1、第第1 1章章 开关电源技术及开关电源技术及PFCPFC概述概述 1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术 1.2 开关电源的构成及特点开关电源的构成及特点 1.3改善开关改善开关电源谐波和功率因数的方法电源谐波和功率因数的方法 1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术直流电源分为：线性电源和开关电源。直流电源分为：线性电源和开关电源。 线性电源线性电源是指调整管工作在线性状态下的直流是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。稳压电源。 图图1-1 利用可变电阻稳压利用可变电阻稳压 实际电源电路中，通常利用负反馈原理，以输实际电源电路中，通常利用负反馈原理，以输出电压的变化量去控制晶体
2、管集电极与发射极之出电压的变化量去控制晶体管集电极与发射极之间的电阻值，原理电路见图间的电阻值，原理电路见图1-2。 图图1-2 利用反馈加晶体管稳压利用反馈加晶体管稳压1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术常用的线性串联型稳压电源芯片有：常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列系列（正电压型），（正电压型），79XX系列（负电压型）（例如系列（负电压型）（例如7805，输出电压为，输出电压为5V）；）；LM317（可调正电压（可调正电压型），型），LM337（可调负电压型）；（可调负电压型）； 由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，
3、所以工作在线性状态下的调整管，一般会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高（满载才会产生大量的热，导致效率不高（满载才80%）。）。这是线性电源的一个主要缺点这是线性电源的一个主要缺点。1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术线性电源特点线性电源特点优点：技术成熟，已有大量集成化的稳压电源模优点：技术成熟，已有大量集成化的稳压电源模 块，稳定性好，输出纹波电压小等。块，稳定性好，输出纹波电压小等。缺点：缺点：需要的变压器为工频变压器体积大，效率低。需要的变压器为工频变压器体积大，效率低。 整流管流过和负责相同的电流，
4、损耗增大；整流管流过和负责相同的电流，损耗增大； 为减少纹波，输入滤波电容容量要求大，为减少纹波，输入滤波电容容量要求大，否否 则脉动电压增加；此外，由于调整管功耗则脉动电压增加；此外，由于调整管功耗 大，所以需要装体积很大的散热片，很难大，所以需要装体积很大的散热片，很难满满 足现代电力电子设备发展的需求足现代电力电子设备发展的需求。1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术 我我们们所说的开关所说的开关电源技术特指采用电源技术特指采用PWM技术的技术的DC/DC直流开关电源。直流开关电源。 我们所用的电源是指经过转换才能符合使用的需要。我们所用
5、的电源是指经过转换才能符合使用的需要。例如，交流变直流，高压变低压等。也就是我们所谓的例如，交流变直流，高压变低压等。也就是我们所谓的粗电变精电的过程。粗电变精电的过程。 广义的说，各种采用开关器件的电力变换电路都广义的说，各种采用开关器件的电力变换电路都可以叫做开关电源。可以叫做开关电源。 开关电源开关电源1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术开关电源的特点开关电源的特点 直流电直接由市电整流获得，不需要工频变直流电直接由市电整流获得，不需要工频变压器，体积小重量轻。压器，体积小重量轻。 工作频率高，滤波电容数值小也使得整个电源工作频率高，滤波电容数值小也使得整个电源体积小，重量轻体积
6、小，重量轻。 调整管工作在开关状态，功耗小，机内温升低，调整管工作在开关状态，功耗小，机内温升低，提升了整机的稳定性和可靠性。提升了整机的稳定性和可靠性。开关电源技术即现代电源技术开关电源技术即现代电源技术。 1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的线性稳压电薄、小和高效率为发展方向。传统的线性稳压电源很难满足现代电子设备发展的要求。源很难满足现代电子设备发展的要求。开关电源以其体积小、重量轻、效率高性能稳开关电源以其体积小、重量轻、效率高性能稳定等优点逐渐取代传统技术制造的线性
