隔离型DCDC变换器精编版课件.ppt

1、隔离型隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器1参考文献参考文献1 张占松，蔡宣三张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计，电子工业出版社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变压隔离器的理想结构2 SIOMN ANG,ALEJANDRO OLIVA.开关功率变换开关功率变换器器开关电源的原理、仿真和设计，机械工业出版社开关电源的原理、仿真和设计，机械工业出版社4.2 正激变换器正激变换器概述概述非隔离的非隔离的DC/DC变换器的局限性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输入输出电压比或电流比不能太大无

2、法实现多路输出无法实现多路输出3解决方法解决方法采用变压隔离器采用变压隔离器概述概述 理想变压隔离器的特征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；直流到交流都能变换；变换时可不考虑能量损耗；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，都是一样方便有效样方便有效4理想的变压隔离器符号理想的变压隔离器符号概述概述常见的变

3、压隔离器电路常见的变压隔离器电路5单端变压隔离电路单端变压隔离电路双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主要应用于中小功率电路优点：线路简单优点：线路简单缺点缺点：（1）输入电流脉动）输入电流脉动（2）S1关断时承受高压关断时承受高压（3）闭路峰值电流大）闭路峰值电流大概述概述常见的变压隔离器电路常见的变压隔离器电路6半桥变压隔离电路半桥变压隔离电路全桥变压全桥变压隔离电路隔离电路隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器电路的构成电路的构成7基本基本buck变换电路拓扑变换电路拓扑Buck变换器工作波形变换器工作波形隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变

4、换器单端正激变换器电路的构成电路的构成8隔离型隔离型buck（正激（正激 Forward）变换器）变换器隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器工作原理工作原理9N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。：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，这就是中磁通并不回到零，这就是剩磁通剩磁通。剩。剩磁通的累加可能导致磁通的累加可能导致磁芯饱和磁芯饱

5、和，因此需，因此需要采用磁复位（去磁技术）要采用磁复位（去磁技术）2LLNodiuuuLdt（2）电感）电感L储能，电流储能，电流直线上升直线上升隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器工作原理工作原理10能量传递阶段能量传递阶段VT导通导通UN2UO（1）经变压器耦合和）经变压器耦合和二极管二极管VD向负载传输向负载传输能量。能量。工作原理工作原理11隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器磁复位阶段磁复位阶段VT截止截止LLodiuuLdt（2）副边：）副边：VD截止，截止，VD1导通，导通，L向负载释放向负载释放能量，电流直线下降。能量，电流直线下

6、降。（1）原边：磁芯中的）原边：磁芯中的剩磁能量通过剩磁能量通过VD2和和N3向输入电源馈送。向输入电源馈送。1313max0.5NNrstont Nt ND 工作原理工作原理12隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器续流阶段续流阶段VD2截止截止磁芯中的能量释放完毕。磁芯中的能量释放完毕。VD1导通或截止导通或截止（1）如果电感储能能够）如果电感储能能够维持电流连续至下个周期维持电流连续至下个周期开始，开始，VD1始终导通。始终导通。（2）如果电感电流断续，）如果电感电流断续，则则VD1截止。截止。工作原理工作原理13隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正

7、激变换器uVD1Uo输出电压平均值输出电压平均值13(1)DSiNUUNVT截止时截止时2211onoiitNNUUDUN TN隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器 正激变换器的设计正激变换器的设计开关管的选择开关管的选择（1）开关管的漏极额定电流必须大于流过）开关管的漏极额定电流必须大于流过IGBT漏极漏极实际电流实际电流IDmax。14max2maxmax1LDLINIINnmaxLLLOLIIIII2/NOiOLononiOUUUn UIttLLUnUDnfL（2）当）当N1=N3时，开关管承受最大电压为时，开关管承受最大电压为2Ui隔离型隔离型Buck变换器变换

8、器单端正激变换器单端正激变换器整流二极管、续流二极管的选择整流二极管、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）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电感电流峰值（2）VD1承受最大电压出现在承受最大电压出现在VT导通时导通时（3）VD承受最大电压出现在承受最大电压出现在VT截止时截止时15max1maxiOVDVDOUnUIIIDnfLmax2/VDNiUUUnmax/VDiUUn隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器多路输出的正激变换器原理图多路输出的正激变换器原理图16隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换

9、器例例 前页所示正激变换器，输入电源电压前页所示正激变换器，输入电源电压60V，二，二次主输出的平均输出电压为次主输出的平均输出电压为5V,开关频率为开关频率为1kHz，输出电感电流纹波最大值为，输出电感电流纹波最大值为0.1A，原边，原边边绕组匝数边绕组匝数60，匝比，匝比Nr/Np等于等于1。求：。求：（1）副边主绕组匝数最小值）副边主绕组匝数最小值Nsm；（2）输出滤波电感）输出滤波电感Lom的值。的值。17隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器 电路的构成电路的构成18基本基本Buck-Boost变换器变换器隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器

