电力电子技术课件-第4章(4.2-4.3)1

隔离DC/DC电路中变换电路是指电路输入与输出之间通过隔离变压器实现电气隔离的DC/DC变换电路。根据主功率开关器件的个数，隔离DC/DC变换电路分可为单管、双管和四管三类。单管隔离：正激、反激；双管隔离：推挽和半桥；四管隔离：全桥。本节介绍这五种隔离DC/DC变换电路的电路结构、工作原理和主要参数关系等。4.2隔离DC/DC变换电路4.2.1正激（Forward）电路开关S采用PWM控制方式、VD1是输出整流二极管、VD2是续流二极管、L和C是输出滤波电感和滤波电容原边绕组W1，匝数N1副边绕组W2，匝数N2复位绕组W3，匝数N3隔离变压器有三个绕组，标有“•”的一端为同名端。VD3是复位绕组的串连二极管。根据变压器的磁芯磁复位方法的不同，正激电路包含多种不同的拓扑结构。其中，在电路输入端接复位绕组是最基本的磁芯磁复位方法。隔离变压器为高频变压器图4.25正激电路原理图正激电路在一个开关周期内经历开关导通、开关关断2个开关状态4.2.1正激（Forward）电路图4.26正激电路的开关状态4.2.1正激（Forward）电路①t0~t1时段S导通，变压器励磁，绕组W1的电压为上正下负，副边绕组W2的电压也是上正下负。图4.27正激电路主要电压、电流波形4.2.1正激（Forward）电路①t0~t1时段VD1导通，VD2截止，L电流逐渐增长。11iwduNUdtdtdNuw22dtdNuw3322i1wNuUN图4.27正激电路主要电压、电流波形4.2.1正激（Forward）电路②t1~t2时段S关断，上负下正，VD1关断，VD2导通，电感L电流通过VD2续流，并逐渐下降。上正下负，VD3导通。1wu图4.27正激电路主要电压、电流波形2wu3wu4.2.1正激（Forward）电路②t1~t2时段励磁电流经W3和VD3流回输入端，变压器磁复位。在磁复位未完成前，即t1~tr时段，开关承受的电压为:1i31SNuUN图4.27正激电路主要电压、电流波形4.2.1正激（Forward）电路②t1~t2时段变压器磁复位完成后，即tr~t2开关承受的电压为：iSuU图4.27正激电路主要电压、电流波形4.2.1正激（Forward）电路S开通后，励磁电流im由0开始，线性增长，直到S关断。S关断后到再一次开通的时间内，必须设法使im降回到零否则下一个开关周期中，im将在剩余值基础上继续增加，依次累积，变得越来越大，从而导致变压器的励磁电感饱和。励磁电感饱和后，im会更加迅速地增长，最终损坏电路中的开关器件。因此，在S关断后，使im降回到零的过程称为变压器的磁复位。变压器磁复位：图4.28正激电路磁复位过程4.2.1正激（Forward）电路根据变压器在t0~t1时段磁通的增加量等于在t1~tr时段磁通的减小量，等效为图中两阴影矩形面积(电压伏秒面积)相等励磁电流电流下降到0所需的复位时间为：3311011()rstronNNttttttNN只有保证，才能使变压器磁芯可靠复位。offrsttt1i1i103()()rNUttUttN图4.28正激电路磁复位过程4.2.1正激（Forward）电路输出电压在电感电流连续的情况下，正激电路输入输出电压关系为：22ii11onotNNUUDUNTN4.2.1正激（Forward）电路可见，正激电路的输出电压和降压(Buck)型电路非常相似，仅有的差别在于变压器的变比。实际上，正激电路就是一个插入隔离变压器的Buck电路。输入、输出电压关系可以看成是将输入电压按变压器的变比折算至变压器二次侧后，根据Buck电路得到的。由于在开关导通时电源能量直接传至负载，故称正激电路。电感电流断续时，参照Buck电路分析。图4.25正激电路原理图它由开关S、输出整流二极管VD、输出滤波电容C和隔离变压器构成。开关采用PWM控制方式。反激电路可以看成是将升降压（Buck-Boost）型电路中的电感换成变压器绕组和相互耦合的电感而得到的。因此，反激电路中的变压器在工作中总是经历着储能―放电的过程。4.2.2反激（Flyback）电路根据变压器副边绕组的电流，反激电路也存在电流连续和电流断续两种工作模式。4.29反激电路原理图1．电流连续工作模式反激电路工作于电流连续模式时，在一个开关周期经历开关导通、开关关断2个开关状态。4.2.2反激（Flyback）电路图4.30反激电路的开关状态4.2.2反激（Flyback）电路①t0~t1时段S受激励导通，VD反向偏置而截止，原边绕组电流线性增长，变压器储能增加。图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形4.2.2反激（Flyback）电路②t1~t2时段S关断，VD导通。W1绕组的电流被切断，变压器在t0~t1时段储存的能量通过W2绕组和VD向输出端释放。图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形②t1~t2时段S关断承受电压为：输入输出电压关系为：4.2.2反激（Flyback）电路1i2SoNuUUNon22oii1off1tNNDUUUNtN1D图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形②t1~t2时段与升降压型电路相似输入输出电压关系为：4.2.2反激（Flyback）电路on22oii1off1tNNDUUUNtN1D图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形2电流断续工作模式反激电路工作于电流断续模式时，在一个开关周期经历开关导通、开关关断和电感电流为零3个开关状态。