合肥工业大学 电力电子技术第十讲第三章

1、3.4 3.4 变压器隔离型变压器隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器 基本的DC/DC变换器输出输出与输入输入之间存在直接电联系直接电联系u输入电压一般从电网直接经整流滤波电网直接经整流滤波取得，输出直接给负载供电，若输出电压等级与输入电压等级相差太大，势必影响调节控制范围影响调节控制范围u造成了供电负载与电网电网电压之间的直接电联系直接电联系3.4 3.4 变压器隔离型变压器隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器 为了解决这一问题，通常有两种办法： 方法1电压等级合适的工频交流电压所需直流电压电网电压工频变压器整流滤波3.4 3.4 变压器隔离型变压器隔离型DC/DCDC/DC变换器变换

2、器 为了解决这一问题，通常有两种办法： 方法2 其中从初级直流电压到负载所需要的直流电压的变换称隔其中从初级直流电压到负载所需要的直流电压的变换称隔离型离型DC/DC变换变换整流滤波斩波或逆变电路高频变压器整流滤波负载所需要的直流电压合适电压等级的高频交流电高频的脉冲或交流电初级直流电压电网电压3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 基本的Buck变换器如图3-13a所示 AO点之间的电压波形为方波，如图3-13b所示3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 图3-14 隔离型Bu

3、ck变换器 将这一方波电压接到变压器T的原边，则副边也将输出相同形状的方波 变压器副边输出接整流滤波电路，就可以得到隔离隔离型型Buck变换器变换器，这种变换器的变压器原、副边同时工作，故也称为单端正激单端正激（Forward）变换器）变换器，如图3-14所示对于隔离型Buck变换器，由于加在变压器原边是单方向单方向的脉冲电压的脉冲电压，当VT导通时，原边线圈加正向电压并通以正向电流，磁芯中的磁感应强度将达到某一值，由于磁芯的磁滞效应磁滞效应，当VT关断时，线圈电压或电流回到零线圈电压或电流回到零，而磁芯磁芯中磁通并不回到零中磁通并不回到零，这就是剩磁通剩磁通剩磁通的累加可能导致磁芯饱和磁芯饱

4、和，因此需要进行磁复位磁复位3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 磁芯复位技术可以分成两种：u把铁芯的剩磁能量自然地转移，在为了复位复位所加的电电子元件子元件上消耗掉，或者把残存能量馈送到输入端或输馈送到输入端或输出端出端 u通过外部能量强迫外部能量强迫铁芯磁复位 隔离型Buck变换器大多采用将剩磁能量馈送到输入端的馈送到输入端的再生式再生式磁芯复位方法进行磁复位3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 将图3-14所示隔离型Buck变换器加上磁复位电路磁复位电路就构成了如图3-

5、15（a）所示的带有磁复位电路的隔离型Buck变换器 其中磁复位电路由绕组绕组N3和箝位二极管箝位二极管VD2构成图3-14图3-15 a)3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 图3-15 （b） 带有磁复位电路的隔离型Buck变换器电路主要工作波形如图3-15，一个工作周期分为3个阶段（a）能量传递阶段 3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 图3-15 （b） 带有磁复位电路的隔

6、离型Buck变换器电路主要工作波形如图3-15，一个工作周期分为3个阶段（b）磁芯复位阶段 3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 图3-15 （b） 带有磁复位电路的隔离型Buck变换器电路主要工作波形如图3-15，一个工作周期分为3个阶段（c）电感续流阶段3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 t0 t1阶段，能量传递阶能量传递阶段段如图3-16(a)所示 VT导通，经变压器耦合和二极管VD向负载传输能量此时，滤波电感L储能 （a）能量传递阶段 3.4.1 3.4.1 隔离型

7、隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 nDUDUNNUTtNNU1ii12ion12o（a）能量传递阶段 输出电压 （3-52）二极管VDn承受的反向电压 （3-53）12iRVD1NNUU)1 (13iRVD2NNUU3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 t1 t2阶段，磁芯复位阶段磁芯复位阶段如图3-16(b)所示 VT截止， N3承受上正下负的电压，N1N2将承受下正上负的电压，二极管VD截止 电感L中产生的感应电势使续流二极管VD1导通，电感L中储存的能量通过二极管VD1向负载释放（b）磁芯复位阶

