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1、开关电源推选文档课题四课题四 开关电源开关电源 PC主机开关电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合各个配件使用的低压直流电供给整机使用。一般有四路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V。电路的原理框图如图4-3所示，输入电压为AC220v，50Hz的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为300V左右的高压直流电，然后通过功率开关管的导通与截止将直流电压变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。开关管的导通与截止由PWM（脉冲宽度调制）控制电路发出的驱动信号控制。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源【相关知识

2、点相关知识点】：一、开关器件一、开关器件 开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管GTR，本实例中使用的是GTR。1 1大功率晶体管大功率晶体管GTRGTR(1)(1)大功率晶体管的结构和工作原理大功率晶体管的结构和工作原理电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源 1）基本结构 通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以

3、称为双极型晶体管。图4-4（a）是NPN型功率晶体管的内部结构，电气图形符号如图（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-4 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动(a)GTR的结构 (b）电气图形符号 (c）内部载流子的流动电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源 大功率晶体管通常采用共发射极接法，图4-4（c)给出了共发射极接法时的功率晶体管内部主要载流子流动示意图。图中，1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，2为

4、与电子复合的空穴，3为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流，4为越过集电极电流的电子，5为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子。一些常见大功率晶体三极管的外形如图4-5所示。从图可见，大功率晶体三极管的外形除体积比较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将三极管安装在外加的散热器上。因为对大功率三极管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如，50W的硅低频大功率晶体三极管，如果不加散热器工作，其最大允许耗散功率仅为23W。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-5 常见大功率三极管外形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源 2）工作原理 在电力电子技术中，GTR主要工作在开关

5、状态。晶体管通常连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib0）时大电流导通；反偏（Ib0）时处于截止高电压状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。(2)GTR(2)GTR的特性与主要参数的特性与主要参数1）GTR的基本特性电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源 静态特性 共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-6，可分为3个工作区：w截止区。在截止区内，Ib0，Ube0，Ubc0，集电极只有漏电流流过。w放大区。Ib0，Ube0，Ubc0，Ic=Ib。w饱和区。，Ube0，Ubc0。Ics是集电极饱和电流，其值由外电路决

6、定。两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时集电极、发射极间的管压降Uces很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如Ib继续增加，则为过饱和。用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低Uces和减小导通时的损耗。csbII csbII csbII 电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-6 GTR共发射极接法的输出特性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2BUcexBUcesBUcerBUceo，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w集电极最

7、大允许电流IcMwGTR流过的电流过大，会使GTR参数劣化，性能将变得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致GTR损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流值。通常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的1/21/3时，所对应的电流Ic为集电极最大允许电流，以IcM表示。实际使用时还要留有较大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w集电极最大耗散功率PcMw集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的耗散功率，用PcM表示。它是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升温，晶体管会因温

8、度过高而损坏。实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度有关。所以在使用中应特别注意值IC不能过大，散热条件要好电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w最高工作结温TJMwGTR正常工作允许的最高结温，以TJM表示。GTR结温过高时，会导致热击穿而烧坏。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w(3)GTR的二次击穿和安全工作区的二次击穿和安全工作区w1）二次击穿问题w实践表明，GTR即使工作在最大耗散功率范围内，仍有可能突然损坏，其原因一般是由二次击穿引起的，二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一各重要因素。w二次击穿是由于集电极电压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪

9、崩效应造成的。照理，只要功耗不超过极限，管子是可以承受的，但是在实际使用中，出现负阻效应，Ie进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使管子损坏。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w二次击穿的持续时间在纳秒到微秒之间完成，由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。防止二次击穿的办法是：应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。必须有电压电流缓冲保护措施。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2）安全工作区w以直流极限参数IcM、PcM、UceM构成的工作区为一次击穿工作区，如图48所示。以USB（二次击穿电压）与

10、ISB（二次击穿电流）组成的PSB（二次击穿功率）如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。以3DD8E晶体管测试数据为例，其PcM=100W，BUceo200V，但由于受到击穿的限制，当Uce=100V时，PSB为60W，Uce=200V时PSB仅为28W！所以，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常比管子的极限电压低很多。w安全工作区是在一定的温度条件下得出的，例如环境温度25或壳温75等，使用时若超过上述指定温度值，允许功耗和二次击穿耐量都必须降额。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源4-8 GTR安全工作区电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w(4

