电源转换器的种类

电源转换器的种类 3、电源转换器的种类(TYPES OF POWER CONVERTERS) 3.0各类转换器定义与原理(DEFINITIONS AND DIMENSIONING) 虽然有很多作者与研究人员创造研究出很多种类的转换器电路，但是追根究底还是可归纳出三种最基本的电路出来，第一种称为“返驰式(flyback)”或者称为“buck-boost”型式，第二种称为“顺向式(forward)”或者称为“buck”型式，第三种称为“推挽式(push-pull)”或是称为“buck-derived”型式，在图3-1中，就是返驰式转换器的基本电路模型，其操作原理说明如下。 在图3-1 (a)中，当电路中的开关S关闭时，电流就会流经电感器L，并将能量储存于其中，由于电压极性的关系，二极体D是在逆向偏压状态，此时负载电阻RL上就没有电压输出，当开关S打开时，如图图3-1(b)所示，此时由于磁场的消失，电感器L呈逆向极性，二极体D为顺向偏压，环路中则有IC感应电流产生，因此负载R电压其极性正好与输入电压相反，由于开关ON/OFF的上的输出L 作用，使得电感器的电流交替地在输入与输出间，连续不断的改变其方向，不过这二者电流都是属于脉动电流形式，所以在buck-boost转换器电路中，当开关是在导通周期时，能量是储存于电感器里，反之，当开关是在打开(OFF)周期时，能量会转移至负载上。 在图3-2为顺向转换器基本电路型式，其操作原理说明如下，当开关S关闭时，电流就会顺向地流经电感器L，此时在负载上就会有带极性的输出电压产生，如图3-2(a)所示，由于输入电压极性的关系，二极体D此时是在逆向偏压状态。如图3-2(b)所示，当开关S打开时，电感器L会改变磁场，二极体D则为顺向偏压状态，因此在电容器C中就会有电流流过，因此在负载RL上输出电压的极 1 性仍是相同的，一般我们称此二极体D为“自由转轮(free-wheeling)”或“飞轮(flywheel)”二极体。 由于此种转换动作，使得输出电源是一种连续形式而非脉动电流形式，相对的由于开关S在ON/OFF之间改变，所以输入电流则为不连续形式，也就是所谓的脉动电流形式。 最后在图3-3中则为推挽式转换器的基本电路型式，其实它是由二个顺向转换器的电路所组成，操作于互相推挽的动作状态，开关S1与S2互相在ON/OFF状态间互相交换，此种电路一般也称 2 之为buck-derived。 3.1隔离返驰式转换器(THE ISOLATED FLYBACK CONVERTER) 在图3-1中的返驰式转换器，其输入与输出间，并没有安全的隔离装置，一般在转换式电源供给器里常用的隔离组件是变压器(transformer)。更正确的来说，虽然在电路图中出现是变压器形式，但是其动作状态却是扼流圈(choke)形式，因此我们亦可直呼为变压器-扼流圈(transformer-choke)。 在图3-4所示的电路为隔离返驰式转换器(isolated flyback converter)与其稳态的电路波形。电路的操作原理如下说明，当电晶体Q导通时，变压器的初‎‎级绕组渐渐地会有初级电流流过，并将能量1 储存于其中，由于变压器-扼流圈的输入与输出绕组，其极性是相反的，因此二极体被逆向偏压，此时没有能量转移至负载。 当电晶体不导通时，由于磁场的消失导致绕组的极性反向，此时二极体D会被导通，输出电容器C会被充电，负载RL上有IL电流流过。 3 由于此种隔离组件的动作就像是变压器与扼流圈，因此在返驰式转换器输出部分，就不需要额外的电感器了，但是在实际电路应用中，为了抑制高频的转换杂讯波尖，我们还是会在整流器与输出电容器之间加装小型的电感器。 3.1.1返驰式转换器交换电晶体(The Flyback Converter Switching Transistor) 在返驰式转换器中所使用的转换电晶体，必须考虑二个因素就是电晶体在OFF时的峰值集极电压大小与电晶体转换成ON时的峰值集极电流大小。此峰值集极电压乃电晶体在转换成OFF状态时，所需要承受的电压大小 Vin,V (3-1) maxCE1,,max 在此Vin为直流输入电压，δmax为最大工作周期。 因此公式3-1，就是告诉我们选择使用转换电晶体时，为了避免其受损坏，必须考虑的集极电压值大小。因此相对地工作周期就必须保持在低值范围，也就是<0.5δm，在实际的应‎‎用中，大都ax 是取δ.4，如此峰值集极电压就限制在VCE?2.2 V，所以非线上的返驰式转换器设计，其为max0.maxin 电晶体一般我们选择能有800V左右的工作电压即可。 另一项要设计选择的就是电晶体在ON时的集极工作电流，也就是 4 IL, (3-2) ICn 在此IL为变压器-扼流圈的初级峰值电流，n是初级对次级的圈数比。 我们亦可用转换器的输出功率与输入电压，来表示集极的峰值工作电流，其公式导出如下，在 扼流圈中能量转移的公式可表示如下式 2,,LIL,, (3-3) ,P,out,,2T,, 在此η(eta)为转换器的效率。 