正激式变换器 （Forward Converter）的介绍

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1 正激式变换器 （Forward Converter）的介绍
Buck、Boost和Buck/Boost 变换器都是不隔离的直流变换器。（不隔离就是指输入和输出共地）。具有隔离的直流变换器也可按单管、两管和四管分类。单管隔离直流变换器有正激（forward)和反激（flyback)两种。 隔离式直流变换器都用变压器实现电气隔离。为了减小损耗和改善电力电子器件的工作条件，变压器各绕组应紧密耦合，尽量减小漏磁。 磁复位的引入： 正激直流变换器变压器铁芯的磁复位有多种方法，在输入端接复位绕组是最基本的方法，其次还有RCD复位，LCD复位和有源箝位等磁复位方法。下面介绍具有复位绕组的正激变换器。 2019/5/2

2 Transformer introduction
变换器的介绍： Transformer introduction 变压器：原边（原级）primary side 和副边（次级）secondary side 原边电感（励磁电感）--magnetizing inductance 漏感---leakage inductance 副边开路或者短路测量原边电感分别得励磁电感和漏感 变压器的作用：1. 电气隔离； 2. 变比不同，达到电压升降； 3. 磁耦合传送能量； 4. 测量电压、电流。 2019/5/2

3 (demagnetizing winding)
1. 复位绕组的正激变换器的结构 Forward converter with reset winding W1 W2 原边（Primary side) 副边（secondary side) W3 磁复位绕组 (demagnetizing winding)

4 Forward 变换器实际上是降压式变换器中插入隔离变压器而成。变压器中有三个绕组，原边绕组W1，副边绕组W2，复位绕组W3,图中绕组符号标有“*”号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。D3是复位绕组W3的串联二极管。下图a、b、c 给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。 2019/5/2

5 (a) (b) (c) 正激变换器工作在不同模态的等效电路 2019/5/2

6 2. 带复位绕组的正激变换器的工作原理分析 正激变换器的主要理论波形 2019/5/2

7 下面讨论电感电流连续时forward变换器的工作原理：
1. 模态1 [对应于图 (a)] 在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 加在原边绕组W1上，因此铁芯磁化，铁芯磁通Ø增加： 在t=Ton时，铁芯磁通Ø的增加量为Vin/W1*D*Ts。 那么副边绕组W2上的电压为：Vw2=W2/W1*Vin=Vin/K12。 式中，K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。 此时，整流二极管D1 导通，续流二极管D2截止，滤波电感电流iL1线性增加，这与buck变换器中开关管Q1导通时一样，只是电压为Vin/K12。

8 式中，K13=W1/W3是原边与复位绕组的匝比， K23=W2/W3 是副边与复位绕组的匝比。
2. 模态2 [对应于图 (b)] 在Ton时刻，关断Q1，原边绕组和副边绕组中没有电流流过，此时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。那么复位绕组上的电压为：Vw3=-Vin；原边绕组上的电压为：Vw1=-K13*Vin；副边绕组上的电压为：Vw2=-K23*Vin。 式中，K13=W1/W3是原边与复位绕组的匝比， K23=W2/W3 是副边与复位绕组的匝比。 2019/5/2

9 此时，整流二极管D1 关断，滤波电感电流iL1通过续流二极管D2续流，与buck变换器类似。
在此开关模态中，加在Q上的电压VQ为： VQ=Vin+K13*Vin。 电源电压Vin反向加在复位绕组W3上，故铁芯去磁，铁芯磁通Ø减小： W3*dØ/dt=-Vin 铁芯磁通Ø的减小量为：Vin/W3*ΔD*Ts。 式中， ΔD=(Tr-Ton)/Ts，是变压器磁芯的去磁时间Tr-Ton与Ts的比值， ΔD小于1-D。 2019/5/2

10 励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并且开始线性减小。 在Tr时刻，iW3=iM=0，变压器完成磁复位。
3. 模态3 [对应于图 (c)] 在Tr时刻，所有绕组中均没有电流，他们的电压均为0，滤波电感电流继续经过续流二极管续流，与buck变换器在开关管关断时一样。此时，加在开关管Q1的电压为Vin。 2019/5/2

11 3. 基本关系式 从前面的分析知，forward变换器实际上是一个隔离的Buck变换器，其输入输出电压之间的关系为：
3. 基本关系式 从前面的分析知，forward变换器实际上是一个隔离的Buck变换器，其输入输出电压之间的关系为： 在forward变换器中，一个比较重要的概念是：变压器必须要复位，否则它的磁通将不断增加，最后导致磁芯饱和而毁坏。也就是说，磁通的增加量应该等于磁通的减小量，从前面的分析可以得到： 2019/5/2

