1、1第第6章章 高频开关电源电路原理高频开关电源电路原理2高频开关电源电路概述高频开关电源电路概述 n高频开关电源高频开关电源（简称开关电源）（简称开关电源）是指功率晶体管工作是指功率晶体管工作在高频开关状态的直流稳压电源在高频开关状态的直流稳压电源，其开关频率在其开关频率在20kHz以上以上。它的主要组成部分是。它的主要组成部分是DC/DC变换器。变换器。n按控制方式分类，可分为脉宽调制（按控制方式分类，可分为脉宽调制（PWM）、脉频调）、脉频调制（制（PFM）和混合调制（即脉宽和脉频同时改变），）和混合调制（即脉宽和脉频同时改变），通信用开关电源一般采用脉宽调制通信用开关电源一般采用脉宽调制
2、。n按功率开关电路的结构形式分类，可分为按功率开关电路的结构形式分类，可分为非隔离型非隔离型（主电路中无高频变压器）、（主电路中无高频变压器）、隔离型隔离型（主电路中有高（主电路中有高频变压器）以及具有软开关特性的频变压器）以及具有软开关特性的谐振型谐振型等类型。等类型。n开关电源的开关电源的优点优点：效率高、体积小、质量轻、稳压性：效率高、体积小、质量轻、稳压性能好、无可闻噪音等。因此得到越来越广泛的应用。能好、无可闻噪音等。因此得到越来越广泛的应用。36.1 开关电源中的功率电子器件开关电源中的功率电子器件6.1.1 概述概述n开关电源中的功率电子器件，主要是可以快速开关的功开关电源中的功
3、率电子器件，主要是可以快速开关的功率二极管和功率开关晶体管。率二极管和功率开关晶体管。n开关电源中在高频（开关电源中在高频（20kHz以上）条件下工作的功率二以上）条件下工作的功率二极管，不能采用普通硅整流二极管，而必须采用极管，不能采用普通硅整流二极管，而必须采用快恢复快恢复二极管（二极管（FRD）、超快恢复二极管（超快恢复二极管（UFRD）或肖特基二或肖特基二极管（极管（SBD）等开关速度快的功率开关二极管。）等开关速度快的功率开关二极管。n开关电源中使用的功率开关管有三大类：双极型功率晶开关电源中使用的功率开关管有三大类：双极型功率晶体管（体管（BJT）、）、VMOS场效应晶体管（场效应
4、晶体管（VMOSFET）和绝）和绝缘栅双极晶体管（缘栅双极晶体管（IGBT或称或称IGT）。）。通信用高频开关电通信用高频开关电源中功率开关管主要采用源中功率开关管主要采用VMOSFET和和IGBT。n功率开关晶体管以及功率二极管等功率器件，都应功率开关晶体管以及功率二极管等功率器件，都应配置配置适当的散热器适当的散热器，并采用合理的冷却方式和安装方法，以，并采用合理的冷却方式和安装方法，以获得良好的散热效果，限制器件的温升。获得良好的散热效果，限制器件的温升。46.1.2 VMOSFET1VMOSFET概述概述n场效应晶体管（场效应晶体管（FET）又称单极型晶体管，因为它导通）又称单极型晶体
5、管，因为它导通时只有一种极性的载流子参与导电。它用时只有一种极性的载流子参与导电。它用栅极（栅极（G）电电场控制场控制漏极（漏极（D）和和源极（源极（S）之间的沟道电导，从而控之间的沟道电导，从而控制漏极电流（制漏极电流（ID），在直流状态下栅极几乎没有电流，），在直流状态下栅极几乎没有电流，因此因此是电压控制型器件是电压控制型器件。n导电沟道中载流子是电子时，称为导电沟道中载流子是电子时，称为N沟道沟道；导电沟道中；导电沟道中载流子是空穴时，称为载流子是空穴时，称为P沟道沟道。nMOS场效应晶体管（场效应晶体管（MOSFET），即金属（），即金属（Metal）氧化物氧化物(Oxide)半导体
6、半导体(Semiconductor)场效应晶体场效应晶体管，它的栅极由金属构成，绝缘层由二氧化硅（管，它的栅极由金属构成，绝缘层由二氧化硅（SiO2）构成，导电沟道由半导体（硅）构成。构成，导电沟道由半导体（硅）构成。5VMOSFET概述（续概述（续1）nMOS场效应管不仅分为场效应管不仅分为N沟道和沟道和P沟道，而且在每种当沟道，而且在每种当中，因沟道产生的条件不同又分为增强型和耗尽型。中，因沟道产生的条件不同又分为增强型和耗尽型。增增强型强型MOS场效应管在零栅压（场效应管在零栅压（UGS=0）时不导电，）时不导电，耗耗尽型尽型MOS场效应管在零栅压时导电。场效应管在零栅压时导电。nVMO
