第八章開關(guān)電源

第八章開關(guān)電源第一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四

隨著電力電子技術(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。由于它不需要工頻變壓器，故稱無工頻變壓器開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進(jìn)了一步。圖8-3是無工頻變壓器的開關(guān)電源的方框圖。圖8-3無工頻變壓器的開關(guān)電源原理框圖

無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源，有如下的優(yōu)點：1.效率高。一般在70～80%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80～265V，負(fù)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；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(jī)、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(fù)載的高電壓出現(xiàn)。

無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的不足之處：1.輸出紋波較大，約有10～100mV的峰峰值；2.脈沖寬度調(diào)制式的電路中，電壓、電流變化率大；3.控制電路比較復(fù)雜，對元器件要求高；4.動態(tài)響應(yīng)時間至少要大于一個開關(guān)周期，不如串聯(lián)式晶體管線性穩(wěn)壓電源。

第二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.1.2

用高頻變壓器的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)概述

圖8-5高頻變壓器開關(guān)電源基本功能框圖這類電源的共同特點是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副方是隔離的，或是部分隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。

目前，用高頻變壓器的變換電路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20～100W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50～200W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100～500Ｗ控制設(shè)備，計算機(jī)等電源半橋式變換器100～5000W焊機(jī)，超聲電源，計算機(jī)電源等全橋式變換器500W～30kW焊機(jī)、高頻感應(yīng)加熱，交換機(jī)等第三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.2DC/DC變換的開關(guān)電源

對于輸入與輸出電壓不需隔離只用一個工作開關(guān)和L、D、C組成的變換器電路最基本的為如下三種：（1）降壓變換器（buckconverter）；（2）升壓變換器（boostconverter）；（3）降、升壓變換器（buck-boostconverter）。其原理電路如圖8-6所示。圖8-6無隔離的DC→DC變換電路

8.2.1Buckconverter

a）電路拓?fù)鋌）工作波形圖8-7Buckconverter（一）在開關(guān)VT導(dǎo)通期間

（二）在開關(guān)VT截止期間

1.臨界連續(xù)工作狀態(tài)2.電流斷續(xù)的工作狀態(tài)3.電流連續(xù)的工作狀態(tài)

(三)電感電流的平均值計算

（四）輸出電壓紋波值的計算第四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.2.2Boostconverter

a）電路拓?fù)鋌）工作波形圖8-8Boostconverter1.在期間

2.在期間

3.負(fù)載電流的平均值

4.輸入電流的平均值

5.輸出電壓的紋波計算

第五頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.2.3Buck—Boostconverter

圖8-9Buck—Boostconverter=圖8-10Buck-Boostconverter工作波形圖

第六頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.3單端功率輸出的直流變換器

8.3.1CW34063的工作原理

圖8-11CW34063的原理框圖8.3.2CW34063的應(yīng)用電路

(一)降壓式電路

a）直接用于降壓b）外接NPN晶體管擴(kuò)流電路圖8-12CW34063的降壓應(yīng)用電路（二）升壓式電路

（a） （b）a）直接升壓式b）外接NPN管擴(kuò)流式圖8-13CW34063的Boostconverter

（三）反轉(zhuǎn)電路

(a) (b)a）直接變換式b）外接PNP管擴(kuò)流式圖8-14CW34063的Buck—Boostconverter第七頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.4單端反激式開關(guān)電源

8.4.1工作原理分析（一）在開關(guān)VT導(dǎo)通期間：

（二）在開關(guān)VT截止期間

圖8-15單端反激式變換器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)時的電壓電流波形第八頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四2磁通不連續(xù)的工作狀態(tài)

圖8-17磁通不連續(xù)時的工作波形第九頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四3磁通連續(xù)的工作狀況圖8-18磁通連續(xù)時的工作波形

第十頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四（3）輸入電壓Uin與導(dǎo)通比αt的對應(yīng)關(guān)系

即是輸入電壓最高時，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(yùn)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門閂電路本身固有的最大最小導(dǎo)通比，一定要與運(yùn)行條件所需的最大最小導(dǎo)通比不矛盾，否則就會失調(diào)。(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.原方繞組電流實現(xiàn)脈沖限流控制。（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(yùn)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(fù)載電阻（假負(fù)載），以防負(fù)載開路，這樣電網(wǎng)電壓最高，負(fù)載開路了，由于有固定的假負(fù)載，脈寬保證有一最小的寬度而不致于出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)象。最小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小導(dǎo)通比決定的。第十一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.5單端正激式變換器圖8-19正激式變換器的原理電路圖圖8-20正激式變壓器等效電路圖8-21單端正激式變換器的電壓電流波形

第十二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四8.6半橋式變換器

8.6.1工作原理

圖8-22半橋式變換器原理電路第十三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期四圖8-23半橋式變換器的工作波形

圖8-24串聯(lián)電容半橋式變換器原理電路

（a）串聯(lián)電容前交流電壓，斜格面積表示A1、A2的伏秒值不平衡波形（b）串聯(lián)電容、變壓器原邊的伏秒值得到了平衡圖8-25變壓器原邊串聯(lián)電容后的工作波形