8、段 变压器磁芯中的剩磁能量通过VD2和N3馈送到电源uo=0二极管VD承受的电压为： 开关管漏源（或集射）极之间承受的电压为： 3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 32iRVDNNUU（b）磁芯复位阶段 )1 (31iceNNUU（3-54）（3-55）3.4.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 t2 t0阶段，电感续流阶段电感续流阶段，如图3-16 (c)所示 变压器磁芯中的剩磁能量全部释放完毕，电感L中储存的能量继续通过二极管VD1向负载释放 uo=0（c）电感续流阶段3.4

9、.1 3.4.1 隔离型隔离型BuckBuck变换器单端正激式变换器变换器单端正激式变换器 隔离型Buck变换器单端正激式变换器输出电压为： 式中：N1、N2分别为变压器原、副边绕组匝数； Ui为变换器输入电压；D为功率管导通占空比； 输出电压仅决定于变换器输入电压输入电压、变压器的匝比匝比和功率管的占空比占空比，与负载电阻无关与负载电阻无关 考虑：工作状态需要（磁复位需要）占空比 nDUDUNNUTtNNU1ii12ion12o n=N1/N2为变压器匝数比（3-51） 对Buck-Boost直流变换器直流变换器如图3-17(a)，若将中间的电感中间的电感改为隔离变压器改为隔离变压器，即可推

10、出隔离型隔离型Buck-Boost变换器变换器 这种变换器副边是在功率管关断期间工作在功率管关断期间工作的，故亦称单端单端反激式反激式（Fly-back）变换器，如图3-17(b)所示3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 将图3-17(b)副边绕组重新排列整理后，如图3-17(c)所示 隔离型Buck-Boost变换器拓扑3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 当VT导通时，电路的电流路径和N2绕组上的感应电压极性如图3-18(a)所

11、示 输入电压Ui加到变压器T的原边绕组N1上，二极管VD截止，副边绕组N2中没有电流流过 电源输入的能量以磁能的形电源输入的能量以磁能的形式储存于反激变压器（电感）式储存于反激变压器（电感）中中，该阶段为电感储能阶段电感储能阶段3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 当VT截止时，电路电流路径与N2绕组上的感应电压极性如图3-18(b)所示 由于电感中电流方向不能突变，这时N2绕组上的感应电压使二极管VD导通 反激变压器（电感）中储存反激变压器（电感）中储存的能量通过另一个绕组传输的能量通过另一个绕组传输给负载给负

12、载，该阶段为电感释放电感释放能量阶段能量阶段3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 当电感中的能量全部释放完毕后电路电流途径与N2绕组上的感应电压极性如图3-18(c)所示 负载将全部由输出滤波电容供电 该阶段为电容放电阶段电容放电阶段3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 根据隔离型Buck-Boost变换器中能量转移能量转移的过程： 在VT导通期间先由电源输入的能量以磁能的形式储存于反激变压器（电感）中； 在VT截止期间再由反激变压

13、器（电感）中储存的能量通过另一个绕组传输给负载； 这种变换器也称为电感储能型隔离变换器电感储能型隔离变换器 3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 假设绕组N1的电感量为L1，绕组N2的电感量为L2设VT导通前流过N1电流为0，则VT导通期间流过N1的电流为: 若VT的导通时间为ton，则导通终了时，i1的幅值I1P为: tLUi1i1on1iP1tLUI （3-56）（3-57）3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器3.4.2 3.4

14、.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 VT截止期间流过N2的电流为:其中Uo为输出电压，I2P为VT截止开始时流过N2的电流幅值: VT截止期间，变压器储能完全释放所需要的时间为: P121P2INNI P2o2relIULt （3-59）（3-60）tLUIi2oP22（3-58） 根据功率管导通期间变压器（电感）储能在截止期间释功率管导通期间变压器（电感）储能在截止期间释放情况不同放情况不同，单端反激式变换器有3种工作模式u变压器磁通连续工作模式变压器磁通连续工作模式u变压器磁通临界连续工作模式变压器磁通临界连续工作模式u变压

