專利名稱：正激－反激合并式dc/dc隔離變換器的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種正激-反激合并式DC/DC隔離變換器，是一種直流開關(guān)電源技術(shù)，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
目前，應(yīng)用于開關(guān)電源的單端離線式DC/DC變換器有兩種一是反激變換器，二是正激變換器。反激變換器具有簡(jiǎn)單高效、易于并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)；但是存在整流二極管電流應(yīng)力和輸出電壓紋波較大，電壓和負(fù)載調(diào)整率低的不足。所以一般只應(yīng)用于小功率(如150W以下)和較高輸出電壓的場(chǎng)合。正激變換器具有輸出功率大、電流應(yīng)力小、低紋波和高調(diào)整率等優(yōu)點(diǎn)；但是需要磁芯復(fù)位，整流二極管電壓應(yīng)力高，小負(fù)載工作不利。故一般應(yīng)用于低壓、大電流、功率較大的場(chǎng)合。另外，此兩種單端式變換器還有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是磁芯利用率低功率密度較小，即變壓器只在開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的一種模態(tài)下向負(fù)載輸出能量。
本實(shí)用新型的目的是，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種正激-反激合并式DC/DC隔離變換器，采用單只開關(guān)管實(shí)現(xiàn)雙端式輸出，即次級(jí)繞組正激-反激交替工作，提高功率密度；兼有正激和反激變換器的優(yōu)點(diǎn)，整流二極管電壓和電流應(yīng)力均較小，紋波降低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提高，并且不需要磁芯復(fù)位電路。
本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)根據(jù)下述原理。
1、由基本的PWM變換器——Buck-Boost變換器推演，再增加隔離環(huán)節(jié)，則得出一種廣泛應(yīng)用的變換器——反激變換器(Flyback converter)，如圖1所示。開關(guān)管VQ與快速二極管VD工作相位相反。當(dāng)VQ導(dǎo)通時(shí)VD阻斷，變壓器原邊繞組Np電流增加而儲(chǔ)能；當(dāng)VQ關(guān)斷時(shí)VD導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)能經(jīng)副邊繞組Ns輸出。電容C起儲(chǔ)能濾波作用。
2、由Buck(降壓型)變換器與單端隔離變壓器結(jié)合，可得出另一種典型的變換器——正激變換器(Forward converter)，如圖2所示。這是一個(gè)原邊和副邊同時(shí)工作的線路，即VQ與VD1工作相位相同，L和VD2起續(xù)流作用。由于原邊繞組Np通過的是單向脈動(dòng)電流，一個(gè)實(shí)用的正激變換器電路，必須采取措施，使變壓器磁芯復(fù)位，從而得到一批變形電路(可參見開關(guān)電源方面的書籍)。常用的復(fù)位方案是加入初級(jí)復(fù)位繞組Npr和二極管VDr(見圖2)。
三
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述原理，本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的一種正激-反激合并式DC/DC隔離變換器，如圖3所示。其主電路由開關(guān)管VQ、隔離變壓器T、次級(jí)整流濾波電路(1)和初級(jí)緩沖網(wǎng)絡(luò)(2)構(gòu)成；隔離變壓器T有一個(gè)初級(jí)繞組Np和一套或多套次級(jí)繞組，每套次級(jí)繞組包括一個(gè)正激繞組Ns1和一個(gè)反激繞組Ns2。次級(jí)整流濾波電路(1)可以是一組或多組輸出，對(duì)應(yīng)變壓器T的一套或多套次級(jí)繞組；每組輸出由整流二極管(VD1、VD2)、緩沖二極管(VDr1、VDr2)、緩沖電容(Cr)、濾波電容(C0)、濾波電感(L0)構(gòu)成。初級(jí)緩沖網(wǎng)絡(luò)(2)可以是RCD網(wǎng)絡(luò)或LCD網(wǎng)絡(luò)。
該變換器各元器件的連接關(guān)系是隔離變壓器T的初級(jí)繞組Np的一端連接直流電源Vi的正極，Np的另一端連接開關(guān)管VQ的漏極(或稱集電極)；VQ的源極(或稱發(fā)射極)連接直流電源Vi的負(fù)極。隔離變壓器T的正激繞組Ns1的一端與反激繞組Ns2的非同名端相連作為輸出端子②，Ns1的另一端接整流二極管VD1的陽(yáng)極，Ns2的另一端接整流二極管VD2的陽(yáng)極和緩沖二極管VDr1的陽(yáng)極；緩沖二極管VDr1的陰極接VDr2的陽(yáng)極和緩沖電容Cr的正極，Cr的負(fù)極接輸出端子②；整流二極管VD1、VD2的陰極和緩沖二極管VDr2的陰極相連并且接濾波電感L0的一端。濾波電感L0的另一端接濾波電容C0的正極并作為輸出端子①，C0的負(fù)極接輸出端子②。輸出端子①、②作為該組輸出與負(fù)載的連接端。
1、該變換器的主要電量關(guān)系式1)、輸出電壓Vo與輸入電壓Vi、占空比D的關(guān)系設(shè)反激輸出和輸出濾波電感均工作于電流連續(xù)模式，則正激、反激時(shí)次級(jí)輸出電壓Vsec1、Vsec2以及輸出電壓Vo分別為Vsec1＝Vi·n1-VD(1)Vsec2=Vi·n2·D1-D-VD---(2)]]>Vo＝Vsec1·D+Vsec2·(1-D)＝(n1+n2)·D·Vi-VD(3)式中Vsec1、Vsec2——分別為正激、反激時(shí)的次級(jí)整流輸出電壓；Vo——輸出電壓；Yi——輸入電壓；VD——整流二極管VD1、VD2的導(dǎo)通壓降；D——開關(guān)管VQ導(dǎo)通占空比；n1、n2——分別為正激、反激繞組與初級(jí)繞組的匝比。
可見，該變換器具有Buck型派生隔離雙端變換器的特征，輸出電壓Vo與占空比D成線性關(guān)系。
2)、最大導(dǎo)通占空比DMax的約束條件定義正激、反激輸出的能量比m為m=Po1Po2---(4)]]>式中Po1、Po2——分別為正激、反激繞組輸出能量。忽略二極管壓降VD時(shí)則有m=Po1Po2=Vsec1·DVsec2·(1-D)≈n1n2---(5)]]>由式(3)、(5)解得Vsec2=Vo(1-D)·(1+m)---(6)]]>為了減小反激時(shí)流過緩沖二極管VDr1、VDr2的電流，則應(yīng)使額定輸入電壓下，反激繞組的電流下降率等于濾波電感Lo的電流下降率，即Vo-Vsec2(e)Lo=Vsec2(e)+VDLs2---(7)]]>式中Ls2——反激繞組的電感量。同時(shí)還應(yīng)滿足在最大占空比DMax(對(duì)應(yīng)于最低輸入電壓、最大輸出電流)時(shí)，反激輸出電壓不高于輸出電壓Vo，即；Vsec2(Max)≤Vo(8)由式(6)、(8)解得最大導(dǎo)通占空比DMax的約束條件為DMax≤m(1+m)---(9)]]>一般情況下，可取m＝1～1.5。
3)、輸出整流二極管的反向電壓應(yīng)力VVD正激輸出時(shí)，整流二極管VD2的反向電壓應(yīng)力VVD2為VVD2＝(n1+n2)·Vi(10)反激輸出時(shí)，整流二極管VD1的反向電壓應(yīng)力VVD1為VVD1=(n1+n2)·Vi·D1-D---(11)]]>故，輸出整流二極管VD1、VD2的反向電壓應(yīng)力最大值VVD(Max)為
VVD(Max)=(n1+n2)·Vi·MAX[1,D1-D]---(12)]]>=(Vo+VD)·MAX[1D,11-D]]]>式中MAX[…，…]——表示取其中的最大值。
可見，輸出整流二極管的反向電壓應(yīng)力與正激或反激變換器的相當(dāng)(正激或反激變換器的整流二極管電壓應(yīng)力為(Vo+VD)/D)，與橋式等雙端變換器采用全波整流時(shí)相比，整流二極管電壓應(yīng)力降低約一半。
4)、輸出濾波電感的正、負(fù)伏秒積的絕對(duì)值ETM經(jīng)推導(dǎo)得出，輸出濾波電感的正、負(fù)伏秒積的絕對(duì)值ETM為ETM=|Vo-Vsec2|·(1-D)·Ts]]>=|m1+m-D|·Vo·Ts]]>可見，該正激-反激合并式變換器的輸出濾波電感正、負(fù)伏秒積的絕對(duì)值遠(yuǎn)小于正激變換器(正激變換器的輸出濾波電感正、負(fù)伏秒積的絕對(duì)值為(1-D)VoTs)。即正激-反激合并式變換器可以大大降低輸出電流、電壓的紋波，同樣紋波指標(biāo)下，可以減小輸出濾波電感值與體積，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
2、該變換器的主要參數(shù)設(shè)計(jì)步驟1)、確定正激、反激輸出的能量比m和最大導(dǎo)通占空比DMax。
2)、確定額定占空比De。
所謂額定占空比是指額定輸入、輸出電壓、額定負(fù)載時(shí)的開關(guān)管導(dǎo)通占空比。由式(3)可得De與DMax的關(guān)系為De=Vi(min)Vi(e)·DMax]]>式中Vi(min)——輸入電壓的最小值；Vi(e)——輸入電壓的額定值。
3)、確定正激繞組、反激繞組與初級(jí)繞組的匝比n1、n2。
由式(3)、(5)解得n2=Vo+VD(1+m)·De·Vi(e)n1=m·n2---(15)]]>4)、確定輸出濾波電感Lo。
為了工作于電流連續(xù)模式，輸出濾波電感Lo應(yīng)滿足下列條件
(Vo-Vsec2)·(1-D)2Lo·fs≤Io=PoVo---(16)]]>即Lo≥Vo22Po·fs[m1+m-Dmin]---(17)]]>一般情況下可取Lo=(1~2.5)·Vo2Pe·fs[m1+m-Dmin]---(18)]]>式中Po——輸出功率；Pe——額定輸出功率；Dmin——開關(guān)管導(dǎo)通占空比最小值；fs——開關(guān)頻率。
5)、確定反激繞組的電感量Ls2。
由式(6)、(7)解得Ls2=1-VDVo(1+m)·(1-De)(1+m)·(1-De)-1·Lo---(19)]]>6)、確定初級(jí)繞組的電感量Lp及匝數(shù)Np。
Lp＝Ls2/n22(20)由于變壓器的勵(lì)磁電流是初級(jí)繞組中的反激電流分量，而正激電流分量不影響磁通。所以，初級(jí)繞組的匝數(shù)可根據(jù)反激峰值電流確定。初級(jí)繞組中的反激電流分量的峰值Ip2(M)為Ip2(m)=n2·Io(M)·(1-Dmin)Dmin·η2+Vi·D2LP·fs]]>=n2·Io(M)·(1-Dmin)Dmin·η2+Vo+VD2(n1+n2)·Lp·fs---(21)]]>式中Io(M)——負(fù)載電流最大值；η2——反激輸出的效率。
則初級(jí)繞組的匝數(shù)Np為Np=Lp·IP2(M)Ae·BM---(22)]]>式中Ae——變壓器磁芯的有效截面積；BM——變壓器磁芯的最大工作磁通。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)越性①該變換器單只開關(guān)管即實(shí)現(xiàn)了雙端式隔離輸出，不需要磁芯復(fù)位電路。與正激或反激變換器相比，提高功率密度近一倍；②該變換器與橋式等雙端變換器采用全波整流時(shí)相比，整流二極管的電壓應(yīng)力降低約一半。
③該變換器可以大大降低輸出電流、電壓的紋波；同樣紋波指標(biāo)下，可以減小輸出濾波電感值與體積，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
四

圖1為反激變換器電路圖；圖2為正激變換器電路圖；圖3為正激-反激合并式DC/DC隔離變換器的主電路圖；在圖1中，Vs——輸入電源；VQ——開關(guān)管；Np、Ns——開關(guān)變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)(反激)繞組；VD——整流二極管；C——濾波電容。
在圖2中，Vs——輸入電源；VQ——開關(guān)管；Np、Ns——開關(guān)變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)(正激)繞組；Npr——開關(guān)變壓器的復(fù)位繞組；VD1、VD2——整流二極管；VDr——復(fù)位二極管；L——濾波電感；C——濾波電容。
在圖3中，VQ——開關(guān)管；T——隔離變壓器；Np——隔離變壓器T的初級(jí)繞組；Ns1、Ns2——隔離變壓器T的正激繞組和反激繞組；VD1、VD2——整流二極管；VDr1、VDr2——緩沖二極管；Cr——緩沖電容；Co——濾波電容；Lo——濾波電感；1——次級(jí)整流濾波電路；2——初級(jí)緩沖網(wǎng)絡(luò)，這里采用LCD網(wǎng)絡(luò)。
五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖以最佳實(shí)施例詳述本實(shí)用新型。
