电力电子技术课件 第4章(4.2-4.3)1.ppt

隔离DC/DC电路中变换电路是指电路输入与输出之间通过隔离变压器实现电气隔离的DC/DC变换电路。根据主功率开关器件的个数，隔离DC/DC变换电路分可为单管、双管和四管三类。单管隔离正激、反激；双管隔离推挽和半桥；四管隔离全桥。本节介绍这五种隔离DC/DC变换电路的电路结构、工作原理和主要参数关系等。,4.2隔离DC/DC变换电路,4.2.1正激（Forward）电路,开关S采用PWM控制方式、VD1是输出整流二极管、VD2是续流二极管、L和C是输出滤波电感和滤波电容,原边绕组W1，匝数N1副边绕组W2，匝数N2复位绕组W3，匝数N3,隔离变压器有三个绕组，标有“”的一端为同名端。VD3是复位绕组的串连二极管。,根据变压器的磁芯磁复位方法的不同，正激电路包含多种不同的拓扑结构。其中，在电路输入端接复位绕组是最基本的磁芯磁复位方法。,隔离变压器为高频变压器,图4.25正激电路原理图,正激电路在一个开关周期内经历开关导通、开关关断2个开关状态,4.2.1正激（Forward）电路,,图4.26正激电路的开关状态,4.2.1正激（Forward）电路,①t0t1时段S导通，变压器励磁，绕组W1的电压为上正下负，副边绕组W2的电压也是上正下负。,,图4.27正激电路主要电压、电流波形,4.2.1正激（Forward）电路,①t0t1时段VD1导通，VD2截止，L电流逐渐增长。,,图4.27正激电路主要电压、电流波形,4.2.1正激（Forward）电路,②t1t2时段S关断，上负下正，VD1关断，VD2导通，电感L电流通过VD2续流，并逐渐下降。上正下负，VD3导通。,图4.27正激电路主要电压、电流波形,,,4.2.1正激（Forward）电路,②t1t2时段励磁电流经W3和VD3流回输入端，变压器磁复位。在磁复位未完成前，即t1tr时段，开关承受的电压为,,图4.27正激电路主要电压、电流波形,,,4.2.1正激（Forward）电路,②t1t2时段变压器磁复位完成后，即trt2开关承受的电压为,,图4.27正激电路主要电压、电流波形,,,4.2.1正激（Forward）电路,S开通后，励磁电流im由0开始，线性增长，直到S关断。S关断后到再一次开通的时间内，必须设法使im降回到零否则下一个开关周期中，im将在剩余值基础上继续增加，依次累积，变得越来越大，从而导致变压器的励磁电感饱和。,励磁电感饱和后，im会更加迅速地增长，最终损坏电路中的开关器件。因此，在S关断后，使im降回到零的过程称为变压器的磁复位。,变压器磁复位,图4.28正激电路磁复位过程,4.2.1正激（Forward）电路,根据变压器在t0t1时段磁通的增加量等于在t1tr时段磁通的减小量，等效为图中两阴影矩形面积电压伏秒面积相等励磁电流电流下降到0所需的复位时间为,只有保证，才能使变压器磁芯可靠复位。,,图4.28正激电路磁复位过程,4.2.1正激（Forward）电路,输出电压在电感电流连续的情况下，正激电路输入输出电压关系为,,4.2.1正激（Forward）电路,可见，正激电路的输出电压和降压Buck型电路非常相似，仅有的差别在于变压器的变比。实际上，正激电路就是一个插入隔离变压器的Buck电路。输入、输出电压关系可以看成是将输入电压按变压器的变比折算至变压器二次侧后，根据Buck电路得到的。,由于在开关导通时电源能量直接传至负载，故称正激电路。电感电流断续时，参照Buck电路分析。,图4.25正激电路原理图,它由开关S、输出整流二极管VD、输出滤波电容C和隔离变压器构成。开关采用PWM控制方式。反激电路可以看成是将升降压（Buck-Boost）型电路中的电感换成变压器绕组和相互耦合的电感而得到的。因此，反激电路中的变压器在工作中总是经历着储能放电的过程。,4.2.2反激（Flyback）电路,根据变压器副边绕组的电流，反激电路也存在电流连续和电流断续两种工作模式。,4.29反激电路原理图,1．电流连续工作模式反激电路工作于电流连续模式时，在一个开关周期经历开关导通、开关关断2个开关状态。,4.2.2反激（Flyback）电路,,图4.30反激电路的开关状态,4.2.2反激（Flyback）电路,①t0t1时段S受激励导通，VD反向偏置而截止，原边绕组电流线性增长，变压器储能增加。,图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形,4.2.2反激（Flyback）电路,②t1t2时段S关断，VD导通。W1绕组的电流被切断，变压器在t0t1时段储存的能量通过W2绕组和VD向输出端释放。,,图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形,②t1t2时段S关断承受电压为输入输出电压关系为,4.2.2反激（Flyback）电路,,图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形,②t1t2时段与升降压型电路相似输入输出电压关系为,4.2.2反激（Flyback）电路,,图4.31反激电路电流连续时主要电压、电流波形,2电流断续工作模式反激电路工作于电流断续模式时，在一个开关周期经历开关导通、开关关断和电感电流为零3个开关状态。,4.2.2反激（Flyback）电路,,图4.32反激电路的开关状态,4.2.2反激（Flyback）电路,①t0t1时段开关S受激励导通，VD反向偏置而截止，原边绕组电流线性增长，变压器储能增加。,图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形,4.2.2反激（Flyback）电路,②t1t2时段S关断，VD导通，W1绕组的电流被切断，变压器在t0t1时段储存的能量通过W2绕组和VD向输出端释放。,图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形,4.2.2反激（Flyback）电路,②t1t2时段t2时刻，磁场能量释放完毕，绕组W2中电流下降到零，VD截止。