第23章 直直变换器精选文档.ppt

第23章 直直变换器本讲稿第一页，共七十二页第第2 2章章 高频开关型直直变换电路高频开关型直直变换电路dc/dcdc/dc变换器将二个直流系统连接起来变换器将二个直流系统连接起来 第第1 1节直直变换器的基本结构节直直变换器的基本结构两系统的电压差必然降落在联接两端口的元件上变换器两系统的电压差必然降落在联接两端口的元件上变换器必须有一条并联支路以给输入必须有一条并联支路以给输入/输出的电流差值提供一输出的电流差值提供一条通路条通路 Vi=200V+50V -串联串联元件元件Vo=150Vi1=15Ai2=20A-+-并联并联元件元件+150V-5A15A本讲稿第二页，共七十二页电感能够提供非零的平均电流，但两端的平均电压为电感能够提供非零的平均电流，但两端的平均电压为零；电容能够提供非零的平均电压，但它的平均电流零；电容能够提供非零的平均电压，但它的平均电流为零为零变换器本身不应当消耗电能变换器本身不应当消耗电能既能承受非零电压又能流过非零电流而不耗能既能承受非零电压又能流过非零电流而不耗能开关元开关元件件us1is1is2us2Vi=200V+us1-Vo=150Vis1Io=20A-+-+us2-S1is2S2本讲稿第三页，共七十二页第第2 2章基本直直变换电路分析章基本直直变换电路分析1.Buck1.Buck（降压）变换器（降压）变换器1.1 1.1 连续导电模式分析连续导电模式分析在一个稳态周期中电感两在一个稳态周期中电感两端的电为：端的电为：iLV1+-VL+-V2+-在一个稳态周期中电感两端的电压平均值必然为零由此在一个稳态周期中电感两端的电压平均值必然为零由此得到变换器的稳态电压比得到变换器的稳态电压比 V1-V2-V2vLiLDTSTS本讲稿第四页，共七十二页由能量守恒由能量守恒 电感电流和输出电压中的纹波电感电流和输出电压中的纹波定义纹波定义纹波 为其峰值与平均（直流）值间的差，则为其峰值与平均（直流）值间的差，则 i iL L为为 纹波电流全部从纹波电流全部从C C中流过，则中流过，则 V V2 2为：为：本讲稿第五页，共七十二页在连续模式，纹波与输出电流的大小无关在连续模式，纹波与输出电流的大小无关 已知最大纹波和有关参数，可计算滤波电容值已知最大纹波和有关参数，可计算滤波电容值 电感电流连续与不连续的边界值的确定电感电流连续与不连续的边界值的确定 连续导电模式与非连续导电模式的判据：连续导电模式与非连续导电模式的判据：当当 i Io时为非连续导电模式时为非连续导电模式 当当 i=Io时为临界连续导电模式时为临界连续导电模式临界连续时电感电流的平均值是临界连续时电感电流的平均值是 本讲稿第六页，共七十二页1.2 断续导电模式分析断续导电模式分析 电感两端的电压是电感两端的电压是 V1-V2-V2vLiLiCvDV2V1DTSTS(D+)TS根据稳态下电感电压伏秒平衡规律根据稳态下电感电压伏秒平衡规律 本讲稿第七页，共七十二页该变换器仍然是降压变换器。其稳态电压比取决于导该变换器仍然是降压变换器。其稳态电压比取决于导通比通比D D与与。由变换器的参数决定。由变换器的参数决定。下面讨论下面讨论 与参数的与参数的关系。由于稳态负载电流：关系。由于稳态负载电流：式中式中 根据上方程解出根据上方程解出：将将 代入到代入到变比计算式中得不连续时的稳态电压比变比计算式中得不连续时的稳态电压比本讲稿第八页，共七十二页电感电流断续时输出电压与电感电流断续时输出电压与K K有关，且非线性有关，且非线性1.变换器的变换器的(外外)特性特性 (V V2 2与与I I2 2的关系的关系)电感电流连续时输出电压与电感电流连续时输出电压与I I2 2无关无关电感电流不连续时输出电流电感电流不连续时输出电流I I2 2是：是：本讲稿第九页，共七十二页将不连续时的将不连续时的M M代入上式得代入上式得 设临界电感电流的最大值（当设临界电感电流的最大值（当D=1/2D=1/2有最大值）有最大值）当电感电流不连续时，其稳态电压比的另种形式为当电感电流不连续时，其稳态电压比的另种形式为 于是于是 本讲稿第十页，共七十二页将该式用图象表示。虚线内将该式用图象表示。