開(kāi)關(guān)電源原理及其應(yīng)用

1、開(kāi)關(guān)電源原理及其應(yīng)用第一部分：功率電子器件第一節(jié)：功率電子器件及其應(yīng)用要求功率電子器件大量被應(yīng)用于電源、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器、電機(jī)保護(hù)器等功率電子設(shè)備。這些設(shè)備都是自動(dòng)化系統(tǒng)中必不可少的，因此，我們了解它們是必要的。近年來(lái)，隨著應(yīng)用日益高速發(fā)展的需求，推動(dòng)了功率電子器件的制造工藝的研究和發(fā)展，功率電子器件有了飛躍性的進(jìn)步。器件的類(lèi)型朝多元化發(fā)展，性能也越來(lái)越改善。大致來(lái)講，功率器件的發(fā)展，體現(xiàn)在如下方面：1 器件能夠快速恢復(fù)，以滿(mǎn)足越來(lái)越高的速度需要。以開(kāi)關(guān)電源為例，采用雙極型晶體管時(shí)，速度可以到幾十千赫；使用MOSFET和IGBT，可以到幾百千赫；而采用了諧振技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源，則可以達(dá)到兆赫以上。

2、2 通態(tài)壓降（正向壓降）降低。這可以減少器件損耗，有利于提高速度，減小器件體積。3 電流控制能力增大。電流能力的增大和速度的提高是一對(duì)矛盾，目前最大電流控制能力，特別是在電力設(shè)備方面，還沒(méi)有器件能完全替代可控硅。4 額定電壓：耐壓高。耐壓和電流都是體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力的重要參數(shù)，特別對(duì)電力系統(tǒng)，這顯得非常重要。5 溫度與功耗。這是一個(gè)綜合性的參數(shù)，它制約了電流能力、開(kāi)關(guān)速度等能力的提高。目前有兩個(gè)方向解決這個(gè)問(wèn)題，一是繼續(xù)提高功率器件的品質(zhì)，二是改進(jìn)控制技術(shù)來(lái)降低器件功耗，比如諧振式開(kāi)關(guān)電源。總體來(lái)講，從耐壓、電流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定場(chǎng)合，仍然要使用大電流、高耐壓的可控硅。但一般

3、的工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合，功率電子器件已越來(lái)越多地使用MOSFET和IGBT，特別是IGBT獲得了更多的使用，開(kāi)始全面取代可控硅來(lái)做為新型的功率控制器件。第二節(jié)：功率電子器件概覽一 整流二極管：二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用如下三種選擇：1 高效快速恢復(fù)二極管。壓降0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。2 高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。3 肖特基勢(shì)壘整流二極管SBD。0.4V，適合5V等低壓電源。缺點(diǎn)是其電阻和耐壓的平方成正比，所以耐壓低（200V以下），反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度比較快，通態(tài)壓降低。目前SBD的

4、研究前沿，已經(jīng)超過(guò)1萬(wàn)伏。二大功率晶體管GTR 分為：?jiǎn)喂苄问?。電流系?shù)：10-30。雙管形式達(dá)林頓管。電流倍數(shù)：100-1000。飽和壓降大，速度慢。下圖虛線(xiàn)部分即是達(dá)林頓管。 圖1-1：達(dá)林頓管應(yīng)用實(shí)際比較常用的是達(dá)林頓模塊，它把GTR、續(xù)流二極管、輔助電路做到一個(gè)模塊內(nèi)。在較早期的功率電子設(shè)備中，比較多地使用了這種器件。圖1-2是這種器件的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)。圖1-2：達(dá)林頓模塊電路典型結(jié)構(gòu)兩個(gè)二極管左側(cè)是加速二極管，右側(cè)為續(xù)流二極管。加速二極管的原理是引進(jìn)了電流串聯(lián)正反饋，達(dá)到加速的目的。這種器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右（參考）。三 可控硅

5、SCR可控硅在大電流、高耐壓場(chǎng)合還是必須的，但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控制中，已逐步被新型器件取代。目前的研制水平在12KV/8000A左右（參考）。由于可控硅換流電路復(fù)雜，逐步開(kāi)發(fā)了門(mén)極關(guān)斷晶閘管GTO。制造水平達(dá)到8KV/8KA，頻率為1KHz左右。無(wú)論是SCR還是GTO，控制電路都過(guò)于復(fù)雜，特別是需要龐大的吸收電路。而且，速度低，因此限制了它的應(yīng)用范圍拓寬。集成門(mén)極換流晶閘管IGCT和MOS關(guān)斷晶閘管之類(lèi)的器件在控制門(mén)極前使用了MOS柵，從而達(dá)到硬關(guān)斷能力。四 功率MOSFET又叫功率場(chǎng)效應(yīng)管或者功率場(chǎng)控晶體管。其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平

6、方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。適合低壓100V以下，是比較理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。商業(yè)化的產(chǎn)品達(dá)到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。五 IGBT又叫絕緣柵雙極型晶體管。這種器件的特點(diǎn)是集MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。 目前這種器件的兩個(gè)方向：一是朝大功率，二是朝高速度發(fā)展。大功率IGBT模塊達(dá)到1200-1800A/1800-3300V的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達(dá)到150-180KHz。它的電流密度比

7、MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。盡管電力電子器件發(fā)展過(guò)程遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在描述的復(fù)雜，但是MOSFET和IGBT，特別是IGBT已經(jīng)成為現(xiàn)代功率電子器件的主流。因此，我們下面的重點(diǎn)也是這兩種器件。第三節(jié)：功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)管又叫功率場(chǎng)控晶體管。一原理：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱。實(shí)際上，功率場(chǎng)效應(yīng)管也分結(jié)型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號(hào)如下： N溝

8、道 P溝道圖1-3：MOSFET的圖形符號(hào)MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。和普通MOS管一樣，它也有：耗盡型：柵極電壓為零時(shí)，即存在導(dǎo)電溝道。無(wú)論VGS正負(fù)都起控制作用。增強(qiáng)型：需要正偏置柵極電壓，才生成導(dǎo)電溝道。達(dá)到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，使用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。二特點(diǎn)：這種器件的特點(diǎn)是輸入絕緣電阻大（1萬(wàn)兆歐以上），柵極電流基本為零。驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗

9、困難。適合低壓100V以下，是比較理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。其速度可以達(dá)到幾百KHz，使用諧振技術(shù)可以達(dá)到兆級(jí)。三參數(shù)與器件特性：無(wú)載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時(shí)間，與工作溫度關(guān)系不大，故熱穩(wěn)定性好。（1） 轉(zhuǎn)移特性： ID隨UGS變化的曲線(xiàn)，成為轉(zhuǎn)移特性。從下圖可以看到，隨著UGS的上升，跨導(dǎo)將越來(lái)越高。IDUGS圖1-4：MOSFET的轉(zhuǎn)移特性（2） 輸出特性（漏極特性）：輸出特性反應(yīng)了漏極電流隨VDS變化的規(guī)律。 這個(gè)特性和VGS又有關(guān)聯(lián)。下圖反映了這種規(guī)律。IDIDVDSVGS 圖中，爬坡段是非飽和區(qū)，水平段為飽和區(qū)，靠近橫軸附近為截止區(qū)，這

10、點(diǎn)和GTR有區(qū)別。圖1-5：MOSFET的輸出特性 VGS=0時(shí)的飽和電流稱(chēng)為飽和漏電流IDSS。（3）通態(tài)電阻Ron：通態(tài)電阻是器件的一個(gè)重要參數(shù)，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。 該參數(shù)隨溫度上升線(xiàn)性增加。而且VGS增加，通態(tài)電阻減小。（4）跨導(dǎo)： MOSFET的增益特性稱(chēng)為跨導(dǎo)。定義為： Gfs=ID/VGS 顯然，這個(gè)數(shù)值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。（5）柵極閾值電壓柵極閾值電壓VGS是指開(kāi)始有規(guī)定的漏極電流（1mA）時(shí)的最低柵極電壓。它具有負(fù)溫度系數(shù)，結(jié)溫每增加45度，閾值電壓下降10%。（6）電容 MOSFET的一個(gè)明顯特點(diǎn)是三個(gè)極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對(duì)開(kāi)關(guān)速

11、度有一定影響。偏置電壓高時(shí)，電容效應(yīng)也加大，因此對(duì)高壓電子系統(tǒng)會(huì)有一定影響。 有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：VGSQG可以看到：器件開(kāi)通延遲時(shí)間內(nèi)，電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對(duì)應(yīng)著管子開(kāi)通時(shí)間。最后，當(dāng)電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時(shí)管子已經(jīng)導(dǎo)通。圖1-6：柵極電荷特性（8）正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區(qū)。不同的是，它的安全工作區(qū)是由四根線(xiàn)圍成的。 最大漏極電流IDM：這個(gè)參數(shù)反應(yīng)了器件的電流驅(qū)動(dòng)能力。 最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。 最大漏極功耗P

12、DM：它由管子允許的溫升決定。 漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個(gè)參數(shù)，通態(tài)電阻過(guò)高，會(huì)影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據(jù)使用要求加以限制。IDVDSVDSMIDMPCMRON 圖1-7：正向偏置安全工作區(qū)第四節(jié)：絕緣柵雙極晶體管IGBT又叫絕緣柵雙極型晶體管。一原理： 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱。該器件符號(hào)如下：CCGEGE N溝道 P溝道圖1-8：IGBT的圖形符號(hào)注意，它的三個(gè)電極分別為門(mén)極G、集電極C、發(fā)射極E。圖1-9：IGBT的等效電路圖。上面給出了該器件的等效電路圖。實(shí)際上，它相當(dāng)于把MOS管和達(dá)林頓晶體管做到了一起。因而同時(shí)

13、具備了MOS管、GTR的優(yōu)點(diǎn)。二特點(diǎn)：這種器件的特點(diǎn)是集MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。大功率IGBT模塊達(dá)到1200-1800A/1800-3300V的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達(dá)到150-180KHz。三參數(shù)與特性： （1）轉(zhuǎn)移特性ICUGE圖1-10：IGBT的轉(zhuǎn)移特性這個(gè)特性和MOSFET極其類(lèi)似，反映了管子的控制能力。 （2）輸出特性VCEVGEICID 圖1-11：IGBT的輸出特性它的三個(gè)區(qū)分別為：靠

14、近橫軸：正向阻斷區(qū)，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。爬坡區(qū)：飽和區(qū)，隨著負(fù)載電流Ic變化，UCE基本不變，即所謂飽和狀態(tài)。水平段：有源區(qū)。 （3）通態(tài)電壓Von：IVONIGBTMOSFET圖1-12：IGBT通態(tài)電壓和MOSFET比較所謂通態(tài)電壓，是指IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降VDS，這個(gè)電壓隨VGS上升而下降。由上圖可以看到，IGBT通態(tài)電壓在電流比較大時(shí)，Von要小于MOSFET。MOSFET的Von為正溫度系數(shù)，IGBT小電流為負(fù)溫度系數(shù)，大電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)。（4）開(kāi)關(guān)損耗： 常溫下，IGBT和MOSFET的關(guān)斷損耗差不多。MOSFET開(kāi)關(guān)損耗與溫度關(guān)系不大，但I(xiàn)GBT每增加100度，損耗增

15、加2倍。 開(kāi)通損耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都對(duì)溫度比較敏感，且呈正溫度系數(shù)。 兩種器件的開(kāi)關(guān)損耗和電流相關(guān)，電流越大，損耗越高。（5）安全工作區(qū)與主要參數(shù)ICM、UCEM、PCM： IC UCE 安全工作區(qū) ICM UCEMIGBT的安全工作區(qū)是由電流ICM、電壓UCEM、功耗PCM包圍的區(qū)域。圖1-13：IGBT的功耗特性最大集射極間電壓UCEM：取決于反向擊穿電壓的大小。最大集電極功耗PCM：取決于允許結(jié)溫。最大集電極電流ICM：則受元件擎住效應(yīng)限制。所謂擎住效應(yīng)問(wèn)題：由于IGBT存在一個(gè)寄生的晶體管，當(dāng)IC大到一定程度，寄生晶體管導(dǎo)通，柵極失去控制作用。此時(shí)，漏電流增大，

