功率电子学课件-输入输出滤波器.pdf

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1、第四部分：直流第四部分：直流/直流变换技术直流变换技术 1 DC/DC变换器的电路拓扑分析变换器的电路拓扑分析 2 直接式直接式DC/DC变换器变换器 3 间接式间接式DC/DC变换器变换器 4 输入输出滤波器设计输入输出滤波器设计 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 一、直流一、直流/直流变换电路直流变换电路 4 输入输出滤波器设计输入输出滤波器设计 4.1直接变换器的直接变换器的filter设计设计 a） 假设） 假设1：L，i20， 得到， 得到 i1电流纹波 的分析模型 电流纹波 的分析模型 假设假设2:C很大，所有纹波电流流过很大，所有纹波电流流过C ec ii= 根据允许的纹波

2、确定根据允许的纹波确定 1 1 11 )1 ( 1 /ITD ZC Zvi C = 1 1 1 1 i I T Z D C ec ii= 2 )1 (ID DT v C C = 12 )1 ( 1 )1 ( 1 ITD C TIDD C vC= Z1中的纹波电流是由中的纹波电流是由C的纹波电压引起的的纹波电压引起的 电源内阻抗 允许的输入电流脉动允许 电源内阻抗 允许的输入电流脉动允许vcC C很大，所有纹波电流流过CC很大，所有纹波电流流过C b)认为认为C无穷大，得到无穷大，得到电压纹波分析模型电压纹波分析模型 2 2 2 Z v i = TZD v V L 2 2 2 )1 ( 1 2

3、)1 (VD DT i L= 12 )1 ( 1 TVDD L i= L TVD 2 )1 ( = 负载阻抗 允许的输出电压脉动允许 负载阻抗 允许的输出电压脉动允许i2L 电源内阻抗 允许的输入电流脉动允许 电源内阻抗 允许的输入电流脉动允许vcC 负载阻抗 允许的输出电压脉动允许 负载阻抗 允许的输出电压脉动允许i2L ?建立建立v2电压纹波分析模型电压纹波分析模型 ?建立建立i1电流纹波的分析模型电流纹波的分析模型 分析方法分析方法 How to Select a Suitable dc/dc Converters Questions - Input: 60VDC; - Output:

4、48VDC/10A; - Switching frequency: 100kHz. Please design a dc/dc converter, determine 1) the voltage and current stress on the power switch, and 2) the voltage and current stress on the the diode. Given the ripple current of the filter inductance 20%Iomax. 引引 AIII LfDQ 11 maxmaxmax = Buck: 60Vin; 48V

5、out/10A on T s T0 off T t t t t vbe iLf iQ ILfmax ILfmin Io ILfmax ILfmin ILfmax ILfmin iD Q Vin Lf Cf RLd Vo + - D off Lf fo T i LV = 20%Iomax= 2A D=Vo/Vin=0.8 Toff=(1-D)Ts=2us Lf=48uH ALTVi foffoLf 4 . 8= A III LfDQ 2 . 14 2 4 . 8 10 maxmaxmax =+= = Buck: 300Vin; 48Vout/10A on T s T0 off T t t t t

6、 ILfmax ILfmin Io ILfmax ILfmax ILfmin ILfmin vbe iLf iQ iD Q Vin Lf Cf RLd Vo + - D D=Vo/Vin=0.16 Toff=(1-D)Ts=8.4us Problems: ?The current ripple becomes larger; ?The switching devices suffer high voltage; ?Duty cycle is too small. ?The input is not isolated with the output. Buck: Comparison of Di

7、fferent Input Voltage Q Vin Lf Cf RLd Vo + - D t t t t vbe iLf iQ Io iD Answer: The input voltage is not so matched with the output voltage. ? 第四部分：直流第四部分：直流/直流变换技术直流变换技术 1 DC/DC变换器的电路拓扑分析变换器的电路拓扑分析 2 直接式直接式DC/DC变换器变换器 3 间接式间接式DC/DC变换器变换器 4 输入输出滤波器设计输入输出滤波器设计 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 一、直流一、直流/直流变换电路直流变换电

