開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和基本原理-上課課件

1、高頻開關(guān)電源設(shè)計青島科技大學(xué)高頻開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和基本原理3一、 概述將電網(wǎng)或電池的一次電能，轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二次電能，這樣的變換設(shè)備便是電源。電源是一切電子設(shè)備的心臟，沒有電源，電子設(shè)備就不可能工作。1.1.1 電源是什么？1.1 電源及開關(guān)電源電源常用的連接方式串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源高頻開關(guān)電源1.1.2 串聯(lián)穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源的區(qū)分串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源：電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài)。開關(guān)電源：電源調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)的電源 。是具有高功率密度的電源。 輸入電源調(diào)整管負載RL串聯(lián)穩(wěn)壓電源輸入開關(guān)管K負載 RL儲能元件開關(guān)電源51.1.3 開關(guān)電源的分類： 按變換方式可分為下列四大類：（1）：第一大

2、類：AC/DC開關(guān)電源；（2）：第二大類：DC/DC開關(guān)電源；（3）：第三大類：DC/AC開關(guān)電源；（4）：第四大類：AC/AC開關(guān)電源。但目前只將前兩類稱為開關(guān)電源，而將后兩類分別稱為逆變器和變頻器。開關(guān)電源逆變器變頻器7B：工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（AC/DC）CPCI Series of Lambda 8C：工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片（AC/DC）HWS Series of Lambda 10F：二次電源產(chǎn)品的圖片（DC/DC）-標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)類Full BrickHalf BrickHalf Brick1/4 Brick1/8 Brick11G：二次電源產(chǎn)品的圖片（DC/DC）彩電開關(guān)穩(wěn)壓電源隨著電

3、力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開關(guān)晶體管、快恢復(fù)二極管及其它元器件的電壓得到很大的提高，這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器，發(fā)展高頻開關(guān)電源創(chuàng)造了條件。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進了一步。圖1-3 無工頻變壓器的開關(guān)電源原理框圖 1.3 無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點：1.效率高。一般在7080%以上。 2.體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。 3.穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入80265V，負載作大幅度變化時，性能很好。 4.噪聲低，聲頻在20kHz以上時，已是人耳聽不到的超聲 波，而開關(guān)電源的工作頻率一般都大于此頻率； 5.性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓小電流

4、；一個開關(guān)控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號、反號等輸出； 6.電壓維持時間長，為了適應(yīng)交流停電時，計算機、現(xiàn)代自動化控制設(shè)備電源轉(zhuǎn)換的需要，開關(guān)電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸出。 7.可靠性大，當(dāng)開關(guān)損壞時，也不會有危及負載的高電壓出現(xiàn)。 二、 開關(guān)電源工作原理 通過高頻開關(guān)技術(shù)將輸入的較高的交流電壓(AC)轉(zhuǎn)換為PC電腦工作所需要的較低的直流電壓(DC) 開關(guān)電源的中心思想：用提高工作頻率等手段來提高電源的功率密度，進而達到減少變壓器的體積和重量的目的。采用開關(guān)變換的顯著優(yōu)點是大大提高了電能的轉(zhuǎn)換效率，典型的PC電源效率為70%-75%，而相應(yīng)的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。 輸出

5、電壓的穩(wěn)定則:依賴對脈沖寬度的改變來實現(xiàn)，這就叫做脈寬調(diào)制PWM。共軛濾波器整流濾波開關(guān)調(diào)整管儲能元件脈沖整流濾波取樣電路比較放大基準(zhǔn)220V交流電壓輸入功能：將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需要的各種穩(wěn)定的直流電壓2.1 高頻變壓器開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 圖2-1 高頻變壓器開關(guān)電源基本功能框圖直流電壓輸出A.電路組成：B.作用：雙向濾波（一方面避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路，另一方面，防止開關(guān)電源對電網(wǎng)造成污染。）S501C501 0.1uL502220V市電 至整流濾波電路F501 T2.5AC502 0.1u2.2.1、進線抗電磁干擾電路EMI2.2 輸入共軛濾波及整流C.工作原理： 對

6、高頻干擾信號而言，電容呈短路，而電感則呈開路。高頻干擾被電容短路。 對50Hz低頻而言，電容呈開路，而電感則呈短路。因此，50Hz市電可以順利通過。S501C501 0.1uL502220V市電 至整流濾波電路F501 T2.5AC502 0.1uF501 T2.5AS501C501 0.1uL502220V市電 至整流濾波電路C502 0.1u輸入220V交流電壓的檢測220V交流 輸入交流電壓500V檔正常值:220V15%(187V253V)共軛濾波器220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測直流電壓500V檔來自共軛濾波器的220V交流電壓正常值為300V左右開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，300V電

7、源通過開關(guān)管Q，電感L和負載RL形成電流回路，同時向電容器C充電，在電感L和電容C中同時儲能。二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài)。由于電感L中突然出現(xiàn)電流，將在L兩端產(chǎn)生左正右負的自感電動勢，負載兩端電壓等于300V電源電壓與L兩端自感電動勢之差。IQI LICIRQ（b)開關(guān)管飽和時的等效電路D+300VR LLC+-開關(guān)管截止時，由于電感線圈中電流的突然中斷，將在電感L兩端產(chǎn)生左負右正的自感電動勢，該自感電動勢使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，形成電流回路。同時，電容C也通過RL放電?？梢娯撦d電流由電感電流與電容放電電流兩路同時提供。雖然開關(guān)管截止了，但是負載電流并沒有中斷。ICI LIDD（c)開關(guān)管截止時的等

