第3章 帶隔離的直流變流電路課件

1、第三章帶隔離的DC變換器電路，3.1正向電路，3.2反激電路，3.3半橋電路，3.4全橋電路，3.5推挽電路，3.6全波整流和全橋整流，1。PPT學(xué)習(xí)交流。在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)電源的輸出和輸入之間通常需要電氣隔離。電氣隔離一般通過高頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)。隔離變壓器中使用的鐵芯通常具有非線性特性。下圖顯示了典型的變壓器鐵芯特性，其中Bs是鐵芯的最大允許磁通密度，超過該值，鐵芯將飽和；Br是剩余磁通量密度。2，PPT學(xué)習(xí)交流，隔離變壓器鐵芯：勵磁方式，單向勵磁雙向勵磁，單向脈動磁通，雙向交流磁通，反激變換器正激變換器，推挽變換器半橋變換器全橋變換器，3，PPT學(xué)習(xí)交流，隔離變壓器鐵芯：鐵芯損耗，4，PP

2、T學(xué)習(xí)交流，隔離變壓器鐵芯：磁通密度幅值，5，隔離變壓器鐵芯：磁通密度幅值；6.PPT學(xué)習(xí)Ac；隔離變壓器鐵芯：設(shè)計(jì)原則：如果Bm較大，交流可以降低開關(guān)頻率大于100千赫，允許的磁通幅度應(yīng)適當(dāng)降低，以限制鐵損；進(jìn)行單向勵磁時，應(yīng)選擇低溴鐵芯；7.隔離變壓器鐵芯：磁滯回線和溫度；8.PPT學(xué)習(xí)交流，隔離變壓器鐵芯：磁通密度，開關(guān)頻率和損耗，9。PPT學(xué)習(xí)交流，兩種磁芯的典型磁滯曲線，鐵氧體、鐵粉芯和非晶合金芯，晶粒取向的無氣隙鎳鐵合金芯，10。PPT學(xué)習(xí)交換，對于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度小的鐵芯Br，一般采用轉(zhuǎn)移損耗法。轉(zhuǎn)移損耗法具有電路簡單、可靠性高的特點(diǎn)。對于剩磁感應(yīng)強(qiáng)度高的鐵芯，一般采用強(qiáng)制復(fù)位法。

3、強(qiáng)制復(fù)位法電路復(fù)雜。11、PPT學(xué)習(xí)交流，單端換流變壓器磁通僅在一個方向上變化。當(dāng)正激變換器的開關(guān)管接通時，電源直接向負(fù)載傳輸能量。正激變換器的特點(diǎn)是輸出功率為50-200瓦，12路，PPT學(xué)習(xí)通信，由于圖中變壓器的一次側(cè)通過單向脈動電流，變壓器鐵心極度飽和，所以主電路中應(yīng)考慮變壓器鐵心磁場的抗飽和措施，即如何定期復(fù)位變壓器鐵心磁場。另外，此時開關(guān)器件的位置可以稍微改變，使其發(fā)射極與電源Us相連，便于控制電路的設(shè)計(jì)。鐵芯磁場復(fù)位有多種方案，如磁場能量消耗法、磁場能量轉(zhuǎn)移法等。13，PPT學(xué)習(xí)通信，14，PPT學(xué)習(xí)通信，3.1正向電路，圖3-1正向電路示意圖，圖3-2正向電路的理想化波形。開關(guān)S

4、接通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為正、負(fù)，耦合的W2繞組兩端的電壓也為負(fù)。因此，VD1處于導(dǎo)通狀態(tài)，VD2處于截止?fàn)顟B(tài)，電感器l的電流逐漸增加。Ton=DTs周期，1)正向電路的工作過程，15) PPT學(xué)習(xí)通信，3.1正向電路，s關(guān)斷后，電感l(wèi)通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵磁電流通過N3繞組和VD3流回電源。toff=(1-d)ts期間，s關(guān)閉后的電壓為：Forward circUit的工作過程，16。PPT學(xué)會通信，輸出電壓U2和U1 N2之間的關(guān)系相當(dāng)于BUCK電路向右看時的變化d，它可以改變U0，17，PPT學(xué)會通信，3.1正向電路，輸出電壓，為什么d不能大于0.5，18，PPT

