正激變換器工作原理

2022-08-20 20:18:05 字數 3730 閱讀 7427

實際應用中,由於電壓等級變換、安全、系統串並聯等原因,開關電源的輸入輸出往往需要電氣隔離。在基本的非隔離變換器中加入變壓器,就可以派生出帶隔離變壓器的變換器。例如,單端正激變換器就是有變換器派生出來的。

一工作原理

1 單管正激變換器

單端正激變換器是由buck變換器派生而來的。圖(a1)為buck變換器的原理圖,將開關管右邊插入乙個隔離變壓器,就可以得到圖(a2)的單端正激變換器

圖(a1)變換器

圖(a2)單端正激變換器

變換器工作原理:

電路進入平恆以後,由電感單個週期內充放電量相等,

由電感週期內充放電平恆可以得到:

即: 可得:

單端正激變換器的工作原理和和相似。

其工作狀態如圖如圖(a3)所示:

圖(a3)單端正激變換器工作狀態

開關管q閉合。如圖所示,當開關管q閉合時的工作狀態如圖a4所示,

圖(a4)

根據圖中同名端所示,可以知道變壓器副邊也流過電流,d1導通,d2截止,電感電壓為正,變壓器副邊的電流線性上公升。在此期間,電感電壓為:

開關管q截止。開關管截止時,變壓器副邊沒有電流流過,副邊電流經反併聯二極體d2續流,在此期間,電感電壓為負,電流線性下降:

在穩定時,和buck電路一樣,電感電壓在乙個週期內積分為零,因此:

得:由此可見,單端正激變換器電壓增益與開關導通占空比成正比,比buck電路只多了乙個變壓器的變化。

回饋式單端正激變換器

回饋式單端正激變換器單端正激變換器的實用電路拓撲,其原理圖如圖(a5)所示

圖(a5)

回饋式單端正激變換器的工作原理和單端正激變換電路相似,只是在在原邊增加了乙個回饋環節。其工作狀態如圖(a6)所示

圖(a6)

當q開通時,工作原理和單端正激變換器相似,電流從n1端流過,電流線性增大,同時向副邊傳遞能量。

當截止時,np兩端電壓為-ui,nr端同名端變副大小為,同時通過二級管向輸入電源回饋電能。

2 三路輸出正激變換器

原理圖如圖(b1)所示

圖(c1)

由三路輸出正激變換器的拓撲可得,其副邊拓撲只是在單端正激變換器的基礎上再加了兩個輔輸出部分,所以它的工作原理和單端正激變換器相似。其原端和回饋式單端正激變換器一樣。

3 雙端正激變換器

圖(c1)

工作原理:開關管q1和q2同時開通或截止,如圖(c2)所示。

圖(c2)

當q1和q2同時導通時,二極體d1和d2反偏截止,輸入ui通過變壓器t向副邊傳輸能量,副邊二極體d3和d4導通,副邊電感l1和l2上電壓線性上公升,電感開始儲能。

當q1和q2同時截止時,如圖(c3)變壓器原邊上通過鐵芯感應的電壓通過二級管d1和d2向輸入電源ui反饋能量。

圖(c3)

4 交錯正激變換器

電路原理圖如圖(d1)所示:

圖(d1)

其工作狀態如圖(d2)所示

圖(d2)