11、)GTR的驱动与保护的驱动与保护w1）GTR基极驱动电路w对基极驱动电路的要求w由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源wGTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。w在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流（如图4-9波形所示），以加快关断速度，减小关段损耗。w应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w基极驱动电路w图4-10是一个简单实用的GTR驱动电路。该电路采用正、负双电源供电。

12、当输入信号为高电平时，三极管V1、V2和V3导通，而V4截止，这时V5就导通。二极管VD3可以保证GTR导通时工作在临界饱和状态。流过二极管VD3的电流随GTR的临界饱和程度而改变，自动调节基极电流。当输入低电平时，V1、V2、V3截止，而V4导通，这就给GTR的基极一个负电流，使GTR截止。在V4导通期间，GTR的基极-发射极一直处于负偏置状态，这就避免了反向电流的通过，从而防止同一桥臂另一个GTR导通产生过电流。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源4-10 实用的GTR驱动电路电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w集成化驱动w集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳

13、定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。如法国THOMSON公司为GTR专门设计的基极驱动芯片UAA4002。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对GTR的完整保护和最优驱动结合起来，使GTR运行于自身可保护的准饱和最佳状态。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2）GTR的保护电路w为了使GTR在厂家规定的安全工作区内可靠的工作，必须对其采用必要的保护措施。而对GTR的保护相对来说比较复杂，因为它的开关频率较高，采用快熔保护是无效的。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R-C-VD缓冲电路和阻止放电型R-C-VD缓冲电路三种形式，

14、如图4-11所示。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源4-11 GTR的缓冲电路电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（a）RC缓冲电路（b）充放电型R-C-VD缓冲电路（c）阻止放电型R-C-VD缓冲电路wRC缓冲电路简单，对关断时集电极发射极间电压上升有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR（电流10A以下）。w充放电型R-C-VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的损耗（在缓冲电路的电阻上产生的）较大，不适合用于高频开关电路。w阻止放电型R-C-VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路的缓冲器。其最大优点是缓冲产生的损耗小。w为了使GT

15、R正常可靠地工作，除采用缓冲电路之外，还应设计最佳驱动电路，并使GTR工作于准饱和状态。另外，采用电流检测环节，在故障时封锁GTR的控制脉冲，使其及时关断，保证GTR电控装置安全可靠地工作；在GTR电控系统中设置过压、欠压和过热保护单元，以保证安全可靠地工作。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET:w功率场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）简称MOSFET。与GTR相比，功率MOSFET具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高

16、、电流容量也不能太大。所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源（1）功率）功率MOSFET的结构及工作原理的结构及工作原理1）结构w功率场效应晶体管是压控型器件，其门极控制信号是电压。w它的三个极分别是：栅极G、源极S、漏极D。w功率场效应晶体管有N沟道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载流子是空穴，都是多数载流子。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型就是当栅源间电压UGS=0时存在导电沟道，漏极电流ID0；增强型就是当UGS=0时没有导电沟道，ID=0，只有当UGS0（N沟道）或UGS0（P沟道）时才开始有ID。w功率MOSFET

17、绝大多数是N沟道增强型。这是因为电子作用比空穴大得多。N沟道和P沟道MOSFET的电气图形符号如图4-12所示。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源（a）功率MOSFET的结构 （b）电气图形符号电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w功率场效应晶体管与小功率场效应晶体管原理基本相同，但是为了提高电流容量和耐压能力，在芯片结构上却有很大不同：电力场效应晶体管采用小单元集成结构来提高电流容量和耐压能力，并且采用垂直导电排列来提高耐压能力。w几种功率场效应晶体管的外形如图4-13。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-13 几种功率场效应晶体管的外形电力电子技术 课题四课

18、题四 开关电源开关电源w2）工作原理w当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0时，P体区和N漏区的PN结反偏，D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以不会有电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于某一电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压UT称开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w

