各种开关电源介绍-开关电源设计知识大全.docx

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1、开关电源介绍一、基础知识:新型变压器：磁性元件，新型磁材料和新型变压器的开发。如集成磁路，平面型磁心，超薄型变压器；以及新型变压器如压电式，无磁芯印制电路变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。硬开关的条件下MOSFET和IGBT开关损耗分析：1) .开通损耗方面：由于MOSFET的输出电容大，器件处于断态时，输入电压加在输出电容上，输出电容储存较大能量。在相继开通时这些能量全部消耗在器件内，开通损耗大。器件的开通损耗和输出电容成正比，和频率成正比和输入电压的平方成正比12。而IGBT的输出电容比MoSFET小得多，断态时电容上储存的能量较小，故开通损耗较小。2) .关断损耗方面：MOSF

2、ET属单极型器件，可以通过在施加栅极反偏电压的方法，迅速抽走输入电容上的电荷，加速关断，使MoSFET关断时电流会迅速下降至零，不存在拖尾电流，故关断损耗小10;而IGBT由于拖尾电流不可避免，且持续时间长(可达数微秒)，故关断损耗大。综合以上分析，硬开关条件下MoSFET的开关损耗主要是由开通损耗引起，而IGBT则主要是由关断损耗引起。因此使用MOSFET作为主开关器件的电路，应该工作于ZVS条件下，这样在器件开通前，漏极和源极之间的电压先降为零，输出电容上储存能量很小，可以大大降低MoSFET的开通损耗；而使用IGBT作为主开关器件的电路，应该工作于ZCS条件下，这样在器件关断前，流过器件

3、的电流先降为零，可以大大降低因拖尾电流造成的关断损耗。软开关：当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通-实现开关损耗为零。变流器的作用和原理是什么？一、变流器一般是电力电子元件实现的，作用是实现功率的传递，按照两端电压类型不同大概可分为以下几种：a) DCQC变流器，两端都是直流，可以等效为直流变压器：b) AC/DC变流器，或者称为可控整流装置,实现交流到直流的功率传输；c) DC/AC变流器，或者称为逆变器，实现直流到交流的功率传输；d) AC/AC变流器，就是变频器了，实现交流频率的变换e) AC-DC-AC变流器，也是变频器，作用如上原理一两句就很难说清了，需要很多专业知识。

4、变流器：把输入的电源，进行电压、电流变换，达到规定的要求后输出给用电设备。DC-DC：直流变压器。斩波器。为什么反激开关电源只能适合小功率？200W以下。正激开关电源适合大功率开关电源？高效率小体积(高功率密度)一直是DC-DC变换器用户的追求，也是设计的要点。提高功率密度最有效的方式就是提高开关频率，线圈和变压器对高速变化的磁力线感应灵敏度高、特别高效率，衰减特别小，传递效率特别高，而对低频变化的磁力线灵敏度低、衰减大，传递效率差，因此高频下的磁芯体积会大幅度减小，但频率的提高会使开关管的开关损耗加大，对变换器的效率造成影响。如何在高频下减小开关管的开关损耗，是DC-DC变换器是否能实现高效

5、率高功率密度的关键，在这种背景下，高频软开关技术逐渐成为研究的热点，LLC谐振变换器是在串联谐振变换器的基础上增加了一个与负载并联的电感，是目前效率最高的开关电源。直流斩波电路将输入的直流电变换为电压可调的直流电的电力电子变流装置，称为DC-DC,主要是在开关电源调压过程中，原来一条直线的电源，被电路“斩”成了一块一块的脉冲，在经过电感和电容滤波，将输入的直通曳变为另一固定电压或可调电压的直流电。亦称直流斩波器或DC/DC变换器，也叫直流变压器。用斩波器实现直流变换的基本思想是通过对电力电子开关器件的快速通、断控制，把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流,经过淀波，在负载上可以获得

6、平均值可小于或大于输入电源的电压或电流。如果改变开关器件通、断的动作频率，或改变开关器件通、断的时间比例，就可以改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压、电流平均值的调节MoSfet的栅压：耐压越高的MOSFET,达到充分导通的栅电压越低；耐压越低的MoSFET,达到充分导通的栅电压越高。我查阅了各种耐压MoSFET的VGS-RDS曲线，得到的结论是：耐压200V的MOSFET达到充分导通的栅电压16V；耐压500V的MoSFET达到充分导通的栅电压12V；耐压IoooV的MOSFET达到充分导通的栅电压8VLD为直流母线和相线的引线电感，电机为三相Y型直流无刷电机，其工作原理如下。图1桥式