15、器磁通断续工作模式变压器磁通断续工作模式3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 变压器磁通连续状态变压器磁通连续状态主要工作波形如图3-19(a)所示 当VT截止时间较小时，toff 0，在这种状态下，下一个周期开始VT重新导通时原边绕组的电流i1也不是从零开始，而是从I1min（I1min= I2min/n）起按Ui /L1的斜率线性上升3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 电路经历了电感储能电感储能和电感能量电感能量释放释放两个阶

16、段3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 变压器磁通临界连续状态变压器磁通临界连续状态主要工作波形如图3-19(b)所示 当VT的截止时间toff和绕组N2电流i2衰减到零所需要的时间相等时，即toff =trel，那么在VT截止时间终了时，绕组N2中的电流i2正好下降到零。在下一个周期VT重新导通时，N1中的电流i1从零开始，按(Ui /L1) t的规律线性上升3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 电路经历了电感储能电感储能和电感能

17、量电感能量释放释放两个阶段3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 变压器磁通不连续状态变压器磁通不连续状态主要工作波形如图3-19(c)所示 当VT截止时间toff比绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间更长，即toff trel时，副边电流i2及变压器磁通在VT截止时间toff以前便已经衰减到零。在下一个周期VT重新导通时，电流i1从零开始按(Ui /L1) t的规律线性上升3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 电路经历了电感储能、电

18、感电感储能、电感能量释放和电容供电能量释放和电容供电三个阶段3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 由于VT导通期间储存在变压器T中的能量为: 每单位时间内电源供给的能量，即输入功率Pi为: 输出功率Po为 假定电路中没有损耗，全部功率都被负载吸收，则输出功率Po与输入功率Pi相等，可得2P11L21ILW2P11Li21ILTTWPL2ooRUP3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 输出电压Uo为： 在导通时间确定后，输出电压Uo与

19、负载电阻与负载电阻RL有关有关，RL愈大则输出电压愈高反之RL愈小，则输出电压愈低，这是反反激变换器的一个特点激变换器的一个特点。u不应让负载开路（负载开路相当于负载电阻无穷大，Uo会出现过电压）必须接入一定的负载或者在电路中接入“死负载”L2o2P112RUTILTLRtUU1Lonio2（3-61）3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 VT截止时，VD导通，副边绕组N2上的电压幅值近似为输出电压Uo (忽略VD的正向压降及引线压降)，这样，绕组N1上感应的电势UN1应为： 则VT截止期间漏源极间承受的电压为：

20、 由于UDS与输出电压Uo有关，Uo还随负载电阻的增大而升高。因此，负载开路时，容易造成管子损坏 o211NUNNUo21i1NiDSUNNUUUU（3-62）（3-63）3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器3.4.2 3.4.2 隔离型隔离型BuckBuckBoostBoost变换器变换器 单端反激式变换器单端反激式变换器 如何控制功率管VT？ 如何实现变压器输出电压稳定？ 如何设定VT的开关频率？ 如何调整VT的导通占空比？ 如何实现VT的过流保护？offon12iottNNUUUC3842工作原理5.0V参

21、考电压VCC欠压锁定Vref欠压锁定1mA振荡器锁存脉宽调制器RR误差放大器电流检测内部偏置SRT36V3.6V1.0VVCC7653输出地输出补偿反馈RT/CTVref8421电流检测比较器1脚：输出补偿端。该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。2脚：电压反馈端。该管脚为误差放大器的反相输入端，通常通过一个分压器连接至开关电源的输出，构成电压闭环。3脚：电流取样端。一个正比于所控电流的电压接至该引脚，利用电流测定比较器构成电流闭环。当该引脚电压1.0V时，PWM控制芯片封锁输出脉冲。4脚：RT/CT端。用于外接振荡电阻和电容，将电阻RT跨接在4脚与8脚（Vref）两端，电容CT接在4脚与

22、电源地之间。当RT5k时，振荡频率为： 5脚：接地端。是控制电路与电源的公共地。6脚：脉冲输出端。该输出可直接驱动功率MOSFET，具有1A的驱动（拉、灌）能力。7脚：电源供电端。启动门限电压为16V，最低工作电压为10V。8脚：基准电压输出端。该引脚输出5V基准电压，具有50mA的带载能力，该电源通过RT向CT提供充电电流。TTOSC86. 1CRfUC3842工作原理VREF8RT/CT4VFB2VCC7OUT6C/S3CP1GND5D1UC3842R115kR830/5WR71kR5150kR33.6kR415kR131.5kC4104C71000pC5100pC6470pC17103/

