68411-电力电子技术第5章_隔离型直流变换器.pptx

1电力电子技术 Power Electronics电气精品教材丛书“十三五”江苏省高等学校重点教材工业和信息化部“十四五”规划教材第5章 隔离型直流变换器2023/12/162023/12/16南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/162 5.1 正激变换器 5.2 反激变换器 5.3 推挽变换器 5.4 半桥变换器 5.5 全桥变换器 5.6 Buck类变换器的输出整流电路 5.7 隔离型Buck类变换器的比较南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/163 5.1 正激变换器 5.1.1 正激变换器电路拓扑的推演 5.1.2 正激变换器的工作原理 5.1.3 正激变换器的基本关系 5.1.4 双管正激变换器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/164正激变换器电路拓扑的推演正激变换器电路拓扑的推演nQ导通时up=Uin，变压器被磁化，励磁磁通线性增加nQ截止时电感电流通过DFW 续流，变压器副边绕组被短路，us=up=0，励磁磁通保持不变。一个开关周期内，励磁磁通净增加，变压器趋向饱和加入隔离变压器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/165正激变换器电路拓扑的推演正激变换器电路拓扑的推演为了防止变压器饱和，开关周期结束前使变压器励磁磁通减小到零。所以需要加入磁复位电路：在Q截止时，使原边绕组得到负电压。此时，us0，DFW 导通，副边绕组短路，因此需要串入二极管DR加入磁复位电路和二极管Dr南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/166正激变换器电路拓扑的推演正激变换器电路拓扑的推演n复位绕组Nr 与复位二极管Dr 组成磁复位电路n开关管与变压器原边绕组换位 即得到单管正激(Forward)变换器n变压器起到电气隔离和变压作用n整流二极管D1 和续流二极管D2 构成半波整流电路开关管与原边绕组换位南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/167 5.1 正激变换器 5.1.1 正激变换器电路拓扑的推演 5.1.2 正激变换器的工作原理 5.1.3 正激变换器的基本关系 5.1.4 双管正激变换器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/168正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理在一个开关周期内，正激变换器存在三种开关模态(a)Q导通(c)Q关断，磁复位完成(b)Q关断南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/169正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理1.开关模态1 0，Ton Q导通，原边绕组电压：磁通增长：占空比：Dy=Ton/Ts Ton 为导通时间，Ts 为开关周期南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1610正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理变压器励磁电流：副边绕组电压：原边电流：1.开关模态1 0，Ton南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1611正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理2.开关模态2 Ton，Ton+Tr在t=Ton 时，复位绕组Nr 中出现感应电压且极性为“*”端为“负”，二极管Dr 导通复位绕组初始电流：复位绕组电压：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1612正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理磁通减小量：Tr 为磁通减小到零的时间:Dreset=Tr/Ts在t=Ton+Tr 时，iNr=0，iM=0，变压器磁复位原/副边绕组电压：2.开关模态2 Ton，Ton+Tr南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1613正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理3.开关模态3 Ton+Tr，Ts在此开关模态中，变压器所有绕组电压和电流均为零。滤波电感电流iLf 继续经过续流二极管D2 续流，并且线性下降。加在开关管Q上的电压为:uQ=Uin南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1614 5.1 正激变换器 5.1.1 正激变换器电路拓扑的推演 5.1.2 正激变换器的工作原理 5.1.3 正激变换器的基本关系 5.1.4 双管正激变换器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1615正激变换器的基本关系正激变换器的基本关系1.输出电压与输入电压的关系式正激变换器实际上是一个隔离型的Buck变换器，其输出电压与输入电压之间的关系为：其中占空比:Dy=Ton/Ts南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1616正激变换器的基本关系正激变换器的基本关系2.功率器件承受的电压应力和流过的电流开关管Q截止，变压器磁芯去磁开关管Q上电压：整流二极管D1 上电压:开关管Q导通，变压器磁芯增磁续流二极管D2 上电压：整流二极管Dr 上电压：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1617正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理电感电流iLf 的最大值为：二极管D1、D2 导通时电流均为iLf即D1、D2 上最大电流均等于ILfmax开关管电流iQ 最大值为:2.