開關(guān)電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1、開關(guān)變換器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)變換器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2一一 概述概述開關(guān)電源的定義開關(guān)電源的定義開關(guān)電源的組成開關(guān)電源的組成開關(guān)電源的分類開關(guān)電源的分類開關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)開關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)二二 開關(guān)電源主電路原理與設(shè)計(jì)開關(guān)電源主電路原理與設(shè)計(jì)BuckBuck型電路型電路BoostBoost型電路型電路正激電路正激電路 反激電路反激電路半橋電路半橋電路全橋電路全橋電路推挽電路推挽電路全波整流和全橋整流全波整流和全橋整流 3 廣義上說(shuō)，凡是用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一形態(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換器電路；轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱開關(guān)電源（Switching Mode Pow

2、er Supply，簡(jiǎn)稱SMPS）。開關(guān)電源主要組成部分是DC-DC變換器。返回4 NO.2NO.1一次整流升壓電路斬波控制PWM開關(guān)高頻變壓高頻二次脈寬調(diào)制直流配電程控設(shè)備蓄電池組交流充電備用發(fā)電PWM 開關(guān)電源模塊功率因數(shù)負(fù)載 交流輸入 圖1開關(guān)一次電源框圖返回（1）變流電路輸入端的直流電源是由交流電網(wǎng)整流得來(lái)，構(gòu)成了交直交直電路。（2）由于開關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，體積和重量都遠(yuǎn)小于相控整流電源，此外，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。5（1）開關(guān)電源以其采用的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為降壓（Buck）、升壓（Boost）、升降壓（Buck-Boos

3、t）、正激（Forward）、反激（Flyback）、推挽（Push-Pull）、半橋（Half-Bridge）和全橋（Full-Bridge）型等各種模式。 （2）在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器中，又可以分為工作于PWM硬開關(guān)方式還是工作于軟開關(guān)方式兩大類。 a. PWM硬開關(guān)變換器的開關(guān)管按外加脈沖控制通斷時(shí)刻，與開關(guān)管的電流及電壓無(wú)關(guān)。因此它通常在高電壓或大電流下被迫開通或強(qiáng)迫關(guān)斷，有較大的dv/dt和di/dt，且開關(guān)過(guò)程中，開關(guān)損耗較大，此種方式稱為硬開關(guān)工作模式。 b. 另一類為軟開關(guān)變換器，它是通過(guò)在前述的各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率電路中的管子在電壓為零或電流為零時(shí)通斷，從而可以減小dv/

4、dt和di/dt，且開關(guān)過(guò)程損耗可以為零。 （3）開關(guān)電源由于它供給不同的負(fù)載，就有不同的技術(shù)參數(shù)要求，但主要的都有電壓或電流的穩(wěn)定度（電源及負(fù)載變化的影響），輸出電壓或電流范圍，效率，可靠性，電磁兼容等要求。此外各種開關(guān)電源均應(yīng)有各種必須的保護(hù)，以使開關(guān)電源能可靠而穩(wěn)定地工作。 返回6 開關(guān)電源應(yīng)在如下一些方面發(fā)展：（1）. 優(yōu)化電路設(shè)計(jì)是保證開關(guān)電源性能指標(biāo)的重要前提。（2）. 重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證開關(guān)電源產(chǎn)品質(zhì)量的生命。重視熱設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)。進(jìn)行對(duì)電源的可靠性分析，保證在正常運(yùn)行環(huán)境下的使用壽命。（3）. 在開關(guān)變換器中選用具有驅(qū)動(dòng)和自檢保護(hù)的智能模塊，使控制線路簡(jiǎn)單，保護(hù)更可靠。研制

5、和開發(fā)功率集成單元，實(shí)現(xiàn)高可靠性。（4）. 采用軟開關(guān)技術(shù)。 （5）. 采用微處理器對(duì)開關(guān)電源控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源微機(jī)化。 （6）. 盡量利用新器件使開關(guān)電源的性能更好。 （7）. 在從交流市電整流為直流時(shí)采用功率因數(shù)校正技術(shù)，減少由于整流濾波所產(chǎn)生的諧波污染。 隨著開關(guān)電源的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，對(duì)它的技術(shù)性能要求也日益提高，所以對(duì)電路拓?fù)涞难芯浚?jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面均仍進(jìn)行大量的研究工作。返回7 Buck變換器是一種降壓式變換器，其輸出電壓平均值總是小于輸入電壓。Buck變換器通過(guò)開關(guān)管Q的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比D來(lái)控制輸出電壓的大小。變換器在工作過(guò)程中可能存在如下三種工作狀態(tài)： 工

6、作狀態(tài)1：開關(guān)管Q導(dǎo)通，二極管D截止 工作狀態(tài)2：開關(guān)管Q截止，二極管D導(dǎo)通 工作狀態(tài)3：開關(guān)管Q截止，二極管D截止 當(dāng)電感電流連續(xù)（CCM）時(shí)，Buck變換器只有1和2兩種工作狀態(tài)；當(dāng)電感電流斷續(xù)（DCM）時(shí)，Buck變換器有1、2和3三種工作狀態(tài)。返回8 圖 2-1 Buck 變換器 (a)工作狀態(tài)1（DTt 0） (b)工作狀態(tài)2（TtDT） 圖3 Buck變換器電流電壓波形圖2 Buck型變換器91. 工作狀態(tài)1 2. 工作狀態(tài)2 得出根據(jù)以上公式可以得出：或者：DTILDTIILUUOd12TDILUO1dODUUDDLTUId1dOdOLfUUUUI10 因?yàn)?，若假定負(fù)載電流 的

7、脈動(dòng)很小而可忽略，則 。因?yàn)殡娙蓦娏髟谝粋€(gè)周期中的平均值為零，而電感電流 是按直線規(guī)律在 和 之間變化，則電容在一個(gè)周期中的充電和放電的時(shí)間相同，各為 ，且電容充電的平均電流為 ，于是電容充電的電荷量為 電容電壓峰-峰脈動(dòng)值為 將式代入上式，得 根據(jù)以上公式則可求出L和C的值。 同理我們可以推導(dǎo)DCM工作情況。OCLiiiOiCLiiLi1I2I2T4I24TIQfCICQUC8dOdOCULCfUUUU2811 Boost變換器如圖4所示。它是一個(gè)升壓式變換器，其輸出電壓平均值超過(guò)輸入電壓。Boost變換器通過(guò)開關(guān)管Q的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比D來(lái)控制輸出電壓的大小。與Buck變換器一樣，Boost

8、變換器在工作過(guò)程中也可能存在三種工作狀態(tài)。 圖 2-7 Boost 變換器 圖4 Boost變換器(a) 工作狀態(tài)1 (b) 工作狀態(tài)2 返回12 輸入與輸出電壓關(guān)系： 電感電流紋波： 輸出電壓紋波 圖 2-9 Boost 變換器的仿真波形 圖5 Boost變換器的工作波形DUUdO1OdOddLfUUUUfLDUIOdOOCfCUUUIU13 電路的工作過(guò)程（電路圖電路圖5 波形圖波形圖6） 開關(guān)S開通后，變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)； S關(guān)斷后，電感L通過(guò)VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。S關(guān)斷后

9、變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為 。 變壓器的磁心復(fù)位：開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時(shí)間的增加而線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的一段時(shí)間內(nèi)降回零，這一過(guò)程稱為變壓器的磁心復(fù)位。 iSUNNu)1 (31返回14 變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為（復(fù)位過(guò)程圖復(fù)位過(guò)程圖7） (1) 輸出電壓： 輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下： (2) 輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將高于式（2）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， on31rsttNNtTtNNUUon12ioi12oUN

