直流電源拓撲

高頻開關直流電源二、拓撲拓撲Buck變換器Boost變換器Buck-Boost變換器Cuk變換器反激變換器正激變換器推挽變換器半橋變換器全橋變換器工作原理工作模態(tài)波形狀態(tài)方程傳遞函數(shù)參數(shù)設計應用拓撲Buck變換器(a)導通狀態(tài)(b)關斷狀態(tài)Boost變換器(a)導通狀態(tài)(b)關斷狀態(tài)(1)CCM工作模式Boost變換器(a)導通狀態(tài)(b)關斷狀態(tài)(c)導通、電流斷續(xù)狀態(tài)(2)DCM工作模式Boost變換器占空比—增益關系曲線Boost變換器(a)理想電路(b)實際電路Boost變換器理想和實際狀態(tài)下增益M=f(D1)曲線Boost變換器應用—功率因數(shù)校正（PFC）Buck-Boost(升降壓)變換器CUK變換器CUK變換器單端變換電路，它與雙端電路的主要區(qū)別在于高頻變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側（第一象限）。按高頻變壓器副邊開關整流二極管連接方式不同，單端變換電路可分為單端反激和單端正激兩種形式。單端變換器高壓開關管Q在觸發(fā)脈沖驅動下導通時，輸入直流電壓Vi正向地加到變壓器的初級Np

。由于次級二極管接反,次級沒有電流流過,變壓器(電感)儲存能量。變壓器初級電流(磁通)是單向的，故稱單端變壓器；輸出電容器C和負載只是在開關管截止時從變壓器次級獲得能量，稱之為反激式。將一個開關周期分為兩個階段，并設變壓器T初次級電感Lp和LS為常量。單端反激式變換器HIPip的最大值

開關管導通時+

開關管關斷時+-單端反激式變換器電流斷續(xù)工作模式

完全能量傳遞方式電流連續(xù)工作模式不完全能量傳遞方式單端反激式變換器不完全能量傳遞電流存在直流分量容易磁飽和磁芯加氣隙磁化曲線向H軸傾斜傳遞更多的能量單端反激式變換器氣隙較小氣隙較大部分能量存儲在氣隙里Ve—磁芯和氣隙的有效體積單端反激式變換器氣隙的作用減小剩余磁感應強度增加△Hac的工作范圍可加上更大的H值即直流電流分量更大不改變飽和磁感應強度減小有效磁導率（B/H曲線斜率）單端反激式變換器開關應力高的原因變壓器的漏感負載線不夠合理，存在電感抑制開關應力減少漏感耗散過電壓的能量使能量反饋回電源中單端反激式變換器開關過電壓的抑制方法：耗散過電壓的能量單端反激式變換器開關過電壓的抑制方法：能量反饋回電源單端反激式變換器緩沖網(wǎng)絡的優(yōu)點：減少開關管電壓應力減少EMI使負載軌跡不超過安全工作區(qū)單端反激式變換器無緩沖網(wǎng)絡有緩沖網(wǎng)絡無緩沖網(wǎng)絡有緩沖網(wǎng)絡單端正激式變換器與反激式不同之處在于開關管Q導通期間輸入電壓經(jīng)變壓器T向輸出電容C和負載提供能量，稱為正激式在結構上，變壓器T增加一去磁線圈Nt，Nt匝數(shù)與Np相同。其工作過程也可分以下兩個階段單端正激式變換器t=0時，開關管Q從截止變?yōu)閷ǎ斎腚妷赫虻丶拥匠跫壚@組Np,根據(jù)同名端原理，次級繞組Ns電壓為上正下負。二極管D2導通，輸入端能量經(jīng)變壓器T、二極管D2提供給電感L、電容C和負載。當t=t1時，開關管導通結束Ip的最大值第一階段：當t=t1時，開關管Q從導通變?yōu)榻刂梗捎趇p電流不能突變,變壓器T各繞組電壓反向,次級繞組上正下負使D2截止，D3導通，電感L向負載提供能量，這時去磁線圈Nt的感應電勢為上正下負，D1導通起到續(xù)流和去磁作用。第二階段：通過D1的電流的最大值為當t=t2時，開關管截止結束從下一個開關周期Ts，ip又從