23、200VR1151/0.5WV1IRFP460GNDGNDVD2FR104GNDGNDGNDT1GND123X1凤凰端子T2-1VD1FR104VD9MBR3100+C10100u/25V+C925V/10uC8104VD11输出指示1GND+15V_1R141.5kVD7FR304+C13100u/50VC1104T2-4VD12输出指示2R151.5kVD8FR304+C14100u/50VC2104T2-2VD13输出指示3.VD3FR157VD6FR157VD4FR157VD5FR157F12A+C3100V470uFR210.22/2W-15V+15V+C1525V/100u+C16

24、25V/100uC12104C11104Vin1GND2Vout3V37915Vin1GND2Vout3V27815R2220k3.4.3 3.4.3 隔离型隔离型CukCuk变换器变换器首先将C1分成两个相串联的电容C1 C2，得到图3-20(b)图3-20(a)的Cuk变换器，只能提供一个反极性、不隔离反极性、不隔离的单一输出的单一输出电压，在要求有不同的输出电压和不同极性的多组输出多组输出时，特别要求输入、输出之间电气隔离输入、输出之间电气隔离时，就需要加入隔离变压器 3.4.3 3.4.3 隔离型隔离型CukCuk变换器变换器断开A点，并在A点插入变压器，即将Cuk直流变换器演变成隔离

25、型Cuk变换器3.4.3 3.4.3 隔离型隔离型CukCuk变换器变换器 隔离型Cuk变换器的工作原理是与Cuk型变换器相同，的其输出电压与输入电压的关系是在式3-39基础上加入变压器的变比N1/N2 隔离型Cuk变换器的显著特点是：由于电容电容C1、C2隔直流隔直流的作用，变压器的原、副边绕组均无直流流过且是连续变压器的原、副边绕组均无直流流过且是连续的，具有较小的纹波分量 隔离型Cuk变换器的磁芯是双方向磁化双方向磁化的，没有直流磁化没有直流磁化导致饱和的可能性，不需要加气隙，体积可以做得较小 与其它只有一个开关管的单端电路相比，隔离型Cuk变换器的变压器体积小一半变压器体积小一半，而且

26、绕组面积减小绕组面积减小，铜耗也减小铜耗也减小i12o1UDDNNU（3-64）3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 对图3-15(a)所示的正激变换器若将续流二极管VD1去掉，滤波电感将经过变压器副边绕组和整流二极管VD续流，电路仍然可以工作图3-15a 单端正激变换器3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 若将两个开关管的控制信号占空比相同占空比相同，在相位上相位上相差相差180o的这种经过变压器副边绕组和整流二极管VD续流的变换器的输入和输入和输出都并联输出都并联起来对同一个对同一个负载供电负载供电，就构成了双正双正激变换器激变换器，如图3-21(a)所示图3-21

27、双正激变换器电路拓扑3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 若使图3-21(a)两个变压器共用一个磁芯两个变压器共用一个磁芯，如图3-21(b)所示每个正激变换器都将以另一个正激变换器的原边绕组另一个正激变换器的原边绕组和IGBT的反并联二极管的反并联二极管进行磁复位磁复位3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 由于两个正激变换器的原边绕组和IGBT的反并联二极管互为对方的磁复位电路，可将原先的磁复位电路去掉将原先的磁复位电路去掉就构成如图3-21(c)所示的推挽变换器推挽变换器 整理后的电路如图3-21(d)所示3.4.4 3.4.4 推挽式变换器推挽式变换器 假定电路已工作在稳定状态，两个开关管VTl、VT2的驱动信号相位相差180o且考虑变压器剩磁能量的释放 推挽式变换器一个开关周期有6个工作阶段（a）能量传输阶段 t0 t1阶段，能量传输阶能量传输阶段段，电流路径示意图如图3-23(a)所示VT1导通时，Ui加到NP1上，所有带“*”端为负，VT2的集电极通过变压器耦合作用承受2Ui的电压。副边绕组NS1“*”