5、學(xué)習(xí)交流，隔離Buck變換器單端正激變換器，單端變換器變壓器磁通只有當(dāng)單向變化的正激變換器開關(guān)管接通時，電源才直接向負(fù)載傳輸能量，(b)單端正激DC/DC變換器，O，F(xiàn)，19，PPT學(xué)習(xí)交流，隔離Buck變換器單端正激變換器，N2，D2導(dǎo)通N3，D1，D3都關(guān)斷，T導(dǎo)通：Ton=DTs周期，20，PPT學(xué)習(xí)交流，隔離Buck變換器單端因此，這里的變壓器不僅起著輸入電隔離的作用，而且還起著儲能電感的作用。3.2反激電路，22，PPT學(xué)習(xí)交流，3.2反激電路，1)工作過程：圖3-5反激電路的理想化波形，圖3-4反激電路示意圖，s接通后，VD處于關(guān)斷狀態(tài)，W1繞組電流線性增加，電感儲能增加；當(dāng)S關(guān)斷

6、時，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD釋放到輸出端。該電路的工作原理是：當(dāng)開關(guān)管接通時，由于D承受反向電壓，變壓器的二次側(cè)相當(dāng)于開路，變壓器的一次側(cè)相當(dāng)于電感。電源Us將能量輸送到變壓器的初級側(cè)，并以磁場的形式儲存能量。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，線路中的磁場儲能不會突然改變，變壓器的二次側(cè)會產(chǎn)生正上負(fù)下的感應(yīng)電勢，使D承受正向電壓并導(dǎo)通，從而將磁場儲能轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。3.2反激電路，24，PPT學(xué)習(xí)交流，3.2反激電路，2)反激電路的工作模式：電流連續(xù)模式：當(dāng)S接通時，W2繞組中的電流沒有降到零。輸出電壓關(guān)系：圖3-5反激電路的理想波形，圖3- 4反激電路的原理圖，25，PPT學(xué)習(xí)

7、交流，26，PPT學(xué)習(xí)交流，3.2反激電路，2)反激電路的工作模式：電流間歇模式：W2繞組中的電流在s導(dǎo)通前已降至零。輸出電壓高于上述公式的計(jì)算值，并隨著負(fù)載的減少而增加。在零負(fù)載限制下，反激電路不應(yīng)工作在負(fù)載開路狀態(tài)。圖3- 6反激電路的理想波形，圖3- 4反激電路的原理圖，27，PPT學(xué)習(xí)交流，3.2反激電路和反激變壓器開關(guān)電源的工作原理圖。在圖a中，ui是開關(guān)電源的輸入電壓，t是開關(guān)變壓器，k是控制開關(guān)，c是儲能濾波電容器，r是負(fù)載電阻。28、PPT學(xué)習(xí)交流和反激式變壓器開關(guān)電源的工作過程。在Ton期間，Ui給N1繞組通電，電流i1流過N1繞組，在N1兩端產(chǎn)生自感電動勢e1，在變壓器次級

8、線圈N2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。因?yàn)镈，所以不產(chǎn)生回路電流。相當(dāng)于變壓器次級線圈開路，變壓器次級線圈相當(dāng)于電感器。因此，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流就是變壓器的勵磁電流，變壓器初級線圈N1繞組兩端產(chǎn)生的自感電動勢可以用下面的公式表示：29，PPT學(xué)習(xí)交流，綜合以上公式，可以得到：30，PPT學(xué)習(xí)交流，當(dāng)開關(guān)電源工作在輸出臨界連續(xù)電流的狀態(tài)時，i1(0)正好等于0。(0)正好等于剩余通量SBr。當(dāng)控制開關(guān)K即將關(guān)斷且開關(guān)電源工作在輸出電流的臨界連續(xù)狀態(tài)時，i1和i1都達(dá)到最大值：31、PPT學(xué)習(xí)通信，當(dāng)控制開關(guān)K突然從接通變?yōu)閿嚅_時，流過變壓器初級線圈的電流I1突然變?yōu)?，這意味著變壓器鐵芯