8、路 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 5.2 隔离间接变换器隔离间接变换器 5.3 变压器副边漏感的影响变压器副边漏感的影响 5.4 多路输出多路输出dc/dc变换器变换器 5.5 直流变换器的控制方案直流变换器的控制方案 5.6 多重化多重化dc/dc变换器变换器 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导 （ ）电路拓扑的推导 （2）磁化电感的储能释放）磁化电感的储能释放 ?单端正激变换器的工作原理单端正激变换器的工作原理 ?单端正激变换器的参数关系单端正激变换器的参数关系 ?RCD缓冲电路

9、缓冲电路 ?有源钳位正激变换器原理有源钳位正激变换器原理 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器 （ 隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导）电路拓扑的推导 （2）磁化电感的储能释放）磁化电感的储能释放 ?单端正激变换器的工作原理单端正激变换器的工作原理 ?单端正激变换器的参数关系单端正激变换器的参数关系 ?RCD缓冲电路缓冲电路 ?有源钳位正激变换器原理有源钳位正激变换器原理 隔离变压器与铁芯磁通隔离变压器与铁芯磁通 ?变压器工作情况：变压器工作情况： u1 u2 ?电压和磁通满足：电压和磁通满足： ?当电压为正时，磁通增长 当电压为负时，磁通减小 当电压为正时，磁通增

10、长 当电压为负时，磁通减小 ?变压器的设计变压器的设计:保证一周期 内磁通变化量为零！ 保证一周期 内磁通变化量为零！ T 0 u1u2 2 t t u1 0 02t u2 d uN dt = 复位：每个周期开始，B回到起始点复位：每个周期开始，B回到起始点 变压器磁复位的必要性变压器磁复位的必要性 ?在晶体管导通时，输入电流 包含负载电流折射分量 在晶体管导通时，输入电流 包含负载电流折射分量i2和 磁化电流分量 和 磁化电流分量im ?磁化电流将能量储存在变压 器磁芯中 磁化电流将能量储存在变压 器磁芯中 ?问题：问题： 当晶体管关断时，没有磁场 泄放回路，会造成过大的电 压应力，危害功率

11、器件 当晶体管关断时，没有磁场 泄放回路，会造成过大的电 压应力，危害功率器件; 仅有单方向磁通变化，无法 去磁，磁通会饱和。 仅有单方向磁通变化，无法 去磁，磁通会饱和。 3 D1 N 2 N L vp t 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导）电路拓扑的推导 ?脉动电压点脉动电压点 ?分割电路分割电路 ?加变压器加变压器 变压器两端必须是脉动电压，且无直流磁化变压器两端必须是脉动电压，且无直流磁化 变换器的推导变换器的推导 D2 Lf Cf RLd Vin Q1 D1 Reset Circuit * vp + _ vp t vp t ?BUCK ?带变压器隔离带变压器

12、隔离BUCK ?带磁复位正激式变换器带磁复位正激式变换器 ?加整流二极管加整流二极管 输入输出间 无法隔离 磁场能量没 有通路 磁场能量没 有通路 D2 Lf Cf RLd Vin Q1 D1 Reset Circuit * vp + _ D1 D2 Lf Cf RLd Vin Q1 * vp + _ Reset Circuit Another Form of Forward Converter 单端正激变换器单端正激变换器 Dn V V = 1 2 （2）磁化电感的储能释放 单端正激变换器存在磁化能量的复位问题 ）磁化电感的储能释放 单端正激变换器存在磁化能量的复位问题 ?附加绕组附加绕组

