帶變壓器隔離電路

1、講解了升壓電路的主電路元件； 分析了升壓電路工作原理。 測(cè)試了升壓電路的工作波形 少數(shù)同學(xué)不能熟練使用示波器； 測(cè)量輸出電壓時(shí)，萬(wàn)用表萬(wàn)用表打在交流電壓交流電壓 檔檔，此時(shí)測(cè)量的輸出電壓的有效值電壓的有效值，一 些同學(xué)錯(cuò)誤的當(dāng)做輸出電壓平均值記錄。 l帶隔離變壓器DC-DC電路及其工作原 理； 隔離變換器的作用 了解隔離變換器作用； 了解半橋、全橋、推挽變換器工作原理； 掌握反激及正激變換器工作原理； 5.3.1 正激電路正激電路 5.3.2 反激電路反激電路 5.3.3 半橋電路半橋電路 5.3.4 全橋電路全橋電路 5.3.5 推挽電路推挽電路 5.3.6 全波整流和全橋整流全波整流和全橋

2、整流 5.3.7 開關(guān)電源開關(guān)電源 圖圖 5-10 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)間接直流變流電路的結(jié)構(gòu) 同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直直 交交直電路直電路。 采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來(lái)完成直流采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來(lái)完成直流直流的變換有以下原因直流的變換有以下原因 輸出端與輸入端需要隔離。輸出端與輸入端需要隔離。 某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)大于1。 交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、

3、濾交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾 波電容的體積和重量。波電容的體積和重量。 間接直流變流電路分為間接直流變流電路分為單端單端(Single End)和和雙端雙端(Double End)電路兩電路兩 大類，在單端電路中，變壓器中流過(guò)的是直流脈動(dòng)電流，而雙端電路大類，在單端電路中，變壓器中流過(guò)的是直流脈動(dòng)電流，而雙端電路 中，變壓器中的電流為正負(fù)對(duì)稱的交流電流，正激電路和反激電路屬中，變壓器中的電流為正負(fù)對(duì)稱的交流電流，正激電路和反激電路屬 于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。 S uS iL iS O t t t

4、t Ui O O O 圖圖 5-11 正激電路的原理圖正激電路的原理圖 圖圖 5-12 正激電路的理想化波形正激電路的理想化波形 正激電路正激電路(Forward) 工作過(guò)程工作過(guò)程 開關(guān)開關(guān)S開通開通后，變壓器繞后，變壓器繞 組組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，兩端的電壓為上正下負(fù)， 與其耦合的與其耦合的W2繞組兩端的電壓繞組兩端的電壓 也是上正下負(fù)，因此也是上正下負(fù)，因此VD1處于處于 通態(tài)，通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感為斷態(tài)，電感L的電的電 流逐漸增長(zhǎng)。流逐漸增長(zhǎng)。 S關(guān)斷關(guān)斷后，電感后，電感L通過(guò)通過(guò)VD2 續(xù)流，續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵(lì)關(guān)斷。變壓器的勵(lì) 磁電流經(jīng)磁電流經(jīng)N3繞組和繞組和VD

5、3流回電流回電 源，所以源，所以S關(guān)斷后承受的電壓關(guān)斷后承受的電壓 為為 。 iS U N N u)1 ( 3 1 B R B S B H O 圖圖 5-13 磁心復(fù)位過(guò)程磁心復(fù)位過(guò)程 變壓器的磁心復(fù)位變壓器的磁心復(fù)位 開關(guān)開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開通后，變壓器的激磁電流由零 開始，隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到開始，隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷，導(dǎo)關(guān)斷，導(dǎo) 致變壓器的激磁電感飽和。致變壓器的激磁電感飽和。 必須設(shè)法使激磁電流在必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一關(guān)斷后到下一 次再開通的時(shí)間內(nèi)降回零，這一過(guò)程稱為次再開通的時(shí)間內(nèi)降回零，這一過(guò)程稱為變變 壓器的磁心復(fù)位壓器的磁心復(fù)位。 變壓器的

6、磁心復(fù)位所需的時(shí)間為變壓器的磁心復(fù)位所需的時(shí)間為 on 1 3 rst t N N t 輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) T t N N U U on 1 2 i o 輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，在負(fù)載為零的輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，在負(fù)載為零的 極限情況下極限情況下 i 1 2 o U N N U (5-51) (5-52) S u S iS iVD tontoff t t t t U i O O O O 圖圖 5-14 反激電路原理圖反激電路原理圖 圖圖 5-15 反激電路的理想化波形反激電路的理想化波形 反激電路反激電路 工作過(guò)程工作過(guò)程 S開通開通后，后，VD處于斷

7、態(tài)，處于斷態(tài)，W1繞組的電流線繞組的電流線 性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加。性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加。 S關(guān)斷后關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器繞組的電流被切斷，變壓器 中的磁場(chǎng)能量通過(guò)中的磁場(chǎng)能量通過(guò)W2繞組和繞組和VD向輸出端釋放，向輸出端釋放， 電壓為電壓為 。 工作模式工作模式 當(dāng)當(dāng)S開通時(shí)，開通時(shí)，W2繞組中的電流尚未下降到繞組中的電流尚未下降到 零，則稱工作于零，則稱工作于電流連續(xù)模式電流連續(xù)模式，輸出輸入電壓關(guān)，輸出輸入電壓關(guān) 系為系為 uU N N U S io 1 2 off on 1 2 i o t t N N U U S開通前，開通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零，繞組中的電流已經(jīng)