9、中的磁通量將突然改變。這是不可能的。如果變壓器鐵芯中的磁通量突然變化，變壓器初級和次級線圈回路將產(chǎn)生無限高的反電動勢，反過來將產(chǎn)生無限大的電流，并且該電流將抵抗磁通量的變化。因此，變壓器鐵芯中磁通量的變化最終受到變壓器初級和次級線圈中電流的限制。因此，在控制開關(guān)K斷開的Toff周期期間，變壓器鐵芯中的磁通量主要由變壓器次級線圈回路中的電流決定，也就是說，因?yàn)榉醇な阶儔浩鏖_關(guān)電源的變壓器次級線圈N2繞組的輸出電壓已經(jīng)被整流和濾波，并且濾波電容器和負(fù)載電阻之間的時間常數(shù)非常大，整流和濾波后的輸出電壓uo基本上等于Uo的幅度Up。33，PPT學(xué)習(xí)交流，在同一個當(dāng)控制開關(guān)k即將斷開時，i2和I2都達(dá)到

10、最小值。35、PPT學(xué)習(xí)通信，總結(jié)單端反激變換器，在零負(fù)載的極端情況下，由于開關(guān)接通時變壓器電感中存儲的磁能無處消耗，輸出電壓會越來越高，電路元件會損壞，所以反激變換器不能在空載下工作。不需要特殊的退磁繞組，電路簡單。當(dāng)開關(guān)被阻斷向負(fù)載供電時，根據(jù)釋放儲存能量的變壓器繞組電感，磁通量僅在一個方向上變化。一般只用于100-200瓦以下的小容量DC/DC轉(zhuǎn)換(如控制系統(tǒng)所需的輔助電源)。36，PPT學(xué)習(xí)交流，為了避免磁路飽和，工作磁通可以在每個開關(guān)周期復(fù)位，因此：(1)單端反激變換器的開關(guān)變壓器的鐵芯有一個氣隙，所以磁路中的磁通與勵磁安匝成線性關(guān)系，因?yàn)闅庀兜拇艑?dǎo)率是常數(shù)；(2)初級繞組電流實(shí)現(xiàn)脈

11、沖限流控制。即使存在氣隙，由于電網(wǎng)電壓、負(fù)載的波動和控制回路的干擾，仍然存在磁路飽和或IPmin的可能性。為了保護(hù)開關(guān)元件，必須采用脈沖限流控制。37、PPT學(xué)習(xí)交流、脈沖限流控制：當(dāng)開關(guān)管接通時，檢測開關(guān)管中的電流，當(dāng)電流達(dá)到某一極限值時，開關(guān)管的驅(qū)動脈沖被鎖定，以限制開關(guān)管的脈沖寬度ton。調(diào)制環(huán)路振蕩器的脈沖后沿復(fù)位脈寬調(diào)制觸發(fā)器并解鎖。當(dāng)下一個振蕩周期的脈沖前沿到來時，脈寬調(diào)制觸發(fā)器再次置位，驅(qū)動開關(guān)管再次導(dǎo)通。如果磁路飽和，ip上升，將很快達(dá)到電流極限值，鎖定開關(guān)管的驅(qū)動脈沖。這樣，逐脈沖電流限制被稱為脈沖電流限制控制。38、PPT學(xué)習(xí)交流、3.3半橋電路、S1和S2交替導(dǎo)通，使變壓

12、器的一次側(cè)形成幅度為Ui/2的交流電壓。通過改變開關(guān)的占空比，可以改變次級側(cè)整流電壓Ud的平均值，并且還可以改變輸出電壓Uo。1)工作過程，圖3- 7半橋電路示意圖，圖3- 8半橋電路理想化波形，39，PPT學(xué)習(xí)通信，3.3半橋電路，S1導(dǎo)通時二極管VD1處于導(dǎo)通狀態(tài)，S2導(dǎo)通時二極管VD2處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，并且VD1和VD2都處于導(dǎo)通狀態(tài)，每個都共享一半的電流。當(dāng)S1或S2接通時，電感器L的電流逐漸增加，當(dāng)兩個開關(guān)都斷開時，電感器L的電流逐漸減小。S1和S2斷開時的峰值電壓為Ui。1)工作過程，圖3- 8半橋電路的理想化波形，40，PPT學(xué)習(xí)通信，