7、拓扑电路直流无刷电机通过桥式电路实现电子换相，电机工作模式为三相六状态，MoSFET导通顺序为Q1Q5Q1Q6Q2Q6Q2Q4Q3Q4Q3Q5o系统通过调节上桥MOSFET的PWM占空比来实现速度调节。QKQ5导通时，电流(IOn)由VDD经Ql、电机线圈、Q5流至地线，电机AB相通电。Ql关闭、Q5导通时，电流经过Q5,Q4续流(1F),电机线圈中的电流基本维持不变。QI再次开通时，由于Q3体二极管的电荷恢复过程，体二极管不能很快关断，因此体二极管中会有反向恢复电流(Irr)流过。由于Irr的变化很快，因此在IIT回路中产生很高的di/dto3半桥驱动电路工作原理图2所示为典型的半桥驱动电路

8、。图2半桥驱动电踣原理半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中Cl为自举电容，Dl为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当QI关断时，A点电位由于Q2的续流而回零，此时Cl通过VCC及Dl进行充电。当输入信号Hin开通时，上桥的驱动由Cl供电。由于Cl的电压不变，VB随VS的升高而浮动，所以Cl称为自举电容。每个PWM周期，电路都给Cl充电，维持其电压基本保持不变。Dl的作用是当QI关断时为CI充电提供正向电流通道，当QI开通时，阻止电流反向流入控制电压VCC。D2的作用是为使上桥能够快速关断，减少开关损耗，缩短MoSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合

9、上升（CdV仙）而导致上下桥穿通的现象。四、硬开关电源：开关管高电压情况下导通，高电压情况下截止。按次级整流分为：二极管整流和mosfel同步整流。同步整流型开关电源有一种专属工作模式：强制电流连续工作模式。（一）非隔离开关电源（开关电源的输入端和输出端共地）：分为降压开关电源BUCK、升压开关电源BOOST.开关电源分为非隔离开关电源和隔离开关电源。非隔离开关电源：输入电源的地线和输出电源的地线是共地的，也就是开关电源的输入端和开关电源的输出端是共地的。如果输入电源的地线到大地含有高电压，那么开关电源的输出端到地也含有同样的高电压，业界称为热底盘。如果直接把220V市电、380市电整流做为开

10、关电源的输入电源，到大地使用几百伏特电压的，如果是非隔离开关电源，那么在输出端到地也有同样的几百伏电压，这样的输出电源加到用电负载，导致负载外壳到大地也带电，极易发生触电伤人事故。如果采用隔离开关电源，输出的电源到大地不够成同路，人接触到输出电压线时，就不会触电伤人。这样的开关电源称为冷底盘。非隔离开关电源与隔离开关电源内部的区别是：非隔离开关电源内部的储能器件是电感线圈。隔离开关电源的储能器件是变压器。通过变压器初一次级线圈实现初级热底盘的隔离，达到次级输出引线到大地没有回路、没有电压。Is降压开关电源：BUCK电路:属于硬开关、非隔离开关电源。工作模式分为：电流连续型、电流断续型、脉冲跳跃

11、型、突发型。思考题：什么情况会出现电流连续型？什么时候出现电流断续型？Buck变换器又称降压变换器（StePDOWnConVerter）,属于正激型开关电源。作为一种最基本的DC/DC拓扑已在各种电源产品中得到广泛应用。是最原始的开关电源。Buck变换器的组成和工作原理BUCk变换器的主电路结构如图1所示。在图1中，Vi为输入电压、VO为输出电压、VT为PWM控制的开关管、L为储能电感、i为流过电感的电流、VD为续流二极管、C为输出滤波电容、RL为负载电阻。BUCk变换器的主电路结构在开关管VT导通期间，二极管VD截止，输入电源通过电感L向负载提供电能，同时流过电感的电流i线性增加，将电能转换

12、成磁能储存在电感L中，当电感电流增加到大于Io后，电容进入充电状态。在开关管VT关断期间，二极管VD导通续流，流过电感的电流i线性减小，在减小到Io之前，电感电流给负载供电，同时给电容充电；当i减小到小于Io之后，电容进入放电状态，向负载供电，以维持输出电压稳定。二、BUCk变换器的工作模式：电感的连续电流和电感的断续电流：分为电流连续型和电流断续型：指变压器次级滤波电感中的电流，在相邻周期之间市连续还是断续。把驱动脉冲的死区时间设置的很短，把次级滤波电感量取得很大，就可以获得连续电流，连续电流状态下输出电压的纹波小。但四个开关管的开启和关断时电压和电流都不是零，导致开关管的开关损耗特别大。减