7、电源，并定等优点逐渐取代传统技术制造的线性电源，并广泛应用于电子整机和设备中。广泛应用于电子整机和设备中。现代电源技术指开关电源技术现代电源技术指开关电源技术1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术1.2 开关电源国内外发展状况开关电源国内外发展状况20世纪世纪50年代，美国宇航局最先为搭载火年代，美国宇航局最先为搭载火箭开发了体积小，重量轻的开关电源。箭开发了体积小，重量轻的开关电源。 20世纪世纪80年代，计算机已经全面实现了年代，计算机已经全面实现了开关电源化。随后开关电源化。随后90年代，开关电源在其年代，开关电源在其他领域（电子，电气设备、家电领域）得他领域（电子，电气设备、家电
8、领域）得到了广泛应用。到了广泛应用。开关电源技术的发展趋势开关电源技术的发展趋势 高频化、小型化高频化、小型化。开关电源的体积、重量主要。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定。在一定范围内，开关频率的是由储能元件决定。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减少储能元件的体积、重量，提高，不仅能有效的减少储能元件的体积、重量，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。高频化是开关电源的主要发展方向。 高可靠性高可靠性。从寿命的角度，提高电解电容，光。从寿命的角度，提高电解电容，光耦，排风扇的寿命。从设计的角度，
9、提高电源集耦，排风扇的寿命。从设计的角度，提高电源集成度，减少元器件，简化电路，提高可靠性。成度，减少元器件，简化电路，提高可靠性。 1.2 开关电源国内外发展状况开关电源国内外发展状况 低噪声低噪声。开关电源的频率越高，噪声也就越大。开关电源的频率越高，噪声也就越大。这是开关电源的缺点之一。因此，尽可能降低噪这是开关电源的缺点之一。因此，尽可能降低噪声是开关电源的发展方向（目前是谐振转换技术）声是开关电源的发展方向（目前是谐振转换技术） 采用计算机辅助设计和控制采用计算机辅助设计和控制。采用。采用CAD设计设计（拓扑结构和参数（拓扑结构和参数)，使开关电源具有最简结构，使开关电源具有最简结构
10、和最佳工况。在电路中引入微机监测，构成多功和最佳工况。在电路中引入微机监测，构成多功能监系统，实现实时监测、自动报警等。能监系统，实现实时监测、自动报警等。 1.2 开关电源国内外发展状况开关电源国内外发展状况电力电子器件和磁性元件的发展与开关电电力电子器件和磁性元件的发展与开关电源发展是息息相关的。源发展是息息相关的。研究低损耗，低噪声技术以及开发新型研究低损耗，低噪声技术以及开发新型（高速高频）元器件，是开关电源实现小（高速高频）元器件，是开关电源实现小型化、高频化以及高可靠性的重要推动。型化、高频化以及高可靠性的重要推动。 总之，高效率、小型化、智能化以及高可靠性总之，高效率、小型化、智
11、能化以及高可靠性是大势所趋，也是开关电源今后的发展方向。是大势所趋，也是开关电源今后的发展方向。1.2 开关电源国内外发展状况开关电源国内外发展状况1.3 改善开关电源功率因数和谐波的方法改善开关电源功率因数和谐波的方法开关电源谐波严重和功率因数低的原因：二极开关电源谐波严重和功率因数低的原因：二极管整流和电容滤波管整流和电容滤波 解决用电设备谐波污染的方法：解决用电设备谐波污染的方法： （一）增设电网补偿装置（有源和无源滤波）（一）增设电网补偿装置（有源和无源滤波） （二）改进电力电子装置使之不产生或产生很（二）改进电力电子装置使之不产生或产生很小的谐波（小的谐波（PWM整流和功率因数校正技
12、术）整流和功率因数校正技术）（3-4）功率因数校正功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)实实现的方法现的方法 （一）无源功率因数校正（一）无源功率因数校正（Passive Power Factor Correction, PPFC） （二）有源功率因数校正（二）有源功率因数校正（Active Power Factor Correction, APFC）3-17 无源无源功率因数校正功率因数校正( PPFC)技术是通过在整流电路技术是通过在整流电路中加入电感和电容等无源元件，中加入电感和电容等无源元件，使整流使整流桥中的二极管桥中的二极管导通时间变长，从而降低电流
