电源技术辅导资料五
电源技术辅导资料五主 题:第三章 第三节的第2小节 “开关电源的基本电路 之 隔离性电路”
学习时间:2010年11月15日-11月21日
内 容:
我们这周主要学习第三章第三节的第2小节 “开关电源的基本电路 之 隔离性电路”的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们掌握几种主要的隔离型电路的结构及工作原理。
一、学习要求
1.了解隔离型电路的分类
2. 掌握几种主要的隔离型电路的结构及工作原理
二、主要内容
1.隔离型开关变换器分类
隔离性开关变换器可以称作间接直流变流电路:先将直流逆变为交流,再整流为直流电,也称为直—交—直电路。
间接直流交流电路分为单端和双端电路两大类:
单端电路:变压器中流过的是直流脉动电路,如正激电路和反激电路。
双端电路:变压器中的电流为正负对称的交流电流,如半桥、全桥和推挽电路。
图 (a)为单端电路铁心磁通的变化曲线图,图(b)对应双端电路。
2.各种隔离型电路的结构及工作原理
(1)正激电路
电路图 波形
电流连续工作状态
t0-t1时段,t0时刻,开关S开通,变压器绕组W1两端的电压为上正下负,与其耦合的绕组W2两端的电压也上正下负。VD1处于通态,VD2为断态、电感L的电流逐渐增长,直到t1时刻,S关断。
t1-t2时段,开关S断开,电感L通过VD2续流,VD1处于断态、电感L的电流逐渐下降,直到t2时刻,S开通。
S关断后变压器的励磁电流经绕组W3和VD3流回电源。
输出电压:Uo/Ui=nD ……(公式1)
(Uo为输出电压,Ui为输入电压,n为绕组W2和W1的匝数比)
变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位。
磁心复位过程:
Q1关断后到下一次再开通的一段时间内必须设法使励磁电流降到零,否则下一个开关周期中,励磁电流将在个周期结束时的剩余值基础上继续增加,并在以后的开关周期中依次累积起来,变得越来越大、从而导致变压器的励磁电感饱和。
输出滤波电感电流不连续时,输出电压将比公式(1)计算的值高,且随着负载减小而升高,在负载为零的极性情况下,UO=nUi。
(2)反激电路
(a)单端反激式变换器简图 (b)变压器原边与副边电流示意图
工作原理:
主功率开关管Q1的激励脉冲为高电平Q1导通,直流输入电压加在原边绕组NP两端,此时因副边绕组相位是上负下正,使整流管D1反向偏重而截止;
当驱动脉冲为低电平Q1截止,原边绕组NP两端电压极性反向,使副边绕组相位变为上正下负,则整流管被正向偏置而导通,此后储存在变压器中的磁能向负载传递释放。因单端反激式变换器只是在原边开关管导通期间储存能量,当它截止时才向负载释放能量,故高频变压器在开关工作过程中,既起变压隔离作用,又是电感储能元件。因此又称单端反激式变换器是一种“电感储能式变换器”(简称“电感变换器”)。
反激式电路有电流连续和电流断续两种工作模式。值得注意的是,反激型电路工作于电流连续模式,变压器磁心的利用率会显著下降,因此实际使用中,通常避免该电路上作于电流连续模式。
反激型电路电流连续时的工作模式
反激型电路的变压器起着储能元件的作用,可以看成是一对相互耦合的电感。
电感电流连续工作时输出电压:Uo=UiN2ton/(N1toff) ……(公式2)
电感电流断续工作时输出电压比上式高。
(3) 半桥电路
A.半桥型电路有电感电流连续和电流断续两种工作模式。
B.脉冲变压器的初级绕组两端分别接在C1和C2以及S1和S2的连接点。C1和C2的分压为Ui/2。
C.半桥型电路工作于电流连续模式时,一个开关周期内电路经历4个开关状态。
工作原理
S1和S2交替导通,脉冲变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。S1和S2断态时承受的电压为Ui。
t0-t1时段,开关状态1,S1通,二极管VD1通,电感电流流经变压器绕组W2、二极管VD1、滤波电容C及负载R,电感电流增长。
t1-t2时段,开关状态2,所有开关都处于断态,变压器绕组W1中的电流为零,根据变压器的磁动势方程,W2和W2’中的电流大小相等、方向相反,VD1和VD2都导通,每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。
t2-t3时段,开关状态3,S2通,二极管VD2通,电感电流流经变压器绕组W2’、二极管VD2、滤波电容C及负载R,电感电流增长。
t3-t4时段,开关状态4,同t1-t2时段。
由于电容的隔直作用,半桥型电路对于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次次电压的直流分量有自动平衡作用,因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题。
为了避免上下两开关在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏外关,每个开关各自的占空比不能超过50%,并应留有裕量。
由于电容的隔直作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。
电感电流连续时,输出电压 U0=UiN2ton/(N1T)
电感电流不连续时,输出电压将高于上式计算值,并随着负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,Uo=N2Ui/(2N1)。
(4) 全桥电路
工作过程
全桥逆变电路中,互为对角的两个开关同时导通,同一侧半桥上下两开关交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压。
当S1与S4开通后,二极管VD1和VD4处于通态,电感L的电流逐渐上升;
S2与S3开通后,二极管VD2和VD3处于通态,电感L的电流也上升。
当4个开关都关断时,4个二极管都处于通态,各分担一半的电感电流,电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。
如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称,则交流电压uT中将含有直流分量,会在变压器一次侧产生很大的直流 分量,造成磁路饱和,因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生,也可以在一次侧回路串联一个电容,以阻断直流电流。
滤波电感电流连续时,输出电压:Uo=2tonUiN2/(N1T)
不连续时,输出电压将高于上式计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,Uo=N2Ui/N1。
(5) 推挽电路
工作原理:
A 有电感L电流连续和断续两种工作模式。
B 推挽型电路工作于电流连续模式时,在一个开关周期内电路经历4个开关状态。
C 两个开关S1和S2交替导通,在绕组W1和W1’两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通时,二极管VD1处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态,当两个开关都关断时,二极管VD1和VD2都处于通态,各分担电感电流的一半,S1或S2导通时,电感L的电流逐渐上升;两个开关都关断时,电感L的电流逐渐下降。S1和S2关断时承受的峰值电压均为2Ui。
DS1和S2同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免两个开关同时导通。
t0-t1时段,开关状态1,S1通,二极管VD1通,电感电流流经变压器绕组W2、二极管VD1、滤波电容C及负载R,电感电流增长。
t1-t2时段,开关状态2,所有开关都处于断态,变压器绕组W1中的电流为零,电感通过VD1和VD2续流,每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。
t2-t3时段,开关状态3,S2通,二极管VD2通,电感电流流经变压器绕组W2’、二极管VD2、滤波电容C及负载R,电感电流增长。
t3-t4时段,开关状态4,所有开关都处于断态,变压器绕组W1’中的电流为零,电感通过VD1和VD2续流,每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。
滤波电感L电流连续时:
输出电感电流不连续时,输出电压Uo将高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,
注意:推挽电路中占空比定义为:
三、重要考点
(一)选择题
1.单端正激式变换器的原边主功率开关管与副边整流管()。
A.当前者导通时,后者截止
B.当前者截止时,后者导通
C.同时导通或截止
D.开关状态相反
答案:C
2.设计0到100W开关电源的主电路时,一般选用()。
A.正激型电路 B.反激型电路 C.半桥型电路 D.全桥型电路
答案:B
(二)判断题
1.推挽变换器没有偏磁问题。 (错误)
2. 单端反激式电路工作于电流连续模式时,变压器磁心的利用率会显著下降。(正确)
页:
[1]