10、电感电感隔离变换器隔离变换器隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器电路的构成电路的构成19单端反激式（单端反激式（Flyback）变换器）变换器VT导通时，导通时，VD截止截止VT截止时，截止时，VD导通导通电感储能型变换器电感储能型变换器导通终了时，导通终了时，i1的幅值的幅值隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器 工作原理工作原理20VT导通时，导通时，VD截止截止i1i2流过流过N1的电流的电流11iUitL11iPonUItLVT截止时，截止时，VD导通导通I2p为为VT截止时截止时i2的幅值的幅值流过流过N2的电流的

11、电流222OPUiItL1212PPNIIN隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器 3种工作状态种工作状态变压器磁通临界连续状态变压器磁通临界连续状态21VT截止时间截止时间toff和绕组和绕组N2中电流中电流i2衰减到零所需的时间相等衰减到零所需的时间相等隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器变压器磁通不连续状态变压器磁通不连续状态22VT截止时间截止时间toff比绕组比绕组N2中电流中电流i2衰减到零所需的时间更长衰减到零所需的时间更长即即 toff(L2/UO)I2P隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变

12、换器单端反激变换器 输入输出电压关系输入输出电压关系23即输入功率为即输入功率为VT导通期间，变压器导通期间，变压器T储能储能21 112LPWL I21 112LiPWPL ITT输出功率为输出功率为2OOLUPR假定假定电路无损电路无损12LOi onRUU tLT结论：结论：（1）Uo与负载与负载RL有关，有关，RL Uo（2）Uo与导通时间成正比与导通时间成正比（3）与电感量）与电感量L1成反比成反比隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器 开关管承受电压开关管承受电压24VT截止时，截止时，N1上的感应电势上的感应电势112NONUUNVT截止时，漏截

13、止时，漏-源承受的电压源承受的电压112DSiNiONUUUUUN隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器 变压器磁通连续状态变压器磁通连续状态25VT截止时间较小，截止时间较小，toff 0隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器 电压传输比电压传输比26VT导通导通221/NiiNUUUnNVT截止截止2NOUU伏秒伏秒平衡平衡(1)ionO offOonVioffUtU tnUtDAUntnD隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器 变换器的设计变换器的设计变压器磁通不连续变压器磁通不连续27

14、222(1)OOPoffUUItDLfL22/1OP offOPII tTIDI 22OOPU IIfL开关管的选择开关管的选择2max12212OODPPU INIIINn fLmaxDSiOUUnU整流二级管的选择整流二级管的选择max222OODPU IIIn fLmax/VDiOUUnU单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术28 使用单端使用单端变压隔离器变压隔离器遇到的问题遇到的问题如何使变压器如何使变压器磁芯在每个脉磁芯在每个脉动工作磁通之动工作磁通之后都能回复到后都能回复到磁通起始值磁通起始值开关导通时，电流很大开关导通时，电流很大开关段开始，过电压很高开关段开

15、始，过电压很高如果每个周期不去磁，如果每个周期不去磁，剩余磁通的累加可能剩余磁通的累加可能导致磁芯饱和导致磁芯饱和单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术磁芯复位线路种类磁芯复位线路种类29 把磁芯残存能量把磁芯残存能量自然地转移，在为了自然地转移，在为了复位所加的元件上消复位所加的元件上消耗掉，或者把残存能耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输量反馈到输入端或输出端出端方法一方法一 通过外加能量的通过外加能量的方法强迫磁芯的磁状方法强迫磁芯的磁状态复位态复位方法二方法二采用哪种方法取决于功率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的大小和所使用的磁芯磁滞特性而定

16、单端变压隔离器的磁通复位技术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种典型的磁芯磁滞特性曲线30低低Br铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯复位常用转移损耗法，线路简单可靠复位常用转移损耗法，线路简单可靠高高Br无气隙的晶粒取向镍铁合金磁芯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单端变压隔离器的磁通复位技术 低低Br的去磁方法的去磁方法31转移损耗法磁芯去磁线路转移损耗法磁芯去磁线路（a）与原边绕组连接）与原边绕组连接（b）与副边绕组连接）与副边绕组连接单端变压隔离器的磁通复位技术单端变

17、压隔离器的磁通复位技术低低Br的去磁方法的去磁方法32再生式磁芯去磁线路再生式磁芯去磁线路（a）能量）能量电源电源（b）能量）能量负载负载单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术高高Br的去磁方法的去磁方法33强制磁芯去磁各种方法强制磁芯去磁各种方法（a）加恒流源和变压器附加绕组）加恒流源和变压器附加绕组（b）外部加永久磁铁）外部加永久磁铁单端变压隔离器的磁通复位技术单端变压隔离器的磁通复位技术高高Br的去磁方法的去磁方法34强制磁芯去磁各种方法强制磁芯去磁各种方法（c）利用滤波电感作为恒流源）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单端变压隔离器的磁通复位技术 高电

