反激式转换器

Electrical Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

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。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. 反激式转换器. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

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。

反激变换器是一种能够产生直流输出电压的电气设备, 它可以大于或小于直流输入。如果降压转换器, 步下电压是级联与升压转换器, 从而提高电压的结果是降压升压转换器。顾名思义, 降压升压转换器可以降低或加强其输入电压, 并且是反激式转换器的基础。反激式转换器不同于降压升压转换器, 因为它使用耦合电感, 或在输出和输入之间进行电隔离的回扫变压器。此视频将演示反激式转换器的构造, 并研究如何更改转换器的操作条件对其输出产生影响。

要了解反激式转换器的工作原理, 请从带有升压转换器的串联降压转换器开始。该电路中的开关由脉冲宽度调制信号打开和关闭。降压转换器输出的负载是一个电流接收器, 它反过来是升压转换器的输入。在这个电路中, 升压转换器必须反转, 以便电流通过当前接收器的方向与每个阶段的操作一致。结果是, 级联转换器的输出极性与输入值相比是相反的。该电路可以简化为降压升压转换器的配置。当开关关闭时, 电压源通过电感器驱动电流。这种电流随时间线性增加, 并产生一个磁场, 在电感中储存能量。此时, 二极管反向偏置而不导电, 所以只有电容器能为负载提供能量。当开关打开时, 通过电感器的电流必须在相同的方向上继续, 从而导致电感反向极性。现在, 二极管变得正向偏置, 电感器可以向负载传递能量, 同时充电电容器。当交换机再次关闭时, 循环重复。用耦合电感器或反激式变压器取代电感, 在输入和输出之间提供电气隔离, 当源和负载两侧的地面必须分开时, 这是必要的。将开关从电压源的高侧移动到低侧, 简化了开关和驱动电路的电气要求。最后, 扭转耦合电感或反激变压器的极性, 反转二极管的方向, 使输出的极性与输入相匹配。结果是基本的反激式转换器。现在, 我们已经看到如何从降压和升压转换器的级联中导出反激转换器让我们来研究它的行为如何随着不同的操作条件而变化。

本实验的输出仅限50伏直流或更少。只使用指定的工作周期、频率输入电压和负载。这些实验采用了高相对系统的电源杆板, 开关 S90 关闭, 将信号电源插入连接器 J90。设置脉冲与调制选择跳线 J62 和 J63 到开放回路位置。将直流电源调整为16伏, 但不要将其输出连接至电源极板。接下来, 用较低的 MOSFET 和反激式磁板构建反激变换电路。将负载电阻调整为10欧姆。然后将其连接到主板电位器之间的终端 V2+ 和 com. 设置开关选择库 S30 如下 pwm 到底部 MOSFET 使用板载 pwm 和开关负载关闭。将示波器的差分探头连接到下 MOSFET 的栅极和源之间。打开开关 S90, 观察开关信号, 打开和关闭 MOSFET。设置 RV60 以产生100赫兹的开关频率。设置占空比电位器 RV64, 使脉冲有一个在五微秒的时间。

首先, 在栅极和下 MOSFET 的源之间连接一个常规探头。将差分探头连接到负载上, 并将输入直流电源连接到 V1+ 和 com。输出电压是由电感器和电容器交替向负载提供电流的三角形波。MOSFET 的栅极源电压为数字脉冲列。测量输出电压的平均值和栅极对源电压的时间值, 然后记录输入电流和电压读数。重复此测试, 将脉冲流设置为一个2.5 和四微秒的时间, 分别对应于0.1、0.25 和0.4 的占空比。当开关关闭时, 当开关打开时, 能量被储存在电感器中, 能量在负载中消散。理想情况下, 输出增加与占空比, 但是, 对于0.5 以上的占空比, 储存的能量大于耗散能量, 导致可能的核心饱和。为了避免残余能量的储存, 反激式转换器的工作比例不超过0.5。

将常规范围探头连接到示波器的三频道。在 CS1 和 com 之间剪辑此探测器以测量输入电流。在调节电位器 RV60 时观察栅极源开关信号, 产生70赫兹频率。将直流电源连接到输入端子 V1+ 和 com. 观察输入电流波形并测量平均输入和输出电压。记录直流电源的频率和占空比, 以及输入电流和电压读数。在调整 RV60 到50、30和10赫兹的开关频率后重复此测试, 其占空比固定在0.5。随着频率的降低, 输出纹波增加, 因为电容器充电和放电时间也增加。

反激式转换器通常用于隔离电源, 其中输出必须与输入流隔离。在发生故障时防止电路损坏, 并保护用户免受危险电压的影响。手机充电器将120伏 AC 主电源转换为内部直流电压, 成为反激式转换器的输入。反激式转换器反过来产生一个五伏输出到标准的 USB 连接器, 插入到手机和收费。反激变换器中的电偶隔离可保护手机和用户与 120 AC 电源的接触。相比之下, 手机可能使用降压转换器, 以减少五伏特的充电器, 以标称3.6 伏的锂离子电池。对于这些安全的低电压, 不需要隔离。阴极射线管在和老电视或计算机显示器使用电子束照亮荧光粉在屏幕上。CRT 的水平偏转驱动器通常包含在 "步进" 模式下运行的反激转换器。反激式转换器会产生控制此光束的高电压, 并将其移动到屏幕上的选定点。

