直流電源拓撲

1、高頻開關(guān)直流電源二 、 拓 撲拓 撲lBuck變換器lBoost變換器lBuck-Boost變換器lCuk變換器l反激變換器l正激變換器l推挽變換器l半橋變換器l全橋變換器n 工作原理l 工作模態(tài)l 波形l 狀態(tài)方程l 傳遞函數(shù)n 參數(shù)設(shè)計n 應用拓 撲Buck變換器(a)(a)導通狀態(tài)導通狀態(tài)(b)(b)關(guān)斷狀態(tài)關(guān)斷狀態(tài)DEuoBoost變換器(a)(a)導通狀態(tài)導通狀態(tài)(b)(b)關(guān)斷狀態(tài)關(guān)斷狀態(tài)in21111-OUMUDD(1)nCCM工作模式Boost變換器(a)(a)導通狀態(tài)導通狀態(tài)(b)(b)關(guān)斷狀態(tài)關(guān)斷狀態(tài)(c)(c)導通、電流斷續(xù)狀態(tài)導通、電流斷續(xù)狀態(tài)12in221112/2O

2、LLSUDDMUDDLRT(2)nDCM工作模式Boost變換器21111-MDD21112/2LDM占空比增益關(guān)系曲線Boost變換器2212(/)LCCR DrRRRDRR(a)(a)理想電路理想電路(b)(b)實際電路實際電路2221D RMDrin21111-OUMUDDBoost變換器2221D RMDr理想和實際狀態(tài)下增益理想和實際狀態(tài)下增益M=f(D1)M=f(D1)曲線曲線2212(/)LCCR DrRRRDRRBoost變換器n應用功率因數(shù)校正（PFC）Buck-Boost(升降壓)變換器EDDuo1CUK變換器CUK變換器11111111SCOCoSVUDUUDUDMVDl

3、 單端變換電路，它與雙端電路的主要區(qū)別在于高頻變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側(cè)（第一象限）。l 按高頻變壓器副邊開關(guān)整流二極管連接方式不同，單端變換電路可分為單端反激和單端正激兩種形式。單端變換器l 高壓開關(guān)管Q在觸發(fā)脈沖驅(qū)動下導通時，輸入直流電壓Vi正向地加到變壓器的初級Np 。由于次級二極管接反,次級沒有電流流過,變壓器(電感)儲存能量。l 變壓器初級電流(磁通)是單向的，故稱單端變壓器；輸出電容器C和負載只是在開關(guān)管截止時從變壓器次級獲得能量，稱之為反激式。l 將一個開關(guān)周期分為兩個階段，并設(shè)變壓器T初次級電感Lp和LS為常量。單端反激式變換器HIPiPMONPVItLipip的最大值

4、的最大值iPPVdidtLn 開關(guān)管導通時開關(guān)管導通時+ +n 開關(guān)管關(guān)斷時開關(guān)管關(guān)斷時+ +- -0sSMSViItL=PSMPMSNIIN單端反激式變換器n電流斷續(xù)工作模式電流斷續(xù)工作模式 完全能量傳遞方式完全能量傳遞方式n電流連續(xù)工作模式電流連續(xù)工作模式不完全能量傳遞方式不完全能量傳遞方式0SoffSMLtIV0SoffSMLtIV單端反激式變換器不完全不完全能量傳能量傳遞遞電流存電流存在直流在直流分量分量容易容易磁飽和磁飽和磁芯加磁芯加氣隙氣隙磁化曲線向磁化曲線向H軸傾斜軸傾斜傳遞更多的傳遞更多的能量能量單端反激式變換器氣隙較小氣隙較小 氣隙較大氣隙較大r2221d1=()2WBeBP

5、PPPfVH BLIIl部分能量存儲部分能量存儲在氣隙里在氣隙里VeVe磁芯和氣隙的磁芯和氣隙的有效體積有效體積單端反激式變換器n氣隙的作用氣隙的作用減小剩余磁感應強減小剩余磁感應強度度增加增加Hac的工作的工作范圍范圍可加上更大的可加上更大的H值值即直流電流分量更大即直流電流分量更大不改變飽和磁感應不改變飽和磁感應強度強度減小有效磁導率減小有效磁導率 （B/H曲線斜率）曲線斜率）單端反激式變換器開關(guān)應力高的原因開關(guān)應力高的原因變壓器的漏感變壓器的漏感負載線不夠合理，存在電感負載線不夠合理，存在電感抑制開關(guān)應力抑制開關(guān)應力減少漏感減少漏感耗散過電壓的能量耗散過電壓的能量使能量反饋回電源中使能量

