1、電力電子技術應用第十講第三章3.4 3.4 變壓器隔離型變壓器隔離型DC/DCDC/DC變換器變換器 基本的DC/DC變換器輸出輸出與輸入輸入之間存在直接電聯系直接電聯系u輸入電壓一般從電網直接經整流濾波電網直接經整流濾波取得，輸出直接給負載供電，若輸出電壓等級與輸入電壓等級相差太大，勢必影響調節(jié)控制范圍影響調節(jié)控制范圍u造成了供電負載與電網電網電壓之間的直接電聯系直接電聯系3.4 3.4 變壓器隔離型變壓器隔離型DC/DCDC/DC變換器變換器 為了解決這一問題，通常有兩種辦法： 方法1電壓等級合適的工頻交流電壓所需直流電壓電網電壓工頻變壓器整流濾波3.4 3.4 變壓器隔離型變壓器隔離型D

2、C/DCDC/DC變換器變換器 為了解決這一問題，通常有兩種辦法： 方法2 其中從初級直流電壓到負載所需要的直流電壓的變換稱隔其中從初級直流電壓到負載所需要的直流電壓的變換稱隔離型離型DC/DC變換變換整流濾波斬波或逆變電路高頻變壓器整流濾波負載所需要的直流電壓合適電壓等級的高頻交流電高頻的脈沖或交流電初級直流電壓電網電壓3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 基本的Buck變換器如圖3-13a所示 AO點之間的電壓波形為方波，如圖3-13b所示3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變

3、換器 圖3-14 隔離型Buck變換器 將這一方波電壓接到變壓器T的原邊，則副邊也將輸出相同形狀的方波 變壓器副邊輸出接整流濾波電路，就可以得到隔離隔離型型Buck變換器變換器，這種變換器的變壓器原、副邊同時工作，故也稱為單端正激單端正激（Forward）變換器）變換器，如圖3-14所示對于隔離型Buck變換器，由于加在變壓器原邊是單方向單方向的脈沖電壓的脈沖電壓，當VT導通時，原邊線圈加正向電壓并通以正向電流，磁芯中的磁感應強度將達到某一值，由于磁芯的磁滯效應磁滯效應，當VT關斷時，線圈電壓或電流回到零線圈電壓或電流回到零，而磁芯磁芯中磁通并不回到零中磁通并不回到零，這就是剩磁通剩磁通剩磁通

4、的累加可能導致磁芯飽和磁芯飽和，因此需要進行磁復位磁復位3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 磁芯復位技術可以分成兩種：u把鐵芯的剩磁能量自然地轉移，在為了復位復位所加的電電子元件子元件上消耗掉，或者把殘存能量饋送到輸入端或輸饋送到輸入端或輸出端出端 u通過外部能量強迫外部能量強迫鐵芯磁復位 隔離型Buck變換器大多采用將剩磁能量饋送到輸入端的饋送到輸入端的再生式再生式磁芯復位方法進行磁復位3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 將圖3-14所示隔離型Buck變換器加上磁復位電

5、路磁復位電路就構成了如圖3-15（a）所示的帶有磁復位電路的隔離型Buck變換器 其中磁復位電路由繞組繞組N3和箝位二極管箝位二極管VD2構成圖3-14圖3-15 a)3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 圖3-15 （b） 帶有磁復位電路的隔離型Buck變換器電路主要工作波形如圖3-15，一個工作周期分為3個階段（a）能量傳遞階段 3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 圖3-15

6、 （b） 帶有磁復位電路的隔離型Buck變換器電路主要工作波形如圖3-15，一個工作周期分為3個階段（b）磁芯復位階段 3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 圖3-15 （b） 帶有磁復位電路的隔離型Buck變換器電路主要工作波形如圖3-15，一個工作周期分為3個階段（c）電感續(xù)流階段3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 t0 t1階段，能量傳遞階能量傳遞階段段如圖3-16(a)所示 VT導通，經變壓器耦合和二極管VD向負載傳輸能量此時，濾波電感L儲能 （a）能量傳遞階段 3

7、.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 nDUDUNNUTtNNU1ii12ion12o（a）能量傳遞階段 輸出電壓 （3-52）二極管VDn承受的反向電壓 （3-53）12iRVD1NNUU)1 (13iRVD2NNUU3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 t1 t2階段，磁芯復位階段磁芯復位階段如圖3-16(b)所示 VT截止， N3承受上正下負的電壓，N1N2將承受下正上負的電壓，二極管VD截止 電感L中產生的感應電勢使續(xù)流二極管VD1導通，電感L中儲存的能量通過二極管VD