13、谐波，提高功率因数导通时间变长，从而降低电流谐波，提高功率因数。它是传统补偿无功和抑制谐波的主要它是传统补偿无功和抑制谐波的主要手段。手段。PPFC技术技术具有具有结构简单结构简单及成本低的优点，虽然校正效果不如及成本低的优点，虽然校正效果不如APFC技术理想，但在中小功率场合仍具有技术理想，但在中小功率场合仍具有良好的良好的应用应用价值价值。 （一）无源功率因数校正（一）无源功率因数校正传统无源滤波电路通常在分析PPFC原理时，采用的图a所示的DCL方式电路，滤波电感接在整流桥的后面，而实际应用中一般是将滤波电感接在整流桥的前面，采用的是图所示的ACL方式电路，这种接法可以有效地去除直流分量
14、，避免电感铁心饱和。同时在相同的条件下，采用ACL方式输出直流电压损失较小，电源电压利用率高。LC滤波电路中合适地选取电感值的大小，有利于PFC的效果。在输出功率不变时，当电感量较小(5mH)时，PFC效果不明显，但随着电感量的增大当L= 50mH时，整流二极管的导通时间变长，尖脉冲状的输入电流变得平滑，输入电流总谐波减少。但当L= 300mH时，虽然高次谐波分量进一步减小，输入电流波形更近似于正弦波，但输入电流与输入电压之间的相位差明显加大，使得功率因数降低，无功功率增大，电源的利用率下降。从图2-2中还可看出随着电感量的增大直流输出电压明显下降。 实验结果表明无源LC滤波电路在小功率场合应
15、用，PFC较好，不太适合功率大于300W的应用场合。图2-3所示为输出功率P=300W时的输入电流波形和谐渡频谱图，从图中可知虽然高次谐波含量得到了非常好的抑制，但随着输出功率的增大，输人电流与输入电压之间的相位差明显加大，使得PFC效果较差。输入电流波形和输出电压平均值输入电流波形和输出电压平均值PPFC技术的主要优点是技术的主要优点是：简单可靠、不需控制电路、EMI小。主要缺点是主要缺点是： （1）滤波电感和电容的值较大，因此体积较大，而且难以得到高功率因数（一般可提高到90%左右），在有些场合下，无法满足现行标准规定的谐波限制要求； （2）如产生的谐波超过设计时的参数，会造成滤波器过载或
16、损坏； （3）滤波电容上的电压是后级DC/DC变换器的输入电压，它随输入交流电压和输出负载的变化而变化，这个变化的电压影响了DC/DC变换器的性能。 由于PPFC技术采用低频电感和电容进行输入滤波，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，因此比较适合于功率相对较小（如小于300W）、对体积和重量要求不高且对价格敏感的场合应用。（二）有源功率因数校正（二）有源功率因数校正（APFC） APFC技术由于电路工作在高频开关状态，因此相对于技术由于电路工作在高频开关状态，因此相对于PPFC技术具有体积小、重量轻、效率高的优点，在开关电源中得到广泛技术具有体积小、重量轻、效率高的优点，在开关电源中得
17、到广泛应用。应用。 从不同的角度看，从不同的角度看，APFC技术有很多种分类方法。从电网供电技术有很多种分类方法。从电网供电方式来分，可分为单相方式来分，可分为单相APFC电路和三相电路和三相APFC电路；从控制模式电路；从控制模式米分，可分为电流连续模式米分，可分为电流连续模式(ContinuousCurrern - ModeCCM)、电流断续模式（电流断续模式（Discontinuoua CUrrent Mode，DCM）和电流临界）和电流临界模式模式(Boundary Current - Mode，BCM)从开关模式来分，可分为从开关模式来分，可分为硬开关模式和软开关模式；从电路构成来分
18、，可分为两级硬开关模式和软开关模式；从电路构成来分，可分为两级APFC电电路和单级路和单级APFC电路电路 在开关电源等电力电子装置中实施功率因数校正措施，除了要满足这些强制标准的要求、获得市场准入条件外，其意义还有以下几点： (1)在开关电源等电力电子装置中，实施PFC措施后，由于减少了谐波电流含量，有利于降低对其他用电设备的干扰，功率因数的提高也有利于提高电网设备的利用率和节约电能。 (2) 采取PFC措施后（一般都使用Boost电路），电源的允许输入电压范围扩大，可以达到90 - 270V（单相），能适应世界各国不同的电网电压，大大提高了开关电源的可靠性。 （三）（三）在开关电源中实施功