13、小次级滤波电感的电感量、增大驱动脉冲的死区时间，就可以得到断续电流，断续电流时四个开关管零电流零电压开启和关断，开关损耗小。如上所述，在VT导通期间，电感电流i增加；而在VT关断期间，电感电流iL减小。根据电感电流在VT关断期间是否出现断续可将BUCk变换器划分为两种模式：连续导电模式(ContinuousConductionMode,CCM)和不连续导电模式(DiSCOntinUoUSConductionMode,DCM)。如果Buck变换器工作于DCM,则在VT关断期间，电感电流i减小到零时,新的开通周期还没有到来;如果在VT关断期间，电感中一直有电流流过,则Buck变换器工作于CCMLC

14、CM电感连续电流(重负载模式才会进入连续电流模式)时的等效电路：BUCk变换器工作于CCM时，开关管VT导通和关断的等效电路分别如图2a、b所示。A IN 岌 noCcOlOnaN 一BUCKCCM连续电流模式 在重负载电流时IAVE IRipple 电感的电流总是由正方向流动 电流不会降到O PWM控制,恒定开关频率工作 改变占空式调节输出a)HQIOT国。图2工作于CCM时的等效电路G开关导通等效电路b）开关关断等效电路Buck工作在CCM时的等效电路：1）当开关管VT导通时，VD因承受反向电压而截止。电流通过电感流向负载，在负载上流过的电流为Io,流过电感的电流i线性增加，负载两端的输出

15、电压VO为上正下负，储能电感L将电能转换成磁能储存在电感L中，当电感电流增加到大于I。后，一部分给负载供电，一部分给电容充电。其等效电路如图2a所示。2）当开关管VT关断时，由于电感电流不能突变，使得VD因承受正向偏压而导通。电感电流i在此阶段线性减小，在电感电流i减小到Io之前，电感电流一部分给负载供电，一部分给电容充电，当电感电流i减小到小于I。后，电容进入放电状态，和电感同时为负载供能，以维持输出电压和输出电流不变。其等效电路如图2b所示。b、DCM电感断续电流时的等效电路：当BUCk变换器工作于DCM（轻负载模式时才会进入断续电流模式）时，开关导通和关断的等效电路分别如图3a、b所示。

16、DCM不连续电流模式INiHOlJnON一C-M-Iw图3工作于DCM时的等效电路a）开关导通等效电路b）开关关断等效电路 在轻负载电流时IAVELc时,变换器处于CCM：而当LLc时，变换器处于DCM。下面将分析两种工作模式的主要工作过程，并经推导得出BoOSt变换器CCM和DCM的临界电感。a.CCM（重负载时才会进入CCM）的工作波形及基本关系式BOOSt变换器工作于CCM时的电感电流i和电感电压V的波形如图3所示。可看出，开关S导通期间，输人电压Vi加在电感L两端，电感上的电流从最小值ILV开始线性增加，到U时刻增加到最大值ILP,电感储存能量；开关S关断期间，电感和输入电源串联同时给

17、负载供电，电感上的电流线性减小，到12时刻下降到最小值ILV。CCM时，在开关C关断期间，二极管VD一直导通。vL图3CCM条件下电感工上的电压电流波形(BUOSt)(b)功率开关Q导通时等效电路(c)功率开关Q戳止时等效电路从升压变换器的电路结构可以看出，在电感电流连续模式，输入电流是连续的，故输入端的噪声较小，但流过二极管的电流为不连续的，是脉动的，因此，为了减少输出的纹波，需要较大的输出电容。Il*tBoost变换器CCM时电感上电压电流波形：根据伏秒平衡可得VidT=(Vo-Vi)(I-d)T,则输出与输入电压之间关系为由上式可看出，由于dVi,即Boost变换器输出电压总是大于输入电

18、压，因此，Boost变换器又称升压变换器(StePUpConverter)存储位置0 4;LL=XXLxDQ焦笈VBw Ch2 Off M 5.00sHath OP1:H： / 6。OTStopMP 3 400；,Bit Map类型 位图反激的缺点：反激式开关电源的瞬态控制特性相对来说比较差。由于反激式开关电源仅在开关关断期间才向负载提供能量输出，当负载电流出现变化时，开关电源不能立即对输出电压或电流产生反应，而需要等到下一个周期事,通过输出电压取样和调宽控制电路的作用，开关电源才开始对已经过去了的事情进行反应，即改变占空比，因此,反激式开关电源的瞬态控制特性相对来说比较差。有时，当负载电流变

