正激变换器的磁复位方式 (2).ppt

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1、正激变换器正激变换器主讲人：杨艳主讲人：杨艳2010.11.22南京邮电大学南京邮电大学1 1Contents正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理1几种复位方式及其比较几种复位方式及其比较2南京邮电大学南京邮电大学2 2正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理南京邮电大学南京邮电大学单端正激变换器的主电路单端正激变换器的主电路开关管开关管Q按按PWM方式工作，方式工作，D1是输出整流二极管，是输出整流二极管，D2是续是续流二极管，流二极管，Lf是输出滤波电感，是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器是输出滤波电容。变压器有三个绕组，有三个绕组，W1原边绕组，原边绕组，W2副边绕组，副边绕

2、组，W3复位绕组。复位绕组。3 3正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态南京邮电大学南京邮电大学开关管开关管Q导通，电源电压导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁加在原边绕组上，变压器铁芯磁通芯磁通增加，则变压器铁芯磁通增量：增加，则变压器铁芯磁通增量：4 4南京邮电大学南京邮电大学正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态由由 得变压器原边磁化电流：得变压器原边磁化电流：式中式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的电上的电压为：压为：此时整流二极管此时整流二极管D1导通，续流二极管导通，续流二极管D2截止，流过截止，流过滤波电感滤波电

3、感Lf的电流增加：的电流增加：显然这和显然这和BUCK变换器中开关管变换器中开关管Q导通时一样。导通时一样。变压器原边绕组电流：变压器原边绕组电流：5 5南京邮电大学南京邮电大学正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组从复位绕组W3经过二极管经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断，关断，流过电感流过电感Lf电流通过续流二极管电流通过续流二极管D2续流

4、，复位绕组电压：续流，复位绕组电压：6 6此时整流管关断，流过电感此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管电流通过续流二极管D2续续流，显然和流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加在变换器类似。在此开关状态中，加在Q上的电压为：上的电压为：电源电源VIN反向加在复位绕组反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯上，故铁芯被去磁，铁芯的磁通的磁通减小：减小：铁芯磁通铁芯磁通的减小量：的减小量：式中式中Tr-ton是去磁时间。是去磁时间。南京邮电大学南京邮电大学变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状

5、态7 7南京邮电大学南京邮电大学励磁电流励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减小：小：在在Tr时刻，时刻，变压器完成磁复位。，变压器完成磁复位。正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态8 8南京邮电大学南京邮电大学正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态Q关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。滤波电感电流经续流二极管续流。在此时滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为上的电压为:由于在正激变换器中磁通必须复位，得：由于在正激变换器中磁通必须复位，得：整理得

6、：整理得：9 9南京邮电大学南京邮电大学正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态如果如果W1W3，则去磁时间小于开通时间，则去磁时间小于开通时间即开关管的工作占空比即开关管的工作占空比 。如果如果W1W3，Q管电压大于管电压大于2倍输入电压；倍输入电压；W1W3，Q管电压小管电压小于于2倍输入电压。倍输入电压。为了充分提高占空比和减小为了充分提高占空比和减小Q两端电压，必须折衷选择。一两端电压，必须折衷选择。一般选般选W1=W3，这时，这时 ，而，而Q管电压等于管电压等于2倍倍输入电压。输入电压。由于单端正激变换器（由于单端正激变换器（Forword）变换器实际上是一个隔离）变换器实际

7、上是一个隔离的的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为：变换器，因此其输入和输出关系为：1010南京邮电大学南京邮电大学正激变换器的不同开关状态正激变换器的不同开关状态1111Contents正激变换器的工作原理正激变换器的工作原理1几种复位方式及其比较几种复位方式及其比较2南京邮电大学南京邮电大学1212v单端变换器的磁复位技术v使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，称为去磁复位问

8、题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电压很高，导致开关器件的损坏。压很高，导致开关器件的损坏。v剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以分成两种：分成两种：v一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电一种是把铁芯残存能量自然的转移，

9、在为了复位所加的电子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端；子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特性而定。性而定。磁复位技术磁复位技术1313典型的两种磁芯磁滞特性曲线典型的两种磁芯磁滞特性曲线磁复位技术磁复位技术1414v在磁场强度在磁场强度H H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图定。图a a的剩余磁感应强度的剩余磁感应强度

10、BrBr比图比图b b小，图小，图a a一般是铁氧体、一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b b一般为无气隙的晶粒取向一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。镍铁合金铁芯。v对于剩余磁感应强度对于剩余磁感应强度BrBr较小的铁芯，一般使用转移损耗法。较小的铁芯，一般使用转移损耗法。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度应强度BrBr较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位法较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位法线路较为复杂。线路较为复杂。v简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，简单的

11、损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。因此

12、一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。这种电路只适用于小功率变换器中，。这种电路只适用于小功率变换器中，。磁复位技术磁复位技术1515几种磁复位方式几种磁复位方式南京邮电大学南京邮电大学v第三线圈复位法第三线圈复位法vRCD复位复位v有源钳位有源钳位v双管正激双管正激1616第三线圈复位法特点第三线圈复位法特点v优点：优点：v技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。v缺点：缺点：v附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化；附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化；v开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要开关管关断时

13、，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲缓冲电路来抑制，尤其是变压器满载时；电路来抑制，尤其是变压器满载时；v开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在宽输入电压范围时，必须采用高压功率宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率而高压功率MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大；的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大；vUin=Uinmax时，占空比时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。很小，不易于大功率输出。南京邮电大学南京邮电大学1717RCD复位复位南京邮电大学南京邮电大学t=t2时开始磁复位，

14、时开始磁复位，Cs与与Lm谐振使得磁化电感能量有一谐振使得磁化电感能量有一部分转移到部分转移到Cs 中去，剩余的中去，剩余的磁化电感能量和变压器漏感磁化电感能量和变压器漏感能量消耗在钳位电阻能量消耗在钳位电阻R中；中；t=t0t1期间，开关管期间，开关管导通变压器上的磁化导通变压器上的磁化电流增加；电流增加；t=t1时时VM 关断，随后以负载折关断，随后以负载折算到原边的电流算到原边的电流I0n给给Cs线性充电；线性充电；Cs：晶体管输出电容、钳位二极管：晶体管输出电容、钳位二极管结电容、折算到原边的整流二极结电容、折算到原边的整流二极管结电容和变压器绕组电容之和管结电容和变压器绕组电容之和1

15、818在在t=t3t4期间期间VDC导通导通UDS的值保持为的值保持为Uin+Uc磁化磁化电流以一电流以一UcLm 的斜率线性下降到零；的斜率线性下降到零；在在t=t4t5期间，期间，Cs中储存的能量传递到磁化电感中储存的能量传递到磁化电感Lm中去。中去。可推导出钳位电压为：可推导出钳位电压为：Uc与与Uin无关；无关；增大增大Lm可降低可降低Uc；增加增加Cs，可降低，可降低Uc；这可通过在；这可通过在VM漏源两端外并电容来实现但这却增漏源两端外并电容来实现但这却增加了功率开关的容性开通损耗；加了功率开关的容性开通损耗；减小源副边总漏感减小源副边总漏感L1k可降可降低低Uc，这是降低钳位电压

16、的关键因素。，这是降低钳位电压的关键因素。RCD复位复位1919v优点：优点：磁复位电路简单；磁复位电路简单；功率开关电压较低；功率开关电压较低；占空比占空比d可大于可大于0.5,适用于宽输入电压场合。适用于宽输入电压场合。v缺点缺点:大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它大部分磁化能量消耗在钳位电阻中。因此，它广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换广泛应用于价廉、效率要求不太高的功率变换场合。场合。RCD复位法特点复位法特点2020有源钳位有源钳位南京邮电大学南京邮电大学为了简化分析，假设输出滤波电感为了简化分析，假设输出滤波电感L和钳位电容和钳位电容Ccl足够大，因此可将它们分别作为电

17、流源和电压源处足够大，因此可将它们分别作为电流源和电压源处理。变压器用磁化电感理。变压器用磁化电感Lm、原副边总漏感、原副边总漏感L1k和变和变比为比为n：1的理想变压器表示。每个开关周期分为七的理想变压器表示。每个开关周期分为七个区间原理波形如右图所示。个区间原理波形如右图所示。t=t0时，功率开关时，功率开关VM开通。开通。VDC与与VD2截止截止VD1开通；开通；t=t1时。功率开关时。功率开关VM关断，以关断，以Ion对电容对电容Cs充电使得充电使得UDs增大；增大；t=t2时。时。UDs=Uin，VD1关断，关断，VD2开通，磁化电流对开通，磁化电流对C2 充电即充电即 Lm与与Cs

18、 谐振，部分磁化能量转移到谐振，部分磁化能量转移到Cs中去；中去；t=t3时，时，UDs=Uin+Uc1，VDC开通开通i m以以-Uc1Lm 斜率斜率下降，一直下降，一直到到t4 时刻为零，钳位开关时刻为零，钳位开关VMC 应在应在t3t4 期间期间加上开通信号；加上开通信号；t=t4时，时，i m开始变负，开始变负，VMc 实现了实现了零电压开通，零电压开通，i m仍以仍以一一UclL m斜率下降，铁心工作在第三象限；斜率下降，铁心工作在第三象限；t=t5时，时，VMc关断，关断，Lm与与Cs开始谐振，开始谐振，C s以负的磁化以负的磁化电流放电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去；电流放

19、电，能量回馈到电网及转移到磁化电感中去；t=t6时，时，UDS下降到下降到Uin，VD1开通，为开通，为i m在副边续流提在副边续流提供了通路；供了通路；t=t7 时，时，VM再次开通，开始了另一周期。由此可见，再次开通，开始了另一周期。由此可见，钳位开关钳位开关VM 实现了零电压开关实现了零电压开关(ZVS)，功率开关，功率开关VM 实现了零电压关断，但非零电压开通。实现了零电压关断，但非零电压开通。)2121有源钳位有源钳位2222v优点：优点：v变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用；变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用；v可利用低压功率可利用低压功率MOSFET和二极管；和二极管；vZVT-

20、PWM工作方式；工作方式；v占空比占空比d可大于可大于0.5；v变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利用率高，铜损小用率高，铜损小 v缺点：缺点：v多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成本。本。有源钳位优缺点有源钳位优缺点2323双管正激双管正激南京邮电大学南京邮电大学2424南京邮电大学南京邮电大学双管正激双管正激2525v优优 点点:加加 于于 每每 个个MOSFFT的最大电压仅为的最大电压仅为VDD。减减 少少 了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声可可 以以 有有 效地避免误触发引起的短路故障。效地避免误触发引起的短路故障。v缺缺 点点:需需 要要 更更 多的开关器件，增加了成本。多的开关器件，增加了成本。电路电路 中中 过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低额定电压的额定电压的MOSFET降低电阻降低电阻RDS（on）来提高效率。来提高效率。占空占空 比比 小于小于50%，受开关频率的限制。，受开关频率的限制。双管正激优缺点双管正激优缺点2626