開關(guān)電源基礎(chǔ)教程實用教案

1、開關(guān)電源功率(gngl)電路分析要點1.電容的電壓不能突變, 電感的電流不能突變2.流經(jīng)電容的電流平均值為零, 電感兩端電壓的平均值為零3.理想變壓器電壓與匝數(shù)成比且同名同極性, 電流與匝數(shù)成反比且點進點出4.電容恒流充電的公式為 , 電感恒壓儲能的公式為5.變壓器與電感的伏秒積必須平衡TIUC*TUIL*第1頁/共39頁第一頁，共40頁。Buck-Boost電路工作(gngzu)原理：VinVoDLIoS1S1S2ULILVin-VooIIoD1-DT根據(jù)L的伏秒平衡(pnghng)原則：Vin*DT=(Vo+2Vd)*(1-D)TVo=Vin *D/(1-D)-2VdL*Io=(Vo-2V

2、d)(1- D)TVds1根據(jù)(gnj)L在(1-D)T時間的基本方程：Io=(Vo-2Vd)(1-D)T/LDS2Vds2VinVo第2頁/共39頁第二頁，共40頁。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910Vo D()DVo/Vin =D/(1-D)Buck-Boost電路(dinl)的輸入輸出關(guān)系：第3頁/共39頁第三頁，共40頁。三種基本(jbn)的非隔離開關(guān)電源：VinVoLIoSDVinVoDLIoS1DS2VinVoDLIoSVo=Vin *D/(1-D)Vo=Vin *DVo=Vin /(1-D)VoVin, 升壓(shn y)型電路Vo

3、Vin, 當(dāng)DVin 當(dāng)D0.5 升降壓型電路第4頁/共39頁第四頁，共40頁。三種(sn zhn)基本的隔離開關(guān)電源：VinVoSLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1D1D2S2正激型變換器反激型變換器橋式變換器第5頁/共39頁第五頁，共40頁。反激變換器（Flyback）工作(gngzu)原理 （電流連續(xù)模式）：VgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVo根據(jù)(gnj)變壓器的伏秒平衡：ImIoVinVoGDSLmDn:1TDnVoDTVin)1 (*)1 (*DnDVinVoCoVLVin-nVonVoVinVds)1 (DVinVdsID-p第6頁/共39頁第六頁，共

4、40頁。反激變換器（Flyback）工作原理 （電流(dinli)斷續(xù)模式）：VgsIDVdsD1-DTIoVinVin+nVo根據(jù)(gnj)變壓器的伏秒平衡：ImIoVinVoGDSLmDn:1)1 (*DnDVinVoCoVLVin-nVoID-p-nVoVoVo TRVoLmIp2221根據(jù)(gnj)能量守恒：LmVinDTIpVinDLmRTVo2第7頁/共39頁第七頁，共40頁。反激變換器（Flyback）工作(gngzu)原理：VgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrVLVin-nVo221221LkIpCdsVr nIIppDID-p21DopDIDIIVr

5、=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCoLmTDVoID/)1 ( IpCdsLkVr*第8頁/共39頁第八頁，共40頁。反激變換器（Flyback）工作(gngzu)原理：IoVinVoGDSLmDn:1LkCoVcVcRPloss=(Vc-Vin)2/RGDSLkVcRPloss=(Vc)2/R第9頁/共39頁第九頁，共40頁。反激變換器（Flyback）工作(gngzu)原理：VgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrICoID-pVo=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCo)1/(DIIIopDCo-IoVoDTIVCOOCDTIVOO/根據(jù)Co在DT時間的

6、基本(jbn)方程：第10頁/共39頁第十頁，共40頁。反激變換器（Flyback）工作(gngzu)原理：VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1多路輸出(shch)的反激變換器：)1 (*11DNpDVinNsVo)1 (*22DNpDVinNsVo減小交叉調(diào)整率的措施：減小交叉調(diào)整率的措施：盡量減少兩個繞組之間的漏感。盡量減少兩個繞組之間的漏感。在輔助輸出一路中加入尖峰抑制器在輔助輸出一路中加入尖峰抑制器（飽和電感（飽和電感(din n)） 主路輸出工作于電流連續(xù)模式。主路輸出工作于電流連續(xù)模式。采用雙路加權(quán)反饋的控制方式采用雙路加權(quán)反饋的控制方式反饋控制第11頁/共39頁第十一頁，

7、共40頁。反激變換器（Flyback）特征(tzhng)總結(jié)：VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1缺點：缺點：輸出紋波電流大。輸出紋波電流大。輸出控制特性非線性。輸出控制特性非線性。通常需要輔助的吸收回路。通常需要輔助的吸收回路。轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(zhunhun)效率較低。效率較低。反饋控制優(yōu)點：優(yōu)點：電路簡單。電路簡單。輸入輸入(shr)電壓范圍廣。電壓范圍廣。 容易實現(xiàn)多路輸出。容易實現(xiàn)多路輸出。第12頁/共39頁第十二頁，共40頁。諧振(xizhn)復(fù)位正激變換器（Resonant Reset Forward)：Ion:1VinVoLoGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/

8、n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt0, t1t5LmVinDTIm/LoDTVonVinIL/)/(LmPInII第13頁/共39頁第十三頁，共40頁。諧振(xizhn)復(fù)位正激變換器（Resonant Reset Forward)：Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt1, t2t5LmLkIIVVmpc211VcV第14頁/共39頁第十四頁，共40頁。諧振(xizhn)復(fù)位正激變換器（Resonant Reset Forward)：Ion:1Vi

9、nVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt2, t3t51VcVcVrminCLDTV2第15頁/共39頁第十五頁，共40頁。諧振(xizhn)復(fù)位正激變換器（Resonant Reset Forward)：Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2 t3t4Ipt3, t4t5LmCrtt 14Lm,Cr的選取(xunq)原則：22max2)1 (1*TDCrLm第16頁/共39頁第十六頁，共40頁。諧振(xizh

10、n)復(fù)位正激變換器（Resonant Reset Forward)：Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt4, t5t5(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根據(jù)(gnj)電感的伏秒平衡：Vo=VinD/n第17頁/共39頁第十七頁，共40頁。諧振(xizhn)復(fù)位正激變換器（Resonant Reset Forward)特征：VinVoCr缺點：缺點：原邊開管電壓應(yīng)力較高。原邊開管電壓應(yīng)力較高。諧振電容諧振電容(dinrng)的損耗大。的損耗大。寬范圍輸入效率很難兼顧。寬范圍輸入效

11、率很難兼顧。優(yōu)點：優(yōu)點：電路簡單。電路簡單。線性輸出控制特性。線性輸出控制特性。不需要輔助的吸收不需要輔助的吸收(xshu)回路。回路。 VinVoCrVinVoCr第18頁/共39頁第十八頁，共40頁。S1, S2VpVinDVds100 50% Duty Cycle ZVS for Low side switchExcitingResetResonant Reset Dual Switch ForwardVinLS2S1Sa1CrD1D2第19頁/共39頁第十九頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDT

12、IpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt0, t1t5LmVinDTIm/LoDTVonVinIL/)/(LmPInIIS1S1Sa1-D+VT-第20頁/共39頁第二十頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt1, t2t5LkIpttVcIm)() 12(S1S1Sa1-D+VT-VcLknIott/*)/() 12(1td2td* 副邊電壓(diny)的死區(qū)跟L

13、k和Io有關(guān)，跟原邊開管的死區(qū)無關(guān)第21頁/共39頁第二十一頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2 t3t4Ipt2, t3t5S1S1Sa1-D+VT-) 12(1tttd1td2tdSa在零電壓條件(tiojin)下開通* 原邊開管的死區(qū)時間(shjin)需滿足：第22頁/共39頁第二十二頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVT

14、IoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt3, t4t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁電流(dinli)反向，變壓器被復(fù)位LmTDVcIm/)1 ( 第23頁/共39頁第二十三頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt4, t5t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁電流(dinli)對主開關(guān)的輸出電容放電。t6=t0第24頁/共39頁第二十四頁，共40頁

15、。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2 t3t4Ipt5, t6t5S1S1Sa1-D+VT-1td2tdt5時刻副邊二極管鉗位主開關(guān)的輸出(shch)電容放電結(jié)束。t6時刻新的周期開始t6=t0第25頁/共39頁第二十五頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2 t3t4I