功率器件承受的电压应力和流过的电流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1618正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理为了保证变压器磁芯的磁复位，防止磁芯饱和损坏，磁芯磁通的增加量应等于减小量：=可以得到：为保证变压器磁芯可靠复位：Drest0.5，UQ 2Uin，Np/Nr 越大，Dymax 可以越大，而UQ 则越高nNp Nr，Dymax 0.5，UQ 2Uin，Np/Nr 越小，Dymax 可以越小，而UQ 则越低n为了充分提高Dy，而又减小UQ，一般选择 Nr=Np，此时Dymax=0.5，而UQ=2Uin3.复位绕组匝数的选取南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1620正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理正激变换器本质上是一个隔离型的Buck变换器，其滤波电感量与滤波电容量的计算与Buck变换器类似，只是将加在滤波器上的电压的幅值改为UinNs/Np 即可滤波电感量：滤波电容量：4.滤波电感量与滤波电容量Uo不变Uin不变南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1621 5.1 正激变换器 5.1.1 正激变换器电路拓扑的推演 5.1.2 正激变换器的工作原理 5.1.3 正激变换器的基本关系 5.1.4 双管正激变换器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1622双管正激变换器双管正激变换器(a)用两只开关管代替一只开关管(b)将Q1和变压器的原边绕组交换位置(d)双管正激变换器(c)引入二极管DC1和DC21.双管正激变换器的推演南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1623双管正激变换器双管正激变换器2.双管正激变换器的特性n变压器可以通过原边绕组、DC1 和DC2 进行磁复位n单个开关管电压应力为Uin，是单管正激变换器开关管电压应力的一半n若变压器原边绕组存在漏感，当两只开关管关断时，漏感的能量也将通过DC1 和DC2 回馈到输入电源中注：为了保证变压器的磁复位，开关管的占空比不能大于0.5南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1624 5.2 反激变换器 5.2.1 反激变换器电路拓扑的推演 5.2.2 反激变换器的工作模式和开关模态 5.2.3 电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系 5.2.4 电流断续时反激变换器的工作原理和基本关系 5.2.5 反激变换器的外特性和调节特性 5.2.6 反激变换器的参数设计南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1625反激变换器电路拓扑的推演反激变换器电路拓扑的推演根据伏秒面积平衡原理，加在电感Lc 上的电压是一个纯交流电压，因此，可以将变压器并联在Lc 上；同时，电感Lc 可以用变压器的励磁电感代替，因此它可以集成到变压器中加入隔离变压器Lc集成至变压器副边电路镜像翻转南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1626反激变换器电路拓扑的推演反激变换器电路拓扑的推演开关管与变压器换位二极管移位将二极管D移到副边电路的上面，同时将开关管Q和变压器原边绕组交换位置，即可得到反激(Flyback)变换器：n电路拓扑简洁n使用元器件数量少注：反激变换器的变压器本质上是一个耦合电感，其磁芯必须留有气隙，以避免饱和南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1627 5.2 反激变换器 5.2.1 反激变换器电路拓扑的推演 5.2.2 反激变换器的工作模式和开关模态 5.2.3 电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系 5.2.4 电流断续时反激变换器的工作原理和基本关系 5.2.5 反激变换器的外特性和调节特性 5.2.6 反激变换器的参数设计南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/16281.反激变换器的工作模式和Buck-Boost变换器一样，反激变换器也有电流连续和断续两种工作方式，但其含义不同：n电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零n而电流断续是指合成安匝在Q截止期间有一段时间为零反激变换器的工作模式和开关模态反激变换器的工作模式和开关模态南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1629反激变换器的工作模式和开关模态反激变换器的工作模式和开关模态(a)Q导通(c)Q关断，电流断续(b)Q关断n电流连续时，有(a)和(b)两种开关模态n电流断续时，有(a)、(b)、(c)三种开关模态2.反激变换器的开关模态南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1630反激变换器电路拓扑的推演反激变换器电路拓扑的推演3.反激变换器的主要波形电流连续电流断续南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1631 5.2 反激变换器 5.2.1 反激变换器电路拓扑的推演 5.2.2 反激变换器的工作模式和开关模态 5.2.3 电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系 5.2.4 电流断续时反激变换器的工作原理和基本关系 5.2.5 反激变换器的外特性和调节特性 5.2.6 反激变换器的参数设计南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1632电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系1.工作原理1).开关模态1 0，Ton在t=0时，开关管Q导通，输入电压Uin 加在变压器原边绕组Np 上，此时副边绕组Ns 的感应电压为:其极性为“*”端为“正”，二极管D截止，负载电流由滤波电容Cf 提供。此时，变压器的副边绕组开路，只有原边绕组工作，相当于电感量为Lp 的一个电感Q导通南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1633电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系1).开关模态1 0，Ton原边电压：原边电流ip从其最小值Ipmin 开始线性增加，在t=Ton时，ip 达到最大值Ipmax：磁芯磁通增加量：1.工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1634电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系2).开关模态2 Ton，Ts在t=Ton 时，开关管Q截止，原边绕组开路，副边绕组的感应电势反向，其极性为“*”端为“负”，二极管D导通，储存在变压器磁场中的能量通过D释放，一方面给滤波电容Cf 充电，另一方面向负载供电。此时，变压器只有副边绕组工作，相当于电感量为Ls 的一个电感，副边绕组上的电压为：us=UoQ关断1.工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1635电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系2).开关模态2 Ton，Ts副边电压：副边电流is 从其最大值Ismax 开始线性下降。在t=Ts时，is 达到最小值Ismin：磁芯磁通减小量：1.工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1636电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系稳态工作时，磁芯磁通增长量等于减小量：=得到：若Np=Ns，则反激变换器的电压表达式与Buck-Boost变换器的完全一样2.基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1637电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系输出电流Io 就是流过二极管D的电流平均值，亦即副边电流is 的平均值：可以得到：2.基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1638电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系根据变压器的工作原理，存在以下关系式：可以得到：2.基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1639 5.2 反激变换器 5.2.1 反激变换器电路拓扑的推演 5.2.2 反激变换器的工作模式和开关模态 5.2.3 电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系 5.2.4 电流断续时反激变换器的工作原理和基本关系 5.2.5 反激变换器的外特性和调节特性 5.2.6 反激变换器的参数设计南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1640电流电流断断续时反激变换器的工作原理与基本关系续时反激变换器的工作原理与基本关系当Io 减小时，变压器原边电流和副边电流的波形将向下移动：n当Io 减小到某一个值时，副边电流is 的最小值Ismin 等于零n进一步减小Io，则is 将在t=Ts 之前下降到零，并保持为零，同时二极管D也截止。此时，反激变换器工作在电流断续模式1.工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1641电流电流断断续时反激变换器的工作原理与基本关系续时反激变换器的工作原理与基本关系Q导通期间，原边电流ip 从零增加到Ipmax，那么有：Q截止后，副边电流is 从Ismax 线性下降，并且在t=Ton+Toff 时下降到零。那么有：Toff 为副边电流从Ismax 下降到零的时间，Dr=Toff/Ts2.基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1642电流电流断断续时反激变换器的工作原理与基本关系续时反激变换器的工作原理与基本关系经过推导，可以得到：输出电流：式中：输出电压：可以看出，电流断续时，反激变换器的输出电压Uo不仅与输入电压Uin 和占空比Dy 有关，还与输出电流Io 的大小有关2.基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1643 5.2 反激变换器 5.2.1 反激变换器电路拓扑的推演 5.2.2 反激变换器的工作模式和开关模态 5.2.3 电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系 5.2.4 电流断续时反激变换器的工作原理和基本关系 5.2.5 反激变换器的外特性和调节特性 5.2.6 反激变换器的参数设计南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1644反激变换器的外特性和调节特性反激变换器的外特性和调节特性如果在开关管Q截止期末，即t=Ts 时，副边电流is刚好下降到零，则反激变换器工作在电流临界连续模式若用IoG 表示电流临界连续时的输出电流Io，则有：在电流临界模式中 Toff=(1-Dy)Ts1.