正激變換器工作原理及幾種復(fù)位方式

1Contents正激變換器的工作原理1幾種復(fù)位方式及其比較2南京郵電大學(xué)第1頁(yè)/共26頁(yè)第一頁(yè)，共27頁(yè)。2正激變換器的工作原理南京郵電大學(xué)單端正激變換器的主電路開關(guān)管Q按PWM方式工作，D1是輸出整流二極管，D2是續(xù)流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。變壓器有三個(gè)繞組，W1原邊繞組，W2副邊繞組，W3復(fù)位繞組。第2頁(yè)/共26頁(yè)第二頁(yè)，共27頁(yè)。3正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)南京郵電大學(xué)開關(guān)管Q導(dǎo)通，電源電壓VIN加在原邊繞組上，變壓器鐵芯磁通φ增加，則變壓器鐵芯磁通增量：第3頁(yè)/共26頁(yè)第三頁(yè)，共27頁(yè)。4南京郵電大學(xué)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)由得變壓器原邊磁化電流：式中LM是原邊繞組的勵(lì)磁電感。副邊繞組W2上的電壓為：此時(shí)整流二極管D1導(dǎo)通，續(xù)流二極管D2截止，流過(guò)濾波電感Lf的電流增加：顯然這和BUCK變換器中開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)一樣。變壓器原邊繞組電流：

第4頁(yè)/共26頁(yè)第四頁(yè)，共27頁(yè)。5南京郵電大學(xué)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)Q關(guān)斷，變壓器原邊繞組和副邊繞組中都沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)變壓器通過(guò)復(fù)位繞組進(jìn)行磁復(fù)位，勵(lì)磁電流iM從復(fù)位繞組W3經(jīng)過(guò)二極管D3回饋到輸入電源中去。此時(shí)整流管D1關(guān)斷，流過(guò)電感Lf電流通過(guò)續(xù)流二極管D2續(xù)流，復(fù)位繞組電壓：第5頁(yè)/共26頁(yè)第五頁(yè)，共27頁(yè)。6此時(shí)整流管關(guān)斷，流過(guò)電感Lf電流通過(guò)續(xù)流二極管D2續(xù)流，顯然和BUCK變換器類似。在此開關(guān)狀態(tài)中，加在Q上的電壓為：電源VIN反向加在復(fù)位繞組W3上，故鐵芯被去磁，鐵芯的磁通φ減小：鐵芯磁通φ的減小量：式中Tr-ton是去磁時(shí)間。南京郵電大學(xué)變壓器原邊繞組和副邊繞組的電壓分別為：正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)第6頁(yè)/共26頁(yè)第六頁(yè)，共27頁(yè)。7南京郵電大學(xué)勵(lì)磁電流iM從原邊繞組中轉(zhuǎn)移到復(fù)位繞組中，并開始線性減?。涸赥r時(shí)刻，，變壓器完成磁復(fù)位。正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)第7頁(yè)/共26頁(yè)第七頁(yè)，共27頁(yè)。8南京郵電大學(xué)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)Q關(guān)斷狀態(tài)中，所有繞組均沒(méi)有電流，它們的電壓為零。濾波電感電流經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流。在此時(shí)Q上的電壓為:由于在正激變換器中磁通必須復(fù)位，得：整理得：第8頁(yè)/共26頁(yè)第八頁(yè)，共27頁(yè)。9南京郵電大學(xué)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)如果W1>W3，則去磁時(shí)間小于開通時(shí)間即開關(guān)管的工作占空比。如果W1<W3

，則去磁時(shí)間大于開通時(shí)間即開關(guān)管的工作占空比。W1>W3，Q管電壓大于2倍輸入電壓；W1<W3，Q管電壓小于2倍輸入電壓。為了充分提高占空比和減小Q兩端電壓，必須折衷選擇。一般選W1=W3，這時(shí)，，而Q管電壓等于2倍輸入電壓。由于單端正激變換器（Forword）變換器實(shí)際上是一個(gè)隔離的BUCK變換器，因此其輸入和輸出關(guān)系為：