8、1向負載釋放（b）磁芯復位階段 變壓器磁芯中的剩磁能量通過VD2和N3饋送到電源uo=0二極管VD承受的電壓為： 開關管漏源（或集射）極之間承受的電壓為： 3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 32iRVDNNUU（b）磁芯復位階段 )1 (31iceNNUU（3-54）（3-55）3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 t2 t0階段，電感續(xù)流階段電感續(xù)流階段，如圖3-16 (c)所示 變壓器磁芯中的剩磁能量全部釋放完畢，電感L中儲存的能量繼續(xù)通過二極管VD1向負載釋放 uo

9、=0（c）電感續(xù)流階段3.4.1 3.4.1 隔離型隔離型BuckBuck變換器單端正激式變換器變換器單端正激式變換器 隔離型Buck變換器單端正激式變換器輸出電壓為： 式中：N1、N2分別為變壓器原、副邊繞組匝數； Ui為變換器輸入電壓；D為功率管導通占空比； 輸出電壓僅決定于變換器輸入電壓輸入電壓、變壓器的匝比匝比和功率管的占空比占空比，與負載電阻無關與負載電阻無關 考慮：工作狀態(tài)需要（磁復位需要）占空比 nDUDUNNUTtNNU1ii12ion12o n=N1/N2為變壓器匝數比（3-51） 對Buck-Boost直流變換器直流變換器如圖3-17(a)，若將中間的電感中間的電感改為隔離

10、變壓器改為隔離變壓器，即可推出隔離型隔離型Buck-Boost變換器變換器 這種變換器副邊是在功率管關斷期間工作在功率管關斷期間工作的，故亦稱單端單端反激式反激式（Fly-back）變換器，如圖3-17(b)所示3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 將圖3-17(b)副邊繞組重新排列整理后，如圖3-17(c)所示 隔離型Buck-Boost變換器拓撲3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 當VT導通時，電路的電流路徑和N2繞組上的感應

11、電壓極性如圖3-18(a)所示 輸入電壓Ui加到變壓器T的原邊繞組N1上，二極管VD截止，副邊繞組N2中沒有電流流過 電源輸入的能量以磁能的形電源輸入的能量以磁能的形式儲存于反激變壓器（電感）式儲存于反激變壓器（電感）中中，該階段為電感儲能階段電感儲能階段3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 當VT截止時，電路電流路徑與N2繞組上的感應電壓極性如圖3-18(b)所示 由于電感中電流方向不能突變，這時N2繞組上的感應電壓使二極管VD導通 反激變壓器（電感）中儲存反激變壓器（電感）中儲存的能量通過另一個繞組傳輸的能量

12、通過另一個繞組傳輸給負載給負載，該階段為電感釋放電感釋放能量階段能量階段3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 當電感中的能量全部釋放完畢后電路電流途徑與N2繞組上的感應電壓極性如圖3-18(c)所示 負載將全部由輸出濾波電容供電 該階段為電容放電階段電容放電階段3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 根據隔離型Buck-Boost變換器中能量轉移能量轉移的過程： 在VT導通期間先由電源輸入的能量以磁能的形式儲存于反激變壓器（電感）中；

13、 在VT截止期間再由反激變壓器（電感）中儲存的能量通過另一個繞組傳輸給負載； 這種變換器也稱為電感儲能型隔離變換器電感儲能型隔離變換器 3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 假設繞組N1的電感量為L1，繞組N2的電感量為L2設VT導通前流過N1電流為0，則VT導通期間流過N1的電流為: 若VT的導通時間為ton，則導通終了時，i1的幅值I1P為: tLUi1i1on1iP1tLUI （3-56）（3-57）3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反

14、激式變換器3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 VT截止期間流過N2的電流為:其中Uo為輸出電壓，I2P為VT截止開始時流過N2的電流幅值: VT截止期間，變壓器儲能完全釋放所需要的時間為: P121P2INNI P2o2relIULt （3-59）（3-60）tLUIi2oP22（3-58） 根據功率管導通期間變壓器（電感）儲能在截止期間釋功率管導通期間變壓器（電感）儲能在截止期間釋放情況不同放情況不同，單端反激式變換器有3種工作模式u變壓器磁通連續(xù)工作模式變壓器磁通連續(xù)工作模式u變壓器磁通臨界連續(xù)工作模式變壓