19、（2）功率）功率MOSFET的特性与参数的特性与参数w1）功率MOSFET的特性w转移特性wID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性。如图414（a）所示。从图中可知，ID较时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导，即：MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。GSDfsdUdIG电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w输出特性w图414(b）是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有三个工作区：w截止区。UGSUT，ID=0，这和电力晶体管的截止区相对应。w饱和区。UG

20、SUT，UDSUGS-UT，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数，故称饱和区。这里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w非饱和区。UGSUT，UDSUGS-UT，漏源电压UDS和漏极电流ID之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。w在制造功率MOSFET时，为提高跨导并减少导通电阻，在保证所需耐压的条件下，应尽量减小沟道长度。因此，每个MOSFET元都要做得很小，每个元能通过的电流也很小。为了能使器件通过较大的

21、电流，每个器件由许多个MOSFET元组成。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w开关特性w图415是用来测试MOSFET开关特性的电路。图中up为矩形脉冲电压信号源，w波形见图415(b），Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。因为MOSFET存在输入电容Cin，所以当脉冲电压up的前沿到来时，Cin有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升，如图4-15所示。当UGS上升到开启电压UT时开始出现漏极电流iD。从up的前沿时刻到uGS=UT的时刻，这段时间称为开通延迟时间td(on)。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w此后，iD随UGS的

22、上升而上升。uGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGPS这段时间称为上升时间tr，这时相当于电力晶体管的临界饱和，漏极电流iD也达到稳态值。iD的稳态值由漏极电压和漏极负载电阻所决定，UGPS的大小和iD的稳态值有关。uGS的值达UGPS后，在脉冲信号源up的作用下继续升高直至到达稳态值，但iD已不再变化，相当于电力晶体管处于饱和。MOSFET的开通时间ton为开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和，即：wton=td(on)+tr w当脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻Rs和栅极电阻RG（Rs）开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGPS

23、时，漏极电流iD才开始减小，这段时间称为关断延迟时间td(off)。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w此后，Cin继续放电，uGS从UGPS继续下降，iD减小，到uGS小于UT时沟道消失，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断延迟时间td(off)和之和下降时间tf为关断时间toff，即：wtoff=td(off)+tf w从上面的分析可以看出，MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低其Cin值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。MOSFET的工作频率可达100kHz以上。wMOSFET是

24、场控型器件，在静态时几乎不需要输入电流。但是在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图415 功率MOSFET的开关过程（a）MOSFET开关特性的测试电路 （b）波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2）功率MOSFET的主要参数w漏极电压UDSw它就是MOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全余量。w漏极最大允许电流IDMw它就是MOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。w栅源电压UGSw栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20V，否则绝缘层可能被击穿

25、而损坏，使用中应加以注意。w总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大余量。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（3）功率）功率MOSFET的驱动与保护的驱动与保护w1）功率MOSFET的驱动w对栅极驱动电路的要求w能向栅极提供需要的栅压，以保证可靠开通和关断MOSFET。w减小驱动电路的输出电阻，以提高栅极充放电速度，从而提高MOSFET的开关速度。w主电路与控制电路需要电的隔离。w应具有较强的抗干扰能力，这是由于MOSFET通常工作频率高、输入电阻大、易被干扰的缘故。w理想的栅极控制电压波形，如图4-16所示。提高正栅压上升率可缩短开通时间，但也

26、不宜过高，以免MOSFET开通瞬间承受过高的电流冲击。正负栅压幅值应要小于所规定的允许值。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-16 理想的栅极控制电压波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2）栅极驱动电路举例w图4-17是功率MOSFET的一种驱动电路，它由隔离电路与放大电路两部分组成。隔离电路的作用是将控制电路和功率电路隔离开来；放大电路是将控制信号进行功率放大后驱动功率MOSFET，推挽输出级的目的是进行功率放大和降低驱动源内阻，以减小功率MOSFET的开关时间和降低其开关损耗。w驱动电路的工作原理是：当无控制信号输入时（ui=“0”），放大器A输出低电平，V3导