開始按線性增加。第二階段：圖中ip的陰影部分為變壓器T的激磁電流，它與去磁電流的陰影部分對應。為保證磁心磁通密度總能無偏差地復位到磁滯回線的起始點,施于變壓器繞組的復位伏秒數(shù)與置位伏秒數(shù)必須能夠相等。否則將使變壓器磁心趨于飽和，損壞開關管。若Np=Nt,則該變換器最大占空比為0.5。雙端變換電路，高頻變壓器的磁心工作在磁滯回線的第一、三象限。主要電路有推挽式、全橋式、半橋式等雙端變換器高壓開關管BG1、BG2受脈寬觸發(fā)信號控制，以PWM方式激勵（兩脈沖等幅、等寬、互補、有死區(qū)）推挽式變換器高壓開關管BG1、BG2受脈寬觸發(fā)信號控制，以PWM方式激勵（兩脈沖等幅、等寬、互補、有死區(qū)）推挽式變換器開關管開通瞬間有電流尖峰副邊開關整流二極管反向恢復時間內(nèi)所造成的短路，以及集射極間的保護電容放電。關斷瞬間的集射極電壓疊加尖峰

變壓器的漏感儲能造成的，該尖峰電壓有可能使高壓開關管承受兩倍以上的輸入電壓。推挽式變換器優(yōu)點：兩管能獲得較大功率輸出，兩驅動信號彼此不用絕緣，適合于低輸入電壓的場合。推挽式變換器當一對開關管截止時，若兩電容器容量相等且電路對稱，電容中點A的電壓為E/2當S1被觸發(fā)導通，E/2被正向加到NP的初級當S2被觸發(fā)導通，E/2被反向加到NP的初級，有死區(qū)地輪換觸發(fā)兩開關管，將輸入直流電壓轉換成交流方波電壓。半橋式變換器S1導通S2關斷半橋式變換器S2導通S1關斷半橋式變換器晶體管從導通轉為截止時，疊加漏感尖峰被箝位于E。因此高壓開關管上承受的尖峰電壓也不超過電源電壓，而且晶體管數(shù)量只有全橋式的一半，這是它的優(yōu)點。缺點在于，高頻變壓器上的電壓幅值只有E/2,欲得到和全橋、推挽式相同的輸出功率，高壓開關管必須流過兩倍的電流。一般半橋式只宜獲得中等容量輸出。半橋式電路的一個極重要的特點是其具有抗不平衡能力。全橋式變換器全橋式的優(yōu)缺點：全橋式電路穩(wěn)定時，開關管施加的最高電壓為E，瞬態(tài)電壓峰值箝位于E，較推挽耐壓要求低。另外箝位二極管將漏感能量歸還電源，有益于提高效率。電路使用了四個高壓開關管，需要四組彼此絕緣的基極驅動電路，電路復雜，元件多。變壓器原邊磁通容易出現(xiàn)不平衡，需串聯(lián)隔直電容隔直電容的作用三種功率轉換電路的綜合比較Tr4Tr2QDTr1Tr3Tr1t超前橋臂Tr1、Tr3滯后橋臂Tr2、Tr4移相全橋變換器改變對管驅動電壓的移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓利用諧振實現(xiàn)零電壓開通Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9t1之前+—+—+—功率傳輸t1’Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9t1—t1’+—+—C1+C3與Lr+n2Lf諧振C3被原邊電流充電，Tr3實現(xiàn)近似零電壓關斷C1放電到零，為Tr1零電壓開通提供條件+—t1’死區(qū)時間Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9t1’—t2D1導通，為Tr1零電壓開通提供條件t2—t3D1導通t1’Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9+—+—t3—t3’C2+C4與Lr諧振C4被原邊電流充電，Tr4實現(xiàn)近似零電壓關斷C2放電到零，為Tr2零電壓開通提供條件原邊電感儲能反饋回電網(wǎng)DO1導通，DO2續(xù)流導通,副邊繞組鉗位在1.4V+—占空比丟失t1’t3’Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9t3’—t4’D2導通，為Tr2零電壓開通提供條件原邊電感儲能反饋回電網(wǎng)+—+—+—DO1導通，DO2續(xù)流導通,副邊繞組鉗位在1.4Vdi/dt=E/Lr占空比丟失t1’t4’t3’Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9t4’—t5D2導通，為Tr2零電壓開通提供條件di/dt=E/Lr+—占空比丟失+—+—t1’t3’t4’Tr1Tr3Tr4Tr2QTr3Tr4IPI100副邊繞組電壓tI2iUABt1t2t3t4t5t6t7t8t9t5—t6+—占空比丟失+—+—功率傳輸t1’t3’t4’零電壓開關的實質利用諧振過程對并聯(lián)電容充放電，讓同橋臂的某個開關管電壓快速上升，另個開關管降至零，并由反并聯(lián)二極管箝在0V，為ZVS創(chuàng)造條件。移相全橋變換器開關轉換時電容充放電能

WC=CE2電感為電容充放電提供的磁能

WL=LI2/2超前臂WL=(Lr+n2Lf)I2/2+勵磁能量滯后臂WL=LrI2/2移相全橋