隔離型DCDC變換器

1、隔離型隔離型DC/DCDC/DC變變換器換器1參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 張占松，蔡宣三張占松，蔡宣三 .開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社3.1 變壓隔離器的理想結(jié)構(gòu)變壓隔離器的理想結(jié)構(gòu)2 SIOMN ANG, ALEJANDRO OLIVA. 開(kāi)關(guān)功率變換開(kāi)關(guān)功率變換器器開(kāi)關(guān)電源的原理、仿真和設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社開(kāi)關(guān)電源的原理、仿真和設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社4.2 正激變換器正激變換器概述概述非隔離的非隔離的DC/DC變換器的局限性變換器的局限性輸入輸出不隔離，形成地線上的環(huán)流輸入輸出不隔離，形成地線上的環(huán)流輸入輸出電壓比或電流比不能太大輸入輸出電壓比或電流比不能

2、太大無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路輸出無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路輸出3解決方法解決方法采用變壓隔離器采用變壓隔離器概述概述 理想變壓隔離器的特征理想變壓隔離器的特征從輸入到輸出能夠通過(guò)所有的信號(hào)頻率，即從理想的從輸入到輸出能夠通過(guò)所有的信號(hào)頻率，即從理想的直流到交流都能變換；直流到交流都能變換；變換時(shí)可不考慮能量損耗；變換時(shí)可不考慮能量損耗；變換中能提供任何選定的電壓和電流變比變換中能提供任何選定的電壓和電流變比能使輸入和輸出之間完全隔離能使輸入和輸出之間完全隔離變換時(shí)，無(wú)論從原邊到副邊，或副邊到原邊，都是一變換時(shí)，無(wú)論從原邊到副邊，或副邊到原邊，都是一樣方便有效樣方便有效4理想的變壓隔離器符號(hào)理想的變壓隔離器符號(hào)概述概述常

3、見(jiàn)的變壓隔離器電路常見(jiàn)的變壓隔離器電路5單端變壓隔離電路單端變壓隔離電路雙端變壓隔離電路雙端變壓隔離電路主要應(yīng)用于中小功率電路主要應(yīng)用于中小功率電路優(yōu)點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單缺點(diǎn)缺點(diǎn)： （1）輸入電流脈動(dòng)）輸入電流脈動(dòng)（2）S1關(guān)斷時(shí)承受高壓關(guān)斷時(shí)承受高壓（3）閉路峰值電流大）閉路峰值電流大概述概述常見(jiàn)的變壓隔離器電路常見(jiàn)的變壓隔離器電路6半橋變壓隔離電路半橋變壓隔離電路全橋變壓隔離電路全橋變壓隔離電路隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器電路的構(gòu)成電路的構(gòu)成7基本基本buck變換電路拓?fù)渥儞Q電路拓?fù)銪uck變換器工作波形變換器工作波形隔離型隔離型Buck變換器變換器單

4、端正激變換器單端正激變換器電路的構(gòu)成電路的構(gòu)成8隔離型隔離型buck（正激（正激 Forward）變換器）變換器隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器工作原理工作原理9N3+VD2：將殘存的能量饋送到輸入端，即進(jìn)行磁復(fù)位。：將殘存的能量饋送到輸入端，即進(jìn)行磁復(fù)位。由于磁芯的磁滯效應(yīng)，當(dāng)具有非零直流由于磁芯的磁滯效應(yīng)，當(dāng)具有非零直流平均電壓的單向脈沖加到變壓器初級(jí)繞平均電壓的單向脈沖加到變壓器初級(jí)繞組上，線圈電壓或電流回到零時(shí)，磁芯組上，線圈電壓或電流回到零時(shí)，磁芯中磁通并不回到零，這就是中磁通并不回到零，這就是剩磁通剩磁通。剩。剩磁通的累加可能導(dǎo)致磁通的累加可能導(dǎo)致磁芯飽

5、和磁芯飽和，因此需，因此需要采用磁復(fù)位（去磁技術(shù)）要采用磁復(fù)位（去磁技術(shù)）2LLNodiuuuLdt（2）電感）電感L儲(chǔ)能，電流儲(chǔ)能，電流直線上升直線上升隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器工作原理工作原理10能量傳遞階段能量傳遞階段VT導(dǎo)通導(dǎo)通UN2UO工作原理工作原理11隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器磁復(fù)位階段磁復(fù)位階段VT截止截止LLodiuuLdt （2）副邊：）副邊：VD截止，截止，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，L向負(fù)載釋放向負(fù)載釋放能量，電流直線下降。能量，電流直線下降。1313max0.5NNrstont Nt ND 工作原理工作原理12