你刚刚看了朱庇特的反激转换器的介绍。现在, 您应该了解反激转换器是如何与升压和降压转换器相关的, 以及它的行为如何随操作条件而变化。谢谢收看

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。

Applications 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。

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。

反激变换器是一种能够产生直流输出电压的电气设备, 它可以大于或小于直流输入。如果降压转换器, 步下电压是级联与升压转换器, 从而提高电压的结果是降压升压转换器。顾名思义, 降压升压转换器可以降低或加强其输入电压, 并且是反激式转换器的基础。反激式转换器不同于降压升压转换器, 因为它使用耦合电感, 或在输出和输入之间进行电隔离的回扫变压器。此视频将演示反激式转换器的构造, 并研究如何更改转换器的操作条件对其输出产生影响。

要了解反激式转换器的工作原理, 请从带有升压转换器的串联降压转换器开始。该电路中的开关由脉冲宽度调制信号打开和关闭。降压转换器输出的负载是一个电流接收器, 它反过来是升压转换器的输入。在这个电路中, 升压转换器必须反转, 以便电流通过当前接收器的方向与每个阶段的操作一致。结果是, 级联转换器的输出极性与输入值相比是相反的。该电路可以简化为降压升压转换器的配置。当开关关闭时, 电压源通过电感器驱动电流。这种电流随时间线性增加, 并产生一个磁场, 在电感中储存能量。此时, 二极管反向偏置而不导电, 所以只有电容器能为负载提供能量。当开关打开时, 通过电感器的电流必须在相同的方向上继续, 从而导致电感反向极性。现在, 二极管变得正向偏置, 电感器可以向负载传递能量, 同时充电电容器。当交换机再次关闭时, 循环重复。用耦合电感器或反激式变压器取代电感, 在输入和输出之间提供电气隔离, 当源和负载两侧的地面必须分开时, 这是必要的。将开关从电压源的高侧移动到低侧, 简化了开关和驱动电路的电气要求。最后, 扭转耦合电感或反激变压器的极性, 反转二极管的方向, 使输出的极性与输入相匹配。结果是基本的反激式转换器。现在, 我们已经看到如何从降压和升压转换器的级联中导出反激转换器让我们来研究它的行为如何随着不同的操作条件而变化。

本实验的输出仅限50伏直流或更少。只使用指定的工作周期、频率输入电压和负载。这些实验采用了高相对系统的电源杆板, 开关 S90 关闭, 将信号电源插入连接器 J90。设置脉冲与调制选择跳线 J62 和 J63 到开放回路位置。将直流电源调整为16伏, 但不要将其输出连接至电源极板。接下来, 用较低的 MOSFET 和反激式磁板构建反激变换电路。将负载电阻调整为10欧姆。然后将其连接到主板电位器之间的终端 V2+ 和 com. 设置开关选择库 S30 如下 pwm 到底部 MOSFET 使用板载 pwm 和开关负载关闭。将示波器的差分探头连接到下 MOSFET 的栅极和源之间。打开开关 S90, 观察开关信号, 打开和关闭 MOSFET。设置 RV60 以产生100赫兹的开关频率。设置占空比电位器 RV64, 使脉冲有一个在五微秒的时间。

首先, 在栅极和下 MOSFET 的源之间连接一个常规探头。将差分探头连接到负载上, 并将输入直流电源连接到 V1+ 和 com。输出电压是由电感器和电容器交替向负载提供电流的三角形波。MOSFET 的栅极源电压为数字脉冲列。测量输出电压的平均值和栅极对源电压的时间值, 然后记录输入电流和电压读数。重复此测试, 将脉冲流设置为一个2.5 和四微秒的时间, 分别对应于0.1、0.25 和0.4 的占空比。当开关关闭时, 当开关打开时, 能量被储存在电感器中, 能量在负载中消散。理想情况下, 输出增加与占空比, 但是, 对于0.5 以上的占空比, 储存的能量大于耗散能量, 导致可能的核心饱和。为了避免残余能量的储存, 反激式转换器的工作比例不超过0.5。

将常规范围探头连接到示波器的三频道。在 CS1 和 com 之间剪辑此探测器以测量输入电流。在调节电位器 RV60 时观察栅极源开关信号, 产生70赫兹频率。将直流电源连接到输入端子 V1+ 和 com. 观察输入电流波形并测量平均输入和输出电压。记录直流电源的频率和占空比, 以及输入电流和电压读数。在调整 RV60 到50、30和10赫兹的开关频率后重复此测试, 其占空比固定在0.5。随着频率的降低, 输出纹波增加, 因为电容器充电和放电时间也增加。

反激式转换器通常用于隔离电源, 其中输出必须与输入流隔离。在发生故障时防止电路损坏, 并保护用户免受危险电压的影响。手机充电器将120伏 AC 主电源转换为内部直流电压, 成为反激式转换器的输入。反激式转换器反过来产生一个五伏输出到标准的 USB 连接器, 插入到手机和收费。反激变换器中的电偶隔离可保护手机和用户与 120 AC 电源的接触。相比之下, 手机可能使用降压转换器, 以减少五伏特的充电器, 以标称3.6 伏的锂离子电池。对于这些安全的低电压, 不需要隔离。阴极射线管在和老电视或计算机显示器使用电子束照亮荧光粉在屏幕上。CRT 的水平偏转驱动器通常包含在 "步进" 模式下运行的反激转换器。反激式转换器会产生控制此光束的高电压, 并将其移动到屏幕上的选定点。

你刚刚看了朱庇特的反激转换器的介绍。现在, 您应该了解反激转换器是如何与升压和降压转换器相关的, 以及它的行为如何随操作条件而变化。谢谢收看

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE