《開關電源概論》word版

1、 第一章 開關電源概論1.1 開關電源的特點自20世紀50年代美國宇航局在火箭發(fā)射首次使用開關電源以來，開關電源（Switching Mode Power Supply；SMPS）經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，然而，現(xiàn)代開關電源由荷蘭人羅乃第（Neti R.M. Rao）于1970年開發(fā)研究出來。而早期一般都使用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源（Linear Power Supply）。由表1.1開關電源與線性穩(wěn)壓電源的性能比較可知，雖然線性穩(wěn)壓電源具有較小的紋波，較高的可靠性，以及沒有電磁干擾的產(chǎn)生。然而它卻具有如下的缺點：效率低。體積大且笨重。至于目前所使用的開關電源，則具有如下優(yōu)點：效率高。重量輕。體積小。

2、輸入電壓寬。雖然開關電源有前述的的各種優(yōu)點，但卻有如下的一些缺點：有較大的紋波。有電磁干擾的產(chǎn)生。這是由于開關電源工作在較高的頻率（20kHz200kHz），而且電路以開關方式工作，因此會在輸入與輸出產(chǎn)生較大的脈沖電流，這是電磁干擾產(chǎn)生的主要來源。 表1.1 開關電源與線性穩(wěn)壓電源的性能比較項 目開關電源線性穩(wěn)壓電源效 率高（60%）低（30%50%）尺 寸小大重 量輕重電 路較復雜簡單穩(wěn) 定 性普通高紋 波大小動 態(tài) 響 應普通快成 本普通高電 磁 干 擾大小輸入電壓范圍較大較小可 靠 性普通高 開關變換器與開關電源按電力電子的習慣，AC/DC稱為整流，DC/AC稱為逆變，AC/AC稱為變頻

3、，DC/DC稱為直流變換。為達到轉(zhuǎn)換目的，手段多種多樣。七十年代前，研發(fā)了半導體器件，并用這些器件實現(xiàn)這些變換。所以，從廣義上講，凡用功率半導體器件作為開關，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種電源形態(tài)的電路叫開關變換器電路。帶有自動控制的閉環(huán)系統(tǒng)并有保護功能的轉(zhuǎn)換則稱為開關電源。開關電源的主要組成部分是DC/DC變換器，因為它是轉(zhuǎn)換的核心，涉及頻率與電壓的變換。 DC/DC變換器的分類一類是硬開關。電子開關在承受電壓或電流的情況下接通或斷開電路，因此在接通和關斷的過程中會產(chǎn)生較大的損耗，即所謂的開關損耗。凡是使用脈寬調(diào)制方式控制電子開關的變換器，稱為PWM開關變換器。它是以使用硬開關為基本特征。另一類

4、電子開關稱為軟開關。凡使用控制方法使電子開關在其兩端電壓為零時導通電流，或在流過電子開關的電流為零時關斷，此類開關稱為軟開關。軟開關的開通關斷損耗理論值為零。這是二十世紀八十年代發(fā)展的新方法，這種開關方式顯著地減少了開關損耗，可以大幅度地提高開關頻率，開關頻率可達到兆赫級，開關電源體積與重量顯著減小。為了滿足電子開關上電壓或電流為零的條件，可以采用諧振的方法。在電子學中，諧振分串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振就是指正弦電壓加在理想的電感和電容串聯(lián)電路上。當正弦頻率為某一值時，容抗與感抗相等，電路的阻抗為零，電路電流達到無窮大；如果正弦電壓加在電感和電容并聯(lián)電路上，當正弦電壓頻率為某一值時，電路的總

5、導納為零，電感電容上電壓為無窮大，這就是并聯(lián)諧振。在開關電源電路中加的不是正弦電壓，而是直流電壓。直流電壓加在串聯(lián)的LC時，電路中電流按正弦規(guī)律無阻尼振蕩，其頻率即是電路的諧振頻率。利用諧振現(xiàn)象，電子開關兩端的電壓按正弦規(guī)律振蕩，當振蕩到零時，使電子開關導通流過電流，此稱為零電壓開關（Zero Voltage Switching，ZVS）。同理當流過電子開關的電流振蕩到零時，使電子開關斷開，稱為零電流關斷（Zero Current Switching，ZCS）。利用諧振現(xiàn)象，使電子開關上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開通或零電流關斷的條件，以這種技術為主導的變換器稱為諧振變換器?？煞?/p>