虚线内表示电流不连续表示电流不连续 V2/V1D=1.0D=0.1D=0.3D=0.5D=0.7D=0.9I2/ILCmax该图说明，在该图说明，在D D一定的条件下，当负载电流小于临界值，一定的条件下，当负载电流小于临界值，电流就由连续变为断续电流就由连续变为断续 断续时电感电流的平均值也可写作断续时电感电流的平均值也可写作 临界电感电流的最大值也可写作临界电感电流的最大值也可写作 本讲稿第十一页，共七十二页于是于是 将上式代入断续时稳态电压比公式，得：将上式代入断续时稳态电压比公式，得：本讲稿第十二页，共七十二页将上式作图将上式作图 V2/V1=0.8V2/V1=0.5V2/V1=0.2DI2/ILCmax虚线内表示电流不连续虚线内表示电流不连续该图说明，当该图说明，当V V2 2一定、一定、I I2 2相相同时，同时，V1V1越小越容易连续；越小越容易连续；或或D D越大越容易连续越大越容易连续 2 2BoostBoost（升压）变换器（升压）变换器2.12.1连续导电模式分析连续导电模式分析电感两端的电压为电感两端的电压为 稳态电压比稳态电压比 iLV1+-VL+-V2+-本讲稿第十三页，共七十二页电流变比电流变比 电感电流的纹波和输出电压中电感电流的纹波和输出电压中的纹波的纹波 V1-(V2-V1)vLiLiDiQDTSTS i iL L为其峰值与其平均值间的为其峰值与其平均值间的差。则差。则 i i为：为：假定假定i iD D中的纹波电流全部从中的纹波电流全部从C C中流过中流过，所以，所以电感电流连续与不连续的边界值的确定电感电流连续与不连续的边界值的确定 本讲稿第十四页，共七十二页连续导电模式与非连续导电模式的判据：连续导电模式与非连续导电模式的判据：当当 i I1时为非连续导电模式时为非连续导电模式 当当 i=I1时为临界连续导电模式时为临界连续导电模式临界连续时电感电流的平均值是临界连续时电感电流的平均值是 将电感电流转变成负载电流，其临界值是：将电感电流转变成负载电流，其临界值是：本讲稿第十五页，共七十二页2.2 断续导电模式分析断续导电模式分析 V1-(V2-V1)vLiLiDV2vDV2-V1DTSTS(D+)TS电感两端的电压是电感两端的电压是 根据电感电压伏秒平衡规律根据电感电压伏秒平衡规律 该变换器仍然是该变换器仍然是升压升压变换器。其稳态电压比取决于导变换器。其稳态电压比取决于导通比通比D D与与。由变换器的参数决定。由变换器的参数决定。本讲稿第十六页，共七十二页下面讨论下面讨论 与参数的关系。由于稳态与参数的关系。由于稳态电感电感电流：电流：将将 表达式代入到表达式代入到M M中可得不连续时的稳态电压比中可得不连续时的稳态电压比 本讲稿第十七页，共七十二页电感电流不连续时电感电流不连续时M M与与D D的关系接近直线关系的关系接近直线关系 2.变换器的变换器的(外外)特性特性 (V(V2 2与与I I2 2间的关系间的关系)电感电流连续时输出电压与电感电流连续时输出电压与I I2 2无关。无关。电感电流不连续时电感电流不连续时其平均值其平均值为：为：将稳态电流变比代入得将稳态电流变比代入得 在升压变换器中，为保证在升压变换器中，为保证V V2 2为常数，为常数，D D必须跟随必须跟随V V1 1变化，变化，对不同的对不同的V V2 2/V/V1 1，得到，得到D D与负载电流的函数关系。由电感与负载电流的函数关系。由电感电流临界连续情况定义：电流临界连续情况定义：本讲稿第十八页，共七十二页将上边各式代入得将上边各式代入得 将上式将上式D D求出求出 V2/V1=4V2/V1=2.0V2/V1=1.25DI2/I2max本讲稿第十九页，共七十二页3 3Buck-BoostBuck-Boost（降压（降压-升压）变换器升压）变换器3.13.1连续导电模式分析连续导电模式分析电感两端的电压为电感两端的电压为 V1-V2vLiLiDiQV1+-V2-+VL+-稳态电压比稳态电压比 输出电压的大小与占空比有关输出电压的大小与占空比有关D D大于大于1/21/2是升压变换器是升压变换器D D小于小于1/21/2是降压变换器是降压变换器本讲稿第二十页，共七十二页电感电流的纹波和输出电压中的纹波电感电流的纹波和输出电压中的纹波 假定其纹波电流全部从假定其纹波电流全部从C C中流过中流过 电感电流连续与不连续的边界值的确定电感电流连续与不连续的边界值的确定 连续导电模式与非连续导电模式的判据：连续导电模式与非连续导电模式的判据：当当 i I1+I2时为非连续导电模式时为非连续导电模式 当当 i=I1+I2时为临界连续导电模式时为临界连续导电模式本讲稿第二十一页，共七十二页临界连续时电感电流的平均值是临界连续时电感电流的平均值是 将电感电流转变成负载电流，其临界值是：将电感电流转变成负载电流，其临界值是：3.2 断续导电模式分析断续导电模式分析 V1-V2vLiLiDV2vDV2-V1DTSTS(D+)TS电感两端的电压是电感两端的电压是 本讲稿第二十二页，共七十二页该变换器仍然是降压该变换器仍然是降压-升压升压变换器。