7、S场效应晶体管（场效应晶体管（VMOSFET）是）是垂直导电型垂直导电型MOS场效应晶体管（场效应晶体管（Vertical MOSFET）的简称。它是功率）的简称。它是功率场效应晶体管，与一般场效应晶体管，与一般MOS管不同之处是源极与漏极管不同之处是源极与漏极分别处在上下两个端面上，电流不再沿表面水平方向流分别处在上下两个端面上，电流不再沿表面水平方向流动，而是漏极和源极间电流的流向垂直于芯片表面。动，而是漏极和源极间电流的流向垂直于芯片表面。6VMOSFET概述（续概述（续2）N沟道增强型沟道增强型VVMOSFET结构示意图结构示意图 N沟道增强型沟道增强型VDMOSFET结构示意图结构示
8、意图 7VMOSFET概述（续概述（续3）n开关电源中使用的开关电源中使用的VMOS场效应晶体管，不论场效应晶体管，不论N沟道或沟道或P沟道，沟道，一般为增强型一般为增强型。VMOS场效应管场效应管大多数是大多数是N沟沟道道，这是因为相同的沟道尺寸，这是因为相同的沟道尺寸N沟道管比沟道管比P沟道管导通沟道管导通电阻小。电阻小。图形符号及图形符号及电压极性与电压极性与电流方向电流方向寄生寄生二极管二极管 N沟道增强型沟道增强型VMOSFET82VMOSFET的静态参数的静态参数（1）开启电压）开启电压VGS(th)n它是指漏区和源区之间形成导电沟道所需的最低栅它是指漏区和源区之间形成导电沟道所需
9、的最低栅-源电源电压。压。nN沟道增强型沟道增强型VMOS场效应管的场效应管的VGS(th)一般在一般在24V之间。之间。在开关应用中，为使在开关应用中，为使VMOS场效应管导通时漏场效应管导通时漏-源间电压源间电压降较小（通态电阻降较小（通态电阻Ron小），以减小通态损耗，通常驱动小），以减小通态损耗，通常驱动电压电压UGS约为约为1015V。9VMOSFET的静态参数（续的静态参数（续1）（2）导通电阻（通态电阻）导通电阻（通态电阻）Ronn是指是指VMOS场效应管导通时在确定的栅场效应管导通时在确定的栅-源电压源电压UGS下，下，漏漏-源极间的直流电阻。源极间的直流电阻。nRon随随UG
10、S增大而减小，随增大而减小，随ID增大而有所增加增大而有所增加。nRon具有正温度系数，使具有正温度系数，使VMOS场效应管很容易并联。场效应管很容易并联。nVMOS场效应管除低压大电流器件外，导通电阻场效应管除低压大电流器件外，导通电阻Ron较大，较大，因此作功率开关管用其导通压降比双极型晶体管的饱和因此作功率开关管用其导通压降比双极型晶体管的饱和压降大，相应地导通损耗较大，这是压降大，相应地导通损耗较大，这是VMOS场效应管的主场效应管的主要缺点。要缺点。10VMOSFET的静态参数（续的静态参数（续2）（3）漏）漏-源击穿电压源击穿电压BVDS（V（BR）DSS）它是为了避免器件击穿而设
11、的极限参数它是为了避免器件击穿而设的极限参数。应应UDSBVDS（4）最大栅）最大栅-源电压源电压VGS(max)一般为一般为20V。应。应UGSVGS（max)（5）漏极直流电流额定值）漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流额定和漏极脉冲电流额定值值IDMn它们是它们是VMOS场效应管电流定额的参数。其测试条件通常场效应管电流定额的参数。其测试条件通常是是UGS=10V、UDS为某个适当数值。一般为某个适当数值。一般IDM约为约为ID的的24倍。倍。nVMOS场效应管用作功率开关时，场效应管用作功率开关时，应应漏极电流最大值漏极电流最大值IDmaxIDM，漏极电流有效值，漏极电流有效值IDx2
12、5时，必须降额使用。时，必须降额使用。123VMOSFET的动态参数的动态参数（1）极间电容极间电容n极间电容是影响极间电容是影响VMOS场效场效应管开关速度的主要因素。应管开关速度的主要因素。n漏漏-源极间短路时的输入电容源极间短路时的输入电容Ciss、栅、栅源极间短路时的输源极间短路时的输出电容出电容Coss和反馈电容和反馈电容(又称又称反向传输电容反向传输电容)Crss，可用下，可用下列公式计算：列公式计算：Ciss=CGS+CGD Coss=CDS+CGD Crss=CGD 13VMOSFET的动态参数（续的动态参数（续1）（2）开关时间）开关时间开通时间开通时间ton是指从输入电压波
13、形上升至幅值是指从输入电压波形上升至幅值(Uim)的的10%到漏极电流波形到漏极电流波形上升至幅值上升至幅值(Im)的的90%所需时间，它分为延迟时间所需时间，它分为延迟时间td和上升时间和上升时间tr两部分两部分。关断时间关断时间toff是指从输入电压波形下降至幅值是指从输入电压波形下降至幅值(Uim)的的90%到漏极电流波形到漏极电流波形下降至幅值下降至幅值(Im)的的10%所需时间，它分为存储时间所需时间，它分为存储时间ts和下降时间和下降时间tf两部分。两部分。开关时间开关时间的长短主的长短主要取决于要取决于等效输入等效输入电容充放电容充放电所需时电所需时间间。14VMOSFET的动态
