第四章输入与输出隔离

1、第四章 输入与输出隔离的各种变换器结构四种基本的非隔离开关电源：四种基本的非隔离开关电源：VinIoVoLSDVinVoDLIoSVo=Vin *DVo=Vin /(1-D)VoVin, 升压型电路Buck变换器Boost变换器VinVoDLIoS1DS2Vo=Vin *D/(1-D)VoVin, 当DVin 当D0.5 升降压型电路Vo=Vin *D/(1-D)Buck-Boost变换器Boost-Buck变换器VoVin, 当DVin 当D0.5 升降压型电路四种基本变换器的比较 前三种由电感传送能量，cuk用电容传输能量 变换器电气特性与电感电流的工作状态密切相关 电感、电容器能量储放作

2、用，其参数、连接为低通滤波器。 Buck和Boost变换器是最基本的开关电源的种类 按照拓扑结构可以分为2中基本的类型：非隔离型和隔离型。 1.Buck变换器，也称降压变换器 非隔离型 2.Boost变换器，也称升压变换器 3.Buck-Boost变换器，也称升降压变换器 4.Cuk变换器，也称串联变换器 隔离型:正激式，反激式，推挽式，半桥式，全桥式三种基本的隔离开关电源：三种基本的隔离开关电源：VinVoSLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1D1D2S2正激型变换器反激型变换器桥式变换器第二节 反激变换器（Flyback）基本电路模型 Flyback (回扫型)反激式变压器的基本结

3、构和原理 原理：在开关S导通时，输入电压Vi加在变压器一次侧线圈上，同名端 相对异名端为负，二次侧二极管D反偏截止。初级电流线性上升（线性电感），变压器作为电感运行。 变压器储存能量，此阶段没有能量传到次级，电容C单独向负载供电。 在开关S断开时，由楞次定理（E=N/T） 变压器原边绕组将产生一反向电动 势，此时输出整流二极管D正向 导通，向次级负载提供能量。 关键点：反激式开关电源的核关键点：反激式开关电源的核 心就是将变压器当做一个电感来心就是将变压器当做一个电感来 看，先储能，后释放能量。看，先储能，后释放能量。电路特点变压器初级磁通是单向的，故称该变压器为单端变压器输出电容器C和负载在

4、开关管截止时从变压器次级获得能量，故称为反激式。反激式变换器的定义及优点 定义： 反激式转换器又称单端反激式或“Flyback”转换器，因其输出端在原边绕组关断时获得能量故而得名。在反激变换器拓扑中，开关管导时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。 优点如下：a、电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出要求；b、输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，无需切换而达到稳定输出的要求；c、转换效率高，损失小；d、变压器匝数比值小。但因磁性元件即是储能的电感又是变压器，设计时

5、比较困难。输入输出电流有较大尖峰并且是脉动的。反激式变换器的工作模式 反激变换器分两种工作模式：DCM和CCM，实际工作时，尤其是工作在宽电压模式，负载变换较大时，一般都跨越这两种工作模式。 （1）电感电流不连续模式DCM（Discontinuous Inductor Current Mode）或称“完全能量转换” ：Ton时储存在变压器中的所有能量在反激周期（Ton）中都转移到输出端。 （2）电感电流连续模式CCM（Continuous Inductor Current Mode）或称“不完全能量转换” ：储存在变压器中的一部分能量在Toff末保留到下一个Ton周期的开始。两种工作模式的区别

6、： a. DCM状态下在开关管导通期间，能量完全转移中波形具有较高的原边峰值电流，这是因主初级电感值Lp相对较低之故，使Ip急剧升高，其负面影响是增加了绕组损耗和输入滤波电容器的纹波电流，从而要求开关管必须具有高电流承载能力，方能安全工作。 b.在CCM工作状态中，原边峰值电流较低，但开关管在导通时有较高漏极电流值，因此导致开关管高功率的消耗，同时为达到CCM，就需要有较高的变压器原边电感值Lp,由于要在变压器磁芯中储存残余能量则要求变压器的体积较DCM时要大，而其它系数是相等的。 反激变换器理想工作波形反激变换器实际工作波形以DCM模式为例：当开关S闭合时，初级电流线性上升，斜率为 ： 当开