16、造成功耗急劇增加，器件損壞。安全工作區(qū)隨著開(kāi)關(guān)速度增加將減小。 （6）柵極偏置電壓與電阻IGBT特性主要受柵極偏置控制，而且受浪涌電壓影響。其di/dt明顯和柵極偏置電壓、電阻Rg相關(guān)，電壓越高，di/dt越大，電阻越大，di/dt越小。而且，柵極電壓和短路損壞時(shí)間關(guān)系也很大，柵極偏置電壓越高，短路損壞時(shí)間越短。第二部分：開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)第一節(jié)：開(kāi)關(guān)電源的基本控制原理一開(kāi)關(guān)電源的控制結(jié)構(gòu)：一般地，開(kāi)關(guān)電源大致由輸入電路、變換器、控制電路、輸出電路四個(gè)主體組成。如果細(xì)致劃分，它包括：輸入濾波、輸入整流、開(kāi)關(guān)電路、采樣、基準(zhǔn)電源、比較放大、震蕩器、V/F轉(zhuǎn)換、基極驅(qū)動(dòng)、輸出整流、輸出濾波電路等。實(shí)際的

17、開(kāi)關(guān)電源還要有保護(hù)電路、功率因素校正電路、同步整流驅(qū)動(dòng)電路及其它一些輔助電路等。下面是一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)電源原理框圖，掌握它對(duì)我們理解開(kāi)關(guān)電源有重要意義。采樣電路比較放大基準(zhǔn)電源V/F轉(zhuǎn)換震蕩器基極驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件變壓器整流濾波保護(hù)電路功率因素校正濾波整流浪涌抑制輸入電路變換電路輸出電路控制電路PM電路（類(lèi)型PFM）圖2-1：開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)控制類(lèi)型不同，PM（脈沖調(diào)制）電路可能有多種形式。這里是典型的PFM結(jié)構(gòu)。二開(kāi)關(guān)電源的構(gòu)成原理：（一）輸入電路：線(xiàn)性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路。作用：把輸入電網(wǎng)交流電源轉(zhuǎn)化為符合要求的開(kāi)關(guān)電源直流輸入電源。1線(xiàn)性濾波電路：抑制諧波和噪聲。2浪

18、涌濾波電路： 抑制來(lái)自電網(wǎng)的浪涌電流。3整流電路： 把交流變?yōu)橹绷鳌?有電容輸入型、扼流圈輸入型兩種，開(kāi)關(guān)電源多數(shù)為前者。（二）變換電路：含開(kāi)關(guān)電路、輸出隔離（變壓器）電路等，是開(kāi)關(guān)電源電源變換的主通道，完成對(duì)帶有功率的電源波形進(jìn)行斬波調(diào)制和輸出。這一級(jí)的開(kāi)關(guān)功率管是其核心器件。1開(kāi)關(guān)電路驅(qū)動(dòng)方式：自激式、他激式。變換電路：隔離型、非隔離型、諧振型。功率器件：最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。調(diào)制方式：PWM、PFM、混合型三種。PWM最常用。2變壓器輸出 分無(wú)抽頭、帶抽頭。半波整流、倍流整流時(shí)，無(wú)須抽頭，全波時(shí)必須有抽頭。（三）控制電路：向驅(qū)動(dòng)電路提供調(diào)制后的矩形脈沖，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電

19、壓的目的?；鶞?zhǔn)電路：提供電壓基準(zhǔn)。如并聯(lián)型基準(zhǔn)LM358、AD589，串聯(lián)型基準(zhǔn)AD581、REF192等。采樣電路：采取輸出電壓的全部或部分。比較放大：把采樣信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，用于控制電源PM電路。V/F變換：把誤差電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。振蕩器：產(chǎn)生高頻振蕩波?；鶚O驅(qū)動(dòng)電路：把調(diào)制后的振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的基極。（四）輸出電路：整流、濾波。把輸出電壓整流成脈動(dòng)直流，并平滑成低紋波直流電壓。輸出整流技術(shù)現(xiàn)在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。第二節(jié)：各類(lèi)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)電源分析一非隔離型開(kāi)關(guān)變換器（一）降壓變換器Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。由

20、于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感充放電伏秒積相等，因此：（Ui-Uo）*ton=Uo*toff， Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,Ui*ton=Uo(ton+toff),Uo/Ui=ton/(ton+toff)= 即，輸入輸出電壓關(guān)系為：Uo/Ui=(占空比)UoIDSIDVDIDLIDCID圖2-2：Buck電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)在開(kāi)關(guān)管S通時(shí)，輸入電源通過(guò)L平波和C濾波后向負(fù)載端提供電流；當(dāng)S關(guān)斷后，L通過(guò)二極管續(xù)流，保持負(fù)載電流連續(xù)。輸出電壓因?yàn)檎伎毡茸饔?，不?huì)超過(guò)輸入電源電壓。（二）升壓變換器Boost電路：升壓斬波器，入出極性相同。利用同樣的方法，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感L的充放電伏秒積相等的原理，可以推導(dǎo)出

21、電壓關(guān)系：UiIDUoIDSIDVDIDLIDCIDUo/Ui=1/（1-）圖2-3：Boost電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)這個(gè)電路的開(kāi)關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。在S通時(shí)，電流通過(guò)L平波，電源對(duì)L充電。當(dāng)S斷時(shí)，L向負(fù)載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓Ui+UL，因而有升壓作用。（三）逆向變換器Buck-Boost電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。電壓關(guān)系：Uo/Ui=-/（1-）UiIDUoIDSIDVDIDCIDL圖2-4：Buck-Boost電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)S通時(shí)，輸入電源僅對(duì)電感充電，當(dāng)S斷時(shí)，再通過(guò)電感對(duì)負(fù)載放電來(lái)實(shí)現(xiàn)電源傳輸。所以，這里的L是用于傳輸能量的器件。（四）丘克變換器Cuk電路：升/降

22、壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。電壓關(guān)系：Uo/Ui=-/（1-）。 N2C1TC2L2RUoVDL1SUi圖2-5：Cuk變換器電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，Ui對(duì)L1充電。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，Ui+EL1通過(guò)VD對(duì)C1進(jìn)行充電。再當(dāng)S閉合時(shí)，VD關(guān)斷，C1通過(guò)L2、C2濾波對(duì)負(fù)載放電，L1繼續(xù)充電。這里的C1用于傳遞能量，而且輸出極性和輸入相反。二隔離型開(kāi)關(guān)變換器1推挽型變換器下面是推挽型變換器的電路。S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT圖2-6：推挽型變換電路S1和S2輪流導(dǎo)通，將在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流，經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)L、C濾波，送給負(fù)載。由于電感L在開(kāi)關(guān)之后，所以當(dāng)