14、参数（续的动态参数（续2）nVMOSFET是依靠多数载流子导电的多子器件，是依靠多数载流子导电的多子器件，没有少子存储延迟效应，因此开关速度比双极没有少子存储延迟效应，因此开关速度比双极型晶体管快得多。一般开通时间型晶体管快得多。一般开通时间ton为几十纳秒，为几十纳秒，关断时间关断时间toff为几百纳秒，开关时间比双极型晶为几百纳秒，开关时间比双极型晶体管约快体管约快10倍。倍。n采用采用VMOSFET作功率开关管，开关损耗小，开作功率开关管，开关损耗小，开关电源的工作频率可以达到关电源的工作频率可以达到500kHz，甚至兆赫，甚至兆赫级。级。154VMOSFET的使用注意事项的使用注意事项
15、（1）防止静电放电失效）防止静电放电失效（2）防止过电压）防止过电压（3）防止过电流）防止过电流（4）防止寄生振荡损坏器件）防止寄生振荡损坏器件见教材见教材P121122。165VMOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路nVMOSFET是电压控制型器件，栅是电压控制型器件，栅-源间驱动脉冲电压幅源间驱动脉冲电压幅值一般取值一般取1015V；栅极在稳态工作时无电流流过，仅；栅极在稳态工作时无电流流过，仅在开关过程中有输入电容的充放电电流，因此所需驱动在开关过程中有输入电容的充放电电流，因此所需驱动功率小，驱动电路较简单。功率小，驱动电路较简单。nVMOSFET的开通和关断过程就是输入电容的充放电
16、过程。的开通和关断过程就是输入电容的充放电过程。驱动源内阻愈小，开关速度愈快。驱动源内阻愈小，开关速度愈快。n为使栅为使栅-源间脉冲电压前后沿均陡峭，栅极驱动电路在控源间脉冲电压前后沿均陡峭，栅极驱动电路在控制制VMOSFET开通时，应能提供足够大的输入电容充电电开通时，应能提供足够大的输入电容充电电流；在控制流；在控制VMOSFET关断时，应能使输入电容快速放电。关断时，应能使输入电容快速放电。17（1）直接驱动电路）直接驱动电路PWM集成控制器直接驱动集成控制器直接驱动 加设驱动功放的直接驱动加设驱动功放的直接驱动18（2）隔离驱动电路）隔离驱动电路 磁耦驱动电路磁耦驱动电路19隔离驱动电
17、路（续）隔离驱动电路（续）光耦驱动电路光耦驱动电路光耦驱动器光耦驱动器驱动电路驱动电路 光耦合器及光耦合器及基本电路基本电路 206.1.3 IGBTn门极绝缘双极晶体管又称绝缘门极晶体管，简称门极绝缘双极晶体管又称绝缘门极晶体管，简称IGBT或或IGT，人们往往习惯性地称为绝缘栅双极晶体管，或，人们往往习惯性地称为绝缘栅双极晶体管，或绝缘栅晶体管，它是一种绝缘栅晶体管，它是一种VMOS场效应晶体管和双极型场效应晶体管和双极型晶体管的复合器件。晶体管的复合器件。增强型增强型N沟道沟道IGBT的图形符号的图形符号及电压极性与电流方向及电压极性与电流方向增强型增强型N沟道沟道IGBT的的简化等效电
18、路简化等效电路G为门为门极，习极，习惯上常惯上常称栅极称栅极C为集为集电极电极E为发射为发射极极21IGBT的特点的特点 IGBT从输入端看，类似于从输入端看，类似于VMOS场效应管，是电压控制场效应管，是电压控制型器件，具有输入阻抗高、驱动电流小、驱动电路简单等型器件，具有输入阻抗高、驱动电流小、驱动电路简单等优点。优点。nIGBT的导通和关断由栅极电压来控制，当栅的导通和关断由栅极电压来控制，当栅-射电压（即射电压（即栅极栅极-发射极电压）发射极电压）UGE大于开启电压大于开启电压VGE(th)时时IGBT导通，导通，当栅当栅-射电压小于开启电压时射电压小于开启电压时IGBT截止，截止，I
19、GBT的开启电的开启电压一般为压一般为36V。n在开关应用中，使在开关应用中，使IGBT导通的栅导通的栅-射电压通常取射电压通常取15V，以，以保证集保证集-射间导通压降小；关断射间导通压降小；关断IGBT时，为使器件可靠截时，为使器件可靠截止，最好在栅止，最好在栅-射间加负偏压，通常取射间加负偏压，通常取-5-12V。22IGBT的特点（续的特点（续1）IGBT从输出端看，类似于双极型晶体管，导从输出端看，类似于双极型晶体管，导通压降小，饱和压降一般在通压降小，饱和压降一般在24V之间，故之间，故导导通损耗小通损耗小。此外，。此外，IGBT能够做得比能够做得比VMOS场效场效应管应管耐压更高
20、耐压更高，电流容量更大电流容量更大。23IGBT的特点（续的特点（续2）IGBT的开关速度在的开关速度在VMOS场场效应管与双极型晶体管之间。效应管与双极型晶体管之间。nIGBT关断时间较长，由于简化关断时间较长，由于简化等效电路中等效电路中PNP晶体管存储电晶体管存储电荷的影响，关断时电流下降存荷的影响，关断时电流下降存在拖尾现象。在拖尾现象。电流拖尾现象电流拖尾现象使使IGBT的关断损耗比的关断损耗比VMOS场效场效应管大。应管大。nIGBT一般适用于工作频率一般适用于工作频率50kHz以下以下的开关电源。有的的开关电源。有的IGBT开关频率可达开关频率可达150kHz。24IGBT的特点
21、（续的特点（续3）IGBT存在擎住效应。存在擎住效应。当集电极电流大到一定程度时，当集电极电流大到一定程度时，在在Rbr上产生的正向偏压足以使上产生的正向偏压足以使NPN晶体管导通，进而使晶体管导通，进而使NPN和和PNP晶体管处于饱和导通状晶体管处于饱和导通状态，于是寄生晶闸管开通，栅态，于是寄生晶闸管开通，栅极失去控制作用，这就是擎住极失去控制作用，这就是擎住效应。擎住效应将导致效应。擎住效应将导致IGBT损损坏，使用者坏，使用者必须避免擎住效应必须避免擎住效应的产生。因此的产生。因此IGBT的集电极电的集电极电流必须小于器件制造厂家规定流必须小于器件制造厂家规定的最大值的最大值ICM，同
22、时，同时IGBT的电的电压上升率也必须小于规定的压上升率也必须小于规定的dVCE/dt 值。值。IGBT的完整等效电路的完整等效电路 256.2 非隔离型开关电源电路非隔离型开关电源电路n非隔离型开关电源又称非隔离型直流变换器，还可称为非隔离型开关电源又称非隔离型直流变换器，还可称为斩波型开关电源，主要有降压（斩波型开关电源，主要有降压（Buck）式、升压）式、升压（Boost）式和反相（）式和反相（Buck-Boost 即降压即降压-升压）式三升压）式三种基本电路结构。种基本电路结构。n降压式降压式、升压式升压式和和反相式反相式等非隔离型开关电源的基本特等非隔离型开关电源的基本特征是：用功率
23、开关晶体管把输入直流电压变成脉冲电压征是：用功率开关晶体管把输入直流电压变成脉冲电压（直流斩波），再通过储能电感、续流二极管和输出滤（直流斩波），再通过储能电感、续流二极管和输出滤波电容等元件的作用，在输出端得到所需平滑直流电压，波电容等元件的作用，在输出端得到所需平滑直流电压，输入与输出之间没有隔离变压器输入与输出之间没有隔离变压器。266.2.1 电感和电容的特性电感和电容的特性 1电感的特性电感的特性n电感中的电流不能突变电感中的电流不能突变。eL=-Ldi/dt，反抗电流变化。反抗电流变化。n当流过电感的电流当流过电感的电流i上升时，上升时，eL与与i方向相反（电势的方向方向相反（电势
24、的方向是由负指向正，而电压的方向是由正指向负，故是由负指向正，而电压的方向是由正指向负，故uL与与i方方向相同），电感中储能，所储存的能量为向相同），电感中储能，所储存的能量为WL=i 2L/2。n在电流在电流i下降时，下降时，eL与与i方向相同（方向相同（uL与与i方向相反），电感方向相反），电感中的储能释放。中的储能释放。272电容的特性电容的特性n电容两端的电压不能突变电容两端的电压不能突变。电容电流。电容电流 i=dq/dt=Cdu/dtn电容充电时，电容充电时，u上升，上升，du/dt为正值，电流方向与图中为正值，电流方向与图中i的的正方向一致；电容储能，所储存的能量为正方向一致；电
25、容储能，所储存的能量为WC=Cu 2/2。n电容放电时，电容放电时，u下降，下降，du/dt为负值，电流方向与图中为负值，电流方向与图中i的的正方向相反，此时电容释放储能。正方向相反，此时电容释放储能。286.2.2 降压式直流变换器降压式直流变换器电感电流连续模式时，电感电流连续模式时，输出直流输出直流电压电压为：为：占空比：占空比：29降压变换器降压变换器L值对电压电流波形的影响值对电压电流波形的影响 (a)LLc (b)L=Lc临界电感临界电感Lc是使得通过储能电感的电流是使得通过储能电感的电流iL恰好连续而不出现间断所需要恰好连续而不出现间断所需要的最小电感量。的最小电感量。电感电流电
26、感电流iL连续的条件是连续的条件是LLC。LC用式（用式（6.8）计算。）计算。30降压变换器的输出滤波电容降压变换器的输出滤波电容Con输出滤波电容输出滤波电容Co采用高频电解电容器，为使采用高频电解电容器，为使Co具有较小具有较小的等效串联电阻（的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（）和等效串联电感（ESL），），常常用多个电容器并联用多个电容器并联。n电容器的额定电压应大于电容器上的直流电压与交流电电容器的额定电压应大于电容器上的直流电压与交流电压峰值之和，电容器允许的纹波电流应大于实际纹波电压峰值之和，电容器允许的纹波电流应大于实际纹波电流值。流值。n电解电容器是有极性的，使用中电解
27、电容器是有极性的，使用中正、负极性切不可接反正、负极性切不可接反，否则，电容器会漏电流很大而过热损坏，甚至发生爆炸。否则，电容器会漏电流很大而过热损坏，甚至发生爆炸。应应 Co 31功率开关管漏极电压电流开关工作波形功率开关管漏极电压电流开关工作波形 VMOS场效应管的场效应管的耗耗散功率散功率PD近似等于开近似等于开关损耗与通态损耗之关损耗与通态损耗之和（截止损耗和（截止损耗Poff可可忽略不计忽略不计）。）。开关频率愈高开关频率愈高，即即T愈小愈小，开关损耗愈开关损耗愈大大。为了避免开关损。为了避免开关损耗过大，（耗过大，（trtf）应）应比比T小得多。小得多。326.2.3 升压式直流变
28、换器升压式直流变换器电感电流连续模式时，电感电流连续模式时，输出直流输出直流电压电压为：为：336.2.4 反相式直流变换器反相式直流变换器电感电流连续模式时，电感电流连续模式时，输出直流输出直流电压电压为：为：346.3 隔离型开关电源电路隔离型开关电源电路n隔离型开关电源又称隔离型直流变换器，按其电路结构隔离型开关电源又称隔离型直流变换器，按其电路结构的不同的不同，可分为，可分为单端反激式单端反激式、单端正激式单端正激式、推挽式推挽式、全全桥式桥式和和半桥式半桥式。n隔离型开关电源的基本工作过程是：输入直流电压，先隔离型开关电源的基本工作过程是：输入直流电压，先通过功率开关管的通断把直流电
29、压逆变为占空比可调的通过功率开关管的通断把直流电压逆变为占空比可调的高频交变方波电压加在变压器初级绕组上，然后经过变高频交变方波电压加在变压器初级绕组上，然后经过变压器变压、高频整流和滤波，输出所需直流电压。在这压器变压、高频整流和滤波，输出所需直流电压。在这类开关电源中均类开关电源中均有高频变压器有高频变压器，可以实现输出侧与输入可以实现输出侧与输入侧之间的电气隔离侧之间的电气隔离。高频变压器的磁芯，通常采用铁氧。高频变压器的磁芯，通常采用铁氧体或铁基纳米晶合金（超微晶合金）。体或铁基纳米晶合金（超微晶合金）。356.3.1 单端反激式直流变换器单端反激式直流变换器1工作原理工作原理这种种变
30、换器当功率开关管器当功率开关管VT导通通时，整流二极管，整流二极管VD截止，截止，电源不直接向源不直接向负载传送能量，送能量，而由而由变压器器储能，当能，当VT变为截截止止时，VD导通，通，储存在存在变压器器磁磁场中的能量中的能量释放出来供放出来供给负载RL和和输出出滤波波电容容Co，因此，因此称称为反激式反激式变换器器。CI用于用于输入入滤波；波；C1、R1、VD1为关断关断缓冲冲电路，用于路，用于对功率开关管功率开关管进行保行保护，并抑制，并抑制高高频变压器漏感器漏感释放放储能所引能所引起的尖峰起的尖峰电压。36单端反激变换器波形图单端反激变换器波形图（a）励磁电感小于临界电感）励磁电感小
31、于临界电感 （b）励磁电感大于临界电感）励磁电感大于临界电感372变压器的磁通变压器的磁通 n在稳态情况下，一周期内磁通的正增量必须与负增量的在稳态情况下，一周期内磁通的正增量必须与负增量的绝对值相等，称为磁通的复位。绝对值相等，称为磁通的复位。n磁通复位是单端变换器必须遵循的一个原则磁通复位是单端变换器必须遵循的一个原则。在单端变。在单端变换器中，磁通换器中，磁通只工作在磁滞回线的一侧（第一象限），只工作在磁滞回线的一侧（第一象限），假如每个开关周期结束时假如每个开关周期结束时没有回到周期开始时的值，则没有回到周期开始时的值，则将随周期的重复而渐次增加，导致磁芯饱和，于是将随周期的重复而渐次