19、率因数校正的意义在开关电源中实施功率因数校正的意义（3）采取PFC措施后，由于PFC电路的稳压作用，其输出电压是基本稳定的，有利于后级DC/DC变换电路的工作点保持稳定和提高控制精度。 （4）可以提高电网设备的安全性，在三相四线制电路中，3次谐波在中线中的电流同相位，导致中线电流很大致使中线有可能因过电流发热而引起火灾、损坏电气设备。在开关电源等电力电子装置中，采取PFC揩施后，减小了谐波电流分量，减小了中线电流，可有效提高供电系统的可靠性。 （5）可以提高开关电源等电力电子装置自身的可靠性，如果不采取PFC措施，过大的尖蜂脉冲电流，严重危害直流侧的滤波电容，引起二极管正向压降增加、导致功耗增
20、加。另外，输入侧的EMI滤波元件因承受高峰值电流脉冲，也需要加大参数指标，以提高承受能力。（6）提高用电安全性 ，例如，美国从安全角度出发，提出功率因数的要求。在美国，办公环境使用的110V/15A电源插座，由于UL（美国保险商实验所）标准的限制只能使用12A的电流。 如果电源效率为85%、PF=0 65，设备只能得到729. 3W的功率(110V12A0 85 65=729. 3W)，功率再大就要跳闸。同样输入条件下，增加输出功率有两种办法：一是提高电源效率；二是提高功率因数。提高效率要受到电源电路水平的限制，难度较大，并且效果也不明显，但提高功率因数则效果明显，例如把PF=0. 65提高到
21、PF=0 99，设备在相同条件下就能得到1170的功率(110V12A0 850 99=1170W)，这样就可以满足新一代工作站、大功率音响设备等需要较大（一般都在700W以上）功率的要求。（四）（四）PFC技术的发展趋势及研究热点技术的发展趋势及研究热点从无源到有源PFC得益于电力电子器件的发展，APFC从单相到三相，从硬开关到软开关。研究热点： （1）新型拓扑结构的提出，主要是基于已有的或新的原理得到新型拓扑结构，以提高转换效率或达到简化电路结构的目的。 （2）把DC/DC变换器中的新技术应用于APFC电路中。例如，软开关技术的应用可以提高开关频率、减少开关损耗和EMI。 （3) 基于已有
22、拓扑结构的新控制方法，以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究，引入预测控制、空间矢量控制、单周期控制、滑模变结构控制以及模糊控制等新型控制策略可改善电路的性能。 总之，成本低、效率高、结构简单、容易实现，并且具有高响应速度、低输出电压纹波提高功率因数变换器是研究人员追求的最终目标。第第2章章 APFC的典型拓扑结构的典型拓扑结构 2.1升降压升降压变变换电路换电路 2.2单端正激变单端正激变换电路换电路 2.3单端反激单端反激变换电路变换电路 2.4推挽式推挽式变换电路变换电路 2.5 半桥半桥和和全桥全桥变化电路变化电路概述APFC机构：两级结构和单级结构两级结构 第一级是PFC，通常采用BOO
23、ST电路，其任务是实现网侧电流正弦化以及电压粗调；第二级是DC/DC（直接或间接变换），其任务是对输出电压进行细调。优点：性能好，技术成熟；缺点结构复杂、整机效率较低和性价比不高，适用于精密仪器电源等。单级结构 PFC和DC/DC变换合二为一，目的减少元器件、节约成本，提高效率和简化控制。特点：整机效率高（电脑、电视的电源），性能稍差，所以目前研究主要集中在单级APFC。两级两级APFC结构结构 单级单级APFC结构结构 2.1 BUCK2.1 BUCK（BOOST) APFC BOOST) APFC 变换电路变换电路（一（一） BUCK 变换电路变换电路 带有带有APFC的的DC/DC和普通
24、和普通DCDC变换器时主要有以下两点不同：变换器时主要有以下两点不同： （1）输入电压非稳定的直流电压；）输入电压非稳定的直流电压； （2）输出输入电压比非定值。）输出输入电压比非定值。 因此构成因此构成PFC电路的变换器分析比较复杂。由于变换器中的开关电路的变换器分析比较复杂。由于变换器中的开关频率远高于输入电压频率，因此在以下的分析中，我们采用准静频率远高于输入电压频率，因此在以下的分析中，我们采用准静态的方法分析变换器的工作，这种分析方法是建立在小信号线性态的方法分析变换器的工作，这种分析方法是建立在小信号线性化近似基础上的。化近似基础上的。 电路特点 电流断续，输入功率因数低。Buck
25、 PFC变换器的优点是输出电压较低。在低输出电压（3 3V-l. 8V等）两级式变换的场合，可“减小后级变换器的电压传输比。缺点是无论其工作在DCM或者CCM模式，在输入电压过零附近，由于开关管将关断，输入电流为零，不能取得高功率因数。并且在每个开关周期内，输入电流都是断续的，输入端需要较大的LC滤波器消除高频纹波。（二）（二）BOOST APFC 电路电路 电路特点：有电路特点：有DCM和和CCM两种工两种工作方式，电感足够大时电网电流连作方式，电感足够大时电网电流连续（常用）。滤波电感串联在输入续（常用）。滤波电感串联在输入端，输入电流高频纹波小。端，输入电流高频纹波小。（三）基于（三）基