6、反饋回電源中單端反激式變換器n開關(guān)過電壓的抑制方法：開關(guān)過電壓的抑制方法：耗散過電壓的能量耗散過電壓的能量單端反激式變換器n開關(guān)過電壓的抑制方法：開關(guān)過電壓的抑制方法：能量反饋回電源能量反饋回電源單端反激式變換器n緩沖網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點：緩沖網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點：減少開關(guān)管電壓應力減少開關(guān)管電壓應力減少減少EMI使負載軌跡不超過安全工作區(qū)使負載軌跡不超過安全工作區(qū)單端反激式變換器無緩沖網(wǎng)絡(luò)無緩沖網(wǎng)絡(luò)有緩沖網(wǎng)絡(luò)有緩沖網(wǎng)絡(luò)無緩沖網(wǎng)絡(luò)無緩沖網(wǎng)絡(luò)有緩沖網(wǎng)絡(luò)有緩沖網(wǎng)絡(luò)n 單端正激式變換器與反激式不同之處在于開關(guān)管Q導通期間輸入電壓經(jīng)變壓器T向輸出電容C和負載提供能量，稱為正激式n 在結(jié)構(gòu)上，變壓器T增加一去磁線圈Nt，N

7、t匝數(shù)與Np相同。n 其工作過程也可分以下兩個階段單端正激式變換器n t=0時，開關(guān)管Q從截止變?yōu)閷ǎ斎腚妷赫虻丶拥匠跫壚@組Np,根據(jù)同名端原理，次級繞組Ns電壓為上正下負。n 二極管D2導通，輸入端能量經(jīng)變壓器T、二極管D2提供給電感L、電容C和負載。n 當t=t1時，開關(guān)管導通結(jié)束n Ip的最大值0iOMONPIVItnL第一階段：第一階段：n 當t=t1時，開關(guān)管Q從導通變?yōu)榻刂?，由于ip電流不能突變,變壓器T各繞組電壓反向,次級繞組上正下負使D2截止，D3導通，電感L向負載提供能量，這時去磁線圈Nt的感應電勢為上正下負，D1導通起到續(xù)流和去磁作用。第二階段：第二階段：n 通過D1

8、的電流的最大值為n 當t=t2時，開關(guān)管截止結(jié)束n 從下一個開關(guān)周期Ts，ip又從 開始按 線性增加。iDIMONPVItL1221offTtttiPVtL第二階段：第二階段：0Inn 圖中ip的陰影部分為變壓器T的激磁電流，它與去磁電流的陰影部分對應。n 為保證磁心磁通密度總能無偏差地復位到磁滯回線的起始點,施于變壓器繞組的復位伏秒數(shù)與置位伏秒數(shù)必須能夠相等。否則將使變壓器磁心趨于飽和，損壞開關(guān)管。n 若Np=Nt,則該變換器最大占空比為0.5。l 雙端變換電路，高頻變壓器的磁心工作在磁滯回線的第一、三象限。l 主要電路有推挽式、全橋式、半橋式等雙端變換器l 高壓開關(guān)管BG1、BG2受脈寬觸

9、發(fā)信號控制，以PWM方式激勵（兩脈沖等幅、等寬、互補、有死區(qū)）推挽式變換器l 高壓開關(guān)管BG1、BG2受脈寬觸發(fā)信號控制，以PWM方式激勵（兩脈沖等幅、等寬、互補、有死區(qū)）推挽式變換器l 開關(guān)管開通瞬間有電流尖峰副邊開關(guān)整流二極管反向恢復時間內(nèi)所造成的短路，以及集射極間的保護電容放電。l 關(guān)斷瞬間的集射極電壓疊加尖峰 變壓器的漏感儲能造成的，該尖峰電壓有可能使高壓開關(guān)管承受兩倍以上的輸入電壓。推挽式變換器l 優(yōu)點： 兩管能獲得較大功率輸出，兩驅(qū)動信號彼此不用絕緣，適合于低輸入電壓的場合。推挽式變換器l 當一對開關(guān)管截止時，若兩電容器容量相等且電路對稱，電容中點A的電壓為E/2l 當S1被觸發(fā)導

10、通，E/2被正向加到NP的初級l 當S2被觸發(fā)導通， E/2被反向加到NP的初級，有死區(qū)地輪換觸發(fā)兩開關(guān)管，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成交流方波電壓。半橋式變換器l S1導通l S2關(guān)斷半橋式變換器l S2導通l S1關(guān)斷半橋式變換器l 晶體管從導通轉(zhuǎn)為截止時，疊加漏感尖峰被箝位于E。因此高壓開關(guān)管上承受的尖峰電壓也不超過電源電壓，而且晶體管數(shù)量只有全橋式的一半，這是它的優(yōu)點。l 缺點在于，高頻變壓器上的電壓幅值只有E/2,欲得到和全橋、推挽式相同的輸出功率，高壓開關(guān)管必須流過兩倍的電流。一般半橋式只宜獲得中等容量輸出。l 半橋式電路的一個極重要的特點是其具有抗不平衡能力。全橋式變換器22OONSSP