32、增加，导致磁芯饱和，于是VT导通时磁化电流很大导通时磁化电流很大(即漏极电流即漏极电流iD很大很大)，会造成功率开，会造成功率开关管损坏。因此，关管损坏。因此，每个开关周期结束时的磁通必须回复每个开关周期结束时的磁通必须回复到原来的起始值到原来的起始值，这就是磁通复位的原则。，这就是磁通复位的原则。383输出直流电压输出直流电压UO n（1）磁化电流连续模式）磁化电流连续模式n（2）磁化电流不连续模式）磁化电流不连续模式应注意应注意反激变换器不要让负载开路反激变换器不要让负载开路。在输出滤波电容。在输出滤波电容Co两端并联一两端并联一只大约流过只大约流过 1额定输出电流的泄放电阻（死负载），使
33、单端反激额定输出电流的泄放电阻（死负载），使单端反激式直流变换器实际上不会空载，可以防止产生过电压。式直流变换器实际上不会空载，可以防止产生过电压。D为占空比，为占空比，D=ton/T；n为变压器的变比，为变压器的变比，n=Np/Ns。394性能特点性能特点 利用高频变压器初利用高频变压器初、次级绕组间电气绝缘的特点，当输、次级绕组间电气绝缘的特点，当输入直流电压入直流电压UI是由交流电网电压直接整流滤波获得时，是由交流电网电压直接整流滤波获得时，可以方便地实现输出端和电网之间的电气隔离。可以方便地实现输出端和电网之间的电气隔离。能方便地实现多路输出。只需在变压器上多绕几组次级能方便地实现多路
34、输出。只需在变压器上多绕几组次级绕组，相应地多用几只整流二极管和滤波电容，就能获绕组，相应地多用几只整流二极管和滤波电容，就能获得不同极性、不同电压值的多路直流输出电压。得不同极性、不同电压值的多路直流输出电压。保持占空比保持占空比D在最佳范围内的情况下，可适当选择变压在最佳范围内的情况下，可适当选择变压器的变比器的变比n，使开关电源满足对输入电压变化范围的要求。，使开关电源满足对输入电压变化范围的要求。例例6.1见教材见教材P145146。n以上以上是各种隔离型开关电源电路共有的优点，以是各种隔离型开关电源电路共有的优点，以后不再重述。后不再重述。40性能特点（续性能特点（续1）单端反激变换
35、器单端反激变换器抗扰性强抗扰性强。由于。由于VT导通时导通时VD截止，截止，VT截止时截止时VD导通，能量传递经过磁的转换，因此通过电网导通，能量传递经过磁的转换，因此通过电网窜入的电磁干扰不能直接进入负载。窜入的电磁干扰不能直接进入负载。单端反激变换器功率开关管在截止期间承受的电压单端反激变换器功率开关管在截止期间承受的电压（UDS）较高。在设计无工频变压器开关电源中的单端反较高。在设计无工频变压器开关电源中的单端反激变换器时，激变换器时，考虑功率开关管的耐压考虑功率开关管的耐压，通常选取占空比通常选取占空比D0.5。41性能特点（续性能特点（续2）单端反激变换器在隔离型直流变换器中结构最简
36、单，但单端反激变换器在隔离型直流变换器中结构最简单，但只能由变压器励磁电感中的储能来供给负载，故只能由变压器励磁电感中的储能来供给负载，故主要适主要适用于输出功率较小的场合用于输出功率较小的场合，常在开关整流器中用做辅助，常在开关整流器中用做辅助电源。电源。单端变换器的变压器，磁通单端变换器的变压器，磁通只工作在磁滞回线的一侧，只工作在磁滞回线的一侧，即第一象限。为防止磁芯饱和，使励磁电感在整个周期即第一象限。为防止磁芯饱和，使励磁电感在整个周期中基本不变，应在磁路中加气隙。中基本不变，应在磁路中加气隙。反激变换器的气隙较反激变换器的气隙较大大，杂散磁场较强杂散磁场较强，需要加强屏蔽措施需要加
37、强屏蔽措施，以减小电磁骚以减小电磁骚扰扰。426.3.2 单端正激式直流变换器单端正激式直流变换器双晶体管电路双晶体管电路电感电流连续模式时，电感电流连续模式时，输出直流电压输出直流电压为：为：为了保证磁通复位，为了保证磁通复位，必须必须D0.5（6.32）43单端正激变换器单晶体管电路单端正激变换器单晶体管电路图中中NF是是变压器中的器中的去磁去磁绕组，通常，通常这个个绕组和初和初级绕组的匝数相等，即的匝数相等，即NFNP，并，并且保持且保持紧耦合，它和耦合，它和储能反能反馈二极管二极管VD3用以用以实现磁通复位磁通复位（VD3在在VT由由导通通变截止后截止后导通），通），NF和和VD3绝不
38、可少不可少。这种种电路路UO仍用式（仍用式（6.32）计算，同算，同样必必须D0.5；但当；但当功率开关管功率开关管VT截止截止时，在，在VD3导通期通期间，漏，漏-源极源极间电压UDS=2UI；VD3截止后，截止后，UDS=UI。正激变换器的变压器次级回路，类似于降压变换器。正激变换器的变压器次级回路，类似于降压变换器。由于这种变换器在功率开关管导通的由于这种变换器在功率开关管导通的同时向负载传送能量，因此称为同时向负载传送能量，因此称为正激正激式变换器式变换器。44单端正激变换器的优、缺点及应用单端正激变换器的优、缺点及应用n单端正激变换器具有类似降压变换器的输出电单端正激变换器具有类似降