其稳态电压比取决变换器。其稳态电压比取决于导通比于导通比D D与与。由变换器的参数决定。由变换器的参数决定。根据电感电压伏秒平衡规律根据电感电压伏秒平衡规律 下面讨论下面讨论 与参数的关系。由于稳态与参数的关系。由于稳态电源电源电流电流I I1 1 本讲稿第二十三页，共七十二页将将 表达式代入到表达式代入到M M中可得不连续时的稳态电压比中可得不连续时的稳态电压比 电感电流不连续时电感电流不连续时M M与与D D的关系为直线关系的关系为直线关系 3.变换器的变换器的(外外)特性特性 (V(V2 2与与I I2 2间的关系间的关系)电感电流连续时输出电压与电感电流连续时输出电压与I I2 2无关。无关。电感电流不连续时电感电流不连续时其平均值其平均值为为(由波形计算由波形计算)：假定输出电压不变，将假定输出电压不变，将(上页上页)I1与变比代入：与变比代入：本讲稿第二十四页，共七十二页解出解出I I2 2式中的式中的D D：V2/V1=0.33V2/V1=1.0V2/V1=4.0DI2/I2Cmax4 4CukCuk变换器变换器C1RDC2L1L2V1+-V2-+VC1-+T本讲稿第二十五页，共七十二页工作过程：当工作过程：当T T断断D D通，电源通，电源V1V1经经L1L1给给C1C1充电，输出电压靠充电，输出电压靠C2C2、L2L2维持基本不变；当维持基本不变；当T T通通D D断，电容断，电容C1C1将前一段存储的将前一段存储的能量释放给负载能量释放给负载R R、滤波电容、滤波电容C2C2和电感和电感L2L2，同时电源给，同时电源给L1L1提供能量提供能量。4.14.1连续导电模式分析连续导电模式分析vL1iL1iL2V2V1V2vL2i1+i2由于电感上的平均直流电压由于电感上的平均直流电压恒为零，所以，电容恒为零，所以，电容C C1 1上的上的平均直流电压是平均直流电压是电感电感L L1 1上的电压是上的电压是：本讲稿第二十六页，共七十二页根据电感电压伏秒平衡规律根据电感电压伏秒平衡规律 电流变比电流变比 电感电流的纹波和输出电压中的纹波电感电流的纹波和输出电压中的纹波 本讲稿第二十七页，共七十二页也可根据电容也可根据电容C1C1的电压安的电压安秒平衡规律来求解它的稳秒平衡规律来求解它的稳态电压比。其结果完全相同态电压比。其结果完全相同输出电压纹波可仿照前述的方法求出：先求出输出电压纹波可仿照前述的方法求出：先求出L2L2中的电流中的电流纹波，再令纹波电流全部从电容中流过，于是可求出输出纹波，再令纹波电流全部从电容中流过，于是可求出输出电压纹波。电压纹波。4.24.2不连续导电模式分析不连续导电模式分析当电感（当电感（L1/L2L1/L2）小或负载电阻较大或工作频率低时）小或负载电阻较大或工作频率低时丘克变换器也将工作于电流不连续状态。此时，电路丘克变换器也将工作于电流不连续状态。此时，电路的工作过程是：三极管通二极管断；三极管断二极管的工作过程是：三极管通二极管断；三极管断二极管通；三极管二极管均断。电路中的主要波形如图示。通；三极管二极管均断。电路中的主要波形如图示。本讲稿第二十八页，共七十二页要说明的是，此时电容要说明的是，此时电容C1C1上电压仍然为常数其大小不上电压仍然为常数其大小不变。当变。当T T、D D均不导通时均不导通时VC1VC1将使电感电流反向流动，将使电感电流反向流动，于是于是iL1iL1出现负值。由于输出电压出现负值。由于输出电压V2V2不变，流过负载不变，流过负载的电流也流过的电流也流过L1L1和和L2L2，它为常数，它为常数由波形知，电感由波形知，电感L1L1、L2L2中的中的电流总连续。但电流电流总连续。但电流i1+i2i1+i2却出现了不连续。注意区别却出现了不连续。