15、器磁通臨界連續(xù)工作模式u變壓器磁通斷續(xù)工作模式變壓器磁通斷續(xù)工作模式3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 變壓器磁通連續(xù)狀態(tài)變壓器磁通連續(xù)狀態(tài)主要工作波形如圖3-19(a)所示 當VT截止時間較小時，toff 0，在這種狀態(tài)下，下一個周期開始VT重新導通時原邊繞組的電流i1也不是從零開始，而是從I1min（I1min= I2min/n）起按Ui /L1的斜率線性上升3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 電路經歷了電感儲能電感儲能和電

16、感能量電感能量釋放釋放兩個階段3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 變壓器磁通臨界連續(xù)狀態(tài)變壓器磁通臨界連續(xù)狀態(tài)主要工作波形如圖3-19(b)所示 當VT的截止時間toff和繞組N2電流i2衰減到零所需要的時間相等時，即toff =trel，那么在VT截止時間終了時，繞組N2中的電流i2正好下降到零。在下一個周期VT重新導通時，N1中的電流i1從零開始，按(Ui /L1) t的規(guī)律線性上升3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 電路經

17、歷了電感儲能電感儲能和電感能量電感能量釋放釋放兩個階段3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 變壓器磁通不連續(xù)狀態(tài)變壓器磁通不連續(xù)狀態(tài)主要工作波形如圖3-19(c)所示 當VT截止時間toff比繞組N2中電流i2衰減到零所需的時間更長，即toff trel時，副邊電流i2及變壓器磁通在VT截止時間toff以前便已經衰減到零。在下一個周期VT重新導通時，電流i1從零開始按(Ui /L1) t的規(guī)律線性上升3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變

18、換器 電路經歷了電感儲能、電感電感儲能、電感能量釋放和電容供電能量釋放和電容供電三個階段3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 由于VT導通期間儲存在變壓器T中的能量為: 每單位時間內電源供給的能量，即輸入功率Pi為: 輸出功率Po為 假定電路中沒有損耗，全部功率都被負載吸收，則輸出功率Po與輸入功率Pi相等，可得2P11L21ILW2P11Li21ILTTWPL2ooRUP3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 輸出電壓Uo為： 在導

19、通時間確定后，輸出電壓Uo與負載電阻與負載電阻RL有關有關，RL愈大則輸出電壓愈高反之RL愈小，則輸出電壓愈低，這是反反激變換器的一個特點激變換器的一個特點。u不應讓負載開路（負載開路相當于負載電阻無窮大，Uo會出現過電壓）必須接入一定的負載或者在電路中接入“死負載”L2o2P112RUTILTLRtUU1Lonio2（3-61）3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 VT截止時，VD導通，副邊繞組N2上的電壓幅值近似為輸出電壓Uo (忽略VD的正向壓降及引線壓降)，這樣，繞組N1上感應的電勢UN1應為： 則VT截

20、止期間漏源極間承受的電壓為： 由于UDS與輸出電壓Uo有關，Uo還隨負載電阻的增大而升高。因此，負載開路時，容易造成管子損壞 o211NUNNUo21i1NiDSUNNUUUU（3-62）（3-63）3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器3.4.2 3.4.2 隔離型隔離型BuckBuckBoostBoost變換器變換器 單端反激式變換器單端反激式變換器 如何控制功率管VT？ 如何實現變壓器輸出電壓穩(wěn)定？ 如何設定VT的開關頻率？ 如何調整VT的導通占空比？ 如何實現VT的過流保護？offon12iottNNUUU

21、C3842工作原理5.0V參考電壓VCC欠壓鎖定Vref欠壓鎖定1mA振蕩器鎖存脈寬調制器RR誤差放大器電流檢測內部偏置SRT36V3.6V1.0VVCC7653輸出地輸出補償反饋RT/CTVref8421電流檢測比較器1腳：輸出補償端。該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補償。2腳：電壓反饋端。該管腳為誤差放大器的反相輸入端，通常通過一個分壓器連接至開關電源的輸出，構成電壓閉環(huán)。3腳：電流取樣端。一個正比于所控電流的電壓接至該引腳，利用電流測定比較器構成電流閉環(huán)。當該引腳電壓1.0V時，PWM控制芯片封鎖輸出脈沖。4腳：RT/CT端。用于外接振蕩電阻和電容，將電阻RT跨接在4腳與8腳（Vre