27、通，输出负驱动电压，MOSFET关断；当有控制信号输入时（ui=“1”），放大器A输出高电平，V2导通，输出正驱动电压，MOSFET导通。w实际应用中，功率MOSFET多采用集成驱动电路，如日本三菱公司专为MOSFET设计的专用集成驱动电路M57918L，其输入电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压为+15V和-10V。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-17 功率MOSFET的一种驱动电路电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（1）MOSFET的保护电路w功率MOSFET的薄弱之处是栅极绝缘层易被击穿损坏。一般认为绝缘栅场效应管易受各种静电感

28、应而击穿栅极绝缘层，实际上这种损坏的可能性还与器件的大小有关，管芯尺寸大，栅极输入电容也大，受静电电荷充电而使栅源间电压超过20V而击穿的可能性相对小些。此外，栅极输入电容可能经受多次静电电荷充电，电荷积累使栅极电压超过20V而击穿的可能性也是实际存在的。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w为此，在使用时必须注意若干保护措施。w1）防止静电击穿w功率MOSFET的最大优点是具有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难于泄放电荷，容易引起静电击穿。防止静电击穿应注意：w在测试和接入电路之前器件应存放在静电包装袋，导电材料或金属容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用时应拿管壳部分而不是引线

29、部分。工作人员需通过腕带良好接地。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w将器件接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时烙铁应断电。w在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。器件的三个电极未全部接入测试仪器或电路前不要施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。w注意栅极电压不要过限。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2)防止偶然性振荡损坏器件w功率MOSFET与测试仪器、接插盒等的输入电容、输入电阻匹配不当时可能出现偶然性振荡，造成器件损坏。因此在用图示仪等仪器测试时，在器件的栅极端子处外接10k串联电阻，也可在栅极源极之间外接大约0.5F的电容器。电

30、力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w3)防止过电压w首先是栅源间的过电压保护。如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的UGS电压，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏，如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。为此要适当降低栅极驱动电压的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或并接约20V的稳压管。特别要防止栅极开路工作。w其次是漏源间的过电压保护。如果电路中有电感性负载，则当器件关断时，漏极电流的突变会产生比电源电压还高得多的漏极电压，导致器件的损坏。应采取稳压管箝位、二极管-RC箝位或RC抑制电路等保护措施。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关

31、电源w4)防止过电流w若干负载的接入或切除都可能产生很高的冲击电流，以致超过电流极限值，此时必须用控制电路使器件回路迅速断开。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w5)消除寄生晶体管和二极管的影响w由于功率MOSFET内部构成寄生晶体管和二极管，通常若短接该寄生晶体管的基极和发射极就会造成二次击穿。另外寄生二极管的恢复时间为150ns，而当耐压为450V时恢复时间为5001000ns。因此，在桥式开关电路中功率MOSFET应外接快速恢复的并联二极管，以免发生桥臂直通短路故障。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w二、二、DC/DC变换电路变换电路w开关电源的核心技术就是DC/D

32、C变换电路。DC/DC变换电路就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。DC/DC变换电路广泛应用于开关电源、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世纪80年代兴起的电动汽车的调速及控制。w常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开关电路。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w1非隔离型电路非隔离型电路w非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同可以分为降压型电路、升压型电路、升降压电路、库克式斩波电路和全桥式斩波电路。其中降压式和升压式斩波电路是基本形式，升降压式和库克式是它们的组合，而全桥式则属于降压式类型。下面重点介绍斩波电路的工作原理

33、、升压及降压斩波电路。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（1）直流斩波器的工作原理w最基本的直流斩波电路如图4-18（a）所示，负载为纯电阻R。当开关S闭合时，负载电压uo=E，并持续时间TON；当开关S断开时，负载上电压uo=0V，并持续时间TOFF。则T=TON+TOFF为斩波电路的工作周期，斩波器的输出电压波形如图4-18（b）所示。若定义斩波器的占空比 ，则由波形图上可得输出电压得平均值为 w只要调节k，即可调节负载的平均电压。TTkONkEUTTETTTUdONOFFONONo电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-18 基本斩波电路及其波形（a）电路 （b）波