注意区别不连续的意义不连续的意义vL1iL1-V2V1iL2-V2vL2i1+i2V1电感电感L L1 1上的电压是上的电压是：本讲稿第二十九页，共七十二页C1RDC2L1L2V1+-V2-+VC1-+TC1RDC2L1L2V1+-V2-+VC1-+TC1RDC2L1L2V1+-V2-+VC1-+T本讲稿第三十页，共七十二页根据电感电压伏秒平衡规律根据电感电压伏秒平衡规律 上式表示当为不连续导电模式时，上式表示当为不连续导电模式时，CukCuk与与Buck-BoostBuck-Boost的电的电压变比特性相同。式中压变比特性相同。式中 是一个与电路参数有关的量：可是一个与电路参数有关的量：可以证明：以证明：其特点是：输入、输出电流没有脉动；电压变比理其特点是：输入、输出电流没有脉动；电压变比理论上可由零变到无穷大论上可由零变到无穷大;开关管的射极接地，使驱动开关管的射极接地，使驱动简化简化本讲稿第三十一页，共七十二页第第3 3章隔离型直直变换电路分析章隔离型直直变换电路分析变压器的作用变压器的作用输入和输出间实现电气隔离输入和输出间实现电气隔离实现单输入实现单输入-多输出多输出减小开关的电压减小开关的电压/电流应力电流应力基本拓扑基本拓扑正向变换器（正向变换器（ForwardForward）反激变换器（）反激变换器（FlybackFlyback）正向变换器中所有绕组上的瞬时功率代数和为零即变正向变换器中所有绕组上的瞬时功率代数和为零即变压器不储能压器不储能反激式变换电路当开关导通时原边储能（激磁电感）开关断反激式变换电路当开关导通时原边储能（激磁电感）开关断开时副边绕组将储能提供给负载开时副边绕组将储能提供给负载 本讲稿第三十二页，共七十二页3.1 3.1 变压器及模型变压器及模型双绕组理想变压器满足电压比等于匝比、电流比等于电双绕组理想变压器满足电压比等于匝比、电流比等于电压比的倒数压比的倒数,阻抗比为匝比的平方。理想变压器既不耗阻抗比为匝比的平方。理想变压器既不耗能也不储能能也不储能 实际变压器存在磁化电感和漏电感实际变压器存在磁化电感和漏电感由于存在磁化电流二者端子电流不同由于存在磁化电流二者端子电流不同;由于有漏感二者端由于有漏感二者端子电压不同子电压不同本讲稿第三十三页，共七十二页激磁电感可跨接在原边，也可出现在副边激磁电感可跨接在原边，也可出现在副边如果漏感压降比激磁电感上的压降小得多，则原如果漏感压降比激磁电感上的压降小得多，则原（或副）边漏感可反射到另一边。（或副）边漏感可反射到另一边。本讲稿第三十四页，共七十二页3.2 3.2 隔离型单端正激变换器隔离型单端正激变换器“单端单端”是指功率只从原边电压的一个极流入是指功率只从原边电压的一个极流入工作过程工作过程开关导通时，原边电压开关导通时，原边电压VP等于输入电压等于输入电压V1。副边电压。副边电压极性为正。所以极性为正。所以D1通通D2断，断，VD=V1/N，反射到原边的，反射到原边的电流为电流为I2/N 本讲稿第三十五页，共七十二页当三极管断开时二极管当三极管断开时二极管D D3 3和电压源和电压源V VC C为磁化电流提供为磁化电流提供通路通路+本讲稿第三十六页，共七十二页激磁电流与钳位激磁电流与钳位若变压器的磁化电流非零，开关关断后必须为该电流提若变压器的磁化电流非零，开关关断后必须为该电流提供一条流动路径供一条流动路径在开关断开在开关断开i 流动期间，激磁流动期间，激磁电感上的电压必须为电感上的电压必须为负，以使负，以使激磁激磁电流衰减电流衰减在周期性的稳态时，在周期性的稳态时，铁心中的磁通在每个周期的终点铁心中的磁通在每个周期的终点值必须回到起点值值必须回到起点值这称为磁通复位这称为磁通复位假定激磁电流初值为零，开关导通磁化电流线性增大。假定激磁电流初值为零，开关导通磁化电流线性增大。开关关断，开关关断，I2立刻换流到立刻换流到D2，D1关断。理想变压器的电关断。理想变压器的电流流is、i1阶跃到零。但阶跃到零。但i 必须连续。必须连续。i 迫使迫使D3导通导通,VPV1-VC 本讲稿第三十七页，共七十二页在每个周期终点的磁化电流值必须回到起点值，否则它在每个周期终点的磁化电流值必须回到起点值，否则它将不断增大，使变压器饱和将不断增大，使变压器饱和等价条件是，开关关断时的原边伏秒必须等于开关等价条件是，开关关断时的原边伏秒必须等于开关导通时的原边伏秒，即净伏秒必须为零导通时的原边伏秒，即净伏秒必须为零 要确保激磁电流衰减到零，复要确保激磁电流衰减到零，复位电压必须大于伏秒位电压必须大于伏秒平衡所需的临界值。同时应确保在平衡所需的临界值。同时应确保在D最大时最大时i 也能衰减也能衰减到零。到零。