正激变换器工作原理及几种复位方式.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,*,1,正激变换器,主讲人：杨艳,2010.11.22,南京邮电大学,2,Contents,正激变换器的工作原理,1,几种复位方式及其比较,2,南京邮电大学,3,正激变换器的工作原理,南京邮电大学,单端正激变换器的主电路,开关管,Q,按,PWM,方式工作，,D,1,是输出整流二极管，,D,2,是续,流二极管，,L,f,是输出滤波电感，,C,f,是输出滤波电容。变压器,有三个绕组，,W,1,原边绕组，,W,2,副边绕组，,W,3,复位绕组。,4,正激变换器的不同开关状态,南京邮电大学,开关管,Q,导通，电源电压,V,IN,加在原边绕组上，变压器铁,芯磁通,增加，则变压器铁芯磁通增量：,5,南京邮电大学,正激变换器的不同开关状态,由 得变压器原边磁化电流：,式中,L,M,是原边绕组的励磁电感。副边绕组,W,2,上的电压为：,此时整流二极管,D,1,导通，续流二极管,D,2,截止，流过滤波电感,L,f,的电流增加：,显然这和,BUCK,变换器中开关管,Q,导通时一样。,变压器原边绕组电流：,6,南京邮电大学,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,时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流,i,M,从复位绕组,W,3,经过二极管,D,3,回馈到输入电源中去。此时整流管,D1,关断，,流过电感,L,f,电流通过续流二极管,D,2,续流，复位绕组电压：,7,此时整流管关断，流过电感,Lf,电流通过续流二极管,D,2,续流，显然和,BUCK,变换器类似。在此开关状态中，加在,Q,上的电压为：,电源,V,IN,反向加在复位绕组,W,3,上，故铁芯被去磁，铁芯的磁通,减小：,铁芯磁通,的减小量：,式中,Tr-t,on,是去磁时间。,南京邮电大学,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,8,南京邮电大学,励磁电流,i,M,从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减小：,在,Tr,时刻， ，变压器完成磁复位。,正激变换器的不同开关状态,9,南京邮电大学,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。滤波电感电流经续流二极管续流。在此时,Q,上的电压为,:,由于在正激变换器中磁通必须复位，得：,整理得：,10,南京邮电大学,正激变换器的不同开关状态,如果,W,1,W,3,，则去磁时间小于开通时间,即开关管的工作占空比 。,如果,W,1,W,3,，,Q,管电压大于,2,倍输入电压；,W,1,W,3,，,Q,管电压小于,2,倍输入电压。,为了充分提高占空比和减小,Q,两端电压，必须折衷选择。一般选,W1=W3,，这时 ， ，而,Q,管电压等于,2,倍输入电压。,由于单端正激变换器（,Forword,）变换器实际上是一个隔离的,BUCK,变换器，因此其输入和输出关系为：,11,南京邮电大学,正激变换器的不同开关状态,12,Contents,正激变换器的工作原理,1,几种复位方式及其比较,2,南京邮电大学,13,单端变换器的磁复位技术,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，称为去磁复位问题。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。,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分成两种：,一种是把铁芯残存能量自然的转移，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；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性而定。,磁复位技术,14,典型的两种磁芯磁滞特性曲线,磁复位技术,15,在磁场强度,H,为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图,a,的剩余磁感应强度,Br,比图,b,小，图,a,一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图,b,一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。,对于剩余磁感应强度,Br,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。对于剩余磁感应强度,Br,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。,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，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。这种电路只适用于小功率变换器中，。,磁复位技术,16,几种磁复位方式,南京邮电大学,第三线圈复位法,RCD,复位,有源钳位,双管正激,17,第三线圈复位法特点,优点：,技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。,缺点：,附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化；,开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要,RC,缓冲电路来抑制，尤其是变压器满载时；,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,MOSFET,而高压功率,MOSFET,的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大；,Uin=Uin,max,时，占空比,d=d,min,很小，不易于大功率输出。,南京邮电大学,18,RCD,复位,南京邮电大学,t=t2,时开始磁复位，,C,s,与,L,m,谐振使得磁化电感能量有一部分转移到,C,s,中去，剩余的磁化电感能量和变压器漏感能量消耗在钳位电阻,R,中；,t=t0,t1,期间，开关管导通变压器上的磁化电流增加；,t=t1,时,VM,关断，随后以负载折算到原边的电流,I,0,n,给,C,s,线性充电；,Cs,：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管结电容和变压器绕组电容之和,19,在,t=t3,t4,期间,V,DC,导通,U,DS,的值保持为,Uin +Uc,磁化,电流以一,Uc,Lm,的斜率线性下降到零；,在,t=t4,t5,期间，,Cs,中储存的能量传递到磁化电感,Lm,中去。,可推导出钳位电压为：,Uc,与,Uin,无关；,增大,Lm,可降低,Uc,； 增加,Cs,，可降低,Uc,；这可通过在,VM,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；,减小源副边总漏感,L,1k,可降低,Uc,，这是降低钳位电压的关键因素。,RCD,复位,20,优点：,磁复位电路简单；,功率开关电压较低；,占空比,d,可大于,0.5,适用于宽输入电压场合。,缺点,:,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场合。,RCD,复位法特点,21,有源钳位,南京邮电大学,为了简化分析，假设输出滤波电感,L,和钳位电容,C,cl,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,Lm,、原副边总漏感,L,1k,和变比为,n,：,1,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。,t=t,0,时，功率开关,V,M开通。VD,C,与,V,D,2,截止VD,1,开通；,t=,t,1,时。功率开关,V,M关断，以I,o,n对电容,C,s,充电使得,U,Ds增大；,t,=,t,2,时。,U,Ds=U,i,n,，,VD,1,关断，,V,D2开通，磁化电流对,C,2,充电即,Lm,与,C,s,谐振，部分磁化能量转移到,C,s,中去；,t,=,t,3时，,U,Ds=U,i,n,+,U,c,1，,VD,C,开通i,m,以,-U,c1,L,m,斜率下降，一直,到,t4,时刻为零，钳位开关,V,M,C,应在,t,3,t,4,期间加上开通信号；,t,=,t,4时，i,m,开始变负，,V,Mc,实现了,零电压开通，,i m,仍以一,Ucl,L m,斜率下降，铁心工作在第三象限；,t=t5,时，,VMc,关断，,Lm,与,Cs,开始谐振，,C s,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；,t=t6,时，,U,DS,下降到,Uin,，,VD,1,开通，为,i m,在副边续流提供了通路；,t=t7,时，,VM,再次开通，开始了另一周期。由此可见，钳位开关,VM,实现了零电压开关,(ZVS),，功率开关,VM,实现了零电压关断，但非零电压开通。,),22,有源钳位,23,优点：,变压器磁化能量和漏惑能量可重复利用；,可利用低压功率,MOSFET,和二极管；,ZVT-PWM,工作方式；,占空比,d,可大于,0.5,；,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,缺点：,多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成本。,有源钳位优缺点,24,双管正激,南京邮电大学,25,南京邮电大学,双管正激,26,优 点,:,加 于 每 个,MOSFFT,的最大电压仅为,V,DD,。,减 少 了干扰尖峰，有利于减小了应力和噪声,可 以 有 效地避免误触发引起的短路故障。,缺 点,:,需 要 更 多的开关器件，增加了成本。,电路 中 过多的器件可能降低效率，但可以通过使用低,额定电压的,MOSFET,降低电阻,R,DS,（,on,）,来提高效率。,占空 比 小于,50%,，受开关频率的限制。,双管正激优缺点,