直流电源拓扑

1、高频开关直流电源二 、 拓 扑拓 扑lBuck变换器lBoost变换器lBuck-Boost变换器lCuk变换器l反激变换器l正激变换器l推挽变换器l半桥变换器l全桥变换器n 工作原理l 工作模态l 波形l 状态方程l 传递函数n 参数设计n 应用拓 扑Buck变换器(a)(a)导通状态导通状态(b)(b)关断状态关断状态DEuoBoost变换器(a)(a)导通状态导通状态(b)(b)关断状态关断状态in21111-OUMUDD(1)nCCM工作模式Boost变换器(a)(a)导通状态导通状态(b)(b)关断状态关断状态(c)(c)导通、电流断续状态导通、电流断续状态12in221112/2O

2、LLSUDDMUDDLRT(2)nDCM工作模式Boost变换器21111-MDD21112/2LDM占空比增益关系曲线Boost变换器2212(/)LCCR DrRRRDRR(a)(a)理想电路理想电路(b)(b)实际电路实际电路2221D RMDrin21111-OUMUDDBoost变换器2221D RMDr理想和实际状态下增益理想和实际状态下增益M=f(D1)M=f(D1)曲线曲线2212(/)LCCR DrRRRDRRBoost变换器n应用功率因数校正（PFC）Buck-Boost(升降压)变换器EDDuo1CUK变换器CUK变换器11111111SCOCoSVUDUUDUDMVDl

3、 单端变换电路，它与双端电路的主要区别在于高频变压器的磁心仅工作在磁滞回线的一侧（第一象限）。l 按高频变压器副边开关整流二极管连接方式不同，单端变换电路可分为单端反激和单端正激两种形式。单端变换器l 高压开关管Q在触发脉冲驱动下导通时，输入直流电压Vi正向地加到变压器的初级Np 。由于次级二极管接反,次级没有电流流过,变压器(电感)储存能量。l 变压器初级电流(磁通)是单向的，故称单端变压器；输出电容器C和负载只是在开关管截止时从变压器次级获得能量，称之为反激式。l 将一个开关周期分为两个阶段，并设变压器T初次级电感Lp和LS为常量。单端反激式变换器HIPiPMONPVItLipip的最大值

4、的最大值iPPVdidtLn 开关管导通时开关管导通时+ +n 开关管关断时开关管关断时+ +- -0sSMSViItL=PSMPMSNIIN单端反激式变换器n电流断续工作模式电流断续工作模式 完全能量传递方式完全能量传递方式n电流连续工作模式电流连续工作模式不完全能量传递方式不完全能量传递方式0SoffSMLtIV0SoffSMLtIV单端反激式变换器不完全不完全能量传能量传递递电流存电流存在直流在直流分量分量容易容易磁饱和磁饱和磁芯加磁芯加气隙气隙磁化曲线向磁化曲线向H轴倾斜轴倾斜传递更多的传递更多的能量能量单端反激式变换器气隙较小气隙较小 气隙较大气隙较大r2221d1=()2WBeBP

5、PPPfVH BLIIl部分能量存储部分能量存储在气隙里在气隙里VeVe磁芯和气隙的磁芯和气隙的有效体积有效体积单端反激式变换器n气隙的作用气隙的作用减小剩余磁感应强减小剩余磁感应强度度增加增加Hac的工作的工作范围范围可加上更大的可加上更大的H值值即直流电流分量更大即直流电流分量更大不改变饱和磁感应不改变饱和磁感应强度强度减小有效磁导率减小有效磁导率 （B/H曲线斜率）曲线斜率）单端反激式变换器开关应力高的原因开关应力高的原因变压器的漏感变压器的漏感负载线不够合理，存在电感负载线不够合理，存在电感抑制开关应力抑制开关应力减少漏感减少漏感耗散过电压的能量耗散过电压的能量使能量反馈回电源中使能量

