电源拓扑结构介绍-正激和反激

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,正激式变换器 （Forward Converter）的介绍,Buck、Boost和Buck/Boost 变换器都是不隔离的直流变换器。（不隔离就是指输入和输出,共地,）。具有隔离的直流变换器也可按单管、两管和四管分类。单管隔离直流变换器有正激（forward)和反激（flyback)两种。,隔离式直流变换器都用变压器实现电气隔离。为了减小损耗和改善电力电子器件的工作条件，变压器各绕组应紧密耦合，尽量减小,漏磁,。,磁复位的引入：,正激直流变换器变压器铁芯的磁复位有多种方法，在输入端接复位绕组是最基本的方法，其次还有RCD复位，LCD复位和有源箝位等磁复位方法。下面介绍具有复位绕组的正激变换器。,10/15/2024,1,变换器的介绍：,Transformer introduction,变压器：原边（原级）primary side 和副边（次级）secondary side,原边电感（励磁电感）-magnetizing inductance,漏感-leakage inductance,副边开路或者短路测量原边电感分别得励磁电感和漏感,变压器的作用：1.电气隔离；,2.变比不同，达到电压升降；,3.磁耦合传送能量；4.测量电压、电流。,10/15/2024,2,原边（Primary side),副边（secondary side),磁复位绕组,(demagnetizing winding),W1,W2,W3,1.,复位绕组的正激变换器的结构,Forward converter with reset winding,Forward 变换器实际上是降压式变换器中插入隔离变压器而成。变压器中有三个绕组，原边绕组W1，副边绕组W2，复位绕组W3,图中绕组符号标有“*”号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。D3是复位绕组W3的串联二极管。下图a、b、c 给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。,10/15/2024,4,(a),(b),(c),正激变换器工作在不同模态的等效电路,10/15/2024,5,2.,带复位绕组的正激变换器的工作原理分析,正激变换器的主要理论波形,10/15/2024,6,下面讨论电感电流连续时forward变换器的工作原理：,1.模态1 对应于图(a)在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 加在原边绕组W1上，因此铁芯磁化，铁芯磁通,增加：,在t=Ton时，铁芯磁通的增加量为Vin/W1*D*Ts。,那么副边绕组W2上的电压为：Vw2=W2/W1*Vin=Vin/K12。,式中，K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。,此时，整流二极管D1 导通，续流二极管D2截止，滤波电感电流iL1线性增加，这与buck变换器中开关管Q1导通时一样，只是电压为Vin/K12。,2.模态2 对应于图(b)在Ton时刻，关断Q1，原边绕组和副边绕组中没有电流流过，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W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。那么复位绕组上的电压为：Vw3=-Vin；原边绕组上的电压为：V,w1,=-K,13,*V,in,；副边绕组上的电压为：V,w2,=-K,23,*V,in,。,式中，K,13,=W,1,/W,3,是原边与复位绕组的匝比，,K,23,=W,2,/W,3,是副边与复位绕组的匝比。,10/15/2024,8,此时，整流二极管D1 关断，滤波电感电流i,L1,通过续流二极管D2续流，与buck变换器类似。,在此开关模态中，加在Q上的电压V,Q,为：,V,Q,=V,in,+K,13,*V,in,。,电源电压Vin反向加在复位绕组W,3,上，故铁芯去磁，铁芯磁通减小：W,3,*d/dt=-Vin,铁芯磁通的减小量为：V,in,/W,3,*,D*Ts。,式中，D=(Tr-Ton)/Ts，是变压器磁芯的去磁时间Tr-Ton与Ts的比值，D小于1-D。,10/15/2024,9,励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并且开始线性减小。,在Tr时刻，iW3=iM=0，变压器完成磁复位。,3.模态3 对应于图(c),在Tr时刻，所有绕组中均没有电流，他们的电压均为0，滤波电感电流继续经过续流二极管续流，与buck变换器在开关管关断时一样。此时，加在开关管Q1的电压为Vin。