在变压器-电感器的电压可表示成 LdiV, (3-4) indt 如果我们假设di,I，而且1/dt,f /δ，则公式3-4可重写为 Lmax LIfL (3-5) ,Vin,max V,inmaxL或是 , (3-6) IfL 将公式3-6代入公式3-3中，我们可得到 2,,,VfI1Linmax,,P,,,,V,I outinmaxL,,22fIL,, 2PoutI,求解上式可得 (3-7) L,V,inmax 现在，再将公式3-7代入公式3-2中，就可得到电晶体的工作电流可用输出功率与输入电压来表示 P2outI, (3-8) C,V,inmax 在此假设转换器的效率为0.8(80%)，工作周期为δ,0.4(40%)，则公式3-8可简化为 max 6.2PoutI, (3-9) CVin 5 3.1.2返驰式转换器变压器,,扼流圈(The Flyback Converter Transformer-Choke) 由于返驰式转换器的变压器,,扼流圈，其仅在B-H特性曲线的单一方向来做转换运动，因此在设计变压器,,扼流圈时，不可设计于饱和工作状态，在第五章我们会有较详细的与设计。毫无疑问的所使用的铁心(core)，需有较大的体积并且有空气间隙(air gap)。 有效的变压器,,扼流圈的体积大小为 2IL,,maxL0eoutVolume (3-10) ,2Bmax 在此 I:由负载电流所决定 L.max μ:空气导磁率0 μ:铁心材料的相对导磁率(permeability) e B:铁心的最大磁通密度 max 我们在选择相对导磁率时，必须选择足够大，以避免铁心会有温度升高的情形发生，也由于对铁心与绕线尺寸大小的限制，因此会产生钢损失与铁心损失(copper and core losses)。 3.1.3基本返驰式转换器的变压型式(Variations of the Basic Flyback Converter) 其集极电压必当我们提到基本的返驰式电路时，转换电晶体在转换成不导通(turn-off)状态时，须承受至少二倍的输入电压。因此对商业上使用图3-5的电路，它是由二个电晶体所组成的返驰式转换器电路。此二个电晶体在ON或OFF状态时，会同时一起作用，二极体D1与D2的动作就如定位二极体(clamping diodes)能够限制电晶体的最大集极电压至V值，因此在选用电晶体时，就可采in 用耐集极电压值低的电晶体，但是线路就必须额外使，D用，D2Q这三个组件了。 21 6 使用返驰式电路的优点就是非常简单，因此对转换式电源供给器来说，它可达到多重输出的目的，此乃隔离组件对所有的输出，其动作状态就如一个共有的扼流圈。因此对每一个输出部份，仅需用到二极体与电容器即可，图3-6，就是一个实际的电路。 3.2隔离顺向式转换器(THE ISOLATED FORWARD CONVERTER) 乍看之下，隔离顺向式转换器(isolated forward converter)的电路与返驰式转换器的电路，似乎有几分相似，但是实际研究它，此二电路之间在原理操作上还是有明显的不同，在图3-7所示，就是基本的顺向式转换器电路，与电路波形。 7 由于顺向式转换器中所使用的隔离组件，乃是一个真正的变压器，因此为了获取正确有效的能量转移，必须在输出端有电感器，做为次级感应的能量储存组件。而变压器的初级绕组与次级绕组(primary and secondary windings)有相同之极性，如图中所示的圆圈符号，此电路的操作原理如下:当电晶体Q状态时，初级绕组渐渐会有电流流过，并将能量储存于其中，由于变压器次级绕于的1ON 组有相同的极性，此能量就会顺向转移至输出，且同时经由顺向偏压二极体D，储存于电感器L2 中，此时的二极体D3为逆向偏压状态。当电晶体QFF状态时，变压器的绕组电压会反向，转换成1O D2二极体此时就处于偏压的状况，此时飞轮二极体(flywheel diode) D3则为顺向偏压，在输出回路 8 上有导通电流流过，并经由电感器L，将能量传导至负载上。 变压器上的第三个绕组与二极体D在一起，可达到变压器消磁(demagnetization)作用，如互相串联1 此可避免当电晶体Q时，变压器的磁能会转回至输入直流汇流排上。在图3-7的波形中有黑色于1OFF 部份的区域，乃为磁化—消磁电流(magnetizing-demagnetizing current) TV,maxinI, (3-11) magL 在此Tδm电晶体ON时的周期，L为输出电感值(微亨利μH)。 为axQ1 3.2.1顺向式转换器交换电晶体(The Forward Converter Switching Transistor) 在图3-7中，由于变压器的第三个绕组与二极体D1的作用，因此Q1电晶体OFF时，其集极电 压被限制为 (3-12) V,2VCEmaxin 我们由波形中亦可得知集极的峰值电压，恰为2 VD1二极体在导通之时刻，其导通周期为Tδmain 。