6、反馈回电源中单端反激式变换器n开关过电压的抑制方法：开关过电压的抑制方法：耗散过电压的能量耗散过电压的能量单端反激式变换器n开关过电压的抑制方法：开关过电压的抑制方法：能量反馈回电源能量反馈回电源单端反激式变换器n缓冲网络的优点：缓冲网络的优点：减少开关管电压应力减少开关管电压应力减少减少EMI使负载轨迹不超过安全工作区使负载轨迹不超过安全工作区单端反激式变换器无缓冲网络无缓冲网络有缓冲网络有缓冲网络无缓冲网络无缓冲网络有缓冲网络有缓冲网络n 单端正激式变换器与反激式不同之处在于开关管Q导通期间输入电压经变压器T向输出电容C和负载提供能量，称为正激式n 在结构上，变压器T增加一去磁线圈Nt，N

7、t匝数与Np相同。n 其工作过程也可分以下两个阶段单端正激式变换器n t=0时，开关管Q从截止变为导通，输入电压正向地加到初级绕组Np,根据同名端原理，次级绕组Ns电压为上正下负。n 二极管D2导通，输入端能量经变压器T、二极管D2提供给电感L、电容C和负载。n 当t=t1时，开关管导通结束n Ip的最大值0iOMONPIVItnL第一阶段：第一阶段：n 当t=t1时，开关管Q从导通变为截止，由于ip电流不能突变,变压器T各绕组电压反向,次级绕组上正下负使D2截止，D3导通，电感L向负载提供能量，这时去磁线圈Nt的感应电势为上正下负，D1导通起到续流和去磁作用。第二阶段：第二阶段：n 通过D1

8、的电流的最大值为n 当t=t2时，开关管截止结束n 从下一个开关周期Ts，ip又从 开始按 线性增加。iDIMONPVItL1221offTtttiPVtL第二阶段：第二阶段：0Inn 图中ip的阴影部分为变压器T的激磁电流，它与去磁电流的阴影部分对应。n 为保证磁心磁通密度总能无偏差地复位到磁滞回线的起始点,施于变压器绕组的复位伏秒数与置位伏秒数必须能够相等。否则将使变压器磁心趋于饱和，损坏开关管。n 若Np=Nt,则该变换器最大占空比为0.5。l 双端变换电路，高频变压器的磁心工作在磁滞回线的第一、三象限。l 主要电路有推挽式、全桥式、半桥式等双端变换器l 高压开关管BG1、BG2受脉宽触

9、发信号控制，以PWM方式激励（两脉冲等幅、等宽、互补、有死区）推挽式变换器l 高压开关管BG1、BG2受脉宽触发信号控制，以PWM方式激励（两脉冲等幅、等宽、互补、有死区）推挽式变换器l 开关管开通瞬间有电流尖峰副边开关整流二极管反向恢复时间内所造成的短路，以及集射极间的保护电容放电。l 关断瞬间的集射极电压叠加尖峰 变压器的漏感储能造成的，该尖峰电压有可能使高压开关管承受两倍以上的输入电压。推挽式变换器l 优点： 两管能获得较大功率输出，两驱动信号彼此不用绝缘，适合于低输入电压的场合。推挽式变换器l 当一对开关管截止时，若两电容器容量相等且电路对称，电容中点A的电压为E/2l 当S1被触发导

10、通，E/2被正向加到NP的初级l 当S2被触发导通， E/2被反向加到NP的初级，有死区地轮换触发两开关管，将输入直流电压转换成交流方波电压。半桥式变换器l S1导通l S2关断半桥式变换器l S2导通l S1关断半桥式变换器l 晶体管从导通转为截止时，叠加漏感尖峰被箝位于E。因此高压开关管上承受的尖峰电压也不超过电源电压，而且晶体管数量只有全桥式的一半，这是它的优点。l 缺点在于，高频变压器上的电压幅值只有E/2,欲得到和全桥、推挽式相同的输出功率，高压开关管必须流过两倍的电流。一般半桥式只宜获得中等容量输出。l 半桥式电路的一个极重要的特点是其具有抗不平衡能力。全桥式变换器22OONSSP