,10/15/2024,10,从前面的分析知，forward变换器实际上是一个隔离的Buck变换器，其输入输出电压之间的关系为：,3.,基本关系式,在forward变换器中，一个比较重要的概念是：变压器必须要复位，否则它的磁通将不断增加，最后导致磁芯饱和而毁坏。也就是说，磁通的增加量应该等于磁通的减小量，从前面的分析可以得到：,10/15/2024,11,由于 ，要满足上式，必须有：,变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧间的电气隔离，还可以实现多路输出。,K13的大小决定最大的占空比D，小于0.5或者大于0.5,10/15/2024,12,多路输出的正激变换器,V1和V3为正电压；V2为负电压,10/15/2024,13,双管正激变换器 double Forward converter,分析正激变换器中最大占空比为多少,驱动信号如何同时驱动两个MOS管,10/15/2024,14,(1)MOS管导通时，电源电压加在原边绕组W1上，变压器储存能量，磁通量增加。在导通期间，磁通的增加量为：,此过程中，副边绕组的电压为Vin/N（N为原边和副边匝数比），整流二极管D3导通，给电感、电容充电和负载供电。,工作原理分析,10/15/2024,15,(2)MOS管截止时，变压器原边励磁电感中的电流不能跃变（,方向不变，大小连续变化,），通过二极管D1和D2继续流通。此时，变压器进行磁复位，变压器上的电压为-Vin。磁通量的减小量为：,副边绕组W2，同名端的电压为负，整流二极管D3截止，续流二极管D4导通，电感和电容释放能量，给负载供电。,10/15/2024,16,最大占空比的确定,变压器要完成磁复位，也就是增加的磁通量等于减小的磁通量，即：,最大占空比,通常，双管正激变换器中，最大占空比为46%左右。,10/15/2024,17,反激式变换器 （Flyback Converter）的介绍,反激变换中变压器有两个绕组：原边绕组W1和副边绕组W2，两绕组要紧密耦合。,反激式变换器的电路图如下图所示：,10/15/2024,18,原边,副边,W1,W2,+,-,Vout,1.反激式变换器的拓扑结构/电路图,图中绕组符号标有“*”号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。,Flyback变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合多路输出。,10/15/2024,19,2.,和Boost、Buck变换器一样，Flyback变换器也有电流连续和断续两种工作方式。,对,Flyback变换器来说，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，而电流断续是指合成安匝在Q截止期间有一段时间为零,。图中a、b、c 给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。,(a)Q导通,(b)Q关断,(C)Q关断，电,流断续,10/15/2024,20,3.,反激变换器的工作原理分析,下面讨论flyback工作在电流连续模式下的工作原理：,10/15/2024,21,1.模态1 对应于图(a)在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 加在原边绕组W1上，因此，铁芯磁化，铁芯磁通,增加：,W1*,d,/dt=Vin。副边绕组W2上的感应电压为：Vw2=-W2/W1*Vin，其极性为“*”端为“+”，使二极管D1截止，负载电流由滤波电容Cf提供。此时变压器副边绕组开路，只有原边绕组工作，相当于一个电感，其电感量为L1。,在t=Ton时，铁芯磁通的增加量为Vin/W1*D*Ts。,10/15/2024,22,2.模态2 对应于图(b),在Ton时刻，关断Q1，原边绕组开路，副边绕组的感应电势反向，其极性为“*”端为“负”，使二极管D1导通，储存在变压器磁场中的能量通过D1释放，一方面给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，相当于一个电感，其电感量为L2。,在此过程中，变压器磁芯被去磁，其磁通也线性减小。磁通的减小量为：Vo/W2*(1-D)Ts。,10/15/2024,23,4.,基本关系式,稳态工作时，Q1导通期间磁通增长量等于它在截止期间磁通的减小量。即：,Vin/W1*D*Ts=Vo/W2*(1-D)*Ts，,则 Vo=Vin/K12*D/(1-D).,式中，K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。,10/15/2024,24,作业,画出Buck、Boost、双管正激、反激变换器的拓扑结构，并列出输入和输出电压之间的关系式。,10/15/2024,25,