8、下降到零， 則稱工作于則稱工作于電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式，此時(shí)輸出電壓高于，此時(shí)輸出電壓高于 （5-53）的計(jì)算值，在負(fù)載為零的極限情況）的計(jì)算值，在負(fù)載為零的極限情況 下，下， ， U o 所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)。所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)。 (5-53) 圖圖 5-16 半橋電路原理圖半橋電路原理圖 圖圖 5-17 半橋電路的理想化波形半橋電路的理想化波形 半橋電路半橋電路 工作過(guò)程工作過(guò)程 S1與與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次交替導(dǎo)通，使變壓器一次 側(cè)形成幅值為側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開的交流電壓，改變開 關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電 壓

9、壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導(dǎo)通時(shí)，二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，處于通態(tài)， S2導(dǎo)通時(shí)，二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩處于通態(tài)，當(dāng)兩 個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組N1中的電中的電 流為零，流為零，VD1和和VD2都處于通態(tài)，各分都處于通態(tài)，各分 擔(dān)一半的電流。擔(dān)一半的電流。 S1或或S2導(dǎo)通時(shí)電感導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸的電流逐漸 上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感L的電的電 流逐漸下降，流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)斷態(tài)時(shí)承受的峰值時(shí)承受的峰值 電壓均為電壓均為Ui。 由于由于電容電容的

10、的隔直作用隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通 時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng) 平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁偏磁和和直流磁飽和直流磁飽和。 輸出電壓輸出電壓 濾波電感濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)的電流連續(xù)時(shí) T t N N U U on 1 2 i o 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（5-54） 的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限 情況下情況下 2 i 1 2

11、 o U N N U (5-54) S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 ton T t t t t t t t t 2Ui 2Ui iL iL O O O O O O O O 圖圖 5-18 全橋電路原理圖全橋電路原理圖 圖圖 5-19 全橋電路的理想化波形全橋電路的理想化波形 全橋電路全橋電路 工作過(guò)程工作過(guò)程 全橋電路中，全橋電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)互為對(duì)角的兩個(gè)開關(guān) 同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替交替 導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的的 交流電壓，改變占空比就可以改變輸出交流電壓，改變占空比就可

12、以改變輸出 電壓。電壓。 當(dāng)當(dāng)S1與與S4開通后，開通后，VD1和和VD4處于處于 通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。的電流逐漸上升。 當(dāng)當(dāng)S2與與S3開通后，開通后，VD2和和VD3處于處于 通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流也上升。的電流也上升。 當(dāng)當(dāng)4個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，4個(gè)二極管都個(gè)二極管都 處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電 感感L的電流逐漸下降，的電流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)時(shí)承受斷態(tài)時(shí)承受 的峰值電壓均為的峰值電壓均為Ui。 如果如果S1、S4與與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓uT中將含有中將含有直

13、直 流分量流分量，會(huì)在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流，會(huì)在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因分量，造成磁路飽和，因 此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián) 一個(gè)電容，以阻斷直流電流。一個(gè)電容，以阻斷直流電流。 為避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)的占空比不能超過(guò)為避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)的占空比不能超過(guò) 50%，還應(yīng)留有裕量。，還應(yīng)留有裕量。 輸出電壓輸出電壓 濾波電感電流連續(xù)時(shí)濾波電感電流連續(xù)時(shí) T t N N U U on 1 2 i o 2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出

14、電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（5-55）的計(jì)算值，）的計(jì)算值， 并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 U N N U oi 2 1 (5-55) S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 ton T t t t t t t t t 2Ui 2Ui iL iL O O O O O O O O 圖圖 5-20 推挽電路原理圖推挽電路原理圖 圖圖 5-21 推挽電路的理想化波形推挽電路的理想化波形 推挽電路推挽電路 工作過(guò)程工作過(guò)程 推挽電路中兩個(gè)開關(guān)推挽電路中兩個(gè)開關(guān)S1和和S2 交替導(dǎo)通，在繞組交替導(dǎo)通，

15、在繞組N1和和N1兩端分兩端分 別形成相位相反的交流電壓。別形成相位相反的交流電壓。 S1導(dǎo)通時(shí)，二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于處于 通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，的電流逐漸上升，S2 導(dǎo)通時(shí)，二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，電處于通態(tài)，電 感感L電流也逐漸上升。電流也逐漸上升。 當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1 和和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的 電流，電流，S1和和S2斷態(tài)時(shí)承受的斷態(tài)時(shí)承受的峰值電峰值電 壓壓均為均為2倍倍Ui。 如果如果S1和和S2同時(shí)導(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避同時(shí)導(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因

16、此應(yīng)避 免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)各自的占空比不能超過(guò)免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50%，還要留，還要留 有死區(qū)。有死區(qū)。 輸出電壓輸出電壓 當(dāng)濾波電感當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)的電流連續(xù)時(shí) T t N N U U on 1 2 i o 2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（5-56）的計(jì)算值，）的計(jì)算值， 并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 U N N U oi 2 1 (5-56) 電路電路 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 正激正激 電路較簡(jiǎn)單，成本低， 可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn) 單 變壓器單向激磁，利用 率低 幾百W幾kW 各種中、小功率電 源 反激反激 電路非常簡(jiǎn)單，成本很 低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電 路簡(jiǎn)單 難以達(dá)到較大的功率， 變壓器單向激磁，利用 率低 幾W幾十W 小功率電子設(shè)備、 計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi) 電子設(shè)備電源。 全橋全橋 變壓器雙向勵(lì)磁，容易 達(dá)