1、隔離DC/DC電路中變換電路是指電路輸入與輸出之間通過隔離變壓器實現(xiàn)電氣隔離的DC/DC變換電路。 根據(jù)主功率開關器件的個數(shù)，隔離DC/DC變換電路分可為單管、雙管和四管三類。 單管隔離：正激、反激； 雙管隔離：推挽和半橋； 四管隔離：全橋。 本節(jié)介紹這五種隔離DC/DC變換電路的電路結構、工作原理和主要參數(shù)關系等。,4.2 隔離DC/DC變換電路,4.2.1 正激（Forward）電路,開關S采用PWM控制方式、VD1是輸出整流二極管、VD2是續(xù)流二極管、L和C是輸出濾波電感和濾波電容,原邊繞組W1，匝數(shù)N1 副邊繞組W2，匝數(shù)N2 復位繞組W3，匝數(shù)N3,隔離變壓器有三個繞組，標有“”的一

2、端為同名端。 VD3是復位繞組的串連二極管。,根據(jù)變壓器的磁芯磁復位方法的不同，正激電路包含多種不同的拓撲結構。其中，在電路輸入端接復位繞組是最基本的磁芯磁復位方法。,隔離變壓器為高頻變壓器,圖4.25 正激電路原理圖,正激電路在一個開關周期內(nèi)經(jīng)歷開關導通、開關關斷2個開關狀態(tài),4.2.1 正激（Forward）電路,圖4.26 正激電路的開關狀態(tài),4.2.1 正激（Forward）電路, t0t1時段 S導通，變壓器勵磁，繞組W1的電壓為上正下負，副邊繞組W2的電壓也是上正下負。,圖4.27 正激電路主要電壓、電流波形,4.2.1 正激（Forward）電路, t0t1時段 VD1導通，VD

3、2截止，L電流逐漸增長。,圖4.27 正激電路主要電壓、電流波形,4.2.1 正激（Forward）電路, t1t2時段 S關斷， 上負下正， VD1關斷，VD2導通，電感L電流通過VD2續(xù)流，并逐漸下降。 上正下負，VD3導通。,圖4.27 正激電路主要電壓、電流波形,4.2.1 正激（Forward）電路, t1t2時段 勵磁電流經(jīng)W3和VD3流回輸入端，變壓器磁復位。在磁復位未完成前，即t1tr時段，開關承受的電壓為:,圖4.27 正激電路主要電壓、電流波形,4.2.1 正激（Forward）電路, t1t2時段 變壓器磁復位完成后，即 trt2 開關承受的電壓為：,圖4.27 正激電路

4、主要電壓、電流波形,4.2.1 正激（Forward）電路,S開通后，勵磁電流im由0開始，線性增長，直到S關斷。 S關斷后到再一次開通的時間內(nèi)，必須設法使im降回到零 否則下一個開關周期中，im將在剩余值基礎上繼續(xù)增加，依次累積，變得越來越大，從而導致變壓器的勵磁電感飽和。,勵磁電感飽和后，im會更加迅速地增長，最終損壞電路中的開關器件。 因此，在S關斷后，使im降回到零的過程稱為變壓器的磁復位。,變壓器磁復位：,圖4.28 正激電路磁復位過程,4.2.1 正激（Forward）電路,根據(jù)變壓器在t0t1時段磁通的增加量等于在t1tr時段磁通的減小量，等效為圖中兩陰影矩形面積(電壓伏秒面積)

5、相等 勵磁電流電流下降到0所需的復位時間為：,只有保證， 才能使變壓器磁芯可靠復位。,圖4.28 正激電路磁復位過程,4.2.1 正激（Forward）電路,輸出電壓 在電感電流連續(xù)的情況下，正激電路輸入輸出電壓關系為：,4.2.1 正激（Forward）電路,可見，正激電路的輸出電壓和降壓(Buck)型電路非常相似，僅有的差別在于變壓器的變比。 實際上，正激電路就是一個插入隔離變壓器的Buck電路。 輸入、輸出電壓關系可以看成是 將輸入電壓按變壓器的變比折算至變壓器二次側(cè)后，根據(jù)Buck電路得到的。,由于在開關導通時電源能量直接傳至負載，故稱正激電路。 電感電流斷續(xù)時，參照Buck電路分析。