34、形（R负载）电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（2）降压斩波电路w1）电路的结构w降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。降压斩波电路的原理图及工作波形如图4-19所示。图中，U为固定电压的直流电源，V为晶体管开关（可以是大功率晶体管，也可以是功率场效应晶体管）。L、R、电动机为负载，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，还设置了续流二极管VD。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2）电路的工作原理wt=0时刻，驱动V导通，电源U向负载供电，忽略V的导通压降，负载电压Uo=U，负载电流按指数规律上升。wt=t1时

35、刻，撤去V的驱动使其关断，因感性负载电流不能突变，负载电流通过续流二极管VD续流，忽略VD导通压降，负载电压Uo=0V，负载电流按指数规律下降。为使负载电流连续且脉动小，一般需串联较大的电感L，L也称为平波电感。wt=t2时刻，再次驱动V导通，重复上述工作过程。当电路进入稳定工作状态时，负载电流在一个周期内的起始值和终了值。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-19 降压斩波电路的原理图及工作波形（a）电路图 （b）电流连续时的波形 （c）电流断续时的波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w由前面的分析知，这个电路的输出电压平均值为，由于k1，所以UoU，即斩波器输出电压

36、平均值小于输入电压，故称为降压斩波电路。而负载平均电流为 w w当平波电感L较小时，在V关断后，未到t2时刻，负载电流已下降到零，负载电流发生断续。负载电流断续时，其波形如图4-19(c）所示。由图可见，负载电流断续期间，负载电压uo=EM。因此，负载电流断续时，负载平均电压Uo升高，带直流电动机负载时，特性变软，是我们所不希望的。所以在选择平波电感L时，要确保电流断续点不在电动机的正常工作区域。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（3）升压斩波电路w1）升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。升压式斩波电路与降压式斩波电路最大的不同点是，斩波控制开关V与负载呈并联形式连接，出能电感

37、与负载呈串联形式连接，升压斩波电路的原理图及工作波形如图4-20所示。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源a）电路图 （b）波形图4-20 升压斩波电路及其工作波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2）电路的工作原理：w当V导通时（TON），能量储存在L中。由于VD截止，所以TON期间负载电流由C供给。在TOFF期间，V截止，储存在L中的能量通过VD传送到负载和C，其电压的极性与U相同，且与U相串联，提供一种升压作用。w如果忽略损耗和开关器件上的电压降，则有w上式中的T/TOFF1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。w式中T/TOFF表示升压比，调节其大小，即

38、可改变输出电压Uo的大小。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w4）升降压斩波电路w1）电路的结构w升降压斩波电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。电路原理图如图421所示，该电路的结构特征是储能电感与负载并联，续流二极管VD反向串联接在储能电感与负载之间。电路分析前可先假设电路中电感L很大，使电感电流iL和电容电压及负载电压uo基本稳定。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2）电路的工作原理w电路的基本工作原理是：V通时，电源U经V向L供电使其贮能，此时二极管VD反偏，流过V的电流为i1。由于VD反偏截止，电容C向负载R提供能量并维持输出电压基本稳定，负载R及电容C上的

39、电压极性为上负下正，与电源极性相反。wV断时，电感L极性变反，VD正偏导通，L中储存的能量通过VD向负载释放，电流为i2，同时电容C被充电储能。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路w稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即w 当V处于通态期间，uL=U；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是有wUTON=UOTOFFw所以输出电压为：w上式中，若改变占空比k，则输出电压既可高于电源电压，也可能低于电源电压。w由此可知，当0k1/2时，斩波器输出电压低于直流电源输入，此时为降压斩波器；w 当1/2k1时，斩波器输出电压高于直流电源输入，此时为升

40、压斩波器。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图4-21 升降压斩波电路及其工作波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w2隔离型电路隔离型电路w（1）正激电路w正激电路包含多种不同结构，典型的单开关正激电路及其工作波形如图422所示。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图422 正激电路原理图及理想化波形（a）电路原理图 (b)理想化波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w电路的简单工作过程：开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组W2两端的电压也是上正下负。因此VDl处于通态，VD2为断态，电感上的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过

