正激式变换器ForwardConverter的介绍PPT课件

1、2021-12-191正激式变换器正激式变换器 （Forward Converter）的介绍）的介绍 BuckBuck、BoostBoost和和Buck/Boost Buck/Boost 变换器都是不隔变换器都是不隔离的直流变换器。（不隔离就是指输入和输出离的直流变换器。（不隔离就是指输入和输出共共地地）。具有隔离的直流变换器也可按单管、两管和）。具有隔离的直流变换器也可按单管、两管和四管分类。单管隔离直流变换器有正激（四管分类。单管隔离直流变换器有正激（forward)forward)和反激（和反激（flybackflyback) )两种。两种。 隔离式直流变换器都用变压器实现电气隔离。隔离

2、式直流变换器都用变压器实现电气隔离。为了减小损耗和改善电力电子器件的工作条件，变为了减小损耗和改善电力电子器件的工作条件，变压器各绕组应紧密耦合，尽量减小压器各绕组应紧密耦合，尽量减小漏磁漏磁。 磁复位的引入：磁复位的引入： 正激直流变换器变压器铁芯的磁复位有多种方正激直流变换器变压器铁芯的磁复位有多种方法，在输入端接复位绕组是最基本的方法，其次还法，在输入端接复位绕组是最基本的方法，其次还有有RCDRCD复位，复位，LCDLCD复位和有源箝位等磁复位方法。下复位和有源箝位等磁复位方法。下面介绍具有复位绕组的正激变换器。面介绍具有复位绕组的正激变换器。 2021-12-192变换器的介绍：变换

3、器的介绍： Transformer introduction Transformer introduction 变压器：原边（原级）变压器：原边（原级）primary side 和和副边（次级）副边（次级）secondary side原边电感（励磁电感）原边电感（励磁电感）-magnetizing inductance-magnetizing inductance 漏感漏感-leakage inductance-leakage inductance副边开路或者短路测量原边电感分别得励磁电感和漏感副边开路或者短路测量原边电感分别得励磁电感和漏感 *D3D1N4148L1470uR1D1D1N41

4、4836 V1Q1IRF530C1D2D1N4148TX1*原边（原边（Primary side)副边（副边（secondary side)磁复位绕组磁复位绕组(demagnetizing winding)W1W2W3 1. 复位绕组的正激变换器的结构复位绕组的正激变换器的结构 Forward converter with reset winding2021-12-194 Forward Forward 变换器实际上是降压式变换器中插入隔变换器实际上是降压式变换器中插入隔离变压器而成。变压器中有三个绕组，原边绕组离变压器而成。变压器中有三个绕组，原边绕组W1W1，副边绕组副边绕组W2W2，复位

5、绕组，复位绕组W3,W3,图中绕组符号标有图中绕组符号标有“* *”号号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。的始端。D3D3是复位绕组是复位绕组W3W3的串联二极管。下图的串联二极管。下图a a、b b、c c 给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。 2021-12-195 (a) (b) (c) 正激变换器工作在不正激变换器工作在不同模态的等效电路同模态的等效电路 TX1*C136 V1D1D1N4148R1L1470u*D3D1N4148L1470uR136 V1C1D2D1N41

6、48*TX1L1470uR1C1D2D1N41482021-12-196 2. 带复位绕组的正激变换器的工作原理分析带复位绕组的正激变换器的工作原理分析 正激变换器的主要理论波形正激变换器的主要理论波形 下面讨论电感电流连续时下面讨论电感电流连续时forward变换器的工作原理：变换器的工作原理： 1. 模态模态1 对应于图对应于图 (a) 在在t=0时，时，Q1导通，导通，Vin通过通过Q1 加加在原边绕组在原边绕组W1上，因此铁芯磁化，铁芯磁通上，因此铁芯磁化，铁芯磁通增加：增加：在在t=Ton时，铁芯磁通时，铁芯磁通的增加量为的增加量为Vin/W1*D*Ts。那么副边绕组那么副边绕组W2

7、上的电压为：上的电压为：Vw2=W2/W1*Vin=Vin/K12。式中，式中，K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。是原边与副边绕组的匝比。 此时，整流二极管此时，整流二极管D1 导通，续流二极管导通，续流二极管D2截止，滤波电截止，滤波电感电流感电流iL1线性增加，这与线性增加，这与buck变换器中开关管变换器中开关管Q1导通时一样，导通时一样，只是电压为只是电压为Vin/K12。dtdWVin*12021-12-198 2. 模态模态2 对应于图对应于图 (b) 在在Ton时刻，关断时刻，关断Q1，原边绕组和副边绕组中没有电流流过，此时变压器原边绕组和副边绕组中没有电流流过，此时变压