6、,圖4.25 正激電路原理圖,它由開關S、輸出整流二極管VD、輸出濾波電容C和隔離變壓器構成。開關采用PWM控制方式。 反激電路可以看成是將升降壓（Buck-Boost）型電路中的電感換成變壓器繞組和相互耦合的電感而得到的。 因此，反激電路中的變壓器在工作中總是經(jīng)歷著儲能放電的過程。,4.2.2 反激（Flyback）電路,根據(jù)變壓器副邊繞組的電流，反激電路也存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式。,4.29 反激電路原理圖,1電流連續(xù)工作模式 反激電路工作于電流連續(xù)模式時，在一個開關周期經(jīng)歷開關導通、開關關斷2個開關狀態(tài)。,4.2.2 反激（Flyback）電路,圖4.30 反激電路的開關狀態(tài),

7、4.2.2 反激（Flyback）電路, t0t1時段 S受激勵導通，VD反向偏置而截止，原邊繞組電流線性增長，變壓器儲能增加。,圖4.31 反激電路電流連續(xù)時主要電壓、電流波形,4.2.2 反激（Flyback）電路, t1t2時段 S關斷，VD導通。W1繞組的電流被切斷，變壓器在t0t1時段儲存的能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放。,圖4.31 反激電路電流連續(xù)時主要電壓、電流波形, t1t2時段 S關斷承受電壓為： 輸入輸出電壓關系為：,4.2.2 反激（Flyback）電路,圖4.31 反激電路電流連續(xù)時主要電壓、電流波形, t1t2時段 與升降壓型電路相似 輸入輸出電壓關系為：,4.

8、2.2 反激（Flyback）電路,圖4.31 反激電路電流連續(xù)時主要電壓、電流波形,2 電流斷續(xù)工作模式 反激電路工作于電流斷續(xù)模式時，在一個開關周期經(jīng)歷開關導通、開關關斷和電感電流為零3個開關狀態(tài)。,4.2.2 反激（Flyback）電路,圖4.32 反激電路的開關狀態(tài),4.2.2 反激（Flyback）電路, t0t1時段 開關S受激勵導通，VD反向偏置而截止，原邊繞組電流線性增長，變壓器儲能增加。,圖4.33 反激電路電流斷續(xù)時主要電壓、電流波形,4.2.2 反激（Flyback）電路, t1t2時段 S關斷，VD導通，W1繞組的電流被切斷，變壓器在t0t1時段儲存的能量通過W2繞組和

9、VD向輸出端釋放。,圖4.33 反激電路電流斷續(xù)時主要電壓、電流波形,4.2.2 反激（Flyback）電路, t1t2時段 t2時刻，磁場能量釋放完畢，繞組W2中電流下降到零， VD截止。,圖4.33 反激電路電流斷續(xù)時主要電壓、電流波形,4.2.2 反激（Flyback）電路, t2t3時段 變壓器原邊繞組和副邊繞組中電流均為零，電容向負載提供能量。,圖4.33 反激電路電流斷續(xù)時主要電壓、電流波形,4.2.2 反激（Flyback）電路,反激電路電流斷續(xù)工作時，輸出電壓將高于式 并隨負載減小而升高。在負載為零的極限情況下 將造成電路損壞，因此反激電路的負載不應該開路。 反激電路工作于電流

10、斷續(xù)模式時，變壓器磁芯的利用率較高、較合理，故通常在設計反激電路時應保證其工作于電流斷續(xù)方式。 由于在開關關斷時磁能變電量傳至負載，稱反激電路。,4.2.3 推挽（Push-Pull）電路,4.2.3 推挽（Push-Pull）電路 變壓器是具有中間抽頭的變壓器。 原邊繞組W11和W12匝數(shù)相等，均為N1； 副邊繞組W21和W22匝數(shù)相等，均為N2。 繞組間同名端如圖所示。,開關均采用PWM控制方式，且交替導通。 輸出整流電路采用由二極管構成的全波整流電路。,圖4.35 推挽電路原理圖,4.2.3 推挽（Push-Pull）電路,推挽電路可看成是兩個正激電路的組合，這兩個正激電路的開關交替導通