例例3.1 钳位电压的选择钳位电压的选择设输入电压设输入电压V1=50伏，变压器匝比伏，变压器匝比N=5，导通比为，导通比为D，输出电压输出电压V2=D（V1/N）=10D（伏），若（伏），若0 V2 8伏，伏，Dmax=0.8，求所需，求所需钳位电压钳位电压VC的值的值本讲稿第三十八页，共七十二页复位电路的能耗复位电路的能耗复位电路在每个周期都吸收能量，该能量一般都被损耗复位电路在每个周期都吸收能量，该能量一般都被损耗掉。在掉。在D3导通时间内通过积分导通时间内通过积分Vcic可计算出这部分能量。可计算出这部分能量。若电压若电压Vc为常数，为常数，ic的峰值的峰值线性减小线性减小到零所需时间到零所需时间 本讲稿第三十九页，共七十二页每个周期流入电源每个周期流入电源VC中的能量中的能量EC是是 它比磁化电感中储存的能量要大它比磁化电感中储存的能量要大 通常用大电容来构成钳位电源通常用大电容来构成钳位电源VC。为防止。为防止VC增大，将增大，将一个电阻与它并联。在大功率的场合，可使用一个辅一个电阻与它并联。在大功率的场合，可使用一个辅助助DC/DC变换器将电容储能传送到电源或负载变换器将电容储能传送到电源或负载例例3.2 放电电阻的布置放电电阻的布置如果将电阻接在如果将电阻接在VC与输入电压之间，部分能量就由与输入电压之间，部分能量就由电容返回到电源。能量损耗为电容返回到电源。能量损耗为 本讲稿第四十页，共七十二页与上一个方案相比，能量损耗减小与上一个方案相比，能量损耗减小本讲稿第四十一页，共七十二页变压器耦合钳位（或第三绕组复位）变压器耦合钳位（或第三绕组复位）当当Q关断时关断时i 通过钳位绕组流通，所以通过钳位绕组流通，所以 iT=（N1/NT）i 改变（改变（NP/NT）可调节钳位电压）可调节钳位电压本讲稿第四十二页，共七十二页注意到匝比影响三极管的断态电压。对注意到匝比影响三极管的断态电压。对1:1的匝比三的匝比三极管的断态电压是极管的断态电压是2V1，对，对3:1的匝比，三极管的断态电压的匝比，三极管的断态电压是是4V1。优点优点:磁场能量直接返回到电源磁场能量直接返回到电源 问题是，当三极管关断时，原边与第三绕组间的漏感会阻问题是，当三极管关断时，原边与第三绕组间的漏感会阻止磁化电流立刻换流到第三绕组中去。因此止磁化电流立刻换流到第三绕组中去。因此 必须在开关的两必须在开关的两端加钳位电路，以防止其电压过高。与漏电感相关的能量与端加钳位电路，以防止其电压过高。与漏电感相关的能量与磁化电感的储能相比要小得多，所以这部分能耗不必考虑，磁化电感的储能相比要小得多，所以这部分能耗不必考虑，除非该电路以非常高的频率工作。除非该电路以非常高的频率工作。本讲稿第四十三页，共七十二页将钳位绕组接到将钳位绕组接到V2端可将电感储能送到输出端，理论端可将电感储能送到输出端，理论上可以轻微地改善电路的效率。上可以轻微地改善电路的效率。3.3 隔离混合桥隔离混合桥 Q1与与Q2在通在通/断断上同步上同步本讲稿第四十四页，共七十二页由于二极管不允许由于二极管不允许i 反向变压器的铁心只能到反向变压器的铁心只能到Bmin=0。四。四个元件中只有两个是可控的，该变换器仍然是单端的，个元件中只有两个是可控的，该变换器仍然是单端的，称为单端隔离混合桥称为单端隔离混合桥 本讲稿第四十五页，共七十二页特点：开关数多一倍但开关电压额定值小特点：开关数多一倍但开关电压额定值小不需要额外的复位电路不需要额外的复位电路需要驱动两个射极处于不同电位的三极管需要驱动两个射极处于不同电位的三极管电路的最大占空比被限制到电路的最大占空比被限制到50%50%。单端隔离变换器中的开关应力单端隔离变换器中的开关应力若开关的最大导通比限制在若开关的最大导通比限制在0.5，则开关管上的电压，则开关管上的电压为为2V1，若变换器输出的平均功率为，若变换器输出的平均功率为Po，不计磁化电，不计磁化电感电流，开关管（在感电流，开关管（在0.5导通比下）流过的电流峰值为导通比下）流过的电流峰值为2Po/V1，开关管的应力参数，开关管的应力参数本讲稿第四十六页，共七十二页3.4 3.4 双端桥式隔离正向变换器双端桥式隔离正向变换器 双端桥式变换器的特点双端桥式变换器的特点1.输出电压纹波频率是单端电路的两倍，可减小输出输出电压纹波频率是单端电路的两倍，可减小输出滤波器滤波器2.磁化电流磁化电流i 可以改变符号，铁心材料利用更好可以改变符号，铁心材料利用更好同样可以计算其它开关的应力参数。