工作原理:q1和q2分別開通在電路執行的上半週期和下班週期,並分別留有一定時間的死區。例如上半週期q1開通,q2截止。

下半週期,q2開通q1截止。工作原理和回饋式單端正激變換器相同,只是在每個週期內有兩個能量脈衝。

二各種正激變換器的優缺點

1 單端正激變換器

和非隔離開關電路拓撲相比增加了乙個隔離變壓器。

優點:1 可以通過改變次級繞組和初級繞組的線圈匝數比來決定輸出電壓是降壓還是公升壓,或者增大了電壓的輸出範圍。

2 改變輸出電壓極性是非常方便的,只要將次級繞組線圈的兩端對調,再將次級整流二極體和濾波電容的方向對調就可以。

3 輸出和輸入隔離,加大了電路抗干擾的能力。

缺點:1 由於變壓器漏感的存在,當q1截止時,其兩端將承受非常高的電壓應力,易將開關管q1損壞。

2 磁芯利用率不高,單位週期內只有乙個功率脈衝。

3 變壓器的磁芯由於一直工作於被置位狀態,容易飽和。

回饋式單端正激變換器

回饋式單管正激變換器在原來基礎上增加了回饋環節,實現了能量的回饋,而且為變壓器提供了磁芯復位迴路。但是當磁芯工作於復位狀態時,開關管同樣要承受很大的電壓應力。

由此可以得出,單端正激變換器只能用於輸出功率不是很大的情況下。

2 三路輸出正激變換器

三路輸出正激變換器和單端正激變換器拓撲結構相似,其優缺點也一樣。

和單端正激變換器一樣,三路輸出正激變換器也只能用於輸出功率不是很大的情況下。

3 雙端正激變換器

雙管正激變換器使用兩個開關管,這樣做有顯著地優勢。

1 關斷時每個開關管僅承受一倍的直流輸入電壓電壓,這樣就可以使輸出的功率加大。

2 關斷時不會出現漏感尖峰。

由此可以得出,和單端正激變換器相比,雙管正激變換器能用於相對比較大的輸出功率地情況下。

4 交錯正激變換器

這種拓撲只是將兩個單端正激變換器交替工作(各佔半個週期),其次級電流通過二極體相加。所以,在每個週期內有兩個功率脈衝,每個變換器只提供總輸出功率的一半。

由於在每個週期內有兩個功率脈衝,交錯正激變換器也可以由於相對比較的輸出功率的情況下。

三原器件的選擇準則

變壓器的選擇

1 磁心選擇

正激變換器的變壓器磁心有效功率和峰值磁密、磁心面積、視窗面積、頻率及繞組電流密度有關。

2 初級匝數的計算

由法拉第定律確定初級匝數表示式為

為最小直流輸入電壓,為工作週期,為磁心面積,為磁通密度變化量。

此處計算的基礎如下:

考慮到磁心的完全復位,開關管導通時間選擇為,在輸入最小電壓情況下,其導通半週期的80%(因為如果導通時間佔滿整個半週期,若導通時間稍有改變而增加,就會使磁心不能完全復位),即0.4。開關管導通時,初級線圈兩端電壓為輸入電壓減去開關管得導通電壓(此處假設為1v)。

3 次級匝數的計算

次級繞組匝數可由電壓輸出要求輸出來。

開關管、續流二極體、整流二極體的選擇

1開關管的選擇

開關管的選擇關鍵在其所能承受的關斷電壓應力和工作頻率。

而回饋式單端正激變換器的關斷電壓還得從變壓器的繞組匝數看起:

如圖所示:

q1關斷時,和的極性反向,同名端變負,且被二極體d鉗位至地電位,此時變壓器是乙個自耦變壓器,上壓降為,而上為。導通時間,磁心被伏秒數置位,關斷時必須施加相等的伏秒數才能使它復位到磁滯迴線的起始位置。當和相等時,開關管的電壓應力為兩倍的.

而交錯正激變換器得開關管關斷電壓應力僅為一倍的

所以,開關管的關斷電壓應力,應該根據實際的電路拓撲而定,然後選擇開關管的規格。

2 續流二級滾和整流二極體的選擇

由於次級有輸出電感,所以次級電流波形為階梯斜波。當直流輸入最小電壓時,階梯斜波的寬度為,將次級電流折算到初級,初級電流也為階梯斜波的寬度為的電流脈衝。將階梯斜波電流等效為平頂電流,其幅值為其中點值,則電流平均值為,因此有,

即:就是選擇器件的重要依據。

濾波器的選擇

1 電感的選擇

電感的選擇應該保證直流輸出電流最小規定電流()時,電感電流也保持連續,電感電流斜坡電流峰-峰值為,因為當直流電流等於電感斜坡峰-峰值一半時,進入連續工作狀態,即:

即:2 電容的選擇

一般的電容並非理想電容,其可等效為寄生電阻和電感與理想電容的串聯。一般的,總希望大部分紋波電流分量進入電容。輸出電壓的紋波由輸、、一同決定。

對於低頻(小於500k)紋波,可以忽略,輸出紋波由、決定。有兩個分別有和決定的紋波分量。有決定的分量與成正比,而決定的部分與流過的電流的積分成正比。

對於很大範圍內不同電壓等級、不同容值的常用鋁電解電容,其中的值近似為常數,約為歐法。例如,設阻性紋波電壓峰-峰值為,則需要,再由為常數可求得。

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