23、變比為1時(shí)，它實(shí)際上類(lèi)似于降壓變換器。2半橋型變換器圖2-6給出了半橋型變換器的電路圖。當(dāng)S1和S2輪流導(dǎo)通時(shí)，一次側(cè)將通過(guò)電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產(chǎn)生交變電流，從而在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流，經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)L、C濾波，送給負(fù)載。C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2同樣地，這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。圖2-7：半橋式變換電路3全橋型變換器下圖是全橋變換器電路。CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1圖2-8：全橋式變換電路當(dāng)S1、S3和S2、S4兩兩輪流導(dǎo)通時(shí)，一次側(cè)將通過(guò)電源-S2-T-S4-電源及電源-S1-T-S3-電

24、源產(chǎn)生交變電流，從而在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流，經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)L、C濾波，送給負(fù)載。這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。4正激型變換器下圖為正激式變換器。TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui圖2-9：正激型變換器電路當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，原邊經(jīng)過(guò)輸入電源-N1-S-輸入電源，產(chǎn)生電流。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，N1能量轉(zhuǎn)移到N3，經(jīng)N3-電源-VD3向輸入端釋放能量，避免變壓器過(guò)飽和。VD1用于整流，VD2用于S斷開(kāi)期間續(xù)流。5隔離型Cuk變換器 隔離型Cuk變換器電路如下所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11圖2-10：隔離型Cuk變換器當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，Ui對(duì)L1充電。當(dāng)

25、S斷開(kāi)時(shí)，Ui+EL1對(duì)C11及變壓器原邊放電，同時(shí)給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應(yīng)出脈動(dòng)直流信號(hào)，通過(guò)VD對(duì)C12反向充電。在S導(dǎo)通期間，C12的反壓將使VD關(guān)斷，并通過(guò)L2、C2濾波后，對(duì)負(fù)載放電。這里的C12明顯是用于傳遞能量的，所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。6電流變換器 能量回饋型電流變換器電路如下圖所示。S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTN4N3VD1VD2VD3圖2-11：能量回饋型電流變換器電路該電路與推挽電路類(lèi)似。不同的是，在主通路上串聯(lián)了一個(gè)電感。其作用是在S1、S2斷開(kāi)期間，使得變壓器能量轉(zhuǎn)移到N3繞組，通過(guò)VD3回饋到輸入端。（上圖懷疑N3同名端反了。）

26、下面是升壓型變換器的電路圖：S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTLVD1VD2圖2-12：升壓型電流變換器電路該電路也與推挽電路類(lèi)似，并在主通路上串聯(lián)了一個(gè)電感。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，L積蓄能量。當(dāng)一側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感電動(dòng)勢(shì)和Ui疊加在一起，對(duì)另一側(cè)放電。因此，L有升壓作用。三準(zhǔn)諧振型變換器在脈沖調(diào)制電路中，加入R、L諧振電路，使得流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流及管子兩端的壓降為準(zhǔn)正弦波。這種開(kāi)關(guān)電源成為諧振式開(kāi)關(guān)電源。利用一定的控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管在電流或電壓波形過(guò)零時(shí)切換，這樣對(duì)縮小電源體積，增大電源控制能力，提高開(kāi)關(guān)速度，改善紋波都有極大好處。所以諧振開(kāi)關(guān)電源是當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的主流技術(shù)。又分為：1Z

27、CS零電流開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷。2ZVS零電壓開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)管在零電壓時(shí)關(guān)斷。具體關(guān)于這個(gè)技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹，見(jiàn)后面相關(guān)內(nèi)容。四開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)總結(jié) 開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)（一）按控制方式：脈沖調(diào)制變換器：驅(qū)動(dòng)波形為方波。PWM、PFM、混合式。諧振式變換器：驅(qū)動(dòng)波形為正弦波。又分ZCS（零電流諧振開(kāi)關(guān)）、ZVS（零電壓諧振開(kāi)關(guān)）兩種。（二）按電壓轉(zhuǎn)換形式：1AC/DC：一次電源。即整流電源。2DC/DC：二次電源。1)Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。2)Boost：升壓斬波器，入出極性相同。3)Buck-Boost：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。4)Cuk：升/降壓斬波器，入出極性相反

28、，電容傳輸。（三）按拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)：1隔離型：有變壓器。2非隔離型：無(wú)變壓器。第三節(jié)：諧振式電源與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)本節(jié)討論諧振式開(kāi)關(guān)電源的有關(guān)知識(shí)。2-3-1電路的諧振現(xiàn)象為了更好地理解諧振式電源，這里回憶一下電路諧振的條件及其特點(diǎn)。一、串聯(lián)電路的諧振一個(gè)R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓作用下，其復(fù)阻抗：Z=R+j(L-1/C)一定條件下，使得XL=XC，即L=1/C ，Z=R，此時(shí)的電路狀態(tài)稱(chēng)為串聯(lián)諧振。明顯地，串聯(lián)諧振的特點(diǎn)是：1阻抗角等于零，電路呈純電阻性，因而電路端電壓U和電流I同相。2此時(shí)的阻抗最小，電路電流有效值達(dá)到最大。3諧振頻率：o=1/LC 。4諧振系數(shù)或品質(zhì)因素：Q=oL/R=1/oCR

29、=（L/C）/R。由于串聯(lián)諧振時(shí)，L、C電壓彼此抵消，因此也稱(chēng)為電壓諧振。從外部看，L、C部分類(lèi)似于短路。而此時(shí)Uc、UL是輸入電壓U的Q倍。Q值越大，振蕩越強(qiáng)。這里的Z0=L/C，我們稱(chēng)為特性阻抗，它決定了諧振的強(qiáng)度。5諧振發(fā)生時(shí)，C、L中的能量不斷互相轉(zhuǎn)換，二者之間反復(fù)進(jìn)行充放電過(guò)程，形成正弦波振蕩。二、并聯(lián)電路的諧振一個(gè)R、L、C并聯(lián)電路，在正弦電壓作用下，其復(fù)導(dǎo)納：Y=1/R-j(1/L-C)一定條件下，使得YL=YC，即1/L=C ，Y=1/R，此時(shí)的電路狀態(tài)稱(chēng)為并聯(lián)諧振。明顯地，串并諧振的特點(diǎn)是：1導(dǎo)納角等于零，電路呈純電阻性，因而電路端電壓U和電流I同相。2此時(shí)的導(dǎo)納最小，電路電