13、?有源钳位有源钳位 ?RCD 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导）电路拓扑的推导 （2）磁化电感的储能释放）磁化电感的储能释放 ?附加绕组单端正激变换器的工作原理附加绕组单端正激变换器的工作原理 ?附加绕组单端正激变换器的参数关系附加绕组单端正激变换器的参数关系 ?RCD缓冲电路缓冲电路 ?有源钳位正激变换器原理有源钳位正激变换器原理 D3 带附加绕组的单端正激变换器带附加绕组的单端正激变换器 D1 D2 Lf Cf RLd Vin Q1 * vp + _ * W3 in V in V W W 3 1 p v 3W i on T

14、r T0 B A s T t t t Q ON iL线性线性 2 1 Lf iof di N UUL Ndt = 2 12 1 L mm iN iiii N =+=+ 变压器被正向磁化，变压器被正向磁化， 1 iON ON U T N = ?类似Buck类似Buck 1i d UN dt = m im di UL dt = 1 i mon U iT L = 工作原理工作原理 Q OFF1： 磁化电感能量不能突变，同名端为负磁化电感能量不能突变，同名端为负,D1 off D2导通，导通，磁化电感能量经复位绕组流通返回电 源 磁化电感能量经复位绕组流通返回电 源,变压器被磁复位变压器被磁复位 D3

15、导通，为电感电流续流导通，为电感电流续流 b _ _ + + Ui Uo Q ub 1 D RL + + _ _ 2 D 3 D 3 N 1 N 2 N L C 工作原理工作原理 Q Off1： Lf of di UL dt = 副边类似于副边类似于Buck， iL经经D3续流，线性续流，线性 3 i OFR U T N = 磁复位时间磁复位时间TR Q的耐压：的耐压： 1 3 ii N UU N + OFON = 3i d UN dt = 工作原理工作原理 变压器磁复位结束变压器磁复位结束，D2off, 变压器各绕 组电压为 变压器各绕 组电压为0，变压器磁通不变。，变压器磁通不变。 Q O

16、ff2 Lf of di UL dt = 副边副边iL L仍经D仍经D3 3续流，线性续流，线性 Q的耐压：的耐压： i U 工作原理工作原理 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导）电路拓扑的推导 （2）磁化电感的储能释放）磁化电感的储能释放 ?附加绕组单端正激变换器的工作原理附加绕组单端正激变换器的工作原理 ?附加绕组单端正激变换器的参数关系附加绕组单端正激变换器的参数关系 ?RCD缓冲电路缓冲电路 ?有源钳位正激变换器原理有源钳位正激变换器原理 数量关系 输出电压数量关系 输出电压 Q ON时时: D1导通，传递能量导通，传递能

17、量 Q OFF时时: D1截止，磁复位，截止，磁复位，D3续流续流 3 D L 输出滤波电感：电感电流上升与下 降量相等 输出滤波电感：电感电流上升与下 降量相等 2 2 1 oi N UDuDU N = onoff TR TOFF 1)变压器变压器: 磁化与去磁磁化与去磁 回零回零 TR0.5，但晶体管承受耐压也提高；，但晶体管承受耐压也提高； 通常通常N3N1，Dmax=0.5， UQ=2Ui； ； 为了使从将导通期间存储于磁场中的能量全部返回电 源， 为了使从将导通期间存储于磁场中的能量全部返回电 源，N1必须与必须与N3紧密耦合，通常采用并绕；紧密耦合，通常采用并绕； 复位工作时，通过

18、复位绕组复位工作时，通过复位绕组N3的电流较小（仅反映激磁 电流分量），一般为一次侧电流的 的电流较小（仅反映激磁 电流分量），一般为一次侧电流的5%-10%，所以其线 径设计可适量减小 ，所以其线 径设计可适量减小 数量关系数量关系变压器复位绕组匝数变压器复位绕组匝数 1 13 N D NN + 1 3 (1) Qi N UU N =+ 2 1 oi N UDU N = CCM正激变换器工作特点正激变换器工作特点 一般工作在一般工作在CCM，对于开环工作系统，输出接假负 载，保证轻载时也工作在电流连续状态 ，对于开环工作系统，输出接假负 载，保证轻载时也工作在电流连续状态 副边电流连续，电流