6、隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器續(xù)流階段續(xù)流階段VD2截止截止磁芯中的能量釋放完畢。磁芯中的能量釋放完畢。VD1導(dǎo)通或截止導(dǎo)通或截止（1）如果電感儲(chǔ)能能夠）如果電感儲(chǔ)能能夠維持電流連續(xù)至下個(gè)周期維持電流連續(xù)至下個(gè)周期開(kāi)始，開(kāi)始，VD1始終導(dǎo)通。始終導(dǎo)通。（2）如果電感電流斷續(xù)，）如果電感電流斷續(xù)，則則VD1截止。截止。工作原理工作原理13隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器uVD1Uo輸出電壓平均值輸出電壓平均值13(1)DSiNUUNVT截止時(shí)截止時(shí)2211onoiitNNUUDUNTN隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激

7、變換器 正激變換器的設(shè)計(jì)正激變換器的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)管的選擇開(kāi)關(guān)管的選擇 （1）開(kāi)關(guān)管的漏極額定電流必須大于流過(guò)）開(kāi)關(guān)管的漏極額定電流必須大于流過(guò)IGBT漏極漏極實(shí)際電流實(shí)際電流IDmax。14max2maxmax1LDLINIINnmaxLLLOLIIIII2/NOiOLononiOUUUn UIttLLUnUDnfL （2）當(dāng)）當(dāng)N1=N3時(shí)，開(kāi)關(guān)管承受最大電壓為時(shí)，開(kāi)關(guān)管承受最大電壓為2Ui隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器整流二極管、續(xù)流二極管的選擇整流二極管、續(xù)流二極管的選擇 （1）流過(guò)整流二極管和續(xù)流二極管中的電流峰值均為）流過(guò)整流二極管和續(xù)流二極管中的電流峰值均

8、為電感電流峰值電感電流峰值 （2）VD1承受最大電壓出現(xiàn)在承受最大電壓出現(xiàn)在VT導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) （3）VD承受最大電壓出現(xiàn)在承受最大電壓出現(xiàn)在VT截止時(shí)截止時(shí)15max1maxiOVDVDOUnUIIIDnfLmax2/VDNiUUUnmax/VDiUUn隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器多路輸出的正激變換器原理圖多路輸出的正激變換器原理圖16隔離型隔離型Buck變換器變換器單端正激變換器單端正激變換器例例 前頁(yè)所示正激變換器，輸入電源電壓前頁(yè)所示正激變換器，輸入電源電壓60V，二，二次主輸出的平均輸出電壓為次主輸出的平均輸出電壓為5V,開(kāi)關(guān)頻率為開(kāi)關(guān)頻率為1kHz，輸

9、出電感電流紋波最大值為，輸出電感電流紋波最大值為0.1A，原邊，原邊邊繞組匝數(shù)邊繞組匝數(shù)60，匝比，匝比Nr/Np等于等于1。求：。求： （1）副邊主繞組匝數(shù)最小值）副邊主繞組匝數(shù)最小值Nsm； （2）輸出濾波電感）輸出濾波電感Lom的值。的值。17隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 電路的構(gòu)成電路的構(gòu)成18基本基本Buck-Boost變換器變換器隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器電感電感隔離變換器隔離變換器隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器電路的構(gòu)成電路的構(gòu)成19單端反激式（單端反激式（Flyback）變換

10、器）變換器VT導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，VD截止截止VT截止時(shí)，截止時(shí)，VD導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通終了時(shí)，導(dǎo)通終了時(shí)，i1的幅值的幅值隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 工作原理工作原理20VT導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，VD截止截止i1i211iUitL11iPonUItLVT截止時(shí)，截止時(shí)，VD導(dǎo)通導(dǎo)通I2p為為VT截止時(shí)截止時(shí)i2的幅值的幅值222OPUiItL1212PPNIIN隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 3種工作狀態(tài)種工作狀態(tài)變壓器磁通臨界連續(xù)狀態(tài)變壓器磁通臨界連續(xù)狀態(tài)21VT截止時(shí)間截止時(shí)間toff和繞組和繞組N2中電流中電流i2

