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反激式转换器

Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

反激变换器是降压升压转换器, 它既能降压又能提高。它在输入和输出之间使用耦合电感器或 "回扫变压器" 进行电气隔离。这种耦合电感器启用了一个转弯比, 既提供了电压步进和步进能力, 像在一个普通的变压器, 但与能源存储使用的气隙耦合电感。

本实验的目的是研究反激变换器的不同特性。这种转换器的运作方式像降压升压转换器, 但有电隔离通过耦合电感。将使用具有手动设置的占空比的开环操作。将观察输入-输出关系的近似值。

Principles

为了更好地理解反激变换器, 首先, 必须了解降压升压转换器。然后可以从降压升压转换器中获得反激变换器电路。

降压升压转换器, 顾名思义, 可以逐步或逐步向下的直流电压输入到更高或更低的电压, 分别。为了获得降压升压转换电路, 降压和升压转换器级联, 如图 1 (a) 所示。电流源/接收器被用作降压变流器的负载和升压转换器的输入, 导致升压转换器被翻转以保持输入电压极性。降压升压转换器因此有一个反向输出电压极性。

如图 1 (b) 所示, 可将当前源/接收器替换为作为电流源或接收器的大电感。然而, "C1" 不再需要, 因为中间电压横跨 "L3" 不必须有一个非常小的纹波电压。此外, 开关2不再需要, 因为它可能会导致在 "L2" 和 "L3" 短路。因此, 该电路的更新如图 1 (c) 所示。

此外, 在降压转换器中使用二极管1提供了电流路径的电感 "L1", 但 "L1" 和 "L2" 可以删除, 因为平滑的电流不再需要在中间阶段。因此也可以删除二极管 1, 如图 1 (d) 和 (e) 所示。底部侧二极管2可以移动到顶部或左侧的底部, 如图 1 (e) 所示, 这是最常见的降压升压转换电路的实现。

Figure 1
图1。降压升压变换器电路的推导

在输入和输出电压之间提供电气隔离, 反激式转换器比降压升压转换器更进一步。在许多电源应用中, 需要将源和负载端的基础分开, 这是很理想的。通常, 反激式转换器在额定值高达 200 W 时使用。图2所示的示意图说明了反激变换器是如何从降压升压转换器中获得的。

当开关是在降压升压转换器, 二极管是反向偏置和能量存储在电感。当开关关闭时, 电感器可以从电容器上吸收能量, 一旦二极管开启, 或者可以提供电容器和能量负载。这提供了步骤和步骤的灵活性。然而, 电感器可以被耦合电感器或反激式变压器所取代, 以提供与输出侧的电气隔离, 如图 2 (b) 所示。在顶部的开关需要一个高侧门驱动电路, 这是更详细的, 需要更多的组件比低侧电路。因此, 开关可以简单地移动, 这样它的一个终端是接地的, 因此它需要一个简单的低侧门驱动程序, 如图 2 (c) 所示。为了在同一侧输入输出电压极性, 输出二极管与变压器的极性相反。最后的反激式转换器显示在图 2 (d) 中。

Figure 2
图2。降压升压变换器电路的反激变换电路的推导

Procedure

注意: 本实验旨在限制输出电压小于 50V DC。仅使用此处给出的占空比、频率、输入电压或负载。

本实验将利用 HiRel 系统提供的 dc-dc 转换板。http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

有关主板操作的信息, 请在本集视频 "HiRel 板介绍" 中找到。

这里所示的程序适用于任何简单的反激转换电路, 可以建立在原板, 面包板, 或印刷电路板。

1. 安装板:

  1. 连接±12信号供应在 "DIN" 连接器, 但保持 "S90" 关闭。
  2. 确保 PWM 控制选择器处于开环位置。
  3. 将直流电源设置为16五, 现在将其输出与主板断开连接。
  4. 在连接负载电阻之前, 将其调整为10Ω。
  5. 使用较低的 MOSFET 和反激式磁板构建图3所示的电路。
    1. 请注意, 旋转比率为 n1/n2= 2。
  6. 在 "V2+" 和 "COM" 之间连接 "RL"。
    1. 在实验中切勿断开负载, 因为升压转换器可能会变得不稳定, 并对主板造成损坏。
  7. 确保开关阵列的 MOSFET 选择 (低 MOSGET), PWM 选择, 和其他设置是正确的, 以实现一个功能图3。