电流临界连续时的输出电流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1645反激变换器的外特性和调节特性反激变换器的外特性和调节特性如果输入电压Uin 恒定不变，则IoG 在Dy=0.5时最大，为：可以推导得到：当输入电压Uin 恒定不变，电流断续时反激变换器输出电压的表达式可以改写为：外特性曲线(Uin恒定不变)2.输入电压恒定不变时反激变换器的外特性南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1646反激变换器的外特性和调节特性反激变换器的外特性和调节特性在反激变换器外特性曲线中，图中的虚线表示电流连续和断续的边界：n虚线的右侧为电流连续区n虚线的左侧为电流断续区从图中可以看出，反激变换器的外特性曲线与Buck-Boost变换器的是类似的，只是纵坐标换成了外特性曲线(Uin恒定不变)2.输入电压恒定不变时反激变换器的外特性南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1647反激变换器的外特性和调节特性反激变换器的外特性和调节特性如果输出电压Uo 恒定不变，则有：此时，IoG 在Dy=0时最大，即：经过推导，可以得到：调节特性曲线(Uo恒定不变)3.输出电压恒定不变时反激变换器的调节特性南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1648反激变换器的外特性和调节特性反激变换器的外特性和调节特性在反激变换器调节特性曲线中，图中的虚线表示电流连续和断续的边界：n虚线的右侧为电流连续区n虚线的左侧为电流断续区从图中可以看出，反激变换器的占空比曲线与Buck-Boost变换器的是类似的，只是图中的标注由 换成了调节特性曲线(Uo恒定不变)3.输出电压恒定不变时反激变换器的调节特性南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1649 5.2 反激变换器 5.2.1 反激变换器电路拓扑的推演 5.2.2 反激变换器的工作模式和开关模态 5.2.3 电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系 5.2.4 电流断续时反激变换器的工作原理和基本关系 5.2.5 反激变换器的外特性和调节特性 5.2.6 反激变换器的参数设计南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1650反激变换器的参数设计反激变换器的参数设计1.开关管与二极管的电压和电流开关管Q截止时开关管Q上电压：二极管D的电流iD 等于副边电流is，其最大值为Ismax二极管D的最大电流IDmax 为：开关管Q导通，二极管D承受的电压为：开关管Q的电流iQ 就是原边电流ip，其最大值为Ipmax可以得到iQ 的最大值为：南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1651反激变换器的参数设计反激变换器的参数设计1.开关管与二极管的电压和电流开关管Q的电流即为输入电流，其平均值等于输入电流平均值Iin。假设忽略反激变换器的损耗，则其输入输出功率相等，即有UinIin=UoIo，那么可得：二极管D的电流平均值ID 等于输出电流Io，即：根据功率器件(包括开关管和二极管)的电压应力和流过的最大电流、平均电流与有效值电流，可以选择合适的功率器件型号南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1652反激变换器的参数设计反激变换器的参数设计反激变换器的输出电压与输入电压的关系式为：输出电压不仅与占空比有关，还与变压器的匝比有关。当Dy 从0变化到1时，Dy/(1-Dy)将从0变化到无穷大，这使得变压器的匝比具有相当大的灵活度开关管Q和二极管D的电压应力与变压器的匝比Np/Ns 密切相关：nNp/Ns 越大，开关管Q的电压应力越高，而二极管D的电压应力越低nNp/Ns 越小，开关管Q的电压应力越低，而二极管D的电压应力越高2.变压器的匝比和电感量南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1653反激变换器的参数设计反激变换器的参数设计n折衷考虑开关管Q和二极管D的电压应力，一般要使：Np/Ns=Uin/Uo 这样，开关管的电压应力为2Uin，二极管的电压应力为2Uo，此时占空比为0.5n也可根据输入电压和/或输出电压的变化范围，并根据所能得到的开关管和二极管的电压定额，适当调整变压器的原副边匝比变压器原边电感量根据原边电流脉动量来设计，其设计思路类似于Buck-Boost变换器中电感量的设计方法2.变压器的匝比和电感量南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1654反激变换器的参数设计反激变换器的参数设计3.滤波电容容量n当开关管Q导通时，滤波电容Cf 放电n当开关管Q截止时，滤波电容Cf 充电输出电压脉动Uo 可用Cf 放电时的电压下降量来表示，放电电流为输出电流Io，Uo 的表达式为：滤波电容容量：根据所允许的输出电压脉动值，可以计算得到滤波电容容量南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1655 5.3 推挽变换器 5.3.1 推挽变换器电路拓扑的推演 5.3.2 推挽变换器的工作原理 5.3.3 推挽变换器的基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1656推挽变换器电路拓扑的推演推挽变换器电路拓扑的推演对于单管正激变换器来说，当复位绕组和原边绕组的匝数相等时，为了保证变压器可靠磁复位，开关管的占空比必须小于0.5为了获得所需要的输出电压，整流后的电压幅值必须大于两倍输出电压，因此所需滤波电感较大。