39、压变换器的输出电压脉动小、带负载能力强等优点。但高频变压压脉动小、带负载能力强等优点。但高频变压器磁芯仅工作在磁滞回线的第一象限，其利用器磁芯仅工作在磁滞回线的第一象限，其利用率较低。率较低。适用于输入电源电压较高、要求输出适用于输入电源电压较高、要求输出功率不大的场合功率不大的场合。n在实际应用中，单端正激变换器采用双晶体管在实际应用中，单端正激变换器采用双晶体管电路的比较多。电路的比较多。456.3.3 推挽式直流变换器推挽式直流变换器电感电流连续模式时，电感电流连续模式时，输出直流电压输出直流电压为：为：为了防止为了防止“共同导通共同导通”，必须，必须D0.5、DO1。46推挽变换器实际
40、电压、电流波形推挽变换器实际电压、电流波形 47推挽变换器的优、缺点及应用推挽变换器的优、缺点及应用 n推挽变换器的推挽变换器的优点优点：同单端直流变换器比较，变压器磁芯利用率高，输出同单端直流变换器比较，变压器磁芯利用率高，输出功率较大，输出纹波电压较小。功率较大，输出纹波电压较小。两只功率开关管的源极是连在一起的，两组栅极驱动两只功率开关管的源极是连在一起的，两组栅极驱动电路有公共端而无需绝缘，因此驱动电路较简单。电路有公共端而无需绝缘，因此驱动电路较简单。n推挽变换器的推挽变换器的缺点缺点：高频变压器每一初级绕组仅在半周期以内工作，故变高频变压器每一初级绕组仅在半周期以内工作，故变压器绕
41、组利用率低。压器绕组利用率低。功率开关管截止时承受功率开关管截止时承受2倍电源电压，因此对功率开关倍电源电压，因此对功率开关管的耐压要求高。管的耐压要求高。存在存在“单向偏磁单向偏磁”问题，可能导致功率开关管损坏。问题，可能导致功率开关管损坏。n推挽式直流变换器用一对功率开关管就能获得较大的输推挽式直流变换器用一对功率开关管就能获得较大的输出功率，出功率，适宜在输入电源电压较低的情况下应用适宜在输入电源电压较低的情况下应用。48解决单向偏磁问题较为简便的措施解决单向偏磁问题较为简便的措施n一是采用电流型一是采用电流型PWM集成控制器，使两管电流集成控制器，使两管电流峰值自动均衡；峰值自动均衡；
42、n二是在变压器磁芯的磁路中加适当气隙，用以防二是在变压器磁芯的磁路中加适当气隙，用以防止磁芯饱和。止磁芯饱和。496.3.4 全桥式直流变换器全桥式直流变换器电感电流连续模式时，电感电流连续模式时，输出直流电压输出直流电压为：为：为了防止两对功率开关管为了防止两对功率开关管“共同共同导通导通”，占空比的变化范围必须，占空比的变化范围必须限制为限制为D0.5、DO1。50全桥变换器实际电压、电流波形全桥变换器实际电压、电流波形 51全桥变换器的优、缺点及应用全桥变换器的优、缺点及应用 n全桥变换器的全桥变换器的优点优点：变压器利用率高，输出功率大，输出纹波电压较小。变压器利用率高，输出功率大，输
43、出纹波电压较小。对功率开关管的耐压要求较低，比推挽式电路低一半。对功率开关管的耐压要求较低，比推挽式电路低一半。n全桥变换器的全桥变换器的缺点缺点：要用四个功率开关管。要用四个功率开关管。需要四组彼此绝缘的栅极驱动电路，驱动电路复杂。需要四组彼此绝缘的栅极驱动电路，驱动电路复杂。n全桥式直流变换器全桥式直流变换器适宜在输入电源电压高适宜在输入电源电压高、要求输出功要求输出功率大的情况下应用率大的情况下应用。526.3.5 半桥式直流变换器半桥式直流变换器电感电流连续模式时，电感电流连续模式时，输出直流电压输出直流电压为：为：为了防止为了防止“共同导通共同导通”，必须，必须D0.5、DO1。53
44、半桥变换器实际电压、电流波形半桥变换器实际电压、电流波形 54半桥变换器的优、缺点及应用半桥变换器的优、缺点及应用 n半桥变换器的半桥变换器的优点优点：抗不平衡能力强。抗不平衡能力强。同推挽式电路比，变压器利用率高，对功率开关管的同推挽式电路比，变压器利用率高，对功率开关管的耐压要求低（低一半）。耐压要求低（低一半）。同全桥式电路比，少用两只功率开关管，相应地驱动同全桥式电路比，少用两只功率开关管，相应地驱动电路也较为简单。电路也较为简单。n半桥变换器的半桥变换器的缺点缺点：同推挽式电路比，驱动电路较复杂，两组栅极驱动电同推挽式电路比，驱动电路较复杂，两组栅极驱动电路必须绝缘。路必须绝缘。同全