26、于Cuk、Sepic和和Zeta电路的电路的PFC变换器变换器 前三种基本拓扑是用电感作为传送能量的元件，基于Cuk、Sepic和Zeta电路的PFC变换器是用电容作为传送能量的元件。基于Cuk、Zeta和Sepic的PFC变换器工作原理相似，输入电流和输入电压为同相位的正弦量，功率因数校正效果较理想，但并不广为使用，原因是能量转换用电容需要承受极大的纹波电流，这种电容成本高，可靠性也稍差些。2. 2 正激正激APFC变换器变换器图图 2-2 正激变换电路正激变换电路正激电路正激电路(Forward) 工作过程工作过程 开关开关VT开通开通后，变压器原边绕组两端的电压为后，变压器原边绕组两端的
27、电压为上正下负，与其耦合的副边绕组两端的电压也是上正上正下负，与其耦合的副边绕组两端的电压也是上正下负，因此下负，因此VD处于通态。处于通态。 VT关断关断后，电感后，电感L通过通过 VD1续流，续流，VD关断。关断。 正激变换就是带隔离的正激变换就是带隔离的Buck斩波电路斩波电路2. 2 正激正激APFC变换器变换器图图 2-3 带有磁复位的正激电路带有磁复位的正激电路正激电路的磁复位正激电路的磁复位 变压器线圈电压或电流回零时，磁芯中的磁通并不变压器线圈电压或电流回零时，磁芯中的磁通并不为零，称之为剩磁。剩磁的累加可能导致磁芯饱和，因为零，称之为剩磁。剩磁的累加可能导致磁芯饱和，因此正激
28、电路需要磁复位技术。此正激电路需要磁复位技术。2. 2 正激正激APFC变换器变换器图图 2-4 正激变换电路工作波形正激变换电路工作波形 SuVT iLiSOttttUiOOO图图 2-5 正激变换电路工作波形正激变换电路工作波形 2. 2 正激正激APFC变换器变换器 变压器的磁心复位所需的时间为变压器的磁心复位所需的时间为,on13rsttNNt输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 TtNNUUon12ioi31vtUNNU磁复位期间，开关管两端电压为磁复位期间，开关管两端电压为 变压器的磁心复位所需的时间推导：变压器的磁心复位所需的时间推导：利用开关管导通期间
29、变压器原边磁通的增加量等于关断期利用开关管导通期间变压器原边磁通的增加量等于关断期间磁通的减少量。间磁通的减少量。 on1itNU rst3itNU 导通期间导通期间 关断期间关断期间2. 2 正激正激APFC变换器变换器 输出电压推导：输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。放的能量。 on0i12tLUUNNiL 导通期间导通期间 关断期间关断期间 off0tLUiL2. 2 正激正激APFC变换器变换器正激电路的缺点正激电路的缺点正激变换器因为复位绕组的存在使变压器体积正激变换器因为复位绕组的存在使变压器
30、体积增加增加。正激变换器的占空比不能太大（小于正激变换器的占空比不能太大（小于50%），），会引起磁芯饱和以及关断期间不能完成磁复位。会引起磁芯饱和以及关断期间不能完成磁复位。（通过减少复位绕组匝数解决，但会增加关断期（通过减少复位绕组匝数解决，但会增加关断期间开关管两端的电压）。间开关管两端的电压）。单管正激电路很少采用单管正激电路很少采用2. 2 正激正激APFC变换器变换器图图 2-6 双管双管 正激变换电路正激变换电路2. 2 正激正激APFC变换器变换器2. 2 正激正激APFC变换器变换器双管正激电路的特点双管正激电路的特点取消复位绕组，降低了变压器的体积和工艺要求。取消复位绕组，
31、降低了变压器的体积和工艺要求。开关管承受的电压降低（开关管承受的电压降低（ 电源电压和二极管的电源电压和二极管的管压降）。管压降）。双管正激电路可靠性高（不存在直通问题），结双管正激电路可靠性高（不存在直通问题），结构简单，在中小功率开关电源中应用比较普遍。构简单，在中小功率开关电源中应用比较普遍。工作原理工作原理Flyback电路是最简单的单级电路是最简单的单级PFC电路，长期以来是非常流电路，长期以来是非常流行的一种电路拓扑。变压器既是一种储能装置，又起到隔离行的一种电路拓扑。变压器既是一种储能装置，又起到隔离变换的作用。对输入电路而言，变换的作用。对输入电路而言，DC/DC变换器可等效为