11、，故變壓器磁芯是交變磁化的。,圖4.35 推挽電路原理圖,推挽電路電流連續(xù)時，在一個開關周期內(nèi)經(jīng)歷個開關狀態(tài),4.2.3 推挽（Push-Pull）電路,圖4.36 推挽電路的開關狀態(tài),4.2.3 推挽（Push-Pull）電路, t0t1時段 S1受激勵導通，電壓加在W11上。VD1正向偏置導通，電感電流經(jīng)副邊繞組W21、VD1、L、C及負載，電感電流線性上升。,圖4.36 推挽電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.3 推挽（Push-Pull）電路, t1t2時段 開關都關斷，原邊繞組中的電流為零。電感通過兩個二極管續(xù)流，每個二極管流過電感電流的一半，電感電流線性下降。,圖4.36 推挽

12、電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.3 推挽（Push-Pull）電路,t2t3時段 開關S2受激勵導通，電壓加在W12上，VD2導通，電感電流流經(jīng)副邊繞組W22、 VD2、L、C及負載，電感電流線性上升。,圖4.36 推挽電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,t3t4時段 開關都關斷，原邊繞組中的電流為零。電感通過兩個二極管續(xù)流，每個二極管流過電感電流的一半，電感電流線性下降。,圖4.36 推挽電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.3 推挽（Push-Pull）電路,必須避免開關同時導通，各自的占空比不能超過50，并且要留有死區(qū)。 輸出電感電流連續(xù)時，推挽電路的輸入輸出電壓關系為： 推挽電路

13、的占空比定義為：,4.2.3 推挽（Push-Pull）電路,4.2.4 半橋（Half-bridge）電路,變壓器是具有中間抽頭的變壓器，原邊繞組W1，匝數(shù)N1；副邊繞組W21和W22匝數(shù)相等，均為N2。 兩個容量相等的電容構成一個橋臂，由于電容的容量大，故電容電壓。 開關構成另一個橋臂，均采用PWM控制方式，且交替導通。,輸出整流電路采用二極管全波整流電路。,圖4.38 半橋電路原理圖,半橋電路電感電流連續(xù)時，在一個開關周期個開關狀態(tài),4.2.4 半橋（Half-bridge）電路,圖4.39 半橋電路的開關狀態(tài),4.2.4 半橋（Half-bridge）電路, t0t1時段 S1導通，電

14、容C1加在W1上。 VD1導通，電感電流流經(jīng)副邊繞組W21、VD1、C及負載，電感電流線性上升。,圖4.40 半橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.4 半橋（Half-bridge）電路, t1t2時段 開關都關斷，原邊繞組中的電流為零， 電感通過二極管續(xù)流，每個二極管流過電感電流的一半，電感電流線性下降。,圖4.40 半橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.4 半橋（Half-bridge）電路,t2t3時段 S2導通，電容C2電壓加在W1上 VD2導通，電感電流流經(jīng)副邊繞組W22、 VD2、C及負載，電感電流線性上升。,圖4.40 半橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.4

15、半橋（Half-bridge）電路, t3t4時段 開關都關斷，原邊繞組中的電流為零， 電感通過二極管和續(xù)流，每個二極管流過電感電流的一半，電感電流線性下降。,圖4.40 半橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,輸出電感電流連續(xù)時，半橋電路的輸入輸出電壓關系為： 半橋電路的占空比同樣定義為：,4.2.4 半橋（Half-bridge）電路,與推挽電路不同，由于電容的隔直作用，半橋型電路對由于開關導通時間不對稱等造成的變壓器原邊電壓的直流分量有自動平衡作用 因此半橋電路不容易發(fā)生變壓器偏磁和直流磁飽和的問題。 半橋電路中，為了避免開關在換相過程中發(fā)生短暫的同時導通而造成短路損壞開關，開關各自的占空比