7、关S断开时，初级电流Ip达到最大值：变压器在开关管一个导通周期储存的能量是： 当功率管关断时，次级二极管D正偏导通，次级电流会经历一个从小到大（原边电流过渡到副边电流），又从大到小（副边电流对负载供电）的过程 。 在稳定状态下，磁通增量在Ton时的变化必须等于Toff时的变化，否则会造成磁芯的饱和，即变压器原边绕组每匝的伏秒值等于副边绕组每匝的伏秒值，因此：pmspsmINNItLVIisosmstLVINNisopmsps即：而， .漏感对开关管关断瞬间的尖峰电压影响 由于变压器漏感的存在及其它分布参数的影响，反激电源在开关管关断瞬间会产生很高的尖峰电压，这个尖峰电压严重威胁着开关管的正常工

8、作，必须采取措施对其进行抑制。目前，有很多方法可使实现这个目的，其中RCD钳位法以其结构简单，成本低廉的特点而得以广泛使用 。)1 (maxDVnVVVsoscesceVV*)43(max)nIIoVT 开关管关闭后，能量传递给次级。因为工作在非连续模式，在开关管再次导通前，初级储存的能量将全部传给次级。输入功率P（即1s内传递的能量）为： 将 带入上式，得到： 由上式可以转换为： 此即计算反激式变压器初级电感量的基本公式了。 电感值Lp和集电极最大工作电流由于 ，tiLVpssosofDITDItimaxmax假定，spsfDLmaxoIV 则，somaxVfIDLsp sVTpfILP22

9、1maxmax22DVnIDVIPsVTsonDVPIsVTmax2反激式变换器之反激变压器设计1.首先确定电源设计所需的标准 在开始设计变压器之前，根据电源的规范必须定义一些参数如下： （1）电源的工作频率f （2）预计电源的效率 （3）最小直流母线电压Vmin （4）最大占空比Dmax2.确定总输出功率，他包含所有次级输出功率，公式如下： 3.选定磁芯规格 1.AP法。AP=Aw*Ae 2.实际上，磁芯的初始选择一般是很粗略的，因为变量太多了，一般情况是参考以前的案列初步选择磁芯。这边有一个输出功率和磁芯的对照表：4.初级线圈的最少匝数Npmin 选定磁芯型号后，就可以根据磁芯手册查的磁芯

10、有效截面积Ae。根据选用的磁芯材质型号确定最大磁通密度变化量B,单位是：Gs。由下式得出为变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：5.确定输出匝数 式中，Np和Ns分别是初级绕组和次级绕组的圈数，其中的Ns对于多输出绕组来说，指的是主输出绕组，其余的输出绕组的匝数按照下面的公式求得： Ns主 : Ns辅 =（ VS主+Vf1）：（ VS辅+Vf2 ）6. 变压器的气隙 由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线,磁芯在交、直流作用下的 B.H 效果与 AIR GAP大小有密切关联.看下图，在交流电流下气隙对Bac无改变效果,但对Hac将大大增加,这是有利的一面,可有效地减小CORE

11、的有效磁导率和减少原边绕组的电感.在直流电流下气隙的加入可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC,而BDC却维持不变,因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和,这对能量的储存与传递都是有利的. 当反激变压器工作于CCM时,有相当大的直流成份,这时就 必须有气隙. 7.线圈导线尺寸 初级电流峰值： 初级电流有效值： 次级电流的峰值： 次级电流的占空比： 工作在开关频率式导线的趋肤深度 ： 如果导线线径超过趋肤深度，应选用横截面积相近的多股线绕制。7.线圈结构 为减少漏感，常采用三明治绕法，常用N1/2N2 N1/2反激式变换器之反激变压器设计1.首先确定电源设计所需的标准 在开始设计变压器之

12、前，根据电源的规范必须定义一些参数如下： （1）电源的工作频率f （2）预计电源的效率 （3）最小直流母线电压Vmin （4）最大占空比Dmax2.确定总输出功率，他包含所有次级输出功率，公式如下： 3.选定磁芯规格 1.AP法。AP=Aw*Ae 2.实际上，磁芯的初始选择一般是很粗略的，因为变量太多了，一般情况是参考以前的案列初步选择磁芯。这边有一个输出功率和磁芯的对照表：4.初级线圈的最少匝数Npmin 选定磁芯型号后，就可以根据磁芯手册查的磁芯有效截面积Ae。根据选用的磁芯材质型号确定最大磁通密度变化量B,单位是：Gs。由下式得出为变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：5.确