8、器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组从复位绕组W3经过二极管经过二极管D3回馈到输入电源中去。那么复位回馈到输入电源中去。那么复位绕组上的电压为：绕组上的电压为：Vw3=-Vin；原边绕组上的电压为：；原边绕组上的电压为：Vw1=-K13*Vin；副边绕组上的电压为：；副边绕组上的电压为：Vw2=-K23*Vin。 式中，式中，K13=W1/W3是原边与复位绕组的匝比，是原边与复位绕组的匝比， K23=W2/W3 是副边与复位绕组的匝比。是副边与复位绕组的匝比。 2021-12-199此时，整流二极管此时，整流二极管D1 D1 关断，滤波电感电流关断

9、，滤波电感电流i iL1L1通过续通过续流二极管流二极管D2D2续流，与续流，与buckbuck变换器类似。变换器类似。 在此开关模态中，加在在此开关模态中，加在Q Q上的电压上的电压V VQ Q为：为： V VQ Q=V=Vinin+K+K1313* *V Vinin。 电源电压电源电压VinVin反向加在复位绕组反向加在复位绕组W W3 3上，故铁芯去磁，上，故铁芯去磁，铁芯磁通铁芯磁通减小：减小： W W3 3* *d d/dt/dt=-Vin=-Vin 铁芯磁通铁芯磁通的减小量为：的减小量为：V Vinin/W/W3 3* *D D* *TsTs。 式中，式中， D=(TrD=(Tr-

10、Ton)/Ts-Ton)/Ts，是变压器磁芯的去磁，是变压器磁芯的去磁时间时间TrTr-Ton-Ton与与TsTs的比值，的比值， D D小于小于1-D1-D。2021-12-1910 励磁电流励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，从原边绕组中转移到复位绕组中，并且开始线性减小。并且开始线性减小。 在在Tr时刻，时刻，iW3=iM=0，变压器完成磁复位。，变压器完成磁复位。 3. 模态模态3 对应于图对应于图 (c) 在在Tr时刻，所有绕组中均没有电流，他们的电压时刻，所有绕组中均没有电流，他们的电压均为均为0，滤波电感电流继续经过续流二极管续流，滤波电感电流继续经过续流二极管续流，与与b

11、uck变换器在开关管关断时一样。此时，加在开变换器在开关管关断时一样。此时，加在开关管关管Q1的电压为的电压为Vin。 2021-12-1911 从前面的分析知，从前面的分析知，forwardforward变换器实际上是一个隔离变换器实际上是一个隔离的的BuckBuck变换器，其输入输出电压之间的关系为：变换器，其输入输出电压之间的关系为：yinoutDNVV* 3. 基本关系式基本关系式 在在forwardforward变换器中，一个比较重要的概念是：变压变换器中，一个比较重要的概念是：变压器必须要复位，否则它的磁通将不断增加，最后导致磁芯器必须要复位，否则它的磁通将不断增加，最后导致磁芯饱

12、和而毁坏。也就是说，磁通的增加量应该等于磁通的减饱和而毁坏。也就是说，磁通的增加量应该等于磁通的减小量，从前面的分析可以得到：小量，从前面的分析可以得到：yDWWD*132021-12-1912由于由于 ，要满足上式，必须有：，要满足上式，必须有：yDD1 变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧间的电变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧间的电气隔离，还可以实现多路输出。气隔离，还可以实现多路输出。11313311maxKKWWWDy K13 K13的大小决定最大的占空比的大小决定最大的占空比D D，小于，小于0.50.5或者大于或者大于0.50.52021-12-1913 多路输出的正激变换

13、器多路输出的正激变换器 V1 V1和和V3V3为正电压；为正电压；V2V2为负电为负电压压2021-12-1914 双管正激变换器双管正激变换器 double Forward converterdouble Forward converter 分析分析正激变换正激变换器中最大器中最大占空比为占空比为多少多少 驱动驱动信号如何信号如何同时驱动同时驱动两个两个MOSMOS管管2021-12-1915 (1) MOS (1) MOS管导通时，电源电压加在原边绕组管导通时，电源电压加在原边绕组W1W1上，变上，变压器储存能量，磁通量增加。在导通期间，磁通的增加量压器储存能量，磁通量增加。在导通期间，磁