32、一个变换器可等效为一个受占空比控制的无损电阻，可使输入功率因数近似为受占空比控制的无损电阻，可使输入功率因数近似为1。Flyback电路因工作在电路因工作在DCM状态下，开关管的电流应力很大，状态下，开关管的电流应力很大，同时由于以低于输入交流频率的频率进行同时由于以低于输入交流频率的频率进行PWM控制，输出控制，输出电压中含有很高的低频纹渡，除了特殊用途一般不单独使用。电压中含有很高的低频纹渡，除了特殊用途一般不单独使用。2.3 反激（反激（Flyback）APFC变换器变换器2.3单端反激变换器单端反激变换器依据变压器二次侧能量在截止期间是否完全传送出去，反激电路的工作状态分为两种： 电流
33、连续电流连续 on1itNU 导通期间导通期间 截止期间截止期间 off20tNU 由磁通平衡原理得：由磁通平衡原理得：offon12iottNNUU2.3单端反激变换器单端反激变换器 电流断续电流断续 此时先求出电流断续发生时刻此时先求出电流断续发生时刻onZTTNUtNU20on1iZT 求得求得oniZTUNNUNUT01102 输入电源在一个周期内提供的平均功率为：输入电源在一个周期内提供的平均功率为：001221021IUfLDUtLUUTPiiTiAVGonfILDUUi012202 注意：反激电路不能开路，此时注意：反激电路不能开路，此时Uo 反激电路特点：反激电路特点：电路简单
34、。没有续流二极管和滤波储能电感，不需要复电路简单。没有续流二极管和滤波储能电感，不需要复位绕组（开关管关断期间，二次侧绕组完成能量传递，位绕组（开关管关断期间，二次侧绕组完成能量传递，同时完成磁复位）同时完成磁复位） 输出电压纹波大。输出电压纹波大。(可以增大滤波电容，但会增加成本和可以增大滤波电容，但会增加成本和体积）体积） 主要用于主要用于100W左右的小功率电源，且对电源性能指标左右的小功率电源，且对电源性能指标要求不太严格的场合要求不太严格的场合。2.3单端反激变换器单端反激变换器反激变换器设计存在的困难反激变换器设计存在的困难 当反激电路工作于电流连续时，直流分量相当大，处理当反激电
35、路工作于电流连续时，直流分量相当大，处理不当会造成磁芯饱和，功率管损坏。不当会造成磁芯饱和，功率管损坏。 为避免饱和，变压器磁芯应增加气隙。气隙的调整是一为避免饱和，变压器磁芯应增加气隙。气隙的调整是一件麻烦的工作。因为气隙增加会使漏感增加，而且自感件麻烦的工作。因为气隙增加会使漏感增加，而且自感减少（会影响到输出电压以及单位时间能量的传输减少（会影响到输出电压以及单位时间能量的传输),因此，因此，必须加以综合考虑。必须加以综合考虑。 为防止开关管承受电压过大，占空比为防止开关管承受电压过大，占空比D不能太大，一般不能太大，一般为为0.30.4。占空比的减小，会影响到输出电压减小。参。占空比的
36、减小，会影响到输出电压减小。参数之间关系相互牵制，需要综合考虑。而正激电路与占数之间关系相互牵制，需要综合考虑。而正激电路与占空比无关。空比无关。2.3单端反激变换器单端反激变换器2.4 基于Flyback的全桥PFC变换器变换器 PFC技术发展到今天已经逐渐融入到了许多优秀的变换器电路中。技术发展到今天已经逐渐融入到了许多优秀的变换器电路中。这些新的拓扑结构可以很好地抑制变换器输入谐波，整定输人电流这些新的拓扑结构可以很好地抑制变换器输入谐波，整定输人电流波形，同时又具有极好的输出特性，充分发挥波形，同时又具有极好的输出特性，充分发挥PFC电路和功率变换电路和功率变换电路的优势。电路的优势。
37、 Boost电路作为电路作为PFC的优秀拓扑，它与全桥、推挽、半桥等拓扑的优秀拓扑，它与全桥、推挽、半桥等拓扑的结合可以获得性能良好的新型单级的结合可以获得性能良好的新型单级PFC变换器拓扑。图变换器拓扑。图2-5所示所示电路为电路为Boost电路与全桥变换器合成的单级电路与全桥变换器合成的单级PFC电路。该电路可以电路。该电路可以实现对输入电流波形的整定，同时又可以应用于较大功率场台，发实现对输入电流波形的整定，同时又可以应用于较大功率场台，发挥了全桥电路的优势。同时，挥了全桥电路的优势。同时，PFC电路还可以与其他电路结合，也电路还可以与其他电路结合，也能达到很好的效果能达到很好的效果 工
38、作原理：工作原理：当当VT1、VT2同时导通时，相当于同时导通时，相当于Boost PFC电路的开关电路的开关S导通，电感导通，电感L充电；当充电；当VT1、VT4或或VT2、VT3同时导通时，相当于同时导通时，相当于Boost PFC电路的开关电路的开关S关断，输入电压和电感同时向负载供电。所以，变关断，输入电压和电感同时向负载供电。所以，变换器在工作原理上可以等效成基本的换器在工作原理上可以等效成基本的Boost PFC电路。电路。倍流整流和同步整流（补充）用倍流电路代替全桥整流或变压器副边的中心抽头电路，以减少导通损耗（低压场合）以及变压器工艺复杂性（2）输出端整流一般用肖特基二极管（3