30、流有效值達(dá)到最小。3諧振頻率：o=1/LC 。4由于并聯(lián)諧振時(shí)，L、C電流彼此抵消，因此也稱(chēng)為電流諧振。從外部看，L、C部分類(lèi)似于開(kāi)路，L、C各自有效電流卻達(dá)到最大。5諧振發(fā)生時(shí)，C、L中的能量不斷互相轉(zhuǎn)換，二者之間反復(fù)進(jìn)行充放電過(guò)程，形成正弦波振蕩。2-3-2諧振式電源的基本原理諧振式電源是新型開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。它利用諧振電路產(chǎn)生正弦波，在正弦波過(guò)零時(shí)切換開(kāi)關(guān)管，從而大大提高了開(kāi)關(guān)管的控制能力，并減小了電源體積。同時(shí)，也使得電源諧波成分大為降低。另外，電源頻率得到大幅度提高。PWM一般只能達(dá)到幾百K，但諧振開(kāi)關(guān)電源可以達(dá)到1M以上。普通傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源功率因素在0.4-0.7，諧振式電源結(jié)合

31、功率因素校正技術(shù)，功率因素可以達(dá)到0.95以上，甚至接近于1。從而大大抑制了對(duì)電網(wǎng)的污染。這種開(kāi)關(guān)電源又分為：1ZCS零電流開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷。2ZVS零電壓開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)管在零電壓時(shí)關(guān)斷。在脈沖調(diào)制電路中，加入L、C諧振電路，使得流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流及管子兩端的壓降為準(zhǔn)正弦波。下面是這兩種開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單原理圖。IcUiSLrCrVDIcUiSLrCrVDSIsTsTonToffSUsTsonoff圖2-13：電流諧振式開(kāi)關(guān)電路 電壓諧振式開(kāi)關(guān)電路ZCS電流諧振開(kāi)關(guān)中，Lr、Cr構(gòu)成的諧振電路通過(guò)Lr的諧振電流通過(guò)S，我們可以控制開(kāi)關(guān)在電流過(guò)零時(shí)進(jìn)行切換。這個(gè)諧振電路的電流是正弦波，而Us為矩形波電

32、壓。ZVS電壓諧振開(kāi)關(guān)中，Lr、Cr構(gòu)成的諧振電路的Cr端諧振電壓并聯(lián)到S，我們可以控制開(kāi)關(guān)在電壓過(guò)零時(shí)進(jìn)行切換。這個(gè)諧振電路的電壓是正弦波，而Is接近矩形波。以上兩種電路，由于開(kāi)關(guān)切換時(shí)，電流、電壓重疊區(qū)很小，所以切換功率也很小。以上開(kāi)關(guān)電源是半波的，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成全波的。所以又有半波諧振開(kāi)關(guān)和全波諧振開(kāi)關(guān)的區(qū)分。2-3-3諧振開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析 實(shí)際上，諧振開(kāi)關(guān)中的所謂“諧振”并不是真正理論上的諧振，而是L、C電路在送電瞬間產(chǎn)生的一個(gè)阻尼振蕩過(guò)程。下面，我們對(duì)這個(gè)過(guò)程做一些分析，以了解諧振開(kāi)關(guān)的工作原理。一、零電流開(kāi)關(guān)實(shí)際的零電流開(kāi)關(guān)諧振部分拓補(bǔ)又分L型和M型。如下面兩組圖形所示：SL1

33、C1VD1SL1C1VD1SL1C1 圖2-14：L型零電流諧振開(kāi)關(guān)（中半波，右全波）SL1C1SL1C1VD1SL1C1VD1 圖2-15：M型零電流諧振開(kāi)關(guān)（中半波，右全波） 這里的L1用于限制di/dt，C1用于傳輸能量，在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，構(gòu)成串聯(lián)諧振。用零電流開(kāi)關(guān)替代PWM電路的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，可以組成諧振式變換器電路。按照Buck電路的拓補(bǔ)結(jié)果，可以得到如下電路：ViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0i1圖2-16：Buck型準(zhǔn)諧振ZCS變換器（L型）ViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0圖2-17：Buck型準(zhǔn)諧振ZCS變換器（M型）這里，我們分析一下L型電路的工作過(guò)程。假定這是一

34、個(gè)理想器件組成的電源。L2遠(yuǎn)大于L1，從L2左側(cè)看，可以認(rèn)為流過(guò)L2、C2、RL的輸出電流是一個(gè)恒流源，電流I0。諧振角頻率：0=1/L1C1 。特性阻抗：Z0 =L1/C1）。動(dòng)態(tài)過(guò)程如下：1線(xiàn)性階段（t0-t1）：在S導(dǎo)通前，VD2處于續(xù)流階段。此時(shí)VVD2=VC1=0。S導(dǎo)通時(shí)，L1電流由0開(kāi)始上升，由于續(xù)流沒(méi)有結(jié)束，此時(shí)初始VL1=Vi。由VL1=Vi=L1di/dt，且L1初始電流為0，有：i1=Vi(t-t0)/L1-式1到t1時(shí)刻，達(dá)到負(fù)載電流I0，因此：此階段持續(xù)時(shí)間：T1=t1-t0=L1I0/Vi由式1，可以看出，此階段i1是時(shí)間的線(xiàn)性函數(shù)。2諧振階段（t1-t2）：在電流

35、i1上升期間，當(dāng)i1小于I0時(shí)，由于i1無(wú)法供應(yīng)恒流I0，續(xù)流過(guò)程將維持。當(dāng)i1=I0時(shí)，將以i1-I0對(duì)C1充電，VD2開(kāi)始承受正壓，VD2電流下降并截止。L1、C1開(kāi)始串聯(lián)諧振，i1 因諧振繼續(xù)上升。iC1=C1dVC1/dt=i1-I0VL1=L1di1/dt=Vi-VC1因而：i1=I0+ iC1=I0+Vi/Z0*sin0 (t-t1)-式2其中，iC1為諧振電流。VC1=Vi-VL1= Vi -Vicos0 (t-t1)= Vi 1-icos0 (t-t1)-式3諧振到ta時(shí)刻，諧振電流歸零。如為半波開(kāi)關(guān)，則開(kāi)關(guān)自行關(guān)斷；如果是全波開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)關(guān)斷后，將通過(guò)VD1進(jìn)行阻尼振蕩，將電容