一般若最大导同样可以计算其它开关的应力参数。一般若最大导通比为通比为Dmax，钳位电压至少为，钳位电压至少为V1/（1Dmax)，开关流，开关流过的电流是过的电流是PO/(DmaxV1)，开关应力参数是，开关应力参数是本讲稿第四十七页，共七十二页3.比单端电路复杂比单端电路复杂双端桥式变换电路如图。电路中开关双端桥式变换电路如图。电路中开关S1S4均为双向开均为双向开关。工作波形如图关。工作波形如图用全波整流电压的周期定义占空比用全波整流电压的周期定义占空比D。如果。如果D=1每个原每个原边开关导通边开关导通50%的时间。的时间。本讲稿第四十八页，共七十二页用三种开关方式均可以使用三种开关方式均可以使i 保持连续保持连续:1)关断所有的开关，强迫磁化电流在副边绕组中流动，关断所有的开关，强迫磁化电流在副边绕组中流动，即，即，isi N。当当D50%时，在时，在(1D)T期间内不必给变压器施加复期间内不必给变压器施加复位电压，因为在下个位电压，因为在下个DT当当Vp反向时会使铁心磁通复位。反向时会使铁心磁通复位。但在这段时间内必须保持但在这段时间内必须保持i 的连续的连续本讲稿第四十九页，共七十二页2)S1和和S2导通和导通和3)S3和和S4导通这导通这二种功能相同二种功能相同只有当只有当Ni I2才可将才可将所有的原边开关断开所有的原边开关断开。当。当is I2至至少三个副边二极管要同时导通。例如，少三个副边二极管要同时导通。例如，0 Ni I2，D5、D6和和D7（或（或D6、D7、D8）将导通。）将导通。I2通过通过D5、D7环流，环流，isi N在负的方向通过在负的方向通过D5、在正的方向通过、在正的方向通过D6环流。环流。如果如果Ni I2，D5会通过负电流，而这是矛盾的（注意到会通过负电流，而这是矛盾的（注意到D8的状态在这段时间内不明确，但结果不变）的状态在这段时间内不明确，但结果不变）优点：原边开关只流过单极性的电流；缺点：变压器漏优点：原边开关只流过单极性的电流；缺点：变压器漏感中的储能不能保持连续感中的储能不能保持连续本讲稿第五十页，共七十二页此时开关流过双向电流，为原边漏感电流提供通路。磁化此时开关流过双向电流，为原边漏感电流提供通路。磁化电流电流i i 将在原副边绕组中被劈开。将在原副边绕组中被劈开。i i 如何准确地在原如何准确地在原副绕组中分布与电路参数有关：例如开关压降、原副边电副绕组中分布与电路参数有关：例如开关压降、原副边电感的相对大小等等感的相对大小等等在每个周期中采用交替在每个周期中采用交替顺序顺序（如（如S S1414、S S4343、S S3232、S S2121）可）可确保每个开关承受相同的电流应力确保每个开关承受相同的电流应力本讲稿第五十一页，共七十二页例例3 3 双端全桥变换器中变压器的原边电流双端全桥变换器中变压器的原边电流开关顺序开关顺序:S:S1414、S S4343、S S3232、S S2121,在在(1-D)T期间期间,i 只在只在原边环流原边环流(S S2121或或S S4343)在在DT的起点的起点t=0，假定，假定i(0)=-I P;在在DT期间，期间，S1S4、D5D8导通，原边电流是：导通，原边电流是：本讲稿第五十二页，共七十二页在在t=DT，i=+I P 在在(1-D)T期间期间,S1断断S3通，为通，为i 提供一条通路。由于提供一条通路。由于Vp=0所以所以i=I P保持不变，直到保持不变，直到t=T，S4断断S2通通i、ip、和、和 is/N的波形如图的波形如图本讲稿第五十三页，共七十二页虽然假定在虽然假定在(1-D)T期间期间I2通过通过D5和和D7(或或D6和和D8)续流，续流，在此期间在此期间若变压器副边有漏感若变压器副边有漏感,仍然存在着仍然存在着D5与与D8保持保持导通、导通、D6与与D7保持关断的可能性。这将引起一个额外保持关断的可能性。这将引起一个额外的电流的电流I2/N通过通过S3与与S4环流环流,如图如图本讲稿第五十四页，共七十二页3.5 3.5 隔离型双端半桥变换器隔离型双端半桥变换器桥式变换器中三极管的基极处于不同的电位使驱动复桥式变换器中三极管的基极处于不同的电位使驱动复杂化杂化;副边整流管二个串联副边整流管二个串联,损耗大损耗大中抽电路中两个三极管的射极都接地，驱动容易中抽电路中两个三极管的射极都接地，驱动容易副边电流只流经一个开关，压降小效率高副边电流只流经一个开关，压降小效率高本讲稿第五十五页，共七十二页输出电压的控制与全桥变换器相同输出电压的控制与全桥变换器相同要在要在(1-D)T(1-D)T期间产生零电压，只能靠将原边开关全期间产生零电压，只能靠将原边开关全部关断来实现部关断来实现本讲稿第五十六页，共七十二页若不计磁化电流，变压器没有漏电感若不计磁化电流，变压器没有漏电感在在(1-D)T(1-D)T期间期间变压器原边电流为零。