12 K13的大小决定最大的占空比D，小于0.5或者大于0.5
由于 ，要满足上式，必须有： K13的大小决定最大的占空比D，小于0.5或者大于0.5 变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧间的电气隔离，还可以实现多路输出。 2019/5/2

13 多路输出的正激变换器 V1和V3为正电压；V2为负电压 2019/5/2

14 双管正激变换器— double Forward converter
分析正激变换器中最大占空比为多少 驱动信号如何同时驱动两个MOS管 2019/5/2

15 工作原理分析 (1) MOS管导通时，电源电压加在原边绕组W1上，变压器储存能量，磁通量增加。在导通期间，磁通的增加量为：
此过程中，副边绕组的电压为Vin/N（N为原边和副边匝数比），整流二极管D3导通，给电感、电容充电和负载供电。 2019/5/2

16 副边绕组W2，同名端的电压为负，整流二极管D3截止，续流二极管D4导通，电感和电容释放能量，给负载供电。
(2) MOS管截止时，变压器原边励磁电感中的电流不能跃变（方向不变，大小连续变化），通过二极管D1和D2继续流通。此时，变压器进行磁复位，变压器上的电压为-Vin。磁通量的减小量为： 副边绕组W2，同名端的电压为负，整流二极管D3截止，续流二极管D4导通，电感和电容释放能量，给负载供电。 2019/5/2

17 最大占空比的确定 变压器要完成磁复位，也就是增加的磁通量等于减小的磁通量，即： 最大占空比 通常，双管正激变换器中，最大占空比为46%左右。
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18 反激式变换器 （Flyback Converter）的介绍
反激变换中变压器有两个绕组：原边绕组W1和副边绕组W2，两绕组要紧密耦合。 反激式变换器的电路图如下图所示： 2019/5/2

19 W1 + W2 原边 副边 Vout - 1. 反激式变换器的拓扑结构/电路图
1. 反激式变换器的拓扑结构/电路图 W1 + W2 原边 副边 Vout - 图中绕组符号标有“***”号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端。 Flyback变换器由于电路简洁，所用元器件少，适合多路输出。 2019/5/2

20 (a)Q导通 (b) Q关断 (C) Q关断，电
2. 和Boost、Buck变换器一样，Flyback变换器也有电流连续和断续两种工作方式。对Flyback变换器来说，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零，而电流断续是指合成安匝在Q截止期间有一段时间为零。图中a、b、c 给出了变换器在不同开关模态下的等效电路图。 (a)Q导通 (b) Q关断 (C) Q关断，电 流断续 2019/5/2

21 3. 反激变换器的工作原理分析 下面讨论flyback工作在电流连续模式下的工作原理： 2019/5/2

22 1. 模态1 [对应于图 (a)] 在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 加在原边绕组W1上，因此，铁芯磁化，铁芯磁通Ø增加：
W1*dØ/dt=Vin。副边绕组W2上的感应电压为：Vw2=-W2/W1*Vin，其极性为“***”端为“+”，使二极管D1截止，负载电流由滤波电容Cf提供。此时变压器副边绕组开路，只有原边绕组工作，相当于一个电感，其电感量为L1。 在t=Ton时，铁芯磁通Ø的增加量为Vin/W1*D*Ts。 2019/5/2

23 在此过程中，变压器磁芯被去磁，其磁通Ø也线性减小。磁通Ø的减小量为：Vo/W2*(1-D)Ts。
2. 模态2 [对应于图 (b)] 在Ton时刻，关断Q1，原边绕组开路，副边绕组的感应电势反向，其极性为“***”端为“负”，使二极管D1导通，储存在变压器磁场中的能量通过D1释放，一方面给Cf充电，另一方面向负载供电。此时变压器只有副边绕组工作，相当于一个电感，其电感量为L2。 在此过程中，变压器磁芯被去磁，其磁通Ø也线性减小。磁通Ø的减小量为：Vo/W2*(1-D)Ts。 2019/5/2

24 4. 基本关系式 稳态工作时，Q1导通期间磁通Ø增长量等于它在截止期间磁通Ø的减小量。即：
Vin/W1*D*Ts =Vo/W2*(1-D)*Ts， 则 Vo=Vin/K12*D/(1-D). 式中， K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。 2019/5/2

25 作业 画出Buck、Boost、双管正激、反激变换器的拓扑结构，并列出输入和输出电压之间的关系式。 2019/5/2