,图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形,4.2.2反激（Flyback）电路,③t2t3时段变压器原边绕组和副边绕组中电流均为零，电容向负载提供能量。,图4.33反激电路电流断续时主要电压、电流波形,4.2.2反激（Flyback）电路,反激电路电流断续工作时，输出电压将高于式并随负载减小而升高。在负载为零的极限情况下将造成电路损坏，因此反激电路的负载不应该开路。反激电路工作于电流断续模式时，变压器磁芯的利用率较高、较合理，故通常在设计反激电路时应保证其工作于电流断续方式。由于在开关关断时磁能变电量传至负载，称反激电路。,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,4.2.3推挽（Push-Pull）电路变压器是具有中间抽头的变压器。原边绕组W11和W12匝数相等，均为N1；副边绕组W21和W22匝数相等，均为N2。绕组间同名端如图所示。,开关均采用PWM控制方式，且交替导通。输出整流电路采用由二极管构成的全波整流电路。,图4.35推挽电路原理图,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,推挽电路可看成是两个正激电路的组合，这两个正激电路的开关交替导通，故变压器磁芯是交变磁化的。,图4.35推挽电路原理图,推挽电路电流连续时，在一个开关周期内经历４个开关状态,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,,图4.36推挽电路的开关状态,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,①t0t1时段S1受激励导通，电压加在W11上。VD1正向偏置导通，电感电流经副边绕组W21、VD1、L、C及负载，电感电流线性上升。,图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,②t1t2时段开关都关断，原边绕组中的电流为零。电感通过两个二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。,图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,③t2t3时段开关S2受激励导通，电压加在W12上，VD2导通，电感电流流经副边绕组W22、VD2、L、C及负载，电感电流线性上升。,图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形,④t3t4时段开关都关断，原边绕组中的电流为零。电感通过两个二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。,图4.36推挽电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,必须避免开关同时导通，各自的占空比不能超过50％，并且要留有死区。输出电感电流连续时，推挽电路的输入输出电压关系为推挽电路的占空比定义为,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,,,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,变压器是具有中间抽头的变压器，原边绕组W1，匝数N1；副边绕组W21和W22匝数相等，均为N2。两个容量相等的电容构成一个桥臂，由于电容的容量大，故电容电压。开关构成另一个桥臂，均采用PWM控制方式，且交替导通。,,输出整流电路采用二极管全波整流电路。,图4.38半桥电路原理图,半桥电路电感电流连续时，在一个开关周期４个开关状态,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,,图4.39半桥电路的开关状态,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,①t0t1时段S1导通，电容C1加在W1上。VD1导通，电感电流流经副边绕组W21、VD1、C及负载，电感电流线性上升。,图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,②t1t2时段开关都关断，原边绕组中的电流为零，电感通过二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。,图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,③t2t3时段S2导通，电容C2电压加在W1上VD2导通，电感电流流经副边绕组W22、VD2、C及负载，电感电流线性上升。,图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,④t3t4时段开关都关断，原边绕组中的电流为零，电感通过二极管和续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。,图4.40半桥电路电流连续时主要电压电流波形,输出电感电流连续时，半桥电路的输入输出电压关系为半桥电路的占空比同样定义为,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,与推挽电路不同，由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于开关导通时间不对称等造成的变压器原边电压的直流分量有自动平衡作用因此半桥电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题。半桥电路中，为了避免开关在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏开关，开关各自的占空比不能超过50％，并且要留有死区。,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,,,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,4.2.5全桥（Full-bridge）电路原边绕组的匝数N1；副边绕组匝数N2。