6、為串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器兩種。如果在橋式變換器橋的輸出端為串聯(lián)LC網(wǎng)絡，再接變壓器原邊繞組，稱為串聯(lián)諧振變換器。在橋式變換器串聯(lián)LC網(wǎng)絡的電容兩端并聯(lián)變壓器原邊繞組，稱為并聯(lián)諧振變換器。由于正向和反向LC回路值不一樣，振蕩頻率不同，電流幅值也不樣，所以振蕩不對稱。一般正向正弦半波大于負向正弦半波，所以稱為準諧振。無論是串聯(lián)LC還是并聯(lián)LC都會產(chǎn)生準諧振。利用準諧振現(xiàn)象，使電子開關上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開通或零電流關斷的條件，以這種技術為主導的變換器稱為準諧振變換器。在單端半橋或全橋變換器中，利用寄生電容和電感或外加諧振電感和電容，可得到相應的準諧振變換器。為保持輸出電壓不隨輸

7、入電壓變化而變化，不隨負載變化而變化，諧振和準諧振變換器主要靠調(diào)整開關頻率，所以是調(diào)頻系統(tǒng)。調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開關那樣易控，加上諧振準諧振電路電壓峰值高，開關受的應力大。從上面所述，DC/DC可分成PWM式諧振式和它們的結(jié)合方式。每一種方式中從輸入與輸出之間是否有變壓器隔離，可以分成隔離式，非隔離式兩類。每一類中又有六種拓撲：BuckBoostBuck-BoostCukSepic和Zeta。由此可見DC/DC基本電路就不勝其數(shù)了。多數(shù)電路都具有個性，有典型應用價值，也有的電路并無實用價值。以上是從電路拓撲來分類，還有從其它角度，特征來分類的。若按激勵方式不同，可分為自激式和他激式兩種。自激式包

8、括單管式和推挽式變換器兩種。他激式中包括調(diào)頻調(diào)寬調(diào)幅諧振等幾種。目前應用廣泛的調(diào)寬型（PWM）包括正激式反激式半橋式和全橋式。諧振式中有串聯(lián)諧振并聯(lián)諧振串并聯(lián)諧振等電路。若按控制信號的隔離方式不同，可分為直接式光電耦合式變壓器耦合式磁放大器式等。DC/DC變換器主回路元件及其特性開關無論哪一種DC/DC變換器，主回路使用的元件只有電子開關、電感和電容。電子開關只是快速地導通和關斷，并且實現(xiàn)導通與關斷的快速轉(zhuǎn)換。只有力求快速，使開關快速地渡過線性放大區(qū)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的損耗才小。目前使用的電子開關是雙極型晶體管、功率場效應管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT管）。還有各種特性較好的新型大功率半導體器件

9、，如靜電感應晶閘管（SITH）和場控制晶體閘流管（MCT）。電感電感是開關電源中最常用的元件，由于它的電流與電壓相位不同，因此理論損耗為零。常用作儲能元件，也常與電容組合用作輸入、輸出濾波器。用于平滑電流，也稱為扼流圈。其特點是流過其上的電流不能突變，否則將會產(chǎn)生很大的電壓尖峰。電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題。應用中有允許其飽和的，有允許其從一定電流值開始進入飽和的，也有不允許飽和的。在具體電路中要注意區(qū)分。在開關電源中的電感，有一個不可忽視的問題，就是電感的繞線所引起兩個寄生參數(shù)。其一是繞線電阻，這是不可避免的。其二是分布雜散電容，隨繞線工藝、材料而不同。雜散電容在低頻應用時影響不大，隨

10、著頻率提高而漸顯出來，達到某一頻率時，電感就變成了電容的特性了。在分析電感在電路中工作時，不妨考慮下面幾個特點：在電感L中有電流I流過時，存儲有 EQ F(1,2) LI2；當電感L兩端的電壓V不變時，依V=L EQ F(di,dt) 公式可知，忽略內(nèi)阻R時，電感電流變化率為 EQ F(di,dt) = EQ F(V,L) ,表明電感電流線性增加；正在儲能的電感，因為能量不能瞬時突變，若切斷電感在變壓器原邊回路時,能量絕大部分經(jīng)變壓器副邊輸出到負載，原、副邊耦合中保持相同的安匝數(shù)，維持磁場不變或每匝伏.秒值不變。電容電容是開關電源中常用的元件，它與電感一樣也是儲存和傳遞電能的元件，但它的頻率特性與電感剛好相反。應用上，主要起到平滑電壓波形的作用。實際的電容并不是理想元件。電容由于有介質(zhì)、接點與引出線，造成一個等效電阻。這種等效電阻在開關電源中小信號反饋控制以及輸出紋波的抑制上，起著不可忽視的作用。另外，電容等效電路上有一串聯(lián)的電感，它在分析電容器濾波效果時，非常重要。有時加大電容量并不能使電壓波形平直，就是因為寄生電感起的副作用。電容的等效串聯(lián)電阻與接點、引