13、定输出匝数 式中，Np和Ns分别是初级绕组和次级绕组的圈数，其中的Ns对于多输出绕组来说，指的是主输出绕组，其余的输出绕组的匝数按照下面的公式求得： Ns主 : Ns辅 =（ VS主+Vf1）：（ VS辅+Vf2 ）6. 变压器的气隙 由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线,磁芯在交、直流作用下的 B.H 效果与 AIR GAP大小有密切关联.看下图，在交流电流下气隙对Bac无改变效果,但对Hac将大大增加,这是有利的一面,可有效地减小CORE的有效磁导率和减少原边绕组的电感.在直流电流下气隙的加入可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC,而BDC却维持不变,因此在大的直流偏置下可有

14、效地防止磁芯饱和,这对能量的储存与传递都是有利的. 当反激变压器工作于CCM时,有相当大的直流成份,这时就 必须有气隙. 7.线圈导线尺寸 初级电流峰值： 初级电流有效值： 次级电流的峰值： 工作在开关频率式导线的趋肤深度 ： 如果导线线径超过趋肤深度，应选用横截面积相近的多股线绕制。7.线圈结构 为减少漏感，常采用三明治绕法，常用N1/2N2 N1/2 双管反激变换器第三节 正激变换器VinVoDLIoS正激变换器的工作原理1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001Sheet of File:F:李宏电路图lihong.d

15、dbDrawn By:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLf单端正激变换器的主电路单端正激变换器的主电路开关管开关管Q按按PWM方式工作，方式工作，D1是输出整流二极管，是输出整流二极管，D2是续是续流二极管，流二极管，Lf是输出滤波电感，是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器是输出滤波电容。变压器有三个绕组，有三个绕组，W1原边绕组，原边绕组，W2副边绕组，副边绕组，W3复位绕组。复位绕组。正激变换器的不同开关状态开关管开关管Q导通，电源电压导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁加在原边绕组上，变压器铁芯磁通芯磁通增加，则变压器铁芯磁通

16、增量：增加，则变压器铁芯磁通增量：TWVTTtWVtWVINonINonIN111)(INVdtdW1正激变换器的不同开关状态由由 得变压器原边磁化电流：得变压器原边磁化电流：式中式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的上的电压为：电压为：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，流过截止，流过滤波电感滤波电感Lf的电流增加：的电流增加：显然这和显然这和BUCK变换器中开关管变换器中开关管Q导通时一样。导通时一样。变压器原边绕组电流：变压器原边绕组电流： INWVWWu122dtdiLVVWWLffOIN32dtdiLVMMI

17、NtLVdtLViMINtKTKTMINMMLfWiiWWi211正激变换器的不同开关状态Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流时变压器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。此时整流管回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断，关断，流过电感流过电感Lf电流通过续流二极管电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：续流，复位绕组电压：INWVu3此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，显然和BUCK变换器类似。在此开

18、关状态中，加在Q上的电压为：电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯的磁通减小：铁芯磁通的减小量：式中Tr-ton是去磁时间。变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：INWVWWu311INWVWWu322)1 (3131WWVVWWVVINININQINVdtdW3onrINtTWV3)(正激变换器的不同开关状态励磁电流励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减小：小：onMINonMINMWttLVWWtLVWWii3131303MWii在在Tr时刻，时刻， ，变压器完成磁复位。，变压器完

19、成磁复位。正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态Q关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。滤波电感电流经续流二极管续流。在此时滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为上的电压为:由于在正激变换器中磁通必须复位，得：由于在正激变换器中磁通必须复位，得： 整理得：整理得：INQVV )(31onrINonINtTWVtWV)(31onrontTWWt正激变换器的不同开关状态如果W1W3，则去磁时间小于开通时间即开关管的工作占空比 。如果W1W3，Q管电压大于2倍输入电压；W1W3，Q管电压小于2倍输入电压。为了充分提高占空比