8、效電路Q+300VR LCL+-2.4.1 高頻變壓器變換電路工作方式分類按其工作方式可分為五類,每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗤?，?yīng)用環(huán)境也稍有不同，如下所示：電路類型傳輸功率應(yīng)用環(huán)境單端反激式變換器20100W小型儀器、儀表，家用電器等電源，自動化設(shè)備中的控制電源單端正激式變換器50200W小型儀器、儀表，家用電器等電源，自動化設(shè)備中的控制電源推換式變換器100500控制設(shè)備，計算機等電源半橋式變換器1005000W焊機，超聲電源，計算機電源等全橋式變換器500W30kW焊機、高頻感應(yīng)加熱，交換機等開關(guān)管飽和導(dǎo)通，開關(guān)管電流在開關(guān)變壓器初級產(chǎn)生上正下負的自感電動勢，次級產(chǎn)生上負下正的互感電動勢。整流

9、二極管D截止，由電容器C放電形成負載電流。300VVTDRL（a )基本電路C+300V e1+e2VT+_RL( b )開關(guān)管飽和導(dǎo)通DCT2.4.2 單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過程開關(guān)管截止，變壓器初級電流中斷，于是在初級繞組產(chǎn)生反方向的自感電動勢（上負下正），次級互感電動勢也反一個方向。次級互感電動勢使整流二極管D導(dǎo)通，開關(guān)變壓器次級電流一方面流入負載，另一方面向電容器C充電儲能，以便開關(guān)管再次導(dǎo)通時向負載釋放能量。e1_+IRL300VCVTD（ c )開關(guān)管截止T_+e2A.能量轉(zhuǎn)換過程VT導(dǎo)通，D截止，T吸收能量；VT截止，D導(dǎo)通，T釋放能量。傳遞的能量越多，負載兩端形成的

10、電壓就越高。*VTTD2.4.2 單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過程B.穩(wěn)壓過程取樣電路比較放大基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生與脈寬控制VTTD2.4.2 單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過程*2.4.3 調(diào)整輸出電壓的方法tVitVktVoViTONTVoVkKR L電壓 變換器VO = Vi =D ViT0NT占空比只要改變開關(guān)脈沖的“占空比”，就可以改變輸出電壓的高低。在具體電路中，可以使開關(guān)脈沖頻率固定，改變開關(guān)管導(dǎo)通時間而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)寬式”開關(guān)電源。PWM也可以使開關(guān)管截止時間不變，只改變開關(guān)管導(dǎo)通時間長短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)頻調(diào)寬”式開關(guān)電源。PFM三、單

11、端反激式開關(guān)電源理論計算 3.1 工作原理分析 1、在開關(guān)VT導(dǎo)通期間： 2、在開關(guān)VT截止期間 圖2-2 單端反激式變換器3.2 單端反激式變換器也有三種工作狀態(tài)1、磁通臨界連續(xù)的工作情況： 圖8-16 臨界連續(xù)狀態(tài)時的電壓電流波形2、磁通不連續(xù)的工作狀態(tài) 圖8-17 磁通不連續(xù)時的工作波形3、磁通連續(xù)的工作狀況圖8-18 磁通連續(xù)時的工作波形 3.3、輸入電壓Uin與導(dǎo)通比t的對應(yīng)關(guān)系 即：輸入電壓最高時，相應(yīng)的導(dǎo)通比是最小，輸入電壓最低時，相應(yīng)的導(dǎo)通比是最大。因此，輸入電壓與導(dǎo)通比是一一對應(yīng)，相互制約的。運行中由于閉環(huán)調(diào)節(jié)，這種相互適應(yīng)是自動的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和PWM門

12、閂電路本身固有的最大最小導(dǎo)通比，一定要與運行條件所需的最大最小導(dǎo)通比不矛盾，否則就會失調(diào)。3.4 磁通復(fù)位問題 為了不致于出現(xiàn)磁路飽和每個開關(guān)周期工作磁通都能復(fù)位，因此： 1.單端反激式變換器開關(guān)變壓器的鐵芯都帶有氣隙 。2.初級繞組電流實現(xiàn)脈沖限流控制。 3.5 間歇振蕩問題 當(dāng)電網(wǎng)電壓升到一定值而又很大的情況下，欲維持輸出電壓恒定，則脈寬調(diào)制器會使脈寬減少到某一極限值時，不能再減小了，只能以最小導(dǎo)通比運行，但由于導(dǎo)通時所儲存的能量沒有釋放回路，就有可能出現(xiàn)：有的振蕩周期沒有PWM脈沖輸出，開關(guān)管不導(dǎo)通，有的振蕩周期就很寬，變成了作周期性或非周期性的間歇振蕩器，這時輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，變壓器發(fā)出刺耳的哨叫聲?？朔@一問題的辦法之一，也是最安全和可靠的辦法是在付繞組中加一固定負載電阻（假負載），以防負載開路，這樣電網(wǎng)電壓最高，負載開路了，由于有固定的假負載，脈寬保證有一最小的寬度而不致于出現(xiàn)間歇振