为了减小滤波电感，有必要减小整流后的电压幅值，并增大其等效占空比南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1657推挽变换器电路拓扑的推演推挽变换器电路拓扑的推演n两个单管正激变换器并联，共用续流二极管DFW 和输出滤波器n变压器Tr1 和Tr2 完全相同，其原边绕组匝数Np1=Np2=Np，副边绕组匝数Ns1=Ns2=Ns，复位 绕 组 匝 数 与 原 边 绕 组 匝 数 相 等，即Nr1=Nr2=Npn两个单管正激变换器是交错工作的，即开关管Q1 和Q2 的开关频率相同，其驱动信号相差半个开关周期Ts/2南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1658电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系电流连续时反激变换器的工作原理与基本关系两个变压器共用一副磁芯，并且其原边同名端相反，具有以下特性：nQ1 导通，磁芯被正向磁化；Q2 导通，磁芯被反向磁化。变压器磁芯磁通在每个开关周期内净增加量为零，两个磁复位电路均可省去n在Q1 关断瞬间，变压器的异名端会瞬时产生高压，为了避免Q2 承受负压反向击穿，需要给Q2反并一只二极管D2。同理，也需要给Q1反并一只二极管D1南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1659推挽变换器电路拓扑的推演推挽变换器电路拓扑的推演p将电路进行整理，就可以得到推挽(Push-Pull)变换器的电路拓扑p采用复位绕组的正激变换器和双管正激变换器的变压器励磁电流只能为正，变压器为单向磁化p推挽变换器的变压器励磁电流是既可以为正也可以为负，变压器为双向磁化p在相同的功率和开关频率条件下，推挽变换器的变压器的体积比正激变换器的要小一些南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1660 5.3 推挽变换器 5.3.1 推挽变换器电路拓扑的推演 5.3.2 推挽变换器的工作原理 5.3.3 推挽变换器的基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1661推挽推挽变换器的工作原理变换器的工作原理在一个开关周期内，推挽变换器存在四种开关模态(a)开关模态1(b)开关模态2南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1662推挽推挽变换器的工作原理变换器的工作原理在一个开关周期内，推挽变换器存在四种开关模态(c)开关模态3(d)开关模态4南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1663推挽变换器推挽变换器的工作原理的工作原理1.开关模态1 0，Ton在t=0时，开关管Q1 导通，输入电压Uin 加在变压器原边绕组Np1 上，变压器磁芯被磁化，变压器励磁电流iM 从其负的最大值-IMmax 开始线性增加，即：LM 为原边绕组的励磁电感南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1664推挽变换器推挽变换器的工作原理的工作原理变压器原边绕组Np1 上的电压：up1=Uin变压器副边绕组Ns1 上的电压：式中，K=Np/Ns，为原副边绕组匝比1.开关模态1 0，Ton南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1665推挽变换器推挽变换器的工作原理的工作原理整流二极管DR1 导通，整流二极管DR2 和续流二极管DFW 均截止，整流后的电压urect 等于Uin/K滤波电感Lf 上的电压为Uin/K-Uo，其电流iLf 线性增加1.开关模态1 0，Ton南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1666推挽变换器推挽变换器的工作原理的工作原理原边绕组Np1 的电流ip1 为折算到原边的副边电流和励磁电流之和，即：在t=Ton 时，开关模态结束，iLf 达到其最大值ILfmax，而iM 达到其最大值IMmax1.开关模态1 0，Ton南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1667推挽变换器推挽变换器的工作原理的工作原理在t=Ton 时，开关管Q1 截止，变压器各绕组瞬时出现感应电压，其极性为“*”端为“负”，DR2 导通，DR1 截止。电流iLf 经由DFW 流通，加在滤波电感上的电压为-Uo，滤波电感电流iLf 线性下降2.开关模态2 Ton，Ts/2南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1668推挽变换器推挽变换器的工作原理的工作原理在此开关模态中，整流二极管DR2 的电流iDR2 等于折算过来的励磁电流，即：iDR2=KIMmax续流二极管DFW 的电流：iDFW=iLf-KIMmax2.开关模态2 Ton，Ts/2南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1669推挽推挽变换器的工作原理变换器的工作原理n在开关模态3中，开关管Q2 导通，工作情况与开关模态1类似n在开关模态4中，开关管Q2 截止，工作情况与开关模态2类似3.开关模态3Ts/2，Ts/2+Ton和开关模态4Ts/2+Ton，Ts南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1670推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理以上的分析都是基于存在续流二极管DFW 的情况，实际上续流二极管是可以去掉的在去掉续流二极管后，开关模态2的工作情况有所不同，此时两只整流二极管同时导通其中：根据变压器各绕组之间的电流关系，有;去掉续流二极管后两只开关管均关断时的等效电路4.去掉续流二极管DFW 的工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1671推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理经过求解，可以得到在去掉续流二极管DFW 后，两只整流二极管的电流为：两只整流二极管的电流如右图最下面的波形所示4.