11、衰減到零所需的時(shí)間相等衰減到零所需的時(shí)間相等隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器變壓器磁通不連續(xù)狀態(tài)變壓器磁通不連續(xù)狀態(tài)22VT截止時(shí)間截止時(shí)間toff比繞組比繞組N2中電流中電流i2衰減到零所需的時(shí)間更長(zhǎng)衰減到零所需的時(shí)間更長(zhǎng)即即 toff(L2/UO)I2P隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 輸入輸出電壓關(guān)系輸入輸出電壓關(guān)系23即輸入功率為即輸入功率為21 112LPWL I21 112LiPWPL ITT輸出功率為輸出功率為2OOLUPR假定假定電路無(wú)損電路無(wú)損12LOi onRUU tLT結(jié)論：結(jié)論：（1）Uo與

12、負(fù)載與負(fù)載RL有關(guān)，有關(guān)， RL Uo （2） Uo與導(dǎo)通時(shí)間成正比與導(dǎo)通時(shí)間成正比（3）與電感量）與電感量L1成反比成反比隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 開(kāi)關(guān)管承受電壓開(kāi)關(guān)管承受電壓24112NONUUN112DSiNiONUUUUUN隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 變壓器磁通連續(xù)狀態(tài)變壓器磁通連續(xù)狀態(tài)25VT截止時(shí)間較小，截止時(shí)間較小，toff 0隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 電壓傳輸比電壓傳輸比26VT導(dǎo)通導(dǎo)通221/NiiNUUUnNVT截止截止2NOUU伏秒

13、伏秒平衡平衡(1)ionO offOonVioffUtU tnUtDAUntnD隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器單端反激變換器單端反激變換器 變換器的設(shè)計(jì)變換器的設(shè)計(jì)變壓器磁通不連續(xù)變壓器磁通不連續(xù)27222(1)OOPoffUUItDLfL22/1OP offOPII tTIDI 22OOPU IIfL開(kāi)關(guān)管的選擇開(kāi)關(guān)管的選擇2max12212OODPPU INIIINn fLmaxDSiOUUnU整流二級(jí)管的選擇整流二級(jí)管的選擇max222OODPU IIIn fLmax/VDiOUUnU單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)28 使用單端使用單端變壓隔離器變

14、壓隔離器遇到的問(wèn)題遇到的問(wèn)題如何使變壓器如何使變壓器磁芯在每個(gè)脈磁芯在每個(gè)脈動(dòng)工作磁通之動(dòng)工作磁通之后都能回復(fù)到后都能回復(fù)到磁通起始值磁通起始值開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流很大開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流很大開(kāi)關(guān)段開(kāi)始，過(guò)電壓很高開(kāi)關(guān)段開(kāi)始，過(guò)電壓很高如果每個(gè)周期不去磁，如果每個(gè)周期不去磁，剩余磁通的累加可能剩余磁通的累加可能導(dǎo)致磁芯飽和導(dǎo)致磁芯飽和單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)磁芯復(fù)位線路種類(lèi)磁芯復(fù)位線路種類(lèi)29 把磁芯殘存能量把磁芯殘存能量自然地轉(zhuǎn)移，在為了自然地轉(zhuǎn)移，在為了復(fù)位所加的元件上消復(fù)位所加的元件上消耗掉，或者把殘存能耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸量反饋到輸入端或輸出端出

15、端方法一方法一 通過(guò)外加能量的通過(guò)外加能量的方法強(qiáng)迫磁芯的磁狀方法強(qiáng)迫磁芯的磁狀態(tài)復(fù)位態(tài)復(fù)位方法二方法二單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù) 2種典型的磁芯磁滯特性曲線種典型的磁芯磁滯特性曲線30低低Br鐵氧體、鐵粉磁芯、非晶合金磁芯鐵氧體、鐵粉磁芯、非晶合金磁芯復(fù)位常用轉(zhuǎn)移損耗法，線路簡(jiǎn)單可靠復(fù)位常用轉(zhuǎn)移損耗法，線路簡(jiǎn)單可靠高高Br無(wú)氣隙的晶粒取向鎳鐵合金磁芯無(wú)氣隙的晶粒取向鎳鐵合金磁芯復(fù)位常用強(qiáng)迫法，線路較復(fù)雜復(fù)位常用強(qiáng)迫法，線路較復(fù)雜單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù) 低低Br的去磁方法的去磁方法31轉(zhuǎn)移損耗法磁芯去磁線路轉(zhuǎn)移損耗法磁芯去磁線路（

