正激变换器工作原理及几种复位方式.ppt.ppt

1、1,正激变换器,主讲人：杨艳 2010.11.22,南京邮电大学,2,Contents,正激变换器的工作原理,1,几种复位方式及其比较,2,南京邮电大学,3,正激变换器的工作原理,南京邮电大学,单端正激变换器的主电路,开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续 流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器 有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。,4,正激变换器的不同开关状态,南京邮电大学,开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁 芯磁通增加，则变压器铁芯磁通增量：,5,南京邮电大学,正激变换器的不同开关状态,由 得变压器原边磁化电流： 式中

2、LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的电压为： 此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过滤波电感Lf的电流增加： 显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。 变压器原边绕组电流：,6,南京邮电大学,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 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 W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断， 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：,7,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。在此开关状态中，加在Q上的电压为： 电源VIN反向

3、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。,南京邮电大学,变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：,正激变换器的不同开关状态,8,南京邮电大学,励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减小：,在Tr时刻， ，变压器完成磁复位。,正激变换器的不同开关状态,9,南京邮电大学,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。滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为: 由于在正激变换器中磁通必须复位，得： 整理得：,10,南京邮电大学,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

4、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：,11,南京邮电大学,正激变换器的不同开关状态,12,Contents,正激变换器的工作原理,1,几种复位方式及其比较,2,南京邮电大学,13,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，称为去磁复位问题。

5、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,14,典型的两种磁芯磁滞特性曲线,磁复位技术,15,在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料

6、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感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，因

7、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,16,几种磁复位方式,南京邮电大学,第三线圈复位法 RCD复位 有源钳位 双管正激,17,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=Uinmax时，占空比

8、d=dmin很小，不易于大功率输出。,南京邮电大学,18,RCD复位,南京邮电大学,t=t2时开始磁复位，Cs与Lm谐振使得磁化电感能量有一部分转移到Cs 中去，剩余的磁化电感能量和变压器漏感能量消耗在钳位电阻R中；,t=t0t1期间，开关管导通变压器上的磁化电流增加；t=t1时VM 关断，随后以负载折算到原边的电流I0n 给Cs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,19,在t=t3t4期间VDC导通UDS的值保持为Uin +Uc磁化 电流以一UcLm 的斜率线性下降到零； 在t=t4t5期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感Lm中

9、去。,可推导出钳位电压为：, Uc与Uin无关；增大Lm可降低Uc； 增加Cs，可降低Uc；这可通过在VM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；减小源副边总漏感L1k可降低Uc，这是降低钳位电压的关键因素。,RCD复位,20,优点： 磁复位电路简单； 功率开关电压较低； 占空比d可大于0.5,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，它广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换场合。,RCD复位法特点,21,有源钳位,南京邮电大学,为了简化分析，假设输出滤波电感L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理。变压器用磁化电感Lm

10、 、原副边总漏感L1k和变比为n：1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。,t=t0时，功率开关VM开通。VDC与VD2截止VD1开通； t=t1时。功率开关VM关断，以Ion对电容Cs充电使得UDs增大； t= t2时。UDs=Uin ，VD1关断，VD2开通，磁化电流对C2 充电即 Lm与Cs 谐振，部分磁化能量转移到Cs中去；,t=t3时，UDs=Uin +Uc1，VDC开通i m以-Uc1Lm 斜率下降，一直到t4 时刻为零，钳位开关VMC 应在t3t4 期间加上开通信号； t=t4时，i m开始变负，VMc 实现了零电压开通，i m仍以一UclL m斜率下降，

11、铁心工作在第三象限；,t=t5时，VMc关断，Lm与Cs开始谐振，C s以负的磁化电流放电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去； t=t6时，UDS下降到Uin，VD1开通，为i m在副边续流提供了通路； t=t7 时，VM再次开通，开始了另一周期。由此可见，钳位开关VM 实现了零电压开关(ZVS)，功率开关VM 实现了零电压关断，但非零电压开通。),22,有源钳位,23,优点： 变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用； 可利用低压功率MOSFET和二极管； ZVT-PWM工作方式； 占空比d可大于0.5； 变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利用率高，铜损小 缺点： 多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成本。,有源钳位优缺点,24,双管正激,南京邮电大学,25,南京邮电大学,双管正激,26,优 点 : 加