《Fundamentals of Power Electronics》——转换器简单汇总、变压器隔离

devtools/2024/9/24 2:00:47/

以下是关于转换器简单汇总的相关知识点:

存在无数种可能的整流器,因此不可能全部罗列出来。因此接下去给出一个简单汇总。

首先考虑第一类,包含一个电感的单输入单输出整流器。电感在电源和负载之间的连接方式有限。假设将一个开关周期分成两个子区间,因此电感在每个子区间的连接方式不同。可以通过检查所有可能的组合,以导出该类中转换器的完整集合。通过消除冗余和退化的电路,可以发现还剩8中整流器,如图6.15所示。

如何计算转换器,实际上可能是语义和个人偏好的问题。例如,该领域的许多人不会将非反相降压升压变换器与反相降压升压变换器区分开来。尽管如此,可以说变流器是由其无功元件、开关、源和负载之间的连接来定义的,通过开关是如何实现的来定义,通过无功元件的数值范围来定义。

图6.15的buck、boost、buck-boost和同相buck-boost这四个电路前面已经讨论过了。这些电路产生一个单向的直流输出电压。使用这些整流器,能够实现升高、降低或反向一个直流电压。

转换器5和6能产生一个双向输出电压。转换器6是图6.38b中电流馈电转换器的非隔离版本,表示Watkins-Johnson变换器,该转换器也可以产生一个双向电压,但是其电压传输比M(D)是关于占空比的非线性函数。可以使用一个双绕组电感减少Watkins-Johnson变换器中开关元件的个数。当开关1闭合时,使用上面这个绕组;当开关2闭合时,使用下方绕组。在任意时刻,电流只流经某一个绕组,两个绕组的总安匝数是时间的连续函数。该转换器的优点是其接地参考负载,且仅使用两个单刀单掷开关便能产生双向输出电压。其隔离版本和变体被使用在高电压直流电源中。

转换器7和8可以看成是转换器5和6的反向,能将交流输入转换成直流输出。交流电流输入波形可以具有任意波形和功率因数。

包含两个电感的单输入单输出转换器分类中包含的转换器数量更多,罗列其中一些转换器如图6.16所示。

Cuk电路有着反相buck-boost电路的特性,有着无脉动输入和输出端电流。SEPIC(single-ended primary inductance converter)电路和Cuk电路相反,有着非反相buck-boost电路的特性。Cuk电路和SEPIC电路表现出MOSFET源端连接到地的理想状态,简化了门极驱动电路的结构。包含两个电感的转换器中有大量转换器的传输比是占空比四次方的函数。

以下是关于变压器隔离的相关知识点:

在大量的应用中,都希望在开关转换器中包含一个变压器,隔离转换器输入和输出。例如,在离线应用中(转换器输入侧连接交流电网),控制部分常常需要电气隔离。通常可以通过连接一个50Hz或60Hz的变压器在转换器交流输入侧,实现电气隔离。然而,因为转换器尺寸和重量和频率呈反比,通过将变压器集成到变换器中,可以进行显著的改进,使得变压器在几十或几百kHz的变换器开关频率下工作。

当需要获得一个较大的升压或降压传输比时,变压器的使用可以使转换器最优化。通过变压器变比的合理选择,可以最小化晶闸管和二极管上的电压或电流应力,从而提高效率、降低成本。

可以通过一种不是很昂贵的方式实现多直流电压输出,即通过增加多个二次绕组和转换器二次侧电路。二次侧匝数比通过需要获得的输出电压来选择。通常如果只需要获得一个输出电压,可以通过改变占空比的大小来控制,因此辅助输出电压必须允许更宽的公差。交叉调节是在主输出电压完全调节的情况下,测量辅助输出电压变化的一种方法。

多绕组变压器匝数比为:

如下图所示:

多绕组变压器得原理图符号如图6.18a所示,简化的等效电路如图6.18b所示。

图6.18b足够理解大多数隔离性转换器得运行方式。该模型假设绕组之间完美耦合,并忽略损耗,该理想变压器遵循如下所示的关系:

理想变压器并联了一个电感LM,称为磁化电感,在图中称为变压器初级电感实际的变压器必须包含一个磁化电感。例如,假设断开除了一次绕组之外的所有绕组,因此磁芯(电感)上只剩一个绕组。

磁化电流iM(t)与变压器铁芯的磁场H(t)成比例。变压器铁芯材料的B-H物理特性如图6.19所示。

图6.19所示的物理特性控制磁化电流。例如,如果磁化电流过大,则磁场H(t)使磁芯饱和,则磁化电感值会变得很小,有效地使变压器短路。

磁化电感的存在,解释了为什么变压器无法工作在直流电路中。在直流电路中,磁化电感阻抗为零,使绕组短路。在设计好的变压器中,磁化电感的阻抗在预期的工作频率范围内量级较大,故磁化电流iM(t)量级比i1(t)小得多,即i’1(t)≈i1(t),此时变压器接近为理想变压器。需要强调磁化电流iM(t)和一次绕组电流i1(t)是相互独立的量。

磁化电感必须遵循所有适用于电感的一般原则。在图6.18b的模型中,一次绕组电压v1(t)施加在电感LM上,因此有:

通过积分可得:

因此,磁化电流由施加的绕组电压的积分所决定。电感的伏秒平衡依然适用:当转换器工作在稳态下,施加在磁化电感上的电压直流分量为零。即:

因为磁化电流与施加在其上的绕组电压的积分成比例,重要的是这个电压的直流分量为零。否则,在每次开关期间,磁化电流将净增加,最终导致电流过大和变压器饱和。

包含变压器的变换器的工作原理,可以通过在变换器电路中使用如图6.18b所示的模型来代替变压器来理解,并将磁化电感视为变换器的任何其他电感。实际的变压器还包含漏感。链接一个绕组的一小部分磁通可能不链接其他绕组。在双绕组变压器中,这种现象可以用与绕组串联的小型电感来模拟。在大多数隔离型变换器中,漏感是非理想的,它会导致开关损耗,晶体管峰值电压增加,并降低交叉调节,但除此之外对变换器的基本工作没有影响。有几种方法可以实现将变压器隔离集成到dc-dc转换器中。全桥、半桥、正向和推挽变换器是降压变换器的常用隔离版本。反激变换器是buck-boost变换器的一个隔离版本。


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