16、a）與原邊繞組連接）與原邊繞組連接（b）與副邊繞組連接）與副邊繞組連接單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)低低Br的去磁方法的去磁方法32再生式磁芯去磁線路再生式磁芯去磁線路（a）能量）能量電源電源（b）能量）能量負(fù)載負(fù)載單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)高高Br的去磁方法的去磁方法33強(qiáng)制磁芯去磁各種方法強(qiáng)制磁芯去磁各種方法（a）加恒流源和變壓器附加繞組）加恒流源和變壓器附加繞組（b）外部加永久磁鐵）外部加永久磁鐵單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)高高Br的去磁方法的去磁方法34強(qiáng)制磁芯去磁各種方法強(qiáng)制磁芯去磁各種方法（c）利用

17、濾波電感作為恒流源）利用濾波電感作為恒流源單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù) 高電壓源變換器中去磁電路高電壓源變換器中去磁電路35雙開(kāi)關(guān)、單端去磁線路雙開(kāi)關(guān)、單端去磁線路（a）利用）利用 原邊繞組本身原邊繞組本身（b）利用部分原邊繞組）利用部分原邊繞組雙管正激式雙管正激式DC/DC變換器變換器 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)36 工作原理工作原理VT2VT1、VT2同時(shí)動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通：同時(shí)導(dǎo)通：UNPUNS，iVD3 ，iVD4 IP=IS/n（n=NP/NS）VT1、VT2同時(shí)關(guān)斷：同時(shí)關(guān)斷：VD1，VD2能量反饋回能量反饋回Ui，并嵌，并嵌位；位；VD3關(guān)斷，關(guān)

18、斷，VD4 續(xù)流導(dǎo)通續(xù)流導(dǎo)通注意點(diǎn)：注意點(diǎn)：D 0.5VD4反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間漏感值漏感值全橋變換器全橋變換器 全橋變換器的構(gòu)成全橋變換器的構(gòu)成37全橋變換器電路拓?fù)溲葑冞^(guò)程全橋變換器電路拓?fù)溲葑冞^(guò)程優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：UVT1maxUVT2max Ui缺點(diǎn)：變壓器利用率較低缺點(diǎn)：變壓器利用率較低1.大功率場(chǎng)合常用電路大功率場(chǎng)合常用電路2.VT1和和VT2 或或VT3和和VT4同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)導(dǎo)通3.變壓器得到充分利用變壓器得到充分利用全橋變換器全橋變換器 工作原理工作原理38t1t2: uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4關(guān)斷；關(guān)斷； uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui t

19、2t3: uG2,3=1， VT2 , VT3導(dǎo)通，導(dǎo)通，UNP =-Ui ； iVD6 ，iVD5VD6導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD5關(guān)斷關(guān)斷t3t4: uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4關(guān)斷；關(guān)斷； uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui 22ii onOSPU DU tUNnN T全橋變換器全橋變換器緩沖器的組成及作用緩沖器的組成及作用39全橋變換器全橋變換器 緩沖器的組成及作用緩沖器的組成及作用40兩種運(yùn)行方式的兩種運(yùn)行方式的B-H范圍范圍半橋變換器半橋變換器 半橋變換器的構(gòu)成半橋變換器的構(gòu)成41半橋式變換器的電路拓?fù)浒霕蚴阶儞Q器的電路拓?fù)?. 用用2個(gè)相同的電容器代替?zhèn)€相同

20、的電容器代替2個(gè)晶體管個(gè)晶體管2. 降低成本，增大電路體積降低成本，增大電路體積3. 常用于低功率變換器常用于低功率變換器4. 初級(jí)電壓峰值為全橋電路一半，電流為全橋的初級(jí)電壓峰值為全橋電路一半，電流為全橋的2倍倍半橋變換器半橋變換器 工作原理工作原理42t1t2: uG1=uG2=0，VT1、VT2關(guān)斷，關(guān)斷，UNP =0； uVT1=uVT2=(1/2)Ui ； VD5、VD6均導(dǎo)通為均導(dǎo)通為L(zhǎng)提供續(xù)流回路提供續(xù)流回路t2t3: uG2=1， VT2 導(dǎo)通，導(dǎo)通，UNP =-(1/2)Ui ； iVD6 ，iVD5VD6導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD5關(guān)斷關(guān)斷t3t4: uG1=uG2=0，VT1、VT2關(guān)斷；關(guān)斷； uVT1=uVT2=(1/2)Ui 122ii onOSPUDU tUNnN T半橋變換器半橋變換器 橋式分壓電容器的選擇橋式分壓電容器的選擇43初級(jí)電流初級(jí)電流/2OPiPIUVT1和和VT2導(dǎo)通時(shí)，從導(dǎo)通時(shí)，從A點(diǎn)充電或取電點(diǎn)充電或取電在半周期中