10、NU返回15 反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看作是一對(duì)相互耦合的電感。 工作過(guò)程： S開通后，VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加； S關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)N2繞組和VD向輸出端釋放。S關(guān)斷后的電壓為：+UiSVDN1N2UoW1W2圖圖 8 反激電路原理圖 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖圖 9 反激電路的理想化波形 uUNNUSio12返回16v 反激電路的工作模式： 電流連續(xù)模式：當(dāng)S開通時(shí)，N2繞組中的電流尚未下降到零。 輸出電壓關(guān)系： (3) 電流斷續(xù)模式：S開通前，N2繞組中的電流已經(jīng)下降到零。 輸出電壓

11、高于式（3）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， ，因此反激電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài)。offon12iottNNUUUo 返回17+S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W2圖圖 10 半橋電路原理圖S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖圖 11 半橋電路的理想化波形返回18工作過(guò)程：工作過(guò)程： S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時(shí)

12、，二極管VD2處于通態(tài)， 當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。 S1或S2導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。返回19 由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。 輸出電壓：輸出電壓： 當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)： (4) 如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于式（4）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， 。TtNNUUon12io2i12oUN

13、NU返回20+N1S2S3S4VD1VD2VD4VD3LS1N2+-+-uduTUiUoW2W1圖圖 12 全橋電路原理圖S1(S4)S2(S3)uS1(uS4)uS2(uS3)iS1(iS4)iS2(iS3)iD1(iD4)iS2(iS3)tonTttttttttUiUiiLiLOOOOOOOO圖 13 全橋電路的理想化波形返回21v 工作過(guò)程：工作過(guò)程： 全橋逆變電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 當(dāng)S1與S4開通后，二極管VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升； S2與S3開通后，

14、二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。 當(dāng)4個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，4個(gè)二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降.S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。 如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會(huì)在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可以在一次側(cè)回路串聯(lián)一個(gè)電容，以阻斷直流電流。返回22 輸出電壓：輸出電壓： 濾波電感電流連續(xù)時(shí)： (5) 輸出電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將高于式（5）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， TtNNUUon12io2UNNUoi

15、21返回23+S1S2VD1VD2LUiN1N1N2N2Uo圖圖 14 推挽電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖圖 15 推挽電路的理想化波形 返回24v 工作過(guò)程：工作過(guò)程： 推挽電路中兩個(gè)開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。 S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，電感L的電流也逐漸上升。 當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2倍U

16、i。 S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。返回25 輸出電壓：輸出電壓： 濾波電感L電流連續(xù)時(shí)： (6) 輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將高于式（6）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， 。TtNNUUon12io2UNNUoi21返回26表 1 各種不同的間接直流變流電路的比較電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備

17、、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾百W幾kW低輸入電壓的電源返回27圖圖 16 全波整流電路和全橋整流電路原理圖（a）全波整流電路 （b）全橋整流電路雙端電路中常用的整流電路形式為全波整流電路和全橋整流電路。 +VD1VD2L+VD

18、1LVD3VD2VD4返回28 全波整流電路的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：電感L的電流只流過(guò)一個(gè)二極管，回路中只有一個(gè)二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個(gè)二極管，元件數(shù)較少。 缺點(diǎn)：二極管斷態(tài)時(shí)承受的反壓是二倍的交流電壓幅值，對(duì)器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側(cè)繞組有中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 適用場(chǎng)合：輸出電壓較低的情況下（100V）。返回29 全橋電路的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：二極管在斷態(tài)承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：電感L的電流流過(guò)兩個(gè)二極管，回路中存在兩個(gè)二極管壓降，損耗較大，而且電路中需要4個(gè)二極管，元件數(shù)較多。 適用場(chǎng)合：高壓輸出的情況下。返回30 同步整流電路：當(dāng)電路的輸出電壓非常低時(shí)，可以采用同步整流電路，利用低電壓MOSFET具有非常小的導(dǎo)通電阻的特性降低整流電路的導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提高效率。圖圖 17 同步整流電路原理圖+V1V2L返回31+UiSVD1VD2LN1N3N2VD3UoW2W1W332SuSiLiSOttttUiOOO33t0t1t2tontrstuN1imBRBSBHSttOtOOO34+UiSVDN1N2UoW1W235SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO36+S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W23