如圖3所示，一種正激-反激合并式DC/DC隔離變換器，其主電路由開關(guān)管(VQ)、隔離變壓器(T)、次級(jí)整流濾波電路(1)和初級(jí)緩沖網(wǎng)絡(luò)(2)構(gòu)成；隔離變壓器(T)有一個(gè)初級(jí)繞組(Np)和一套次級(jí)繞組，次級(jí)繞組包括一個(gè)正激繞組(Ns1)和一個(gè)反激繞組(Ns2)。次級(jí)整流濾波電路(1)由整流二極管(VD1、VD2)、緩沖二極管(VDr1、VDr2)、緩沖電容(Cr)、濾波電容(Co)、濾波電感(Lo)構(gòu)成。初級(jí)緩沖網(wǎng)絡(luò)(2)采用LCD網(wǎng)絡(luò)。
該變換器各元器件的連接關(guān)系是隔離變壓器(T)的初級(jí)繞組(Np)的一端連接直流電源(Vi)的正極，(Np)的另一端連接開關(guān)管(VQ)的漏極(或稱集電極)；(VQ)的源極(或稱發(fā)射極)連接直流電源(Vi)的負(fù)極。隔離變壓器(T)的正激繞組(Ns1)的一端與反激繞組(Ns2)的非同名端相連作為輸出端子②，(Ns1)的另一端接整流二極管(VD1)的陽(yáng)極，(Ns2)的另一端接整流二極管(VD2)的陽(yáng)極和緩沖二極管(VDr1)的陽(yáng)極；緩沖二極管(VDr1)的陰極接(VDr2)的陽(yáng)極和緩沖電容(Cr)的正極，(Cr)的負(fù)極接輸出端子②；整流二極管(VD1、VD2)的陰極和緩沖二極管(VDr2)的陰極相連并且接濾波電感(Lo)的一端。濾波電感(Lo)的另一端接濾波電容(Co)的正極并作為輸出端子①，(Co)的負(fù)極接輸出端子②。輸出端子①、②作為該組輸出與負(fù)載的連接端。
主電路參數(shù)為m＝1.5，DMax＝0.5，De＝0.4，Dmin＝0.33，fs＝10kHz；Po＝90W，Vo＝18V，Io＝5A，Lo(M)＝1.5Io，VD＝0.5V，Vi＝300V±20％，η2＝0.85；n2＝0.0617，n1＝0.0925，Lo＝20μH，Ls2＝38.3μH，Lp＝5.25μH，Ip2(M)＝1.2A。
權(quán)利要求1.一種正激-反激合并式DC/DC隔離變換器，其主電路由開關(guān)管(VQ)、隔離變壓器(T)、次級(jí)整流濾波電路(1)和初級(jí)緩沖網(wǎng)絡(luò)(2)構(gòu)成；隔離變壓器(T)有一個(gè)初級(jí)繞組(Np)和一套或多套次級(jí)繞組；次級(jí)整流濾波電路(1)可以是一組或多組輸出，對(duì)應(yīng)隔離變壓器(T)的一套或多套次級(jí)繞組；初級(jí)緩沖網(wǎng)絡(luò)(2)可以是RCD網(wǎng)絡(luò)或LCD網(wǎng)絡(luò)；輸出端子①、②作為該組輸出與負(fù)載的連接端；其特征是隔離變壓器(T)的每套次級(jí)繞組包括一個(gè)正激繞組(Ns1)和一個(gè)反激繞組(Ns2)，次級(jí)整流濾波電路(1)的每組輸出由整流二極管(VD1、VD2)、緩沖二極管(VDr1、VDr2)、緩沖電容(Cr)、濾波電容(C0)、濾波電感(L0)構(gòu)成；各元器件的連接關(guān)系為隔離變壓器(T)的初級(jí)繞組(Np)的一端連接直流電源(Vi)的正極，初級(jí)繞組(Np)的另一端連接開關(guān)管(VQ)的漏極或稱集電極；開關(guān)管(VQ)的源極或稱發(fā)射極連接直流電源(Vi)的負(fù)極；隔離變壓器(T)的正激繞組(Ns1)的一端與反激繞組(Ns2)的非同名端相連作為輸出端子②，正激繞組(Ns1)的另一端接整流二極管(VD1)的陽(yáng)極，反激繞組(Ns2)的另一端接整流二極管(VD2)的陽(yáng)極和緩沖二極管(VDr1)的陽(yáng)極；緩沖二極管(VDr1)的陰極接緩沖二極管(VDr2)的陽(yáng)極和緩沖電容(Cr)的正極，緩沖電容(Cr)的負(fù)極接輸出端子②；整流二極管(VD1、VD2)的陰極和緩沖二極管(VDr2)的陰極相連并且接濾波電感(L0)的一端，濾波電感(L0)的另一端接濾波電容(C0)的正極并作為輸出端子①，濾波電容(C0)的負(fù)極接輸出端子②。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種正激－反激合并式DC/DC隔離變換器，其主電路由開關(guān)管(VQ)、變壓器(T)、整流濾波電路(1)和緩沖網(wǎng)絡(luò)(2)構(gòu)成。變壓器(T)有一個(gè)初級(jí)繞組(N
文檔編號(hào)H02M3/28GK2917083SQ20052013223
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者張焱植 申請(qǐng)人:周春香