我们再来看看图中的波形，当电晶体在ON时，集极电流值的大小，就相当于返驰式转换器的集x 极电流值，再加上净磁化电流值，因此，集极的峰值电流，可写成下式 TV,ImaxinLI,， (3-13) CnL 在此 n:初级对次级的圈数比 I:输出电感器的电流，A L Tδmax:电晶体ON时的周期 L:输出电感器，μH 吾入得知 ,Vmaxin,V (3-14) outn nVoutV,可是 (3-15) in,max nTVIoutL,，I因此公式3-13可改写为 (3-16) CnL 假设磁化电流部份( nT V)/L与集极峰值电流比较下其值非常小，可予以忽略，此时IC电流值的大out 小就与3-1-1节所导出来的IC值相同 6.2PIoutLI,, (3-17) CnVin 9 3.2.2顺向式转换器变压器(The Forward Converter Transformer) 在设计顺向式转换器的变压器时，需多加留意选择适合的铁心大小与铁心的空气间隙，以防铁心被饱和了。在第五章里我们会有变压器的公式，来设计出适合的顺向式变压器。变压器的铁心大小为 2IL,,mag0eVolume (3-18) ,2Bmax nTVout,在此 I (3-19) magL 另外需注意的是电晶体开关δma期需保持低于百分之五十以下，如此当经由第三绕组变的工作周x 压器电压会被定位，而输入电压之间会有伏特—秒(volt-seconds)积分作用产生，当Q1电晶体ON时，定位于某一准位，当Q1电晶体OFF时，其值为零。如果工作周期大于百分之五十，也就是δ>0.5将会破坏伏特—秒(volt-seconds)积分作用的平衡，使得变压器趋于饱和状态，也会产生极高的集极电流波尖，而破坏了转换电晶体。 虽然变压器的第三绕组与二极体的定位动作，能够限制电晶体的集极峰值电压至二倍的输入直流电压，但是有一点需留意的是，在绕制变压器时，需将第三绕组与初级绕组紧密来绕制(使用双线绕法)，如此方可减少由漏电感产生的致命电压波尖。 3.2.3基本顺向式转换器的变化型式(Variations of the Basic Forward Converter) 如同在返驰式转换器的情况，由于输入电压过高，电晶体承受较大的耐压值，因此改用二个电晶体的变化型式，同理顺向式转换器亦可应用此种变化的型式，如图3-8电路所示，此二个电晶体开关会同时ON或OFF，但是电晶体上所承受的电压不会超过Vin以上。 顺向式转换器亦可应用于多重输出的电路中，不过在每一输出部份都需要有额外的二极体与扼 10 流圈。在此需注意的是飞轮二极体至少要与主要的整流二极体有一样的电流额定值，这是因为当电晶体OFF时，会有满电流输出，在图3-9的电路，就是多重输出顺向转换器(multiple-output forward converter)。 3.3推挽式转换器(THE PUSH-PULL CONVERTER) 推挽式转换器(push-pull converter)乃是由二个反相位工作的顺向式转换器组合而成，在每一半周时，推挽式转换器会将功率传导至负载上，所以此种转换器更正确地来说应该称呼为推推转换器(push-push converter)，但是延用流行至今，我们还是习惯称呼为推挽式转换器。 在图3-10中，就是基本传统的推挽式电路结构与它的电路波形图。由于它有二个转换电晶体与输出二极体，由波形中观察得知，在每一组中的平均电流都被减少至百分之五十，此大过于等效的顺向转换器。在电晶体导通期间，二极体D1与D2同时导通，会将隔离变压器的次级短路，并将功率传导至输出，其动作状态就如飞轮二极体。 此转换器的输出电压可导出如下 V2,maxinV, (3-20) outn 在公式3-20中的δ须低于0.5，为了避免转换电晶体同时导通，而破坏了电晶体。假设δma值必maxx,0.4，则公式3-20可写成 11 0.8Vin, (3-21) Voutn 在此n为初级对次级的圈数比。 3.3.1推挽式转换器变压器(The Push-Pull Converter Transformer) 在前面我们所讨论的返驰式与顺向式转换器中，其变压器仅利用到B-H特性曲线一半 12 部份，因此铁心就较为笨大而且有空气间隙，假定在推挽式转换器的二个电晶体，其导通时间相同，则变压器就会使用到B-H曲线的各半部，如此铁心的大小仅需返驰式或顺向式的一半即可，而且空气间隙也不需要了。 变压器的体积大小可由下面公式求得 24,,ImagL0e (3-22) ,Volume2Bmax 在此I,nVoutT/4L为磁化电流。 .mag 在第3章中，将继续对以推挽式为基底的转换器有更深入的设计分析。 3.3.2推挽式转换器电晶体(The Push-Pull Converter Transistors) 由于推挽式转换器的每一半部份就是属于顺向式转换器，因此在OFF时，每一电晶体的集极电压被限制为 (3-23) V,2VCEmaxin 每一电晶体的集极峰值电流为 ILI,，I (3-24) Cmagn 假设Ima<方法

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