22、f）兩端，電容CT接在4腳與電源地之間。當RT5k時，振蕩頻率為： 5腳：接地端。是控制電路與電源的公共地。6腳：脈沖輸出端。該輸出可直接驅動功率MOSFET，具有1A的驅動（拉、灌）能力。7腳：電源供電端。啟動門限電壓為16V，最低工作電壓為10V。8腳：基準電壓輸出端。該引腳輸出5V基準電壓，具有50mA的帶載能力，該電源通過RT向CT提供充電電流。TTOSC86. 1CRfUC3842工作原理VREF8RT/CT4VFB2VCC7OUT6C/S3CP1GND5D1UC3842R115kR830/5WR71kR5150kR33.6kR415kR131.5kC4104C71000pC5100

23、pC6470pC17103/200VR1151/0.5WV1IRFP460GNDGNDVD2FR104GNDGNDGNDT1GND123X1鳳凰端子T2-1VD1FR104VD9MBR3100+C10100u/25V+C925V/10uC8104VD11輸出指示1GND+15V_1R141.5kVD7FR304+C13100u/50VC1104T2-4VD12輸出指示2R151.5kVD8FR304+C14100u/50VC2104T2-2VD13輸出指示3.VD3FR157VD6FR157VD4FR157VD5FR157F12A+C3100V470uFR210.22/2W-15V+15V+C

24、1525V/100u+C1625V/100uC12104C11104Vin1GND2Vout3V37915Vin1GND2Vout3V27815R2220k3.4.3 3.4.3 隔離型隔離型CukCuk變換器變換器首先將C1分成兩個相串聯的電容C1 C2，得到圖3-20(b)圖3-20(a)的Cuk變換器，只能提供一個反極性、不隔離反極性、不隔離的單一輸出的單一輸出電壓，在要求有不同的輸出電壓和不同極性的多組輸出多組輸出時，特別要求輸入、輸出之間電氣隔離輸入、輸出之間電氣隔離時，就需要加入隔離變壓器 3.4.3 3.4.3 隔離型隔離型CukCuk變換器變換器斷開A點，并在A點插入變壓器，即

25、將Cuk直流變換器演變成隔離型Cuk變換器3.4.3 3.4.3 隔離型隔離型CukCuk變換器變換器 隔離型Cuk變換器的工作原理是與Cuk型變換器相同，的其輸出電壓與輸入電壓的關系是在式3-39基礎上加入變壓器的變比N1/N2 隔離型Cuk變換器的顯著特點是：由于電容電容C1、C2隔直流隔直流的作用，變壓器的原、副邊繞組均無直流流過且是連續(xù)變壓器的原、副邊繞組均無直流流過且是連續(xù)的，具有較小的紋波分量 隔離型Cuk變換器的磁芯是雙方向磁化雙方向磁化的，沒有直流磁化沒有直流磁化導致飽和的可能性，不需要加氣隙，體積可以做得較小 與其它只有一個開關管的單端電路相比，隔離型Cuk變換器的變壓器體積

26、小一半變壓器體積小一半，而且繞組面積減小繞組面積減小，銅耗也減小銅耗也減小i12o1UDDNNU（3-64）3.4.4 3.4.4 推挽式變換器推挽式變換器 對圖3-15(a)所示的正激變換器若將續(xù)流二極管VD1去掉，濾波電感將經過變壓器副邊繞組和整流二極管VD續(xù)流，電路仍然可以工作圖3-15a 單端正激變換器3.4.4 3.4.4 推挽式變換器推挽式變換器 若將兩個開關管的控制信號占空比相同占空比相同，在相位上相位上相差相差180o的這種經過變壓器副邊繞組和整流二極管VD續(xù)流的變換器的輸入和輸入和輸出都并聯輸出都并聯起來對同一個對同一個負載供電負載供電，就構成了雙正雙正激變換器激變換器，如圖

27、3-21(a)所示圖3-21雙正激變換器電路拓撲3.4.4 3.4.4 推挽式變換器推挽式變換器 若使圖3-21(a)兩個變壓器共用一個磁芯兩個變壓器共用一個磁芯，如圖3-21(b)所示每個正激變換器都將以另一個正激變換器的原邊繞組另一個正激變換器的原邊繞組和IGBT的反并聯二極管的反并聯二極管進行磁復位磁復位3.4.4 3.4.4 推挽式變換器推挽式變換器 由于兩個正激變換器的原邊繞組和IGBT的反并聯二極管互為對方的磁復位電路，可將原先的磁復位電路去掉將原先的磁復位電路去掉就構成如圖3-21(c)所示的推挽變換器推挽變換器 整理后的電路如圖3-21(d)所示3.4.4 3.4.4 推挽式變換器推挽式變換器 假定電路已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，兩個開