去掉续流二极管DFW 的工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1672 5.3 推挽变换器 5.3.1 推挽变换器电路拓扑的推演 5.3.2 推挽变换器的工作原理 5.3.3 推挽变换器的基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1673推挽推挽变换器的基本关系变换器的基本关系1.输出电压与输入电压的关系式推挽变换器实际上也是一个隔离型的Buck变换器，其输出电压与输入电压之间的关系为：式中，为占空比，Ton 为导通时间，Ts 为开关周期注：这里的Dy 指的是副边整流电压urect 的占空比，它是开关管占空比的2倍。尽管开关管的占空比最大为0.5，但是urect 的占空比最大可达1南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1674推挽推挽变换器的基本关系变换器的基本关系2.变压器原副边匝比一般来说，输入电压都有一定的变化范围，因此变压器原副边匝比的选择应保证在输入电压最低时能够得到所需要的输出电压根据 可以得到：式中，Uinmin 为最低输入电压，Dymax 为最大占空比，一般可选为0.9南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1675推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理开关管Q1 导通时，加在变压器原边绕组Np1 上的电压为Uin，那么原边绕组Np2 上的感应电压也为Uin，即up2=Uin此时，加在开关管Q2 上的电压为输入电压和up2 之和，即为2Uin；同理，当开关管Q2 导通时，加在开关管Q1 上的电压为2Uin。也就是说，两只开关管的电压应力为：3.开关管承受的电压应力和流过的电流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1676推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理开关管Q1 导通时，其电流为折算到原边的滤波电感电流与励磁电流之和。一般来说，励磁电感比较大，励磁电流很小，可以忽略那么，两只开关管电流的最大值和平均值分别为：式中，Io 为输出电流3.开关管承受的电压应力和流过的电流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1677推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理当开关管Q1 导通时，两个副边绕组上的感应电压均为Uin/K，其电压之和加在整流二极管DR2 上，因此整流二极管的电压应力为：同时，加在续流二极管DFW 上的电压为Uin/K，那么续流二极管的电压应力为：4.整流二极管和续流二极管承受的电压应力和流过的电流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1678推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理整流二极管的电流最大值为滤波电感电流，即有：如果忽略励磁电流，那么整流二极管的电流平均值为：续流二极管电流的最大值和平均值分别为：去掉续流二极管时，两只整流二极管的平均电流均为输出电流的一半，即：4.整流二极管和续流二极管承受的电压应力 和流过的电流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1679推挽推挽变换器的基本关系变换器的基本关系5.滤波电感量和滤波电容量由于推挽变换器是一个隔离型的Buck变换器，其滤波电感量和滤波电容量的计算与Buck变换器的类似注：在推挽变换器中，整流后电压urect 的幅值为Uin/K，脉动频率为开关频率的两倍南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1680 5.4 半桥变换器 5.4.1 半桥变换器电路拓扑的推演 5.4.2 半桥变换器的工作原理 5.4.3 半桥变换器的基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1681半桥变换器电路拓扑的推演半桥变换器电路拓扑的推演将两个单管正激变换器在输入侧串联，在变压器副边整流后并联，共用续流二极管和输出滤波器：nCd1 和Cd2 为输入分压电容，其容量相等且较大，其电压均为Uin/2n开关管Q1 和Q2 的开关频率相同，其驱动信号相差半个开关周期Ts/2n原边绕组匝数：Np1=Np2=Npn副边绕组匝数：Ns1=Ns2=Nsn复位绕组匝数：Nr1=Nr2=Np两个正激变换器在原边侧串联，且共用输出滤波器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1682半桥变换中器电路拓扑的推演半桥变换中器电路拓扑的推演两个变压器共用一副磁芯，并且其原边同名端相反：nQ1 导通时，磁芯被正向磁化nQ2 导通时，磁芯被反向磁化变压器磁芯的磁通在每个开关周期内净增加量为零，因而两个磁复位电路均可省去nQ1 关断瞬间，变压器的异名端会瞬时产生高压，避免Q2 承受负压，Q2 反并二极管D2，同理，Q1需反并二极管D1两个变压器共用一副磁芯南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1683半桥变换器电路拓扑的推演半桥变换器电路拓扑的推演原边绕组合一通过将电路拓扑中的器件移位等变化，最终即可得到半桥变换器最终的电路拓扑n半桥变换器相当于两个单管正激变换器在输入侧串联，因此每个单管正激变换器的输入电压为Uin/2，变压器原边电压的幅值也为Uin/2，只有推挽变换器的一半n半桥变换器开关管的电压应力为Uin注：半桥变换器的变压器也是双向磁化的南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1684 5.4 半桥变换器 5.4.1 半桥变换器电路拓扑的推演 5.4.2 半桥变换器的工作原理 5.4.3 半桥变换器的基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1685半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理在一个开关周期内，半桥变换器有四种开关模态(a)开关模态1(b)开关模态2南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1686半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理在一个开关周期内，半桥变换器有四种开关模态(c)开关模态3(d)开关模态4南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/16871.