第9頁(yè)/共26頁(yè)第九頁(yè)，共27頁(yè)。10南京郵電大學(xué)正激變換器的不同開關(guān)狀態(tài)第10頁(yè)/共26頁(yè)第十頁(yè)，共27頁(yè)。11Contents正激變換器的工作原理1幾種復(fù)位方式及其比較2南京郵電大學(xué)第11頁(yè)/共26頁(yè)第十一頁(yè)，共27頁(yè)。12單端變換器的磁復(fù)位技術(shù)使用單端隔離變壓器之后，變壓器磁芯如何在每個(gè)脈動(dòng)工作磁通之后都能恢復(fù)到磁通起始值，這是產(chǎn)生的新問(wèn)題，稱為去磁復(fù)位問(wèn)題。因?yàn)榫€圈通過(guò)的是單向脈動(dòng)激磁電流，如果沒(méi)有每個(gè)周期都作用的去磁環(huán)節(jié)，剩磁通的累加可能導(dǎo)致出現(xiàn)飽和。這時(shí)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流很大；斷開時(shí)，過(guò)電壓很高，導(dǎo)致開關(guān)器件的損壞。剩余磁通實(shí)質(zhì)是磁芯中仍殘存有能量，如何使此能量轉(zhuǎn)移到別處，就是磁芯復(fù)位的任務(wù)。具體的磁芯復(fù)位線路可以分成兩種：一種是把鐵芯殘存能量自然的轉(zhuǎn)移，在為了復(fù)位所加的電子元件上消耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸出端；另一種是通過(guò)外加能量的方法強(qiáng)迫鐵芯的磁狀態(tài)復(fù)位。具體使用那種方法，可視功率的大小、所使用的磁芯磁滯特性而定。。磁復(fù)位技術(shù)第12頁(yè)/共26頁(yè)第十二頁(yè)，共27頁(yè)。13典型的兩種磁芯磁滯特性曲線磁復(fù)位技術(shù)第13頁(yè)/共26頁(yè)第十三頁(yè)，共27頁(yè)。14在磁場(chǎng)強(qiáng)度H為零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的多少是由鐵芯材料決定。圖a的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br比圖b小，圖a一般是鐵氧體、鐵粉磁芯和非晶合金磁芯，圖b一般為無(wú)氣隙的晶粒取向鎳鐵合金鐵芯。對(duì)于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br較小的鐵芯，一般使用轉(zhuǎn)移損耗法。轉(zhuǎn)移損耗法有線路簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。對(duì)于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br較高的鐵芯，一般使用強(qiáng)迫復(fù)位法。強(qiáng)迫復(fù)位法線路較為復(fù)雜。簡(jiǎn)單的損耗法磁芯復(fù)位電路是由一只穩(wěn)壓管和二極管組成，穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組或和變壓器副邊繞組并聯(lián)，磁芯中殘存能量由于穩(wěn)壓管反向擊穿導(dǎo)通而損耗，它具有兩種功能，既可以限制功率開關(guān)管過(guò)電壓又可以消除磁芯殘存能量。在實(shí)際應(yīng)用中由于變壓器從原邊到副邊的漏電感（寄生電感）存在，這個(gè)電感中也有存儲(chǔ)的能量，因此一般把穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組并聯(lián)連結(jié)。這種電路只適用于小功率變換器中，。

磁復(fù)位技術(shù)第14頁(yè)/共26頁(yè)第十四頁(yè)，共27頁(yè)。15幾種磁復(fù)位方式南京郵電大學(xué)第三線圈復(fù)位法RCD復(fù)位有源鉗位雙管正激第15頁(yè)/共26頁(yè)第十五頁(yè)，共27頁(yè)。16第三線圈復(fù)位法特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無(wú)損地回饋到直流電網(wǎng)中去。缺點(diǎn)：附加的磁復(fù)位繞組使變壓器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)復(fù)雜化；開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來(lái)抑制，尤其是變壓器滿載時(shí)；開關(guān)管承受的電壓與輸入直流電壓成正比，當(dāng)變壓器工作在寬輸入電壓范圍時(shí)，必須采用高壓功率MOSFET,而高壓功率MOSFET的導(dǎo)通電阻較大，從而導(dǎo)致導(dǎo)通損耗較大；Uin=Uinmax時(shí)，占空比d=dmin很小，不易于大功率輸出。南京郵電大學(xué)第16頁(yè)/共26頁(yè)第十六頁(yè)，共27頁(yè)。17RCD復(fù)位南京郵電大學(xué)t=t2時(shí)開始磁復(fù)位，Cs與Lm諧振使得磁化電感能量有一部分轉(zhuǎn)移到Cs