36、能量饋送回電源，到時(shí)刻tb電流第二次為0。本階段結(jié)束，這時(shí)的時(shí)刻為t2。VC1在i1諧振半個(gè)周期，i1=I0時(shí)，達(dá)最大值。i1第一次過(guò)零（ta）時(shí)，S斷開(kāi)。如為半波開(kāi)關(guān)，則諧振階段結(jié)束。如為全波開(kāi)關(guān)，C1經(jīng)半個(gè)周期的阻尼振蕩到電流為0（tb）時(shí)，將放電到一個(gè)較小值。從式2、3，可以看出諧振階段ta前，i1、VC1是時(shí)間的正弦函數(shù)；如為全波開(kāi)關(guān)，還有一段時(shí)間的阻尼振蕩波。3恢復(fù)階段（t2-t3）：由于VC1滯后1/4個(gè)諧振周期，因而在t2后，因L2的作用還將繼續(xù)向負(fù)載放電，直至VC1=0。這階段，如考慮電流方向性：I0=-C1dVC1/dt故：VC1= VC1（t2）-I0（t-t2）/C1-式

37、4因此，這個(gè)階段的VC1是時(shí)間的線(xiàn)性函數(shù)，電壓從VC1（t2）逐步下降到零。如為半波開(kāi)關(guān)，則開(kāi)關(guān)分壓也將線(xiàn)性上升到輸入電源值。4續(xù)流階段（t3-t4）：當(dāng)電容放電到零后，VD2因反壓消失而導(dǎo)通，對(duì)L2及負(fù)載進(jìn)行續(xù)流，以保持電流I0連續(xù)。此時(shí)，我們可以根據(jù)電路的要求，選擇在適當(dāng)時(shí)間再次開(kāi)通S，重新開(kāi)始線(xiàn)性階段。ttttttttSiLVSVC1ONONSiLVSVC1t0t1t3t4t0t1t3t4t2t2根據(jù)以上導(dǎo)出的各公式，可以得到如下的波形圖：I0圖2-18：半波ZCS開(kāi)關(guān)波形 全波ZCS開(kāi)關(guān)波形從以上分析可以看出，ZCS諧振開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)管總是在電流為0時(shí)進(jìn)行切換。實(shí)際情況與理想分析有所

38、不同，VC1將有所超前。M型電路分析方法類(lèi)似，不再贅述。二、零電壓開(kāi)關(guān)ZCS在S導(dǎo)通時(shí)諧振，而ZVS則在S截止時(shí)諧振，二者形成對(duì)偶關(guān)系。分析過(guò)程大體類(lèi)似，此處從略。綜合以上分析過(guò)程，我們可以看出，該拓補(bǔ)諧振結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)PFM調(diào)節(jié)，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)PWM。原因是脈沖寬度僅受諧振參數(shù)控制。要實(shí)現(xiàn)PWM，還需要增加輔助開(kāi)關(guān)管。這在本節(jié)“四、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及常見(jiàn)拓補(bǔ)簡(jiǎn)介”中將予以介紹。2-3-4軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及常見(jiàn)軟開(kāi)關(guān)拓補(bǔ)簡(jiǎn)介軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電容與電感的諧振，使開(kāi)關(guān)器件中的電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過(guò)零時(shí)，使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓過(guò)零時(shí)，使器件開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的近似零損耗。同時(shí)，有助于提高頻率，提高開(kāi)

39、關(guān)的容量，減小噪聲。相對(duì)于軟開(kāi)關(guān)，普通開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換器也叫硬開(kāi)關(guān)。按控制方式，軟開(kāi)關(guān)可以分為：脈沖寬度脈沖頻率調(diào)制式（PFM）、脈沖頻率調(diào)制式（PWM）、脈沖移相式（PS）三種。一、PWM變換器PWM控制方式是指在開(kāi)關(guān)管工作頻率恒定的前期下，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這是應(yīng)用最多的方式，適用于中小功率的開(kāi)關(guān)電源。1零電流開(kāi)關(guān)PWM變換器VDSI0ILRLRS1LLVD1UinS2R0CSVDCR 圖2-19：Buck型ZCS-PWM變換器上圖是增加輔助開(kāi)關(guān)控制的Buck型零電流開(kāi)關(guān)變換器。其工作過(guò)程與前面過(guò)程略有差異：1）線(xiàn)性階段（S1、S2導(dǎo)通）：開(kāi)始時(shí)，在LR作用下，S1零電流

40、導(dǎo)通。隨后，因Uin作用，ILR線(xiàn)性上升，并到達(dá)ILR=Io。2）正向諧振階段（S1、S2導(dǎo)通-關(guān)斷）：當(dāng)ILR=Io時(shí)，因CR開(kāi)始產(chǎn)生電壓，VD在零電流下自然關(guān)斷。之后，LR與CR開(kāi)始諧振，經(jīng)過(guò)半個(gè)諧振周期，ILR再次諧振到Io，UCR上升到最大值，而ICR 為零，S2關(guān)斷，UCR和ILR將被保持，無(wú)法繼續(xù)諧振。3）保持階段（S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷）：此狀態(tài)保持時(shí)間由PWM電路要求而定，保持期間，Uin正常向負(fù)載以I0供電。4）反向諧振階段（S1導(dǎo)通-關(guān)斷、S2導(dǎo)通）：當(dāng)需要關(guān)斷S1時(shí)，可以控制重新打開(kāi)S2，此時(shí)在LR作用下，S2電流為0。諧振再次開(kāi)始，當(dāng)ILR反向諧振到0時(shí)， S1可在零電流零