45、桥式及推挽式电路比，获得相同的输出功率，功同全桥式及推挽式电路比，获得相同的输出功率，功率开关管的电流要大一倍；若功率开关管的电流相同，率开关管的电流要大一倍；若功率开关管的电流相同，则输出功率少一半。则输出功率少一半。n半桥式直流变换器半桥式直流变换器适宜在输入电源电压高、输出中等功适宜在输入电源电压高、输出中等功率的情况下应用率的情况下应用。556.4 集成集成PWM控制器控制器6.4.1 概述概述n脉宽调制（脉宽调制（PWM）控制电路是开关电源的重要）控制电路是开关电源的重要组成部分，其组成部分，其作用是作用是产生产生PWM信号，向功率开信号，向功率开关管或它的驱动电路提供前后沿陡峭、占
46、空比可关管或它的驱动电路提供前后沿陡峭、占空比可变、工作频率不变的矩形脉冲列。变、工作频率不变的矩形脉冲列。n对于单端开关电源，只需提供一组矩形脉冲列；对于单端开关电源，只需提供一组矩形脉冲列；而对于双端开关电源（推挽、全桥和半桥变换器）而对于双端开关电源（推挽、全桥和半桥变换器），则需提供相位相差，则需提供相位相差180、对称并且有死区时、对称并且有死区时间的两组矩形脉冲列。间的两组矩形脉冲列。56对对PWM控制电路的基本要求控制电路的基本要求 满足开关电源输出电压稳定度及动态品质的要满足开关电源输出电压稳定度及动态品质的要求；求；与主回路配合，使开关电源具有规定的输出电压与主回路配合，使开
47、关电源具有规定的输出电压值及其调节范围；值及其调节范围；能实现开关电源的软启动；能实现开关电源的软启动；能实现开关电源的过流、过压保护。能实现开关电源的过流、过压保护。57集成集成PWM控制器分类控制器分类 n传统的传统的PWM控制电路普遍采用属于模拟控制技术的单片控制电路普遍采用属于模拟控制技术的单片集成集成PWM控制器，其型号较多，通常分为电压型控制器控制器，其型号较多，通常分为电压型控制器和电流型控制器两类，电流型控制又分为峰值电流模式和电流型控制器两类，电流型控制又分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。控制和平均电流模式控制。n电压型电压型PWM集成控制器集成控制器只有电压反馈控制，
48、可以满足开只有电压反馈控制，可以满足开关电源稳定输出电压等要求。关电源稳定输出电压等要求。n电流型电流型PWM集成控制器集成控制器不仅有电压反馈控制，还增加了不仅有电压反馈控制，还增加了电感电流反馈控制，电感电流反馈控制，控制电路为双环控制，具有电压外控制电路为双环控制，具有电压外环和电流内环环和电流内环，从而使开关电源系统具有快速的瞬态响，从而使开关电源系统具有快速的瞬态响应及高度的稳定性，有很高的稳压精度，可实现逐周限应及高度的稳定性，有很高的稳压精度，可实现逐周限流，并具有良好的并联运行能力。流，并具有良好的并联运行能力。58集成集成PWM控制器分类（续）控制器分类（续）n在数字化控制技
49、术不断发展的基础上，数字化开关电在数字化控制技术不断发展的基础上，数字化开关电源有了较快发展。源有了较快发展。n所谓数字化开关电源，就是开关电源的控制电路数字所谓数字化开关电源，就是开关电源的控制电路数字化化采用采用数字信号处理器数字信号处理器（DSP）或）或微处理器微处理器（MCU）来进行开关电源的）来进行开关电源的PWM控制和保护。控制和保护。n美国德州仪器公司（美国德州仪器公司（TI）以及其他厂商生产的）以及其他厂商生产的DSP芯芯片（如片（如TI推出的推出的TMS320系列等），已经在通信用开系列等），已经在通信用开关电源中得到应用。关电源中得到应用。n数字化控制的性能优于模拟控制，随
50、着数字化控制的性能优于模拟控制，随着DSP的价格下的价格下降，通信用开关电源产品很快就会实现全数字化控制。降，通信用开关电源产品很快就会实现全数字化控制。596.4.2 电压型控制器举例电压型控制器举例(SG1525A系列系列)60SG1525A系列系列PWM集成控制器内部结构框图集成控制器内部结构框图61振荡器的外部连接及锯齿波电压波形图振荡器的外部连接及锯齿波电压波形图 62一组输出级（图腾柱结构）一组输出级（图腾柱结构）63SG1525A系列系列PWM集成控制器波形图集成控制器波形图 64用用CW1525A控制的半桥型开关电源控制的半桥型开关电源 656.4.3 电流型控制器举例电流型控
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