中去，剩余的磁化電感能量和變壓器漏感能量消耗在鉗位電阻R中；t=t0～t1期間，開關(guān)管導(dǎo)通變壓器上的磁化電流增加；t=t1時(shí)VM關(guān)斷，隨后以負(fù)載折算到原邊的電流I0／n給Cs線性充電；Cs：晶體管輸出電容、鉗位二極管結(jié)電容、折算到原邊的整流二極管結(jié)電容和變壓器繞組電容之和第17頁(yè)/共26頁(yè)第十七頁(yè)，共27頁(yè)。18在t=t3～t4期間．VDC導(dǎo)通．UDS的值保持為Uin+Uc．磁化電流以一Uc／Lm的斜率線性下降到零；在t=t4～t5期間，Cs中儲(chǔ)存的能量傳遞到磁化電感Lm中去?？赏茖?dǎo)出鉗位電壓為：①Uc與Uin無(wú)關(guān)；②增大Lm可降低Uc；③增加Cs，可降低Uc；這可通過(guò)在VM漏源兩端外并電容來(lái)實(shí)現(xiàn)．但這卻增加了功率開關(guān)的容性開通損耗；④減小源副邊總漏感L1k可降低Uc，這是降低鉗位電壓的關(guān)鍵因素。RCD復(fù)位第18頁(yè)/共26頁(yè)第十八頁(yè)，共27頁(yè)。19優(yōu)點(diǎn)：磁復(fù)位電路簡(jiǎn)單；功率開關(guān)電壓較低；占空比d可大于0.5,適用于寬輸入電壓場(chǎng)合。缺點(diǎn):大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中。因此，它廣泛應(yīng)用于價(jià)廉、效率要求不太高的功率變換場(chǎng)合。RCD復(fù)位法特點(diǎn)第19頁(yè)/共26頁(yè)第十九頁(yè)，共27頁(yè)。20有源鉗位南京郵電大學(xué)為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)輸出濾波電感L和鉗位電容Ccl足夠大，因此可將它們分別作為電流源和電壓源處理。變壓器用磁化電感Lm、原副邊總漏感L1k和變比為n：1的理想變壓器表示。每個(gè)開關(guān)周期分為七個(gè)區(qū)間．原理波形如右圖所示。t=t0時(shí)，功率開關(guān)VM開通。VDC與VD2截止．VD1開通；t=t1時(shí)。功率開關(guān)VM關(guān)斷，以Io／n對(duì)電容Cs充電．使得UDs增大；t=t2時(shí)。UDs=Uin

，VD1關(guān)斷，VD2開通，磁化電流對(duì)C2充電．即Lm與Cs諧振，部分磁化能量轉(zhuǎn)移到Cs中去；t=t3時(shí)，UDs=Uin+Uc1，VDC開通．im以-Uc1／Lm斜率下降，一直到t4時(shí)刻為零，鉗位開關(guān)VMC應(yīng)在t3～t4期間加上開通信號(hào)；t=t4時(shí)，im開始變負(fù)，VMc實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，im仍以一Ucl／Lm斜率下降，鐵心工作在第三象限；t=t5時(shí)，VMc關(guān)斷，Lm與Cs開始諧振，Cs以負(fù)的磁化電流放電，能量回饋到電網(wǎng)及轉(zhuǎn)移到磁化電感中去；t=t6時(shí)，UDS下降到Uin，VD1開通，為im在副邊續(xù)流提供了通路；t=t7時(shí)，VM再次開通，開始了另一周期。由此可見(jiàn)，鉗位開關(guān)VM實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)(ZVS)，功率開關(guān)VM實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，但非零電壓開通。)第20頁(yè)/共26頁(yè)第二十頁(yè)，共27頁(yè)。21有源鉗位第21頁(yè)/共26頁(yè)第二十一頁(yè)，共27頁(yè)。22優(yōu)點(diǎn)：變壓器磁化能量和漏惑能量可重復(fù)利用；可利用低壓功率MOSFET和二極管；ZVT-PWM工作方式；占空比d可大于0.5；變壓器鐵心工作在一、三象限雙向?qū)ΨQ磁化，鐵心利用率高，銅損小缺點(diǎn)：多用一個(gè)鉗位開關(guān)，增加了驅(qū)動(dòng)電路難度和變換器成本。有源鉗位優(yōu)缺點(diǎn)第22頁(yè)/共26頁(yè)第二十二頁(yè)，共27頁(yè)。23雙管正激南京郵電大學(xué)第23頁(yè)/共26頁(yè)第二十三頁(yè)，共27頁(yè)。24南京郵電大學(xué)雙管正激第24頁(yè)/共26頁(yè)第二十四頁(yè)，共27頁(yè)。25優(yōu)點(diǎn):加于每個(gè)MOSFFT的最大電壓僅為VDD。減少了干擾尖峰，有利于減小了應(yīng)力和噪聲可以有效地避免誤觸發(fā)引起的短路故障。缺點(diǎn):需要更多的開關(guān)器件，增加了成本。電路中過(guò)多的器件可能降低效率，但可以通過(guò)使用低額定電壓的MOSFET降低電阻RDS（on）來(lái)提高效率。占空比小于50%，受開關(guān)頻率的限制。雙管正激優(yōu)缺點(diǎn)第25頁(yè)/共26頁(yè)第二十五頁(yè)，共27頁(yè)。2023/2/1126謝謝您的觀看！第