41、電壓下完成關(guān)斷。5）恢復(fù)階段（S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通）：此后，UCR 在Io作用下，衰減到0。6）續(xù)流階段（S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通-關(guān)斷）：UCR衰減到0后，VD自然導(dǎo)通開(kāi)始續(xù)流。由于VD的短路作用，S2可在此后至下一周期到來(lái)前以零壓零電流方式完成關(guān)斷?？梢?jiàn)，S1在前四個(gè)階段（線(xiàn)性、諧振、保持）均導(dǎo)通，恢復(fù)及續(xù)流時(shí)關(guān)斷。S2的作用主要是隔斷諧振產(chǎn)生保持階段。S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振實(shí)現(xiàn)了自身的軟開(kāi)關(guān)。該電路的開(kāi)關(guān)管及二極管均在零電壓或零電流條件下通斷，主開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低，但電流應(yīng)力大（諧振作用）。續(xù)流二極管電壓應(yīng)力大，而且諧振電感在主通路上，因而負(fù)載、輸入等將影響ZCS工作狀態(tài)

42、。2零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器UosCRVD1VD4LLCSR0S1S2LRI0VD2VD3圖2-20：Boost型ZVS-PWM變換器上面是Boost型零電壓諧振變換器。在每次S1導(dǎo)通前，首先輔助開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通，使諧振電路起振。S1兩端電壓諧振為0后，開(kāi)通S1。S1導(dǎo)通后，迅速關(guān)斷S2，使諧振停止。此時(shí)，電路以常規(guī)PWM方式運(yùn)行。同樣，我們可以利用諧振再次關(guān)斷S1，CR使得主開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零關(guān)斷。S1、S2的配合控制，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)下的PWM調(diào)節(jié)。該電路實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管的零壓導(dǎo)通，且保持恒頻率運(yùn)行。在較寬的輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)，可以滿(mǎn)足ZVS條件二極管零電流關(guān)斷。期缺點(diǎn)是輔助開(kāi)關(guān)管不在軟件開(kāi)關(guān)條件

43、下運(yùn)行，但和主開(kāi)關(guān)管相比，它只處理少量的諧振能量。3有源鉗位的零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器下圖為有源鉗位的ZVS開(kāi)關(guān)PWM變換器，這是個(gè)隔離型降壓變換器。其中，LR為變壓器的漏電感，LM是變壓器的激磁電感。CR為S1、S2的結(jié)電容。這個(gè)電路巧妙地利用電路的寄生LR、CR產(chǎn)生諧振而達(dá)到ZVS條件。同時(shí)，CR有電壓鉗位作用，防止S1在關(guān)斷時(shí)過(guò)壓。這里的輔助開(kāi)關(guān)S2同樣是通過(guò)控制諧振時(shí)刻，來(lái)配合S1進(jìn)行軟開(kāi)關(guān)。該電路具體工作過(guò)程從略。UosLMCCR0S2CSLRS1CR圖2-21：有源鉗位ZVS-PWM正激變換器（這個(gè)開(kāi)關(guān)的課堂講解略）。二、PFM變換器PFM是指通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率（開(kāi)關(guān)管的工作頻率）來(lái)實(shí)

44、現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的。它控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于它工作頻率不穩(wěn)定，因此一般用于負(fù)載及輸入電壓相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)合。R0I0UosCRVDVDSLRL1C1S11Buck零電流開(kāi)關(guān)變換器圖2-22：Buck型ZCS準(zhǔn)諧振變換器該電路就是前面動(dòng)態(tài)過(guò)程分析講的典型ZCS降壓型拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。我們可利用諧振電流過(guò)零來(lái)實(shí)現(xiàn)S1通斷，脈寬事實(shí)上受諧振電路參數(shù)控制，但我們可以控制S1開(kāi)通時(shí)刻（即頻率）來(lái)實(shí)現(xiàn)PFM。2Buck零電壓開(kāi)關(guān)變換器UinCRVDVDSLRCRR0SCSI0圖2-23：Buck型ZVS準(zhǔn)諧振變換器這個(gè)電路是一個(gè)Buck型電路結(jié)構(gòu)它利用。它直接利用輸出電感作為諧振電感，和CR產(chǎn)生諧振。過(guò)程是：1）線(xiàn)性階段

45、（S導(dǎo)通）：S導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Uin將對(duì)CR充電，并提供輸出恒流I0。開(kāi)始時(shí)，由于續(xù)流過(guò)程沒(méi)有結(jié)束，VD將維持一段時(shí)間向LR提供電流。2）諧振階段1（S導(dǎo)通-關(guān)斷）：隨著CR電壓的上升，VD逐步承受反壓關(guān)斷。LR、CR開(kāi)始諧振，輸入電源既要提供負(fù)載恒定電流，又要提供諧振電流。由于電源鉗位作用，VD無(wú)法恢復(fù)續(xù)流。諧振中，可以選擇某一時(shí)刻關(guān)斷S，關(guān)斷時(shí)兩端電壓為0。3）諧振階段2（S關(guān)斷）：此后，LR、CR、CS共同諧振。當(dāng)CR電壓諧振到過(guò)零時(shí)，VD重新導(dǎo)通續(xù)流。4）諧振階段3（S關(guān)斷-導(dǎo)通）：續(xù)流期間，LR、CS繼續(xù)諧振。當(dāng)CS電壓過(guò)零時(shí)，可以重新開(kāi)通S。 這個(gè)電路是利用S的關(guān)斷時(shí)刻來(lái)達(dá)到PFM

46、調(diào)節(jié)的。三、PS軟開(kāi)關(guān)變換器 脈沖移相軟開(kāi)關(guān)變換器用于橋式變換器。橋式變換器必須是在對(duì)角開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才輸出功率。我們可以通過(guò)調(diào)整對(duì)角開(kāi)關(guān)管的重合角度，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。在中、大功率電源中，經(jīng)常使用這種變換器。 1移相全橋零電壓零電流變換器下圖是移相式PS-FB-ZVZCS-PWM（移相-全橋-零電壓零電流-脈寬調(diào)制）變換器電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)圖。C1C、C2C是開(kāi)關(guān)管結(jié)電容或并聯(lián)電容，LR為變壓器的漏電感，LS為串聯(lián)的飽和電感，Cb為阻斷電容。VD1-VD4用做續(xù)流二極管。原理簡(jiǎn)述：這是一個(gè)全波橋軟開(kāi)關(guān)變換器，我們可以讓S3、S4在移相時(shí)滯后，則我們把S1、S2稱(chēng)為超前橋臂，S3、S4稱(chēng)為滯

