开关电源的结构和基本原理

青岛科技大学总目录第一章概论(1课时)第二章开关电源的基本原理(2课时)第三章开关电路的PWM控制原理(2课时)第四章电路拓扑的使用选择(2课时)第五章元器件的实用选择(2课时)第六章软开关新技术(2课时)高频开关电源设计自动化与电子工程学院电子信息科学与技术教研室4一、概论将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备便是电源。电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。1.1.1电源是什么？1.1电源及开关电源电源常用的连接方式串联线性电源高频开关电源1.1.2串联线性电源与开关电源的区分•串联线性电源：–电源调整管工作在放大状态;–效率低，损耗大，温升高。•开关电源：–电源调整管工作在开关状态的电源;–具有高功率密度、重量轻、体积小。输入开关管K负载RL储能元件图1-2开关电源模型图输入电源调整管负载RL图1-1串联线性电源模型图61.1.3开关电源的分类：•按变换方式可分为下列四大类：（1）：第一大类：AC/DC开关电源；（2）：第二大类：DC/DC开关电源；（3）：第三大类：DC/AC开关电源；（4）：第四大类：AC/AC开关电源。开关电源逆变器变频器•按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列两大类：（1）：第一大类：无变压器的非隔离式；（2）：第二大类：有变压器的隔离式。1.2直流稳压电源直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的稳压电源是采用串联式线性转换方法设计制作的。图1-3晶体管串联式线性稳压电源1.2.1直流稳压电源的发展当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流、高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源。图1-4晶体管串联式开关稳压电源随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。图1-5无工频变压器的开关电源原理框图10A：一次电源产品的图片（AC/DC）常见开关电源图片11B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）12C：工业电源产品的图片（AC/DC）13E：工业电源产品的图片（AC/DC）14F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转换类FullBrickHalfBrickHalfBrick1/4Brick1/8Brick15G：二次电源产品的图片（DC/DC）彩电开关稳压电源1.3开关稳压电源的特点1.3.1优点1.效率高。一般在70～90%以上。而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时，性能很好。4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。1.3.2开关稳压电源的不足之处1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值；2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。二、开关电源的基本工作原理功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压(AC)转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压(DC)。中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的开关电源效率为70%-80%，稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的稳定，称做脉宽调制PWM。共轭滤波器整流滤波开关调整管储能元件脉冲整流滤波取样电路比较放大基准220V交流电压输入功能：将220V交流电压转换为电路所需要的各种稳定的直流电。2.1高频开关电源的基本结构图2-1高频变压器开关电源基本功能框图•2.作用：双向滤波–避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路；–防止开关电源对电网造成污染。S1C10.1uL2220V市电至整流滤波电路F1T2.5AC020.1u2.2.1、进线抗电磁干扰电路（EMI）2.2输入共轭滤波及整流•1.电路组成：由一个线圈和两个电容组成图2-2EMI原理图3.工作原理：对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高频干扰被电容短路。对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。S1C10.1uL220V市电至整流滤波电路F1T2.5AC20.1uF1T2.5AS1C10.1uL220V市电至整流滤波电路C20.1u4.输入220V交流电压的检测220V交流输入交流电压500V档正常值:220V±15%(187V~253V)共轭滤波器5.常用EMI电路:通常有两级EMI图2.3两级EMI电路图由一个全桥（由四个二极管组成）和两个高压电解电容组成。把220V交流市电转换成290V直流电。2.2.2、高压整流滤波电路1.电路组成：图2.3单相桥式整流电路2.整流电路工作原理当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。3.负载上的直流电压和直流电流输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为22π02O9.022dsin2π1VVttVVπ流过负载的平均电流为LORVRVRVIL2L2O9.022πL2L2LD45.022RVRVIIπ流过二极管的平均电流为2Dmax2VV二极管所承受的最大反向电压动画5-44.滤波电路滤波的基本概念：利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。电容滤波电路单相桥式电容滤波整流电路。在负载电阻上并联了一个滤波电容C。当v2到达90°时，v2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。5.滤波原理若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦形。图2.4电容滤波波形图所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，二极管关断。需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见滤波曲线中的2。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。图2.5电容滤波的效果问题：有Ｃ无ＲL即空载，此时VC=VO=？6.电容滤波的计算电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。一般常采用以下近似估算法：)41(2L2OCRTVV一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=(35)T/2的条件下，近似认为VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。）7.220V交流电压整流滤波后直流电压的检测直流电压500V档来自共轭滤波器的220V交流电压正常值为290V左右对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管VT和电感L、二极管D、电容C组成的变换器电路最基本的为如下三种，其原理电路如图2.6所示。（1）串联开关或降压变换器（buckconverter）（2）并联开关或升压变换器（boostconverter）（3）串—并联开关或降、升压变换器（buck-boostconverter）图2.6非隔离式的DC→DC变换电路2.3非隔离式开关电源工作过程调整输出电压的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKRL电压变换器VO=·Vi=D·VitonT占空比•只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以改变输出电压的高低。•在具体电路中，可以使开关脉冲频率固定，改变开关管导通时间ton而改变输出电压高低。这种电源称为“调宽式”开关电源。PWM•也可以使开关管截止时间不变，只改变开关管导通时间长短而改变输出电压高低。这种电源称为“调频调宽”式开关电源。PFM•电路中VT为开关管，工作于开关状态（VT饱和导通时相当于一只接通的开关，VT截止时相当于一只断开的开关）。•电感L和电容C为储能元件。•RL为电源的负载。•D为续流二极管，它在开关管截止时导通，保证电感L中的电流不中断。2.3.1串联型（Buck）开关电源工作过程LVTDCRL图2.5（a)串联型开关电源基本电路+290V•开关管饱和导通时，290V电源通过开关管Q，电感L和负载RL形成电流回路，同时向电容器C充电，在电感L和电容C中同时储能。•二极管D处于反向截止状态。•由于电感L中突然出现电流，将在L两端产生左正右负的自感电动势，负载两端电压等于290V电源电压与L两端自感电动势之差。IQILICIRVT图2.5（b)开关管饱和时的等效电路D+290VRLLC+-•开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断，将在电感L两端产生左负右正的自感电动势，该自感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。•同时，电容C也通过RL放电。•可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时提供。•虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。ICILIDD图2.5（c)开关管截止时的等效电路VT+290VRLCL2.3.1串联开关（降压）变换器设计计算a）电路拓扑b）工作波形图2.7Buckconverter（一）在开关VT导通期间min01LinLItLUUimin0maxLoninLItLUUIa）电路拓扑b）工作波形图2.7Buckconverter（二）在开关VT截止期间max02)(LonLIttLUi1.临界连续工作状态2.电流断续的工作状态3.电流连续的工作状态(三)电感电流的平均值计算0IILmin02LoffItLU（四）输出电压纹波值的计算ononttoninindttLUUtLUUCU2/)2(1000120020)(88inSinoninUTULCUUtLCUU02U208offtCLUa）电路拓扑b）工作波形图2.8Boostconverter1.在期间ontmin1LinLItLUiminmaxLoninLItLUI2.在期间offtmax02)(LoninLIttLUUi2.3.2并联开关（升压Boost）变换器设计计算3.负载电流的平均值0ISoffninothTtLtUI204.输入电流的平均值1IonSontTtVDSLSLdtiTdtiTII01111][21minmaxLLII5.输出电压的纹波计算0UCtIuUonC00SinTUUUCI0002.3.3串-并联Buck—Boostconverter图2.9Buck—BoostconverterttininoffonUU