11、PUTNNDETNNl 全桥式电路稳定时，开关管施加的最高电压为E，瞬态电压峰值箝位于E，较推挽耐压要求低。另外箝位二极管将漏感能量归还电源，有益于提高效率。l 电路使用了四个高压开关管，需要四组彼此绝缘的基极驱动电路，电路复杂，元件多。l 变压器原边磁通容易出现不平衡，需串联隔直电容l 隔直电容的作用Tr4Tr2QDTr1Tr3Tr1tl超前桥臂超前桥臂 Tr1、Tr3l滞后桥臂滞后桥臂 Tr2、Tr4移相全桥变换器l改变对管驱改变对管驱动电压的移相动电压的移相角来调节输出角来调节输出电压电压l利用谐振实利用谐振实现零电压开通现零电压开通Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副边

12、绕组电压副边绕组电压tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t1之前之前+功率传输功率传输t1Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副边绕组电压副边绕组电压tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t1t1+C C1 1+C+C3 3与与L Lr r+n+n2 2L Lf谐振谐振C C3 3被原边电流充电，被原边电流充电，T Tr3r3实现近似零电压关断实现近似零电压关断C C1 1放电到零，为放电到零，为Tr1零零电压开通提供条件电压开通提供条件+t1112PCIUtC332PCIUEtClead2PCEtI死区时间死区时间Tr1Tr3Tr4Tr2QTr

13、3Tr4IPI100副边绕组电压副边绕组电压tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t1t2 D D1 1导通，为导通，为Tr1零电压零电压开通提供条件开通提供条件l t2t3 D D1 1导通导通t1Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副边绕组电压副边绕组电压tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9+l t3t3C C2 2+C+C4 4与与L Lr r谐振谐振C C4 4被原边电流充电，被原边电流充电，T Tr4r4实现近似零电压关断实现近似零电压关断C C2 2放电到零，为放电到零，为Tr2零零电压开通提供条件电压开通提供条件原边电感储能反馈回原边电

14、感储能反馈回电网电网D DO1O1导通，导通， D DO2O2续流导通续流导通, , 副边绕组钳位副边绕组钳位 在在1.4V1.4V+占空比丢失占空比丢失t1t3Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副边绕组电压副边绕组电压tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t3t4 D D2 2导通，为导通，为Tr2零电压零电压开通提供条件开通提供条件原边电感储能反馈回原边电感储能反馈回电网电网+D DO1O1导通，导通， D DO2O2续流导通续流导通, , 副边绕组钳位副边绕组钳位 在在1.4V1.4Vdi/dt=E/Lr占空比丢失占空比丢失t1t4t3Tr1Tr3Tr4T

15、r2QTr3Tr4IPI100副边绕组电压副边绕组电压tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t4t5 D D2 2导通，为导通，为Tr2零电压零电压开通提供条件开通提供条件di/dt=E/Lr+占空比丢失占空比丢失+t1t3t4Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副边绕组电压副边绕组电压tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9l t5t6+占空比丢失占空比丢失+功率传输功率传输t1t3t41652()=(- )OrfEnUi IttLn Ll零电压开关的实质零电压开关的实质 利用谐振过程对并联电利用谐振过程对并联电容充放电，让同桥臂的某容充放电，让同桥臂的某个开关管电压快速上升，个开关管电压快速上升，另个开关管降至零，并由另个开关管降至零，并由反并联二极管箝在反并联二极管箝在0V，为，为ZVS创造条件。创造条件。移相全桥变换器l开关转换时电容充放电能开关转换时电容充放电能 WC=CE2l电感为电容充放电提供的磁能电感为电容充放电提供的磁能 WL=LI2/2超前臂超前臂WL=(Lr+n2Lf)I2/2+励磁能量励磁能量滞后臂滞后臂WL=LrI2/2移相全