47、后橋臂。S1、S2可以在LR、LS、C1C、C2C、副邊耦合電感等的諧振作用下，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。在電流過(guò)零時(shí)，由于阻斷電容、飽和電感作用，使得零電流有一定保持時(shí)間，在此期間，S3、S4實(shí)現(xiàn)零開(kāi)關(guān)。如果把LS、Cb去掉，在S3、S4兩端并聯(lián)兩個(gè)諧振電容，就構(gòu)成了移相全橋零電壓變換器。UosR0S1S2S3S4C1CC2CVD1VD2VD3VD4CbLSLRLrCr 圖2-24：移相全橋零電壓零電流變換器2不對(duì)稱(chēng)移相全橋零電壓零電流變換器下圖中，超前臂外接了旁路電容和反并二極管，而滯后臂則沒(méi)有。所以稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)移相全橋變換器。這個(gè)電路同樣是通過(guò)諧振在零壓時(shí)開(kāi)關(guān)S1、S3，而在零電流開(kāi)關(guān)S2、S4。這

48、個(gè)電路和對(duì)稱(chēng)全橋的區(qū)別是，對(duì)稱(chēng)全橋由于滯后橋臂有續(xù)流二極管和電容，因此在電流過(guò)零后，將形成反向流通渠道，因此要有比較大的電感來(lái)維持電流過(guò)零的時(shí)間，以完成對(duì)滯后橋臂的開(kāi)關(guān)。而不對(duì)稱(chēng)全橋則因?yàn)闇髽虮蹧](méi)有了通路，因此過(guò)零后能保持在零電流，以便完成滯后臂的開(kāi)關(guān)。同時(shí)，由于對(duì)稱(chēng)全橋電路原邊串聯(lián)了比較大的電感，因而電源效率會(huì)有一定損失。而不對(duì)稱(chēng)電路可以不串較大電感，所以損耗降低，電源效率得以提高。下面是該電路的工作過(guò)程要點(diǎn)分析如下：ViR0S1S3S2S4C1C2VD1VD2LKL0C0C3SCCC 圖2-25：不對(duì)稱(chēng)移相全橋零電壓零電流變換器1） 先看對(duì)角導(dǎo)通，如S1、S4開(kāi)通時(shí)，原邊能量正常向副邊傳

49、輸，C2、Cc充電。2） 當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，C1充電，C2放電，原邊電流方向不變。由于C1上升是漸進(jìn)的，所以S1屬于零壓關(guān)斷。3） 當(dāng)C2放電過(guò)零，VD2開(kāi)始反向?qū)〞r(shí)，可以控制S3導(dǎo)通，因此S3為零壓導(dǎo)通。4） S3導(dǎo)通上升沿觸發(fā)一單穩(wěn)態(tài)脈沖，控制輔管Sc導(dǎo)通。此時(shí)，Cc電壓被瞬間接到變壓器副邊。從而在原邊產(chǎn)生一瞬間高壓，此較高電壓將加快原邊電流迅速?gòu)?fù)位歸零。5） 當(dāng)電流回零后，輔管關(guān)斷。此時(shí)副邊又被鉗制在近似短路的低電壓，原邊電壓也迅速降低。使得C3電壓反向加到S4上，促使S4在零電流下關(guān)斷。6） 此時(shí)，在Lk作用下，同時(shí)可以零電流開(kāi)通S2。電流換向成功，進(jìn)入下半個(gè)周期。7） 副邊在原邊換向的

50、同時(shí)，也完成換向，且由于Cc的存在，抑制了整流管的反向尖峰電壓。第四節(jié)：其它軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展概況 其實(shí)，為了提高對(duì)輸入電壓、負(fù)載變化的適應(yīng)能力，降低開(kāi)關(guān)管電壓、電流應(yīng)力，減少開(kāi)關(guān)損耗等目的，其它改進(jìn)型的軟開(kāi)關(guān)類(lèi)型還有很多，也有許多問(wèn)題需要討論，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是這些篇幅所能探討的。這里只簡(jiǎn)單瀏覽相關(guān)典型軟開(kāi)關(guān)電路，感興趣者可查閱相關(guān)專(zhuān)業(yè)資料。一 半橋不對(duì)稱(chēng)PWM變換器與全橋變換器不同，在合適的控制方案下，半橋電路也可以組成不對(duì)稱(chēng)ZVS變換器，但無(wú)法構(gòu)成ZVZCS電路。它可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零壓切換，且在寬負(fù)載和輸入電壓范圍實(shí)現(xiàn)恒頻PWM調(diào)節(jié)。二 有源與無(wú)源軟開(kāi)關(guān)一般的軟開(kāi)關(guān)，分為有源和無(wú)源兩種。傳統(tǒng)的軟

51、開(kāi)關(guān)要附加有源器件（如開(kāi)關(guān)）及控制電路，近幾年逐步開(kāi)始開(kāi)發(fā)無(wú)源軟開(kāi)關(guān)，從而促進(jìn)了電路的簡(jiǎn)化和開(kāi)關(guān)電源的成本降低。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)dv/dt、di/dt的降低，從而有效地完成ZVS、ZCS控制，以消除電路中的有源部分。三 DC/DC變換器DC/DC變換器實(shí)際上就是前面講到的各類(lèi)變換器。只是去掉開(kāi)關(guān)電源的輸入電路及部分輸出整流器件，形成簡(jiǎn)單的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊。這類(lèi)器件目前取得了較大范圍的應(yīng)用，使得用戶(hù)可以簡(jiǎn)單地構(gòu)件自己的電源系統(tǒng)。這種器件的研發(fā)，成為開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要分支。四 軟開(kāi)關(guān)逆變器借用軟開(kāi)關(guān)的概念，在全橋電路上適當(dāng)改進(jìn)，可以構(gòu)成軟開(kāi)關(guān)全橋有源逆變器電路。所以，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用不僅僅限于開(kāi)關(guān)電源本身，其它類(lèi)似功率變換電路也可以借用這個(gè)技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開(kāi)關(guān)，從而降低損耗，提高效率。典型的如變頻器、電機(jī)保護(hù)器。五 三電平電路在大功率高電壓變換電路中，管子