远大于1或远小于1； 交流环节采用较高的频率，可以减小变压器和滤波电感的体积和重量。 通常工作频率高于20kHz这一人耳听觉的极限，以避免变压器和电感产生刺耳的噪声。 整流电路中，通常采用快恢复二极管或通态压降低的肖特基二极管。,5.3 间接直流变换电路,5/21,5.3 带隔离变压器的DC-DC变换器,（1）单端变换器：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方向变化； （2）双端变换器：变换器需要两个以上开关管，变换器中变压器的磁通 在双方向变化； （3）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载； （4）
3、反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；,3、分类：,6/21,隔离型直流变换器的分类：,隔离型电路,单端电路,双端电路,正激型电路,反激型电路,半桥型电路,全桥型电路,推挽型电路,变压器中的电流是 直流脉动的电流,变压器中的电流是 正负对称的交流,5.3 间接直流变换电路,全 波 电路,7/21,5.3.1 单端正激变换器,单端正激DC/DC变换器,O,F,8/21,5.3.1 单端正激变换器,N2、D2导电；N3、D1、D3截止,1、Ton=DTs期间T导通：,N1的感应电动势： N2的感应电动势： N3的感应电动势：,9/21,5
4、.3.1 单端正激变换器,N2、D2导电；N3、D1、D3截止,1、Ton=DTs期间T导通：,磁通量增加： 输出电压：,10/21,5.3.1 单端正激变换器,N2、D2导电；N3、D1、D3截止,1、Ton=DTs期间T导通：,电感L两端电压为,11/21,5.3.1 单端正激变换器,由于T关断，i1=0，磁通减小，三个绕组产生反向感应电动势。 i3将 N3感应电势经D3反送至电源，i3减小到零; iL 经D1续流。 电感L两端电压为：,2、Toff = (1-D)Ts期间， T截止，D2截止：,O,12/21,5.3.1 单端正激变换器,磁通减小量为：,2、Toff = (1-D)Ts期
5、间， T截止，D2截止：,O,13/21,5.3.1 单端正激变换器,在整个周期中，如果磁通增加量大于磁通减小量，即： 在每个周期结束时，铁芯磁通都将增加，很快铁芯饱和不能工作。 因此，必须要求DDmax，使磁通复位。,磁心复位过程,14/21,5.3.1 单端正激变换器,根据电感L直的伏秒平衡原理，得到输出直流平均电压为： 变压比为： 在T阻断，D3导通器件，开关管T两端电压为：,15/21,双管正激变换器,T1和T2具有相同的占空比； T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量 T1、T2截止时，iL经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。 不需要
6、专门的去磁绕组; 多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Vd，小于单管变换器。,(c) 双管正激变换器,*,*,T,2,T,1,D,2,D,1,C,L,D,N,1,16/21,5.3.2 单端反激变换器,反激变换器开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电能传送到负载 单端变换器变压器磁通仅在单方向变化,(a)BuckBoost变换器,17/21,T导通时的关系式,N1*为正，D1截止,T导电结束时,18/21,T导通时的关系式,T阻断后的最初瞬间，i1=0，但磁场储能不能发生突变，因此绕组N1的磁能转化为N2绕组的磁能：可得,故N2绕组的初值电流为：,1
7、9/21,T阻断时的关系式,电流i2、磁通减小，电流i2从i20线性减小到i2min，则：,磁通减小量为：,在T再次开通时，N2绕组的电流i2min转到N1绕组的电流初值i10：,20/21,综合通、断两种情况的关系式,稳态运行时在一个周期TS中变压器增加的磁通应等于减少的磁通量 ，所以得到输出直流电压平均值： 变压比： 电流i1的初值为： N1绕组的最大电流：,21/21,关系式,N2绕组的最小电流： 电流i2不断流的条件i2min0，所以有：,22/21,关系式,开关管阻断、D1导通时承受的正向电压,+,+,23/21,双管反激变换器,T1、T2同时导通、同时阻断；导通时将电源能量储存在变
8、压器中，阻断时储存的能量送给负载，原方绕组电流通过D1、D2和电源续流、去磁。 T1、T2所承受的最高电压仅为电源电压Vs,24/21,5.3.3 半桥电路,典型半桥型直流变换器：,S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。,电容分压：C1、C2每个电容上分压为Ui/2 “双端”：变压器流过的是正负相等的交流。,工作过程分析：,S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态;,25/21,当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的
9、电流。 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。 半桥电路也是Buck电路的拓扑。,5.3.3 半桥电路,26/21,输入输出电压关系： 电感电流连续时，负载电流极限为零： 电感电流不连续时： 输出电压将高于上式，在负载为零的极限下,为了避免上下两个开关在换流过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每个开关管各自的占空比小于0.5。,5.3.3 半桥电路,27/21,典型全桥型直流变换器：,全桥电路也是Buck电路的拓扑。,5.3.4 全桥电路,全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关导通，使变压
10、器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。,28/21,全桥电路工作原理：,当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升； S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。 当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,5.3.4 全桥电路,29/21,输出输入电压的关系：,电感电流连续时 电感电流断续时，输出电压高于上式，并随负载减小而升高，在负载为零的极限下，有,5.3.4 全桥电路,30/21,5.3.5 推挽电路,S1导通时，二极管VD1处于通
11、态，电感L电流逐渐上升。 S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。 当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。 推挽电路也是Buck电路的拓扑。,典型推挽直流变换器： 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压。,31/21,输出输入电压间的关系： 电感电流连续时： 电感电流不连续时：并随负载减小而升高，在负载为零的极限下，有,5.3.5 推挽电路,32/21,各种不同的间接直流变流电路的比较,33/21,全桥整流电路,全桥电路的特点： 优点： 二极管在断态承受 的电压仅
12、为交流电压幅值，变压器的绕组简单。,缺点： 电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。 适用场合：高压输出的情况下。,5.3.6 高频整流,双端电路中常用的整流电路形式：全波整流电路和全桥整流电路。,34/21,全波整流电路的特点 优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。 缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。 适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。,全波整流电路,全波整流典型电路,5.3.6 高频整流,35/21,当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。这种电路的缺点是对V1和V2进行通断控制，增加了控制电路的复杂性。,同步整流电路：,5.3.6 高频整流,