41、VD2续流，VD1关断，L的电流逐渐下降。S关断后变压器的励磁电流经绕组W3和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为式中 N1变压器绕组W1的匝数；w N3变压器绕组W3的匝数。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w 变压器中各物理量的变化过程如图4-23所示。图423 磁心复位过程电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w开关S开通后，变压器的励磁电流im由零开始，随着时间的增加而线性地增长，直到S关断。S关断后到下一次再开通的一段时间内，必须设法使励磁电流降回零，否则下一个开关周期中，励磁电流将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加，并在以后的开关周期中依次累积起来，变得越来越

42、大，从而导致变压器的励磁电感饱和。励磁电感饱和后，励磁电流会更加迅速地增长，最终损坏电路中的开关器件。因此在S关断后使励磁电流降回零是非常重要的，这一过程称为变压器的磁心复位。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w在正激电路中，变压器的绕组W3和二极管VD3组成复位电路。下面简单分析其工作原理。w开关S关断后，变压器励磁电流通过W3绕组和VD3流回电源，并逐渐线性的下降为零。从S关断到W3绕组的电流下降到零所需的时间。S处于断态的时间必须大于Trst，以保证S下次开通前励磁电流能够降为零，使变压器磁心可靠复位。w在输出滤波电感电流连续的情况下，即S开通时电感L的电流不为零，输出电压与输

43、入电压的比为如果输出电感电路电流不连续，输出电压将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（2）反激电路w反激电路及其工作波形如图424所示。w同正激电路不同，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。wS开通后，VD处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组W2和VD向输出端释放。S关断后承受的电压的电压为o21is)(UNNUuo21is)(UNNUuo21is)(UNNUu电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w反激电路可以

44、工作在电流断续和电流连续两种模式：w1)如果当S开通时，绕组W2中的电流尚未下降到零，则称电路工作于电流连续模式。w2)如果S开通前，绕组W2中的电流已经下降到零，则称电路工作于电流断续模式。w当工作于电流连续模式时，w当电路工作在断续模式时，输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，Uo，这将损坏电路中的器件，因此反激电路不应工作于负载开路状态。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图424 反激电路原理图及理想化工作波形（a）电路原理图 (b)理想化波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（3）半桥电路w半桥电路的原理及工作波形如图425所示

45、。w在半桥电路中，变压器一次绕组两端分别连接在-电容C1、C2的中点和开关S1、S2的中点。电容C1、C2的中点电压为Ui2。S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui2的交流电压。改变开关的占空比，就可改变二次整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。wSl导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组Wl中的电流为零，根据变压器的磁动势平衡方程，绕组W2和W3中的电流大小相等、方向相反，所以VDl和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感上的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感上的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的

46、峰值电压均为Ui。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w由于电容的隔直作用，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电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。w为了避免上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通现象而造成短路损坏开关器件，每个开关各自的占空比不能超过50，并应留有裕量。w当滤波电感L的电流连续时，有如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图425 半桥电路原理图及理想化工作波形（a）电路原理图 (b)理想化波形电力电子技

47、术 课题四课题四 开关电源开关电源w（4）全桥电路w全桥电路的原理图和工作波形如图426所示。w全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为Ui的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，就可以改变Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。w当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S4断态时承受的峰值电压均为Ui。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w若

48、S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和，因此全桥应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次回路电路中串联一个电容，以阻断直流电流。w为了避免同一侧半桥中上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50，并应留有裕量。w当滤波电感L的电流连续时，有如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升 高，在负载电流为零的极限情况下，。i12oUNNU 电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图426 全桥电路原理图及理想化工作波形（a）电路

49、原理图 (b)理想化波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w（5）推挽电路w推挽电路的原理及工作波形如图427所示。w推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组W1和W2两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。Sl和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。w 如果Sl和S2同时导通，就相当于变压器一次绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50，还要留有死区

50、电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w当滤波电感L的电流连续时，有如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，。电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源图427 推挽电路原理图及理想化工作波形（a）电路原理图 (b)理想化波形电力电子技术 课题四课题四 开关电源开关电源w三、开关状态控制电路三、开关状态控制电路w1开关状态控制方式的种类开关状态控制方式的种类w开关电源中，开关器件开关状态的控制方式主要有占空比控制和幅度控制两大类。w（1）占空比控制方式 占空比控制又包括脉冲宽度控制和脉冲频率控制两大类。w 1)脉冲宽度控制