16、不能超過50，并且要留有死區(qū)。,4.2.4 半橋（Half-bridge）電路,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路 原邊繞組的匝數(shù)N1；副邊繞組匝數(shù)N2。 開關S1、S2和開關S3、S4分別構成一 個橋臂 開關均采用PWM控制方式。 互為對角的兩個開關S1 、S4和S2 、S3同時導通 而同一橋臂上下兩開關交替導通。,輸出整流電路采用二極管全橋整流電路，電感和電容輸出濾波。,圖4.41 全橋電路原理圖,全橋電路電感電流連續(xù)時，一個開關周期內(nèi)個開關狀態(tài),4.2.5 全橋（Full-bridge）電路,圖4.42 全橋電路的開關狀態(tài),4.

17、2.5 全橋（Full-bridge）電路, t0t1時段 開關S1、S4導通，電壓加在W1上，電流經(jīng)副邊繞組W2、二極管VD1、VD4 、輸出濾波電容及負載，電感電流線性上升。,圖4.40 全橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路, t1t2時段 開關都關斷，原邊繞組中的電流為零。電感通過二極管續(xù)流，每個二極管流過電感電流的一半，電感電流線性下降。,圖4.40 全橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路,t2t3時段 開關S2、S3導通，電壓加在W1上。電流經(jīng)副邊繞組W2、 VD2、VD3、L、C及負載，電感電

18、流線性上升。,圖4.40 全橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路, t3t4時段 開關都關斷，原邊繞組中的電流為零。電感通過二極管續(xù)流，每個二極管流過電感電流的一半，電感電流線性下降。 與t1t2時段相同。,圖4.40 全橋電路電流連續(xù)時主要電壓電流波形,輸出電感電流連續(xù)時，全橋電路的輸入輸出電壓關系為： 全橋電路的占空比定義為：,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路,若S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，會在變壓器原邊產(chǎn)生較大的直流分量，并可能造成磁路飽和。 故全橋電路應注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可以在原邊回路中串聯(lián)一個電容，以阻

19、斷直流電流。 全橋電路中，為了避免上下兩開關在換相過程中發(fā)生同時導通而造成短路損壞開關，每個開關各自的占空比不能超過50，并應留有裕量。,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路,圖4.41 全橋電路原理圖,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路,各種隔離DC/DC變換電路的特點，應用場合的比較。,4.2.5 全橋（Full-bridge）電路,各種DC/DC變換電路中，最基本的是降壓（Buck）型電路和升壓（Boost）型電路 其他DC/DC變換電路都是由這兩種電路派生而來的，這里給出它們之間的關系。,4.3 DC/DC變換電路之間的關系,1升降壓（Buck-Boost）型電路

20、 由Buck型電路和Boost型電路串連演變而成，它將兩個開關合為一個開關。,4.3 DC/DC變換電路之間的關系,升降壓型電路,降壓型電路,升壓型電路,2Cuk型電路 由Boost型和Buck型串連演變而成，它將兩個開關合為一個開關。輸入部分與Boost型電路類似，而輸出部分與Buck型電路類似。,4.3 DC/DC變換電路之間的關系,Cuk 型電路,降壓型電路,升壓型電路,3Zeta型電路 由Buck-Boost型和Buck型串連演變而成。同樣將兩個開關合為一個開關。輸入部分與Buck-Boost型電路類似，而輸出部分與Buck型電路類似。,4.3 DC/DC變換電路之間的關系,升降壓型電路,Zeta 型電路,降壓型電路,4Spice型電路 由Boost型和Buck-Boost型串連演變而成。同樣將兩個開關合為一個開關。輸入部分與Boost型類似，輸出部分與Buck-Boost型類似。,4.3 DC/DC變換電路之間的關系,Spice 型 電 路,升壓型電路,升降壓型電路,5正激電路 在Buck型電路中插入一個隔