开关S1、S2和开关S3、S4分别构成一个桥臂开关均采用PWM控制方式。互为对角的两个开关S1、S4和S2、S3同时导通而同一桥臂上下两开关交替导通。,输出整流电路采用二极管全桥整流电路，电感和电容输出滤波。,图4.41全桥电路原理图,全桥电路电感电流连续时，一个开关周期内４个开关状态,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,图4.42全桥电路的开关状态,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,①t0t1时段开关S1、S4导通，电压加在W1上，电流经副边绕组W2、二极管VD1、VD4、输出滤波电容及负载，电感电流线性上升。,图4.40全桥电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,②t1t2时段开关都关断，原边绕组中的电流为零。电感通过二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。,图4.40全桥电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,③t2t3时段开关S2、S3导通，电压加在W1上。电流经副边绕组W2、VD2、VD3、L、C及负载，电感电流线性上升。,图4.40全桥电路电流连续时主要电压电流波形,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,④t3t4时段开关都关断，原边绕组中的电流为零。电感通过二极管续流，每个二极管流过电感电流的一半，电感电流线性下降。与t1t2时段相同。,图4.40全桥电路电流连续时主要电压电流波形,输出电感电流连续时，全桥电路的输入输出电压关系为全桥电路的占空比定义为,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,,若S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，会在变压器原边产生较大的直流分量，并可能造成磁路饱和。故全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在原边回路中串联一个电容，以阻断直流电流。全桥电路中，为了避免上下两开关在换相过程中发生同时导通而造成短路损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50％，并应留有裕量。,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,图4.41全桥电路原理图,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,各种隔离DC/DC变换电路的特点，应用场合的比较。,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,,,,,,各种DC/DC变换电路中，最基本的是降压（Buck）型电路和升压（Boost）型电路其他DC/DC变换电路都是由这两种电路派生而来的，这里给出它们之间的关系。,4.3DC/DC变换电路之间的关系,1．升降压（Buck-Boost）型电路由Buck型电路和Boost型电路串连演变而成，它将两个开关合为一个开关。,4.3DC/DC变换电路之间的关系,升降压型电路,降压型电路,升压型电路,2．Cuk型电路由Boost型和Buck型串连演变而成，它将两个开关合为一个开关。输入部分与Boost型电路类似，而输出部分与Buck型电路类似。,4.3DC/DC变换电路之间的关系,Cuk型电路,降压型电路,升压型电路,3．Zeta型电路由Buck-Boost型和Buck型串连演变而成。同样将两个开关合为一个开关。输入部分与Buck-Boost型电路类似，而输出部分与Buck型电路类似。,4.3DC/DC变换电路之间的关系,升降压型电路,Zeta型电路,降压型电路,4．Spice型电路由Boost型和Buck-Boost型串连演变而成。同样将两个开关合为一个开关。输入部分与Boost型类似，输出部分与Buck-Boost型类似。,4.3DC/DC变换电路之间的关系,Spice型电路,升压型电路,升降压型电路,5．正激电路在Buck型电路中插入一个隔离变压器后演变而来的；,4.3DC/DC变换电路之间的关系,图4.25正激电路原理图,图4.1降压Buck型电路,推挽电路则是由两个正激电路叠加而成；,4.3DC/DC变换电路之间的关系,正激电路,推挽电路,半桥电路实际上也是由两个正激电路叠加而成，只是输入电压为Ui/2；,4.3DC/DC变换电路之间的关系,半桥电路,正激电路,全桥电路是由两个半桥电路叠加而成。因此正激电路、推挽电路、半桥电路和全桥电路都属于Buck型电路家族。,4.3DC/DC变换电路之间的关系,全桥电路,半桥电路,6．反激电路将Buck-Boost型电路的电感变为隔离变压器得到的。,4.3DC/DC变换电路之间的关系,图4.13升降压型电路,图4.29反激电路原理图,本章介绍了DC/DC变换电路、其中包括6种非隔离DC/DC变换电路和5种隔离DC/DC变换电路。降压（Buck）型和升压（Boost）型电路是最基本的DC/DC变换电路，对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心，也是学习其它DC/DC变换电路的基础。本章的重点是理解降压（Buck）型电路和升压（Boost）型电路的工作原理、掌握这两种电路在不同工作模式下的输入输出关系、电路分析方法和工作特点等。,小结,隔离DC/DC变换电路与非隔离DC/DC变换路的本质是相同的。但电路中插入隔离变压器不仅提高了变换电路工作安全可靠性，而且输入输出电压比更灵活，此外还可以同时获得几个不同数值的输出电压。DC/DC变换电路广泛应用于各种开关电源的设计中，是电力电子领域的一大热点。,小结,