19、化的频率和相位与取样、调宽控制电路输出的电压的延时特性在相位保持一致的时候，反激式开关电源输出电压可能会产生抖动，这种情况在电视机的开关电源中最容易出现反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感都比较大，开关电源变压器的工作效率低。反激式开关电源变压器的铁芯一般需要留一定的气隙，一方面是为了防止变压器的铁芯因流过变压器的初级线圈的电流过大，容易产生磁饱和。另一方面是因为变压器的输出功率小，需要通过调整电压器的气隙和初级线圈的匝数，来调整变压器初级线圈的电感量的大小。因此，反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感都比较大，从而会降低开关电源变压器的工作效率，并且漏感还会产生反电动势，容易把开关管击

20、穿反激的优点：反激式开关电源的优点是电路比较简单，比正激式开关电源少用了一个大的储能滤波电感，以及一个续流二极管，一次，反激式开关电源的体积要比正激式开关电源的体积小，口成本也要低。此外，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多，因此，反激式开关电源要求调控占空比的误差信号幅度要比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也要较小。由于这些优点，目前，反激式开关电源在家电领域中还是被广泛的应用。反激式开关电源多用于功率较小的场合或是多路输出的场合。在反激式开关电源中，在开关管关断的时候，反激式变换器的变压器储能向负载释放，磁芯自然复位，不需要加磁复位措施。小功率场合可

21、选用反激式。稍微大一些可采用单管正激电路，中等功率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作状态相同。大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。反激电源变压器漏感是一个非常关键的参数，由于反激电源需要变压器储存能量，要使变压器铁芯得到充分利用，一般都要在磁路中开气隙，其目的是改变铁芯磁滞同线的斜率，使变压器能够承受大的脉冲电流冲击，而不至于铁芯进入饱和非线形状态，磁路中气隙处于高磁阻状态，在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路。磁路开气隙相当于把磁体磁滞同线向X轴向倾斜，在同样的磁感应强度下，可承受更大的磁化电流，则相当于磁心储存更多的能量，此能量在开关管截止时通过变

22、压器次级泻放到负载电路，反激电源磁芯开气隙有两个作用。其一是传递更多能量，其二防止磁芯进入饱和状态。反激适合多路输出的开关电源。Bs双管反激、隔离、硬开关电源：5、半桥、隔离、硬开关功率输出电路首先我们先来了解一下半桥电路的基本拓扑。电容器Cl和C2与开关管Ql、Q2组成桥，桥的对角线接变压器TI的原边绕组，故称半桥变换器。如果此时C1=C2,那么当某一开关管导通时，绕组上的电压只有电源电压的一半。半桥电路的基本拓扑电路图电路的工作过程大致如下：参照半桥电路的基本拓扑电路图，其中Ql开通，Q2关断，此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。Ql关断，Q2关断，此时变压

23、器副边两个绕组由于整流二极管两个管子同时续流而处于短路状态，原边绕组也相当于短路状态。QI关断，Q2开通。此时变压器两端所加的电压也基本上是母线电压的一半，同时能量由原边向副边传递。副边两个二极管完成换流。半桥电路中应该注意的几点问题偏磁问题原因：由于两个电容连接点A的电位是随Ql、Q2导通情况而浮动的，所以能够自动的平衡每个晶体管开关的伏秒值，当浮动不满足要求时，假设Ql.Q2具有不同的开关特性，即在相同的基极脉冲宽度t=U下，Ql关断较慢，Q2关断较快，则对B点的电压就会有影响，就会有有灰色面积中Al、A2的不平衡伏秒值，原因就是Ql关断延迟。如果要这种不平衡的波形驱动变压器，将会发生偏磁

24、现象，致使铁心饱和并产生过大的晶体管集电极电流，从而降低了变换器的效率，使晶体管失控，甚至烧毁。在变压器原边串联一个电容的工作波形图解决办法：在变压器原边线圈中加一个串联电容C3,则与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被次电容滤掉，这样在晶体管导通期间，就会平衡电压的伏秒值，达到消除偏磁的目的。与正激变换器和反激变换器相比，半桥式变换器稳压范围宽，更突出的是它在一定范围内输出电压与输入电压变化无关。半桥式拓扑能将变压器初级侧的漏感尖峰电压钳位于直流母线电压，并将漏感储存的能量归还到母线，而不是消耗于电阻元件半桥式变换器开关电源两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，半桥式变压器开关电源输出功率很大（最大输出功率约为400500W）,工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，输出电压的电压脉动系数SU和电流脉动系数Sl都很小，仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波和电流纹波6就可以达到非常小用作桥臂的两个电容选用问题：从半桥电路结构上看，选用桥臂上的两个电容Cl、C2时需要考虑电容的均压问题，尽量选用C