开关模态1 0，Ton在t=0时，开关管Q1 导通，分压电容Cd1 的电压加在变压器原边绕组Np 上，变压器磁芯被磁化，其励磁电流iM 从负的最大值-IMmax开始线性增加，即：LM 为原边绕组的励磁电感半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1688变压器原边绕组Np 上的电压：up=Uin/2变压器副边绕组Ns1 上的电压：式中，K=Np/Ns，为原副边绕组匝比半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理1.开关模态1 0，Ton南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1689整流二极管DR1 导通，整流二极管DR2 和续流二极管DFW 均截止，整流后的电压urect 等于Uin/K滤波电感Lf 上的电压为Uin/2K-Uo，其电流iLf 线性增加半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理1.开关模态1 0，Ton南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1690半桥变换器半桥变换器的工作原理的工作原理原边绕组Np 的电流ip 为折算到原边的副边电流和励磁电流之和，即：在t=Ton 时，开关模态结束，iLf 达到其最大值ILfmax，而iM 达到其最大值IMmax1.开关模态1 0，Ton南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/16912.开关模态2 Ton，Ts/2在t=Ton 时，开关管Q1截止，变压器各绕组瞬时出现感应电压，其极性为“*”端为“负”，DR2导通，DR1 截止。电流iLf 经由DFW 流通，加在滤波电感上的电压为-Uo，滤波电感电流iLf 线性下降半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1692在此开关模态中，整流二极管DR2 的电流iDR2 等于折算过来的励磁电流，即：iDR2=KIMmax续流二极管DFW 的电流：iDFW=iLf-KIMmax半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理2.开关模态2 Ton，Ts/2南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1693n在开关模态3中，开关管Q2 导通，工作情况与开关模态1类似n在开关模态4中，开关管Q2 截止，工作情况与开关模态2类似半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理3.开关模态3Ts/2，Ts/2+Ton和开关模态4Ts/2+Ton，Ts南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1694以上的分析都是基于存在续流二极管DFW 的情况，实际上续流二极管是可以去掉的在去掉续流二极管后，开关模态2和4的工作情况有所不同，此时两只整流二极管同时导通去掉续流二极管后两只开关管均关断时的等效电路半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理4.去掉续流二极管DFW 的工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1695在去掉续流二极管后，两只整流二极管的电流为：两只整流二极管的电流如右图最下面的波形所示如果忽略励磁电流，那么两只整流二极管均分滤波电感电流，即 iDR1=iDR2=iLf/2半桥半桥变换器的工作原理变换器的工作原理4.去掉续流二极管DFW 的工作原理南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1696 5.4 半桥变换器 5.4.1 半桥变换器电路拓扑的推演 5.4.2 半桥变换器的工作原理 5.4.3 半桥变换器的基本关系南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1697半桥变换器实际上也是一个隔离型的Buck变换器，其输出电压与输入电压之间的关系为：式中，为占空比，Ton 为导通时间，Ts 为开关周期注：与推挽变换器一样，这里的Dy 指的是副边整流电压urect 的占空比，它是开关管占空比的2倍，最大可达1半桥半桥变换器的基本关系变换器的基本关系1.输出电压与输入电压的关系式南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1698一般来说，输入电压都有一定的变化范围，因此变压器原副边匝比的选择应保证在输入电压最低时能够得到所需要的输出电压根据 可以得到：式中，Uinmin 为最低输入电压，Dymax 为最大占空比，一般可选为0.9半桥半桥变换器的基本关系变换器的基本关系2.变压器原副边匝比南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1699在工作模态1中：n开关管Q1 导通时，加在开关管Q2上的电压为Uinn当开关管