13、如果變壓器有漏電感和勵磁電感，當(dāng)Sl斷開時，S2接通續(xù)流。當(dāng)不考慮漏抗時，當(dāng)S1關(guān)斷時，次級側(cè)VD1和VD2同時導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)退磁回路的功能。41，PPT學(xué)習(xí)交流，3.3半橋電路，由于電容的DC阻斷效應(yīng)，半橋電路對兩個開關(guān)的非對稱導(dǎo)通時間引起的變壓器原邊電壓的DC分量有自動平衡作用，所以變壓器不易產(chǎn)生磁偏和DC磁飽和。42、PPT學(xué)習(xí)交流，(a)串聯(lián)電容前的交流電壓，對角網(wǎng)格區(qū)域表示A1和A2的伏秒值的不平衡波形，(b)串聯(lián)電容后的工作波形和變壓器原邊的伏秒值得到變壓器原邊串聯(lián)電容的平衡圖，43、PPT學(xué)習(xí)交流，3.3半橋電路，2)數(shù)量關(guān)系，圖3- 8中半橋電路的理想化波形，濾波電感L時。 其中兩

14、個對角開關(guān)同時接通，并且同一側(cè)半橋的上開關(guān)和下開關(guān)交替接通，使得變壓器的初級側(cè)形成幅度為Ui的交流電壓，并且可以通過改變占空比來改變輸出電壓。 1)工作過程，圖3- 9全流程示意圖當(dāng)所有四個開關(guān)都關(guān)斷時，所有四個二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，每個二極管共享一半的電感器電流，電感器L的電流逐漸減小。S1和S2斷開時的峰值電壓為Ui。1)工作過程，圖3- 10全橋電路的理想化波形，46，PPT學(xué)習(xí)交流，3.4全橋電路，如果S1和S4的導(dǎo)通時間與S2和S3不對稱，交流電壓uT將包含DC分量，這將在變壓器初級側(cè)產(chǎn)生一個大的DC分量，導(dǎo)致磁路飽和。因此，全橋電路應(yīng)注意避免產(chǎn)生DC分量的電壓，并可在初級電路中串聯(lián)

15、一個電容來阻斷DC電流。47，PPT學(xué)習(xí)交流，3.4全橋電路，2)定量關(guān)系，當(dāng)濾波電感電流連續(xù)時：當(dāng)輸出電感電流間歇時，輸出電壓Uo將高于上述公式的計(jì)算值，并將隨著負(fù)載的減少而增加。在零負(fù)載極限情況下：48，PPT學(xué)習(xí)交流，3.5推挽電路，圖3- 11推挽電路原理圖，圖3- 12推挽電路理想化波形，推挽電路中的兩個開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，繞組N1和N，1兩端分別形成反相交流電壓。當(dāng)S1導(dǎo)通時，二極管VD1導(dǎo)通，電感器L的電流逐漸上升。當(dāng)S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感L電流逐漸上升。1)工作過程，49，PPT學(xué)習(xí)交流，3.5推挽電路，圖3- 11推挽電路示意圖，圖3- 12推挽電路的

16、理想化波形，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于導(dǎo)通狀態(tài)，各分擔(dān)一半電流。當(dāng)S1和S2處于關(guān)斷狀態(tài)時，峰值電壓是Ui的兩倍。S1和S2同時導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器初級繞組短路。因此，應(yīng)防止兩個開關(guān)同時打開。1)工作過程，50，PPT學(xué)習(xí)交流，3.5推挽電路，2)數(shù)量關(guān)系，當(dāng)濾波電感L電流連續(xù)時：當(dāng)輸出電感電流不連續(xù)時，輸出電壓Uo將高于上述公式的計(jì)算值，并將隨著負(fù)載的減小而增大。在負(fù)載為零的極限條件下，51、PPT學(xué)習(xí)交流、推挽變換器的變壓器利用率高，二次側(cè)頻率比正激變換器提高兩倍，因此電抗器可以做得很小。推挽變換器與單管變換器相比，元件更多，但與兩個單管變換器相比，元件更少，更經(jīng)濟(jì)，因此通常用于單管領(lǐng)域以外的容量范圍。推挽變換器電路的缺點(diǎn)是所用晶體管的電壓是變換器輸入電壓的兩倍。由于高壓大電流晶體管不受歡迎，限制了其在大功率變換器中的普及。52、PPT學(xué)習(xí)交