開關(guān)電源原理、設(shè)計及實例第第4章變壓器隔離的DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

1、本章首先對DC-DC變換、實現(xiàn)方法行了概述，介紹了DC-DC變換中變壓器所起的作用，重點對5種DC-DC電路拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵節(jié)點的波形圖進行了論述，包括：單端正激式、單端反激式、半橋式、全橋式和推挽式電路。最后概括地介紹了上述5種結(jié)構(gòu)電路中電路元器件及輸入、輸出參數(shù)的計算方法。本章要求了解DC-DC電路技術(shù)的內(nèi)涵，重點掌握DC-DC電路拓撲結(jié)構(gòu)特點、原理及工作過程，從而使后續(xù)各章的學(xué)習目標更加明確。一般電力(如市電)要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。轉(zhuǎn)換方式有交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率中取小功率等。按電力電子的習慣稱謂，AC-DC(AC表示交流電，DC表示直流電)稱為整流，D

2、C-AC稱為逆變，AC-AC稱為交流-交流直接變頻(同時也變壓)，DC-DC稱為直流-直流變換。開關(guān)電源主要組成部分是DC-DC變換器，涉及頻率變換，其實把直流電壓變換為另一種直流電壓最簡單辦法是串一個電阻，這樣不涉及變頻的問題，顯得很簡單，但是效率低。用一個半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器的負載線路與直流電壓一會相接，一會斷開，則負載上也得到另一個直流電壓。這就是DC-DC的基本手段，類似于“斬波”(Chop)作用。單端雙端正激反激推挽半橋全橋單管雙管DC-DC變換器帶變壓隔離器的變換器是從第3章基本變換器派生、組合、演變而來的。它們從哪個基本變換器變來，就帶有哪個基本變換器的本質(zhì)特征。

3、所謂派生，是指變壓隔離器插入到各基本變換器各不同的點上而形成的電路。由于變壓隔離器有單端式、并聯(lián)式、半橋式和全橋式四種，因此，可得到很多電路。所謂組合是指變換器的串聯(lián)形式引起的變化。例如降壓與升壓變換器相串，或者升壓與降壓變換器相串等等。這與第3章討論的角度不同，本章是有意識地往隔離方向引導(dǎo)，并加以討論，從而得到一些有應(yīng)用價值、使用較廣的電路。圖4-1給出了隔離DC-DC變換器功能示意圖。圖 4-1 隔離DC-DC變換器功能示意圖 升壓和降壓等變換器可以完成直流電壓的變換。但實際上存在著轉(zhuǎn)換功能上的局限性，例如，輸入輸出不隔離，輸入輸出電壓比或電流比不能過大以及無法實現(xiàn)多路輸出等。這種局限性只

4、能用另一種開關(guān)變換器中的重要組件變壓隔離器來克服。下面列出采用變壓器隔離結(jié)構(gòu)的原因：u輸出端與輸入端之間需要隔離；u變壓器可以同時輸出多組不同數(shù)值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數(shù)比和漆包線截面積的大小即可；u變壓器初、次級互相隔離，不需共用同一個地。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。這里的離線并不是不需要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒有導(dǎo)線連接，完全是通過磁場偶合傳輸能量；u變壓器開關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進行電器隔離的最大好處是，提高設(shè)備的絕緣強度，降低安全風險，同時還可以減輕EMI干擾，并且還容易進行功率匹配；u交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率

5、，可以減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量；工作頻率高于20kHz這一人耳的聽覺極限，又可以避免變壓器和電感產(chǎn)生噪音。表 4-1 各種不同的間接直流變流電路的比較拓撲結(jié)構(gòu)電路優(yōu)缺點功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單難以達到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設(shè)備、計算機設(shè)備、消費電子設(shè)備電源全橋變壓器雙向激磁，容易達到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源

6、等半橋變壓器雙向激磁，沒有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計算機電源等推挽變壓器雙向激磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源4.2.1 4.2.1 簡介簡介 單端正激變換器是一個隔離開關(guān)變換器，隔離型變換器的一個根本特點是有一個用于隔離的高頻變壓器，所以可以用于高電壓的場合。由于引入了高頻變壓器極大的增加了變換器的種類，豐富了變換器的功能，也有效的擴大了變換器的使用范圍。單端正激變換器拓撲以其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于獨立的離線式中小功率電源設(shè)計

7、中。在計算機、通信、工業(yè)控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，這類電源具有廣闊的市場需求。 所謂單激式變壓器開關(guān)電源，是指開關(guān)電源在一個工作周期之內(nèi)，變壓器的初級線圈只被直流電壓激勵一次。一般單激式變壓器開關(guān)電源在一個工作周期之內(nèi)，只有半個周期向負載提供功率(或電壓)輸出。當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈也正好向負載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源；當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源，這種結(jié)構(gòu)將在4.3節(jié)中詳細介紹。4.2.2電路結(jié)構(gòu)及工作原理 為使變換器結(jié)構(gòu)簡單，提高可靠性，減少成本和重量，圖4-2示出了單端變壓隔離器與降壓變換器結(jié)合的線路。這是一個原邊、副邊同時工作的線路，稱為正激變換器（Fo