Figure 1
图 3.回扫转换电路

2. 调整占空比和开关频率

  1. 将差分探头连接到较低 MOSFET 的栅极源上。
  2. 打开 "S90"切换信号应出现在示波器屏幕上。
    1. 调整信号时间轴以查看两个或三周期。
    2. 调整频率电位器, 实现频率为100赫 (周期为10µs)。
  3. 调整占空比电位器达到50% 的占空比 (准时5µs)。

3. 可变输入的反激式转换器测试

  1. 将输入的直流电源 (已设置为 16 V) 连接到 "V1+" 和 "COM"。
  2. 在 "CS1" 上连接一个常规探头以测量输入电流。确保接地接头连接到 "COM"。
    1. 在负载上连接差分探头。
    2. 捕获波形并测量输出电压平均值、输入电流峰值和输入电流平均值。
    3. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
  3. 将输入电压调整为11伏、13伏和 15 v
    1. 对上述每个电压重复上述步骤。
  4. 断开输入直流电源, 并将其输出调整为 16 v。

4. 可变占空比的反激变换器测试

  1. 将一个常规探头通过栅极连接到下部 MOSFET 的源。
  2. 在负载上连接差分探头。
  3. 将输入直流电源连接到 "V1+" 和 "COM"。
  4. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
    1. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
  5. 将关税比率调整为10%、25% 和40%。对上述三项工作比率中的每一项, 重复上述步骤。
  6. 将占空比重置为50%。
  7. 断开输入直流电源。

5. 可变开关频率的反激变换器测试

  1. 在 "CS1" 上连接一个常规探头以测量输入电流。
  2. 在负载上连接差分探头。
  3. 在第二示波器上, 使用常规探头观察栅极源电压, 以根据需要调整开关频率。
  4. 将输入直流电源连接到 "V1+" 和 "COM"。
  5. 将开关频率调整为70赫。
  6. 从第一范围捕获波形, 测量输入电流峰值和输出电压平均值。
    1. 从第二个示波器中记录频率和占空比, 但不捕获其波形。
    2. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
  7. 调整开关频率为50赫, 30 赫, 和10赫 (或最低可能, 如果10赫无法达到)。
    1. 对于上述三开关频率, 重复上述步骤。
  8. 关闭输入直流电源和 "S90", 然后拆卸电路。

Results

反激式转换器是孤立降压升压转换器, 可以加强或逐步降低输入电压。反激耦合电感器或变压器的匝比在步进或下压过程中。由于开关频率高, 反激式变压器尺寸小, 使用铁氧体磁芯。如果输入电压是V并且输出电压是v,当转换器在连续传导模式下运行时, v出/v= (N2/n1) D/(1-d)中, 其中 0≤D≤100%。通常情况下, 反激式转换器不会在50% 的工作周期之上运行, 以在反激式变压器中保持能量平衡。

如在关系中的v外/v所示, d1/(1-d)相乘并显示降压和增强功能, 而N2/n1 项显示了转换器的转弯比率。在设计和制造反激式转换器的主要因素是 1) 的励磁电感Lm 的反激式变压器, 和 2) 的缓冲电路横跨变压器的输入端。

Application and Summary

反激式转换器通常用于隔离电源, 其中输出端应具有从输入端的电偶隔离。这是常见的驱动高侧功率半导体, 如 mosfet 和 igbt 的门驱动电路可能需要隔离直流电源。反激式转换器通常在高100赫以上的开关频率下操作, 且额定功率通常不超过 200 W。

Tags

Flyback ConverterDC Output VoltageBuck ConverterBoost ConverterBuck boost ConverterFlyback TransformerElectrical IsolationPulse width Modulated SignalCurrent SinkCascaded Converter Configuration

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0:06

Overview

1:04

Principles of the Flyback Converter

3:28

Setting up the HiRel Power Pole Board

5:12

Flyback Converter Testing for Variable Duty Ratio

6:38

Flyback Converter Testing for Variable Switching Frequency

7:42

Applications

9:12

Summary

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