14、通的增加量为：为： 此过程中，副边绕组的电压为此过程中，副边绕组的电压为Vin/NVin/N（N N为原边和副为原边和副边匝数比），整流二极管边匝数比），整流二极管D3D3导通，给电感、电容充电和负导通，给电感、电容充电和负载供电。载供电。sinTDWV*)(1工作原理分析工作原理分析2021-12-1916sinTDWV*)(1 (2) MOS (2) MOS管截止时，变压器原边励磁电感中的电流不管截止时，变压器原边励磁电感中的电流不能跃变（能跃变（方向不变，大小连续变化方向不变，大小连续变化），通过二极管），通过二极管D1D1和和D2D2继续流通。此时，变压器进行磁复位，变压器上的电压为继

15、续流通。此时，变压器进行磁复位，变压器上的电压为-Vin-Vin。磁通量的减小量为：。磁通量的减小量为： 副边绕组副边绕组W2W2，同名端的电压为负，整流二极管，同名端的电压为负，整流二极管D3D3截截止，续流二极管止，续流二极管D4D4导通，电感和电容释放能量，给负载供导通，电感和电容释放能量，给负载供电。电。2021-12-1917最大占空比的确定最大占空比的确定 变压器要完成磁复位，也就是增加的磁通量等于减变压器要完成磁复位，也就是增加的磁通量等于减小的磁通量，即：小的磁通量，即：)()(11*ininssVVD TD TDDWW 最大占空比最大占空比%501maxDDD 通常，双管正激

16、变换器中，最大占空比为通常，双管正激变换器中，最大占空比为46%46%左右。左右。2021-12-1918反激式变换器反激式变换器 （Flyback Converter）的介绍）的介绍 反激变换中变压器有两个绕组：原边绕组反激变换中变压器有两个绕组：原边绕组W1W1和和副边绕组副边绕组W2W2，两绕组要紧密耦合。，两绕组要紧密耦合。 反激式变换器的电路图如下图所示：反激式变换器的电路图如下图所示：2021-12-1919TX1*R1D1D1N414836 V1Q1IRF530C1*原边原边副边副边W1W2+-Vout1. 1. 反激式变换器的拓扑结构反激式变换器的拓扑结构/ /电路图电路图 图

17、中绕组符号标有图中绕组符号标有“*”号的一端，表示变号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。 Flyback变换器由于电路简洁，所用元器件少，适变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合多路输出。合多路输出。2021-12-1920 2. 和和Boost、Buck变换器一样，变换器一样，Flyback变换器也变换器也有电流连续和断续两种工作方式。有电流连续和断续两种工作方式。对对Flyback变换器变换器来说，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一来说，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零，而电流断续是指合成安匝在个开

18、关周期中不为零，而电流断续是指合成安匝在Q截止期间有一段时间为零截止期间有一段时间为零。图中。图中a a、b b、c c 给出了变换给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。器在不同开关模态下的等效电路图。 *C2Q2IRF53036 V2R2*TX2 (a)Q导通导通 (b) Q关断关断 (C) Q关断，电关断，电 流断续流断续 *C136 V1D1D1N4148R1*TX1R1C12021-12-1921 3. 反激变换器的工作原理分析反激变换器的工作原理分析下面讨论下面讨论flyback工作在电流连续模式下的工作原理：工作在电流连续模式下的工作原理： 2021-12-1922 1. 模态

19、模态1 对应于图对应于图 (a) 在在t=0时，时，Q1导通，导通，Vin通通过过Q1 加在原边绕组加在原边绕组W1上，因此，铁芯磁化，铁芯磁通上，因此，铁芯磁化，铁芯磁通增加：增加：W1*d/dt=Vin。副边绕组。副边绕组W2上的感应电压为：上的感应电压为：Vw2=-W2/W1*Vin，其极性为，其极性为“*”端为端为“+”，使二极管，使二极管D1截截止，负载电流由滤波电容止，负载电流由滤波电容Cf提供。此时变压器副边绕组开提供。此时变压器副边绕组开路，只有原边绕组工作，相当于一个电感，其电感量为路，只有原边绕组工作，相当于一个电感，其电感量为L1。 在在t=Ton时，铁芯磁通时，铁芯磁通的增加量为的增加量为Vin/W