隔离型DCDC变换器

隔离型DC/DC变换器1参考文献[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计，电子工业出版社3.1变压隔离器的理想结构2[2]SIOMNANG,ALEJANDROOLIVA.开关功率变换器——开关电源的原理、仿真和设计，机械工业出版社4.2正激变换器概述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3解决方法采用变压隔离器概述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4理想的变压隔离器符号概述常见的变压隔离器电路5单端变压隔离电路双端变压隔离电路主要应用于中小功率电路优点：线路简单缺点：（1）输入电流脉动（2）S1关断时承受高压（3）闭路峰值电流大概述常见的变压隔离器电路6半桥变压隔离电路全桥变压隔离电路隔离型Buck变换器——单端正激变换器电路的构成7基本buck变换电路拓扑Buck变换器工作波形隔离型Buck变换器——单端正激变换器电路的构成8隔离型buck（正激Forward）变换器隔离型Buck变换器——单端正激变换器工作原理9N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。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）2LLNodiuuuLdt（2）电感L储能，电流直线上升隔离型Buck变换器——单端正激变换器工作原理10能量传递阶段VT导通UN2UO（1）经变压器耦合和二极管VD向负载传输能量。工作原理11隔离型Buck变换器——单端正激变换器磁复位阶段VT截止LLodiuuLdt（2）副边：VD截止，VD1导通，L向负载释放能量，电流直线下降。（1）原边：磁芯中的剩磁能量通过VD2和N3向输入电源馈送。1313max0.5NNrstontNtND工作原理12隔离型Buck变换器——单端正激变换器续流阶段VD2截止磁芯中的能量释放完毕。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。工作原理13隔离型Buck变换器——单端正激变换器输出电压平均值13(1)DSiNUUNVT截止时2211onoiitNNUUDUNTN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。14max2maxmax1LDLINIINnmaxLLLOLIIIII2/NOiOLononiOUUUnUIttLLUnUDnfL•（2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui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•（2）VD1承受最大电压出现在VT导通时•（3）VD承受最大电压出现在VT截止时15max1maxiOVDVDOUnUIIIDnfLmax2/VDNiUUUnmax/VDiUUn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16隔离型Buck变换器——单端正激变换器例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。17隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器电路的构成18基本Buck-Boost变换器隔离型Buck-Boost变换器电感—隔离变换器隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器电路的构成19单端反激式（Flyback）变换器VT导通时，VD截止VT截止时，VD导通电感储能型变换器导通终了时，i1的幅值隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器工作原理20VT导通时，VD截止i1i2流过N1的电流11iUitL11iPonUItLVT截止时，VD导通I2p为VT截止时i2的幅值流过N2的电流222OPUiItL1212PPNIIN隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器3种工作状态•变压器磁通临界连续状态21VT截止时间toff和绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间相等隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器•变压器磁通不连续状态22VT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(L2/UO)I2P隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器•输入输出电压关系23即输入功率为VT导通期间，变压器T储能21112LPWLI21112LiPWPLITT输出功率为2OOLUPR12LOionRUUtLT结论：（1）Uo与负载RL有关，RL↑→Uo↑（2）Uo与导通时间成正比（3）与电感量L1成反比隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器•开关管承受电压24VT截止时，N1上的感应电势112NONUUNVT截止时，漏-源承受的电压112DSiNiONUUUUUN隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