11、PUTNNDETNNl 全橋式電路穩(wěn)定時，開關(guān)管施加的最高電壓為E，瞬態(tài)電壓峰值箝位于E，較推挽耐壓要求低。另外箝位二極管將漏感能量歸還電源，有益于提高效率。l 電路使用了四個高壓開關(guān)管，需要四組彼此絕緣的基極驅(qū)動電路，電路復雜，元件多。l 變壓器原邊磁通容易出現(xiàn)不平衡，需串聯(lián)隔直電容l 隔直電容的作用Tr4Tr2QDTr1Tr3Tr1tl超前橋臂超前橋臂 Tr1、Tr3l滯后橋臂滯后橋臂 Tr2、Tr4移相全橋變換器l改變對管驅(qū)改變對管驅(qū)動電壓的移相動電壓的移相角來調(diào)節(jié)輸出角來調(diào)節(jié)輸出電壓電壓l利用諧振實利用諧振實現(xiàn)零電壓開通現(xiàn)零電壓開通Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊

12、繞組電壓副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t1之前之前+功率傳輸功率傳輸t1Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t1t1+C C1 1+C+C3 3與與L Lr r+n+n2 2L Lf諧振諧振C C3 3被原邊電流充電，被原邊電流充電，T Tr3r3實現(xiàn)近似零電壓關(guān)斷實現(xiàn)近似零電壓關(guān)斷C C1 1放電到零，為放電到零，為Tr1零零電壓開通提供條件電壓開通提供條件+t1112PCIUtC332PCIUEtClead2PCEtI死區(qū)時間死區(qū)時間Tr1Tr3Tr4Tr2QTr

13、3Tr4IPI100副邊繞組電壓副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t1t2 D D1 1導通，為導通，為Tr1零電壓零電壓開通提供條件開通提供條件l t2t3 D D1 1導通導通t1Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9+l t3t3C C2 2+C+C4 4與與L Lr r諧振諧振C C4 4被原邊電流充電，被原邊電流充電，T Tr4r4實現(xiàn)近似零電壓關(guān)斷實現(xiàn)近似零電壓關(guān)斷C C2 2放電到零，為放電到零，為Tr2零零電壓開通提供條件電壓開通提供條件原邊電感儲能反饋回原邊電

14、感儲能反饋回電網(wǎng)電網(wǎng)D DO1O1導通，導通， D DO2O2續(xù)流導通續(xù)流導通, , 副邊繞組鉗位副邊繞組鉗位 在在1.4V1.4V+占空比丟失占空比丟失t1t3Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t3t4 D D2 2導通，為導通，為Tr2零電壓零電壓開通提供條件開通提供條件原邊電感儲能反饋回原邊電感儲能反饋回電網(wǎng)電網(wǎng)+D DO1O1導通，導通， D DO2O2續(xù)流導通續(xù)流導通, , 副邊繞組鉗位副邊繞組鉗位 在在1.4V1.4Vdi/dt=E/Lr占空比丟失占空比丟失t1t4t3Tr1Tr3Tr4T

15、r2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t4t5 D D2 2導通，為導通，為Tr2零電壓零電壓開通提供條件開通提供條件di/dt=E/Lr+占空比丟失占空比丟失+t1t3t4Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t5t6+占空比丟失占空比丟失+功率傳輸功率傳輸t1t3t41652()=(- )OrfEnUi IttLn Ll零電壓開關(guān)的實質(zhì)零電壓開關(guān)的實質(zhì) 利用諧振過程對并聯(lián)電利用諧振過程對并聯(lián)電容充放電，讓同橋臂的某容充放電，讓同橋臂的某個開關(guān)管電壓快速上升，個開關(guān)管電壓快速上升，另個開關(guān)管降至零，并由另個開關(guān)管降至零，并由反并聯(lián)二極管箝在反并聯(lián)二極管箝在0V，為，為ZVS創(chuàng)造條件。創(chuàng)造條件。移相全橋變換器l開關(guān)轉(zhuǎn)換時電容充放電能開關(guān)轉(zhuǎn)換時電容充放電能 WC=CE2l電感為電容充放電提供的磁能電感為電容充放電提供的磁能 WL=LI2/2超前臂超前臂WL=(Lr+n2Lf)I2/2+勵磁能量勵磁能量滯后臂滯后臂WL=LrI2/2移相全