正激变换器

高速电机实验室1正激变换器主讲人：杨艳2010.11.22南京邮电大学2Contents正激变换器的工作原理1几种复位方式及其比较2南京邮电大学3正激变换器的工作原理南京邮电大学1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001SheetofFile:F:\李宏电路图\lihong.ddbDrawnBy:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W***+++---uuuw1w2w3VO+-iLf单端正激变换器的主电路开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。4正激变换器的不同开关状态南京邮电大学开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁芯磁通φ增加，则变压器铁芯磁通增量：5南京邮电大学正激变换器的不同开关状态由得变压器原边磁化电流：式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的电压为：此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过滤波电感Lf的电流增加：显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。变压器原边绕组电流：6南京邮电大学正激变换器的不同开关状态Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：7此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加在Q上的电压为：电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯的磁通φ减小：铁芯磁通φ的减小量：式中Tr-ton是去磁时间。南京邮电大学变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：正激变换器的不同开关状态8南京邮电大学励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减小：在Tr时刻，，变压器完成磁复位。正激变换器的不同开关状态9南京邮电大学正激变换器的不同开关状态Q关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为:由于在正激变换器中磁通必须复位，得：整理得：10南京邮电大学正激变换器的不同开关状态如果W1W3，则去磁时间小于开通时间即开关管的工作占空比。如果W1W3，则去磁时间大于开通时间即开关管的工作占空比。W1W3，Q管电压大于2倍输入电压；W1W3，Q管电压小于2倍输入电压。为了充分提高占空比和减小Q两端电压，必须折衷选择。一般选W1=W3，这时，，而Q管电压等于2倍输入电压。由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为：11南京邮电大学正激变换器的不同开关状态VbeφiLfiW3ttttt00000tontoffTuW1VININVWW31TriMiW1IO12Contents正激变换器的工作原理1几种复位方式及其比较2南京邮电大学13单端变换器的磁复位技术使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电压很高，导致开关器件的损坏。剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以分成两种：一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特性而定。。磁复位技术14HBBr-Br0HBBr-Br0典型的两种磁芯磁滞特性曲线磁复位技术15在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位法线路较为复杂。简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。这种电路只适用于小功率变换器中，。磁复位技术16几种磁复位方式南京邮电大学第三线圈复位法RCD复位有源钳位双管正激17第三线圈复位法特点优点：技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。缺点：附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化；开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，尤其是变压器满载时；开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大；Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。南京邮电大学18RCD复位南京邮电大学t=t2时开始磁复位，Cs与Lm谐振使得磁化电感能量有一部分转移到Cs中去，剩余的磁化电感能量和变压器漏感能量消耗在钳位电阻R中；t=t0～t1期间，开关管导通变压器上的磁化电流增加；t=t1时VM关断，随后以负载折算到原边的电流I0／n给Cs线性充电；Cs：晶体管输出电容、钳位二极管结电容、折算到原边的整流二极管结电容和变压器绕组电容之和19在t=t3～t4期间．VDC导通．UDS的值保持为Uin+Uc．磁化电流以一Uc／Lm的斜率线性下降到零；在t=t4～t5期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感Lm中去。可推导出钳位电压为：①Uc与Uin无关；②增大Lm可降低Uc；③增加Cs，可降低Uc；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现．但这却增加了功率开关的容性开通损耗；④减小源副边总漏感L1k可降低Uc，这是降低钳位电压的关键因素。RCD复位20优点：磁复位电路简单；功率开关电压较低；占空比d可大于0.5,适用于宽输入电压场合。缺点:大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换场合。RCD复位法特点21有源钳位南京邮电大学为了简化分析，假设输出滤波电感L和钳位电容Ccl足够大，因此可将它们分别作为电流源和电压源处理。变压器用磁化电感Lm、原副边总漏感L1k和变比为n：1的理想变压器表示。每个开关周期分为七个区间．原理波形如右图所示。t=t0时，功率开关VM开通。VDC与VD2截止．VD1开通；t=t1时。功率开关VM关断，以Io／n对电容Cs充电．使得UDs增大；t=t2时。UDs=Uin，VD1关断，VD2开通，磁化电流对C2充电．即Lm与Cs谐振，部分磁化能量转移到Cs中去；t=t3时，UDs=Uin+Uc1，VDC开通．im以-Uc1／Lm斜率下降，一直到t4时刻为零，钳位开关VMC应在t3～t4期间加上开通信号；t=t4时，im开始变负，VMc实现了零电压开通，im仍以一Ucl／Lm斜率下降，铁心工作在第三象限；t=t5时，VMc关断，Lm与Cs开始谐振，Cs以负的磁化电流放电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去；t=t6时，UDS下降到Uin，VD1开通，为im在副边续流提供了通路；t=t7时，VM再次开通，开始了另一周期。由此可见，钳位开关VM实现了零电压开关(ZVS)，功率开关VM实现了零电压关断，但非零电压开通。)22有源钳位23优点：变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用；可利用低压功率MOSFET和二极管；ZVT-PWM工作方式；占空比d可大于0.5；变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利用率高，铜损小缺点：多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成本。有源钳位优缺点24双管正激南京邮电大学25南京邮电大学双管正激26优点:加于每个MOSFFT的最大电压仅为VDD。减少了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声可以有效地避免误触发引起的短路故障。缺点:需要更多的开关器件，增加了成本。电路中过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低额定电压的MOSFET降低电阻RDS（on）来提高效率。占空比小于50%，受开关频率的限制。双管正激优缺点