开关电源原理设计及实例第第4章变压器隔离的DC-DC变换器拓扑结构

4.1概述4.2单端正激式结构4.3单端反激式结构4.4半桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.6推挽式电路结构第4章变压器隔离的DC-DC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。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。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。4.1概述逆变电路变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流图4-1隔离DC-DC变换器功能示意图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。4.1概述表4-1各种不同的间接直流变流电路的比较拓扑结构电路优缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源全桥变压器双向激磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W~几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W~几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向激磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW低输入电压的电源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。4.2单端正激式结构4.2.2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。4.2单端正激式结构当控制开关S接通的时候，直流输入电压iU首先对变压器T的初级线圈N1绕组供电，电流在变压器初级线圈N1绕组的两端会产生自感电动势1e；同时，通过互感M的作用，在变压器次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势2e；当控制开关S由接通状态突然转为关断状态的时候，电流在变压器初级线圈N1绕组中存储的能量(磁能)也会产生反电动势1e；同时，通过互感M的作用，在变压器次级线圈N2绕组中也会产生感应电动势2e。因此，在控制开关S接通之前和接通之后，在变压器初、次级线圈中感应产生的电动势方向是不一样的。开关S导通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以开关器件S关断后承受的电压为113SiNUUN(4-1)4.2单端正激式结构4.2.3电路关键节点波形4.2单端正激式结构变压器的磁心复位：开关S导通后，变压器的励磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。为防止变压器的励磁电感饱和，必须设法使励磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。变压器的磁心复位时间为：31rstonNttN(4-2)输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：21ooniUtNUNT(4-4)输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式(4-4)的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下21oiNUUN(4-5)4.2单端正激式结构4.2单端正激式结构4.2.4主要参数计算方法1.储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算0.542oiooUULTTDII时(4-6)0.52oppICTDU时(4-7)式中，oI为流过负载的平均电流，当0.5D时，其大小正好等于流过储能电感L最大电流Lmi的二分之一；T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍控制开关的接通时间onT；ppU为输出电压的纹波电压，纹波电压ppU一般取峰-峰值，所以纹波电压等于电容器充电或放电时的电压增量，即：2ppCUU。4.2单端正激式结构2.变压器初级线圈匝数的计算8101imrUNSBB(4-8)(4-8)式是计算单端正激式开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的公式。式中，1N为变压器初级线圈绕组的最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积(单位：平方厘米)，mB为变压器铁心的最大磁感应强度(单位：高斯)，Br为变压器铁心的剩余磁感应强度(单位：高斯)，rB一般简称剩磁，onT，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度(单位：秒)，一般取值时要预留20%以上的余量，iU为输入电压，单位为伏。式中的指数是统一单位的，选用不同单位，指数的值也不一样，这里选用CGS单位制，即：长度为厘米(cm)，磁感应强度为高斯(Gs)，磁通单位为麦克斯韦(Mx)。4.2单端正激式结构3.变压器初、次级线圈匝数比的计算oiUnUD(4-9)上式中，n为单端正激式开关电源变压器次级线圈与初级线圈的匝数比，即：2/1nNN；oU为输出直流电压，iU为变压器初级输入电压，D为控制开关的占空比。4.流过VD1的电流最大值112VDPLPoLIIIIminLL(4-10)5.流过VD1的电流平均值1VDoIDIminLL(4-11)6.输出电压脉动的峰-峰值2()18oooppoiUTnUULCU(4-12)4.2单端正激式结构4.2.5正激式电路优缺点1.优点⑴正激DC-DC变换器利用高频变压器原、副边绕组隔离的特点，可以方便地实现交流电网和直流输出端之间的隔离；⑵能方便地实现多路输出；⑶只有一个开关管，只需要一组驱动脉冲，对控制电路的要求比双端的变换器低。2.缺点⑴在控制开关S关断的瞬间开关电源变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。因此，在图4-2中，为了防止在控制开关S关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组，以及增加了一个削反峰二极管VD3。反馈线圈N3绕组和削反峰二极管VD3对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方面，反馈线圈N3绕组产生的感应电动势通过二极管VD3可以对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电；另一方面，流过反馈线圈N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。4.3单端反激式结构4.3.1简介所谓单端反激式变压器开关电源，是指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。单端反激变换器是在反极性(Buck--Boost)变换器基础上演变而来的，因此具有反极性变换器的特性。在高频开关电源功率转换电路中，单端变换器(反激、正激式)与双端变换器(推挽、半桥、全桥式)的本质区别，在于其高频变压器的磁心只工作在第一象限，即处于磁滞回线的一边。按变压器的副边开关整流器二极管的不同接线方式，单端变换器有两种类型：一种是单端反激式变换器(原边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反，当前者导通时后者截止，反之当前者截止时后者导通)。另一种是单端正激式变换器(两者同时导通或截止)。4.3.2电路结构及工作原理图4-5反激式电路原理图S导通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。4.3单端反激式结构在控制开关S导通的onT期间，输入电源iU对变压器初级线圈N1绕组加电，初级线圈N1绕组有电流1i流过，在N1两端产生自感电动势的同时，在变压器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势，但由于整流二极管的作用，没有产生回路电流。相当于变压器次级线圈开路，变压器次