开关电源原理、设计及实例第第4章变压器隔离的DCDC变换器拓扑结构

本章简介本章首先对DC-DC变换、实现方法行了概述，介绍了DC-DC变换中变压器所起的作用，重点对5种DC-DC电路拓扑结构、工作原理、关键节点的波形图进行了论述，包括：单端正激式、单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式电路。最后概括地介绍了上述5种结构电路中电路元器件及输入、输出参数的计算方法。本章要求了解DC-DC电路技术的内涵，重点掌握DC-DC电路拓扑结构特点、原理及工作过程，从而使后续各章的学习目标更加明确。现在是1页\一共有65页\编辑于星期二4.1

概述一般电力(如市电)要经过转换才能符合使用的需要。转换方式有交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率中取小功率等。按电力电子的习惯称谓，AC-DC(AC表示交流电，DC表示直流电)称为整流，DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流直接变频(同时也变压)，DC-DC称为直流-直流变换。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，涉及频率变换，其实把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就是DC-DC的基本手段，类似于“斩波”(Chop)作用。现在是2页\一共有65页\编辑于星期二4.1

概述单端双端正激反激推挽半桥全桥单管双管DC-DC变换器现在是3页\一共有65页\编辑于星期二4.1

概述带变压隔离器的变换器是从第3章基本变换器派生、组合、演变而来的。它们从哪个基本变换器变来，就带有哪个基本变换器的本质特征。所谓派生，是指变压隔离器插入到各基本变换器各不同的点上而形成的电路。由于变压隔离器有单端式、并联式、半桥式和全桥式四种，因此，可得到很多电路。所谓组合是指变换器的串联形式引起的变化。例如降压与升压变换器相串，或者升压与降压变换器相串等等。这与第3章讨论的角度不同，本章是有意识地往隔离方向引导，并加以讨论，从而得到一些有应用价值、使用较广的电路。图4-1给出了隔离DC-DC变换器功能示意图。现在是4页\一共有65页\编辑于星期二4.1

概述图4-1隔离DC-DC变换器功能示意图现在是5页\一共有65页\编辑于星期二4.1

概述升压和降压等变换器可以完成直流电压的变换。但实际上存在着转换功能上的局限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等。这种局限性只能用另一种开关变换器中的重要组件—变压隔离器来克服。下面列出采用变压器隔离结构的原因：输出端与输入端之间需要隔离；变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。因此，变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。这里的离线并不是不需要输入电源，而是输入电源与输出电源之间没有导线连接，完全是通过磁场偶合传输能量；变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是，提高设备的绝缘强度，降低安全风险，同时还可以减轻EMI干扰，并且还容易进行功率匹配；交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量；工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，又可以避免变压器和电感产生噪音。现在是6页\一共有65页\编辑于星期二4.1

概述表4-1各种不同的间接直流变流电路的比较现在是7页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构4.2.1简介单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。在计算机、通信、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初级线圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只有半个周期向负载提供功率(或电压)输出。当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为正激式开关电源；当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源，这种结构将在4.3节中详细介绍。现在是8页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构电路结构及工作原理为使变换器结构简单，提高可靠性，减少成本和重量，图4-2示出了单端变压隔离器与降压变换器结合的线路。这是一个原边、副边同时工作的线路，称为正激变换器（ForwardConverter），它广泛地应用在小功率电源小。由于原边绕组通过的是单向脉动电流，一个实用的单端变压隔离器电路必须采取措施，使变压器铁芯磁性复位，如图4-2所示。现在是9页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构现在是10页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构4.2.3电路关键节点波形现在是11页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构现在是12页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构现在是13页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构现在是14页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构现在是15页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构现在是16页\一共有65页\编辑于星期二4.2单端正激式结构现在是17页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是18页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是19页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是20页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是21页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是22页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是23页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是24页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是25页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是26页\一共有65页\编辑于星期二4.3单端反激式结构现在是27页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是28页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是29页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是30页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是31页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是32页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是33页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是34页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是35页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是36页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是37页\一共有65页\编辑于星期二4.4半桥式电路结构现在是38页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是39页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是40页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是41页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是42页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是43页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是44页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是45页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是46页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是47页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是48页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是49页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是50页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是51页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是52页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是53页\一共有65页\编辑于星期二4.5全桥式电路结构现在是54页\一共有65页\编辑于星期二4.6推挽式电路结构现在是55页\一共有65页\编辑于星期二4.6推挽式电路结构现在是56页\一共有65页\编辑于星期二4.6推挽式电路结构现在是57页\一共有65页\编辑于星期二4.6推挽式电路结构现在是58页\一共有65页\编辑于星期二4.6推挽式电路结构电路关键节点波形现在是59页\一共有