16、pt5S1S1Sa1-D+VT-1td2tdt6=t0(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根據(jù)電感(din n)的伏秒平衡：Vo=VinD/nVinDT=Vc(1-D)T根據(jù)(gnj)變壓器的伏秒平衡：Vc=VinD/(1-D)Vds=Vc+VinVds=Vin/(1-D)第26頁/共39頁第二十六頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910Vc D()Vds D()DVc=VinD/(1-D)Vds=Vin/(1-D)Vin第27頁/共39頁第二十七頁，共40頁。有源

17、鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)特征(tzhng)：VinVoVinVoVinVoSaSaSa缺點：缺點：鉗位電壓建立較慢，啟動鉗位電壓建立較慢，啟動(qdng)過程過程變壓器易偏磁。變壓器易偏磁。對輸入電壓的動態(tài)響應(yīng)慢。對輸入電壓的動態(tài)響應(yīng)慢。優(yōu)點：優(yōu)點：變壓器最優(yōu)化復(fù)位（電壓應(yīng)力低）。變壓器最優(yōu)化復(fù)位（電壓應(yīng)力低）。輸入電壓范圍寬。輸入電壓范圍寬。線性輸出控制特性。線性輸出控制特性。不需要輔助的吸收不需要輔助的吸收(xshu)回路?；芈?。 第28頁/共39頁第二十八頁，共40頁。有源鉗位正激變換器（Active Clamped Forward)： Asymme

18、trical Full Bridge DC/DC Converter第29頁/共39頁第二十九頁，共40頁。VinVoLS1D1D2S2半橋變換器橋式變換器（Bridge Type Converter)：VinVoLS1D1D2S2全橋變換器VinVoLS1D1D2S2推挽(tu wn)變換器VinVoS1D2S2半橋變換器（倍流整流(zhngli)）第30頁/共39頁第三十頁，共40頁。VinVoLoS1D1D2S2橋式變換器（Bridge Type Converter)：n:1+1LmLkIpIoCBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t

19、3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2Vct0, t1變換器正半周工作，Ip, Im增加(zngji)；Vc減少。LmDTVinIm/2) 12/()/(CDTnIoVcC1C1第31頁/共39頁第三十一頁，共40頁。VinVoLoS1D1D2S2橋式變換器（Bridge Type Converter)：n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t1, t2S1關(guān)斷，變壓器副邊續(xù)流，原邊漏感能量(nngling)被S2體二極管鉗位。第32頁/共39頁第三十二

20、頁，共40頁。VinVoLoS1D1D2S2橋式變換器（Bridge Type Converter)：n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t2, t3S1，S2全部(qunb)關(guān)斷，變壓器副邊續(xù)流，Lm保持不變，D1,D2電流之差為Lm。第33頁/共39頁第三十三頁，共40頁。VinVoLoS1D1D2S2橋式變換器（Bridge Type Converter)：n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nIm

21、VinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct3, t4變換器負半周工作，Ip, Im減少(jinsho)；Vc增加。LmDTVinIm/2) 12/()/(CDTnIoVc 第34頁/共39頁第三十四頁，共40頁。VinVoLoS1D1D2S2橋式變換器（Bridge Type Converter)：n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct4, t5S2關(guān)斷，變壓器副邊續(xù)流，原邊漏感能量(nngling)被S1體二極管鉗位

22、。第35頁/共39頁第三十五頁，共40頁。VinVoLoS1D1D2S2橋式變換器（Bridge Type Converter)：n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t5, t6S1，S2全部(qunb)關(guān)斷，變壓器副邊續(xù)流，Lm保持不變，D1,D2電流之差為Lm。t0, t1LoDTVonVinIL/)2(t1, t3LoTDVoIL/)2/1 (DnVinVo 5 . 0D第36頁/共39頁第三十六頁，共40頁。VinVoLoS1D1D2S2橋式變換器（Bridge Type Converter)特征(tzhng)：n:1+1LmLkIpIoBVTC1CC1DnVinVo 5 . 0DLoTDVoIL/)2/1 () 12/()/(CDTnIoVc 缺點：缺點：變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。輸入輸入