39、）在低压输出场合（2V或更低）输出端整流用小功率低压MOS管代替肖特基二极管，因为小功率MOS管的压降更低，可以提高效率。（4）这种电路称做同步整流，而同步整流技术也成为低压大电流高频整流技术中不可或缺的部分图图 2-8 倍频整流电路倍频整流电路图图 2-8 同步整流电路同步整流电路2.4 推挽变换器推挽变换器与双管正激电路区别（从电路结构和两个开关管的与双管正激电路区别（从电路结构和两个开关管的驱动信号区分）驱动信号区分）变压器磁芯工作在一三象限，即双向磁化。变压器磁芯工作在一三象限，即双向磁化。工作原理工作原理 重新定义占空比重新定义占空比 在半个周期内开关管导在半个周期内开关管导通，通，
40、 关断一次关断一次 。 分析分析VT1导通时，变压器副边二极管导通时，变压器副边二极管VD3导通，把导通，把一次侧能量传递给负载。一次侧能量传递给负载。 VT1截止后，变压器经二截止后，变压器经二极管极管VD2复位，将复位，将VT1导通期间的励磁能量返回电导通期间的励磁能量返回电源。此时变压器副边两个二极管（变压器漏感的原源。此时变压器副边两个二极管（变压器漏感的原因）都导通，把变压器一、二次侧电压钳位为零。因）都导通，把变压器一、二次侧电压钳位为零。 2TtDon2.3 推挽变换器推挽变换器图图 2-8 推挽式变换电路推挽式变换电路2.3 推挽变换器推挽变换器S1S2uS 1uS 2iS 1
41、iS 2iD 1iS 2tonTtttttttt2 Ui2 UiiLiLOOOOOOOO图图 2-9 推挽电路的理想化波形推挽电路的理想化波形 on10i12tLUUNNiL 输出电压推导：输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。放的能量。 导通期间导通期间 关断期间关断期间 on10off10-2tTLUtLUisL2.3 推挽变换器推挽变换器2.3 推挽变换器推挽变换器 当输出电感电流连续时当输出电感电流连续时 当输出电感电流不连续时当输出电感电流不连续时，输出电压输出电压Uo将连续时的计算值，将连续时的计
42、算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 其它关系式其它关系式（1）开关管）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为截止时承受的电压为2Ui。为为(适用于低输入适用于低输入电压场合）电压场合）（2）整流管承受的电压为）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为）与开关管并联的二极管承受的电压为2Ui2on12ioTtNNUU12i2NNUUNNUoi212.3 推挽变换器推挽变换器推挽式的优点：推挽式的优点： 电压利用率高。电压利用率高。开关和交替工作，其输出电压波形非常开关和交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工
43、作周期之内都向负载提供对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源输出特性很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于低输入电压的电路中。关电源被广泛应用于低输入电压的电路中。 推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相推挽式开关电源的两个
44、开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多，这也是推挽式开关电源的一个优点多，这也是推挽式开关电源的一个优点 。2.3 推挽变换器推挽变换器 双极性磁化使得变压器，磁感应变化范围比单极性大，双极性磁化使得变压器，磁感应变化范围比单极性大，变压器铁心不需要气隙，增加了电源的效率变压器铁心不需要气隙，增加了电源的效率缺点：缺点：开关器件需要很高的耐压，输入电压两倍。开关器件需要很高的耐压，输入电压两倍。变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关电源是个缺点，对于