变压器强迫两个变压器原边电流为零。变压器强迫两个副边绕组中的电流相等，将副边电流在两个副边绕组副边绕组中的电流相等，将副边电流在两个副边绕组中平均分配，由于中平均分配，由于D3和和D4均导通，副边被短路。在这均导通，副边被短路。在这种条件下，所有的绕组电压必须为零，所以整流电压种条件下，所有的绕组电压必须为零，所以整流电压为零。为零。本讲稿第五十七页，共七十二页下面结合电路与波形图进行说明下面结合电路与波形图进行说明1：S1通通S2断。断。VP=V1、VL=V1。磁化电流。磁化电流i 由正的由正的初始值向负积分，初始值向负积分，i1=I2，i2=0，i2=i，由磁势平，由磁势平衡求得：衡求得：i1=i I2/N。+-+-+-+-本讲稿第五十八页，共七十二页2：S1断断S2断。断。i1=0，i2=-i，i=-I P。由磁势平衡：由磁势平衡：约束条件约束条件 联立求解得联立求解得 本讲稿第五十九页，共七十二页IPI2/N本讲稿第六十页，共七十二页3:S1断断S2通。通。i1=0，磁化电流，磁化电流i 由负的初始值向正积分。由负的初始值向正积分。i1=0，i1=0，i2=I2由磁势平衡求得：由磁势平衡求得：i2=I2/N+-+-本讲稿第六十一页，共七十二页4:S1断断S2断。断。i=+I P，i1=0，i2=-i 由磁势平衡：由磁势平衡：约束条件约束条件 联立求解得联立求解得 本讲稿第六十二页，共七十二页上面分析的条件是上面分析的条件是I P I2/N。此时开关中的电流是单向的。此时开关中的电流是单向的。开关开关S1S2中不需要反并二极管。中不需要反并二极管。但若但若I P I2/N，开关中的电流就是双向的，开关中的电流就是双向的，S1S2中必须反中必须反并二极管并二极管注意到注意到is2=i(t)+i2(t)=-i1(t-T)=is1，即开关电流是完全，即开关电流是完全相同的，只是相位相差相同的，只是相位相差T可将磁化电感放在变压器的四个绕组中任意一个中甚可将磁化电感放在变压器的四个绕组中任意一个中甚至是两个原绕组（或两个副边绕组）之间至是两个原绕组（或两个副边绕组）之间本讲稿第六十三页，共七十二页3.63.6反激式变换器反激式变换器将间接变换器转变成电气将间接变换器转变成电气隔离的电路：带磁化电感隔离的电路：带磁化电感的变压器代替电路中的电的变压器代替电路中的电感。因为电感上没有直流感。因为电感上没有直流电压。当电压。当Q Q导通时导通时D D关断，关断，电能流入电能流入L L；当；当Q Q关断关断D D导通，导通，储存的磁能经副边绕组流向储存的磁能经副边绕组流向负载。如果没有漏电感，除负载。如果没有漏电感，除了变压器产生升压与降压作了变压器产生升压与降压作用外，反激式变换器的工作用外，反激式变换器的工作与非隔离变换器是一样的。与非隔离变换器是一样的。本讲稿第六十四页，共七十二页当原边有漏电感，当开关断开时其储能需要释放，当原边有漏电感，当开关断开时其储能需要释放，通常必须加缓冲电路。通常必须加缓冲电路。正激电路中的变压器的磁化电流越小越好，而反激正激电路中的变压器的磁化电流越小越好，而反激必须具有一定的值以储存能量。该变压器称为储能必须具有一定的值以储存能量。该变压器称为储能变压器变压器CukCuk变换器也可隔离。但在这种电路中变压器不能取代变换器也可隔离。但在这种电路中变压器不能取代滤波电感。它与正向变换器一样提供阻抗变换而不储能滤波电感。它与正向变换器一样提供阻抗变换而不储能（电容电压极性要确保原副边没有直流电压作用）（电容电压极性要确保原副边没有直流电压作用）本讲稿第六十五页，共七十二页+3.7 3.7 变压器漏感的影响变压器漏感的影响单端变换器中漏感的影响单端变换器中漏感的影响设漏感与副边绕组串联，当开设漏感与副边绕组串联，当开关导通时关导通时D1中的电流不能阶中的电流不能阶跃变化。在换相期间两个二跃变化。在换相期间两个二极管均导通，换相电压是极管均导通，换相电压是Vx=V1/N。漏感。