18、压源变换器中去磁电路高电压源变换器中去磁电路35双开关、单端去磁线路双开关、单端去磁线路（a）利用）利用 原边绕组本身原边绕组本身（b）利用部分原边绕组）利用部分原边绕组双管正激式双管正激式DC/DC变换器变换器 电路结构电路结构36 工作原理工作原理VT2VT1、VT2同时动作同时动作VT1、VT2同时导通：同时导通：UNPUNS，iVD3，iVD4 IP=IS/n（n=NP/NS）VT1、VT2同时关断：同时关断：VD1，VD2能量反馈回能量反馈回Ui，并嵌，并嵌位；位；VD3关断，关断，VD4 续流导通续流导通注意点：注意点：D 0.5VD4反向恢复时间反向恢复时间漏感值漏感值全桥变换器

19、全桥变换器 全桥变换器的构成全桥变换器的构成37全桥变换器电路拓扑演变过程全桥变换器电路拓扑演变过程优点：优点：UVT1maxUVT2max Ui缺点：变压器利用率较低缺点：变压器利用率较低1.大功率场合常用电路大功率场合常用电路2.VT1和和VT2 或或VT3和和VT4同时导通同时导通3.变压器得到充分利用变压器得到充分利用全桥变换器全桥变换器 工作原理工作原理38t0t1:uG1,4=1，VT1,VT4导通，导通，UNP=Ui；iVD5，iVD6VD5导通，导通，VD6关断关断t1t2:uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4关断；关断；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)U

20、i t2t3:uG2,3=1，VT2,VT3导通，导通，UNP=-Ui；iVD6，iVD5VD6导通，导通，VD5关断关断t3t4:uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4关断；关断；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui 22ii onOSPU DU tUNnN T全桥变换器全桥变换器缓冲器的组成及作用缓冲器的组成及作用39全桥变换器全桥变换器 缓冲器的组成及作用缓冲器的组成及作用40两种运行方式的两种运行方式的B-H范围范围半桥变换器半桥变换器 半桥变换器的构成半桥变换器的构成41半桥式变换器的电路拓扑半桥式变换器的电路拓扑1.用用2个相同的电容器代替个相同的电容器代替2个

21、晶体管个晶体管2.降低成本，增大电路体积降低成本，增大电路体积3.常用于低功率变换器常用于低功率变换器4.初级电压峰值为全桥电路一半，电流为全桥的初级电压峰值为全桥电路一半，电流为全桥的2倍倍半桥变换器半桥变换器 工作原理工作原理42t0t1:uG1=1，VT1 导通，导通，UNP=(1/2)Ui；iVD5，iVD6VD5导通，导通，VD6关断关断t1t2:uG1=uG2=0，VT1、VT2关断，关断，UNP=0；uVT1=uVT2=(1/2)Ui；VD5、VD6均导通为均导通为L提供续流回路提供续流回路t2t3:uG2=1，VT2 导通，导通，UNP=-(1/2)Ui；iVD6，iVD5VD

22、6导通，导通，VD5关断关断t3t4:uG1=uG2=0，VT1、VT2关断；关断；uVT1=uVT2=(1/2)Ui 122ii onOSPUDU tUNnN T半桥变换器半桥变换器 桥式分压电容器的选择桥式分压电容器的选择43初级电流初级电流/2OPiPIUVT1和和VT2导通时，从导通时，从A点充电或取电点充电或取电在半周期中，在半周期中，2个电容器补充电荷损失个电容器补充电荷损失电容器上电压变化电容器上电压变化121(/2)()22OOPiiFPPItUCUCCfU fC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

23、数是相同的输出电压纹波百分数输出电压纹波百分数22100100100/2iiOOrFiFrPPUUCUU fCU fU半桥变换器半桥变换器 偏磁现象及其防止方法偏磁现象及其防止方法偏磁的可能性：偏磁的可能性：VT1，VT2具有不同开关特性，导致具有不同开关特性，导致伏秒不平衡，发生偏磁现象。伏秒不平衡，发生偏磁现象。44串联耦合电容改善偏磁性能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两端直流电压降变化速度的时间常数3SrR C半桥变换器半桥变换器 串联耦合电容的选择串联耦合电容的选择 初算电容量初算电容量45312RRfL C2()PRSNLLN63222104(/)RPSCfNNL 初算电容器充电电压是否过高或过低初算电容器充电电压是否过高或过低333(10 20)%2CCSCSIIUUtDTCC 注：谐振频率通常选注：谐振频率通常选fR=0.1fS半桥变换器半桥变换器 直通的可能性及其防止直通的可能性及其防止直通：直通：VT1、VT2两晶体管在某一时间内同时导通的两晶体管在某一时间内同时导通的现象。现象。防止方法：防止方法：对驱动脉宽最大值加于限制。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。从拓扑上解决，采用交叉耦合封闭电路。46