45、大功率输出的推挽式开关电源是个电源是个缺点，对于大功率输出的推挽式开关电源是个优点优点 。2.4 半桥电路半桥电路图图 2-10 半桥电路原理图半桥电路原理图图图 2-11 半桥电路的理想化波形半桥电路的理想化波形2.4 半桥电路半桥电路2.4 半桥电路半桥电路工作过程工作过程 VT1导通时二极管，导通时二极管，VD3处于通态，处于通态， VD4截止，截止，电感储能，电流增加。电感储能，电流增加。 VT1截止后，两个开关都关断时，一次侧电流截止后，两个开关都关断时，一次侧电流VT2经并联的二极管经并联的二极管VD2续流续流 ，由于，由于VD2 的导通，的导通，一次一次侧电压变为负值侧电压变为负
46、值，二极管，二极管VD4导通，导通， VD3继续导通（变继续导通（变压器漏感压器漏感) ，VD3和和VD4都处于通态，各分担一半的负都处于通态，各分担一半的负载电流，变压器绕组中的电流为零。载电流，变压器绕组中的电流为零。 后半个周期的工作过程与之前相似，只是一次后半个周期的工作过程与之前相似，只是一次电压、电流反向，二次侧电压也反向。其数值关系不电压、电流反向，二次侧电压也反向。其数值关系不变。变。 2.4 半桥电路半桥电路输出电压输出电压 滤波电感滤波电感L的电流连续时，利用半个周期内电感电流的的电流连续时，利用半个周期内电感电流的增加量与其减少量相等，得增加量与其减少量相等，得 TtNN
47、UUon12io输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高计算值，并将高计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下2i12oUNNU其它关系式其它关系式（1）开关管）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为截止时承受的电压为Ui。为。为(适用于高适用于高输入电压场合）输入电压场合）（2）整流管承受的电压为）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为）与开关管并联的二极管承受的电压为Ui12iNNU2.4 半桥电路半桥电路半桥电路的偏磁现象及解决半桥电路的偏磁现象及解决 半桥电路由于两个开关工作特性不同而导致导通
48、时间半桥电路由于两个开关工作特性不同而导致导通时间不对称，从而造成的变压器一次侧电压出现直流分量。不对称，从而造成的变压器一次侧电压出现直流分量。这种现象称为直流偏磁。直流谝磁容易造成变压器饱和。这种现象称为直流偏磁。直流谝磁容易造成变压器饱和。 通常通过在一次侧串联耦合电容解决。由于通常通过在一次侧串联耦合电容解决。由于电容电容的的隔隔直作用直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用。成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用。 注意电容选等效电阻小的，否则分压太大。因此耦合注意电容选等效电阻小的，
49、否则分压太大。因此耦合电容容量不能太大，通常选用无极性的薄膜电容。电容容量不能太大，通常选用无极性的薄膜电容。2.5 全桥电路全桥电路图图 2-12 全桥电路原理图全桥电路原理图 2.5 全桥电路全桥电路S1S2uS 1uS 2iS 1iS 2iD 1iS 2tonTtttttttt2 Ui2 UiiLiLOOOOOOOO图图 2-13 全桥电路的理想化波形全桥电路的理想化波形2.5 全桥电路全桥电路全桥电路全桥电路 工作过程工作过程 全桥电路中，全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通互为对角的两个开关同时导通，同一侧，同一侧半桥上下两开关半桥上下两开关交替交替导通，使变压器一次侧形成幅值为导
50、通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 当当VT1与与VT4开通后，开通后，VD5处于通态，电感处于通态，电感L的电流逐的电流逐渐上升。渐上升。 当当VT2与与VT3开通后，开通后，VD6处于通态，电感处于通态，电感L的电流也的电流也上升。上升。 当当4个开关都关断时，个开关都关断时， VD5 、VD6都处于通态，各分都处于通态，各分担一半的电感电流，电感担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。的电流逐渐下降。2.5 全桥电路全桥电路输出电压输出电压 滤波电感电流连续时滤波电感电流连续时 TtNNUUon12io2