19、峰值小，变压器铜损小，温升 低，铁芯小 副边电流连续，电流峰值小，变压器铜损小，温升 低，铁芯小 原边电流峰值小，主管器件电流额定值相对较低原边电流峰值小，主管器件电流额定值相对较低 输出电流连续，电容电流纹波电流小，电容设计相 对容易 输出电流连续，电容电流纹波电流小，电容设计相 对容易 输出侧有电感，所以输出电压脉动小输出侧有电感，所以输出电压脉动小 器件相对较多，价格相对较贵器件相对较多，价格相对较贵 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导）电路拓扑的推导 （2）磁化电感的储能释放）磁化电感的储能释放 ?附加绕组单端正激变换器的

20、工作原理附加绕组单端正激变换器的工作原理 ?附加绕组单端正激变换器的参数关系附加绕组单端正激变换器的参数关系 ?RCD缓冲电路缓冲电路 ?有源钳位正激变换器原理有源钳位正激变换器原理 Forward Converters with RCD Snubber C C Q1on：V1，DT Q1off：V1Vc，（，（1D)T 1max1max ()(1) C V DTVVDT= 1 max 1 C V V D = RCDRCD 2 C on V T R = 磁化能量 * * Cs V1 Tr D1 D2 Lf Cf RLd Q1 Dc Cc ip Tr D1 Lf Cf RLd * * Cs Vi

21、n D2 Q1 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导）电路拓扑的推导 （2）磁化电感的储能释放）磁化电感的储能释放 ?附加绕组单端正激变换器的工作原理附加绕组单端正激变换器的工作原理 ?附加绕组单端正激变换器的参数关系附加绕组单端正激变换器的参数关系 ?RCD缓冲电路缓冲电路 ?有源钳位正激变换器原理有源钳位正激变换器原理 * * Cs Vin Tr D1 D2 Lf Cf RLd Q1 Qc Dc Cc vcc + _ icc ip Active Clamp Forward Converter Tr D1 Lf Cf RLd *

22、* Cs Vin D2 Q1 * * Cs Vin Tr D1 D2 Lf Cf RLd Q1 Qc Dc Cc ip /(1) cd VDVD= /(1) cd VVD= in V Cc V Cs vB A p i M i )(+M I1D i 1 Q c Q 1 t 2 t 0 t 3 t 4 t 5 t 6 t Cc i 7 t t t t t t t Operation Principle: t0 , t1 Tr D1 * * Cs D2 Q1 Io Vcc Vin Tr D1 * * Cs D2 Q1 Io Vcc Vin in V Cc V Cs vB A p i M i )(+M

23、 I1D i 1 Q c Q 1 t 2 t 0 t 3 t 4 t 5 t 6 t Cc i 7 t t t t t t t Operation Principle: t1 , t2 励磁电流达到正向最大励磁电流达到正向最大 值值 Tr D1 * * Cs D2 Q1 Io Vcc Vin in V Cc V Cs vB A p i M i )(+M I1D i 1 Q c Q 1 t 2 t 0 t 3 t 4 t 5 t 6 t Cc i 7 t t t t t t t Operation Principle: t2 , t3 励磁电感与结电容Cs谐振工作 原边电流为励磁电流 Tr D1

24、 * * Cs D2 Q1 Io Vcc Vin in V Cc V Cs vB A p i M i )(+M I1D i 1 Q c Q 1 t 2 t 0 t 3 t 4 t 5 t 6 t Cc i 7 t t t t t t t Operation Principle: t3 , t4 t4时刻，励磁电流下降到零 Tr D1 * * Cs D2 Q1 Io Vcc Vin in V Cc V Cs vB A p i M i )(+M I1D i 1 Q c Q 1 t 2 t 0 t 3 t 4 t 5 t 6 t Cc i 7 t t t t t t t Operation Prin