20、和减小Q两端电压，必须折衷选择。一般选W1=W3，这时 ， ，而Q管电压等于2倍输入电压。由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为： onrontTtonrontTt5 . 0Tton5 . 0TtonoffonrttT5 . 0maxTtonINOVWWV12正激变换器的不同开关状态VbeiLfiW3ttttt00000tontoffTuW1VININVWW31TriMiW1IO 单端变换器的磁复位技术单端变换器的磁复位技术 使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，称为去磁复

21、位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电压很高，导致开关器件的损坏。 剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以分成两种： 一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特性而定。磁复位技术HBBr-Br0HBBr-Br0典型的两种磁芯磁滞特性曲线典型的两种磁芯磁滞特性曲线磁复位技术

22、在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。 对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位法线路较为复杂。 简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电

23、感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。这种电路只适用于小功率变换器中，。磁复位技术几种磁复位方式 第三线圈复位法 RCD复位 有源钳位 双管正激第三线圈复位法特点 优点： 技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。 缺点： 附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化； 开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，尤其是变压器满载时； 开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； Uin=Uin

24、max时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。RCD复位t=t2时开始磁复位，时开始磁复位，Cs与与Lm谐振使得磁化电感能量有一谐振使得磁化电感能量有一部分转移到部分转移到Cs 中去，剩余的中去，剩余的磁化电感能量和变压器漏感磁化电感能量和变压器漏感能量消耗在钳位电阻能量消耗在钳位电阻R中；中；t=t0t1期间，开关管期间，开关管导通变压器上的磁化导通变压器上的磁化电流增加；电流增加；t=t1时时VM 关断，随后以负载折关断，随后以负载折算到原边的电流算到原边的电流I0n给给Cs线性充电；线性充电；Cs：晶体管输出电容、钳位二极管结电容、折算到原边的整流二极管结电容和变压器绕组电容之和在

25、在t=t3t4期间期间VDC导通导通UDS的值保持为的值保持为Uin +Uc磁化磁化电流以一电流以一UcLm 的斜率线性下降到零；的斜率线性下降到零；在在t=t4t5期间，期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感中储存的能量传递到磁化电感Lm中去。中去。可推导出钳位电压为：可推导出钳位电压为： Uc与与Uin无关；无关；增大增大Lm可降低可降低Uc； 增加增加Cs，可降低，可降低Uc；这可通过在；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现但这却增漏源两端外并电容来实现但这却增加了功率开关的容性开通损耗；加了功率开关的容性开通损耗；减小源副边总漏感减小源副边总漏感L1k可降可降低低Uc，这是降低钳位电压的

26、关键因素。，这是降低钳位电压的关键因素。RCD复位 优点： 磁复位电路简单；磁复位电路简单； 功率开关电压较低；功率开关电压较低； 占空比占空比d可大于可大于0.5,适用于宽输入电压场合。适用于宽输入电压场合。 缺点: 大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换场合。场合。RCD复位法特点有源钳位为了简化分析，假设输出滤波电感为了简化分析，假设输出滤波电感L和钳位电容和钳位电容Ccl足够大，因此可将它们分别作为电流源和电压源处足够大，因此可将它们分别作为电流源和电压源处理。变压

27、器用磁化电感理。变压器用磁化电感Lm 、原副边总漏感、原副边总漏感L1k和变和变比为比为n：1的理想变压器表示。每个开关周期分为七的理想变压器表示。每个开关周期分为七个区间原理波形如右图所示。个区间原理波形如右图所示。t=t0时，功率开关时，功率开关VM开通。开通。VDC与与VD2截止截止VD1开通；开通；t=t1时。功率开关时。功率开关VM关断，以关断，以Ion对电容对电容Cs充电使得充电使得UDs增大；增大；t= t2时。时。UDs=Uin ，VD1关断，关断，VD2开通，磁化电流对开通，磁化电流对C2 充电即充电即 Lm与与Cs 谐振，部分磁化能量转移到谐振，部分磁化能量转移到Cs中去；中去；t=t3时，时，UDs=Uin +Uc1，VDC开通开通i m以以-Uc1Lm 斜率斜率下降，一直到下降，一直到t4 时刻为零，钳位开关时刻为零，钳位开关VMC 应在应在t3t4 期期间加上开通信号；间加上开通