器变压器磁通连续状态25VT截止时间较小，toff(L2/UO)I2P，即I2min0隔离型Buck-Boost变换器——单端反激变换器•电压传输比26VT导通221/NiiNUUUnNVT截止2NOUU伏秒平衡(1)ionOoffOonVioffUtUtnUtDAUntnD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27222(1)OOPoffUUItDLfL22/1OPoffOPIItTIDI22OOPUIIfL•开关管的选择2max12212OODPPUINIIINnfLmaxDSiOUUnU•整流二级管的选择max222OODPUIIInfLmax/VDiOUUnU单端变压隔离器的磁通复位技术28使用单端变压隔离器遇到的问题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，电流很大开关段开始，过电压很高如果每个周期不去磁，剩余磁通的累加可能导致磁芯饱和单端变压隔离器的磁通复位技术磁芯复位线路种类29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方法一通过外加能量的方法强迫磁芯的磁状态复位方法二采用哪种方法取决于功率P的大小和所使用的磁芯磁滞特性而定单端变压隔离器的磁通复位技术2种典型的磁芯磁滞特性曲线30低Br铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯复位常用转移损耗法，线路简单可靠高Br无气隙的晶粒取向镍－铁合金磁芯复位常用强迫法，线路较复杂单端变压隔离器的磁通复位技术低Br的去磁方法31转移损耗法磁芯去磁线路（a）与原边绕组连接（b）与副边绕组连接单端变压隔离器的磁通复位技术低Br的去磁方法32再生式磁芯去磁线路（a）能量－电源（b）能量－负载单端变压隔离器的磁通复位技术高Br的去磁方法33强制磁芯去磁各种方法（a）加恒流源和变压器附加绕组（b）外部加永久磁铁单端变压隔离器的磁通复位技术高Br的去磁方法34强制磁芯去磁各种方法（c）利用滤波电感作为恒流源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35双开关、单端去磁线路（a）利用原边绕组本身（b）利用部分原边绕组双管正激式DC/DC变换器电路结构36工作原理VT2VT1、VT2同时动作VT1、VT2同时导通：UNP－UNS，iVD3↑，iVD4↓IP=IS/n（n=NP/NS）VT1、VT2同时关断：VD1，VD2能量反馈回Ui，并嵌位；VD3关断，VD4续流导通注意点：D≤0.5VD4反向恢复时间漏感值全桥变换器全桥变换器的构成37全桥变换器电路拓扑演变过程优点：UVT1max＝UVT2max≈Ui缺点：变压器利用率较低1.大功率场合常用电路2.VT1和VT2或VT3和VT4同时导通3.变压器得到充分利用全桥变换器工作原理38t0~t1:uG1,4=1，VT1,VT4导通，UNP=Ui；iVD5↑，iVD6↓－VD5导通，VD6关断t1~t2:uG1,4=uG2,3=0，VT1～VT4关断；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Uit2~t3:uG2,3=1，VT2,VT3导通，UNP=-Ui；iVD6↑，iVD5↓－VD6导通，VD5关断t3~t4:uG1,4=uG2,3=0，VT1～VT4关断；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui22iionOSPUDUtUNnNT全桥变换器缓冲器的组成及作用39全桥变换器缓冲器的组成及作用40两种运行方式的B-H范围半桥变换器半桥变换器的构成41半桥式变换器的电路拓扑1.用2个相同的电容器代替2个晶体管2.降低成本，增大电路体积3.常用于低功率变换器4.初级电压峰值为全桥电路一半，电流为全桥的2倍半桥变换器工作原理42t0~t1:uG1=1，VT1导通，UNP=(1/2)Ui；iVD5↑，iVD6↓－VD5导通，VD6关断t1~t2:uG1=uG2=0，VT1、VT2关断，UNP=0；uVT1=uVT2=(1/2)Ui；VD5、VD6均导通为L提供续流回路t2~t3:uG2=1，VT2导通，UNP=-(1/2)Ui；iVD6↑，iVD5↓－VD6导通，VD5关断t3~t4:uG1=uG2=0，VT1、VT2关断；uVT1=uVT2=(1/2)Ui122iionOSPUDUtUNnNT半桥变换器桥式分压电容器的选择43初级电流/2OPiPIUVT1和VT2导通时，从A点充电或取电在半周期中，2个电容器补充电荷损失电容器上电压变化121(/2)()22OOPiiFPPItUCUCCfUfC总＝电容器上直流电压变化的百分数与整流输出电压变化的百分数是相同的输出电压纹波百分数22100100100/2iiOOrFiFrPPUUCUUfCUfU半桥变换器偏磁现象及其防止方法•偏磁的可能性：VT1，VT2具有不同开关特性，导致伏秒不平衡，发生偏磁现象。44•串联耦合电容改善偏磁性能C3两端直流电压降变化速度的时间常数3SrRC半桥变换器•串联耦合电容的选择•初算电容量45312RRfLC2()PRSNLLN63222104(/)RPSCfNNL•初算电容器充电电压是否过高或过低333(10~20)%2CCSCSIIUUtDTCC注：谐振频率通常选fR=0.1fS半桥变换器直通的可能性及其防止•直通：VT1、VT2两晶体管在某一时间内同时导通的现象。•防止方法：•对驱动脉宽最大值加于限制。•从拓扑上解决，采用交叉耦合封闭电路。46