4.2.2反激（Flyback）电路图4.32反激电路的开关状态4.2.2反激（Flyback）电路①t0~t1时段开关S受激励导通，VD反向偏置而截止，原边绕组电流线性增长，变压器储能增加。图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形4.2.2反激（Flyback）电路②t1~t2时段S关断，VD导通，W1绕组的电流被切断，变压器在t0~t1时段储存的能量通过W2绕组和VD向输出端释放。图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形4.2.2反激（Flyback）电路②t1~t2时段t2时刻，磁场能量释放完毕，绕组W2中电流下降到零，VD截止。图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形4.2.2反激（Flyback）电路③t2~t3时段变压器原边绕组和副边绕组中电流均为零，电容向负载提供能量。图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形4.2.2反激（Flyback）电路反激电路电流断续工作时，输出电压将高于式并随负载减小而升高。在负载为零的极限情况下将造成电路损坏，因此反激电路的负载不应该开路。反激电路工作于电流断续模式时，变压器磁芯的利用率较高、较合理，故通常在设计反激电路时应保证其工作于电流断续方式。由于在开关关断时磁能变电量传至负载，称反激电路。oU22111onoiiofftNNDUUUNtND4.2.3推挽（Push-Pull）电路4.2.3推挽（Push-Pull）电路变压器是具有中间抽头的变压器。原边绕组W11和W12匝数相等，均为N1；副边绕组W21和W22匝数相等，均为N2。绕组间同名端如图所示。开关均采用PWM控制方式，且交替导通。输出整流电路采用由二极管构成的全波整流电路。图4.35推挽电路原理图4.2.3推挽（Push-Pull）电路推挽电路可看成是两个正激电路的组合，这两个正激电路的开关交替导通，故变压器磁芯是交变磁化的。图4.35推挽电路原理图推挽电路电流连续时，在一个开关周期内经历４个开关状态4.2.3推挽（Push-Pull）电路图4.36推挽电路的开关状态4.2.3推挽（Push-Pull）电路①t0~t1时段S1受激励导通，电压加在W11上。VD1正向偏置导通，电感电流经副边绕组W21、VD1、L、C及负载，电感电流线性上升。图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t4.2.3推挽（Push-Pull）电路②t1~t2时段开关都关断，原边绕组中的电流为零。电感通过两个二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t4.2.3推挽（Push-Pull）电路③t2~t3时段开关S2受激励导通，电压加在W12上，VD2导通，电感电流流经副边绕组W22、VD2、L、C及负载，电感电流线性上升。图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t④t3~t4时段开关都关断，原边绕组中的电流为零。电感通过两个二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t4.2.3推挽（Push-Pull）电路必须避免开关同时导通，各自的占空比不能超过50％，并且要留有死区。输出电感电流连续时，推挽电路的输入输出电压关系为：推挽电路的占空比定义为：4.2.3推挽（Push-Pull）电路22112'onoiitNNUUDUNTN2'ontDT4.2.4半桥（Half-bridge）电路变压器是具有中间抽头的变压器，原边绕组W1，匝数N1；副边绕组W21和W22匝数相等，均为N2。两个容量相等的电容构成一个桥臂，由于电容的容量大，故电容电压。开关构成另一个桥臂，均采用PWM控制方式，且交替导通。122CCiUUU输出整流电路采用二极管全波整流电路。图4.38半桥电路原理图半桥电路电感电流连续时，在一个开关周期４个开关状态4.2.4半桥（Half-bridge）电路图4.39半桥电路的开关状态4.2.4半桥（Half-bridge）电路①t0~t1时段S1导通，电容C1加在W1上。VD1导通，电感电流流经副边绕组W21、VD1、C及负载，电感电流线性上升。图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t4.2.4半桥（Half-bridge）电路②t1~t2时段开关都关断，原边绕组中的电流为零，电感通过二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t4.2.4半桥（Half-bridge）电路③t2~t3时段S2导通，电容C2电压加在W1上VD2导通，电感电流流经副边绕组W22、VD2、C及负载，电感电流线性上升。图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t4.2.4半桥（Half-bridge）电路④t3~t4时段开关都关断，原边绕组中的电流为零，电感通过二极管和续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。S1S2uS1uS2iS1iS2iVD1iVD2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOton0t1t2t3t4t图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形输出电感电流连续时，半桥电路的输入输出电压关系为：半桥电路的占空比同样定义为：4