25、ciple: t4 , t5 Qc是零电压关断 Tr D1 * * Cs D2 Q1 Io Vcc Vin in V Cc V Cs vB A p i M i )(+M I1D i 1 Q c Q 1 t 2 t 0 t 3 t 4 t 5 t 6 t Cc i 7 t t t t t t t Operation Principle: t5 , t6 Tr D1 * * Cs D2 Q1 Io Vcc Vin in V Cc V Cs vB A p i M i )(+M I1D i 1 Q c Q 1 t 2 t 0 t 3 t 4 t 5 t 6 t Cc i 7 t t t t t t t

26、 Operation Principle: t6 , t7 原边绕组电压/电流为零 励磁电流保持不变 * * Cs Vin Tr D1 D2 Lf Cf RLd Q1 Qc Dc Cc vcc + _ icc ip 1）变压器磁芯磁通自动复位）变压器磁芯磁通自动复位(reset)，无需另加复位措施；，无需另加复位措施； Active Clamp Forward Converter 3）箝位开关管实现零电压开关；）箝位开关管实现零电压开关； 2) 励磁电流双向流通，变压器双向对称磁化，磁芯在磁化曲线一、三象限运 行，提高了磁芯利用率。因此占空比可大于 励磁电流双向流通，变压器双向对称磁化，磁芯在

27、磁化曲线一、三象限运 行，提高了磁芯利用率。因此占空比可大于0.5，且开关管的电压应力低，适合于 输入电压范围比较宽的应用场合； ，且开关管的电压应力低，适合于 输入电压范围比较宽的应用场合； 4）励磁能量和漏感能量全部回馈到输入电源中。）励磁能量和漏感能量全部回馈到输入电源中。 5）主开关管硬开通。）主开关管硬开通。 5 隔离式隔离式DC/DC变换器变换器 5.1 隔离直接变换器隔离直接变换器 （1）电路拓扑的推导 （ ）电路拓扑的推导 （2）磁化电感的储能释放）磁化电感的储能释放 （3）双管正激直流变换器）双管正激直流变换器 （4）推挽）推挽DC/DC变换器 （ 变换器 （5）半桥、桥式隔

28、离）半桥、桥式隔离dc/dc变换器变换器 ?附加绕组附加绕组 ?有源钳位有源钳位 ? RCD ?双管同时通断，利用双管同时通断，利用D1 D2进行变压器磁复位。 无需额外复位电路，变压器设计简单。 进行变压器磁复位。 无需额外复位电路，变压器设计简单。 ?工作最大工作最大D=0.5。 ?电压额定值较低，电压应力电压额定值较低，电压应力Vin Vin Q1 * Q2 * Tr1 DR1 RLd Vo + - Lf DFW D1 D2 A （3) 双管正激直流变换器双管正激直流变换器 （4) 推挽推挽DC/DC变换器 两个正激变换器的交错运行 （一个用于铁芯磁化，一个为铁芯去磁） 变换器 两个正激

29、变换器的交错运行 （一个用于铁芯磁化，一个为铁芯去磁） 1b u 2b u 1 Q 2 Q 11 N 12 N 1 D 2 D _ _ + + 2 u i U T （5) 半桥、桥式隔离半桥、桥式隔离dc/dc变换器变换器 _ _ i U 2 u 1 Q 2 Q 2 D 1 D 1 C 2 C + + + + _ _ 1 N 2 N T i U 1 Q 3 Q 3 D 1 D + + _ _ 2 D 4 D 2 Q 4 Q o u 输入为交流时的正激变换器应用输入为交流时的正激变换器应用 ?交流输入侧加入二极管整流和电容滤波，即获得 平直流电压，作为正激变换器的输入 适用于适用于AC115/230V输入输入 ?用简单的切换开关即可将电路输入扩展到全球输 入制式 ?220V输入时即为普通二极管整流桥工作 ?115V输入时，正电压时给Ci1充电，负电压时给 Ci2充电，D2/D4不起作用 D1D2 D3D4