漏感L 中的电流中的电流线性上升，其斜率是线性上升，其斜率是V1/NL，直到它达到，直到它达到I2值值。换相时。换相时间是：间是：换相结束换相结束后，后，D D2 2关断，关断，V Vd d阶阶跃变到跃变到V V1 1/N/N 本讲稿第六十六页，共七十二页在换相期间，在换相期间，vd=0vd=0而不是而不是V V1 1/N/N，输出电压，输出电压V V2 2小于无漏小于无漏感时的值（感时的值（DVDV1 1/N/N）。所以，要保持所需要的输出电）。所以，要保持所需要的输出电压，要么减小匝比压，要么减小匝比N N，要么增大最大导通比。减小，要么增大最大导通比。减小N N会会增大三极管的电流峰值与有效值。增大最大导通比就增大三极管的电流峰值与有效值。增大最大导通比就增大了磁通复位电压值，从而增大了开关的电压额定增大了磁通复位电压值，从而增大了开关的电压额定值值 开关断开时，复位电路工作，开关断开时，复位电路工作，变压器的原边电压变压器的原边电压VpVp立刻从立刻从+V+V1 1阶跃到阶跃到-(V(VC C-V-V1 1)。I I2 2开始从开始从D D1 1换相到换相到D D2 2。此。此时漏感上电压是时漏感上电压是-(V(VC C-V-V1 1)/N)/N，所以换相时间，所以换相时间 u2u2与与 u1u1不同。此时，能量流动从副边绕组流向原边绕阻。不同。此时，能量流动从副边绕组流向原边绕阻。本讲稿第六十七页，共七十二页例例4 4 有漏感时单端正激变换器有漏感时单端正激变换器D D的确定的确定上图中：上图中：V V1 1=50V=50V，V V2 2=5V=5V，I I2 2=40A=40A，N=5N=5，L L=100nH=100nH，Lu=Lu=，fs=200KHfs=200KH。为得到。为得到5V5V输出输出D D应为多少？应为多少？由于有漏感，需要增大占空比以补偿换相间隔（因二极由于有漏感，需要增大占空比以补偿换相间隔（因二极管换相产生电压损失）。换流时间间隔是管换相产生电压损失）。换流时间间隔是 这段时间对应开关周期的这段时间对应开关周期的8%8%，所以。，所以。D=58%D=58%，钳位电，钳位电压必须满足铁心在这种占空比时复位的条件压必须满足铁心在这种占空比时复位的条件 由此可确定由此可确定V VC C大于大于120120伏。而无漏感时占空比是伏。而无漏感时占空比是50%V50%VC C是是100100伏。开关的电压额定值至少应高于伏。开关的电压额定值至少应高于V VC C。所以漏抗的。所以漏抗的影响之一是增加了开关的电压定额值影响之一是增加了开关的电压定额值本讲稿第六十八页，共七十二页储存在漏电感中的峰值能量是储存在漏电感中的峰值能量是 当漏感释放能量时，输入电源也提供能量，钳位电源（路）当漏感释放能量时，输入电源也提供能量，钳位电源（路）吸收的能量多于漏感中的储能。结果是吸收的能量多于漏感中的储能。结果是E=137uJE=137uJ，它比，它比E E要大要大约约70%70%。如果这部分能量在每个周期中均被损耗掉，由漏电。如果这部分能量在每个周期中均被损耗掉，由漏电感造成的损耗将是感造成的损耗将是2727 5W5W，或为输出功率的，或为输出功率的14%14%。如果我们。如果我们重新布置放电电阻，则每个周期只损耗重新布置放电电阻，则每个周期只损耗E E，或，或8%8%的输出的输出功率功率 在单端正激变换器中，漏感产生的能耗是很显著的。在单端正激变换器中，漏感产生的能耗是很显著的。应当将钳位电路中的能量反馈到输入电源中。双端应当将钳位电路中的能量反馈到输入电源中。双端电路能够自动地将钳位能量返回到电源电路能够自动地将钳位能量返回到电源 本讲稿第六十九页，共七十二页在反激变换器中，漏感也增加了开关的电压额定值，在反激变换器中，漏感也增加了开关的电压额定值，但原理不同。在图示反激变换器中，理想变压器已经但原理不同。在图示反激变换器中，理想变压器已经去掉。这样处理可突出讨论重点而不会改变其工作情去掉。这样处理可突出讨论重点而不会改变其工作情况。假定况。假定LuLu足够大足够大iuiu为常数值为常数值IuIu。若将。若将Q Q关断，则关断，则i iQ Q在时间间隔在时间间隔 u u内线性下降到零内线性下降到零。在下降时间内。在下降时间内,漏感上电漏感上电压压:开关管上的电压是开关管上的电压是漏感使三极管电压额定值增大了一个量，其大小由开关漏感使三极管电压额定值增大了一个量，其大小由开关速度来确定。速度来确定。本讲稿第七十页，共七十